FDSシミュレーション

FDSの概要

FDSは、米国国立標準技術研究所（NIST）で開発された強力な火災シミュレータです。FDSは、低速の熱駆動流に最適化された数値流体力学（CFD）を用いて火災シナリオをシミュレートします。このアプローチは非常に柔軟であり、コンロの火から石油貯蔵タンクに至るまでの火災に適用できます。また、建物内の換気など、火災を含まない状況もモデル化できます。

FDSモデルは、火災時の煙、温度、一酸化炭素、その他の物質を予測できます。これらのシミュレーション結果は、建設前の建物の安全性の確認、既存建物の安全対策の評価、事故後調査のための火災の再現、消防士の訓練支援などに活用されます。

FRI3DにおけるFDS火災特性の指定

FDSでは、いくつかの異なる方法で火災を指定できます。

1つ目は、面上に熱放出率を指定する方法です。これは、明確に定義されたバーナーを規定することと同じです。
もう1つは、燃料材料の熱物性を指定し、材料を熱分解（パイロリシス）させる方法です。この場合、燃料の燃焼速度は表面への正味の熱フィードバックに依存します。

FRI3Dでは、火災の指定として Fire Materials（火災材料）の下に熱放出率（Heat Release Rate）を指定します。 FDSにおいて、これは投入される燃料の質量流量に対応します。

FRI3Dは、各種の検証済みレポートに基づくさまざまな火災タイプのデータベースを備えており、ユーザーはそこから簡単に選択できます。

FDSへの出力は、HRRPUA（Heat Release Rate Per Unit Area：単位面積あたり熱放出率）ディレクティブとして生成されます。これは実際のところ、最も単純かつ最も信頼性の高いアプローチです。

FRI3Dでは、火災はシーンに配置されたオブジェクトに基づいて記述されるため、そのオブジェクトの寸法を用いて包絡面積（バウンディング面積）を計算して面積を正規化し、その情報を正規化されたHRRPUAとして送信します。

FDSを混合分率モデルで使用するには、少なくとも1つのREAC行が必要です。Fire Material（火災材料）のインターフェースで指定された化学量論係数が、FDSのREAC行に使用されます。

FRI3Dは、FDSがシミュレーションを実行できるよう、ユーザーが指定した火源パラメータから反応（Reaction）を指定するために必要なREACを出力します。

FDSは、熱分解に対して反応性を持つ酸素の単位質量あたりエネルギー、または燃焼熱の指定のいずれかを受け付けます。FRI3Dは熱放出率を入力として使用するため、燃焼熱（Heat of Combustion）を Fire Material のユーザーインターフェースで指定します。

FRI3Dは次のようなディレクティブを出力します。

!! Fire HRR Specifications Battery Charger (v4) HRR
!! These HRRs will be scaled by the area growth of the fire from the fire definitions
&RAMP ID='Battery Charger (v4)_HRR_RAMP', T=0, F=0 /
&RAMP ID='Battery Charger (v4)_HRR_RAMP', T=180, F=0.0625 /
&RAMP ID='Battery Charger (v4)_HRR_RAMP', T=360, F=0.25 /
&RAMP ID='Battery Charger (v4)_HRR_RAMP', T=540, F=0.5625 /
&RAMP ID='Battery Charger (v4)_HRR_RAMP', T=720, F=1 /
&RAMP ID='Battery Charger (v4)_HRR_RAMP', T=1200, F=1 /
&RAMP ID='Battery Charger (v4)_HRR_RAMP', T=1485, F=0.75 /
&RAMP ID='Battery Charger (v4)_HRR_RAMP', T=1770, F=0.5 /
&RAMP ID='Battery Charger (v4)_HRR_RAMP', T=2055, F=0.25 /
&RAMP ID='Battery Charger (v4)_HRR_RAMP', T=2340, F=0 /

燃焼熱

FRI3Dにおけるこの燃焼熱の指定は、気相燃焼の指定を指します。FDSでは、燃焼する材料の化学量論がグローバル反応と異なる場合、燃焼熱を用いて、燃焼オブジェクトから流れ場に投入される燃料量が等価になるよう調整されます。

化学量論

燃焼プロセスは熱と煙を放出します。

FDSの火災シミュレーションでは多くの種類の可燃物が存在し得ますが、FDSがシミュレートできる気体燃料は1種類のみです。一般に、モデル化する燃焼気体燃料の化学組成は、実際に支配的な燃焼気体燃料と一致するように設定すべきです。

支配的な気相燃焼反応の化学量論は、火災材料のユーザーインターフェース指定において規定されます。Cl はFDSでは使用されないため、無視されます。

FDSは、次の化学反応を燃焼反応として実装しています。各化学量論係数は、それぞれの体積分率に変換され、FDSディレクティブとして出力されます。

Combustion Stoichiometry

燃焼反応を表す化学成分の体積分率が計算され、ディレクティブとして指定されます。これはユーザーが入力した火災指定に基づいており、その詳細はFRI3D火源に関するセクションで説明されています。

