Вентилируемый фасад из композита: композитные кассеты, цена на вентфасад из композита

Есть потребность?
Получите лучшую цену

листов ACP способствуют вентиляции стен и повышают прочность здания

ACP могут отремонтировать и оживить здание своими очаровательными оттенками и множеством уникальных преимуществ, которые оно предлагает.Алюминиевые композитные панели водонепроницаемы, устойчивы к пятнам и очень долговечны. Панели остаются неизменными по цвету, форме и размеру даже после воздействия резкого солнечного света и погодных изменений, что делает их идеальными для всех сезонов и погодных условий.

Но знаете ли вы, что листы ACP также помогают в вентиляции стен и повышают прочность здания?

Давайте узнаем, как они вносят свой вклад

Но обо всем по порядку,

Это разновидность фасадной конструкции, в которой между изоляцией и облицовкой фасада создается воздушный зазор. Зазор, открытый сверху и снизу, пропускает воздух, создавая путь для естественной вентиляции фасада. Щель также обеспечивает тепло- и звукоизоляцию здания.

Излишне упоминать тот факт, что внедрение листов ACP дало строителям и архитекторам совершенно новую возможность обновить облицовку здания. Облицовка ACP не только экономична и добавляет эстетики зданию, но и обеспечивает долговечность, устойчивость к погодным и огнестойким условиям, а также проста в установке.

Для зданий, особенно коммерческих, фасад имеет огромное значение. Независимо от того, новое ли это здание или старое, если вы хотите улучшить общий вид здания, алюминиевые композитные панели являются наиболее полезным и экономичным вариантом.

Кроме того, это намного лучше, чем краска, потому что окраска потребует повторного покрытия через пару лет, и также следует отметить, что за окрашенными поверхностями необходимо ухаживать.Их рентабельность объясняется тем фактом, что они не требуют повторной установки или какого-либо серьезного обслуживания.

Являясь одним из лучших производителей листов ACP в Индии , облицовка Viva ACP устойчива к воде и другим суровым погодным условиям, что предотвращает поглощение влаги, которое ослабляет общую структуру здания. Это, в свою очередь, также предотвращает рост плесени и бактерий.

Механическая прочность здания также значительно повышена, поскольку загрязняющие вещества не попадают в здание.Использование листов ACP высшего качества также обеспечивает теплоизоляцию, улучшенную акустику и меньшие колебания температуры в здании.

В Viva мы производим один из листов ACP высшего качества в Индии. Наши листы ACP легкие, пригодные для вторичной переработки, не вызывают коррозии и доступны в широком спектре оттенков, текстур и отделок. Наши листы ACP высшего качества могут имитировать внешний вид некоторых материалов, таких как дерево, мрамор и даже галактика, чтобы здание выглядело красиво.

Численное моделирование огнестойкости фасада, оснащенного облицовкой из алюминиевых композиционных материалов. Валидация модели в крупном масштабе – Dréan – 2019 – Пожар и материалы

1 ВВЕДЕНИЕ

Недавние пожары в зданиях, в которых используются горючие системы облицовки по всему миру, вызвали озабоченность по поводу пожарной опасности, которую могут представлять эти системы. Эти драматические зловещие (Башня Мермоз в Рубе, Франция, 2012 г .; Башня Полат в Стамбуле, Турция, 2012 г .; Башня Лакросса в Мельбурне, Австралия, 2014 г .; Башня Факела и Марина 1 в Дубае, Объединенные Арабские Эмираты, 2015 г .; и Башня Гренфелл2 в Лондоне, UK, 2017) подчеркивают важность решения проблем пожара в целом и четко подчеркивают важную роль облицовки фасада как вектора распространения огня.

После катастрофы в Гренфелле пожарные свойства фасадов стали предметом большого интереса.3-5 Тем не менее, понимание таких фасадных пожаров очень сложно, поскольку они связаны с комбинацией различных продуктов и параметров системы. Огнестойкость системы изоляции внешнего фасада зависит от характеристик системы в целом, а не от характеристик каждого отдельного компонента.6 Фасадная система включает в себя не только характеристики облицовки и изоляционного материала, но также характеристики полостей, барьеров для полостей, монтажа и крепление, подложка и любые особенности, например оконные рамы.Все эти элементы сильно взаимодействуют при пожаре.

В контексте пожарной безопасности следует отметить, что для таких систем, как композитные системы внешней теплоизоляции (ETICS) или вентилируемые фасады, используемые материалы (облицовка или изоляция) могут быть горючими. Кроме того, в вентилируемых фасадах воздушный зазор может быть вектором распространения огня через эффект дымохода. ) потенциально может способствовать распространению огня.В настоящее время использование противопожарных барьеров или систем отсекания в соответствии с требованиями национальных нормативных требований может препятствовать решению этих проблем, но они также представляют собой дополнительные переменные в системе.

Оценка огнестойкости конкретной фасадной системы может быть проведена с помощью крупномасштабных испытаний в соответствии с местными нормативами. 5 Однако эти крупномасштабные испытания ориентированы на соответствие критериям «годен / не годен»; и они дают очень мало количественной информации для дальнейшей интерпретации поведения испытанной системы при пожаре; если пламя пройдет через верхнюю часть рамы, испытание будет остановлено, и это не позволит провести тщательное исследование характеристик.11

После пожара в башне Гренфелл в Лондоне 14 июня 2017 года правительство Великобритании создало Независимую консультативную группу экспертов для вынесения рекомендаций по незамедлительным мерам, которые необходимо принять для обеспечения безопасности высотных жилых домов. 6 июля Независимая консультативная группа экспертов рекомендовала провести серию крупномасштабных испытаний BS 8414-112, чтобы помочь владельцам зданий принять решение о любых дальнейших мерах, которые могут потребоваться.Эта серия испытаний включала семь комбинаций систем облицовки. Предыдущие исследования13-15 сообщают о трех испытаниях фасадов на огнестойкость, которые были выполнены в соответствии со стандартом BS8414-1 для различных комбинаций двух марок алюминиевого композитного материала (ACM) и двух различных изоляционных материалов, подобных тем, которые были впоследствии испытаны Guillaume et al. 3

Несколько исследований показали осуществимость и полезность численного моделирования фасадных пожаров с использованием различных испытательных средств или методов и с использованием различных программ моделирования.16-24 Опубликованные результаты показали возможность моделирования таких методов испытаний с использованием моделирования больших вихрей (LES), особенно когда рассматривались негорючие оболочки. Однако большое внимание следует уделять чувствительности численной модели, в частности, правильному представлению поведения пламени возле фасадной системы и, следовательно, тепловых напряжений, воспринимаемых фасадами.

Серия промежуточных испытаний на распространение огня по фасаду в соответствии со стандартом ISO 13785-125 с дополнительной скоростью тепловыделения (HRR) и анализ газов с использованием FTIR была рассмотрена в Guillaume et al.3 Серия испытаний включала девять различных комбинаций трех марок АКМ и трех различных утеплителей.

На основе испытаний на огнестойкость фасада ISO 13785-1, подробно описанных в Guillaume et al [3], было проведено предварительное численное исследование26 с использованием программы моделирования динамики пламени (FDS) 27, разработанной Американским институтом NIST. и широко используется в сообществе пожарной безопасности. В модель вводились тепловые характеристики компонентов системы.На основе сравнения с экспериментальными результатами, полученными в результате испытаний фасада на огнестойкость ISO13785-1, была проверена согласованность и актуальность модели с точки зрения тепловых свойств, распространения огня, HRR, дыма и выделения химических веществ. Таким образом, численная модель была подтверждена в промежуточном масштабе. Как численное моделирование, так и испытания показали, что облицовка ACM является наиболее важным элементом, определяющим глобальное пожароопасное поведение тестируемых фасадных систем. В частности, системы облицовки на основе ACM-PE, независимо от того, какой изолятор использовался в системе, показали очень заметное распространение огня, и расход ACM во время горения нарушил целостность полости.

