بستن
اهمیت شبیه سازی حریق
شبیه سازی یعنی نسخه‌ای مجازی از یک واقعیت یا تصویری از یک واقعیت از یک جنبه خاص. شبیه سازی، یک مدل با عملکرد صحیح بخشی از یک سیستم یا به عبارت دیگر به معنای اقدام یا تقلید از یک وضعیت واقعی یا احتمالی زندگی یا واقعه‌ای برای یافتن دلیل وقایع گذشته (مانند تصادف) یا پیش بینی اثرات بعدی (پیامد ها) شرایط یا عوامل فرضی است. شبیه سازی ممکن است به طرق زیر ارائه شود:
1. حل مجموعه‌ای از معادلات (یک مدل ریاضی)
2. ساختن یک مدل فیزیکی (مقیاس)
3. تمرین مرحله‌ای
4. بازی (مانند بازی های جنگی) یا یک مدل گرافیکی کامپیوتری (مانند نمودار جریان متحرک)
شبیه سازی ابزار بسیار مفیدی است که انواع آزمایش را بدون اینکه خطری کسی را تهدید کند، امکان پذیر می‌سازد. شبیه سازی ها ساده شده واقعیت ها هستند که مفروضات اصلی یک واقعیت را در بر می‌گیرند.
تصویر1. Virtual Reality (واقعیت مجازی)
انواع شبیه سازی
به طور کلی سه نوع شبیه سازی متداول وجود دارد:
1. LIVE: این نوع شبیه سازی شامل مردم واقعی است که با سیستم های واقعی کار می‌کنند و در حال فعالیت هستند. ویژگی های این نوع شبیه سازی عبارتند از:
• افراد یا گروه ها را درگیر می‌کند.
• ممکن است از تجهیزات و ابزار های واقعی استفاده کند.
• باید زمینه مشابه عملیات واقعی را فراهم کند.
• باید نزدیک به وضعیت واقعی فعالیت باشد.
2. VIRTUAL: این نوع شبیه سازی شامل افراد واقعی هست که با سیستم های شبیه ساز کار می‌کنند. در واقع شبیه سازی های مجازی انسان ها را هسته خود قرار می‌دهند.(HITL مدل سازی و شبیه سازی است که برای راه اندازی به انسان نیاز دارد.) برای مثال استفاده از این شبیه ساز ها برای تمرین کردن:
• مهارت کنترل کردن موتور (پرواز با هواپیما و ... )
• مهارت تصمیم گیری (متعهد کردن منابع کنترل آتش برای عملیات و ...)
• مهارت ارتباط برقرار کردن (عضویت در تیم ها و ...)
3. CONSTRUCTIVE: این نوع شبیه سازی شامل افراد شبیه سازی شده‌ای است که با سیستم های شبیه سازی کار می‌کنند. افراد واقعی می‌توانند محرک باشند ( ورودی ها را ایجاد کنند) اما در تعیین نتایج نقش ندارند. ساختار شبیه سازی این توانایی را دارد که:
• تجزیه و تحلیل مفاهیم
• پیش بینی نتایج احتمالی
• تحت فشار قراردادن سازمان های بزرگ
• اندازه گیری
• تولید آمار و ارقام
• انجام تجزیه و تحلیل
شبیه سازی حریق
تصویر2. حریق
در دوران مدرن امروزی، شیوه های مهندسی آتش نشانی تلفات جانی و آسیب های زیر ساختی را کاهش داده است. امروزه دامنه ایمنی آتش‌سوزی تنها محدود به اطفای حریق نمی‌شود بلکه طیف گسترده‌ای از رشته ها مانند تشخیص زود هنگام حریق، مدیریت دود و تدارک امکانات فرار را در بر می‌گیرد. شبیه سازی حریق یکی از مهم ترین روش های طراحی ایمنی حریق مبتنی بر عملکرد است. شبیه سازی آتش برای تجزیه و تحلیل عواملی مانند گسترش آتش و دود، تنش حرارتی بر سازه ها و شرایط فضای در حال سوختن مانند دید، دما و شدت تابش حرارتی استفاده می‌شود. هنگامی که شبیه سازی تخلیه با شبیه سازی آتش ترکیب می شود، ایمنی تخلیه نیز تضمین می‌شود. شبیه سازی حرفه‌ای منجر به صرفه جویی در هزینه ها و بهبود ایمنی در برابر آتش می‌شود. شبیه سازی رفتار آتش یکی از مواردی است که به طراحان کمک می‌کند با لحاظ کردن تجهیزات مناسب، از گسترش شدید آتش و نیز بروز خطراتی از قبیل خفگی و مسمومیت ناشی از دود جلوگیری نمایند. با استفاده از نتایج به دست آمده از شبیه سازی آتش می‌توان با ایجاد چیدمان مناسب و انتخاب صحیح تجهیزات تهویه، به تخلیه دود کمک کرد و در عین حال شرایط را برای جلوگیری از گسترش لایه دود و گاز های ناشی از احتراق به سمت پایین، فراهم نمود.
