Hogyan befolyásolják a modellezési paraméterek a tűzterjedés szimulációit: A pyrolysis és a tűzmodellek kihívásai

A tűzmodellezés különböző méretarányokkal dolgozik, amelyeket a kis- és nagyméretű szimulációkban egyaránt alkalmaznak, beleértve a szobák és az egész épületek modellezését. A részletes pyrolysis modellezés általában az Arrhenius-alapú, elsőrendű reakciós modellekre támaszkodik, ahol a globális reakciók folyamatokat a szimuláció specifikus igényeihez igazítják, mint például a soros, párhuzamos vagy versengő reakciók. A kinetikai és hőmérsékleti paraméterek bemeneti adatai elsősorban inverz modellezési technikákon keresztül származnak, kis léptékű elemzések, mint például a hőmérsékleti gravitációs analízis (TGA), differenciális pásztázó kalorimetria (DSC), szimultán hőanalízis, mikroégési kalorimetria, kontrollált atmoszféra pyrolysis és kúp kalorimetria alkalmazásával különböző fűtési és hőáramlási feltételek mellett. Az alkalmazott fűtési sebességek gyakran nem egyeznek meg a valós tűzesetek során tapasztaltakkal, amelyek az anyagok mélységétől és a hőforrás intenzitásától függően széles határok között változhatnak, 0,1 K/perc és akár 1000 K/perc között. Ez az eltérés és a pyrolysis reakciók leegyszerűsítése nem fizikai paraméterekhez vezethet az inverz modellezésben. A tudományos közösségben folyamatos vita zajlik arról, hogy mi lenne a legjobb megközelítés a probléma kezelésére.

A tűzterjedési modellekhez számos szimulációs eszköz áll rendelkezésre, mint például a Fire Dynamics Simulator, a gpyro és a fireFoam, mindegyik nyílt forráskódú platform. Ezek az eszközök egyedi funkciókat és egyszerűsítéseket kínálnak: például a gpyro különösen kiterjedt pyrolysis modellezést biztosít, de nem rendelkezik gázfázis számítási képességekkel. A jelen dokumentumban a pyrolysis szimulációkhoz a PATO eszközt alkalmazzák, amelyet a NASA fejlesztett ki és az OpenFOAM-alapú, eredetileg űrhajós re-entry alkalmazásokhoz. A PATO a fireFoam-mal együtt használható, így lehetővé teszi a láng- és tűzterjedési szimulációk elvégzését.

A CFD (computational fluid dynamics) megoldók különböző osztályokba sorolhatók. A tűzoltási megoldók a növényzet és a lángok szintjén végzik el a tűzdinamikát, míg a vadon élő tűz modellezők a tűzvonal és a táj szintjén dolgoznak. A legnagyobb léptékben az Atmoszférikus Határréteg (ABL) megoldók a regionális szintű kölcsönhatásokat szimulálják. Ezek a különböző léptékek a tűzmodellezési szimulációkban más-más megközelítéseket és eszközöket is jelentenek. A fizikai modellezési módszerek gyakran használják a Lagrange-pontokat, amelyek a szimulációs folyamatot egyszerűsítik azáltal, hogy a komplex fa struktúrákat, beleértve a törzseket és a leveleket, olyan részecske eloszlásként reprezentálják, amely az igazi növényzet viselkedését utánozza. Az ilyen részecskék hőmérsékletileg vékonyak vagy vastagok lehetnek, és specifikus aerodinamikai tulajdonságokkal rendelkezhetnek, lehetővé téve a húzóerő koefficiensének és a Nusselt-számok alkalmazását. Azonban ez a megközelítés nem alkalmas a hőmérsékletileg vastag fa törzsek modellezésére, mivel a Lagrange-pontok nem felelnek meg az egészre vonatkozó követelményeknek, amelyek szükségesek a pontos törzsek ábrázolásához. Ennek eredményeként a realistább fa modellekben gyakran elhagyják a törzseket, és a fákat egyszerűsített eloszlású részecskékként ábrázolják a gyakorlati okok miatt.

Az egyes tűzhelyzetek kiválasztott példáinak vizsgálatával szemléltethetjük a tűzterjedési modellek fontos kihívásait. Az első példa a MaCFP gázosítási eset elemzése, amely bemutatja, hogyan befolyásolják a modellfüggő paraméterek a pyrolysis modellezést. A második példa a numerikus módszerek hatását mutatja be a hőáramlás számításokra, különös figyelmet fordítva egy kis égető lángjának környező falakra gyakorolt hatására. A harmadik példa a vadon élő tűz modellezésére koncentrál, amely egyetlen fa égésének numerikus modellezésére összpontosít, és bemutatja a fa üzemanyag és annak hatása a tűzterjedésre.