В этой статье подробно рассказывается о расширении этой ранее проверенной числовой модели и набора исходных данных от Dréan et al, 26 для оценки влияния масштабирования. Ранее проверенная модель была реализована в более крупном масштабе теста BS8414-1, чтобы подтвердить входной набор данных и исправить несколько числовых параметров, таких как размер сетки или градиенты, для будущего масштабирования.

Протокол испытания на огнестойкость12, подробно описанный в BS8414-1, представляет собой внешний источник огня или полностью развившийся (после перекрытия) пожар в комнате, выходящий через отверстие, такое как оконный проем, который подвергает облицовку воздействию внешнего пламени. .Действительно, в таком масштабе испытываются от 8 до 9 метров фасада. Затем можно изучить распространение огня на более чем двух этажах.

Целью настоящего исследования является точное численное воспроизведение тепловой нагрузки, которой подвергается тестируемая система, теплового поведения системы и распространения огня через фасад. Моделирование выполняется с помощью программного обеспечения FDS на основе численной гипотезы и ранее проверенного набора исходных данных26. Выполняются итерационные расчеты для проверки соответствия модели экспериментальным результатам, полученным во время эталонных испытаний на огнестойкость, на которые имеются ссылки 13-15, и их соответствия. комбинации двух марок ACM и двух разных утеплителей, аналогичные тем, которые впоследствии были испытаны в промежуточном масштабе.3

На первом этапе испытание BS8414-1 численно моделируется, чтобы воспроизвести поведение при испытании на огнестойкость фасадной системы, содержащей облицовку [ACM-PE] и изоляцию [PIR]. Чтобы точно воспроизвести распространение пожара в системе, моделирование выполняется с мелкой числовой сеткой, аналогичной той, которая использовалась на предыдущем шаге, подробно описанной в Dréan et al.26, 28 Сравнение численных и экспериментальных результатов для температур на основе на предыдущем исследовании.13

Второй этап исследования заключается в использовании более грубых числовых ячеек, которые чаще встречаются при крупномасштабном моделировании и инженерных исследованиях. Использование такой грубой сетки необходимо из-за трудностей и времени, затрачиваемых на моделирование больших масштабов, таких как полномасштабный фасад высотного здания. Однако численная гипотеза должна быть зафиксирована, чтобы применить модель, разработанную с использованием точной мелкой сетки, к модели, разработанной с более крупной сеткой.Основная цель – воспроизвести температурные градиенты в газовой и твердой фазах, достигнутые с помощью исходной модели. Например, в модели с более крупной сеткой воздушная полость теперь имеет ту же толщину, что и размер ячейки. Обмены между материалами и газовой фазой также оцениваются в более крупной ячейке.

На третьем этапе численная модель модифицируется для проверки характеристик горения каждой части системы. Эти дополнительные исследования позволяют проверить надежность численной модели.Для этого выполняется вторая симуляция с исходной облицовкой [ACM-PE], но с негорючей изоляционной минеральной ватой (MW). Затем выполняется третий расчет с использованием исходного изоляционного материала [PIR], но с инертной негорючей оболочкой [ACM-A2 like]. Базовая структура испытательного стенда остается неизменной для всех смоделированных испытаний. Эти два теста подробно описаны в предыдущих исследованиях.14, 15

Целью этого исследования является получение надежной численной модели, которая могла бы предсказать поведение целых систем в более крупном масштабе для более поздних исследований масштабирования.Особое внимание уделяется расходу и тепловым условиям во всех точках тестируемых систем. Это позволяет дополнительно изучить и понять относительный вклад изоляционного материала и оболочки ACM. В частности, можно численно оценить относительный вклад каждого компонента в поведение системы при пожаре. Вклад ACM-облицовки и изолятора в поведение при пожаре в целом исследуется отдельно. Таким образом, огнестойкость каждого компонента системы в целом подтверждается численно и оценивается влияние масштабирования.

2 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА

2.1 Стенд

Испытания фасада на огнестойкость в соответствии с предыдущим исследованием 13, выполненные в соответствии с BS8414-1,12, позволяют оценить поведение крупномасштабных фасадных систем при пожаре, как того требуют правила Великобритании по безопасности зданий.

Обустройство экспериментальной установки было разработано в соответствии со спецификациями BS8414-1.12 Это крупномасштабная застройка фасада, как подробно описано в предыдущих исследованиях.13-15 Он состоит из двух рам размером 2600 × 8000 мм для задней стенки (основная поверхность) и 500 × 8000 мм для боковой стенки (крыла) с плитами из силиката кальция (CalSil) в качестве опоры для тестируемой системы и на которая установлена ​​в системе (рис. 1А).

Деревянная кроватка с HRR близкой к 3,0 ± 0,5 МВт установлена ​​в камере сгорания объекта, и ее размеры близки к 1500 × 1000 × 1000 мм (д × ш × в).Затем вся система помещается под большой кожух для сбора сточных вод.11, 12

Приборы, использованные во время испытаний, подробно описаны в предыдущих исследованиях13-15 и показаны на Рисунке 1B. Во время испытания температура поверхности измеряется с погрешностью, равной ± 2,5 К. в разных местах. Уровень 1 соответствует верхней части панели над камерой сгорания. Внешние замеры производятся на 50 мм перед готовой гранью. Уровень 2 соответствует верхней части второго ряда панели над камерой сгорания.Измерения проводят снаружи на 50 мм перед готовой поверхностью, в средней точке полости между панелью и изоляцией и в средней точке изоляционного слоя. Расположение барьеров полости также схематично показано на рисунке 1C.

2.2 Испытанные системы в экспериментальном образце

В протоколах эталонных испытаний было проведено 13-15 испытаний фасадов на огнестойкость для трех комбинаций двух различных составов ACM и двух разных утеплителей (Таблица 1).Информация об этих изоляционных материалах, такая как плотность или теплопроводность, доступна в технических паспортах продуктов соответствующих производителей. Горючие изоляторы различной толщины или MW были выбраны для достижения аналогичных уровней тепловых характеристик. Панели ACM-PE содержат полиэтиленовый сердечник толщиной 3 мм с алюминиевыми облицовками толщиной 0,5 мм с каждой стороны.

• Сокращения: АКМ, алюминиевый композитный материал; MW, минеральная вата.

Эти испытания были проведены сразу после катастрофы в Гренфелле компанией BRE для DCLG. Намерение состояло в том, чтобы оценить соответствие таких систем критериям, приведенным в BR135. Испытания прекращались, если превышался критерий несостоятельности BR135 «высота пламени».

Однако следует обращать внимание на повторяемость испытаний и вариабельность тепла, выделяемого источником огня, поскольку использовалась деревянная кроватка.

Что касается монтажа и крепления, системы облицовки смонтированы на плитах из силиката кальция. Облицовка была сделана из панелей 3 × 4 для задней стены (от 1B до 3E на рисунке 1) с двумя дополнительными панелями вокруг камеры сгорания (0B и 0C на рисунке 1) и четырьмя панелями (от 0A до 3A на рисунке 1) для боковая стенка (или тестовое крыло). Зазоры между панелями облицовки были шириной 20 мм.

Был установлен комплект из четырех горизонтальных барьеров вспучивающихся полостей с толщиной вспучивающегося материала 25 мм.Были размещены вертикальные барьеры полости: две для задней стенки и одна для боковой стенки (см. Рисунок 2).