با در نظر گرفتن تمام روش های مهندسی و ایمنی مدرن، خطر آتش سوزی تصادفی را نمی‌توان در ساختمان ها و زیر ساخت های صنعتی نفی کرد. این تهدید، ضرورت مدل سازی آتش را در طراحی و توسعه تاسیسات ساختمانی و صنعتی بزرگ به ما نشان می‌دهد. با پیشرفت های انجام شده در عملکرد سخت افزار کامپیوتر ها و الگوریتم های عددی، نرم افزار Computational Fluid Dynamics(CFD) به طور معمول توسط مهندسان برای ارائه راه حل های کارآمد و موثر برای به حداقل رساندن آسیب های جانی و مالی ناشی از آتش استفاده می‌شود. Fire Dynamics Simulator(FDS) یکی از نرم افزارهای CFD است که توسط موسسه ملی استاندارد و فناوری (NIST) برای شبیه سازی جریان سیال ناشی از آتش در موقعیت هایی با پیچیدگی های مختلف توسعه یافته است. مدل هیدرو دینامیکی، مدل احتراق، مدل تابش حرارتی، مدل اسپرینکلر در FDS گنجانده شده‌اند که به طور مداوم توسط جامعه فعال گروه های علاقه‌مند دانشگاهی، علمی و حرفه‌ای مورد استفاده قرار می‌گیرد. با این توصیفات FDS یک نرم افزار قوی و قابل اعتماد برای مدل سازی و شبیه سازی انتشار آتش و دود در داخل ساختمان ها و تأسیسات می‌باشد.
شبیه سازی دینامیکی حریق (FDS)
تصویر3. FDS
CFD در واقع ابزاری برای ارزیابی سامانه کنترل دود طراحی شده است. سیستم مدیریت دود پس از تکمیل مراحل نصب و راه اندازی بایستی مورد تست قرار گیرد که این امر با ایجاد دود سرد (Cold Smoke Test) انجام می‌شود که رفتار آن کاملا شبیه رفتار واقعی دود ناشی از حریق است. بنابراین به کمک این روش می‌توان صحت اجرای سیستم هوشمند تهویه و تخلیه دود را چک کرد.
تأمین امنیت ساختمان خصوصاً در زمان بروز حریق از مهم‌ترین اولویت ها به شمار می‌رود و در سال های گذشته قوانین و ضوابط ویژه‌ای در این زمینه وضع شده و کارفرمایان موظف به رعایت این قوانین می‌باشند. پیش‌بینی نحوه گسترش آتش و حریق از جمله مواردی است که به طراحان کمک می‌کند که با بهره بردن از تجهیزات مناسب و انجام اقدامات کاربردی از بروز اتفاقات خطرناک و ایجاد خسارت های مالی و جانی جلوگیری کنند. در اصل شبیه سازی دینامیکی حریق می‌تواند به طراحان کمک کند که با ایجاد چیدمان مناسب و انتخاب صحیح تجهیزات تهویه، به تخلیه دود به بهترین شکل ممکن کمک کرده و از توسعه و گسترش دود و گاز های سمی جلوگیری کنند. برخلاف تصور بسیاری از افراد شبیه سازی و تحلیل مکانیکی باعث صرف هزینه های بیشتر نمی‌شود بلکه روشی برای کاهش هزینه های مربوط به طراحی، اجرا و استفاده از تجهیزات مختلف است و خطا های انسانی و سیستماتیک را به حداقل میزان ممکن کاهش می‌دهد. در بسیاری از صنایع و پروژه های مختلف می‌توان از ابزارهای شبیه سازی استفاده کرد و از افزایش هزینه ها و همچنین خسارت ها جلوگیری کرد.
این ابزار علاوه بر صنعت ساختمان سازی می‌تواند در صنایع هوانوردی، طراحی خودرو، طراحی بویلرها و تجهیزات صنعتی و پیش‌بینی آب و هوا کاربرد های متعددی داشته باشد. در اصل قبل از نصب و راه‌اندازی سیستم های اعلام و اطفاء حریق استفاده از این شبیه ساز می‌تواند بهترین راهکار افزایش بهره‌وری باشد.
