Ανάπτυξη υπολογιστικών εργαλείων προσομοίωσης φαινομένων μεταφοράς σε στερεά όρια (δομικά υλικά) για συνθήκες καύσης - φωτιάς

Abstract

The main goal of this dissertation is the development of specialized computational tools, in order to accurately predict the variation of the physical properties and the transfer phenomena inside porous materials (structural elements), which are exposed to different temperature conditions. Moreover, these computational tools are designed in order to be able to be combined with detailed Computational Fluid Dynamic (CFD) codes. The frame for the development of these tools is based on an integrated study, which is presented for the first time in this dissertation, of the thermal behavior of a structural material which is exposed to different temperature conditions, and demands the thorough examination of this behavior at a micro-scale (micro-structure size level), meso-scale (structural element size level) and macro-scale (building size level) size level. At first, as part of the micro-scale level study available computational methods are used for the determination of the kinetic parameters of solid state reactions. The connection bond between the micro- and meso-scale size level is the physical properties of the materials, which compose the element and need to be modeled. Αn integrated system of algebraic equations, that defines the physical properties of a porous material, is presented using the kinetic parameters, obtained from the micro-scale level analysis. Finally, an integrated model that solves the one dimensional simultaneous heat and mass transfer through multi-layered porous structural materials, taking into account the micro-scale level system of equations for the determination of the physical properties, is presented. The developed computational tools are validated and used to simulate the thermal behavior of the physical-chemical processes that take place when a commercial gypsum board is heated at elevated temperatures. The validation is performed using experimental measurements from the open literature and from experiments performed during the dissertation. Results showed the accuracy of the tools and their capability of simulating the thermal behavior of gypsum boards exposed to elevated temperatures. Moreover, the simultaneous heat and mass transfer through porous materials is essential and need to be modeled in order to improve the accuracy of the predictions.

Ο βασικός στόχος της διδακτορικής διατριβής είναι η ανάπτυξη εξειδικευμένων υπολογιστικών εργαλείων για τον προσδιορισμό της μεταβολής των φυσικών ιδιοτήτων ενός πορώδους υλικού και των φαινομένων μεταφοράς που λαμβάνουν χώρα στο εσωτερικό του κατά την έκθεσή του σε μεταβαλλόμενο θερμοκρασιακό περιβάλλον. Το πλαίσιο πάνω στο οποίο στηρίχθηκε αυτή η ανάπτυξη βασίζεται σε μια ολοκληρωμένη μελέτη της θερμικής συμπεριφοράς ενός δομικού υλικού που εκτίθεται σε μεταβαλλόμενο θερμοκρασιακό περιβάλλον, η οποία απαιτεί την εις βάθος διερεύνηση σε επίπεδο μικρο-κλίμακας (τάξη μεγέθους μικροδομής υλικού), μεσο-κλίμακας (τάξη μεγέθους δομικού στοιχείου) και μακρο-κλίμακας (τάξη μεγέθους κτιρίου) μεγέθους. Αρχικά, κατά τη διάρκεια της μελέτης σε επίπεδο μικρο-κλίμακας λαμβάνονται υπόψη οι υπολογιστικές μέθοδοι προσδιορισμού των παραμέτρων χημικής κινητικής αντιδράσεων στερεής φάσης. Ο συνδετικός κύκλος μεταξύ των επιπέδων μικρο- και μεσο-κλίμακας μεγέθους είναι οι φυσικές ιδιότητες των υλικών που το συνθέτουν, οι οποίες χρειάζεται να προσδιοριστούν. Παρουσιάζεται ένα ολοκληρωμένο σύστημα αλγεβρικών εξισώσεων προσδιορισμού των φυσικών ιδιοτήτων πορωδών υλικών, το οποίο λαμβάνει υπόψη τις παραμέτρους χημικής κινητικής αντιδράσεων στερεής φάσης. Τέλος, παρουσιάζεται ένα μοντέλο επίλυσης της ταυτόχρονης μεταφοράς θερμότητας και μάζας σε πολυστρωματικά πορώδη δομικά υλικά, το οποίο λαμβάνει υπόψη το σύστημα αλγεβρικών εξισώσεων προσδιορισμού των φυσικών ιδιοτήτων πορωδών υλικών. Τα αναπτυχθέντα υπολογιστικά εργαλεία πιστοποιούνται και χρησιμοποιούνται για την προσομοίωση των φυσικο-χημικών διεργασιών που λαμβάνουν χώρα στο εσωτερικό εμπορικών γυψοσανίδων κατά την έκθεσή τους σε υψηλές θερμοκρασίες. Ο έλεγχος της αξιοπιστίας των υπολογιστικών εργαλείων πραγματοποιείται με χρήση πειραματικών μετρήσεων της χρονικής μεταβολής της θερμοκρασίας στο εσωτερικό γυψοσανίδων κατά την έκθεσή τους σε υψηλές θερμοκρασίες τόσο από τη βιβλιογραφία όσο και από πειράματα που πραγματοποιήθηκαν κατά τη διάρκεια της διατριβής. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι τα αναπτυχθέντα εργαλεία είναι ιδιαίτερα αξιόπιστα και μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την προσομοίωση της θερμικής συμπεριφοράς γυψοσανίδων που εκτίθενται σε υψηλές θερμοκρασίες. Επιπλέον, η μοντελοποίηση της ταυτόχρονης μεταφοράς θερμότητας και μάζας στο εσωτερικό πορωδών υλικών είναι εξαιρετικά σημαντική και αναγκαία και θα πρέπει να λαμβάνεται υπόψη για βελτίωση της ακρίβειας των αποτελεσμάτων.