2.3 Основные результаты экспериментов

Описанные выше испытания фасада на огнестойкость, проводимые в соответствии с BS 8414-1, позволяют оценить материал фасада и огнестойкость системы.Согласно BR135, основные результаты экспериментов в предыдущих исследованиях 13-15 показывают, что проведенные тесты различают решения. Они подчеркивают, что для этих испытанных составов облицовка из ACM является наиболее важным параметром, определяющим поведение при пожаре в целом. Система [ACM-A2 + PIR] прошла испытание, но системы [ACM-PE + PIR] и [ACM-PE + MW] были остановлены соответственно через 395 и 310 секунд, поскольку критерий отказа BR135 «высота пламени» был превышено. Для всех тестов было обнаружено свидетельство активации барьеров полости.К сожалению, большая часть развития пожара могла продолжиться после того, как критерий несостоятельности BR135 «высота пламени» был превышен, после чего испытания были прекращены. Таким образом, имеющиеся данные экспериментальных испытаний охватывают только период от возгорания до прекращения испытаний.

3 ЧИСЛОВЫЙ НАБОР

Предварительная численная разработка была проведена посредством итерационных расчетов, которые были выполнены для проверки согласованности модели и ее соответствия экспериментальным результатам, полученным во время испытаний на огнестойкость BS8414-1.Целью данного исследования является точное численное воспроизведение тепловой нагрузки, которой подвергается тестируемая система, теплового поведения системы и распространения огня через фасад. Тепловые характеристики компонентов системы интегрированы в модель.

После того, как тепловое поведение фасадной системы подтверждено для конфигурации [ACM PE + PIR] в крупном масштабе, местные явления оцениваются с уверенностью, и могут быть детализированы конкретные численные исследования обтекания барьера полости.Индивидуальный вклад облицовки и изоляции учитывается путем дальнейшей проверки численной модели. Моделирование системы, включающей негорючий изолятор MW, и системы, включающей инертную негорючую облицовку, как было проверено Гийомом и др. 3, позволяет более глубоко проанализировать вклад материала в распространение огня в фасадных системах.

3.1 Цифровые инструменты

Численное моделирование выполнено с помощью кода CFD FDS версии 6.7.0. FDS – это вычислительный код в гидродинамике, который включает модель горения и крупномасштабную модель (LES) для описания турбулентных потоков. Этот инструмент позволяет трехмерное моделирование расчетной области. Учитывает теплопередачу у стен, условия вентиляции для отвода горячих газов и забора воздуха. Уравнения Навье-Стокса решаются в пределе низкого числа Маха, потока с тепловым приводом с акцентом на перенос дыма и тепла от пожаров. Радиационная теплопередача включается в модель посредством решения уравнения переноса излучения для серого газа.Подробная информация представлена ​​в предыдущем исследовании27

Подмодели FDS по умолчанию использовались для обмена излучения в газовой фазе, даже если анализ чувствительности, выполненный с использованием 100 (значение по умолчанию), 500 и 800 телесных углов, был рассмотрен в Приложении B (см. Дополнительную информацию). Также была исследована модель горения с определением примитивных и сосредоточенных видов газа для решения уравнения переноса для каждого отслеживаемого вида, а также использование одностадийной реакции для производства CO.Это произошло из-за неопределенности в возникновении этого явления и из-за хорошо вентилируемых условий для горения, наблюдаемых экспериментально и численно. Выгорание топлива в каждой твердой числовой ячейке учитывается заданием горючей массы и теплоты сгорания объекта через параметр насыпной плотности. Таким образом, когда масса, содержащаяся в каждой твердой ячейке, израсходована, твердое тело исчезает из расчетной ячейки за ячейкой. Эта особенность используется для объяснения разрушения оболочки, что наблюдается экспериментально в экспериментах ACM-PE.Модель Дардорфа по умолчанию используется для моделирования подсеток LES. Используется стандартная пристенная модель с функцией стены для гладкой стены. Теплопередача на стенках моделируется с последующим выделением тепла испарения для учета потерь энергии из-за испарения твердого топлива.

3.2 Описание числовой области

3.2.1 Числовая область

Общие размеры числовой области составляют 3000 × 3800 × 10000 мм, с открытыми граничными условиями для давления по бокам и вверху расчетной области.Числовая область считается достаточно большой, чтобы учесть испытательный стенд и пожарный шлейф в результате сгорания системы.

Размер ячеек для объекта выбран равным 20 × 20 × 20 мм, так что сетка уточняется для точного отражения явлений горения и турбулентности в системе. Всего используется 11,25 миллиона ячеек.

В справочном руководстве FDS27 и литературе 29 критерий качества разрешения сетки приводится для моделирования с использованием плавучих шлейфов.Он оценивается с использованием безразмерного отношения D * / Δx, где Δx – размер ячеек сетки, а D * – характерный диаметр пожара. Следуя этому выражению, для типичного HRR деревянной кроватки (максимум Q = 3,5 МВт) адекватный мелкий размер ячеек Δx для получения надежных прогнозов радиационного теплового потока должен быть близок к 100 мм. Однако для общего HRR, достигнутого численно для деревянной опалубки и фасадной системы (Q = 7 МВт), размер ячеек должен быть близок к 130 мм. Таким образом, рассматриваемый размер сетки 20 мм достаточно мал, чтобы точно уловить явления горения и турбулентности системы от возгорания до полностью развитого пожара.

Следует обратить внимание на зазор 20 мм на стыке панелей облицовки. Что касается размера ячейки, для представления зазора используется только одна числовая ячейка жидкости, размер которой соответствует сетке (например, 20 мм). 55-миллиметровая воздушная полость между облицовкой из ACM и изоляцией моделируется 60-миллиметровой полостью, поэтому для расчета аэравлических явлений в воздушной полости используются три ячейки. В отношении выбранного мелкого размера ячеек не проводился анализ чувствительности, и в данном случае общее поведение пожара в основном определяется поверхностным распространением огня.

Этот технический выбор сделан для экономии разумных затрат на вычисления и с учетом последующего масштабирования этой числовой модели. Компромиссы были необходимы для разработки надежной числовой модели, которую можно было бы использовать для этого приложения. Выбранный размер ячейки достаточен, чтобы уловить основные особенности локальных эффектов, но не в деталях, а в достаточной степени, чтобы воспроизвести поведение огня в настоящей заявке. Более того, вскоре после начала испытания распространение огня от горелки к системе приводит к ее возгоранию.Таким образом, панели облицовки и тем самым зазоры между ними исчезают в первые минуты испытания.

В численной модели виртуальные приборы, состоящие из термопар, размещаются в тех же местах, что и во время реального испытания (рис. 1).

3.2.2 Численная модель термического анализа

Тепловые характеристики компонентов системы интегрированы в численную модель с точки зрения плотности, теплопроводности, теплоемкости, излучательной способности, теплоты сгорания, температуры воспламенения, скорости потери массы и скорости выделения частиц для каждого задействованного материала.Все рассматриваемые термические свойства и характеристики горения для материала, из которого состоят системы, взяты из численной модели, утвержденной в промежуточном масштабе.26, 28 Обоснование численной модели, используемой для анализа термического разложения материалов и полного сгорания, подробно обсуждается в Дреан и др. 26, 28

Скорость горения материалов действительно указана. Однако скорость горения фасада усложняется по мере распространения пламени.Самым сложным моментом этого подхода был поиск подходящих параметров, имеющих физический смысл. Эти параметры включали тепловые параметры (так что теплопередача моделируется правильно) и правильные свойства горения (температура воспламенения и скорость потери массы). Эти полные наборы параметров необходимо найти для нескольких материалов, которые сильно взаимодействуют друг с другом. Таким образом, полученные численные результаты не будут правильно соответствовать экспериментальным, потому что скорость потери массы задана, а потому, что термические свойства и огнестойкость подходят.Действительно, свойства материалов, температура воспламенения и скорость горения материалов являются обязательными. Однако каждый из этих параметров взят из литературы и выбран в соответствии с соответствующими условиями окружающей среды. Ни один из них не был откалиброван для того, чтобы полученные численные результаты точно соответствовали экспериментальным.

