ỨNG DỤNG kỹ THUẬT LES để mô PHỎNG CHO các đám CHÁY

ỨNG DỤNG KỸ THUẬT LES ĐỂ MÔ PHỎNG CHO CÁC ĐÁM CHÁY 74 Nguyễn Quang An ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP LES ĐỂ MÔ PHỎNG CHO CÁC ĐÁM CHÁY APPLYING THE LES METHOD FOR THE SIMULATION OF FIRES Nguyễn Quang An Trường Đ[.]

Nguyễn Quang An 74 ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP LES ĐỂ MÔ PHỎNG CHO CÁC ĐÁM CHÁY APPLYING THE LES METHOD FOR THE SIMULATION OF FIRES Nguyễn Quang An Trường Đại học Phịng cháy, Chữa cháy; annqt34@yahoo.com.vn Tóm tắt - Bài tốn mơ đám cháy tốn phức tạp, bao gồm tốn động lực học chất lưu, toán trao đổi nhiệt phản ứng hóa học đám cháy Các phương pháp mô cho đám cháy phương pháp gần với khối lượng tính toán lớn Bài báo giới thiệu ứng dụng phương pháp LES, có sử dụng phần mềm FDS để mô cho đám cháy Kết nghiên cứu áp dụng cho mô hình đơn giản để minh họa cho phương pháp Với ứng dụng phương pháp cho phép nhận kết mơ xác với đầy dủ thơng số cần thiết, đồng thời giúp giảm đáng kể khối lượng tính tốn mô Abstract - The fire simulation problem is a complex one, which includes the problems of fluid dynamics, heat transfer and chemical reactions in a fire The current methods for fire simulation are approximate ones with a great volume of calculations This paper introduces the application of the LES method, which involves the use of the FDS software to simulate a fire The findings of the research are applied to a simple model to illustrate the method The application of this method allows us to get the simulation results quite accurately with all the necessary parameters; at the same time, it also significantly reduces the volume of the simulation calculations Từ khóa - mơ phỏng; cháy; chất lưu; nhiệt; tính tốn Key words - simulation; fire; fluid; heat; calculation Đặt vấn đề LES viết tắt từ thuật ngữ Large Eddy Simulation (tạm dịch mơ xốy rộng) phương pháp kỹ thuật mô cho toán động lực học chất lưu (CFD) Phương pháp bắt đầu đề xuất vào năm 1963 Joseph Smagorinsky để mơ dịng khơng khí khí Sau kỹ thuật phương pháp nghiên cứu phát triển ứng dụng nhiều lĩnh vực, có ứng dụng mơ cho đám cháy Nhiệm vụ phương pháp LES giải gần phương trình Navier - Stokes toán động lực học chất lưu nhờ kỹ thuật điện tốn Bên cạnh phương pháp LES cịn có phương pháp khác phương pháp mô số trực tiếp (DNS) phương pháp số Reynold trung bình (RANS) Tuy nhiên phương pháp LES vượt trội khả tính tốn mơ với kết xác Hiện phần mềm mô CFD chủ yếu dựa phương pháp này, có phần mềm FDS dùng cho mô đám cháy Mặc dù phương pháp LES giúp cải thiện đáng kể thời gian gian mơ phỏng, thực tế chạy chương trình mô cho đám cháy nhiều thời gian Kết nghiên cứu giúp ta thấy ảnh hưởng cách chia lưới phương pháp LES đến tốc độ mô Khi tiến hành mô cho đám cháy cụ thể, cần xác định cách chia lưới hợp lý đảm bảo tính trung thực kết đảm bảo thời gian tính tốn mơ [1], [2], [3], [4] Dạng tổng quát: Kết nghiên cứu khảo sát 2.1 Cơ sở lý thuyết 2.1.1 Phương trình Navier-Stokes Phương trình Navier-Stokes miêu tả dịng chảy chất lưu Đây phương trình chủ đạo dùng phần mềm FDS để mô cho đám cháy theo phương pháp LES [6] Phương trình xây dựng từ định luật bảo toàn khối lượng, động lượng lượng, viết cho thể tích  u   u.u   p  .T  f  t    (1) Trong đó: p  grad p Gradient áp suất; T Tensor ứng suất; .T  divT lực biến dạng chất lưu, thông thường hiệu ứng tính nhớt; f lực khác (chẳng