آرمان اولیائی – دانشجوی مقطع کارشناسی ارشد – دانشگاه شیراز
این ایده که دینامیک یک آتش‌سوزی را می‌توان به صورت عددی مورد مطالعه قرار داد، به آغاز عصر رایانه برمی‌گردد. در واقع، معادلات بقای اساسی حاکم بر دینامیک سیالات، انتقال حرارت و احتراق برای اولین بار بیش از یک قرن پیش نوشته شدند. با وجود این، مدل‌های ریاضی آتش‌سوزی (متمایز از احتراق کنترل‌شده) به دلیل پیچیدگی ذاتی مسئله، نسبتاً جدید هستند.
مشکلات بیشتر در مورد سه موضوع است. اول، تعداد زیادی از سناریوهای احتمالی آتش سوزی به دلیل ماهیت تصادفی آنها وجود دارد. دوم، بینش فیزیکی و قدرت محاسباتی مورد نیاز برای انجام تمام محاسبات لازم برای اکثر سناریوهای آتش سوزی محدود است. هر مطالعه اساسی در مورد آتش سوزی باید حداقل برخی از جنبه های آیرودینامیک جسم مانع، جریان چند فازی، اختلاط و احتراق آشفته، انتقال تشعشعی، و انتقال حرارت دوگانه را در نظر بگیرد. .در نهایت، سوخت در اکثر آتش سوزی ها هرگز به صورت مشخصی در نظر گرفته نشده است. بنابراین، مدل‌های ریاضی و داده‌های مورد نیاز برای توصیف تخریب مواد فاز متراکم که سوخت را تامین می‌کنند ممکن است در دسترس نباشند.
تا به امروز، سه رویکرد متمایز برای شبیه سازی آتش سوزی پدیدار شده است. هر یک از اینها آتش را به عنوان یک فرآیند ذاتاً سه بعدی در نظر می گیرد که در زمان تکامل می یابد. اولین مدل هایی که به تکامل رسیدند (مدل منطقه یا zone) آتش سوزی طبقه‌ای (compartment) را توصیف می کنند. هر طبقه به دو حجم همگن فضایی تقسیم می شود، یک لایه بالایی گرم و یک لایه پایینی خنک تر. توازن جرم و انرژی برای هر لایه اعمال می شود، با مدل های اضافی که سایر فرآیندهای فیزیکی را به عنوان معادلات دیفرانسیل یا جبری که مناسب هستند توصیف می کنند. نمونه هایی از این پدیده ها عبارتند از ستون های آتش، جریان از طریق درها، پنجره ها و سایر منافذ، انتقال حرارت تشعشعی و همرفتی. شرح مفروضات فیزیکی و ریاضی در پس مفهوم مدل‌سازی طبقه‌ای در مقالات جداگانه‌ای توسط جونز و کوینتییر در سال 1983 ارائه شده است.
سادگی نسبی فیزیکی و محاسباتی مدل‌های منطقه منجر به استفاده گسترده از آنها در تحلیل سناریوهای آتش‌سوزی شده است. تا زمانی که توزیع‌های مکانی دقیق خصوصیات فیزیکی مورد نیاز نباشد، این مدل‌ها کاملاً قابل اعتماد هستند. با این حال، به دلیل ماهیت آنها، هیچ راهی برای بهبود سیستماتیک آنها وجود ندارد. رشد سریع قدرت محاسباتی و تکامل متناظر دینامیک سیالات محاسباتی، منجر به توسعه مدل‌های مبتنی بر CFD شده است که برای مشکلات تحقیقات آتش سوزی بکار می‌روند. تقریباً تمام این کار بر اساس چارچوب مفهومی ارائه شده توسط معادلات ناویر–استوکس به روش میانگین‌گیری رینولدز (RANS) (به ویژه مدل آشفتگی k-ε که توسط پاتانکار و اسپالدینگ ارائه شده است) است. استفاده از CFD امکان توصیف آتش‌سوزی‌ها در هندسه‌های پیچیده و طیف گسترده‌ای از پدیده‌های فیزیکی را فراهم کرده است.