صحت و دقت در شبیه سازی دینامیکی حریق
ابزارهای شبیه سازی دینامیکی حریق در مقایسه با روش‌های جبری دقت بالاتری دارد. نرم‌افزار FDS که توسط انستیتو ملی استاندارد و تکنولوژی ایالات متحده آمریکا طراحی و توسعه یافته است در کنار تمام محدودیت هایی که دارد به عنوان دقیق‌ترین و بهترین نرم‌افزار مدل‌سازی حریق و دود شناخته می‌شود. هرچند که نرم‌افزار های دیگری همچون انسیس فلوئنت Ansys Fluent، انسیس سی‌اف‌ایکس Ansys CFX نیز وجود دارند. ایده اصلی شبیه سازی عددی یا دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) تقسیم کردن فضا به تعداد زیادی سلول (حجم های کوچک) و حل کردن معادلات حاکم بر جریان، فشار و دما در کل فضا است. معادلاتی همچون معادله بقای جرم، معادله بقای انرژی، معادله بقای مومنتوم، معادلات تحلیل توربولانس، معادلات بقای انتقال آلاینده‌ها، معادلات تشعشع و… در این ابزار حل می‌شوند. برای حل چنین معادلاتی نمی‌توان از راهکار های تحلیلی بهره برد و باید از حل کننده های عددی استفاده شود.
کاربرد شبیه سازی دینامیکی حریق
ابزارهای شبیه سازی کمک می‌کنند تا مهندسین و معماران در هنگام طراحی و ساخت به امنیت ساکنان ساختمان‌ها، جانمایی مناسب تجهیزات و قوانین وضع شده توسط نهاد های ذیصلاح توجه کنند. رعایت قوانین تعیین شده منجر به اخذ تاییدیه سازمان آتش نشانی به راحت ترین شکل ممکن می‌شود. از دیگر مزیت های استفاده از ابزار های شبیه سازی می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
• با استفاده از نتایج شبیه سازی دینامیکی می‌توان مکان هایی که کمترین میزان دود را دارند برای تخلیه افراد و ساکنان ساختمان در زمان بروز آتش سوزی مشخص کرد.
• تعیین خروجی های بهینه در ساختمان برای تخلیه سریع‌تر دود
• امکان استفاده از تجهیزات تهویه صنعتی و مناسب در مکان هایی که امکان تجمع دود وجود دارد میسر می‌شود.
بهترین ابزار های شبیه سازی دینامیکی حریق
همانطور که گفته شد استفاده از ابزارهای شبیه سازی دینامیکی حریق می‌تواند مزیت های متعددی داشته باشد به همین دلیل امروزه در حوزه های مختلفی همچون بیوتکنولوژی، مکانیک، هوافضا، شیمی، برنامه‌ریزی شهری، عمران، مدیریت آب و ساختمان سازی از این ابزارها استفاده می‌شود. از جمله رایج‌ترین نرم‌افزار هایی که در زمینه شبیه سازی دینامیکی وجود دارند عبارتند از PyroSim، ANSYS، COMSOL Multiphysics، STAR CCM، Abaqus، OpenFOAM، PowerFLOW، SimScale، Autodesk، SimulationX که هر کدام دارای قابلیت ها و ویژگی‌های منحصر به فردی می‌باشند. با استفاده از این نرم‌افزار ها می‌توان به سوالات زیر پاسخ درست داد:
• مواد و وسایل داخل اتاق با چه سرعتی خواهند سوخت؟
• دمای نقاط مختلف ساختمان چقدر خواهد بود؟
• میزان دود در محل حریق چقدر خواهد بود؟
• میزان گرمای آزاد شده ناشی از آتش چقدر خواهد بود؟
• کارآمد ترین روش برای جلوگیری از وقوع حریق چیست؟
• بهترین مکان برای نصب آب پاش کجا می‌تواند باشد؟
• حسگر های دود و آتش چه زمانی فعال خواهند شد؟
• بهترین مکان برای نصب درب فرار و سیستم های تهویه کجاست؟
در کنار نرم‌افزار FDS، نرم‌افزار دیگری هم وجود دارد که داده ها را به نحوی برای انسان ملموس تر می‌کند. Smokeview که به اختصار SMV نیز گفته می‌شود یک بسته نرم افزاری است که داده های FDS را دریافت نموده و به وسیله یک رابط گرافیکی همه کاره آن‌ها را مجسم می‌کند. علاوه بر مهندسان حفاظت آتش، محققین در زمینه تلفات نیز از ویژگی های مختلف نرم افزار برای کاوش و درک شبیه سازی آتش استفاده می‌کنند. SMV به مهندسان حفاظت از آتش درک بهتری از نحوه عملکرد دینامیک سیالات ناشی از آتش در سازه های خاص می‌دهد.
