ISO/TR 16730-3:2013
(Main)Fire safety engineering — Assessment, verification and validation of calculation methods — Part 3: Example of a CFD model
Fire safety engineering — Assessment, verification and validation of calculation methods — Part 3: Example of a CFD model
ISO 16730‑1 describes what the contents of a technical documentation and of a user's manual should be for an assessment, if the application of a calculation method as engineering tool to predict real-world scenarios leads to validated results. The purpose of ISO/TR 16730-3:2013 is to show how ISO 16730‑1 is applied to a calculation method, for a specific example. It demonstrates how technical and users' aspects of the method are properly described in order to enable the assessment of the method in view of verification and validation. The example in ISO/TR 16730-3:2013 describes the application of procedures given in ISO 16730‑1 for a computational fluid dynamics (CFD) model (ISIS). The main objective of the specific model treated in ISO/TR 16730-3:2013 is the simulation of a fire in an open environment or confined compartments with natural or forced ventilation system.
Ingénierie de la sécurité incendie — Évaluation, vérification et validation des méthodes de calcul — Partie 3: Exemple d'un modèle CFD
L'ISO 16730‑1 décrit les contenus recommandés pour une documentation technique et un manuel de l'utilisateur à des fins d'évaluation, si l'application d'une méthode de calcul en tant qu'outil d'ingénierie pour prédire des scénarios du « monde réel » devait conduire à des résultats validés. L'objectif de l'ISO/TR 16730-3:2013 est de montrer la manière dont l'ISO 16730‑1 est appliquée à une méthode de calcul, pour un exemple spécifique. L'ISO/TR 16730-3:2013 indique la manière dont les aspects techniques et l'utilisation de la méthode sont décrits de manière appropriée pour permettre l'évaluation de la méthode en vue d'une vérification et d'une validation. L'exemple de l'ISO/TR 16730-3:2013 décrit l'application des procédures spécifiées dans l'ISO 16730‑1 à un modèle (ISIS) de dynamique numérique des fluides (CFD). Le principal objectif du modèle spécifique traité dans l'ISO/TR 16730-3:2013 est la simulation d'un incendie dans un environnement ouvert ou dans des compartiments confinés avec un système de ventilation naturelle ou forcée.
General Information
Buy Standard
Standards Content (Sample)
TECHNICAL ISO/TR
REPORT 16730-3
First edition
2013-12-15
Fire safety engineering — Assessment,
verification and validation of
calculation methods —
Part 3:
Example of a CFD model
Ingénierie de la sécurité incendie — Évaluation, vérification et
validation des méthodes de calcul —
Partie 3: Exemple d’un modèle CFD
Reference number
ISO/TR 16730-3:2013(E)
©
ISO 2013
---------------------- Page: 1 ----------------------
ISO/TR 16730-3:2013(E)
COPYRIGHT PROTECTED DOCUMENT
© ISO 2013
All rights reserved. Unless otherwise specified, no part of this publication may be reproduced or utilized otherwise in any form
or by any means, electronic or mechanical, including photocopying, or posting on the internet or an intranet, without prior
written permission. Permission can be requested from either ISO at the address below or ISO’s member body in the country of
the requester.
ISO copyright office
Case postale 56 • CH-1211 Geneva 20
Tel. + 41 22 749 01 11
Fax + 41 22 749 09 47
E-mail copyright@iso.org
Web www.iso.org
Published in Switzerland
ii © ISO 2013 – All rights reserved
---------------------- Page: 2 ----------------------
ISO/TR 16730-3:2013(E)
Contents Page
Foreword .iv
1 Scope . 1
2 Normative references . 1
3 General information on the CFD model considered . 1
4 Methodology used in this part of ISO 16730 . 2
Annex A (informative) Description of the calculation method . 3
Annex B (informative) Complete description of the assessment (verification and validation) of the
calculation method . 7
Annex C (informative) Worked example .10
Annex D (informative) User’s manual .17
Bibliography .28
© ISO 2013 – All rights reserved iii
---------------------- Page: 3 ----------------------
ISO/TR 16730-3:2013(E)
Foreword
ISO (the International Organization for Standardization) is a worldwide federation of national standards
bodies (ISO member bodies). The work of preparing International Standards is normally carried out
through ISO technical committees. Each member body interested in a subject for which a technical
committee has been established has the right to be represented on that committee. International
organizations, governmental and non-governmental, in liaison with ISO, also take part in the work.
ISO collaborates closely with the International Electrotechnical Commission (IEC) on all matters of
electrotechnical standardization.
The procedures used to develop this document and those intended for its further maintenance are
described in the ISO/IEC Directives, Part 1. In particular the different approval criteria needed for the
different types of ISO documents should be noted. This document was drafted in accordance with the
editorial rules of the ISO/IEC Directives, Part 2 (see www.iso.org/directives).
Attention is drawn to the possibility that some of the elements of this document may be the subject of
patent rights. ISO shall not be held responsible for identifying any or all such patent rights. Details of
any patent rights identified during the development of the document will be in the Introduction and/or
on the ISO list of patent declarations received (see www.iso.org/patents).
Any trade name used in this document is information given for the convenience of users and does not
constitute an endorsement.
For an explanation on the meaning of ISO specific terms and expressions related to conformity
assessment, as well as information about ISO’s adherence to the WTO principles in the Technical Barriers
to Trade (TBT) see the following URL: Foreword - Supplementary information
The committee responsible for this document is ISO/TC 92, Fire safety, Subcommittee SC 4, Fire safety
engineering.
ISO 16730 consists of the following parts, under the general title Fire Safety Engineering — Assessment,
verification and validation of calculation methods:
— Part 3: Example of a CFD model
— Part 5: Example of an Egress model (Technical report)
The following parts are under preparation:
— Part 2: Example of a fire zone model (Technical report)
— Part 4: Example of a structural model (Technical report)
iv © ISO 2013 – All rights reserved
---------------------- Page: 4 ----------------------
ISO/TR 16730-3:2013(E)
Disclaimer
Certain commercial entities, equipment, products, or materials are identified in this part of ISO 16730 in
order to describe a procedure or concept adequately or to trace the history of the procedures and practices
used. Such identification is not intended to imply recommendation, endorsement, or implication that the
entities, products, materials, or equipment are necessarily the best available for the purpose. Nor does
such identification imply a finding of fault or negligence by the International Standards Organization.
For the particular case of the example application of ISO 16730-1 described in this part of ISO 16730,
ISO takes no responsibility for the correctness of the code used or the validity of the verification or
the validation statements for this example. By publishing the example, ISO does not endorse the use
of the software or the model assumptions described therein, and state that there are other calculation
methods available.
© ISO 2013 – All rights reserved v
---------------------- Page: 5 ----------------------
TECHNICAL REPORT ISO/TR 16730-3:2013(E)
Fire safety engineering — Assessment, verification and
validation of calculation methods —
Part 3:
Example of a CFD model
1 Scope
ISO 16730-1 describes what the contents of a technical documentation and of a user’s manual should be
for an assessment, if the application of a calculation method as engineering tool to predict real-world
scenarios leads to validated results. The purpose of this part of ISO 16730 is to show how ISO 16730-1
is applied to a calculation method, for a specific example. It demonstrates how technical and users’
aspects of the method are properly described in order to enable the assessment of the method in view
of verification and validation.