متأسفانه، با استفاده از رویکرد فوق، تکامل ساختارهای گردابه‌های بزرگ که ویژگی اکثر ستون‌های آتش است، از بین می‌رود و همچنین پیش‌بینی رویدادهای محلی و گذرا نیز ممکن نیست. کاربرد تکنیک‌های “شبیه‌سازی گردابه بزرگ” (LES) در آتش به منظور استخراج دقت زمانی و مکانی بیشتر از شبیه‌سازی‌های آتش است که بر روی مش‌های ریزتر انجام می‌شود و این امر به لطف پیشرفت ابزار محاسباتی ممکن شده است.
عبارت LES به توصیف اختلاط آشفته سوخت گازی و محصولات احتراق با جو محلی اطراف آتش اشاره دارد. پیش‌بینی دقیق این فرآیند، که میزان سوختن در بیشتر آتش‌ها را تعیین می‌کند و انتشار دود و گازهای داغ را کنترل می‌کند، بسیار دشوار است. این نه تنها در تحقیقات آتش، بلکه تقریباً در تمام پدیده‌های مربوط به حرکت سیال آشفته صادق است. ایده اصلی پشت تکنیک LES این است که گردابه‌هایی که بیشتر اختلاط را تشکیل می دهند به اندازه کافی بزرگ هستند که با دقت معقولی از معادلات دینامیک سیالات محاسبه شوند.
معادلات توصیف کننده انتقال جرم، تکانه و انرژی توسط جریان های ناشی از آتش باید ساده شوند تا بتوان آنها را به طور موثر برای سناریوهای آتش سوزی حل کرد. معادلات کلی دینامیک سیال، طیف گسترده ای از فرآیندهای فیزیکی را توصیف می کنند، که بسیاری از آنها هیچ ارتباطی با آتش سوزی ندارند. حفظ این کلیت منجر به یک کار محاسباتی بسیار پیچیده می شود که بینش کمی در مورد دینامیک آتش ایجاد می کند. معادلات ساده شده که توسط Rehm وBaum ایجاد شده‌اند، به طور گسترده توسط جامعه تحقیقاتی احتراقی مورد استفاده قرار گرفته‌اند، جایی که از آنها به عنوان معادلات احتراق “عدد کم ماخ” یاد می‌شود. آنها حرکت با سرعت کم گاز را که توسط آزاد شدن حرارت شیمیایی و نیروهای شناوری هدایت می شود، توصیف می کنند.
در اواسط دهه 90 میلادی، هاوارد بام و رونالد رم با توسعه معادلات خود در موسسه ملی استاندارد و فناوری آمریکا (NIST) پیش زمینه معرفی یک نرم افزار جدید با نام شبیه‌ساز دینامیک آتش (Fire Dynamic Simulator) یا به اختصار FDS را فراهم کردند. شبیه ساز دینامیک آتش یک مدل دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) از جریان سیال ناشی از آتش است. این برنامه کامپیوتری یک شکل شبیه‌سازی گردابی بزرگ از معادلات ناویر-استوکس را که برای جریان حرارتی با سرعت پایین مناسب است، با تأکید بر انتقال دود و گرما از آتش‌ها، برای توصیف تکامل آتش حل می‌کند. FDS یک برنامه کامپیوتری Fortran 90 است که معادلات حاکم بر دینامیک سیالات را حل می کند و Smokeview یک برنامه همراه است که به زبان برنامه نویسی C/OpenGL نوشته شده و تصاویر و انیمیشن های نتایج را تولید می کند. مشتقات جزئی معادلات بقای جرم، تکانه و انرژی به صورت اختلاف محدود تقریب می شوند. تشعشع حرارتی با استفاده از تکنیک حجم محدود در شبکه ای مشابه با حل کننده جریان محاسبه می شود. ذرات لاگرانژ برای شبیه سازی حرکت دود و تخلیه آبپاش استفاده می شود. نسخه اول FDS در فوریه سال 2000 میلادی به صورت عمومی منتشر شد و آخرین و جدیدترین نسخه در دسترس کاربران برای ویندوز و لینوکس، نسخه 6.9.1 می باشد.
