Modelling of Fire and Toxicants Formation-Measures to Reduce Risks

Islam, Kamrul

This thesis describes a methodology of fire risk simulation and mitigation by developing and implementing a model for toxic chemical species formation from gas and plastic burning at enclosure fire conditions into a conventional Computational Fluid Dynamics (CFD) model and taking appropriate measures. A complete fire hazard assessment requires knowledge of toxic chemical species production of CO,NOx,SOx,H2S,HCN,HCl etc. Most existing studies of toxicants assessment have solely relied on data obtained from small scale physical fire models or empirical data concerning CO and soot yield. There is no straight forward method to interpret such data in terms of toxic concentration in real scale fire. In reality, toxic species production varies with combustion conditions (i.e. equivalence ratio, temperature). Therefore, using constant toxic yield value from small scale experiments can lead to a significant error in toxic hazard assessment. Currently available CFD codes have either no implemented toxic species formation model or toxic species formation models (i.e. CO) with inaccurate predictability. In this dissertation, detailed investigations of the effect of equivalence ratio and temperature on toxicants formation for different burning substances are conducted through constrained (temperature and equivalence ratio) equilibrium calculations. A submodel has been developed to predict local toxicant concentration by solving species transport equation with artificial source terms as post processing. Constrained equilibrium concentrations are utilized for the calculation of the artificial source terms. The developed toxic model is coupled with the chosen CFD model-FDS. Simulations are performed with the developed model and results are compared with experimental data. Predictions of CO are in reasonable agreement with the data. By implementing the presented toxic species formation and transport model into usual fire simulation program, the prediction of the probability of fire deaths can be improved. By reducing toxic exposure through choosing appropriate enclosure geometry and ventilation, the probability of fire deaths can be reduced and by improving early fire warning system, the probability of fire can be mitigated. Consequently, both result in mitigation of fire risk.

Diese Arbeit beschreibt eine Methode, das Brandrisiko durch die Entwicklung und Einbettung eines Modells für die Bildung von toxischen Schadstoffen, insbesondere CO, in ein konventionelles Computational Fluid Dynamics Modell (CFD) besser zu beschreiben und durch geeignete Maß nahmen zu verringern. Ungefähr zwei Drittel aller durch Brände in geschlossenen Räumen entstehenden Todesfälle können auf die Anwesenheit von Kohlenmonoxid im Rauch zurückgeführt werden. Allerdings wurden im einigen Studien auch andere toxische Stoffe als Todesursache gefunden. Aus diesem Grund macht eine umfassende Brandbewertung Fachwissen über die Bildung von Schadstoffen wie CO, NOx, SOx, H2S, HCN, HCl etc. unabdingbar. Ein Großteil der bislang durchgeführten Studien zur Schadstoffbewertungen beziehen sich lediglich auf empirische Daten von (z.B. CO und Ruß) oder auf solche Daten, die aus wenig umfangreichen empirischen Brandmodellen gewonnen wurden. Bisher wurden diese Daten nicht systematisch mit den Konzentrationen der zahlreichen toxischen Schadstoffe in tatsächlichen Bränden verglichen. In der Realität variiert die toxische Schadstoffbildung mit den Stoffen, die verbrennen und den Verbrennungsbedingungen -insbesondere mit dem GER (Global equivalence ratio) (Kehrwert des Luftüberschusses) und der Temperatur. Die Verwendung einer konstanten Schadstoffentstehung aus den wenig umfangreichen Experimenten kann zu einer signifikanten Fehleinschätzung in der toxischen Gefahrenanalyse führen. Aktuell verfügbare CFD Codes haben entweder kein Modell für die toxischen Schadstoffbildung implementiert oder eines mit stark limitierter Vorhersagegenauigkeit nur für CO. In dieser Arbeit werden detaillierte Untersuchungen des Einflusses von Luftüberschuss und Temperatur auf die Schadstoffbildung bei der Verbrennung verschiedener Materialien mit Hilfe von chemischen Gleichgewichtsberechnungen durchgeführt. Dabei werden zuerst die Ergebnisse dreier verschiedener CFD Brandsimulationsprogramme mit experimentellen Daten verglichen und schließlich eines davon wegen der Qualitat seiner lokal instationären Temperatursimulationen ausgewählt. Die drei Simulationsprogramme brauchen die gleiche Rechenzeit auf dem gleichen Rechner. Ein Sub-Modell wurde entwickelt, um lokale toxische Schadstoffkonzentration vorherzusagen, indem eine Spezies-Transportgleichung mit künstlichen Quelltermen im Postprocessing gelöst wird. Für die Berechnung dieser Quellterme werden die Gleichgewichtskonzentrationen und Reaktionstemperaturgrenzen verwendet. Schließlich wird das entwickelte Modell mit dem ausgewählten CFD Programm-FDS gekoppelt. Die Ergebnisse der Simulationen mit diesem Programm werden mit experimentellen Daten teilweise auch in verkleinertem Maßstab verglichen. Die Vorhersage des CO zeigt gute Übereinstimmung mit den experimentellen Daten. Es wird gezeigt, wie die Wahrscheinlichkeit eines Brandes und Schäden d.h. das Risiko mit Hilfe der Fehlerbaumanalyse und der Ereignisablaufanalyse abgeschätzt werden könnte, wenn ausreichendes statistisches Datenmaterial vorhanden wäre. Durch die Implementierung des entwickelten Modells für die Bildung toxicher Schadstoffe kann die Wahrscheinlichkeit von Todesfällen besser abgeschätzt werden. Durch die angemessene Wahl der Raumgeometrie und Belüftung kann die Wahrscheinlichkeit von Todesfällen vermindert werden. Wird zudem durch verbesserte Brandfrühwarnsysteme die Wahrscheinlichkeit von Bränden reduziert, wird des Risiko durch beide Maßnahmen stark vermindert.

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Islam, Kamrul: Modelling of Fire and Toxicants Formation-Measures to Reduce Risks. 2008.

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