Heat transfer model for coupled processes in fire simulations

Die Anwendung von numerischen Brandsimulationen zum Nachweis und zur Bewertung der Ausbreitung von Feuer und Rauch ist bereits gegenwärtig ein wesentlicher Bestandteil bei der Erstellung von Brandschutz-/Sicherheitskonzepten, insbesondere im Bereich des schutzzielorientierten Vorgehens. Vor diesem Hintergrund wurde in den vergangenen Jahren der vfdb-Leitfaden Ingenieurmethoden des Brandschutzes erarbeitet, der die vorhandenen Möglichkeiten, Vorgehensweisen und Modelle darstellt und einordnet sowie geeignete Hilfestellung für deren Anwendung gibt. Diese Programme bzw. Modelle müssen einerseits zuverlässige Ergebnisse liefern und andererseits effizient sein. Es ist demnach unbedingt erforderlich, auch zukünftig die vorhandenen Möglichkeiten in numerischen Brandsimulationen stetig zu verbessern und zu erweitern, um die wachsenden Ansprüche möglichst hinreichend zu saturieren. Insbesondere auf dem Gebiet des Wärmetransports, sowohl zwischen der Gasphase und der festen Phase als auch innerhalb der festen Phase selbst, besteht in numerischen Brandsimulationen erheblicher Verbesserungsbedarf. Bislang lag der Schwerpunkt von Weiterentwicklungen hauptsächlich auf der Beschreibung der Gasphase sowie der Modellierung von Pyrolyse-/Verbrennungsvorgängen. Die physikalischen Prozesse des konvektiven Wärmeübergangs, insbesondere bei speziellen Konfigurationen wie Rohren/Kanälen sowie der mehrdimensionalen Wärmeleitung in Feststoffen wurden dagegen bis dato nicht ausreichend berücksichtigt. In der vorliegenden Arbeit wurde daher ein Wärmetransportmodell für gekoppelte Prozesse in Brandsimulationen entwickelt, welches in der Lage ist, den Prozess des konvektiven Wärmeübergangs zwischen Gasphase und fester Phase für horizontale und vertikale ebene Oberflächen sowie speziell für Rohr-/Kanalströmungen und den Prozess der Wärmeleitung in mehrdimensionalen Aufgabenstellungen physikalisch korrekt abzubilden und entsprechende Ergebnisse auf dem Wege einer numerischen Simulation wiederzugeben.The application of numerical fire simulations to validate and to evaluate the propagation of fire and smoke is already a fundamental part of the preparation of fire protection or safety concepts, especially in the field of performance-based designs. Against this background, the GFPA-guideline Ingenieurmethoden des Brandschutzes, has been developed in the recent years, which describes and classifies the available possibilities, approaches and models as well as provides suitable support for their application. Those programs and models respectively have to provide reliable results on the one hand and have to be efficient on the other hand. Thus, it is mandatory to continuously improve and extend the available possibilities of numerical fire simulations also in the future to satisfy the rising requirements as sufficiently as possible. There is extensive need for improvement in numerical fire simulations especially in the field of heat transfer, both between the gas phase and the solid phase and within the solid phase itself. So far, the focus of further developments has mainly been on the modelling of the gas phase as well as pyrolysis and burning processes. In contrast to this, the physical processes of both convective heat transfer, in particular in the context of special configurations such as pipes or ducts (e. g. air ventilation ducts), and multidimensional heat conduction in solids have not been sufficiently accounted for so far. Hence, a heat transfer model for coupled processes in fire simulations was developed in the present thesis, which is able to represent the process of convective heat transfer between the gas phase and the solid phase for both horizontal and vertical plane surfaces and in particular pipe and duct flows on the one hand and the process of heat conduction within multidimensional problems on the other hand physically correct. In addition to this the model is able to reproduce corresponding results using numerical simulation