Näherungsformeln für Spill Plumes in Atrien variabler Größe.
CFD-Studien unter Verwendung von GPU-Technologie.
Zusammenfassung
Immer wieder kommt es zu Brandkatastrophen, die vor allem in Gebäuden mit Atrien, wie sie oft in Einkaufszentren, Empfangshallen oder Flughäfen vorkommen, verheerende Auswirkungen haben können. Um die Risiken zu reduzieren, müssen bereits in der Planungsphase von Gebäuden mögliche Brandverläufe und ihre Konsequenzen rechnerisch ermittelt werden.
Diese Arbeit greift dabei auf bestehende Näherungsformeln zurück. Der Autor untersucht die bekannten Verfahren und ergänzt sie durch ein robusteres. Die so entwickelte Näherungsformel kann unabhängig von der Atriumsgröße für einen Großteil der relevanten Anwendungsfälle verwendet werden und vereinfacht damit die bisherigen Rechenverfahren.
Schlagworte
- Kapitel Ausklappen | EinklappenSeiten
- I–11
- 12–20 1 Zweck und Ziel der Arbeit 12–20
- 1.1 Einführung in die Problemstellung
- 1.2 Verwendung von Brand- und Rauchsimulationsrechnungen
- 1.3 Abgrenzung zu alternativen Fragestellungen
- 1.4 Zusammenfassung der Forschungsziele
- 1.5 Vorgehensweise
- 21–33 2 Stand des Wissens und der Technik 21–33
- 2.1 Einführung in die Modellbildung
- 2.2 Lufteinmischung in einen freien linienförmigen Brandherd
- 2.3 Die „BRE Spill-Plume-Methode“ für den Überlaufplume
- 2.4 Alternative Berechnungsansätze
- 2.4.1 Law [30] (1986)
- 2.4.2 Thomas [12] (1987)
- 2.4.3 Law [33] (1995)
- 2.4.4 Poreh [11] (1998)
- 2.4.5 Thomas et. al. [35] (1998)
- 2.4.6 Harrison und Spearpoint [5] (2008)
- 2.4.7 Ko et. al. [9] (2008)
- 2.4.8 NFPA 92B [36] (2009)
- 2.4.9 Harrison und Spearpoint [37] (2010)
- 34–87 Teil A / Numerische Brand- und Rauchsimulation unter Verwendung von GPU-Prozessortechnologie 34–87
- 3 Einführung in die GPU-Technologie
- 3.1 Grundlagen der GPU-Technik
- 3.2 Hardware im GPGPU-Bereich
- 3.3 Überblick über das CUDA-Programmiermodell
- 4 Entwicklung einer GPU-Version für den Fire Dynamics Simulator (FDS)
- 4.1 Die Software „Fire Dynamics Simulator (FDS)“
- 4.2 Paralleles Rechnen mit FDS (Version 5.4)
- 4.3 Überblick über die neue GPU-Version
- 4.3.1 Beschreibung des Programm-Modells
- 4.3.2 Arithmetic Intensity Problem
- 4.3.3 Rechengenauigkeit
- 4.3.4 Ein- und Mehrnetzrechnungen
- 4.4 Programmtechnische Umsetzung
- 4.4.1 Parallelisierungsschema
- 4.4.2 Neuordnung von Speicherbereichen
- 4.4.3 Parallele Reduktion (parallel reduction)
- 4.4.4 Dokumentation neuer Eingabeparameter
- 4.4.5 Versionsänderungen
- 4.5 Parallelisierung der Algorithmen zum Strahlungswärmetransport
- 4.5.1 Grundlagen des Wärmetransports über Strahlung
- 4.5.2 Numerische Lösung der Transportgleichung mit der Finite-Volumen-Methode (FV-Methode)
- 4.5.3 Modellierung des Strahlungswärmetransports in FDS
- 4.5.4 Möglichkeiten zur Parallelisierung der Finite-Volumen-Methode
- 4.5.4.1 Angular Decomposition Parallelization (ADP-Verfahren)
- 4.5.4.2 Spatial Domain Decomposition Parallelization (DDP-Verfahren)
- 4.5.4.3 Der KBA-Algorithmus für orthogonale Netze
