Asetetut tavoitteet ja saavutetut tulokset
Tutkimushankkeen päätavoite oli entistä tarkemman lämpösäteilymalliin kehittäminen ja ohjelmointi FDS-ohjelmaan. Hanke toteutettiin Aalto-yliopiston Rakennustekniikan laitoksen väitöskirjaprojekteina.
Hankkeeseen liittyvät seuraavat henkilöt:
• Hankkeen johtajana ja väitöskirjojen valvojana toimii professori Simo Hostikka
• Väitöskirjojen ohjaajana toimii dosentti Hadi Bordbar.
• MSc Hosein Sadeghi, 2019-2020. Valmistui tekniikan lisensiaatiksi.
• Tohtorikoulutettava MSc Soroush Rashidzadeh, 2021-2025. Väittelee tekniikan tohtoriksi
2025 aikana.
Tavoite 1: Kehitetään, validoidaan ja implementoidaan FDS-ohjelmaan entistä tarkempi kaasufaasin
säteilymalli, joka on yhteensopiva Osassa 1 kehitettävän jähmeän faasin mallin kanssa.
Tavoitteen 1 toteuma: Kehitys ja implementointi suuntautui alussa WSGG-malleihin. Niiden verifiointi ja validointi on raportoitu konferenssiartikkelissa [C1] ja Fire Safety Journal -lehden artikkelissa [A1]. Työssä kehitettiin maailman ensimmäiset WSGG-mallit palaville kaasuille (heptaani, metaani, metanoli, MMA, propaani, proplyleeni, tolueeni, ja CO). Mallit validoitiin Line-by-Line -datan avulla. Lisäksi toteutettiin WSGG-mallin versio, joka ottaa huomioon kokonaispaineen vaihtelut. Malli julkaistiin Int. J. of Heat and Mass Transfer -lehdessä [A2]. Väitöskirjatutkijan vaihduttua menetelmäkehitys keskittyi RC-FSK-menetelmään, ja siihen yhdistettiin säteilyemission ennustamisen malli (Turbulence-Radiation-Interaction, TRI), joka esiteltiin IAFSS-symposiumissa [C5] ja julkaistiin Fire Safety Journal -lehdessä [A4].
Tavoite 2: FDS:n sisältämän RADCAL (Statistical narrow- band) –koodin virheiden korjaus ja tarkemman CO2 / H2O –spektrien sisällyttäminen.
Tavoitteen 2 toteuma: FDS:n RADCAL-moduliin on toteutettu uusi noen säteilymalli.
Tavoite 3: Kaasufaasin verifiointitapausten generointi ja lisääminen FDS-tietokantaan.
Tavoitteen 3 toteuma: LBL-laskennalla on toteutettu joukkoverifiointitapauksia, jotka on raportoitu konferenssiartikkelissa [C2] sekä lehtiartikkelissa [A6]. Kaksi uutta verifiointitestiä kehitettiin kaasukerroksen emissiivisyyden ja absorption testaamiseksi. Testeissä verrataan
FDS:n ennustamaa säteilylämpövirtaa erillisellä RADCAL-laskentaohjelmalla integroituihin arvoihin.
Herkkyystarkastelussa tutkitaan FDS:n säteilyparametrien (RADTMP) ja PATHLENGTH vaikutusta.
Olemme muodostaneet ja koordinoimme uutta kansainvälistä työryhmää, joka kehittää validointitestejä tulipalonmallien säteilylaskentaa varten. Ryhmää hallinnoidaan IAFSS:n MaCFP työryhmän alajaostona. Ryhmä on julkaissut työstään artikkelin [A5].
Tavoite 4: FSCK-mallin generointi RADCAL-datan avulla (tieteellinen päätulos).
Tavoitteen 4 toteuma: Kirjallisuudesta on koottu kaikkein ajantasaisimmat FSCK-malliversiot (taulukoidut ja neuroverkot). Toteutuksessa päädyttiin lopulta RC-FSK-malliin, jonka suorituskykyä on
tutkittu yksiulotteisten verifiointitapausten avulla. Tulokset julkaistiin tieteellisessä lehtiartikkelissa [A6] ja FDS-toteutus löytyy Soroush Rashidzadehin FDS-tietokannan versiosta https://github.com/soroush-95/fds. Kehitetyn säteilymallin laajamittainen demonstrointi ja
validointi julkaistaan 2025 aikana valmistuvassa käsikirjoituksessa [A6].
Tavoite 5: Kytkettyjen kaasu-neste-ongelmien validointi.
Tavoitteen 5 toteuma: Säteilymalliprojektin vaiheiden 1 ja 2 tulosten yhdistäminen on aloitettu tutkijoiden Farid Alinejad ja Soroush Rashidzadeh yhteisartikkelissa, josta on olemassa käsikirjoitus, mutta sen viimeistely ja julkaisu tapahtuu myöhemmin 2025 aikana.
Yhteenveto tuloksista
Tässä hankkeessa käsiteltiin säteilylämmönsiirron mallintamisen keskeisiä haasteita, keskittyen spektritarkkuuteen ja turbulenssin vaikutuksiin. Kohdennettujen tutkimusten avulla saavutettiin kaksi päätulosta:
- turbulenssi-säteilyvuorovaikutusmalli (TRI) kehittäminen ja
- RC-FSK -menetelmään perustuva ei-harmaa spektrimalli.