以下は、火源に対するFDSディレクティブの一例です。

&SPEC ID = 'PE/PVC', FORMULA = 'C2H3.5Cl0.5' /
&SPEC ID = 'OXYGEN',            LUMPED_COMPONENT_ONLY = .TRUE. /
&SPEC ID = 'NITROGEN',          LUMPED_COMPONENT_ONLY = .TRUE. /
&SPEC ID = 'HYDROGEN CHLORIDE', LUMPED_COMPONENT_ONLY = .TRUE. /
&SPEC ID = 'WATER VAPOR',       LUMPED_COMPONENT_ONLY = .TRUE. /
&SPEC ID = 'CARBON MONOXIDE',   LUMPED_COMPONENT_ONLY = .TRUE. /
&SPEC ID = 'CARBON DIOXIDE',    LUMPED_COMPONENT_ONLY = .TRUE. /
&SPEC ID = 'SOOT',              LUMPED_COMPONENT_ONLY = .TRUE.,FORMULA='C1' /
&SPEC ID='AIR', BACKGROUND=.TRUE., SPEC_ID(1)='OXYGEN',   VOLUME_FRACTION(1)=0.21, SPEC_ID(2)='NITROGEN', VOLUME_FRACTION(2)=0.79 /
&SPEC ID='PRODUCTS',SPEC_ID(1)='HYDROGEN CHLORIDE', VOLUME_FRACTION(1)=0.5,
SPEC_ID(2)='WATER VAPOR', VOLUME_FRACTION(2)=1.5,
SPEC_ID(3)='CARBON MONOXIDE',   VOLUME_FRACTION(3)=0.2376,
SPEC_ID(4)='CARBON DIOXIDE',    VOLUME_FRACTION(4)=1.2496,
SPEC_ID(5)='SOOT',              VOLUME_FRACTION(5)=0.5128,
SPEC_ID(6)='NITROGEN',    VOLUME_FRACTION(6)=7.9692 /
&REAC ID='PE/PVC', HEAT_OF_COMBUSTION = 20900., SPEC_ID_NU='PE/PVC','AIR','PRODUCTS', NU=-1,-10.0876,1, RADIATIVE_FRACTION = 0.49 /

一方、FRI3Dは、次のように化学式を指定することにより、当該火災に適した化学量論を持つ必要なディレクティブを生成します。

!! Fire Reaction
&SPEC ID='Battery Charger (v4)_FUEL'
FORMULA='C2H4O0N0' /
&REAC FUEL='Battery Charger (v4)_FUEL'
CO_YIELD=0.01
SOOT_YIELD=0.01
HEAT_OF_COMBUSTION=50000
RADIATIVE_FRACTION=0.35 /

二次火災

FDSにおける二次火災のモデル化アプローチは、CFASTで使用されるアプローチとは異なります。この違いは、FDSは二次火災の延焼をシミュレートできるのに対し、CFASTはできないことによるものです。FRI3DからFDSで二次火災をモデル化するには、次の手順が用いられます。

FLASH-CATの幾何条件に従い、初期火災の上方にケーブルレースウェイが存在するかどうかを判定します。
存在する場合、火災からの距離に応じてレースウェイを並べ替えます。
ケーブルタイプに応じて各レースウェイに延焼速度を割り当てます。火災は、熱硬化性ケーブルでは毎時1.1 m、熱可塑性ケーブルでは毎時3.2 mの速度で横方向に延焼します。1つのレースウェイに複数のケーブルタイプが存在する場合は、最も保守的な（最も速い）延焼速度を使用します。

これは、FRI3Dのシーン（Scene）をセットアップし、シミュレーションにFDSを使用する場合に自動的に設定されます。

FDS火源の指定

火源については、ユーザーが指定した火源ジオメトリの寸法と、火災を発生させる機器／アイテムを用いて、境界条件を指定するための適切なFDSディレクティブが生成されます。

FRI3Dは、インターフェースに配置された火災ジオメトリとプラントアイテムのボックスジオメトリとの交差を用いて、火源のVENTディレクティブを指定します。

FRI3Dが正しいVENTディレクティブを生成するためには、火災ジオメトリが3D空間内で他の何らかのアイテムと重なっている必要があります。

&VENT XB=-2.1024,-1.4459,-8.1079,-7.1649,1,1, IOR=3, SURF_ID='Battery Charger (v4)_FSource_1', /

FDS計算メッシュとFRI3D

計算領域については、FRI3Dのバックエンドが、フロントエンドから提供されるシミュレーション範囲に関する 3D情報を読み取り、次のようなディレクティブを生成します。 &MESH XB=0,2,0,4,0,2.5, IJK=32,32,32/