نرم‌افزار پایروسیم (PYROSIM)
تصویر4. نرم‌افزار پایروسیم
این نرم‌افزار یک رابط کاربری گرافیکی برای شبیه سازی دینامیکی آتش است که به کمک آن می‌توان آتش‌سوزی های پیچیده را مدل‌سازی و مدیریت کرد. این نرم‌افزار شکلی از معادلات نویر-استوکس که برای سیالات با سرعت کم با تأکید بر دود و انتقال حرارت از آتش است را به صورت عددی حل می‌کند. PyroSim با دقت بالایی حرکت و رفتار دود، دما و گازهای سمی منتشر شده را شبیه سازی کرده و مورد تحلیل قرار می‌دهد. با این نرم‌افزار به‌راحتی می‌توان با تنظیم پارامتر های مختلف یک آتش ساختگی را در یک محیط مشخص شبیه سازی کرد و سپس نحوه گسترش آتش، نوع حرکاتی که دود حاصل از آن دارد و انواع گازهای سمی که در اثر آتش تولید می‌شوند با غلظت و دمای مختلف را مشاهده و بررسی کرد. از ویژگی های مهم این نرم‌افزار می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
• ویرایش هندسه با استفاده از تصاویر پلان، دیوارهای زاویه‌دار، و سایر ابزارهای قدرتمند
• گزینه های منوی جدید با کلیک راست برای تقسیم، ادغام و اصلاح مش‌ها
• امکان تعیین جاذبه به عنوان تابعی از زمان یا مختصات x
• اجرای یکپارچه FDS و Smokeview
• پشتیبانی کامل از سیستم عامل های 64 بیتی
• اجرای چند CPU شبیه سازی با یک کلیک
• وارد کردن مدل های FDS4 و FDS5 موجود
• تبدیل فایل های ورودی FDS4 به FDS5
• وارد کردن مدل های اتوکد DWG به طور مستقیم یا به عنوان تصاویر پس‌زمینه
قابلیت های نرم‌افزار
• شبیه سازی آتش و نحوه انتشار حریق
• شبیه سازی دود و آلایند های موجود در آن و گسترش آن‌ها
• محاسبه تغییرات فشار، دما و سرعت در کانتور های مختلف پس از شروع حریق
تصویر5. شبیه سازی نقطه شروع آتش و نحوه گسترش آن
امکانات این نرم‌افزار
• وارد کردن مدل های CAD
• امکان ویرایش همه اشیا مدل به صورت تعاملی
• تجزیه و تحلیل نتایج بصری
• بهبود عملکرد شبیه سازی
• سیستم های HVAC (گرمایش و تهویه هوا)
• کتابخانه های اسناد
• پردازش ابری
• سناریو ها
• ابزارهای طراحی
• ترجمه های چند زبانه
اهمیت شبیه سازی حریق
تصویر6. شبیه سازی آتش و دود در پارکینگ ها
شبیه سازی حریق به ما این امکان را می‌دهد تا حالت انتشار و گسترش حریق و دود را پیش بینی کرده و با توجه به اطلاعات به دست آمده تجهیزات و امکانات مناسبی در سازه ها به کار ببریم تا از گسترش شدید آتش و بروز خطراتی از قبیل خفگی و مسمومیت ناشی از دود جلوگیری نماییم. با استفاده از اطلاعات یک شبیه سازی درست می‌توان چیدمانی مناسب برای تجهیزات ایمنی ساختمان در نظر گرفت و تجهیزاتی متناسب با شرایط برای تهویه کارآمد تدارک دید. به کمک نرم افزار های شبیه سازی حریق می‌توان سناریو های مختلفی از آتش سوزی را در مکان هایی مانند تونل، پارکینگ، ایستگاه مترو، مجتمع تجاری مسکونی، سالن ورزشی، سینما، ویلا، دیتا سنتر و کارخانه بررسی کرد. نرم‌افزار های شبیه سازی حریق سیستم های تهویه و اطفاء حریق خودکار را مورد بررسی قرار داده و از عدم کارکرد صحیح آن‌ها در شرایط بحرانی جلوگیری می‌کنند. به عنوان مثال در کشورهای اروپایی، آمریکا و کانادا، معماران مطرح در پروژه های لوکس و خاص مسکونی، اطلاعات مربوط به شبیه سازی آتش و خروجی اضطراری را نیز به مشتریان نشان می‌دهند. در واقع اجرا و بررسی نتایج مدل سازی گسترش حرق و دود، باعث ایجاد اعتبار خاصی برای پروژه طراحی شده می گردد. در عین حال معمار و سازنده نشان می‌دهد به تمام جزئیات پروژه دقت کرده است و جای هیچ گونه نگرانی نیست.