TRI-malli esitteli uuden menetelmän hilakoppia pienemmässä mittakaavassa tapahtuvien (sub-grid scale) lämpötilan vaihteluiden laskemiseksi FDS-ohjelmassa. Se paransi diffuusioliekkien
säteilytehon ennustamista lisäämättä laskentakustannuksia. Tämä on merkittävä edistysaskel
TRI-mallinnuksen integroinnissa käytännön palonsimulointityökaluihin.
FDS-ohjelmaa varten kehitetty ja räätälöity RC-FSK-malli tarjoaa kompaktin ja tehokkaan ratkaisun ei-harmaakaasusäteilyn mallintamiseen. Kevyestä toteutuksestaan huolimatta se säilytti korkean tarkkuuden verrattuna referenssilaskentaan myös monimutkaisissa ja epähomogeenisissa kaasuseoksissa.
Yhdessä nämä mallit tuottavat luotettavampia palosimulaatioita vähentämällä turbulenssiin ja
spektrikäyttäytymiseen liittyviä epävarmuuksia. Tämän työn tulokset tarjoavat vankan perustan tuleville lämpösäteilymallinnuksen edistysaskeleille paloturvallisuussovelluksissa.
Julkaisut
Tieteelliset lehtiartikkelit
[A1] Hosein Sadeghi, Simo Hostikka, Guilherme Fraga, Hadi Bordbar, (2021), Weighted-sum-of-gray-gases models for non-gray thermal radiation of hydrocarbon fuel vapors, CH4, CO and soot, Fire Safety Journal, Vol. 125, pp. 103420, https://doi.org/10.1016/j.firesaf.2021.103420
[A2] Bordbar H.*, Coelho F., Fraga G.C., França F.H.R., Hostikka S., (2021), Pressure-dependent weighted-sum-of-gray-gases models for heterogeneous CO2-H2O mixtures at sub- and super-atmospheric pressure, Int. J. of Heat and Mass Transfer, Vol. 173, pp. 121207, https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2021.121207.
[A3] Rashidzadeh, S., Fraga, G.C., Bordbar, H., Hostikka, S. On the compromise between accuracy and computational cost of non-gray global models for heat radiation in gas mixtures. J. Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer, 327 (2024) 109130. https://doi.org/10.1016/j.jqsrt.2024.109130
[A4] Rashidzadeh, S., Hostikka, S., McDermott, R. A two-zone subgrid flame model for predicting radiant emission from fires. Fire Safety J 140 (2023) 103865. https://doi.org/10.1016/j.firesaf.2023.103865.
[A5] Paul, C., Roy, S., Sailer, J., Brännström, F., Ahmed, M., Trouve, A., Bordbar, H., Hostikka, S., McDermott, R. Detailed radiation modeling of two flames relevant to fire simulation using Photon Monte Carlo – Line by Line radiation model. J 4 / 4 Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer 329 (2024) 109177. https://doi.org/10.1016/j.jqsrt.2024.109177
[A6] Rashidzadeh, S., Hostikka, S. High fidelity radiation modelling in Methanol pool
fires, In preparation, 2025
Konferenssiesitelmät ja -artikkelit
[C1] Hosein Sadeghi, Hadi Bordbar, Simo Hostikka, An assessment of WSGG model for calculation of radiative heat flux in FDS, 2020, 18th Brazilian Congress of Thermal Sciences and Engineering, https://sistema.abcm.org.br/articleFiles/download/28841
[C2] Hosein Sadeghi, Hadi Bordbar, Simo Hostikka, Generating emissivity charts for fuel gases from high resolution spectral absorption data, 2020, 18th Brazilian Congress of Thermal Sciences and Engineering, https://abcm.org.br/proceedings/view/CIT20/0211
[C3] Rashidzadeh, S., Bordbar, H., Hostikka, S. and Fraga, G.C., 2023, May. PERFORMANCE ANALYSIS OF NON-GRAY RADIATION MODELS SLW AND WSGG AT THE LIMIT OF SMALLEST COMPUTATIONAL COST. In ASTFE Digital Library. Begel House Inc.
[C4] Rashidzadeh, S., Fraga, G.C., Bordbar, H. and Hostikka, S., 2023. On the compromise between accuracy and computational cost for different global spectral models. In Proceedings of the 10th International Symposium on Radiative Transfer, RAD-23 Thessaloniki, Greece, 12–16 June 2023. Begel House Inc.
[C5] Rashidzadeh, S., Hostikka, S., McDermott, R. A two-zone subgrid flame model for predicting radiant emission from fires. 14th symposium of the International Association of Fire Safety Science (IAFSS), Tsukuba, Japan. 22-27. October, 2023.
Konferenssiposterit
[P1] Rashidzadeh, S., Rinta-Paavola, A., Alinejad, A., Hostikka, S., Flame spread Simulation on black PMMA using alternative pyrolysis approach model parameter sets, IAFSS, Japan, Tokyo, 2023
[P2] Rashidzadeh, S., Hostikka, S., High fidelity thermal radiation calculation of methanol pool fire with gray and non-gray spectral models in FDS, EAFSS, Barcelona, Spain, 2024
[P3] Rashidzadeh, S., Alinejad A., Hostikka, S., A Unified Framework for Thermal Radiation Modeling: Fully Coupled RTE Solver Incorporating Gas and Condensed Phase Spectral Models, Interflam, London, UK., 2025