A modellezés során fontos megérteni, hogy a tűz viselkedésének számos aspektusa, mint például a hőáramlás, a gázok dinamikája és a különböző anyagok reakcióképessége, folyamatos kutatás tárgya. A

Miért fontos a szilárd anyagok korrózióállósága és a környezeti hatások figyelembevétele az ötvözetek fejlesztésekor?

A korrózióállóság biztosítása érdekében alacsony szén-tartalmú kobalt-alapú ötvözeteket használnak, mivel ezek, megfelelő króm-tartalommal, megakadályozzák a karbidok képződését a fémmátrixban. Az ötvözetekbe öntött molibdén (Mo) hozzáadása elősegíti a passzív védőréteg kialakulását, és fokozza a korrózióval szembeni ellenállást. Bár a kobalt-alapú anyagok kiváló tulajdonságokkal rendelkeznek, alkalmazásuk kérdéses, mivel a kobalt magas koncentrációja kritikus, és gyakran gyermekmunka révén kerül beszerzésre, ami konfliktusanyagként is ismert. Éppen ezért nagy motiváció rejlik abban, hogy a kobalt-alapú anyagokat olyan ötvözetekkel helyettesítsék, amelyek alacsonyabb kritikus vagy konfliktus elemeket tartalmaznak.

A Co-alapú kemikális ötvözetek nemcsak enyhe keménységcsökkenést mutatnak a hőmérséklet emelkedésével, hanem a fémmátrix struktúrája is átalakulhat az FCC (alfa-Co) szerkezetről a HCP (béta-Co) szerkezetre. Ez az átalakulás együtt jár a csúszási rendszerek számának csökkenésével 12-ről 3-ra, így a fémmátrix műanyag áramlása és a kemény fázisok fragmentálódása hatékonyan megakadályozható. A kobalt-alapú ötvözetek helyettesítésére a legfontosabb szempont az, hogy olyan kemikális ötvözetet fejlesszenek ki, amely magasabb magas hőmérsékleten is megtartja szilárdságát, és ezzel ellenáll a műanyag áramlásnak és a kemény fázisok fragmentációjának. Ezen kívül az ötvözeteknek biztosítaniuk kell a szilárdságot, az oxidációval szembeni ellenállást, valamint a kopásállóságot is.

A szuperötvözetek koncepciója alapján a további ötvözetfejlesztési megközelítések a preciptációval edzhető Fe-Ni alapú ötvözetek kifejlesztésére összpontosítottak. A Cr tartalom 25 tömegszázalékon lett meghatározva, hogy biztosítsák a megfelelő korrózió- és oxidációállóságot. Ezen kívül a Nb, W, V elemek hozzáadása a M7C3, M23C6, MC és M6C típusú kemikális karbidok képződését segíti elő. A magas Ni tartalom, a 30 tömegszázalékos nikkel jelenléte, és az Al alkalmazása lehetővé tette a NiAl precipitátumok magas térfogatú tartalmának képződését. Az új ötvözet a kifejlesztett hőkezelési eljárás révén megnövelt meleg keménységgel rendelkezett, ami megerősítette a Stellite 6-os referencia ötvözetek teljesítményét 500-800 °C közötti hőmérsékleten. A kopásvizsgálatok megerősítették, hogy a kifejlesztett ötvözet hasonló kopásellenállósággal rendelkezett, mint a referencia Stellite 6.

Az anyagok újrahasznosításának fontossága, különösen a kritikus nyersanyagok esetében, nem elhanyagolható. A cementált karbid anyagok, amelyek jellemzően Co-alapú mátrixot tartalmaznak, fontos szerepet játszanak az ipari alkalmazásokban. A wolframium visszanyerése különösen fontos, mivel a világ wolfram ellátásának nagy része Kínából származik. A cementált karbid anyagok újrahasznosításával lehetőség nyílik a nyersanyagellátás függetlenségének növelésére. Az Európai Unióban a cementált karbid 42%-át már újrahasznosítják, ami hozzájárul a fenntarthatóbb ipari gyakorlatokhoz.

A Ferrotitanit, amely titán-karbidos (TiC) erősítő fázist tartalmaz, a fém mátrix kompozitok között kiemelkedő, mivel nagy kopásállósággal és jó korrózióállósággal rendelkezik. Ezen anyagok újrahasznosítása, mint a TiC anyagok visszanyerése a kopott eszközökből, szintén kulcsfontosságú a fenntartható fejlődés biztosítása érdekében. Az ipari skálán végzett újrahasznosítási projektek, mint a “RecyTiC”, már sikeresen alkalmazzák az ilyen anyagok újrahasznosítását, ezáltal csökkentve a gyártás költségeit és a nyersanyagfüggőséget.