В численной модели алюминиевая рама и барьеры для полостей реализованы в том же месте, что и во время испытаний. Барьеры полости включают вспучивающееся покрытие.Предполагается, что расширение вспучивающейся части барьера полости происходит при 260 ° C. Вспучивание моделируется как появление дополнительной толщины твердого препятствия, представляющего барьер полости, когда достигается локальный температурный критерий.

В числовой модели реализован механизм разрушения алюминиевой рамы. Каждая часть твердого тела исчезает, если температура его поверхности достигает 550 ° C. Эта температура соответствует потере механических свойств алюминия.30

Тепловые свойства опор из силиката кальция (CalSil) реализованы для обеспечения правильной теплопередачи с точки зрения потерь от основы фасадной системы. Таким образом, учитываются открытые граничные условия.

3.2.3 Численная модель очага пожара

Модель развития источника огня на базовом испытательном стенде была ранее проверена путем сравнения с несколькими калибровочными испытаниями (гипсокартонный фасад), как представлено в Приложении C (см. Дополнительную информацию).В числовой модели принималось значение HRR, показанное на рисунке 3, для сжигания деревянной кроватки. Согласно предыдущему исследованию, 12 этот источник тепла выделяет номинальную общую тепловую мощность 4500 МДж в течение 30 минут с пиковой мощностью (3 ± 0,5) МВт. HRR сопоставим с данными, указанными у Андерсона и Янссона.31

Анализ чувствительности влияния этой неопределенности на HRR деревянной кроватки рассматривается далее в этой статье.Иллюстрации численной модели приведены на рисунке 4.

4 ЧИСЛЕННЫЕ ИСПЫТАНИЯ ПОЖАРНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ: РЕЗУЛЬТАТЫ И ПРОВЕРКА

4.1 Сравнение экспериментальных и численных значений для конфигурации [ACM-PE + PIR]

Проанализированы сравнения численных и экспериментальных результатов для температур.Экспериментальные данные и численные результаты сглаживаются с использованием скользящего среднего за 30-секундные периоды. Во время испытания кроватка была погашена через 395 секунд, потому что критерий несостоятельности «высота пламени» BR135 был превышен. Однако численное моделирование длилось до 10 минут.

Общая неопределенность численного прогноза представляет собой комбинацию неопределенностей как числовой модели, так и входных параметров.32 Числовые неопределенности оцениваются в соответствии с МакГраттаном и Томаном33 и указаны в таблице 2.Неопределенность числовых параметров является важным фактором для оценки надежности результатов и влияния входных параметров модели. В этом исследовании входные параметры взяты из литературы и используются для соответствия экспериментальным результатам. Таким образом, входные неопределенности не оцениваются. Однако был проведен анализ чувствительности для температур воспламенения оболочки и изоляционного материала.

4.2 Наблюдения за поведением при пожаре

Сравнение экспериментального поведения системы при пожаре с численными наблюдениями представлено на рисунке 5 в разное время. Визуализация начинается через 2 минуты и отображается каждую минуту после этого и иллюстрирует развитие пожара и поведение системы во время имитационного испытания. К сожалению, экспериментальных наблюдений не было. Таким образом, смоделированное поведение огня помогает понять распространение пламени по тестируемой системе.

Численная модель поведения системы при пожаре во время испытания BS8414-1 системы [ACM-PE + PIR]

Видно, что распространение огня от деревянной кроватки к внешней обшивке начинается раньше, примерно через 2 минуты. Затем огонь распространяется на всю систему, и пламя становится видимым через зазор между первым и вторым рядом панелей над камерой сгорания примерно через 3 минуты. Быстрое распространение пламени по поверхности облицовки происходит между 4 и 7 минутами, а боковая стенка начинает действовать через 5 минут.Некоторое распространение встречного огня у боковой стены видно через 6 минут. Затем интенсивность пожара имеет тенденцию к снижению, что соответствует нехватке горючих материалов. Медленное распространение наблюдается на боковой стенке между 6 и 10 минутами. Более того, настоящий тест завершился через 395 секунд. Эти числовые наблюдения позволяют понять, что было упущено по прошествии этого времени.

Температура газа внутри полости задней стенки определена численно на рисунке 6.Алюминиевая рама в нижней части панели, расположенной прямо над камерой сгорания, теряется примерно через 4 минуты, что приводит к распространению огня внутри полости. Горизонтальные и вертикальные барьеры в полости уменьшают распространение огня на панели, расположенные сбоку и над первым рядом панелей. Во втором ряду панелей огонь входит в полость примерно через 7 минут и остается ограниченным горизонтальным барьером полости.

Численная оценка температуры газа внутри полости во время испытания BS8414-1 системы [ACM-PE + PIR] – вид задней стенки спереди

Следует отметить, что деревянная кроватка гаснет через 395 секунд.Таким образом, поведение системы при пожаре через 7 минут экспериментально невозможно. Критерий несостоятельности «высота пламени» BR135 был превышен на 395 секундах, что соответствует выбросу пламени из нижней части третьего ряда панелей по всей ширине стены и ее вертикального края и на середине высоты стыка панелей через вентиляционный зазор.13 Такое поведение численно наблюдается через 4 минуты.

Сравнение результатов испытаний и численной модели оболочки после окончания испытания (395 секунд) показано на рисунке 7.Наблюдалась аналогичная форма явной термической деградации оболочки.

Экспериментальные и численные наблюдения за поведением системы при пожаре в конце теста BS8414-1 (395 с) системы [ACM-PE + PIR]

То же наблюдение было сделано для утеплителя на задней и боковых стенках.

На боковой стенке наблюдалась меньшая деградация изоляционного материала, как численно, так и экспериментально.На задней стене тепловая деградация наблюдается в первом ряду панелей и локально во втором ряду панелей. Можно видеть, что существует тесная корреляция между результатами численного моделирования и наблюдениями из экспериментальных испытаний с использованием [ACM-PE + PIR].

На иллюстрации черная линия соответствует температуре 352 ° C и используется только для наблюдения. Однако это значение представляет нижнюю границу температуры воспламенения испытанной системы с погрешностью 8%.Его можно использовать как верхнюю границу зоны обугливания.

Вклад изоляционного материала в возгорание оценивается численно. Максимальная поверхность утеплителя, способствующая возгоранию, составляет около 2,2 м ² для задней стены и 0,1 м ² для боковой стены.

4.3 Сравнение с экспериментально измеренными значениями

Смоделированные температуры на задней и боковых стенках на внешнем уровне L1 (рис. 8) и уровне L2 (рис. 9) сопоставимы по величине и эволюции с экспериментальными температурами во времени и в каждой точке расположения термопары.

Сравнение числовой (прямые) и экспериментальной (точки) температуры на задней и боковой стенках (внешний уровень 1) системы во время теста BS8414-1 системы [ACM-PE + PIR]

Сравнение числовой (прямые) и экспериментальной (точки) температуры на задней и боковой стенках (внешний уровень 2) системы во время теста BS8414-1 системы [ACM-PE + PIR]

Аналогичные выводы можно сделать для температуры в воздушной полости на уровне L2 задней и боковых стенок (рис. 10), что означает, что тепловые, динамические и аэравлические явления должным образом представлены численной моделью.

