{"id":1983,"date":"2012-01-27T23:28:05","date_gmt":"2012-01-27T21:28:05","guid":{"rendered":"http:\/\/www.f-sim.de\/?p=1983"},"modified":"2012-01-27T23:28:06","modified_gmt":"2012-01-27T21:28:06","slug":"turbulenzmodellierung-in-fds-6","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.f-sim.de\/?p=1983","title":{"rendered":"Turbulenzmodellierung in FDS 6"},"content":{"rendered":"

In den bisherigen Versionen des Brandsimulationsprogramms FDS (Version 1-5) konnte zur L\u00f6sung f\u00fcr die bei hohen Reynoldszahlen entstehende Turbulenz zwischen einer direkten numerischen Berechnung oder einer Kombination aus direkter Berechnung und Modellierung der kleinen Skalen nach dem Modell von Smagorinsky gew\u00e4hlt werden. Das turbulente Verhalten von Str\u00f6mungen im Brandfall stabil und hinreichend genau abzubilden, war mit dem gew\u00e4hlten Modell aus Sicht der Entwickler f\u00fcr die betrachteten brandschutzspezifischen F\u00e4lle m\u00f6glich. In einer Abw\u00e4gung zwischen der gew\u00fcnschten Genauigkeit in Abh\u00e4ngigkeit der Anwendung und der numerischen Effizienz des Programms war das gew\u00e4hlte Modell ausreichend. Im Zuge der laufenden Entwicklung von FDS 6 haben die Hauptentwickler hierzu weitere Modelle implementiert. Vielleicht mag dies darin begr\u00fcndet sein, dass nicht nur neue Funktionen rund um die Simulation von Brandszenerien hinzukommen sollen (Modell zur Ber\u00fccksichtigung von Anlagen der Geb\u00e4udetechnik (HVAC) oder einem Modell zur Simulation von Waldbr\u00e4nden (WUI-FIRE)), sondern auch die grundlegenden Modelle, wie zum Beispiel das Verbrennungsmodell weiterentwickelt wurden und werden.
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\nBereits anl\u00e4sslich des 4. FDS-Usergroup-Anwendertreffens in Berlin im November 2010 wurde ein Testfall eines isothermen Freistrahles ausgehend von einem vorangehenden Vortrages im Rahmen des 2. Anwendertreffens mit dem seit der Version 5.3.0 implementierten dynamischen Smagorinsky-Modell wiederholt und ausgewertet. Die damals erzielten und vorgestellten Ergebnisse lie\u00dfen hoffen.<\/p>\n

Bei dem so genannten dynamischen Smagorinsky-Modell erfolgt die Bestimmung des Feinstruktur-Spannungstensors aus den aufgel\u00f6sten Skalen, da diesem Modell die Annahme zugrunde liegt, dass die Interaktion haupts\u00e4chlich zwischen den kleinsten Skalen der Grobstruktur und den gr\u00f6\u00dften Skalen der Feinstruktur stattfindet. Die damaligen Versuchsergebnisse zeigen in Abh\u00e4ngigkeit der gew\u00e4hlten Diskretisierung bei gleicher Gitterweite eine deutliche Verbesserung schon bereits bei „gr\u00f6\u00dferen“ Gitterweiten gegeben\u00fcber dem konstanten Smagorinsky-Modell vorheriger Versionen.<\/p>\n

Beispiel: FDS 5.3.0 mit DYNSMAG=.TRUE.<\/strong>
\n[youtube lyPZTLcNalw]<\/p>\n

Fortsetzung 2011<\/strong><\/p>\n

Nach der Implementierung der Modelle nach Deardorff und Vreman zur Feinstrukturmodellierung im September 2011 wurde in den vergangenen Wochen die Untersuchung des isothermen Freistrahl wiederholt. Die bisherigen Ergebnisse zeigen, dass die zeitintensive Berechnung mit dem dynamischen Smagorinsky-Modell offensichtlich zu guten<\/em> Ergebnissen f\u00fchrt. Als „gut<\/em>“ kann in diesem Zusammenhang verstanden werden, dass das Ergebnis im Bereich der analytischen L\u00f6sung des von K\u00fcmmel im Buch Technische Str\u00f6mungsmechanik<\/em> beschriebenen Berechnungsansatzes liegt. Nach K\u00fcmmel wird der Turbulenzgrad der Str\u00f6mung vereinfacht durch die so genannte Mischzahl M<\/em> beschrieben, die je nach Literaturangabe zwischen 0,1 und 0,4 liegt.<\/p>\n

\"Isothermer<\/a><\/p>\n

Auf den ersten Blick erscheinen die im Programm neu implementierten Modelle f\u00fcr die Feinstrukturmodellierung im Vergleich f\u00fcr den Fall des isothermen Freistrahls nicht so gut<\/em> abzuschneiden.<\/p>\n