The example in this part of ISO 16730 describes the application of procedures given in ISO 16730-1 for a
computational fluid dynamics (CFD) model (ISIS).
The main objective of the specific model treated in this part of ISO 16730 is the simulation of a fire in an
open environment or confined compartments with natural or forced ventilation system.
2 Normative references
The following documents, in whole or in part, are normatively referenced in this document and are
indispensable for its application. For dated references, only the edition cited applies. For undated
references, the latest edition of the referenced document (including any amendments) applies.
ISO 16730-1, Fire safety engineering — Assessment, verification and validation of calculation methods —
Part 1: General
3 General information on the CFD model considered
The name given to the CFD model considered in this part of ISO 16730 is “ISIS”. The computer code ISIS,
developed by The French Institute for Radiological Protection and Nuclear Safety (IRSN) and defined
as a computational fluid dynamic model (also called CFD or field model), is based on a coherent set of
models that can be used to simulate a fire in large and mechanically ventilated compartments. This
kind of configuration involving complex flows requires an accurate physical modelling and efficient
numerical methods. Usually, the spatial and time scales encountered in fires are very disparate and the
coupling between phenomena is very strong.
The verification and validation phases of the code are two distinct processes which are constantly
updated based on the last code developments. The verification phase employs a wide range of techniques
such as the comparison to an analytical solution for model problems, the use of manufactured solution,
and the comparison to benchmark result. The validation process is based on the so-called building-block
approach including first-unit problems, sub-system cases, and then large-scale realistic fire experiments.
This process allows dividing a complex engineering system into several simpler cases. Consequently, the
[1]
validation guide of this code includes laminar, turbulent, and fire cases and contains a total of 18 test
cases.
© ISO 2013 – All rights reserved 1
---------------------- Page: 6 ----------------------
ISO/TR 16730-3:2013(E)
4 Methodology used in this part of ISO 16730
For the calculation method considered, checks based on ISO 16730-1 and as outlined in this part of
ISO 16730 are applied. This part of ISO 16730 lists in Annexes A and B the important issues to be checked
in a left-hand column of a two-column table. The issues addressed are then described in detail and it
is shown how these were dealt with during the development of the calculation method in the right-
hand column of Annexes A and B, where Annex A covers the description of the calculation method and
Annex B covers the complete description of the assessment (verification and validation) of the particular
calculation method. Annex C describes a worked example, and Annex D adds a user’s manual.
2 © ISO 2013 – All rights reserved
---------------------- Page: 7 ----------------------
ISO/TR 16730-3:2013(E)
Annex A
(informative)
Description of the calculation method
A.1 Purpose
Definition of problem solved or function performed — The main objective of this calculation method is to
simulate a fire in an open environment or confined com-
partments with natural or forced ventilation system.
— The basic modelling relies on a low Mach number for-
mulation of the Navier-Stokes equations combined with a
turbulent combustion model adapted for variable density
flow.
(Qualitative) description of results of the calcula- — Output includes
tion method
— gas temperature in the fire room and neighbouring
rooms,
— pressure variation during the fire,
— inlet and outlet mass flow rates in the admission and
extraction branches of the compartment,
— heat flux received by a wall,
— oxygen depletion in the compartment, and
— combustion products in the compartment and target
rooms.
Justification statements and feasibility studies The effect of the fire growth process on the ventila-
tion network is a major concern for Fire Safety Analysis.
Consequently, the model has been developed to allow the
coupling between a ventilation network and a fire in a
mechanically ventilated compartment. Pressure variations
in the fire compartment are also connected on the ventila-
tion network and can cause reverse flows in the inlet or
exhaust branches. This critical scenario is also of major
interest for Fire Safety Analysis.
© ISO 2013 – All rights reserved 3
---------------------- Page: 8 ----------------------
ISO/TR 16730-3:2013(E)
A.2 Theory
Underlying conceptual model (governing phenom- Physical modelling in this calculation method is based on
ena) classical local conservations laws for physical quantities
such as mass, momentum (in a low-speed flow formula-
tion), energy, and species concentrations. Governing for-
mulae in the case of a fire simulation describe a turbulent
reactive flow with radiative transfers.
Theoretical basis of the phenomena and physical This field model is a Reynolds-Averaged Navier-Stokes
laws on which the calculation method is based (RANS) model with a two-formula closure for turbulent
flow.
The scalars fluxes are modelled by the gradient diffu-
sion assumption and buoyancy effects are considered in
turbulence production terms. The combustion model is
based on the conserved scalar approach and assumes a
fast chemistry. It relies on a modified eddy break up model
for non-premixed combustion.
A.3 Implementation of theory
Governing formulae The set of governing formulae are described in detail in
References [2] and [5].
To simulate a fire in a confined compartment, the follow-
ing governing formulae are solved:
— RANS equations;
— two-formula turbulence closure (k-ε);
— mixture fraction (combustion process);
— fuel mass fraction;
— enthalpy;
— radiation transfers;
— Bernoulli equations for inlet and exhaust branches.
The density of the reactive mixture is defined using the
ideal gas law (equation of state of perfect gas) and the
mean molecular weight of individual species of the mix-
ture.
4 © ISO 2013 – All rights reserved
---------------------- Page: 9 ----------------------
ISO/TR 16730-3:2013(E)
Mathematical techniques, procedures, and compu- The balance formulae for scalars (species, enthalpy, etc.)
tational algorithms employed, with references to are discretized in time and in space using a finite volume
them method to obtain schemes that achieve a good compromise
between the calculation time and accuracy and ensure that
unknowns stay within their physical boundaries; second-
order up winding techniques are used to accurately take
into account fast spatial variations in unknowns, without
stability loss. The Navier-Stokes equations are discretized
in space using a finite element technique that satisfies the
compatibility properties between velocity and pressure
necessary for stability. Unlike finite volume schemes with
staggered meshes, this technique also makes it easy to use
meshes that are locally unstructured due to the geometry
involved or refinement. To ensure coherence with the
finite volume discretization, the approximation selected
[10]
is low-order and conforming. The temporal discretiza-
tion is performed with a fractional step scheme such that
in Reference [11]. This semi-implicit scheme allows large
time-step while each formula is solved in sequence.
The model is based on the scientific computing develop-
ment platform PELICANS, which is available as open-
source software (https://gforge.irsn.fr/gf/project/peli-
cans). PELICANS offers a library of software components,
consisting of “building blocks” for implementing numeri-
cal methods. The model is entirely parallelized via this
platform, for both the assembly and solution of discrete
systems.
Identification of each assumption embedded in the — structured mesh;
logic; limitations on the input parameters that are
— hydrodynamic model: low Mach number assumption;
caused by the range of applicability of the calcula-
tion method — molecular diffusion: each species of the mixture have
the same mass diffusion coefficient;
— heat capacity: only constant heat capacity is used;
— turbulence model: RANS formulation, Boussinesq
approximation for the eddy viscosity, simple gradient dif-
fusion hypothesis, constant turbulent Prandtl, or Schmidt
number;
— combustion model: non-premixed combustion, unity
Lewis approximation;
— heat transfer model: 1D heat conduction in walls;
— radiation model: gray media assumption, no diffusion in
the Radiative Transfer Equation.