Сравнение числовой (прямые) и экспериментальной (точки) температуры внутри полости задней и боковых стенок (уровень 2) системы во время теста BS8414-1 системы [ACM-PE + PIR]

Некоторые различия видны в районе 350 и 400 секунд между численными и экспериментальными результатами и касаются в основном термопар на задней стенке. Испытание было завершено через 395 секунд, потому что в это время был достигнут критерий BR135, и затем деревянная кроватка была погашена.В соответствующем отчете об испытаниях внешние термопары уровня 2 достигли критерия распространения внешнего огня за 360 секунд. Таким образом, этот критерий, по-видимому, достигается численно за 30 секунд до эксперимента в каком-то месте. Основные наблюдаемые различия могут быть связаны с тем фактом, что термопары могут незначительно перемещаться в полости из-за локальной турбулентности во время испытания, или с инерцией термопары, когда кроватка гаснет. Кроме того, был проведен только один тест, поэтому необходимо обратить внимание на его повторяемость.Кроме того, численная модель не учитывает механические изменения системы (после испытания наблюдались локальные искажения) или смещение термопар внутри полости. Что касается погрешностей 5% и 8% для температуры газа, оцененных экспериментально и численно, соответственно, смоделированная температура очень сопоставима с экспериментальными данными или находится в доверительном диапазоне. Однако мощность источника тепла от деревянной кроватки составляет 3 ± 0,5 МВт, то есть 3,5 или 2,5 МВт в качестве диапазона, это около 36%, и это приемлемо в стандарте.

Однако численное моделирование иллюстрирует полное развитие пожара после того, как был превышен критерий несоответствия «высота пламени» BR135, и кроватка была потушена. Это явление упускается во время эксперимента. Смоделированные температуры на поверхности задней стенки на уровне L2 (рис. 11) сопоставимы по величине и эволюции с экспериментальными температурами во времени и в каждом месте расположения термопары.

Сравнение числовой (прямые) и экспериментальной (точки) температуры изоляционного материала задней стенки (уровень 2) системы во время испытания BS8414-1 системы [ACM-PE + PIR]

Общее тепловое поведение системы фиксируется с помощью моделирования, и используемые тепловые свойства подходят.Хорошее согласие между экспериментальными и численными результатами для температуры поверхности подтверждает термические свойства материала, использованные в исследовании. Таким образом, численная модель, разработанная при моделировании экспериментов промежуточного масштаба, подтверждается в более крупном масштабе для конфигурации [ACM-PE + PIR]. Однако как численные, так и экспериментальные погрешности должны быть тщательно рассмотрены в отношении таких сложных систем, поскольку численные модели не могут представить смещение термопар впереди или в полости горящих элементов.

4.4 Численная оценка HRR во время тестирования конфигурации [ACM-PE + PIR]

Общий HRR во время теста BS8414-1 оценивался численно. Изменение HRR, показанное на рисунке 12A, соответствует теплу, выделяемому тестируемой системой и источником огня (деревянная кроватка). Вклад системы начинается после 4 минут тестирования. Затем прогнозируется максимальное значение (7,3 ± 1,2) MW (неопределенность 17%), которое достигается через 7 минут 30 секунд испытания.Без участия деревянной кроватки HRR только системы [ACM-PE + PIR] показан на рисунке 12B. Наблюдается максимальное значение около (4,5 ± 0,8) МВт через 7 минут 30 секунд испытания.

Численная оценка (A) общей скорости тепловыделения (HRR) и (B) HRR для системы без участия деревянной опоры во время теста BS8414-1 системы [ACM-PE + PIR]

Также указывается энергия, выделяемая тестируемой системой без участия деревянной опоры.

Максимальная поверхность облицовки, способствующая возгоранию, составляет около 2,8 м ² для задней стены и 1 м ² для боковой стены. Однако эти поверхности не горят одновременно. Максимальное горение поверхности облицовки одновременно составляет около 2,2 м ² у задней стены и 0,5 м ² у боковой стены. Максимальная поверхность утеплителя, способствующая возгоранию, составляет около 2 м ² для задней стены и 0,1 м ² для боковой стены.Соответствующие HRR составляют соответственно 0,3 МВт от задней стенки и 0,014 МВт от боковой стенки. Доля изоляционного материала составляет 7% (макс.) От численно оцененного HRR системы во время испытания. Основные результаты численного моделирования показывают, что для тестируемой системы оболочка является наиболее важным параметром, определяющим поведение при пожаре в целом.

Облицовочные и изоляционные поверхности, задействованные во время испытания, приводят к соответствующему максимальному значению HRR всей системы, близкому к 4.65 МВт и близки к расчетной HRR. Сопоставимые общие HRR на единицу площади для аналогичных протестированных систем можно найти в Dréan et al26, 28 и Agrawal34.

4.5 Дисперсия численной модели для системы [ACM-PE + PIR]

Метод35, описанный в ISO 16730-1: 2015, используется для дальнейшей проверки численной модели по результатам экспериментов. Относительная разница (гибридный метод) и косинус, связанный с каждой проверяемой величиной, представлены в таблице 3.Минимальное оцененное значение косинуса, близкое к 0,87, связано с максимальным значением относительной разницы, близким к 41%, и касается температуры внешней системы на боковой стенке в положении L2. Это низкое значение косинуса и высокое значение относительной разницы можно объяснить тем фактом, что термопары могут немного перемещаться перед системой из-за локальной турбулентности во время испытания или инерции термопары, когда кроватка гаснет. Кроме того, был проведен только один тест, поэтому необходимо обратить внимание на его повторяемость.Однако эта относительная разница находится в диапазоне численных и экспериментальных погрешностей.

Для всех остальных температур на задней и боковых стенках, а также для температур в воздушной полости косинусы во всех случаях выше 0.86, а относительные различия ниже 34%. Значения относительной разницы также находятся в диапазоне как численных, так и экспериментальных погрешностей. Для внешней температуры газа на уровне L1 у задней стенки относительная разница очень мала (9,5%), что связано с косинусом, близким к 0,94. Таким образом, численные прогнозы в этом месте достаточно точны, чтобы правильно представить пламенную нагрузку от источника огня и воспламенение тестируемой системы в этой области.

В качестве предварительного вывода, численная модель, примененная к системе [ACM-PE + PIR], действительна и может быть использована для дальнейших исследований.

5 ЧИСЛЕННАЯ ОЦЕНКА МОДЕЛИ СИСТЕМЫ [ACM-PE + PIR] С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ГРАФИЧЕСКОЙ СЕТКИ

После проверки числовой модели с мелкой сеткой 20 мм создается модель с более крупными числовыми ячейками, которые чаще встречаются при крупномасштабном моделировании и инженерных исследованиях.

Использование такой грубой сетки необходимо из-за трудностей и времени, затрачиваемого на моделирование больших масштабов. Например, время ЦП для моделирования 770 секунд теста BS8414-1 системы [ACM-PE + PIR] увеличивается в восемь раз при использовании 20-мм ячеек вместо 250-мм ячеек.Несколько исследований показали полезность численного моделирования для фасадных пожаров, чтобы обеспечить более глубокий анализ распространения огня внутри системы или распространения огня из пожарного отсека на фасад. Эти исследования имеют первостепенное значение, поскольку они позволяют оценивать более крупные масштабы, такие как пожары в купе или фасады зданий в реальном масштабе.

5.1 Числовая установка

Общие размеры числовой области составляют 3000 × 3800 × 10000 мм, с открытыми граничными условиями для давления на боковых сторонах и в верхней части расчетной области.Числовая область считается достаточно большой, чтобы учесть установку и пожарный шлейф в результате горения системы.

Размер ячейки ячейки принят 125 × 125 × 125 мм для камеры сгорания и 250 × 250 × 250 мм для системы и установки. Всего используется 0,25 миллиона ячеек.

В справочном руководстве FDS27 и литературе 29 критерий качества разрешения сетки приводится для моделирования с использованием плавучих шлейфов.Он оценивается с использованием безразмерного отношения D * / Δx, где Δx – размер ячеек сетки, а D * – характерный диаметр пожара. Следуя этому выражению, для общего HRR, полученного численно для деревянной опалубки и испытанной системы (максимум Q = 7 МВт), адекватный мелкий размер ячеек Δx для получения надежных прогнозов радиационного теплового потока должен быть близок к 130 мм. Однако для общего HRR, достигнутого численно для деревянной опалубки и фасадной системы (Q = 7 МВт), размер ячеек должен быть близок к 130 мм.Таким образом, рассматриваемый размер решетки (0,125 м для камеры сгорания, 0,25 м для системы) должен быть достаточным для точного отражения явлений горения и турбулентности в системе.

