Degroote, Joris

Merci, Bart

Rauwoens, Pieter

Vierendeels, Jan

English

Ghent University Academic Bibliography

  biblio.ugent.be  The UGent Institutional Repository is the electronic archiving and dissemination platform for all UGent research publications. Ghent University has implemented a mandate stipulating that all academic publications of UGent researchers should be deposited and archived in this repository. Except for items where current copyright restrictions apply, these papers are available in Open Access.  This item is the archived peer‐reviewed author‐version of: Coupling of a pyrolysis model with CFD for flame spread simulations in case of fire Rauwoens P, Degroote J, Vierendeels J, Merci B In: Combura 2010 Book of Abstracts – page 63‐64  To refer to or to cite this work, please use the citation to the published version: Rauwoens P, Degroote J, Vierendeels J, Merci B (2010). Coupling of a pyrolysis model with CFD for flame spread simulations in case of fire. Book of Abstracts of Combura 2010, 12‐13 October 2010, Maastricht, The Netherlands, p 63‐64, Coupling of a pyrolysis model with CFD for flame spread simulations in case of fire Rauwoens  P.,  Degroote  J. , Vierendeels  J. ,  Merci  B. Ghent University, Dept. of Flow, Heat and Combustion Mechs., Sint‐Pietersnieuwstraat 41, B‐9000 Ghent, Belgium Introduction When  trying  to  simulate  fire  scenarios  in  buildings,  several  physical  processes must  be properly accounted for. A key phenomenon, severely contributing to the  impact of a fire hazard,  is upward  flame  spread over  vertical  surfaces.  In  this  case,  a  fire  source  (e.g.  a burning paper basket) is located near a combustible wall that catches fire. The fire spreads rapidly, since the flame propagates in the same direction as the buoyant air motion. Fig. 1 depicts  the  upward  flame  spread  scenario.  The  presence  of  a  flame  causes  the combustible  material  to  heat  up,  primarily  due  to  radiative  heat  transfer.  When  the material’s  temperature  is  raised  to a  threshold  temperature  (pyrolysis  temperature),  the material degrades:  its chemical structure changes and volatile components are  released. The volatiles serve as a fuel in the gaseous flame combustion process, causing more heat to be released. This positive feed‐back cause fires to spread very rapidly. Because of  the  importance of  the  flame  spread, a proper description of  the  interaction between the solid wall and the flame is necessary. The interaction requires well validated submodels both in the solid phase (pyrolysis) and in the gas phase (combustion). Also, the coupling strategy between the two phases is a point of interest.  Solid phase model For the description of the heat transfer and pyrolysis process  inside the solid material, a simplified enthalpy‐based  model  [1‐2]  is  applied,  in  which  a  single  equation  for  enthalpy  is  solved.  The  pyrolysis  process  is endothermic,  consuming  an  amount  of  energy (heat of pyrolysis), provided by  conduction  inside the material  or  by  external  radiation/convection. The  model  has  successfully  been  applied  to charring  and  non‐charring  materials,  possibly containing moisture [1‐2]. Here,  we  apply  the  model  in  a  quasi  two‐dimensional  formulation:  heat  conduction  takes  place  in  all directions, whereas in each row of cells in the computational mesh, the pyrolysis front (fig. 2) is parallel to the material surface and moves perpendicular to the surface. This is valid for thin walls, exposed at one side. Gas phase model (CFD) The  gas  phase  phenomena  are  simulated  using  CFD  (Computational  Fluid  Dynamics).  Here,  we  use  the commercial  package  ANSYS  FLUENT,  but  the  approach  can  be  implemented  in  any  CFD  code. Models  for radiation, combustion and soot formation are incorporated. In order to account for turbulence, the Unsteady Reynolds‐Averaged Navier‐Stokes equations (U‐RANS) are solved. As the unsteadiness is primarily due to time‐dependent boundary conditions, this approach is a good alternative for LES, with less severe conditions on grid spacing and the time step applied in the CFD calculations. Figure 1 Upward flame spread scenario Figure 2 Solid phase degradation: the pyrolysis front separates the virgin material from the char Coupling strategy The equations in the gas phase and the solid phase are solved with separate codes. The CFD model takes the surface  temperature  and  volatile mass  flow  rate  as  input  and  returns  the  heat  transfer  towards  the  solid phase. On the other hand, the pyrolysis model calculates the surface temperature and volatile mass flow rate for a given heat transfer. Gauss‐Seidel iterations between both models are performed in each time step until they are in equilibrium.  Simulation results Assessing the solid phase model and the coupling strategy In order to check the proposed method, firstly simulations are performed, avoiding uncertainties related to gas phase  modeling.  The  uncertainties  are  primarily  due  to  the  presence  of  turbulence  and  strong  radiation. Therefore,  a  laminar  test  case without  strong  influence  of radiation  is  considered. Downward flame spread over a sheet  of    PMMA  is  simulated. Chemical kinetics of PMMA and its  volatile  (MMA)  are  well known  and  therefore  serve  as an  ideal  test  material.  Upon external  heat  input,  the material  is  ignited  on  top  and the  flame  propagates downwards.  Because  of  the downward  motion,  the  lower virgin  material  does  not  really see  the  flame,  which  is  tilted upwards,  hence  the  radiation modeling  can  be  excluded.  A  typical  evolution  in  time  of  the  flame  is  shown  in  figure  3  by  means  of temperature isocontours. Assessing the gas phase models The ultimate goal  is  to  simulate upward  flame  spread. Although, by means of  the downward  flame  spread simulation and separate solid phase simulations  [2] we are confident  in the solid phase model and coupling strategy, up till now no satisfactory results for upward flame spread could be obtained. Reason for this is the inadequate  modeling  of  the  gas  phase.  Currently,  buoyancy‐modified  turbulence  models,  validated  soot models and its interaction with radiation are being investigated. References 1. Wasan, S.R. et al. Fire and Materials 34(1):39‐54 (2010) 2. Wasan, S.R. et al. Combustion and Flame 157(4):715‐734 (2010) 3. Wu, K.K. et al. Combustion and Flame 132: 697–707 (2003). Figure 3 Ignition and downward flame spread [3]: isocontours of temperature at different times 

Coupling of a pyrolysis model with CFD for flame spread simulations in case of fire

https://biblio.ugent.be/publication/1104930/file/1104937.pdf

Coupling of a pyrolysis model with CFD for flame spread simulations in case of fire

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

Ghent University Academic Bibliography