A pyrolysis model for the prediction of the fire propagation

Ein wesentliches Schutzziel der Landesbauordnungen ist die Verhinderung der Brandausbreitung in einem Gebäude. Weiterhin muss bei einem Brand die Rettung von Menschen und Tieren gewährleistet und wirksame Löscharbeiten möglich sein. Zur Sicherstellung dieser Schutzziele fordern die Landesbauordnungen unter anderem die Bildung von Rauchabschnitten, die Verwendung nichtbrennbarer Baustoffe in notwendigen Fluren sowie die Freihaltung notwendiger Flure von Brandlasten. In manchen Fällen können nicht alle Anforderungen erfüllt werden, sodass die Einhaltung der Schutzziele mit Hilfe von Ingenieurmethoden nachgewiesen werden muss. Das Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung eines Pyrolysemodells zur Prognose der Brandausbreitung auf Grundlage der physikalischen Prozesse anstelle der Verwendung von Brandausbreitungsgeschwindigkeiten oder vordefinierten Bemessungsansätzen. Dazu wird zunächst der aktuelle Stand der Forschung hinsichtlich der Beschreibung von Pyrolyse- und Verbrennungsprozessen untersucht. Der Fokus liegt auf der Modellierung der Pyrolyseprozesse von Feststoffen. In einem nächsten Schritt wird ein gekoppeltes Pyrolyse- und Wärmeleitungsmodell entwickelt und in ein existierendes Feldmodell integriert. Die feste Phase kann über einzelne Stoffe beschrieben werden, die wiederum aus einzelnen Materialkomponenten bestehen und in parallel und / oder konsekutiv stattfindenden Zersetzungsreaktionen zu weiteren Materialkomponenten oder Pyrolysegasen reagieren. Außerdem wird das Schwinden und Quellen der festen Phase über den Verlauf der Zersetzungsreaktion der einzelnen Materialkomponenten mit der Wärmeleitung gekoppelt berechnet, sodass der Abbrand verkohlender Baustoffe realitätsnah berechnet werden kann. Anhand von Testfällen wurde das Modell verifiziert. Mit Hilfe von Kleinversuchen wie der thermogravimetrischen Analyse (TGA) und Cone-Kalorimeteruntersuchungen sowie Großversuchen wurde anschließend eine Validierungsgrundlage für den Fall von Kabelbrandlasten geschaffen, für die eine adäquate Abbildung der Brandausbreitungsprozesse in besonderem Maße relevant ist. Zusätzlich wurden die Ergebnisse eines internationalen Forschungsvorhabens berücksichtigt, um einen weiteren Kabeltyp in die Validierung einzubeziehen. Die Simulation der Klein- und Großversuche zeigt abschließend, dass das entwickelte Modell in der Lage ist, die Brandausbreitung und die resultierende Wärmefreisetzungsrate für komplette Trassenaufbauten zu prognostizieren.One of the main protection goals of the federal german building codes is the prevention of fire spread from one compartment to another. Furthermore, the occupants of a building should be able to leave the building during a fire incident. To ensure this, the federal building codes do not allow combustible materials in emergency routes and exits. In some cases, the requirements of the codes are not fulfilled in detail, or existing buildings were based on older regulations which do not comply with the actual ones. In those cases, it might be useful to assess the situation using engineering methods. Modern software packages solving the fluid- and thermodynamic conservation equations allow for a detailed analysis of smoke and heat propagation as well as the ventilation boundary conditions. Currently, the actual fire as the source of the heat and mass production is defined using prescribed values describing the heat release rate as a function of the time. The pyrolysis of the combustible materials itself, as the main physical phenomena behind the fire spread, is usually not considered. The main goal of this work is the development and improvement of the pyrolysis modeling towards a better prediction of the fire spread instead of using prescribed functions. To achieve this, the current scientific knowledge of the pyrolysis phenomena in combination with the combustion of the resulting fuel gases is investigated. The focus lies on the current approaches of modeling the pyrolysis of the solid phase using numerical methods. In a next step, a coupled pyrolysis and three dimensional heat transfer model is developed and integrated into an existing CFD model. To improve the performance and acceptance of the model, the implementation is optimized to reduce computational costs on standard work stations. The implementation is finished by verification and validation of the model using specific test cases. The applicability and validation for a user case is done by a calculation of the fire spread on horizontal cable trays. Therefore, small-scale tests like thermogravimetric analysis (TGA) and cone calorimeter tests as well as large-scale tray tests are conducted. Furthermore, international test results are considered for validation and applicability too. As a result, it can be shown that the developed model is capable of predicting the most relevant fire spread parameters like the heat release rate and the spread rate in small-scale and large-scale situations

