Рекомендации по сокращению времени моделирования динамики развития пожара

Время чтения


Существует большое количество факторов, которые в большей или меньшей степени влияют на время моделирования динамики развития пожара. Среди них можно выделить следующие основные группы факторов:

  1. Объем моделирования (размеры и характеристики области расчета, время развития пожара, которое необходимо смоделировать)

  2. Физические явления, учитываемые при моделировании (работа системы вентиляции, учет утечек через дверные и оконные проемы, наличие ветра и другие)

  3. Задействование средств для многопоточного моделирования.

Объем моделирования

Под объемом моделирования подразумевается как физический объем внутри которого необходимо провести моделирование динамики развития пожара (точнее, количество ячеек, на которые разбивается моделируемый объем) так и время развития пожара, которое необходимо смоделировать.

В обоих случаях зависимость примерно прямопропорциональная. То есть, при увеличении количества ячеек или времени развития пожара в два раза, время моделирования также увеличивается примерно в два раза.

Из зависимости времени моделирования от количества ячеек и времени развития пожара прямо следуют способы оптимизации: нужно уменьшить количество ячеек и время развития пожара. Разумеется, в стремлении сократить время моделирования нужно соблюсти баланс, чтобы получить достоверные результаты моделирования, пригодные для последующего использования.

Количество ячеек в области расчета определяется как отношение объема области расчета к объему одной ячейки. Поэтому, чтобы уменьшить общее количество ячеек, следует уменьшать размеры области расчета и увеличивать размер ячейки области расчета. Если в сценарии несколько областей расчета, то общее количество ячеек равно сумме ячеек в каждой из областей расчета.

Рекомендации по размещению областей расчета на сцене

  • Размещайте область расчета только в тех местах здания, где возможно распространение ОФП.

  • Размещайте область расчета таким образом, чтобы она охватывала минимум пустого пространства за пределами здания.

Примеры размещения областей расчета для различных форм зданий

  • Избегайте дублирования и наложения областей расчета друг на друга.

  • Если размер вентиляции или очага пожара (или размер объекта, на котором они расположены) меньше размера ячейки области расчета, разместите дополнительную область расчета с меньшим размером ячейки, охватывающую только вентиляцию или очаг пожара.

Если размер вентиляции или очага пожара (или размер объекта, на котором они расположены) меньше размера ячейки области расчета, то моделирование может быть невозможным, либо результаты моделирования могут оказаться недостоверными (вентиляция или очаг могут не учитываться при моделировании).

  • Не создавайте несколько областей расчета маленького размера. Лучше создать одну область расчета большого размера.

Пример использования области расчета большого размера

Эта рекомендация несколько противоречит утверждению, что чем меньше размер области расчета, тем меньше время моделирования. Но, следует учитывать, что при увеличении количества областей расчета время, необходимое для согласования результатов между ними, начинает превалировать над временем обработки каждой области расчета.

Рекомендации по выбору размера ячейки области расчета

Чтобы выбрать, какой размер ячейки области расчета следует использовать для моделирования динамики развития пожара, можно воспользоваться следующей формулой:

Отношение характеристического диаметра очага пожара к размеру ячейки

где:

$D^{*}$ — характеристический диаметр очага пожара;

$Q^{*}$ — мощность очага пожара;

$p_{∞}$ — плотность воздуха;

$C_{p}$ — теплоемкость воздуха;

T — температура воздуха (ед. изм.: K);

g — ускорение свободного падения.

Отношение характеристического диаметра очага пожара к размеру ячейки не имеет определенного значения. Разработчиками FDS при проведении валидации использовались значения от нескольких единиц до ста (см. раздел Mesh Resolution руководства пользователя FDS). Наиболее часто используемые значения находятся в интервале от 4 до 16. Иными словами, справедливо следующее выражение:

где а — размер ячейки.

Например, при мощности пожара в 1500 кВт (возгорание автомобиля на площади 2 м²) при размере ячейки 0,25 м отношение характеристического диаметра к размеру ячейки равен 4.5 - это значение находится внутри интервала наиболее часто используемых значений при валидации FDS.

Рекомендации по выбору времени развития пожара, которое необходимо моделировать

Не следует выполнять моделирование динамики развития пожара дольше, чем необходимо.

Чтобы достоверно определить величину пожарного риска в проектах по расчету пожарного риска время развития пожара, которое необходимо смоделировать, необходимо задавать с учетом коэффициента безопасности (то есть, время развития пожара должно превышать время моделирования эвакуации в 1.25 раза). Не указывайте слишком большое значение, поскольку это не повлияет на достоверность результатов расчета пожарного риска, а ждать завершения моделирования придется дольше.

В проектах по расчету противопожарных расстояний рассматриваются наиболее опасные сценарии когда с самого начала моделирования вся поверхность пожарной нагрузки охвачена пламенем. Однако, требуется некоторое время на то, чтобы установилась стационарная ситуация. Как правило, для этого требуется 2-3 минуты.

Физические явления, учитываемые при моделировании

Учет дополнительных физических явлений (работа системы вентиляции, учет утечек через дверные и оконные проемы, наличие ветра и другие) при моделировании динамики развития пожара приводит к увеличению времени моделирования.

Чем “мощнее” учитываемый фактор, тем сильнее влияние на итоговое время моделирование. Например, высоко производительная дымоудаляющая система сильнее замедлит моделирование, чем низко производительная.

Задействование средств для многопоточного моделирования

Программа может выполнять моделирование динамики развития пожара в многопоточном режиме. В этом режиме вся вычислительная нагрузка распределяется между несколькими процессами (потоками), которые выполняются параллельно. При этом каждая область расчета (если быть более точным, группа MESH во входном файле FDS) обрабатывается в отдельном потоке.

Как правило, общее время моделирования при использовании нескольких потоков должно быть меньше чем в случае, если для вычислений используется только один поток.

Но, необходимо учитывать, чем больше количество потоков, тем больше требуется времени на согласование результатов работы между ними. При достаточно большом количестве потоков определяющим фактором станет не время обработки областей расчета потоками, а согласование результатов между ними. При очень большом количестве потоков может даже получиться, что моделирование будет проводится даже дольше, чем на меньшем количестве потоков.

По умолчанию, для моделирования динамики развития пожара программа использует один поток.

Не рекомендуется задавать количество потоков для моделирования, превышающее количество логических ядер процессора.

Количество потоков, которое даст минимальное время моделирования, зависит от размера областей расчета, размера ячеек областей расчета, их взаимного расположения, количество ядер процессора. Поэтому, в общем виде невозможно сформулировать правила для выбора оптимального количества потоков для моделирование.

Как оценивается объем оперативной памяти, который потребуется для моделирования динамики развития пожара

Объем памяти (ед. изм.: ГБ), необходимый для моделирования динамики развития пожара в одной области, можно оценить с помощью формулы:

где:

width, length и height — размеры области расчета;

а — размер ячейки области расчета.

Если в сценарии несколько областей расчета, то для оценки общего количества оперативной памяти, которое потребуется для выполнения моделирования, нужно найти сумму требуемой памяти для каждой области расчета.

Общее количество требуемой оперативной памяти, определяемое по вышеприведенной формуле, носит оценочный характер. Реальное потребление памяти может быть как больше, так и меньше. Как правило, на практике реальное потребление памяти оказывается меньше оценочного значения.