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FDS検証（NUREG 1934）

FDS検証（NUREG 1934）

FRI3Dは、3Dプラントモデルから直接、完全なFDS入力デッキを生成します — 区画境界、 障害物、機械換気、漏気、火源、および計測デバイスが含まれます。この生成パイプラインを エンドツーエンドで検証するため、FRI3Dの出力を米国NRC NUREG-1934（EPRI 1023259） 付録A（Appendix A）— 主制御室（MCR） リファレンスシナリオに対してベンチマークしています。 これはNRCおよびEPRIが使用する標準的な火災モデルV&Vケースの一つです。

リファレンスケース

MCRケースは、名目上密閉された24.6 m × 16.2 m × 5.2 mの制御室における 制御盤キャビネット火災をモデル化しています。

  • 火災: 電気キャビネット火災。t²成長により720 s時点で702 kWのピークに到達 （NUREG/CR-6850のキャビネット火災プロファイル）。燃料化学組成はXPE/Neoprene、 CO収率は0.1です。
  • 換気: 給気ディフューザ6基および還気レジスタ2基。2つのシナリオを実行します — 排煙パージ（通常の5倍流量、約25 ACH / 13.4 m³/s）と パージなし（換気停止）です。
  • 漏気: 外気への単一の0.0117 m²の漏気経路（ドア隙間）。
  • シミュレーション: FDS 6、1200 s。

手法

公開されているNRCのFDS入力デッキをベースラインとして実行します（後述する1件の修正を 適用）。同じ制御室のFRI3DモデルをFRI3D UIで構築し（境界壁を含む区画形状、キャビネット、 機械換気、漏気、NUREG火災ランプ）、FDSデッキはFRI3Dが生成します。シナリオごとの 手動調整 — ファン状態（停止／パージ流量）と計算メッシュを部屋の範囲に合わせる調整 （いずれもNRCデッキの構造を踏襲したもの）— は、モデル駆動の動作としてジェネレータに 統合を進めています。両方のデッキを同一のFDSビルド（6.7.9）・同一マシンで実行し、 両デッキが出力する物理量で比較します。FRI3Dデッキの比較デバイスはNRCデッキの プローブ位置に配置しています。

物理量FRI3Dデッキ出力NRCデッキ出力
熱放出率HRRHRR
高温ガス層温度NRC_HGL_TEMPVAL_HGL_TEMP
高温ガス層高さNRC_HGL_HEIGHTVAL_HGL_HEIGHT
区画圧力ZONE 圧力ZONE 圧力

構造上の補足: FRI3Dが区画境界ラティスから生成する壁障害物は、FDSの自動圧力ゾーン検出に より完全に隔離された空間を形成すると判定されます。これ自体が意味のある検証結果です — FRI3Dが生成する壁ラティスはFDS格子上で気密であり、壁の接合部やコーナーに意図しない 隙間がないことを示しています。FRI3Dが生成する壁・天井材料（16 mm石膏ボード、0.5 m コンクリート）はNRCデッキと正確に一致します。

公開リファレンスデッキに対する修正

パージなしシナリオの検証中に、公開されているNRCのFDS入力デッキに書式上の欠陥が 見つかりました。これらのデッキはファンスケジュールを、基準VOLUME_FLOWに時間ランプ （RAMP_V='PURGE'）を乗じる形で記述していますが、両者の間にインライン注記を 挟んでいます。

&SURF ID             = 'SUPPLY'
      VOLUME_FLOW    = -2.233 / negative if entering zone
      RAMP_V         = 'PURGE' /

Fortranのネームリスト構文では、/はレコードの終端であり、コメント記号では ありません。そのためRAMP_Vの行は&SURFレコードの外側になり、FDSは警告なしに これを無視します（FDS 6.7.9で最小構成の単一ベントテストデッキにより検証済み: 同一のパラメータを1行に書けばランプは有効になり、NRCのレイアウトでは一定の 全流量が再現され、警告は出力されません）。公開されている2つのシナリオへの影響は 次のとおりです。

  • パージなし（ランプF = 0、ファン停止を意図）: 実際にはファンが基準流量 13.4 m³/s（約25 ACH）でシミュレーション全体にわたり稼働していました。
  • 排煙パージ（基準 = 通常流量、10 sで5倍ランプ）: 5倍ランプが無効となり、 パージ流量ではなく通常換気（約5 ACH、2.68 m³/s）で実行されていました。

したがって、以下のパージなし比較に用いるベースラインは、ファンを実際に停止させた NRCデッキ（VOLUME_FLOW = 0、ランプ削除。その他は公開デッキとバイト単位で同一） です。FRI3Dが生成するデッキは影響を受けません — FRI3Dは各ファンサーフェスを、 モデルから取得した一定体積流量の1行レコードとして出力します。

結果（パージなしシナリオ）

FRI3D生成デッキと修正済みNRCベースライン（ファン停止、0.0117 m²の漏気経路のみを 通じて通気する密閉室）の、1200 s全区間にわたる時刻一致比較:

t (s)HRR (kW) FRI3D / NRCHGL温度 (°C) FRI3D / NRCHGL高さ (m) FRI3D / NRC圧力 (Pa) FRI3D / NRC
12018.9 / 17.321.1 / 21.14.98 / 4.963 / 2
24074.6 / 72.924.9 / 24.74.18 / 4.2342 / 34
360169.2 / 168.628.8 / 29.03.26 / 3.37151 / 135
480303.5 / 302.835.2 / 34.82.48 / 2.65361 / 311
600474.0 / 474.644.4 / 44.02.06 / 2.27638 / 560
720687.9 / 686.656.6 / 55.71.82 / 1.95993 / 875
840701.9 / 702.265.7 / 63.21.52 / 1.63547 / 430
960704.3 / 702.670.6 / 68.41.37 / 1.50190 / 150
1080703.0 / 702.273.6 / 70.81.24 / 1.3987 / 68
1200702.8 / 701.776.5 / 73.01.20 / 1.3763 / 41

