Title: Beiträge zur Entzündung und Brandausbreitung; Experimente, Modellierung und CFD-Simulationen = Ignition and flame spread : experiments, modelling and CFD-simulations
Language: Deutsch
Authors: Schjerve, Nina 
Qualification level: Doctoral
Keywords: Entzündung; Brandausbreitung; CFD-Modelle; FDS5; CFD-Simulation
ignition; flame spread; CFD-Simulation; FDS 5
Advisor: Schneider, Ulrich
Assisting Advisor: Kolbitsch, Andreas
Issue Date: 2011
Number of Pages: 251
Qualification level: Doctoral
Abstract: 
Das Ziel der vorliegenden Arbeit war es, die Vorhersagbarkeit der Brandentwicklung in der Anfangsphase eines Schadensfeuers zu überprüfen. Dabei wurden Experimente, näherungsweise Berechnungen und CFD-Simulationen mit FDS 5 durchgeführt, um der Entzündung und Brandausbreitung in einer Brandentstehungsphase auf den Grund zu gehen.
Beispielhaft wurde der Einfluss der Lage (horizontal, vertikal, geneigt) auf die Brandausbreitung an Filterpapier aus Zellulose, als Repräsentant eines "dünnen" Materials, und PMMA, als Repräsentant eines "dicken" Materials, untersucht.
Die Experimente zeigen erwartungsgemäß einen Anstieg der Brandausbreitungs¬geschwindigkeit mit einer Änderung der Oberflächenneigung von der horizontalen zur vertikalen Lage, wobei bei Zellulose eine Steigerung der Geschwindigkeit um das 13-Fache und bei PMMA um das 11-Fache ermittelt wurde. Die Ergebnisse bei Neigungen von <= 30° und >= 60° können bei beiden Materialien als kritisch bewertet werden, denn sie sind sehr abhängig von Strömungseinflüssen aus der Umgebung und/oder reagieren stark darauf. Für eine näherungsweise Berechnung der Brandausbreitungsgeschwindigkeit wurden Lösungsansätze erstellt, um die Flammenlänge und die Wärmeströme von der Flamme zur Oberfläche zu bestimmen. Beide sind mit der Neigung veränderlich und deren Zunahme mit steilenrer Neigung ist die Ursache für die Erhöhung der Brandausbreitungsgeschwindigkeit. Mit den hier dargestellten Näherungslösungen konnten vor allem für "dicke" Materialien akzeptable Ergebnisse berechnet werden.
In den Simulationen mit FDS 5.4 konnten eine Zündung sowohl von Zellulose- als auch PMMA-Proben erreicht werden, nachdem geeignete Zündquellen (hier: Strahler) und Zündkriterien (hier: kritische Abbrandrate) definiert wurden. Eine Brandausbreitung über die Zündfläche hinaus konnte jedoch nur bei horizontalen und 30°-90° geneigten PMMA-Proben initiiert werden, bei Letzteren aber auch nur mit einer verbleibenden externen Wärmequelle im Bereich der Zündfläche. Bei Neigungen von 30°-70° wurden hierbei ähnliche, bei horizontalen und vertikalen PMMA-Proben deutlich schnellere Brandausbreitungsgeschwindigkeiten als bei den Experimenten ermittelt.
Ob eine Brandausbreitung in FDS 5 initiiert und ggf. die Geschwindigkeiten ermitteltet werden konnten, war sehr abhängig von den gewählten Eingabeparametern (z. B. Material, Materialkennwerte, Diskretisierung), aber auch vom Turbulenzmodell (DNS, LES) und der Zündquelle. Je kleiner die Brandleistung des Brandes (s.
Zelluloseversuche), desto schwieriger scheint die Initiierung einer Brandausbreitung und das Simulieren realitätsnaher Brandausbreitungsgeschwindigkeiten zu sein.
Prinzipiell lassen sich Aussagen zur Entzündung und Brandausbreitung in der Brandentwicklungsphase sowohl mit Experimenten und näherungsweiser Berechnung als auch mit CFD-Simulationen treffen. Der Stand des Wissens ist jedoch noch nicht so weit, um allgemeingültige Aussagen treffen zu können. Bei allen drei Methoden gibt es eine Reihe von individuellen Einflussgrößen (Kennwerte, Randbedingungen), welche die Initiierung einer Zündung und/oder Brandausbreitung beeinflussen und die Ergebnisse quasi ungewollt verändern können. An erster Stelle der Einflüsse steht der Anwender selbst; dessen Wissen und Erfahrung ist ausschlaggebend, sowohl für die Erstellung und Durchführung als auch für die Auswertung von Experimenten, näherungsweisen Berechnungen und CFD-Simulationen.

It is of common interest in fire safety research to predict the fire development as good as possible. Ignition of and flame spread over combustible solids are fundamental and highly dangerous phenomena in a fire. They can lead form an initial phase to flash over and/or to a fully development of a fire. The better the fire development can be predicted and the better the fire protection methods can be adjusted and the more evidence can be given for the fulfillment of protection targets like the protection of life and property.
The aim of this study was to investigate ignition and flame spread in the initial phase of a fire and to examine the possibilities to predict the propagation of fire under real conditions, even for "small" fires.
Experiments, calculations and CFD-Simulations with FDS 5 have been carried out to investigate ignition and flame spread on Cellulosesheets, as thermally thin material, and on PMMA, as thermally thick material, under different surface orientation (horizontal, vertical, inclined).
The experiments showed an increase of the flame spread rate with increasing inclinations. Vertical flame spread rate was found to be up to 13 times faster than horizontal for cellulose-sheets and up to 11 times faster for PMMA. Critical angles where found at about 30° and 60° inclination. Flame spread at this inclination was dependent and enhanced from air entrainment.
Further feasibilities were investigated to calculate flame spread rate on different inclined surfaces. The two major problems were found to be the flame height and the heat flux in front of the flames. Concepts were developed to determine the flame height and flame heat flux and their changes through inclination. With these input data flame spread an inclined surfaces could be calculated approximately, with a better agreement to the experimental results for PMMA.
In the Simulations with FDS 5 it was found to be possible to simulate ignition for both materials by determining appropriate ignition sources and pyrolysis front criterions. Flame spread outside the ignition area could solely be initiated on horizontal and 30°─90° inclined PMMA-samples, the latter only with a remaining external heater. The simulated flame spread rates on horizontal and vertical PMMA were faster and for 30─70° inclined PMMA-surfaces similar to the experimental results. Flame spread on cellulose could not be simulated. If a flame spread could be initiated and the simulated flame spread rates where dependent on input data, like material properties and grid size, but also on the FDS version (FDS 5.3 or 5.4), the turbulence model (DNS or LES) and the size of the fire. It was found to be difficult to initiate flame spread especially with small heat release rates like in the Cellulose-model or in the initial phase of a fire. First simulations with bigger heat release rates show a "better" initiation of flame spread with FDS 5.
Throughout the study the experiments, calculations and simulations showed a great dependency on different influences (e. g. flow rate, ignition source) and input data (e. g. materialdata). A great deal of which is or can be influenced by the user. His skill levels have an important influence on the results especially in critical phases like the initial phase of a fire.
URI: https://resolver.obvsg.at/urn:nbn:at:at-ubtuw:1-45197
http://hdl.handle.net/20.500.12708/9373
Library ID: AC07810647
Organisation: E206 - Institut für Hochbau und Technologie 
Publication Type: Thesis
Hochschulschrift
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