Zeitgenaue Simulation gemischt virtuell-realer Prototypen

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Sequentieller Versuch zur HiL-unterstützten Validierung hybrider Antriebssysteme mit gekoppelten Antriebseinheiten

Diesel-hybride Antriebssysteme für Triebwagen können den Kraftstoffverbrauch und die Emissionen auf nicht elektrifizierten Strecken gegenüber konventionellen Dieseltriebwagen deutlich reduzieren. Die Auslegung solcher Antriebssysteme erfordert den Einsatz von Simulation und experimentellen Methoden. Für die Validierung wird eine Vorgehensweise entwickelt, die es erlaubt, einzelne Antriebseinheiten nacheinander auf dem Prüfstand zu validieren

Modellierung, Softwareentwicklung und Simulation der Verdichtungsvorgänge bei der Formherstellung mit tongebundenen Formstoffen

In der vorliegenden Arbeit wurden Untersuchungen des Formstoffverdichtungsprozesses unter Einbeziehung von Methoden der Kontinuumsmechanik und mathematischen Modellierung durchgeführt. Es wurden der mathematische Apparat, der Algorithmus und die rechnerlauffähige Software "FormCompact" entwickelt. Damit ist es erstmals möglich, den Einfluss unterschiedlichster maschinen- technischer und formstofftechnologischer Parameter auf die Verteilung der Dichte und des Spannungszustandes in Formen aus tongebundenen Formstoffen zu berechnen. Die Ergebnisse der Berechnungen werden mit Hilfe des Visualisierungsmoduls in eindeutiger Übersicht dargestellt. Die vorgelegte Lösung wurde unter den Bedingungen des zweidimensionalen Zustandes durchgeführt. Zu Erhöhung der Genauigkeit wurden den Eckpunkten der Form und des Modells eine besondere Berücksichtung geschenkt. Als effektivstes Programmiersystem zur Lösung dieser Aufgabe erwies sich Borland Delphi. Die Validierung der Software erfolgte mit Hilfe von Daten, die einerseits aus eigenen experimentellen Untersuchungen und andererseits aus der Gegenüberstellung mit Literaturangaben gewonnen worden sind. Dabei konnte eine sehr gute Übereinstimmung zwischen den theoretischen, mit der Software berechneten und den experimentellen Werten festgestellt werden. Die Software stellt ein ausgezeichnetes Werkzeug zur Arbeitsvorbereitung in den Gießereien und bei der Konstruktion von Gießereimaschinen

Erweiterung eines phänomenologischen Lidar-Sensormodells durch identifizierte physikalische Effekte