Необходимо учитывать численную гипотезу, чтобы модель, разработанная для точной мелкой сетки, применялась к более грубой. Основная цель – воспроизвести температурные градиенты, достигнутые с помощью исходной модели, в газовой фазе. Как обсуждалось в Джанардхане и Хостикке, 36 изменение температуры воспламенения или другого теплового параметра необходимо при изменении разрешения сетки.Исследованный подход к использованию крупной сетки в моделировании распространения пожара заключается в искусственном учете коэффициента корректировки площади, указанного в тепловом параметре.

Одной из основных трудностей при использовании такого размера сетки является расположение виртуальных улавливателей, таких как термопары, поскольку они будут измерять такие величины, как температура, в объеме 0,25 × 0,25 × 0,25 м ³ и не могут быть точно помещены в модель . Это может привести к завышению температуры, если оболочка пламени проходит через ячейку.Температура будет средним значением оболочки пламени и реальной температуры в ячейке. Например, воздушная полость теперь имеет такую ​​же толщину, как размер одной ячейки, то есть 0,25 м.

Вторая основная трудность заключается в том, что при крупной сетке (25 см) обмен между твердой и газовой фазами будет оцениваться в большей ячейке. Таким образом, для воспроизведения численных результатов, которые были проверены по данным испытаний с использованием мелкой сетки (20 мм), единственным параметром, который может быть изменен для воспроизведения результатов с большим размером ячеек, являются расчетная температура воспламенения изоляционного материала и Облицовка ACM.Этот параметр является полуфизическим и получисловым при моделировании распространения пламени в модели конечного объема, такой как FDS, и на него влияют упрощения жидкостной и одномерной теплопередачи в твердых субмоделях. Искусственное снижение рассчитанной температуры воспламенения материалов позволяет поддерживать правильный температурный градиент для обмена между твердой и газовой фазами при использовании больших ячеек.

Таким образом, основная гипотеза состоит в модификации расчетных температур воспламенения изолятора и оболочки ACM, установленных для модели с мелкой сеткой, так что модель с более крупной сеткой воспроизводит выходные данные модели с мелкой сеткой.Эти модификации были выбраны после итеративного моделирования и заключаются в уменьшении на 100 ° C расчетной температуры воспламенения для PE (первоначально T _i = 380 ° C, теперь T _i = 280 ° C) и PIR (первоначально T _i = 370 ° C, теперь T _i = 270 ° C). Анализ чувствительности для вычисленных температур воспламенения PIR и PE рассматривается в Приложении A (см. Дополнительную информацию).

5.2 Сравнение экспериментальных и численных значений для системы [ACM-PE + PIR] с использованием крупной сетки

Смоделированные температуры на задней и боковых стенках на внешнем уровне L1 (рис. 13) и уровне L2 (рис. 14) с использованием грубой сетки сопоставимы по величине и эволюции с экспериментальными температурами во времени и в каждом месте расположения термопары. Аналогичные выводы можно сделать для температуры в воздушной полости на уровне L2 задней и боковых стенок (рис. 15), что означает, что тепловые, динамические и аэравлические явления должным образом представлены численной моделью.Основные наблюдаемые различия могут быть связаны с тем фактом, что термопары могут незначительно перемещаться в полости из-за локальной турбулентности во время испытания, или с инерцией термопары, когда кроватка гаснет. Кроме того, был проведен только один тест, поэтому необходимо обратить внимание на его повторяемость. Однако численное моделирование иллюстрирует полное развитие пожара после того, как критерий несоответствия «высота пламени» BR135 был превышен, и кроватка была потушена. Это явление упускается во время эксперимента.Смоделированные температуры на поверхности задней стенки на уровне L2 (рис. 16) сопоставимы по величине и эволюции с экспериментальными температурами во времени и в каждом месте расположения термопары.

Сравнение числовой и экспериментальной (точки) температуры на задней и боковой стенках (внешний уровень 1) системы во время теста BS8414-1 системы [ACM-PE + PIR], оцениваемой на мелкой (прямые линии) и грубой ( пунктирные линии) сетка

Сравнение числовой и экспериментальной (точки) температуры на задней и боковой стенках (внешний уровень 2) системы во время теста BS8414-1 системы [ACM-PE + PIR], оцениваемой на мелкой (прямые линии) и грубой ( пунктирные линии) сетка

Сравнение числовой и экспериментальной (точки) температуры внутри полости задней и боковых стенок (уровень 2) системы во время теста BS8414-1 системы [ACM-PE + PIR], оцененной на мелкой (прямые линии) и грубая (пунктирная) сетка

Сравнение числовой и экспериментальной (точки) температуры изоляционного материала задней стенки (уровень 2) системы во время испытания BS8414-1 системы [ACM-PE + PIR], оцениваемой на мелкой (прямые линии) и грубой ( пунктирные линии) сетка

Общее тепловое поведение системы фиксируется с помощью моделирования, и используемые тепловые свойства подходят.Хорошее согласие между экспериментальными и численными результатами для температуры поверхности подтверждает термические свойства материала, использованные в исследовании. Таким образом, численная модель, разработанная при моделировании экспериментов промежуточного масштаба, подтверждается в более крупном масштабе для конфигурации [ACM-PE + PIR]. Численное моделирование иллюстрирует полное развитие пожара после того, как был превышен критерий несостоятельности BR135 «высота пламени» и кроватка была потушена. Это явление упускается во время эксперимента.

5.3 Численная оценка HRR для конфигурации [ACM-PE + PIR] на крупной сетке

Общий HRR во время теста BS8414-1 оценивается численно с использованием крупной сетки (рисунок 17). Его развитие соответствует теплу, выделяемому тестируемой системой и источником огня (деревянной кроваткой). Оно сравнивается со значением, смоделированным с использованием мелкой сетки. Эти результаты в целом хорошо согласуются.

Численная оценка общей скорости тепловыделения (HRR) и THR во время теста BS8414-1 системы [ACM-PE + PIR], смоделированная с использованием мелкой и крупной сеток

Также сравнивается THR, оцененный с помощью мелкой и крупной сеток.Обнаружено хорошее общее согласие, указывающее на то, что стехиометрия топлива и высвободившаяся масса топлива правильно учтены при моделировании с более крупной сеткой.

5.4 Дисперсия численной модели для системы [ACM-PE + PIR]

Относительная разница (гибридный метод) и косинус, связанные с каждой проверяемой величиной, представлены в таблице 4. Минимальное оцененное значение косинуса, близкое к 0,93, и максимальное значение относительной разницы, близкое к 28%, относятся к внешней системе. температура на задней стенке в положении L2 и температура внешней системы на боковой стенке в положении L1 соответственно.

Для всех остальных температур на задней и боковых стенках, а также для температур в воздушной полости косинусы во всех случаях выше 0.95, а относительные различия ниже 27%. Значения относительной разницы также находятся в диапазоне как численных, так и экспериментальных погрешностей. Для внешней температуры газа на уровне L1 у задней стенки относительная разница очень мала (16,7%), что связано с косинусом, близким к 0,96. Таким образом, численные прогнозы в этом месте достаточно точны, чтобы правильно представить пламенную нагрузку от источника огня и воспламенение тестируемой системы в этой области, даже если используется грубая сетка.

В качестве предварительного вывода, численная модель системы [ACM-PE + PIR] с крупной сеткой является действительной и может быть использована для дальнейших исследований.