- 4.5.5 Anpassung des KBA-Verfahrens an GPU-Systeme
- 4.5.6 Implementierung des KBA-Verfahrens in FDS
- 4.5.7 Zusammenfassung
- 4.6 Entwicklung eines Profilers
- 5 Verifikation und Performance
- 5.1 Verifikation im Diagnosemodus (diagnostic mode)
- 5.2 Beispiel 1: Isothermer Freistrahl
- 5.2.1 Theoretische und experimentelle Grundlagen
- 5.2.2 Zusammenfassung bisheriger Untersuchungen
- 5.2.3 Verifizierung der GPU-Version
- 5.2.4 Rechenleistung / Performance
- 5.2.5 Zusammenfassung
- 5.3 Beispiel 2: Strahlung in einer Box
- 5.3.1 Theoretische Grundlagen
- 5.3.2 Verifizierung der GPU-Version
- 5.3.3 Rechenleistung / Performance
- 88–119 Teil B / Simulation von Spill Plumes in Atrien 88–119
- 6 Numerische Simulation von Spill Plumes in Atrien
- 6.1 Zusammenfassung der Versuche nach Harrison [10] und [4]
- 6.1.1 Versuchsaufbau und Versuchsdurchführung
- 6.1.2 Ergebnisse aus den Versuchsreihen
- 6.1.3 Diskussion der Ergebnisse
- 6.2 Beschreibung des Computermodells
- 6.2.1 Anordnung von virtuellen Messfühlern
- 6.2.2 Vorlaufzeiten für die stationäre Problemstellung
- 6.3 Modellvalidierung: Strömung am Überlaufrand
- 6.3.1 Zusammenfassung der Berechnungsergebnisse
- 6.3.2 Diskussion der Ergebnisse
- 6.4 Modellvalidierung: Massenstrom im aufsteigenden Plume (ohne Atrium)
- 6.4.1 Zusammenfassung der Berechnungsergebnisse
- 6.4.2 Diskussion der Ergebnisse
- 6.5 Modellvalidierung: Massenstrom im aufsteigenden Plume (mit Atrium)
- 6.5.1 Zusammenfassung der Berechnungsergebnisse
- 6.5.2 Diskussion der Ergebnisse
- 6.6 Parameterstudie: Massenstrom im aufsteigenden Plume (ohne Atrium)
- 6.6.1 Zusammenfassung der Berechnungsergebnisse
- 6.6.2 Entwicklung einer Näherungsformel für den freien Plume
- 6.7 Parameterstudie: Massenstrom im aufsteigenden Plume (mit Atrium)
- 6.7.1 Zusammenfassung der Berechnungsergebnisse
- 6.7.2 Entwicklung einer Näherungsformel für die Masseneinmischung
- 6.7.3 Bewertung der bestehenden Näherungsformeln
- 7 Zusammenfassung und Ausblick
- 7.1 Einsatz der GPU-Prozessortechnologie in der Brand- und Rauchsimulation
- 7.2 Entwicklung von Näherungsformeln für den Massenstrom im Überlaufplume innerhalb von Atrien
- 120–126 Literaturverzeichnis 120–126
- 127–136 Anlagenteil A / Grundlagen paralleler Rechentechnik 127–136
- A.1 Flynnsche Klassifizierung für Parallelrechner
- A.2 Parallelrechner mit gemeinsamen oder verteiltem Speicher
- A.3 ECC-Fehlerschutz für den Hauptspeicher
- A.4 Explizite und implizite Parallelisierung
- A.5 Parallele Effizienz und Leistungssteigerung (SpeedUp)
- A.6 Die Programmiermodelle MPI und OpenMP
- 137–140 Anlagenteil B / Beispielrechnung zur BRE Spill-Plume-Methode 137–140
- 141–144 Anlagenteil C / Auszug aus dem Quelltext zum Multi-Wellenfrontalgorithmus 141–144
- 145–151 Anlagenteil D / Beispiele zur Verifi zierung der GPU-Version 145–151
- D.1 Isothermer Freistrahl ohne Vorströmung (Modellgeometrie A)
- D.2 Isothermer Freistrahl mit Vorströmung (Modellgeometrie B)
- 152– Anlagenteil E / Parameterstudie zu Spill Plumes in Atrien 152–