Discussion of precision of the results obtained by In general, the results given by the model for the simu-
important algorithms, and, in the case of computer lation of a fire in a confined compartment are in good
models, any dependence on particular computer agreement with the measurements. An error of the order
capabilities of 10 % to 20 % is observed for temperature, species mass
fraction, wall heat flux, pressure, and ventilation flow rate
variations.
Description of results of the sensitivity analyses Work described in Reference [12].
© ISO 2013 – All rights reserved 5
---------------------- Page: 10 ----------------------
ISO/TR 16730-3:2013(E)
A.4 Input
Required input — geometry;
— mesh;
— time-step;
— thermophysical properties (for fuel, walls, insulation);
— initial conditions;
— boundary conditions;
— resistance of the inlet and exhaust branches.
Source of the data required — Data for geometry, time, and space discretization are
user’s input.
— Material properties should be taken from test or litera-
ture.
For computer models: any auxiliary programs or LINUX distribution with
external data files required
— gcc 4 (or newer version),
— GNU make 3.77 (or newer version),
— PERL 5.6 (or newer version), and
— Java 1.5.0 (or newer version).
Postprocessing tools are
— Meshtv,
— OpenDX,
— GMV,
— PARAVIEW, or
— FIELDVIEW.
Mesh generation with ISIS or
— Emc2,
— Mefisto,
— Gambit, or
— GMSH.
Provide information on the source, contents, and Data libraries concerning fuel properties or walls or insu-
use of data libraries for computer models lation materials can be found in SFPE Handbook of Fire
Protection Engineering.
6 © ISO 2013 – All rights reserved
---------------------- Page: 11 ----------------------
ISO/TR 16730-3:2013(E)
Annex B
(informative)
Complete description of the assessment (verification and
validation) of the calculation method
(Quantitative) results of any efforts to The verification process of the code is presented in Reference [5]. About 20 cases
evaluate the predictive capabilities of are performed and include comparisons to analytical solutions, manufactured
the calculation method in accordance solutions, and benchmark cases. Some of these examples can be found in Refer-
with Clause 5 of ISO 16730-1 ences [4], [5], [10], and [11].
The validation process used for the assessment of the fire model is described in
Reference [1]and an example is given in References [5] and [6].
[1]
The validation guide contains 18 test cases:
— laminar cases (5)
— 3D backward-facing step
— laminar diffusion flame of methane
— 2D laminar jet
— radiation heat transfers in a 3D idealized furnace
— convection and radiation in a 3D differentially heated cavity
— turbulent cases (10)
— turbulent flow with a square obstacle
— natural convection in an enclosed cavity
— thermal plumes
— 2D buoyant diffusion flame
— turbulent jet flame I: no coupling between the flow and the soot
— turbulent jet flame II: coupling between the flow and the soot
— 2D cartesian turbulent jet
— radiative transfers in a turbulent piloted jet flame
— radiative transfers in a turbulent sooty flame
— pyrolysis of polymethylmethacrylate (PMMA) in a cone calorimeter
— fire cases (3)
— LIC1.14 test
— PRISME Source test PRS-SI-D1
— PRISME Source tests PRS-SI-D3
An example of a quantitative comparison is given for a confined fire test per-
formed at the IRSN Fire Test Laboratory. Pressure, admission flow rate, and mean
gas temperature calculated by the model are plotted versus time and compared to
experimental measurements.
© ISO 2013 – All rights reserved 7
---------------------- Page: 12 ----------------------
ISO/TR 16730-3:2013(E)
8 © ISO 2013 – All rights reserved
---------------------- Page: 13 ----------------------
ISO/TR 16730-3:2013(E)
References to reviews, analytical Verification: References [4], [5], [10], and [11]
tests, comparison tests, experimental
Validations: References [1],[4],[5],[6],[7],[8], and[9]
validation, and code checking already
performed [If, in case of computer
models, the validation of the calcula-
tion method is based on beta testing,
the documentation should include a
profile of those involved in the testing
(e.g. were they involved to any degree
in the development of the calculation
method or were they naive users; were
they given any extra instruction that
would not be available to the intended
users of the final product, etc.)]
The extent to which the calculation The V&V process for this particular model meets the requirements of ISO 16730-1.
method meets this part of ISO 16730
© ISO 2013 – All rights reserved 9
---------------------- Page: 14 ----------------------
ISO/TR 16730-3:2013(E)
Annex C
(informative)
Worked example
C.1 General
The example below is taken from Reference [1].
The simulation of a real-scale experimental fire is addressed in this Annex. This test has been
performed at IRSN, as a part of an experimental program performed to provide data for the validation of
computational tools simulating fires in mechanically ventilated compartments, with first application to
nuclear power plant. This test turns out to be particularly difficult, for essentially two reasons. The first
one is that the large-scale geometry of the studied problem and the duration of the transient of interest
make the computational requirements considerable; the first concern is then to assess the code stability
and convergence for such systems. Second, the flow results from an intricate coupling between nonlinear
phenomena, as turbulence, combustion, and buoyancy effects; separate validation of each single model
is then clearly out of reach, and relied for this purpose on the previously described building-block
approach. In the same direction, note in addition that the knowledge of initial and boundary conditions,
together with the characterization of the flow, is necessarily less comprehensive than in experiments
carried out at the laboratory scale, which even reinforces the interest of validating each “elementary”
model using simpler experiments.
C.2 Problem description
The experiment consists in a confined ethanol pool fire in a compartment mechanically ventilated with a
metal cupboard close to the fire. The schematic diagram of the compartment fire is shown in Figure C.1.
The dimensions are for the x, y, and z directions, respectively, Lx = 9 m, Ly = 6 m, and Lz = 7,5 m. The
different walls, the floor, and the ceiling are 0,25-m thick concrete walls. The compartment is connected
to a ventilation network including a forced ventilation supply inlet and a forced ventilation exhaust vent
2 2 −1
(Figure C.1) with dimensions of 0,3 m and 0,4 m , respectively. The ventilation rate is 5 h and the
2
depression –200 Pa. The pool fire is a square of surface 1 m and height 0,13 m, located at the centre of
the compartment. The fire heat release rate, defined as the product of the fuel mass loss rate and the
heat of combustion of ethanol, reaches 563 kW during the stationary combustion phase Figure C.2.
Figure C.1 — Experimental fire case geometry
10 © ISO 2013 – All rights reserved
---------------------- Page: 15 ----------------------
ISO/TR 16730-3:2013(E)
Figure C.2 — Fuel mass loss rate in the experimental fire case
The system describing the turbulent reactive flow in the low Mach number regime is presented below.
The approximation turbulence resorts to the mass-weighted averaging, also called the Favre averaging.