5.5 Исследование влияния деревянной кроватки

Согласно условиям испытаний, приведенным в BS8414-1, HRR источника пожара (деревянная опалубка) обычно может находиться в диапазоне от 2,5 до 3,5 МВт (3,0 ± 0,5 МВт). Таким образом, существует значительная неопределенность. Это может быть частично связано с изменяющейся формой деревянной опалубки во время горения (обрушение некоторых деревянных прутьев, приводящее к изменению местной вентиляции топлива) или незначительно с содержанием влаги в древесине, которое может составлять от 10% до 10%. 15% в соответствии со стандартом тестирования.

Влияние HRR деревянной кроватки на числовую модель BS8414-1 с более крупной сеткой было исследовано с использованием трех различных значений HRR деревянной кроватки: 2,5, 3 и 3,5 МВт. В численных моделированиях, описанных выше, предполагаемая HRR для деревянной кроватки была близка к максимальной HRR, разрешенной BS8414-1 (например, плато 3,5 МВт).

5.5.1 Влияние на HRR всей системы

Общий HRR во время теста BS8414-1 системы [ACM-PE + PIR] был оценен численно с использованием крупной сетки для трех значений пика HRR исходной деревянной опоры.Изменение HRR, показанное на рисунке 18, соответствует теплу, выделяемому (а) тестируемой системой и источником огня и (б) только тестируемой системой.

Численная оценка скорости тепловыделения (HRR) во время теста BS8414-1 для системы [ACM-PE + PIR], оцененная на грубой сетке для трех пиковых значений HRR для деревянной кроватки. A, общая система; и B, без вклада деревянной кроватки

HRR, достигнутый с помощью 3.Деревянная кроватка мощностью 5 МВт показывает, что горение системы начинается быстрее из-за более сильного пламени над топкой. Общая кинетика одинакова независимо от пика HRR кроватки. Максимальные общие значения HRR близки к 8 МВт (± 0,5 МВт) для всех трех исследованных случаев. Вклад оцениваемой системы оказывается только сдвинутым во времени, если принять во внимание этот диапазон HRR деревянных кроватей.

5.5.2 Влияние на температуру системы

Примеры сравнения численных и экспериментальных результатов для внешних температур на уровне L1 на задней и боковых стенках представлены на рисунке 19 для трех различных пиковых значений HRR деревянных кроватей.Они соответствуют уровню системы, подвергающемуся наибольшему термическому воздействию. Различия в основном связаны с синхронизацией, поскольку термопары L1 расположены низко на испытательной стенке, они в основном находятся в пламени и регистрируют аналогичные температуры.

Сравнение числовой и экспериментальной (точки) температуры перед задней и боковыми стенками (уровень 1) системы во время теста BS8414-1 системы [ACM-PE + PIR] на крупных сетках для трех пиковых скоростей тепловыделения (HRR) значения деревянной кроватки: 3.5 (прямые), 3 (пунктирные) и 2,5 МВт (пунктирные линии)

Средняя, ​​минимальная и максимальная температуры, рассчитанные численно на внешнем уровне L1 на задней и боковых стенках, показаны на рисунке 20. В этом месте численная модель способна воспроизвести основные экспериментальные явления в терминах максимальных значений и общей кинетики. . То же наблюдение было сделано на уровне 2 и в воздушной полости.

Сравнение средней, минимальной и максимальной числовой (прямые линии) и экспериментальной (точки) температуры перед задней и боковыми стенками (уровень 1) системы во время теста BS8414-1 [ACM-PE + PIR] система на грубых решетках для трех пиковых значений HRR деревянной кроватки

Таким образом, неопределенность, допускаемая для деревянной шпалеры HRR в BS8414-1, не оказывает значительного влияния на результаты, достигнутые для системы [ACM-PE + PIR].HRR, используемый в моделировании, имеет пиковое значение 3,5 МВт. Таким образом, во время теста это значение не будет постоянным и может быть ниже. Это объясняет некоторые различия, наблюдаемые при сравнении численных и экспериментальных результатов. Проведенный анализ чувствительности показывает, что как только горение системы начинается над пожарным помещением, независимо от пикового значения HRR деревянной кроватки, оно мало влияет на распространение огня. Нижний пик HRR для деревянной кроватки, равный 2,5 МВт, достаточен, чтобы вызвать возгорание и развитие пожара.

6 ДАЛЬНЕЙШАЯ ПРОВЕРКА ЧИСЛЕННОЙ МОДЕЛИ ДЛЯ ДРУГИХ ФАСАДНЫХ КОМПОЗИЦИЙ

Была проведена дальнейшая валидация численной модели. Модель была изменена для проверки характеристик горения каждого из двух основных компонентов системы и самой системы. Эти дополнительные исследования позволили проверить надежность численной модели и исследовать использование инертной оболочки или СВЧ изоляции вместо ACM-PE или PIR.

В первой производной модели использовалось такое же покрытие [ACM-PE], что и в системе [ACM-PE + PIR], но с инертным изоляционным материалом (MW). Она была обозначена как система [ACM-PE + MW]. Во второй производной модели использовался тот же изолятор [PIR], что и в системе [ACM-PE + PIR], но с инертной негорючей оболочкой из ACM [ACM-A2]. Он был разработан как система [ACM-A2 + PIR].

В модели были изменены только тепловые и огнестойкие свойства облицовки или изоляционного материала, в зависимости от производной.Численная модель испытательного стенда остается неизменной для всех смоделированных испытаний. В численной модели для облицовки [ACM-A2] использовались те же термические свойства, что и для оболочки [ACM-PE], но без горючих свойств. Таким образом, в этой конфигурации оболочка из ACM не будет вносить никакого вклада в выделяемое тепло. Кроме того, в облицовке ACM не учитывались антипирены. Моделирование проводилось с использованием грубой сетки, описанной ранее. Результаты экспериментов для этих систем можно найти в другом месте.14, 15

Сравнение численных и экспериментальных результатов для температур и HRR, достигнутых для конфигураций [ACM-PE + MW] и [ACM-A2 + PIR], представлено на рисунках 21-27. Экспериментальные данные и численные результаты сглаживаются с использованием скользящего среднего за 30-секундные периоды, как предложено в ISO 13785-1.

Сравнение числовой (прямые линии) и экспериментальной (точки) температуры на задней и боковой стенках (внешний уровень 1) системы во время теста BS8414-1 системы [ACM-PE + MW] с использованием крупной сетки

Сравнение числовой (прямые линии) и экспериментальной (точки) температуры на задней и боковой стенках (внешний уровень 2) системы во время теста BS8414-1 системы [ACM-PE + MW] с использованием крупной сетки

Сравнение числовой (прямые) и экспериментальной (точки) температуры на задней и боковой стенках (внешний уровень 1) системы во время теста BS8414-1 системы [ACM-A2 + PIR] с использованием крупной сетки

Сравнение числовой (прямые) и экспериментальной (точки) температуры на задней и боковой стенках (внешний уровень 2) системы во время теста BS8414-1 системы [ACM-A2 + PIR] с использованием крупной сетки

Сравнение числовой (прямые) и экспериментальной (точки) температуры внутри полости задней и боковых стенок (уровень 2) системы во время теста BS8414-1 системы [ACM-PE + MW]

Сравнение числовой (прямые) и экспериментальной (точки) температуры внутри полости задней и боковых стенок (уровень 2) системы во время теста BS8414-1 системы [ACM-A2 + PIR]

Численная оценка общей скорости тепловыделения (HRR) во время теста BS8414-1 для систем [ACM-PE + PIR], [ACM-PE + MW] и [ACM-A2 + PIR]

6.1 Сравнение с экспериментально измеренными значениями

Во время испытания [ACM-PE + MW] кроватка была погашена через 310 секунд из-за превышения критерия отказа «высота пламени» BR135. Однако численное моделирование длилось до 800 секунд. Смоделированные температуры на задней и боковых стенках на внешних уровнях L1 и L2 сопоставимы по величине и эволюции с экспериментальными температурами для системы [ACM-PE + MW] (рисунки 21 и 22) во времени и в каждом месте расположения термопары, до тех пор, пока кроватка не была потушена.После того, как деревянная кроватка была потушена, огонь полностью развивается, что приводит к повышению температуры. Более низкая числовая температура, оцененная в месте TC 3014 (L1), может быть связана с его положением рядом с зазором между панелями, которые могли перемещаться во время испытания.