hạn trọng lực) Áp dụng với chất khí đám cháy, ta có phương trình viết dạng tensor [5]:  ui  p  ij  (  ui u j )      gi  f d ,i  mb ''' ub,i t x j xi x j Trong đó: p áp suất;  tensor ứng suất;  khối lượng riêng; fd,i đặc trưng cho lực cản chưa xác định; mb ''' ub,i đặc trưng cho thành phần bay cháy; Các số i, j = 1, 2, (1 phương x, phương y, phương z); u vận tốc có thành phần u1= ux; u2 = uy; u3 = uz Nếu viết phương trình cho phương ta có:  u x  (  u x2 )  (  u x u y ) (  u x u z )  t  x  y  z  p  xx  xy  xz      g x  f d , x  mb ''' ub, x x x y z  u y (  u y u z )   y z p  xy  yy  yz       g y  f d , y  mb ''' ub, y y x y z t  (  ux u y ) x   (  u 2y ) ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 9(94).2015  u z (  u x u z ) (  u y u z )     t x y z p  xz  yz  zz       g z  f d , z  mb ''' ub, z z x y z  (  u z2 ) Vc x  x /2 y  y /2 z  z /2    ( x ', y ', z ', t ')dx ' dy ' dz ' 75   (uiu j  ui u j ) Phương trình động lượng LES viết lại là: Đây phương trình vi phân riêng phi tuyến nhiều ẩn số Cho đến chưa có lời giải hồn chỉnh cho phương trình Phương pháp phổ biến để giải toán sử dụng phương pháp sai phân gần với trợ giúp máy tính Phương pháp mô số trực tiếp (DNS) thực cách chuyển trực tiếp phương trình Navier-Stokes sang phương trình sai phân, khoảng cách khơng gian chia nhỏ cỡ millimet Theo phương pháp khối lượng tính toán lớn nhiều thời gian để giải toán Ngay với máy tính có cấu hình mạnh đơi hàng tháng để hồn thành chương trình theo phương pháp DNS 2.1.2 Phương pháp LES LES phương pháp kỹ thuật áp dụng hiệu dòng chảy rối chất lưu Phương pháp xuất phát từ việc lọc thông thấp khoảng cách  để loại bỏ bớt thành phần biến thiên nhỏ, nhờ mà giảm khối lượng tính tốn Những thành phần biến thiên nhỏ khơng bị loại bỏ hồn tồn, mà tính thành phần phụ Trong khơng gian chiều với phương pháp lọc phổ biến, xét thể tích Vc= δxδyδz, =Vc1/3 Với đại lượng biến thiên liên tục Ф, giá trị lọc xác định theo công thức [5]: ( x, y, z, t )  sgs ij (2) x  x /2 y  y /2 z  z /2 Giá trị thực đại lượng Ф xác định theo công thức:     ' Trong Ф’ thành phần hiệu Đối với chất lưu nén (chất khí), số đại lượng thay đổi theo khối lượng riêng, giá trị lọc cần điều chỉnh theo khối lượng riêng Về mặt toán học chứng minh rằng:     Từ người ta định nghĩa giá trị lọc Favre tính theo cơng thức [5]:     Khi ta có:     Phương trình động lượng LES có dạng [5]:  ui   p  ij  ( ui u j )      gi  f d ,i  mb ''' ub,i t x j xi x j Biến đổi theo công thức lọc Favre:   ui   p  ij  (  ui u j )      gi  f d ,i  mb ''' ub,i t x j xi x j Ta nhận thấy: ui u j  ui u j ta định nghĩa thành phần tensor ứng suất phụ (được gọi subgrid- scale viết tắt SGS) [5]:   ui   (  ui u j )  t x j   ij  ijsgs (3) p     gi  f d ,i  mb ''' ub,i xi x j x j Với phương trình này, đại lượng lấy giá trị lọc khơng gian có bề rộng  (kích thước lưới lọc) Tùy theo phạm vi ứng dụng mà bề rộng  cỡ centimet tới met Khi áp dụng phương pháp LES để mô cho đám cháy điều quan trọng phải xác định bề rộng  hợp lý Nếu  lớn giảm khối lượng tính tốn, sai số lớn, ngược lại  nhỏ sai số ít, khối lượng tính tốn lớn 2.2 Mơ đám cháy theo phương pháp LES 2.2.1 Giới thiệu phần mềm FDS FDS (viết tắt Fire Dynamics Simulator) phần mềm mô động lực học chất lưu (CFD) dịng khí lửa chuyển động Phần mềm giải tốn mơ LES sở phương trình Navier-Stokes phù hợp với tốc độ thấp, dịng nhiệt chuyển động, với trọng tâm