A modified k-ε model based on the Boussinesq hypothesis and the eddy viscosity model is used for
turbulence closure. To model the turbulent combustion process, a fast chemistry assumption and the
conserved scalar approach are used; the mixture fraction variable z and the fuel mass fraction Y are
F
kept as unknowns variables. Removing for short in the notations the Favre or Reynolds turbulence
averaging operators, governing formulae read:
— mass balance:
∂ρ
+∇⋅=ρv 0 (C.1)
∂t
— momentum balance:
∂ρv
+∇⋅⊗ρτvv =−∇+pg∇⋅ +−ρρ (C.2)
() ()
0
∂t
— turbulent kinetic energy balance:
∂ρk μ
e
+∇⋅=ρvkk∇⋅ ∇ ++GG −ρε (C.3)
kb
∂t σ
k
— viscous dissipation balance:
μ
∂ρε ε
e
+∇⋅=ρεv ∇⋅ ∇ε ++cG cG −c ρε (C.4)
()
εε11,,kb12 ε2
∂tkσ
ε
— enthalpy balance:
μ dP
∂ρh
e th
+∇⋅=ρvhh∇⋅ ∇ + (C.5)
∂t σ dt
h
— mixture fraction balance:
∂ρz μ
e
+∇⋅=ρvzz∇⋅ ∇ (C.6)
∂t σ
z
— fuel mass fraction balance:
© ISO 2013 – All rights reserved 11
---------------------- Page: 16 ----------------------
ISO/TR 16730-3:2013(E)
∂ρY μ
F e
+∇⋅=ρvYY∇⋅ ∇ +ω (C.7)
F FF
∂t σ
Y
F
The Reynolds stress tensor, τ, appearing in the momentum formula, is expressed as:
2 2
t
τμ=∇uu+∇ −∇⋅uI − ρkI (C.8)
()
e
3 3
Turbulent production terms are defined as:
G =⊗τ ∇v (C.9)
k
μ
t
Gg=∇ρ⋅ (C.10)
b
ρσ
g
where the term G stands for the generation and destruction of turbulence due to buoyancy forces. In
b
multicomponent mixtures, the density of the mixture is evaluated by:
PW
th
ρ= (C.11)
RT
u
with
N
1 Y
k
= (C.12)
∑
W W
k
k=1
where W is the mean molar weight of the mixture and Y and W , respectively, stand for the mass fraction
k k
and the atomic weight of species k (i.e. fuel, etc.). The fuel burning rate is calculated according to:
ε Y
O
ωρ=−C min,Y (C.13)
FFEBU
k s
where C is a model constant commonly taken of the order of four but which can be modelled by a
EBU
viscous mixing model; here, the first option, C = 4, is used. To deal with radiative losses, the so-called
EBU
Markstein model is used, so the specific enthalpy is linked to the temperature by the following relation:
hc=−TT +−ΔχHY1 (C.14)
() ()
pc0 rF
where T is a reference temperature, ΔH is the heat of combustion and χ is the fraction of energy of
0 c r
combustion lost by radiative transfer; χ is set to 0,25 in this simulation. The model constants have the
r
following standard values:
cc==00,,91 44 cc==19,,21 44
με11,,εε212
σσ==11,,30σσ==σ = 71
khε zY
F
The thermodynamic pressure of the room is computed by solving a simplified (0D) momentum balance
formula for the system composed of the confined compartment and the ventilation network. In this
12 © ISO 2013 – All rights reserved
---------------------- Page: 17 ----------------------
ISO/TR 16730-3:2013(E)
modelling, a Bernoulli general equation describes each branch i of the network, which is, in this particular
case, connected to the compartment:
L ∂Q
i i
=−PP − f (C.15)
th node,i
S ∂t
i
where Q is the flow rate in the branch i, P is the pressure at extremity of the branch which is not
i node,i
located at the compartment wall, and f is an aerodynamic resistance. The geometrical dimensions L and
i
S are, respectively, the length and the surface of the branch i. This system shall be supplemented by the
i
overall mass balance formula of the compartment:
∂ PW
th
+=Q 0 (C.16)
∑ i
∫
Ω
∂t RT
i
Geometrical and material properties are gathered in the following tables:
— gas mixture:
−5
dynamic viscosity: μ = 1,68 × 10 kg/(m·s)
thermal conductivity: λ = 0,018 W/(m·K)
specific heat: c = 1 100 J/(kg·K)
p
Prandtl number: Pr = 0,71
7
heat of combustion: ΔH = 2,56 × 10 J/kg
c
— concrete walls:
3
density: ρ = 2 430 kg/m
w
thermal conductivity: λ = 1,5 W/(m·K)
w
specific heat: c = 736 J/(kg·K)
p,w
walls thickness: e = 0,25 m
w
— metal cupboard:
3
density: ρ = 7 801 kg/m
c
thermal conductivity: λ = 43 W/(m·K)
c
specific heat: c = 473 J/(kg·K)
p,c
walls thickness: e = 0,25 m
c
Initial conditions are given by:
V = p = h = z = Y = 0
F
(C.17)
−12 2 2
k = 10 m /s (C.18)
−9 2 3
ε = 10 m /s (C.19)
© ISO 2013 – All rights reserved 13
---------------------- Page: 18 ----------------------
ISO/TR 16730-3:2013(E)
T = 290 K; ρ = ρ (C.20)
air
To define the boundary conditions, three different surfaces are considered:
2 3/2
— Fire: v = (0, 0, w ); h = ∆H (1 – χ ); z = Y = 1; k = 0,1 w ; ε = C k /l
F c r F F µ ε
where w is function of the fuel mass loss rate; w = m /ρ ; and l = 0,07L˙ with L˙ a characteristic
F F F F ε
length scale, equivalent to fire radius.
— Walls: conduction in walls is accounted for in the energy balance equation. A log-law wall function
is used for the momentum and turbulence balance formulae.
— Supply inlet and exhaust vent: a prescribed velocity is computed to match the flow rate in each
branch; fuel is supposed to remain in the compartment.
C.3 Numeric
Various non-uniform grid are tested with 8 500, 68 000, and 240 000 meshes named thereafter mesh1,
mesh2, and mesh3. Numerical parameters and main features of the numerical scheme are gathered in
the following table.
Initial time 0
Final time mesh1: 2 800 s; mesh2: 1 000 s; mesh3: 250 s
Time-step mesh1, mesh2: ∆t = 0,1 s; mesh3: ∆t = 0,05 s
Solution algorithm semi-implicit fractional step scheme implemented
for transport formulae for k, ε, h, z, and Y vari-
F
ables; implicit coupling between the k-ε two formu-
lae and the two transport formulae for z and Y is
F
obtained by a fixed point algorithm
Time discretization first order (backward Euler) scheme
Spatial discretization upwinding approximation for the convective terms
of the k-ε and Navier-Stokes equations
C.4 Results
Thermodynamic pressure and mass flow rate
The evolution of the thermodynamic pressure in the compartment fire as a func
...
RAPPORT ISO/TR
TECHNIQUE 16730-3
Première édition
2013-12-15
Ingénierie de la sécurité incendie —
Évaluation, vérification et validation
des méthodes de calcul —
Partie 3:
Exemple d’un modèle CFD
Fire safety engineering — Assessment, verification and validation of
calculation methods —
Part 3: Example of a CFD model
Numéro de référence
ISO/TR 16730-3:2013(F)
©
ISO 2013
---------------------- Page: 1 ----------------------
ISO/TR 16730-3:2013(F)
DOCUMENT PROTÉGÉ PAR COPYRIGHT
© ISO 2013
Droits de reproduction réservés. Sauf indication contraire, aucune partie de cette publication ne peut être reproduite ni utilisée
sous quelque forme que ce soit et par aucun procédé, électronique ou mécanique, y compris la photocopie, l’affichage sur
l’internet ou sur un Intranet, sans autorisation écrite préalable. Les demandes d’autorisation peuvent être adressées à l’ISO à
l’adresse ci-après ou au comité membre de l’ISO dans le pays du demandeur.