FRI3D生成デッキ vs 修正済みNRC FDS6ベースライン — パージなし

熱放出率 — 実行全体で正確に一致: 成長ランプ、720 sでの702 kWピーク、および 持続燃焼プラトー。FDSが計算するHRR（燃焼モデルによる体積積分熱放出であり、入力曲線の エコーではありません）は出力精度で一致し、いずれの密閉室も酸素制限には至りません。

高温ガス層 — 温度は全過渡期間にわたり3.5 °C以内（5%以下）で一致し（t = 1200 sで 76.5 vs 73.0 °C）、層高さは約0.2 m以内で、同じスケジュールで降下します。FRI3D側の わずかな高温バイアスは、文書化されたデッキ差異と整合しています: NRCデッキは1面の 壁サーフェスを未割り当てのまま残しており（無制限に熱を吸収する等温デフォルト境界）、 床にはカーペットを敷いているため、いずれもガスからわずかに多くのエネルギーを 奪います。

区画圧力 — 両モデルとも同じ漏気経路を通じて同じ軌跡で加圧され、同一時刻に ピークに達し（t = 735 s、1.01 vs 0.89 kPa）、プラトーの熱を壁が吸収するにつれて 共に減圧します。壁への熱損失割合は、両モデルで一致する曲線に沿ってHRRの約50%から 約95%まで上昇します。

結果（排煙パージシナリオ）

FRI3D生成デッキと修正済みNRCベースライン（ファンは真にパージ流量で稼働: 給気6基が 各2.233 m³/s、還気2基が各6.7 m³/s — 計13.4 m³/s ≈ 25 ACH — に加えて0.0117 m²の 漏気経路）の、1200 s全区間にわたる時刻一致比較。圧力は両デッキともFDSが計算する 室の圧力ゾーン値です:

t (s)HRR (kW) FRI3D / NRCHGL温度 (°C) FRI3D / NRCHGL高さ (m) FRI3D / NRC圧力 (Pa) FRI3D / NRC
12017.4 / 17.320.1 / 20.15.20 / 5.205 / 4
24073.4 / 73.321.2 / 20.84.50 / 5.1758 / 52
360168.5 / 168.422.9 / 22.22.35 / 3.50248 / 231
480302.3 / 302.426.6 / 24.82.90 / 3.26691 / 656
600474.8 / 475.330.6 / 31.22.87 / 3.771529 / 1447
720686.5 / 688.938.1 / 40.73.22 / 3.902995 / 2769
840701.3 / 702.741.2 / 42.73.05 / 4.003959 / 3653
960702.3 / 700.542.3 / 40.33.17 / 3.804357 / 4003
1080703.6 / 701.541.8 / 42.42.81 / 3.754607 / 4192
1200702.0 / 704.042.7 / 43.82.86 / 3.904777 / 4344

FRI3D生成デッキ vs 修正済みNRC FDS6ベースライン — 排煙パージ

熱放出率 — パージなしの場合と同様、実行全体で正確に一致（最大差4.3 kW、0.6%）。

高温ガス層 — 702 kWプラトー区間（t = 735–1200、32サンプル）で、層温度の平均は 41.8 ± 1.0 °C（FRI3D）vs 41.6 ± 1.4 °C（NRC） — 平均差0.1 °Cで、各モデル自身の 変動幅より一桁小さい値です。パージは両モデルとも層をパージなしの場合より約30 °C 低く保っており、同一の換気有効性を示しています。天井ジェット熱電対もプローブの ばらつきの範囲内で一致します（59.7 ± 1.6 vs 61.4 ± 2.1 °C）。

高温ガス層高さ — 両モデル間の唯一の系統的差異: FRI3Dデッキは煙界面を 3.05 ± 0.15 mに、NRCデッキは3.79 ± 0.10 mに保持し、プラトー全体で安定した約0.7 mの オフセットがあります。いずれの界面も静止しており、1.8 mのオペレータ面より十分 上方にあります（オペレータレベルの環境は両モデルとも全区間で許容範囲内）。この オフセットは家具の表現の違い — NRCデッキの長い連続ベンチとFRI3Dの個別キャビネットでは 鉛直混合プロファイルの形が異なり、2ゾーン還元法はこれに敏感です — と整合しており、 FRI3D側が深い層を予測する保守的な方向の差です。

区画圧力 — 両室とも同一の漏気経路を通じて同じ軌跡で加圧され、熱的定常状態への 到達（t ≈ 800 s までに壁損失が両モデルでHRRの約100%に到達）とともに共に頭打ちとなり、 最終値は4.78 vs 4.34 kPa（+10%）です。パージケースの圧力が両モデルともパージなしの ピークを上回るのは同一の物理的理由によります: ファンは体積流量指定のため、給気は 低温で密度の高い空気を押し込み、還気は同じ体積流量で高温の軽い空気を排出する — 室温とともに増大する正味の質量獲得であり、両デッキで同一です。

ステータス

  • パージなし: 完了 — 上記に1200 s全区間の比較を掲載。
  • 排煙パージ: 完了 — 上記に1200 s全区間の比較を掲載。

参考文献

  • NUREG-1934 / EPRI 1023259, Nuclear Power Plant Fire Modeling Analysis Guidelines, Appendix A: Main Control Room.

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