دود به عنوان عامل اصلی بروز تلفات در زمان حریق شناخته شده و از اهمیت بسیار بالایی برخوردار است. هنگامی که اجزای ساختمان مانند راه‌پله ها، چاله های آسانسور و... پر از دود شده و مسدود می‌شوند، تخلیه ساکنین و افراد گرفتار در دام آتش با مشکل رو به رو شده و عملیات نجات افراد و مهار حریق توسط آتش‌نشانان نیز دچار اختلال می‌شود. چرا که وقتی غلظت دود زیاد می‌شود، افراد تقریبا قدرت بینایی خود را از دست داده و به آرامی حرکت می‌کنند. به همین دلیل کنترل و مدیریت دود در زمان حریق یکی از مهم ترین مسائل مطرح در حوزه ایمنی ساختمان، بخصوص در ساختمان های بلند مرتبه، بزرگ و پیچیده است. با مدل سازی جریان هوای ایجاد شده توسط فن های فشار جهت دار، که اغلب در گاراژ های پارکینگ استفاده می شوند، می توانیم محدوده نفوذ واقعی فن ها را مطالعه کرده و از عملکرد خروج دود برنامه ریزی شده اطمینان حاصل کنیم.
مدل سازی رفتار حریق و سامانه های کنترل دود با روش های مختلفی شامل تست حریق در ابعاد آزمایشگاهی، تست حریق در ابعاد واقعی، شبیه سازی عددی یا همان دینامیک سیالات محاسباتی، مدل سازی شبکه‌ای با دیدگاه دو منطقه‌ای و روش‌های تحلیلی انجام می‌شود. روش های تست و آزمایشگاهی معمولاً هزینه های بسیار زیادی را در پی خواهند داشت اما روش شبیه سازی عددی علاوه بر آن که دارای دقت بالایی است، هزینه های نسبتاً کمتری را نیز در پی دارد. روش های تحلیلی معمولاً به دلیل پیچیدگی بسیار زیاد، دارای فرضیات زیادی برای ساده سازی هستند که این موضوع سبب کاهش دقت این روش ها و بعضاً بروز خطا در نتایج می‌شود.
با شبیه سازی و تجزیه و تحلیل سناریو های آتش سوزی فرضی، سازه ها را می‌توان به صورت مقاوم در برابر آتش طراحی کرد. شبیه سازی آتش می‌تواند به طور قابل اعتمادی گرم شدن سازه ها را اندازه گیری کند و در نتیجه دوام اجزای ساختاری سازه ها را در برابر یک آتش واقعی مشخص کند. بررسی مقاومت بنا ها در برابر آتش به طراحان کمک می‌کند که از مصالح ساختمانی مناسب را برای ساخت و ساز استفاده کنند. وقتی موادی با مقاومت کافی در برابر آتش سوزی دقیقاً به مقدار و ترکیب مناسب مورد استفاده قرار گیرند علاوه بر اینکه در پول و مواد اولیه صرفه جویی می‌شود، به ایمنی لطمه‌ای وارد نشده و به بهترین شکل ممکن حفظ می‌شود.
شبیه سازی حریق و دود علاوه بر کاربرد های فراوانی که در زمینه ساخت و ساز و پروژه های عمرانی دارد، در صنایع پتروشیمی، نفت، نظامی، نیروگاهی و سایر صنایع حساس نیز کاربرد های زیادی دارد. در اماکن مسقفی که احتمال بروز حریق وجود دارد، مدل سازی حریق و دود به منظور طراحی سامانه های حفاظت از افراد و تهیه تجهیزات پیشگیری و اطفاء بسیار حائز اهمیت می‌باشد. همچنین در طراحی سامانه های کنترل دود در ساختمان ها و اماکن حساس و انجام طراحی با روش عملکرد محور، استفاده از روش های دینامیک سیالات محاسباتی امری اجتناب ناپذیر به نظر می‌رسد.
مطالب مرتبط:
- معرفی نرم افزار Pyrosim
- انواع حریق و خاموش کننده های آن
مطالب مرتبط:
- معرفی نرم افزار Pyrosim
- انواع حریق و خاموش کننده های آن