ISO copyright office
Case postale 56 • CH-1211 Geneva 20
Tel. + 41 22 749 01 11
Fax + 41 22 749 09 47
E-mail copyright@iso.org
Web www.iso.org
Version française parue en 2014
Publié en Suisse
ii © ISO 2013 – Tous droits réservés
---------------------- Page: 2 ----------------------
ISO/TR 16730-3:2013(F)
Sommaire Page
Avant-propos .iv
1 Domaine d’application . 1
2 Références normatives . 1
3 Informations générales sur le modèle CFD étudié . 1
4 Méthodologie utilisée dans cette partie de l’ISO 16730 . 2
Annexe A (informative) Description de la méthode de calcul . 3
Annexe B (informative) Description complète de l’évaluation (vérification et validation)
de la méthode de calcul . 7
Annexe C (informative) Exemple pratique .10
Annexe D (informative) Manuel de l’utilisateur .17
Bibliographie .28
© ISO 2013 – Tous droits réservés iii
---------------------- Page: 3 ----------------------
ISO/TR 16730-3:2013(F)
Avant-propos
L’ISO (Organisation internationale de normalisation) est une fédération mondiale d’organismes
nationaux de normalisation (comités membres de l’ISO). L’élaboration des Normes internationales est
en général confiée aux comités techniques de l’ISO. Chaque comité membre intéressé par une étude
a le droit de faire partie du comité technique créé à cet effet. Les organisations internationales,
gouvernementales et non gouvernementales, en liaison avec l’ISO participent également aux travaux.
L’ISO collabore étroitement avec la Commission électrotechnique internationale (CEI) en ce qui concerne
la normalisation électrotechnique.
Les procédures utilisées pour élaborer le présent document et celles destinées à sa mise à jour sont
décrites dans les Directives ISO/CEI, Partie 1. Il convient, en particulier de prendre note des différents
critères d’approbation requis pour les différents types de documents ISO. Le présent document a été
rédigé conformément aux règles de rédaction données dans les Directives ISO/CEI, Partie 2 (voir www.
iso.org/directives).
L’attention est appelée sur le fait que certains des éléments du présent document peuvent faire l’objet de
droits de propriété intellectuelle ou de droits analogues. L’ISO ne saurait être tenue pour responsable
de ne pas avoir identifié de tels droits de propriété et averti de leur existence. Les détails concernant les
références aux droits de propriété intellectuelle ou autres droits analogues identifiés lors de l’élaboration
du document sont indiqués dans l’Introduction et/ou sur la liste ISO des déclarations de brevets reçues
(voir www.iso.org/brevets).
Les éventuelles appellations commerciales utilisées dans le présent document sont données pour
information à l’intention des utilisateurs et ne constituent pas une approbation ou une recommandation.
Pour une explication de la signification des termes et expressions spécifiques de l’ISO liés à l’évaluation
de la conformité, aussi bien que pour des informations au sujet de l’adhésion de l’ISO aux principes de
l’OMC concernant les obstacles techniques au commerce (OTC) voir le lien suivant: Avant-propos —
Informations supplémentaires.
Le comité chargé de l’élaboration du présent document est l’ISO/TC 92, Sécurité au feu, sous-comité SC 4,
Ingénierie de la sécurité incendie.
L’ISO 16730 comprend les parties suivantes, sous le titre général Ingénierie de la sécurité incendie —
Évaluation, vérification et validation des méthodes de calcul:
— Partie 3: Exemple d’un modèle CFD (Rapport technique)
— Partie 5: Exemple d’un modèle d’évacuation
Les parties suivantes sont en cours de préparation:
— Partie 2: Exemple d’un modèle de zone (Rapport technique)
— Partie 4: Exemple d’un modèle structural (Rapport technique)
Avis de non-responsabilité
Certaines entités et certains équipements, produits ou matériaux commerciaux sont identifiés dans
la présente partie de l’ISO 16730 afin de décrire de façon appropriée une procédure ou un concept
ou de retracer l’historique des procédures et pratiques utilisées. Ce type d’identification n’est pas
destiné à sous-entendre une recommandation, une approbation ou une implication que ces entités,
produits, matériaux ou équipements sont nécessairement les meilleurs disponibles aux fins visées.
Cette identification n’implique pas non plus l’existence d’une faute ou d’une négligence de la part de
l’Organisation internationale de normalisation.
Pour le cas particulier de l’exemple d’application de l’ISO 16730-1 décrit dans la présente partie de
l’ISO 16730, l’ISO décline toute responsabilité quant à l’exactitude du code utilisé ou la validité des
énoncés de vérification ou de validation pour cet exemple. La publication de cet exemple ne signifie
iv © ISO 2013 – Tous droits réservés
---------------------- Page: 4 ----------------------
ISO/TR 16730-3:2013(F)
pas que l’ISO approuve l’utilisation du logiciel ou des hypothèses du modèle qui y sont décrits, et il est
précisé que d’autres méthodes de calcul existent.
© ISO 2013 – Tous droits réservés v
---------------------- Page: 5 ----------------------
RAPPORT TECHNIQUE ISO/TR 16730-3:2013(F)
Ingénierie de la sécurité incendie — Évaluation,
vérification et validation des méthodes de calcul —
Partie 3:
Exemple d’un modèle CFD
1 Domaine d’application
L’ISO 16730-1 décrit les contenus recommandés pour une documentation technique et un manuel de
l’utilisateur à des fins d’évaluation, si l’application d’une méthode de calcul en tant qu’outil d’ingénierie
pour prédire des scénarios du « monde réel » devait conduire à des résultats validés. L’objectif de la
présente partie de l’ISO 16730 est de montrer la manière dont l’ISO 16730-1 est appliquée à une méthode
de calcul, pour un exemple spécifique. Elle indique la manière dont les aspects techniques et l’utilisation
de la méthode sont décrits de manière appropriée pour permettre l’évaluation de la méthode en vue
d’une vérification et d’une validation.
L’exemple de la présente partie de l’ISO 16730 décrit l’application des procédures spécifiées dans
l’ISO 16730-1 à un modèle (ISIS) de dynamique numérique des fluides (CFD).
Le principal objectif du modèle spécifique traité dans la présente partie de l’ISO 16730 est la simulation
d’un incendie dans un environnement ouvert ou dans des compartiments confinés avec un système de
ventilation naturelle ou forcée.
2 Références normatives
Les documents suivants, dans leur intégralité ou non, sont des références normatives indispensables à
l’application du présent document. Pour les références datées, seule l’édition citée s’applique. Pour les
références non datées, la dernière édition du document de référence s’applique (y compris les éventuels
amendements).
