A model for fire spread at cables

Kabel sind Brandlasten und Zündquellen zugleich und stellen eines der häufigsten Brandrisiken dar. Ziel dieser Arbeit war es, ein numerisches Brandausbreitungsmodell für Kabel bereitzustellen, das in Verbindung mit einem vorhandenen Brandsimulationsmodell in der Lage ist, die Brandausbreitung bei Kabelbränden möglichst genau zu berechnen. Die thermophysikalischen Eingangsdaten für das Modell wurden für diese Arbeit durch Auswertung eigener Versuche im Labormaßstab gewonnen. Das eigene Brandausbreitungsmodell für Kabel, das CFS-Modell (Cable Flame Spread Model), baut auf dem thermoplastischen Pyrolysemodell des Brandsimulationscodes FDS (Fire Dynamics Simulator Version 4) auf. Die Ansätze in FDS wurden für diese Arbeit in drei Bereichen erweitert: 1. Der einfache Ansatz der Berechnung einer eindimensionalen Wärmeleitung für die Oberflächen eines rechteckiges Objekt wurde im CFS-Modell in ein einfaches Kabelmodell überführt. Die thermische Kopplung der inneren Seiten der Mantelisolierung erfolgt über ein finites Volumenmodell einer Ader, das neben transversalen Effekten auch axiale Wärmetransporte einbezieht. 2. Die Pyrolyse von Kabelmaterialien lässt sich nicht durch eine einfache Zersetzung beschreiben. Daher wurde ein zweistufiges, endliches Zersetzungsmodell auf Grundlage des Arrhenius-Gesetzes entwickelt. Es können u. a. phasenbezogene Zersetzungstemperaturen und –raten vorgegeben und Vergasungs- und Verbrennungswärmen sowie maximale Abbrandraten berücksichtigt werden. 3. Da in den meisten Anwendungsfällen Kabel mit mehreren Adern vorliegen, wurden Näherungsansätze zur Übertragung des CFS-Modells auf komplexe Kabel entwickelt. Das CFS-Modell wurde einer ersten Validierung unterzogen. Hierzu lagen Kabelbrandversuche mit verschiedenen Kabeln in vertikaler Anordnung vor. Es zeigt sich, dass mit dem neuen CFS-Modell in der Umgebung von FDS das Abbrandverhalten von Kabeln realistischer beschrieben wird.Cables are fire loads and ignition sources at the same time and represent one of the most frequent fire hazards. Therefore it was a goal of this work to develop a numerical model for fire spread at cables to be used together with an existing Computational Fluid Dynamics fire simulation model. The model should be able to compute the flame spread at cable fires with sufficient accuracy. Own laboratory scale tests and procedure from the literature were used to derive thermo physical data, which are needed as input data for the model. The new model for fire spread at cables, the CFS (Cable Flame Spread) model, is based on the thermoplastic pyrolysis model of the CFD code FDS4 (Fire Dynamics Simulator version 4). The FDS4 code was extended within three areas: 1. Whilst FDS calculates the one-dimensional heat conduction for a rectangular object independently for each side, this approach was enhanced in the CFS model into a simplified cable model. The thermal coupling between the internal side of the insulation and the metal core is described by a finite volume model, which includes not only transversal effects but also axial heat transport along the core. 2. Instead of the simple one step decomposition approach for the pyrolysis of cable insulating materials, a two-step finite decomposition model was developed on the basis of the Arrhenius law. As an input parameters like decomposition temperatures and rates and heat of gasification, heat of combustion and maximum burning can used. 3. Since in most applications cables with several cores are present, approximate solutions were developed for the application of the CFS model to complex cables. As a first validation of the CFS model, cable fire experiments with different cable materials in vertical arrangement were recalculated. It is shown that the new CFS model describes the combustion behavior of cables more realistically