Improved correlations for predicting hot gas layer temperature in a pre-flashover compartment fire considering heat source location

Abstract

This study aims to analyze the influence of the fire heat source location on the hot gas layer (HGL) temperature in pre-flashover compartment fires, and based on the findings develop improved correlations to predict the HGL temperature considering the fire source location (transversal, longitudinal and vertical). The data for the analysis and correlations were obtained through a CFD code called Fire Dynamic Simulator (FDS). A mesh resolution analysis was performed to ensure the quality of numerical results, and the numerical model was validated comparing the obtained results to experimental data described by Steckler et al., 1982a, 1982b, 1984a, 1984b, showing a good agreement. The present study was based on 294 simulations reproducing the room geometry applied on Steckler’s experiment. Firstly, 15 fire heat source positions at the ground level were tested to determine their influence on the temperature results. It was found that the transversal and longitudinal fire positions (x and y axes) do not affect considerably the results, except when the fire is placed near a wall or corner. In a second analysis the fire source elevation influence was tested, and showed an important effect on the results. As the fire source was elevated from the ground, the hot gas layer and the maximum temperatures augmented, as well as the interface layer height. So, it was concluded that the fire source location, primarily its elevation, is an important parameter to be considered during the pre-flashover compartment fire analysis. A brief wall and corner vicinity influence was also assessed. With all the numerical data generated, and based on an energy balance on the upper layer, six new correlations were developed to predict the HGL temperature in pre-flashover compartment fires. Three correlations were fit for fires at the ground level (away from walls, near a wall and near a corner), and other three for fires in elevated positions (for those same wall-vicinity positions). The results obtained for all correlations were compared to the numerical data and several sets of experimental data available on literature, showing a good agreement. So, we can conclude that these improved correlations are able to predict the HGL temperature for different pre-flashover fire scenarios, considering the place where the fire started.

Este estudo tem como objetivo analisar a influência da localização da fonte de calor (fogo) na temperatura da camada de gases quentes (HGL) em incêndios pré-flashover em compartimentos, e baseado nestes resultados desenvolver correlações melhoradas para predizer esta temperatura, considerando a localização (transversa, longitudinal e vertical) em que se encontra o fogo. Os dados para esta análise e desenvolvimento das correlações foram obtidos através de um código CFD chamado Fire Dynamics Simulator (FDS). Uma análise de malha foi realizada para assegurar a qualidade dos resultados, e o modelo numérico foi validado comparando os resultados obtidos aos dados experimentais descritos por Steckler et al., 1982a, 1982b, 1984a, 1984b, apresentando boa concordância. Este estudo foi baseado em 294 simulações, reproduzindo a mesma geometria estudada no experimento de Steckler. Primeiramente, 15 posições de fogo no nível do piso foram testadas para determinar sua influência nos resultados de temperatura. Foi observado que as posições transversal e longitudinal (eixos x e y) não afetam consideravelmente os resultados, exceto quando o fogo encontra-se próximo a uma parede ou canto. Em uma segunda análise, a influência da elevação do fogo foi testada, e demonstrou um importante efeito sobre os resultados. À medida que a fonte de calor era elevada, a temperatura da camada de gases quentes e a máxima temperatura no interior da sala aumentavam, assim como a altura de interface da camada de gases quentes. Portanto, foi possível concluir que a posição do fogo, especialmente sua elevação, é um importante parâmetro a ser considerado na análise de incêndios pré-flashover no interior de compartimentos. Uma breve análise da influência da proximidade do fogo junto às paredes e cantos também foi realizada. A partir dos dados gerados, e baseando-se em um balanço de energia na HGL, seis novas correlações para prever a temperatura da camada de gases quentes em incêndios pré-flashover em compartimentos foram desenvolvidas. Três delas para incêndios no nível do piso (longe de paredes, próximo ás paredes e próximo aos cantos) e outras três semelhantes para incêndios em posições elevadas. Os resultados obtidos através de todas as correlações foram comparados aos dados numéricos e a diferentes conjuntos de dados experimentais disponíveis na literatura, apresentando uma boa concordância. Portanto, pode-se concluir que estas correlações melhoradas são capazes de predizer a temperatura da camada de gases quentes para diferentes cenários de incêndio pré-flashover, considerando o local onde o fogo se inicia.