ISO 16730-1, Ingénierie de la sécurité incendie — Évaluation, vérification et validation des méthodes de
calcul — Partie 1: Généralités
3 Informations générales sur le modèle CFD étudié
Le nom donné au modèle CFD étudié dans la présente partie de l’ISO 16730 est « ISIS ». Le code de
calcul ISIS, développé par l’Institut français de Radioprotection et de Sûreté Nucléaire (IRSN) et défini
comme un code de mécanique des fluides (également appelé « modèle CFD » ou « code à champ »), est
basé sur un ensemble cohérent de modèles qui peuvent être utilisés pour simuler un incendie dans
des compartiments de grande taille ventilés mécaniquement. Ce type de configuration qui implique
des écoulements complexes nécessite une modélisation physique précise et des méthodes numériques
performantes. Généralement, les échelles spatiales et temporelles rencontrées dans les incendies sont
très disparates et les couplages entre les différents phénomènes physiques peuvent être forts.
Les phases de vérification et de validation du code sont deux processus distincts constamment actualisés
sur la base des tous derniers développements du code. La phase de vérification fait appel à une large
palette de techniques telles que la comparaison à une solution analytique pour les problèmes modèles,
l’utilisation d’une solution manufacturée et la comparaison à un résultat de référence. Le processus
de validation repose sur une approche à base de « briques élémentaires » impliquant des problèmes
unitaires, des sous-systèmes puis des systèmes globaux décrivant des essais incendie à grande échelle.
Ce processus de validation permet de scinder un système d’ingénierie complexe en différents sous-
[1]
systèmes de complexité moindre. Par conséquent, le guide de validation de ce code de calcul inclut des
© ISO 2013 – Tous droits réservés 1
---------------------- Page: 6 ----------------------
ISO/TR 16730-3:2013(F)
cas d’écoulement laminaire et turbulent ainsi que des cas d’incendie. La matrice de validation contient
un total de 18 cas tests.
4 Méthodologie utilisée dans cette partie de l’ISO 16730
Pour la méthode de calcul examinée, les vérifications basées sur l’ISO 16730-1 et celles exposées dans la
présente partie de l’ISO 16730 sont appliquées. Les Annexes A et B de la présente partie de l’ISO 16730
répertorient les points importants à contrôler dans la colonne de gauche des tableaux. Les points
concernés sont ensuite détaillés et la colonne de droite des Annexes A et B décrit leur traitement au
cours du développement de la méthode de calcul, l’Annexe A couvrant la description de la méthode de
calcul et l’Annexe B la description complète de l’évaluation (vérification et validation) de la méthode de
calcul spécifique. L’Annexe C décrit un exemple pratique et l’Annexe D ajoute un manuel d’utilisateur.
2 © ISO 2013 – Tous droits réservés
---------------------- Page: 7 ----------------------
ISO/TR 16730-3:2013(F)
Annexe A
(informative)
Description de la méthode de calcul
A.1 Objectif
Définition du problème résolu ou de la fonction — Cette méthode de calcul est principalement destinée
exécutée à simuler un incendie dans un environnement ouvert ou
dans des compartiments confinés avec un système de ven-
tilation naturelle ou forcée.
— La modélisation de base repose sur une formulation à
faible nombre de Mach des équations de Navier-Stokes,
combinée à un modèle de combustion turbulente adapté à
un écoulement à masse volumique variable.
Description (qualitative) des résultats de la — Les données de sortie comprennent:
méthode de calcul
— la température des gaz dans le local en feu et les
locaux adjacents,
— la variation de pression au cours de l’incendie,
— les débits massiques d’entrée et de sortie dans les
branches d’admission et d’extraction du compartiment,
— le flux thermique reçu par un mur,
— l’appauvrissement en oxygène du compartiment, et
— les produits de combustion dans le compartiment et
les locaux adjacents.
Justifications et études de faisabilité L’effet du processus de développement de l’incendie sur
le réseau de ventilation est de première importance pour
l’analyse de la sécurité incendie. Par conséquent, le modèle
a été développé pour permettre le couplage d’un réseau
de ventilation et d’un incendie dans un compartiment
ventilé mécaniquement. Les variations de pression dans
le compartiment en feu sont également liées au réseau de
ventilation et peuvent engendrer une inversion des écou-
lements dans les branches d’admission ou d’extraction. Ce
scénario critique revêt également une importance majeure
pour l’analyse de la sécurité incendie.
© ISO 2013 – Tous droits réservés 3
---------------------- Page: 8 ----------------------
ISO/TR 16730-3:2013(F)
A.2 Théorie
Modèle conceptuel sous-jacent (phénomènes fon- La modélisation physique de cette méthode de calcul est
damentaux) basée sur les lois classiques de conservation des gran-
deurs physiques locales telles que la masse, la quantité de
mouvement (dans une formulation d’écoulement à faible
vitesse), l’énergie et les concentrations des espèces. Les
équations de conservation, dans le cas d’une simulation
d’incendie, décrivent un écoulement réactif turbulent avec
des transferts radiatifs.
Base théorique des phénomènes et des lois phy- Ce modèle à champ est basé sur les équations de Navier-
siques sur lesquels repose la méthode de calcul Stokes moyennées suivant l’approche RANS (Reynolds-
Averaged Navier-Stokes) avec une fermeture à deux
équations pour les écoulements turbulents.
Les flux scalaires sont modélisés par l’hypothèse de dif-
fusion par gradient et les effets de flottabilité sont pris en
compte dans les termes de production de la turbulence. Le
modèle de combustion est basé sur l’approche de conser-
vation d’un scalaire et suppose une réaction chimique
rapide. Il repose sur un modèle modifié de division des
tourbillons pour une combustion non pré-mélangée.
A.3 Mise en œuvre de la théorie
Formules fondamentales L’ensemble des équations fondamentales est détaillé dans
[2] [5]
les références et.
Pour simuler un incendie dans un compartiment confiné,
les équations fondamentales suivantes sont résolues:
— équations RANS;
— fermeture de la turbulence à deux équations (k-ε);
— fraction de mélange (processus de combustion);
— fraction massique de combustible;
— enthalpie;
— transferts radiatifs;
— équations de Bernoulli pour les branches d’admission et
d’extraction.
La masse volumique du mélange réactionnel est définie
en utilisant la loi des gaz parfaits (équation d’état) ainsi
que les masses molaires moyennes des différentes espèces
composant le mélange.
4 © ISO 2013 – Tous droits réservés
---------------------- Page: 9 ----------------------
ISO/TR 16730-3:2013(F)
Techniques mathématiques, procédures et algo- Les équations de bilan pour les scalaires (espèces,
rithmes de calcul utilisés, avec leurs références enthalpie, etc.) sont discrétisées en temps et en espace
en utilisant une méthode des volumes finis afin d’obtenir
des schémas permettant un compromis satisfaisant entre
temps de calcul et précision. Ils permettent également
d’assurer que les inconnues restent dans leurs limites
physiques. Des techniques de décentrement d’ordre 2 sont
utilisées pour tenir précisément compte des variations
spatiales rapides des inconnues, sans perte de stabilité.