Die Ergebnisse wurden nach Durchf\u00fchrung einer ersten Berechnungsreihe den Hauptentwicklern zur Verf\u00fcgung gestellt. Nach Aussage von McDermott liegen die Vorteile von Deardorff und Vreman eher im Bereich von turbulenten Str\u00f6mungen mit niedrigerer Reynolds-Zahl. Das dynamische Smagorinsky-Modell scheint bei niedriger Zellaufl\u00f6sung (D*\/dx\u00a0\u2248 5) schlechtere<\/em> Ergebnisse zu erzielen. Weitere Untersuchungen zu den neuen M\u00f6glichkeiten der Turbulenzmodellierung laufen derzeit.<\/p>\n

Ob alle drei neuen Modellans\u00e4tze in der finalen Version von FDS 6 enthalten sein werden oder im Zuge der voranschreitenden Entwicklung wieder entfernt werden, ist zum jetzigen Zeitpunkt offen.<\/p>\n

Was bedeutet dies f\u00fcr den projektbezogenen Einsatz?<\/strong><\/em>
\nDiese Frage nach der Bedeutung der theoretischen \u00dcberlegungen f\u00fcr den allt\u00e4glichen Einsatz eines Brandschutzingenieurs ist berechtigt. In der aktuellen Ausgabe der VDI-Richtlinie VDI 6019-2 „Ingenieurverfahren zur Bemessung der Rauchableitung aus Geb\u00e4uden<\/em>“ aus dem Jahr 2009 hei\u00dft es in Kapitel 10.3.1.1, dass die Verwendung dieser Methoden<\/em> [Anmerkung: gemeint sind in diesem Zusammenhangg die Modelle zur Feinstrukturmodellierung] auf zu groben Netzen oder mit zu gro\u00dfen Zeitschritten gr\u00f6\u00dfere Fehler verursachen [kann]<\/em>. Unter anderem aus diesem Grund ist der Richtlinie im Anhang C ein Datenblatt zur Dokumentation von Brandsimulationen mit CFD-Verfahren beigef\u00fcgt. Nach Aussage der Richtlinie kann, je detaillierter die Angaben im Datenblatt gemacht werden, die damit dokumentierte CFD-Simulation und deren Qualit\u00e4t und Zuverl\u00e4ssigkeit besser beurteilt werden. Der beschriebene Weg und das formulierte Ziel der V\u00e4ter der Richtlinie \u00fcber die Qualit\u00e4t und Zuverl\u00e4ssigkeit ist zu begr\u00fc\u00dfen.<\/p>\n

Zur Beurteilung einer CFD-Simulation sind Kenntnisse \u00fcber das verwendete Turbulenzmodell unabdingbar. Sollten in Zukunft im Brandsimulationsprogramm FDS mehrere Modellans\u00e4tze zur Verf\u00fcgung stehen, sind Kenntnisse \u00fcber die Auswirkungen der gew\u00e4hlten Modelle auf das Ergebnis von gro\u00dfer Bedeutung. Die Ergebnisse am Beispiel eines isothermen Freistrahls k\u00f6nnen dabei eine Hilfestellung sein. Der Hinweis von Randy McDermott zeigt, dass sich der Brandschutzingenieur zuk\u00fcnftig mehr Gedanken machen muss, welches Modell er f\u00fcr seine Untersuchung einsetzen soll. Der in der Vergangenheit vielleicht eingeschlichenen „plug and play<\/em>„-Mentalit\u00e4t wird damit in der Zukunft ein Riegel vorgeschoben. F\u00fcr die Auswahl des „geeigneten<\/em>“ Turbulenzmodell f\u00fcr das „spezielle<\/em>“ Problem in der t\u00e4glichen Anwendung sind im Vorfeld aus heutiger Sicht umfangreiche Untersuchungen und Berechnungen notwendig, um eine Aussage \u00fcber die Anwendungsm\u00f6glichkeiten und -grenzen der einzelnen Modelle treffen zu k\u00f6nnen.<\/p>\n

Fortsetzung folgt…<\/em><\/strong><\/p>\n

Vielleicht ist durch diesen Beitrag bei dem ein oder anderen Nachwuchs- und\/ oder simulationsbegeisterten Brandschutzingenieur das Interesse geweckt worden, die Untersuchungen der in der aktuellen Entwicklerversion enthaltenen Turbulenzmodelle mit eigenen Testf\u00e4llen und -ideen zu unterst\u00fctzen und fortzusetzen.<\/p>\n

Interessenten k\u00f6nnen sich f\u00fcr weitere Abstimmungen gerne unter info (at) f-sim.de melden.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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