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C. Knaust:
"Modellierung von Brandszenarien in Gebäuden";
Supervisor, Reviewer: U. Schneider, U. Krause; Institut für Hochbau und Technologie, Forschungsbereich für Baustofflehre, Werkstofftechnologie und Brandsicherheit, E206-1, 2009; oral examination: 2009.

Within the European Harmonization new European standards (Eurocodes) have been developed in recent years.
For the conception of fire safety designs classical methods like tables and simplified arithmetic techniques as well as general engineering techniques are allowed by the Eurocodes.
The modeling and calculation fire scenarios with numerical methods CFD- (Computational Fluid Dynamics) is part of the general engineering methods.
There were difficulties in checking and evaluating of CFD results which are used as technical documents for fire safety designs. For the prediction of the fire development in a building analytical engineering techniques, zone models and CFD-models are used in the present work and compared.
To solve the accounting equation for the CFD-model, the CFD-program FDS with the mixture fraction model and the CFD-program FLUENT with the one step reaction model (ERM) as well as with the volumetric source term model (VQM) are used. The combustion of polyurethane is modeled in FDS by specifying the heat release rate and the stoichiometry. For the combustion in VQM the heat release rate and the smoke release were specified with respect to the stoichiometry. Input Parameter for the ERM is the pyrolysis mass flow. In ERM the transport equations for polyurethane, H2O, N2, O2, CO2, CO and C (soot) are solved and the heat of combustion is determined from the standard formation enthalpy of all components. In VQM the transport equation is solved for air and smoke. FDS solves the transport equation for the mixture fraction. For modeling the fire development the required material characteristics like specific heat capacity, absorption coefficient and heat of combustion were measured, where no literature data were available.
In all CFD-models the radiative transfer equation is solved and the absorption coefficient of soot is considered. In addition, the fire development was solved with zone models by the program CFAST and MRFC. Results from analytical engineering techniques (plume calculations) which were planning principles in the past, were used as plausibility checks within the present work.
The calculation results from the investigations were compared to measurements performed by the National Institute for Standards and Technology in the same building.

Im Rahmen der europäischen Harmonisierung wurden in den letzten Jahren neue Bemessungsnormen (Eurocodes) entwickelt. In den Eurocodes werden zur Erstellung von Brandschutzkonzepten neben den klassischen Methoden wie Tabellen und vereinfachten Rechenverfahren auch allgemeine Ingenieurmethoden zugelassen. Zu den allgemeinen Ingenieurmethoden zählt die Modellierung und Berechnung von Brandszenarien mit numerischen Methoden CFD (Computational Fluid Dynamics).
Schwierigkeiten bestehen in der Kontrolle und Bewertung der mit CFD-Programmen produzierten Ergebnissen, die im Rahmen der Anwendung von Ingenieurmethoden in vorgelegten Brandschutzkonzepten Eingang in technische Unterlagen gefunden haben.
Zur Prognose des Brandverlaufes in einem Wohngebäude wurden in der vorliegenden Arbeit analytische Rechenverfahren, Zonenmodelle und Feldmodelle angewendet. Die Ergebnisse werden gegenübergestellt.
Um die Bilanzgleichungen eines CFD-Modells zu lösen, wurde das CFD-Programm FDS mit Mischungsfraktionsmodell und das CFD-Programm FLUENT sowohl mit dem Einschritt-Reaktions-Modell (ERM) als auch mit dem volumetrischen Quellterm Modell (VQM) verwendet.
Die Modellierung der Verbrennung von Polyurethan erfolgte in FDS durch Vorgabe der Wärmefreisetzungsrate und der Stöchiometrie. Im VQM waren zur Modellierung der Verbrennung die Wärmefreisetzungsrate und für das Rauchgas die Stofffreisetzungsrate unter Beachtung der Stöchiometrie vorzugeben. Ausgangsparameter für das ERM ist der vorzugebende Pyrolysegasmassestrom von Polyurethan.
Mit dem ERM werden die Transportgleichungen für Polyurethan, H2O, N2, O2, CO2, CO und C (Ruß) gelöst und aus den Standardbildungsenthalpien aller an der Reaktion beteiligenden Komponenten der Heizwert und damit die infolge der Reaktion freigesetzte Wärme berechnet. Im VQM erfolgt die Lösung der Transportgleichungen für Luft und Rauchgas. FDS löst die Transportgleichung für eine Mischungsfraktion.
Die zur Modellierung des Brandverlaufes benötigten Stoffkennwerte spezifische Wärmekapazität, Absorptionskoeffizient und Heizwert wurden messtechnisch bestimmt, wenn diese aus der Literatur nicht bekannt waren.
In allen CFD-Modellen erfolgt die Lösung der Strahlungsübertragungsgleichung und wird der Absorptionskoeffizient von Ruß berücksichtigt.
Ergänzend wurde der Brandverlauf im gleichen Wohngebäude durch Lösen der Bilanzgleichungen eines Zonenmodells mit den Programmen CFAST und MRFC untersucht.
Ergebnisse aus analytischen Rechenverfahren (Plumeberechnungen), die in der Vergangenheit regelmäßig als Planungsgrundlage zur Verfügung standen, wurden im Rahmen dieser Arbeit zur Plausibilitätsprüfung herangezogen.
Die Rechenergebnisse aus den durchgeführten Untersuchungen wurden Messergebnissen vom National Institute for Standards and Technologie aus einem im gleichen Wohngebäude durchgeführten Brandversuch gegenübergestellt.

Numerische Strömungssimulation / CFD / Zonenmodell / Plumemodell / FLUENT / FDS / Rauch / Brandverlaufsimulation / Verbrennung / Ruß; computational fluid dynamics / CFD / zonemodel / plumemodel / FLUENT / FDS / smoke / simulation of fire development / co