Les équations de Navier-Stokes sont discrétisées en espace
à l’aide d’une approche de type éléments finis qui satisfait
aux propriétés de compatibilité entre la vitesse et la pres-
sion requises pour la stabilité. Contrairement aux schémas
volumes finis avec des maillages décalés, cette technique
facilite l’utilisation de maillages localement non structurés
en raison de la géométrie concernée ou du raffinement
local. Pour garantir la cohérence avec la discrétisation
par volumes finis, l’approximation sélectionnée est de bas
[10]
degré et conforme. La discrétisation temporelle est
réalisée avec un schéma à pas fractionnaire tel que dans la
[11]
référence. Ce schéma semi-implicite permet d’obtenir
un pas de temps important et chaque équation est résolue
séquentiellement.
Le code de calcul est basé sur la plate-forme informatique
de développement scientifique PELICANS, qui est dispo-
nible sous forme de logiciel libre (https://gforge.irsn.fr/gf/
project/pelicans). PELICANS fournit une bibliothèque de
composants logiciels, constitués de « blocs élémentaires »
pour la mise en œuvre de méthodes numériques. Le
modèle est entièrement parallélisé via cette plate-forme,
tant pour l’assemblage que pour la résolution des systèmes
discrets.
Identification de chaque hypothèse incluse dans — maillage structuré;
la logique; limitations applicables aux paramètres
— modèle hydrodynamique: hypothèse de faible nombre
d’entrée dues au domaine d’applicabilité de la
de Mach;
méthode de calcul
— diffusion moléculaire: chaque espèce du mélange a le
même coefficient de diffusion massique;
— capacité thermique constante;
— modèle de turbulence: formulation RANS, approxima-
tion de Boussinesq pour la viscosité turbulente, hypothèse
de diffusion par gradient simple, nombre de Prandtl ou de
Schmidt turbulent constant;
— modèle de combustion: combustion non pré-mélangée,
approximation d’un nombre de Lewis unitaire;
— modèle de transfert thermique: conduction thermique
1D dans les murs;
— modèle de rayonnement: hypothèse de milieu gris non
diffusif
Discussion sur la précision des résultats obtenus En général, les résultats fournis par le modèle pour la
par des algorithmes importants et, dans le cas simulation d’un incendie dans un compartiment confiné
de modèles informatiques, toute dépendance aux concordent bien avec les mesures expérimentales. Une
capacités informatiques données erreur de l’ordre de 10 à 20 % est observée pour la tempé-
rature, la fraction massique des espèces, le flux thermique
reçu par les murs, la pression et les variations du débit de
ventilation.
[12]
Description des résultats des analyses de sensibi- Travaux décrits dans la référence.
lité
© ISO 2013 – Tous droits réservés 5
---------------------- Page: 10 ----------------------
ISO/TR 16730-3:2013(F)
A.4 Données d’entrée
Données d’entrée requises — Géométrie;
— maillage;
— pas de temps;
— propriétés thermophysiques (pour le combustible, les
murs, l’isolation);
— conditions initiales;
— conditions aux limites;
— résistance des branches d’admission et d’extraction.
Source des données requises — Les données relatives à la géométrie et à la discrétisa-
tion en temps et en espace sont entrées par l’utilisateur.
— Les propriétés des matériaux doivent être déterminées
à l’aide d’essais spécifiques ou de la littérature technique.
Pour les modèles informatiques: tous les pro- Distribution LINUX avec
grammes auxiliaires ou fichiers de données
— gcc 4 (ou version plus récente),
externes requis
— GNU make 3.77 (ou version plus récente),
— PERL 5.6 (ou version plus récente), et
— Java 1.5.0 (ou version plus récente).
Outils de post-traitement:
— Meshtv,
— OpenDX,
— GMV,
— PARAVIEW, ou
— FIELDVIEW.
Génération de maillage avec ISIS ou
— Emc2,
— Mefisto,
— Gambit, ou
— GMSH.
Fournir des informations sur la source, le contenu Des bibliothèques de données concernant les propriétés
et l’utilisation de bibliothèques de données pour des combustibles, les murs ou les matériaux isolants sont
des modèles informatiques disponibles dans le Manuel SFPE d’ingénierie de la protec-
tion incendie.
6 © ISO 2013 – Tous droits réservés
---------------------- Page: 11 ----------------------
ISO/TR 16730-3:2013(F)
Annexe B
(informative)
Description complète de l’évaluation (vérification et validation)
de la méthode de calcul
[5]
Résultats (quantitatifs) de tout Le processus de vérification du code est présenté dans la référence.
effort pour évaluer les capacités Environ 20 cas sont examinés et incluent des comparaisons à des solutions
prédictives de la méthode de calcul analytiques, des solutions manufacturées et des cas de référence. Certains
[4] [5] [10] [11]
conformément à l’Article 5 de de ces exemples figurent dans les références , , et.
l’ISO 16730-1
Le processus de validation utilisé pour l’évaluation du modèle incendie est
[1] [5]
décrit dans la référence et un exemple est donné dans les références
[6]
et.
[1]
Le guide de validation contient 18 cas d’essai:
— cas laminaires (5)
— écoulement 3D en aval d’une marche descendante
— flamme de diffusion laminaire de méthane
— jet laminaire 2D
— transferts thermiques radiatifs dans un four 3D
— convection et rayonnement dans une cavité 3D à chauffage différen-
tiel
— cas turbulents (10)
— écoulement turbulent avec un obstacle carré
— convection naturelle dans une cavité fermée
— panaches thermiques
— flamme de diffusion 2D pilotée par la gravité
— flamme jet turbulente I: sans couplage entre l’écoulement et les suies
— flamme jet turbulente II: couplage entre l’écoulement et les suies
— jet 2D turbulent cartésien
— transferts radiatifs dans une flamme jet turbulente
— transferts radiatifs dans une flamme turbulente avec suies
— pyrolyse du polyméthylméthacrylate (PMMA) dans un cône calori-
mètre
— cas d’incendie (3)
— essai LIC1.14
— essai de source PRISME PRS-SI-D1
— essai de source PRISME PRS-SI-D3
Un exemple de comparaison quantitative est donné pour un essai d’incen-
die confiné réalisé au Laboratoire d’Expérimentation des Feux de l’IRSN.
La pression, le débit d’admission et la température moyenne des gaz calcu-
lés par le modèle sont représentés en fonction du temps et comparés aux
mesures expérimentales.
© ISO 2013 – Tous droits réservés 7
---------------------- Page: 12 ----------------------
ISO/TR 16730-3:2013(F)
8 © ISO 2013 – Tous droits réservés
---------------------- Page: 13 ----------------------
ISO/TR 16730-3:2013(F)
[4] [5] [10] [11]
Références aux études, essais Vérification: références , , et
analytiques, essais de comparai-
[1] [4] [5] [6] [7] [8] [9]
Validations: références , , , , , et
son, validation expérimentale et
vérification de code déjà réali-
sés [si, dans le cas de modèles
informatiques, la validation de la
méthode de calcul repose sur un
test bêta, il convient que la docu-
mentation comporte un profil de
ceux associés au test (par exemple:
étaient-ils associés d’une quel-
conque façon au développement de
la méthode de calcul ou s’agissait-il
d’utilisateurs non informaticiens;
ont-ils reçu d’autres instructions
qui ne seraient pas à la disposition
des utilisateurs prévus du produit
final, etc.)]
