Modelització del comportament d’un tanc amb aigua afectat per un escenari de foc

Abstract

Per al disseny de sistemes de protecció contra incendis és necessari disposar de models que permetin predir el comportament dels tancs exposats a diferents tipus de foc. Existeixen models a la literatura que permeten simular una situació en què el tanc està totalment envoltat pel foc. Ara bé, per tal de simular escenaris en què el tanc està parcialment afectat pel foc, les eines de dinàmica de fluids computacional (CFD) resulten útils. L’objectiu principal d’aquest treball és simular un escenari d’aquest tipus utilitzant un programa lliure de CFD, l’OpenFOAM.

S’ha utilitzat un cas d’estudi en què el fluid interior és únicament aigua, i es presenten detalls sobre el procediment a seguir a l’hora de treballar amb aquest programa ja que la corba d’aprenentatge és pronunciada per a nous usuaris. La geometria del problema s’ha generat utilitzant l’eina blockMesh, amb la qual s’ha modelat mitja secció del tanc amb condicions de contorn estacionàries i establint un eix de simetria. S’ha utilitzat el solver compressibleVoF, que permet simular fluxos multifàsics compressibles amb canvi de fase, incorporant l’efecte de la tensió superficial i la transferència de massa entre fases.

Els resultats de la simulació s’han visualitzat mitjançant ParaView i s’ha analitzat l’evolució al llarg del temps de variables com la temperatura, la pressió i la fracció de vapor a l’interior del tanc, així com la distribució espacial de la fracció de vapor.

Per tal de millorar els resultats de la simulació es considera que es podrien incorporar funcions per descriure la tensió superficial i la calor latent en funció de la temperatura i la pressió, respectivament, ja que ambdues propietats s’han fixat constants en aquest treball. També es proposa estudiar amb més detall la modelització de la transferència de massa entre fases.

Para el diseño de sistemas de protección contra incendios, es necesario disponer de modelos que permitan predecir el comportamiento de los tanques expuestos a distintos tipos de fuego. Existen modelos en la literatura que permiten simular una situación en la que el tanque está completamente rodeado por el fuego. Sin embargo, para simular escenarios en los que el tanque está parcialmente afectado por el fuego, las herramientas de dinámica de fluidos computacional (CFD) resultan útiles.

El objetivo principal de este trabajo es simular un escenario de este tipo utilizando un programa libre de CFD, OpenFOAM.

Se ha utilizado un caso de estudio en el que el fluido interior es únicamente agua, y se presentan detalles sobre el procedimiento a seguir al trabajar con este programa, ya que la curva de aprendizaje es pronunciada para nuevos usuarios. La geometría del problema se ha generado utilizando la herramienta blockMesh, con la cual se ha modelado media sección del tanque con condiciones de contorno estacionarias y estableciendo un eje de simetría. Se ha utilizado el solver compressibleVoF, que permite simular flujos multifásicos compresibles con cambio de fase, incorporando el efecto de la tensión superficial y la transferencia de masa entre fases.

Los resultados de la simulación se han visualizado mediante ParaView y se ha analizado la evolución a lo largo del tiempo de variables como la temperatura, la presión y la fracción de vapor en el interior del tanque, así como la distribución espacial de la fracción de vapor.

Para mejorar los resultados de la simulación, se considera que podrían incorporarse funciones para describir la tensión superficial y el calor latente en función de la temperatura y la presión, respectivamente, ya que ambas propiedades se han fijado como constantes en este trabajo. También se propone estudiar con más detalle la modelización de la transferencia de masa entre fases.

For the design of fire protection systems, it is necessary to have models that allow the prediction of the behavior of tanks exposed to different types of fire. There are models in the literature that simulate a situation in which the tank is completely engulfed by the fire. However, to simulate scenarios where the tank is only partially affected by the fire, computational fluid dynamics (CFD) tools are useful. The main objective of this work is to simulate such a scenario using an open-source CFD software, OpenFOAM.

A case study has been used in which the internal fluid is only water, and details are provided on the procedure to follow when working with this software, as the learning curve is steep for new users. The geometry of the problem was generated using the blockMesh tool, which was used to model half of the tank section with stationary boundary conditions and an axis of symmetry. The compressibleVoF solver was used, which allows the simulation of compressible multiphase flows with phase change, incorporating the effects of surface tension and mass transfer between phases.

Simulation results were visualized using ParaView, and the evolution over time of variables such as temperature, pressure, and vapor fraction inside the tank was analyzed, as well as the spatial distribution of the vapor fraction.

To improve simulation results, it is suggested that functions could be incorporated to describe surface tension and latent heat as a function of temperature and pressure, respectively, since both properties were set as constants in this study. It is also proposed to study the modeling of mass transfer between phases in greater detail.