FDS به دلیل رایگان بودن، دقت، تطبیق پذیری، مقرون به صرفه بودن در کاهش تست های آزمایشی، قابلیت های تجسم کاربر پسند، پشتیبانی از هندسه های پیچیده و بهبود مستمر از طریق تلاش های اعتبارسنجی شرکت سازنده، به عنوان یک ابزار قدرتمند برای شبیه سازی دینامیک آتش متمایز است. این مزایا آن را برای متخصصانی که در مهندسی حفاظت آتش و تحقیقات ایمنی کار می‌کنند، ضروری می‌کند. FDS قادر است تا محیط‌های سه‌بعدی پیچیده را مدل‌سازی کند. این ویژگی به کاربران این امکان را می‌دهد که سناریوهای واقعی مانند ساختمان‌ها، تونل‌ها و سایر فضاهای بسته را به طور دقیق شبیه‌سازی کنند. FDS یک نرم‌افزار متن‌باز است. این ویژگی به کاربران اجازه می‌دهد تا کد منبع را بررسی کرده، تغییرات لازم را اعمال کنند و به راحتی آن را با نیازهای خاص خود تطبیق دهند. ترکیب این نرم‌افزار با سایر نرم‌افزارهای موجود (مانند Evac Simulator) به مهندسان کمک می‌کند تا سیستم‌های ایمنی آتش را طراحی کنند. با استفاده از این نرم‌افزار، می‌توان سناریوهای مختلف آتش را شبیه‌سازی کرده و تأثیرات آنها بر روی سیستم‌های اطفای حریق، هشداردهنده‌ها و مسیرهای تخلیه را بررسی کرد. برای تجزیه و تحلیل نتایج شبیه‌سازی‌های FDS، از نرم‌افزار Smokeview استفاده می‌شود. این ابزار به کاربران کمک می‌کند تا نتایج شبیه‌سازی را بصری کرده و رفتار دود، حرارت و دیگر پارامترهای مرتبط با آتش را مشاهده کنند. البته تمرکز این نرم‌افزار بیشتر بر خروجی عددی است تا بصری. FDS داده‌های خروجی متنوعی تولید می‌کند که شامل دما، غلظت دود، سرعت جریان هوا و دیگر پارامترهای مرتبط با دینامیک آتش است. این داده‌ها برای ارزیابی عملکرد سیستم‌های ایمنی و طراحی فضاهای امن بسیار مهم هستند.
مانند هر نرم‌افزاری، این نرم‌افزار هم افزون بر توانایی های بالا دارای محدودیت‌هایی نیز می‌باشد. FDS برای جریان های تراکم پذیر طراحی نشده است، به این معنی که ممکن است سناریوهای مربوط به جریان گاز یا انفجار با سرعت بالا را به طور دقیق شبیه سازی نکند. این محدودیت می تواند کاربرد آن را در سناریوهای آتش سوزی خاصی که اثرات تراکم پذیری قابل توجه است، مانند انفجار، محدود کند. بسیاری از شبیه‌سازی‌ها در FDS ممکن است بر مفروضات حالت دائم تکیه کنند، که می‌تواند منجر به عدم دقت در مدل‌سازی دینامیک آتش در حال تغییر سریع شود. به عنوان مثال، نرم افزار ممکن است برای نشان دادن به اندازه کافی پدیده های گذرا مانند تشکیل گرداب یا نوسان شکل شعله که در درک رفتار واقعی آتش بسیار مهم هستند، مشکل داشته باشد. دقت شبیه سازی FDS به شدت به وضوح مش بستگی دارد. در حالی که مش های ریزتر می توانند دقت را بهبود بخشند، هزینه محاسباتی را نیز به میزان قابل توجهی افزایش می دهند. کاربران باید تراکم مش را با منابع محاسباتی موجود متعادل کنند، که می تواند جزئیات شبیه سازی را برای سناریوهای پیچیده آتش سوزی محدود کند. به صورت کلی FDS ابزاری قدرتمند برای شبیه‌سازی دینامیک آتش‌سوزی است اما درک محدودیت‌های آن برای کاربرد مؤثر در مهندسی و تحقیقات ایمنی آتش‌سوزی ضروری است. کاربران باید این محدودیت ها را هنگام طراحی شبیه سازی و تفسیر نتایج در نظر بگیرند تا از ارزیابی دقیق رفتار و خطرات آتش اطمینان حاصل کنند. برای دانلود این نرم‌افزار می‌توانید به این لینک مراجعه کنید.