Такой же вывод можно сделать для системы [ACM-A2 + PIR] (рисунки 23 и 24). Деревянная кроватка не погасла ни в эксперименте, ни в моделировании. Достигнутые температуры сравнимы с температурами, измеренными во время калибровочного испытания установки BS8414-1, и соответствуют изменению температуры только для деревянных кроваток.На внешнем уровне L1 экспериментальные и численные значения температуры превосходно согласуются в течение первых 900 секунд испытания (что соответствует временному критерию соответствия BR135). Затем во время испытания наблюдались перекосы панелей над очагом пожара и геометрические изменения кроватки из-за ее возгорания. Это может привести к различиям, наблюдаемым в настоящее время экспериментально.

Общее тепловое поведение системы фиксируется моделью, подтверждая тепловые свойства материалов, используемых для обеих систем.Таким образом, правильно моделируется огнестойкость изоляционного материала. Основные наблюдаемые различия могут быть связаны с тем, что численная модель не учитывает механические изменения системы (после испытания наблюдались локальные искажения) или смещение термопар внутри полости.

Те же выводы сделаны для температуры в задней и боковой стенках воздушных полостей в обеих системах.

Для обеих систем (рисунки 25 и 26) основные наблюдаемые различия могут быть связаны с перемещением термопары в полости из-за локальной турбулентности во время испытания.Таким образом, хорошее согласие между экспериментальными данными и численными результатами для температуры поверхности и воздуха в полости подтверждает термические свойства, принятые для каждого материала, использованного в исследовании, и, в частности, для облицовки.

6,2 Скорость тепловыделения

Кривые HRR из численного анализа испытаний трех конфигураций представлены на рисунке 27. Сравнение HRR для систем [ACM-PE + PIR] и [ACM-PE + MW] показывает, что при использовании PIR , мы наблюдаем более высокий пик ЧСС (примерно на 1.5 MW), а пик задерживается примерно на 2 минуты 30 секунд для системы с MW по сравнению с системой с PIR. Это более высокое значение связано с небольшим вкладом тепловыделения от PIR. Задержка связана с более быстрым началом горения в системе MW и с энергией, поглощаемой PIR для обугливания, термического крекинга и пиролиза, что приводит к конкуренции между тепловыми и термохимическими эффектами.

Для системы [ACM-A2 + PIR] существует локальное увеличение HRR на 8 минут 30 секунд.Это связано с ограниченным сгоранием изоляционного материала и с пиролизными газами, выделяемыми при выгорании PIR из системы. В численной модели поверхность изолятора PIR сгорает быстро, пока масса топлива не будет израсходована в числовой ячейке. Этот вклад изоляционного материала может быть связан с ограниченным термическим разрушением оболочки, не учитываемым численно: все тепло удерживается в воздушной полости, не участвуя в разрушении оболочки. Это приводит к более агрессивному горению утеплителя.Однако вклад PIR невелик (300 кВт). Таким образом, численный подход позволяет оценить вклад PIR во время теста.

7 СИНТЕЗ

Это исследование было направлено на понимание и моделирование огнестойкости различных фасадных систем в широком масштабе BS8414-1. Системы, содержащие [ACM-PE + PIR], [ACM-A2 + PIR] и [ACM-PE + MW], были численно смоделированы в соответствии с предыдущими экспериментами BS8414-1.13-15

В предварительном исследовании 3 огнестойкость различных фасадных систем, включающих [ACM-PE + PIR], [ACM-A2 + PIR] и [ACM-PE + MW], была испытана в рамках среднего теста ISO 13785-1. .Основываясь на тепловых характеристиках и характеристиках горения каждого материала, из которого состоят эти изолированные фасадные системы, можно было численно смоделировать каждое из экспериментальных испытаний с превосходным соответствием результатов модели и экспериментальных данных26. Точнее, HRR, полость стены. температура газа и температура поверхности изолятора были предсказаны с очень хорошим согласием между результатами модели и экспериментальными данными.

В этой статье поведение различных фасадных систем было предсказано в крупном масштабе посредством моделирования вышеупомянутых тестов BS8414-1.Температуры газа и общее поведение системы были предсказаны с хорошим согласием между результатами модели и экспериментальными данными.

Затем были проверены термические свойства каждого материала с использованием более грубой числовой сетки, которая была бы более репрезентативной для того, что можно было бы использовать для моделирования в более крупных масштабах, таких как, например, высотные здания. Вышеупомянутые данные испытаний BS8414-1 сравнивались с результатами численной модели, полученными на более крупной сетке.Таким образом, было подтверждено использование этих параметров для более крупного масштаба.

Во всех смоделированных конфигурациях сильное горение оболочки из ACM с полиэтиленовым сердечником приводит к быстрому расходу материала вскоре после его возгорания. Облицовка ACM горит в хорошо проветриваемых условиях из-за своего внешнего расположения и исчезает на ранней стадии возгорания и, таким образом, снижает производительность полости. Изолятор подвергается воздействию огня со стороны облицовки и пламени в полости, даже если облицовка исчезла.Во время испытания на огнестойкость изолятор может гореть в хорошо вентилируемых условиях, поскольку он быстро подвергается воздействию внешней среды после исчезновения облицовки. Кроме того, ACM-PE составляет более 90% значения пика HRR и общей высвобождаемой энергии.

Был проведен дополнительный анализ чувствительности системы [ACM-PE + PIR], чтобы оценить влияние деревянной кроватки на HRR. Можно сделать вывод, что как только начинается горение системы над топкой, допустимая разница в теплопроизводительности деревянной кроватки оказывает лишь незначительное влияние на распространение огня в системе.Нижнего предела деревянной шпалеры HRR (2,5 МВт) достаточно, чтобы вызвать возгорание системы облицовки и развитие пожара. Деревянная кроватка HRR, использованная в численных моделях, была максимально допустимой (3,5 МВт). В реальных тестах это значение может быть меньше. Это может объяснить некоторые различия, наблюдаемые при сравнении численных и экспериментальных результатов.

Анализ чувствительности (в Приложении A во вспомогательной информации) для исследования влияния температуры воспламенения изоляционного материала PIR показал, что температура воспламенения PIR не играет существенной роли в общем поведении системы, поскольку прогнозируемое максимальное значение HRR всегда находится в пределах погрешности измерений.Напротив, температура воспламенения PE является очень важным параметром. Из-за очень низкого воздействия температуры воспламенения PIR и очень сильного воздействия PE, можно сделать вывод, что характеристики ACM-PE являются движущим компонентом, ведущим к отказу всей системы.

Устойчивость численной модели была дополнительно подтверждена. Модель была изменена для проверки характеристик горения каждой части системы путем дополнительных исследований: моделирование систем [ACM-A2 + PIR] и [ACM-PE + MW] также было проведено, и было обнаружено отличное согласие между выходными данными модели. и экспериментальные данные.

Численное моделирование и экспериментальные испытания показывают, что облицовка ACM является наиболее важным элементом, определяющим поведение фасадов при пожаре в целом. В частности, системы облицовки на основе ACM-PE, независимо от того, какой изолятор используется в системе, демонстрируют очень быстрое распространение огня, и деградация ACM-PE во время горения влияет на целостность полости. Подход численного моделирования может помочь понять относительный вклад материалов, из которых состоят сложные системы.

Эти выводы относительно системы облицовки на основе ACM-PE аналогичны тем, которые были сделаны в работе, основанной на испытании ISO 13785-1 промежуточного масштаба, подробно описанном в Guillaume et al3 и Dréan et al.