Mesure dans laquelle la méthode Le processus de validation et de vérification pour ce modèle particulier
de calcul satisfait à la présente satisfait aux exigences de l’ISO 16730-1.
partie de l’ISO 16730
© ISO 2013 – Tous droits réservés 9
---------------------- Page: 14 ----------------------
ISO/TR 16730-3:2013(F)
Annexe C
(informative)
Exemple pratique
C.1 Généralités
[1]
L’exemple décrit ci-dessous est extrait de la référence.
La présente Annexe traite de la simulation d’un scénario d’incendie à échelle réelle. Cet essai a été réalisé
à l’IRSN, dans le cadre d’un programme expérimental destiné à fournir des données pour la validation
d’outils numériques simulant des incendies dans des compartiments ventilés mécaniquement, la
première application concernant les centrales nucléaires. Ce scénario s’avère particulièrement difficile à
simuler pour deux raisons majeures. Premièrement, les grandes dimensions du compartiment ainsi que
la durée de la phase transitoire nécessitent des moyens de calcul importants, l’une des préoccupations
étant alors d’évaluer la stabilité du code et la convergence des systèmes d’équations résolus. La seconde
raison est que l’écoulement résulte d’un couplage complexe entre des phénomènes non linéaires, tels que
la turbulence, la combustion et les effets de flottabilité. La validation séparée de chaque modèle unitaire
ne peut être développée ci-après; elle repose sur l’approche précédemment décrite, à base de blocs
élémentaires. Il faut de plus noter que la connaissance des conditions initiales et aux limites, associée
à la caractérisation de l’écoulement, est nécessairement moins étendue que dans le cas d’expériences
à petite échelle, réalisées en laboratoire. Ce constat renforce l’intérêt d’une validation exhaustive de
chaque modèle « élémentaire » par des expériences simplifiées.
C.2 Description du problème
Le scénario d’incendie décrit un feu de nappe d’éthanol dans un compartiment confiné et ventilé
mécaniquement, avec une armoire métallique située à proximité du feu. La Figure C.1 est une
représentation schématique du compartiment en feu. Les dimensions dans les directions x, y et z sont
respectivement: Lx = 9 m, Ly = 6 m et Lz = 7,5 m. Les différents murs, le plancher et le plafond sont des
parois en béton de 0,25 m d’épaisseur. Le compartiment est relié à un réseau de ventilation incluant
2
une arrivée d’air et une bouche d’extraction (Figure C.1) ayant des dimensions respectives de 0,3 m et
2 −1
0,4 m . Le taux de renouvellement d’air est de 5 h et la dépression de – 200 Pa. Le feu de nappe est un
2
carré de 1 m de surface et 0,13 m de hauteur, situé au centre du compartiment. La puissance du feu,
définie comme le produit de la perte de masse du combustible par la chaleur de combustion de l’éthanol,
atteint 563 kW pendant la phase de combustion stationnaire (Figure C.2).
10 © ISO 2013 – Tous droits réservés
---------------------- Page: 15 ----------------------
ISO/TR 16730-3:2013(F)
Figure C.1 — Géométrie du scénario expérimental d’incendie
Figure C.2 — Perte de masse expérimentale du combustible
Le système décrivant l’écoulement réactif turbulent dans le régime à faible nombre de Mach est présenté
ci-après. L’approximation de la turbulence ressort sous forme de moyenne pondérée en masse, également
appelée « moyenne de Favre ». Un modèle k-ε modifié, basé sur l’hypothèse de Boussinesq et le modèle
de viscosité tourbillonnaire, est utilisé pour la fermeture de turbulence. Pour modéliser le processus
de combustion turbulente, une hypothèse de réaction chimique rapide et l’approche permettant la
conservation d’un scalaire sont adoptées. La fraction de mélange z et la fraction massique du combustible
Y sont utilisées comme variables principales. En simplifiant les notations liées aux opérateurs de
F
moyenne de la turbulence, les équations fondamentales s’écrivent:
— bilan de masse:
∂ρ
+∇⋅=ρv 0 (C.1)
∂t
— bilan de quantité de mouvement:
∂ρv
+∇⋅⊗ρτvv =−∇+pg∇⋅ +−ρρ (C.2)
() ()
0
∂t
— bilan d’énergie cinétique turbulente:
© ISO 2013 – Tous droits réservés 11
---------------------- Page: 16 ----------------------
ISO/TR 16730-3:2013(F)
∂ρk μ
e
+∇⋅=ρvkk∇⋅ ∇ ++GG −ρε (C.3)
kb
∂t σ
k
— bilan de dissipation visqueuse:
μ
∂ρε ε
e
+∇⋅=ρεv ∇⋅ ∇ε ++cG cG −c ρε (C.4)
()
εε11,,kb12 ε2
∂tkσ
ε
— bilan d’enthalpie:
∂ρh μ dP
e th
+∇⋅=ρvhh∇⋅ ∇ + (C.5)
∂t σ dt
h
— bilan de la fraction de mélange:
∂ρz μ
e
+∇⋅=ρvzz∇⋅ ∇ (C.6)
∂t σ
z
— bilan de la fraction massique du combustible:
∂ρY μ
F e
+∇⋅=ρvYY∇⋅ ∇ +ω (C.7)
F FF
∂t σ
Y
F
Le tenseur des contraintes de Reynolds, τ, qui apparaît dans l’équation de quantité de mouvement, est
donné par:
2 2
t
τμ=∇uu+∇ −∇⋅uI − ρkI (C.8)
()
e
3 3
Les termes de production turbulente sont définis par:
G =⊗τ ∇v (C.9)
k
μ
t
Gg=∇ρ⋅ (C.10)
b
ρσ
g
où le terme G représente la génération et la destruction de turbulence dues aux forces de flottabilité.
b
Dans les mélanges à plusieurs composants, la masse volumique du mélange est évaluée par:
PW
th
ρ= (C.11)
RT
u
avec
N
1 Y
k
= (C.12)
∑
W W
k
k=1
où W est la masse molaire moyenne du mélange et Y et W représentent respectivement la fraction
k k
massique et la masse molaire des espèces k (combustible, etc.). Le taux de réaction de la combustion est
calculé d’après la relation:
ε Y
O
ωρ=−C min,Y (C.13)
FFEBU
k s
où C est une constante du modèle généralement de l’ordre de 4 mais qui peut être modélisée par un
EBU
modèle de mélange visqueux; ici, la première option, C = 4 est choisie. Pour tenir compte des pertes
EBU
12 © ISO 2013 – Tous droits réservés
---------------------- Page: 17 ----------------------
ISO/TR 16730-3:2013(F)
par rayonnement, on utilise le modèle de Markstein de manière à associer l’enthalpie spécifique à la
température, par la relation suivante:
hc=−TT +−ΔχHY1 (C.14)
() ()
pc0 rF
où T est une température de référence, ΔH est la chaleur de combustion et χ est la fraction d’énergie
0 c r
de combustion p
...
Questions, Comments and Discussion
Ask us and Technical Secretary will try to provide an answer. You can facilitate discussion about the standard in here.