khói nhiệt độ vận chuyển từ đám cháy [5][6] Đây phần mềm phát triển Viện Quốc gia Tiêu chuẩn Công nghệ (NIST) Bộ Thương mại Hoa Kỳ, phối hợp với Trung tâm Nghiên cứu kỹ thuật VTT Phần Lan Phần mềm tải miễn phí địa sau: https://code.google.com/p/fds-smv/ Đi kèm với FDS cịn có phần mềm Smokeview chương trình đồng hành trực quan sử dụng để hiển thị liệu đầu FDS liệu hiển thị dạng hình ảnh động máy tính Để có chương trình FDS, ta phải tạo Input file trình soạn thảo (chẳng hạn Notepad) Tất liệu đầu vào tốn diện tích đám cháy, nhiệt lượng đám cháy, vật cản nhập vào Input file Sau soạn xong Input file, ta ghi lại với phần mở rộng fds Cấu trúc Input file ví dụ [6]: &HEAD CHID='corner', TITLE='Corner'/(Bắt đầu) &TIME T_END=30.0/(Thời gian mô phỏng) &DUMP RENDER_FILE='corner.ge1', DT_RESTART=300.0/(Thông số đầu ra) &MESH ID='Mesh', IJK=30,30,60, XB=0.0,1.5,0.0,1.5,0.0,3.0/(Thông số lưới lọc) &REAC ID='Reaction1',(Thông số phản ứng) &MATL ID='GYPSUM PLASTER',(Thông số vật liệu) &SURF ID='WALL', (Thông số bề mặt) &OBST XB=0.0,1.5,0.9,1.0,0.0,3.0, Nguyễn Quang An 76  = 1,2 kg/m SURF_ID='WALL'/ (Thông số vật cản) ……… &VENT SURF_ID='OPEN', XB=0.0,0.0,0.0,1.5,0.0,3.0/(Thơng số lối khí) ………… &SLCF QUANTITY='TEMPERATURE', (Mặt cắt) &TAIL /(Kết thúc chương trình) Để thực chương trình, ta dùng lệnh Open With chọn chương trình fds.exe Chương trình tạo file Smokeview với phần mở rộng smv số file liệu khác Để xem kết đầu ta cho chạy file smv vửa tạo xong, chương trình Smokeview hiển thị liệu dạng hình ảnh động Các liệu mơ cịn lưu file với phần mở rộng csv để xem phần mềm khác (Chẳng hạn chương trình Exel) Để đảm bảo độ xác mơ phỏng, tạo Input file cần phải tính tốn kích thước lưới lọc bước thời gian lấy mẫu theo phép sai phân - Nhiệt dung riêng khơng khí [7]: cp=1,005 kJ/kg.K - Nhiệt độ môi trường xung quanh: T = 300 K Theo cơng thức (4) ta tính được: D = 0,48 m Như kích thước lưới lọc nằm khoảng:  = (0,03  0,12) m Kết mô vận tốc phần tử khí thời điểm t = 4s trường hợp chia lưới thể Hình 1, 2, Kích thước lưới lọc xác định cho tỷ số D/ có giá trị từ đến 16 Trong D gọi đường kính lửa đặc trưng tính theo cơng thức sau [6]:   Q D    c pT g    2/5 (m) (4) Trong đó: Q nhiệt lượng tỏa từ đám cháy (kW); Hình Kết mô  = 3,75 cm  khối lượng riêng khơng khí (kg/m3); cp nhiệt dung riêng khơng khí (kJ/kg.K); T nhiệt độ mơi trường (K); g gia tốc trọng trường (m/s2) Bước thời gian lấy mẫu phụ thuộc vào kích thước lưới lọc tính theo cơng thức [6]: t  5(x.y.z)1/3 gH (s) Trong đó: x, y, z kích thước lưới lọc theo phương (m); g gia tốc trọng trường (m/s2); H chiều cao miền tính tốn (m) Bước thời gian lấy mẫu thay đổi q trình mơ Trong phần mềm FDS bước thời gian tính tốn tự động 2.2.2 Kết mơ Chương trình FDS để mô đám cháy với thông số giả định sau: - Đám cháy xuất không gian hình khối (1,5 1,53)m; Hình Kết mơ  = cm - Diện tích lửa (0,3 0,3)m với công suất tỏa nhiệt 2000kW/m2; - Nhiệt lượng tỏa từ đám cháy là: Q = 0,3.0,3.2000 = 180 kW - Khối lượng riêng khơng khí [7]: Hình Kết mơ  = 7,5 cm ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 9(94).2015 Bàn luận Khi tiến hành chạy chương trình máy tính có cấu hình bình thường (Tốc độ CPU 1,8Ghz, RAM 1GB) để mơ cho q trình diễn biến 5s cho thấy: - Trường hợp thứ  = 3,75cm, máy tính phải thực 1363 bước tính (Time Steps), hết khoảng 38 phút - Trường hợp thứ hai  = 5cm, máy tính phải thực 977 bước