CFASTシミュレーション

CFASTモデル

CFASTは2ゾーン火災モデルであり、火災時に建築施設の各区画（火災区画）内で時々刻々と変化する煙、火災ガス、および温度の分布を計算するために使用されます。CFASTでは、各区画は2つのガス層に分割されます。

CFASTで使用されるモデル化方程式は、常微分方程式（ODE）系の初期値問題という数学的形式をとります。これらの方程式は、質量保存則、エネルギー保存則（すなわち熱力学第一法則）、理想気体の状態方程式、ならびに密度と内部エネルギーに関する関係式から導出されます。これらの方程式は、2つの層への質量とエンタルピーの蓄積をもとに、圧力、層高さ、温度などの量を時間の関数として予測します。

CFASTの特徴

ゾーンモデルの特徴以下は、代表的なゾーンモデルとしてのCFASTの一般的な特徴と制限事項の一覧です。その大部分は、あらゆるゾーンモデルに共通するものです。

モデルは、各室について単一の高温ガス層温度、層高さ、および層組成を計算します。モデルは複数室を扱う機能を備えています。
モデルは、火災成長率、熱放出率、または煙やその他の燃焼生成物の発生を予測しません。これらのデータは入力として与えるか、工学的相関式から生成する必要があります。温度や放射が火災成長に及ぼす影響は直接には計算されません。
高温ガス層温度が放射、火災成長、および熱放出率に及ぼす影響は計算されません。酸素欠乏がエネルギー放出率に及ぼす影響は、相関式に基づいて推定されます。
モデルは自然換気と強制（機械）換気の両方を扱うことができます。
壁を通じた熱損失は、対流および放射加熱の境界条件を伴う単純な非定常熱伝導近似により計算されます。
区画内の熱的条件や放射条件と燃焼中の燃料との間の連成はありません。このような影響は、火源の指定において考慮する必要があります。これには多くの場合、反復的なプロセスが伴います。
酸素欠乏の影響は、酸素濃度の関数として熱放出率を低減することにより考慮されます。限界酸素濃度（入力変数）に達すると、エネルギー放出率は周囲条件での値からゼロまで低減されます。

FRI3DにおけるCFAST火源

CFASTにおける火災は、指定された速度で放出される燃料源として実装されます。

この燃料は、燃焼するにつれてエンタルピー（換算係数は燃焼熱）と質量（換算係数は特定の化学種の収率）に変換されます。

火災材料（Fire Material）から得られる時間依存の熱放出率（HRR）が使用されます。指定された燃焼熱を用いて燃料の質量減少速度が計算され、そこから指定された生成物収率を用いて燃焼生成物の生成速度を計算できます。酸素下限界に達すると、熱放出および対応する生成物の生成速度はゼロになり、代わりに未燃燃料ガスが相応の生成速度で生成されます。この未燃燃料ガスは、燃焼を維持するのに十分な酸素と十分に高い温度が得られるまで、ゾーンからゾーンへと輸送されます。

FRI3Dは、ユーザーがモデル化した火源の位置とその寸法を用いて、必要となる適切なCFASTディレクティブを出力します。

FRI3DにおけるCFAST区画

FRI3Dでモデル化された境界（Boundary）オブジェクトが外側の区画を規定します。CFASTの区画（Compartment）は通常、FRI3Dでモデル化された境界オブジェクトが占める空間を統合したものになります。複数のCFAST室／区画への対応は現在開発中です。これは、境界オブジェクトが内壁を持つかどうかをユーザーが指定することにより扱われる予定です。

FRI3DにおけるCFASTターゲット

FRI3Dが生成するCFASTのDevice（デバイス）ディレクティブは、機器またはプラントアイテムの表面上で火災に最も近い位置に配置されます。

CFASTの結果

CFASTシミュレーションの結果、およびそれに対応するデバイス温度とゾーン温度が、機器故障の評価に使用されます。

FRI3DにおけるCFASTの可視化

CFASTはゾーンモデルであるため、可視化は、火災に対するゾーンモデルの制約の範囲内で、区画境界、火炎、上部ゾーンおよび下部ゾーンの諸量、ターゲット温度、その他の関心量の可視化に限られます。

可視化とそのオプションについては、後続のセクションで説明します。