FDS障害物とFRI3D

FRI3DがFDSデータを出力するためには、シミュレーション対象区画内の必要なすべての境界と、すべての機器／ケーブル／レースウェイの完全な3D表現が必要です。

機器／レースウェイおよび区画ジオメトリに関して、FDSではこれらを専用の障害物（obstacle）ディレクティブで指定し、バウンディングボックスを与える必要があります。FRI3Dモデルは、ユーザーがモデル化した、あるいは他の3Dデータからインポートした多数の幾何要素からなる、区画内に収められたアイテムで構成されるため、フロントエンドはFRI3Dの境界要素を分解してFDS用の障害物要素の集合に変換します。一連の計算幾何演算によりすべての境界メッシュが統合され、その後、向き（方位）に基づいて外側の境界から外壁／天井／床を判別して区別します。バックエンドコードは次に、座標軸に平行なバウンディングボックスのリストを計算し、適切な OBST呼び出しを生成します。壁厚は壁の材料特性の一部として指定されてモデルに保存され、境界壁の厚さの生成に使用されます。

デフォルトでは、FRI3Dはジオメトリのバウンディングボックスのみを出力します。ただし、あるアイテム／機器に CADジオメトリが関連付けられている場合、ユーザーはプラントアイテムのプロパティで、そのジオメトリを使用してメッシュを複数のボックスに細分化し、元のジオメトリをより正確に表現するよう指定できます。

FDS境界壁とFRI3D

FRI3Dは、ユーザーがモデル化した境界を外壁用の外側障害物に変換します。すべての境界を統合し、 FRI3Dの境界オブジェクトの外形ジオメトリに対するOBSTディレクティブを出力します。

FDSベントとFRI3D

ドアなどの自然換気口（Natural vent）は、FRI3Dで適切にモデル化されている場合、FDSにおいて壁に開口を設ける HOLEディレクティブに変換されます。

機械換気口（Mechanical vent）については、指定されたFRI3Dの機械換気に対して計算幾何演算が実行され、FRI3DのVent（換気口）のジオメトリに基づいて、適切なOBSTディレクティブとそのVENTディレクティブが出力されます。

FDSにおけるVENTは境界流れ条件と見なされ、火源もFDSにおいては VENTとして扱われます。

FRI3Dが指定するFDSデバイスの位置と計測

故障判定および監視のために温度を計測するFDSのデバイス（Device）位置は、機器またはプラントアイテムの境界上で火災に最も近い位置に基づいて自動的に計算されます。FRI3DからFDSに計測用として送られる値は3つあり、ガス温度（Gas Temperature）、壁温度（Wall Temperature）、熱流束（Heat Flux）です。ただし、機器故障の判定に使用される値はガス温度です。将来のバージョンでは、これら3つの温度のうち最も高い値が自動的に選択される予定です。

これらの値は、FDSにより devices.csv ファイルに出力されます。

対応するディレクティブの例を以下に示します。

&DEVC ID='CYL2_TEMP', XYZ=-1.1665, -6.5839, 1, QUANTITY='TEMPERATURE'  /
&DEVC ID='CYL2_WALLTEMP', XB=-1.3665, -0.9665, -6.7839, -6.3839, 0.8, 1.2, QUANTITY='WALL TEMPERATURE' SPATIAL_STATISTIC='MAX' /
&DEVC ID='CYL2_HEATFLUX', XB=-1.3665, -0.9665, -6.7839, -6.3839, 0.8, 1.2, QUANTITY='NET HEAT FLUX' SPATIAL_STATISTIC='MAX' /

FDSの結果

FDSシミュレーションの後、FRI3DはデバイスCSVファイルに含まれるカンマ区切りの温度または熱流束の値を読み取ります。このファイルには、FDS入力ファイルで宣言されたデバイスの温度または熱流束の履歴値が格納されています。計算領域の温度プロファイルはボリュームグリッドに格納され、FRI3Dはバックエンドから供給されるこの情報を読み取り、ユーザー向けに可視化します。

FDSの可視化

FRI3Dは、生成されたPLOT3Dファイルを読み取ることができます。このファイルには、温度、煙濃度などを含む FDS出力に対応する完全なボリュームデータが格納されており、FRI3D内でボリュームまたはスライスとして可視化できます。これらは Fire Scenario（火災シナリオ）のプロパティでオン／オフを切り替えられます。

&DUMP
STATUS_FILES=T,
DT_PL3D    = 1,
PLOT3D_QUANTITY(1:5)='TEMPERATURE',
'U-VELOCITY','V-VELOCITY','W-VELOCITY',
'HRRPUV', WRITE_XYZ=.TRUE. /