Die voranschreitende Entwicklung im Bereich des hochautomatisierten Fahrens lässt den Wunsch nach einer simulationsbasierten Entwicklung der Fahrfunktionen und insbesondere deren Sicherheitsüberprüfung entstehen. Dies ist darauf zurückzuführen, dass sich durch eine Simulation beliebige Testszenarien mit geringem Aufwand generieren lassen. Das Testen in der Praxis ist hingegen aufwendiger und zeitintensiver. Auch ist eine Simulation wesentlich wirtschaftlicher als millionen Stunden von Testfahrten im realen Straßenverkehr zu generieren. Für eine möglichst praxisnahe Simulation der Fahrfunktionen sind realitätsnahe Modelle der eingesetzten Sensoren unumgänglich. Zu den für das hochautomatisierte Fahren zur Verfügung stehenden Sensoren gehören unter anderem Lidar-Sensoren. Sie lassen sich beispielsweise zur Umwelterfassung oder Abstandsmessung verwenden. Lidar-Sensoren basieren auf einem optischen Messprinzip, das auf das Aussenden und anschließende Messen der Laufzeit von zurückreflektierten Lichtstrahlen setzt. Ziel dieser Arbeit ist die Erweiterung des am Fachgebiet Fahrzeugtechnik der TU Darmstadt in Entwicklung befindlichen phänomenologischen Modells eines Lidar-Sensors. Dazu werden identifizierte physikalische Effekte in Versuchen parametrisiert und anschließend in das Sensormodell implementiert. Weiterhin erfolgen erste Vergleiche zwischen Modell und Realität. Die zu implementierenden physikalischen Effekte umfassen das Strahlmuster und die Strahlaufweitung von verschiedenen im Automobilbereich genutzen Sensoren. Ferner sind auch weitere sensorspezifische Eigenschaften berücksichtigt. Die untersuchten Sensoren sind der Ibeo Lux 2010, der Velodyne VLP32 und VLP16 und der Valeo Scala. Die Strahlaufweitung und das Strahlmuster sowie die Intensität, als Messgröße der Verlodyne Sensoren, und die Echopulsweite, als Messgröße der Ibeo und Valeo Sensoren, werden mit Hilfe einer Infrarotkamera untersucht und durch Versuche parametrisiert. Als wichtigstes Ergebnis der Versuche lässt sich festhalten, dass die gemessene Form und Größe von Strahlmuster und Strahlaufweitung von den Herstellerangaben abweichen. Dies führt dazu, dass eine Modellbildung auf Basis der Herstellerangaben unter Umständen nicht ausreichend ist. Die untersuchten physikalischen Effekte sind in das am Fachgebiet bestehende Sensormodell auf Basis der Versuchsergebnisse des Ibeo Lux 2010 Sensors integriert. Dazu zählen Strahlaufweitung, Strahlmuster und weitere sensorspezifische Parameter. Auch sind erste Ansätze bzgl. des Signalrauschens, der Signaldämpfung durch den Abstand und der Simulation des Spannungsverlaufs im Empfänger zur Berechnung der Echopulsweite implementiert. Die Ergebnisse der ersten Validierung des erweiterten Sensormodells im Bezug auf die Strahlaufweitung zeigen, dass diese mit steigender Entfernung an Einfluss gewinnt. Das ideale Sensormodell ist somit bei steigendem Abstand zwischen Objekt und Sensor unpräziser als das erweiterte Modell

Numerische Strömungssimulation der Hochdruckvergasung unter Berücksichtigung detaillierter Reaktionsmechanismen

Vergasungsprozesse, bei denen kohlenstoffhaltige Ausgangsstoffe in ein vorwiegend aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid bestehendes Synthesegas umgewandelt werden, stellen eine Schlüsseltechnologie für eine zukünftige nachhaltige Rohstoffnutzung dar. Der Grund für den Einsatz von Hochdruckverfahren liegt in der Steigerung der Wirtschaftlichkeit. Die numerische Simulation der Hochdruckvergasung hat große Schnittmengen mit der Verbrennungssimulation. So kann die Flammenzone mit Hilfe von Verbrennungsmodellen beschrieben werden. In der Arbeit wurden Simulationen einer Versuchsanlage für Hochdruckvergasung mit Hilfe kommerzieller CFD-Codes und mit Hilfe des quelloffenen Codes OpenFOAM durchgeführt. Eine Analyse des Verbrennungsmodells ergab, dass die wesentlichen Reaktionen im Reformierungsbereich, wo kein freier Sauerstoff mehr vorhanden ist, nur unzureichend abgebildet wurden. Durch die Verwendung eines alternativen Ansatzes konnte der Modellierungsfehler deutlich reduziert werden