tính, hết khoảng 12 phút - Trường hợp thứ ba  = 7,5cm, máy tính phải thực 728 bước, tính hết khoảng phút Kết mơ cho thấy cách chia lưới lọc ảnh hưởng nhiều đến thời gian tính tốn tính xác kết Khi chia lưới lọc nhỏ tính xác cao, số phép tính tăng nhiều thời gian tính tốn Nếu so sánh trường hợp thứ trường hợp thứ ba, kích thước lưới lọc tăng lần số phần tử chia giảm 23 = So sánh thời gian trường hợp cho thấy, thời gian tính tốn trường hợp thư ba giảm lần so với trường hợp thứ Ở đây, thời gian tính tốn cịn có ảnh hưởng số yếu tố khác, chẳng hạn khởi động chương trình; lưu sữ liệu… Khi so sánh tính xác trường hợp thứ phản ánh kết trung thực trường hợp sau Một số thử nghiệm cho thấy, tiến hành mô cho đám cháy không phức tạp với thời gian khoảng 10 phút máy tính phải chạy ngày, chí nhiều tùy theo cách chia lưới Với phần mềm FDS ta mơ biến đổi nhiều thông số đám cháy nhiệt độ, áp suất, nồng độ chất khí Kết luận Với phương pháp LES ta hồn tồn mơ diễn biến đám cháy đánh giá tác động cơng trình xây dựng Trên 77 kết nghiên cứu bước đầu, chủ yếu đề cập đến ứng dụng phương pháp LES với phần mềm FDS để mô cho đám cháy đơn giản Khi xây dựng mô hình mơ cho đám cháy thực tế khối lượng tính tốn lớn nhiều thời gian để chạy chương trình Vì vậy, để thực chương trình mơ cho đám cháy thực tế cần phải trang bị máy tính có cấu hình mạnh nhiều trường hợp, người ta sử dụng nhiều máy chạy song song với Việc mô cho đám cháy thực tế chắn phức tạp nhiều thời gian Để có kết thiết thực cần có đầu tư nghiên cứu vận dụng cách linh hoạt phương pháp tốn Đây vấn đề có ý nghĩa việc tái lại đám cháy xảy để phục vụ cho công tác đỉều tra nguyên nhân cháy TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Toshio Kobayashi Large Eddy simulation for engineering applications Fluid Dynamics Research, Volume 38, University of Tokyo 2006, pp 84-107 [2] Sergei G Chumakov Subgrid Models for Large-Eddy Simulation University of Wisconsin-Madison.US 2005 [3] J Fröhlich, W Rodi Introduction to Large eddy simulation University of Karlsruhe, Germany 2002 [4] Wen Lin Large-Eddy Simulation of Premixed Turbulent Combustion Using Flame Surface Density Approach University of Toronto 2010 [5] Kevin McGrattan, Simo Hostikka, Randall McDermott, Jason Floyd, Craig Weinschenk, Kristopher Overholt Fire Dynamics Simulator Technical Reference Guide National Institute of Standards and Technology US July 2014 [6] Kevin McGrattan, Simo Hostikka, Randall McDermott, Jason Floyd, Craig Weinschenk, Kristopher Overholt Fire Dynamics Simulator User’s Guide National Institute of Standards and Technology US July 2014 [7] John H Klote, James A Milke, Paul G Turnbull, Ahmed Kashef, Michael J Ferreira Handbook of Smoke Control Engineering Ashrae 2012 (BBT nhận bài: 31/07/2015, phản biện xong: 07/09/2015) ... pháp LES ta hồn tồn mơ diễn biến đám cháy đánh giá tác động cơng trình xây dựng Trên 77 kết nghiên cứu bước đầu, chủ yếu đề cập đến ứng dụng phương pháp LES với phần mềm FDS để mô cho đám cháy. .. gian có bề rộng  (kích thước lưới lọc) Tùy theo phạm vi ứng dụng mà bề rộng  cỡ centimet tới met Khi áp dụng phương pháp LES để mô cho đám cháy điều quan trọng phải xác định bề rộng  hợp lý Nếu... đám cháy đơn giản Khi xây dựng mô hình mơ cho đám cháy thực tế khối lượng tính tốn lớn nhiều thời gian để chạy chương trình Vì vậy, để thực chương trình mơ cho đám cháy thực tế cần phải trang bị