Interpretable reduced order modeling for fast fire dynamics simulation
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Date
2021
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Abstract
La simulación de fuego se ha convertido en una práctica común en varios aspectos de la ingeniería de seguridad contra incendios en el diseño de edificios. También ha encontrado uso en la predicción
de incendios, la que ayuda a los servicios de respuesta a emergencias
en sus esfuerzos de extinción de incendios, proporcionándoles una idea de la influencia de
sus acciones en el incendio y su evolución. La predicción de incendios se realiza mediante modelos computacionales que asimilan y sintetizan los datos provenientes de los sensores
distribuidos en eledificio para predecir la evolución a corto plazo del incendio. El proceso
de asimilación requiere la ejecución iterativa de simulaciones futuras, que requiere grandes cantidades de tiempo y recursos computacionales. Los modelos de incendios actuales
parecen estar en los dos extremos del espectro. Por un lado, los modelos de zona se
basan en el balance de calor y masa entre la capa de humo caliente y la capa fría de
una habitación, proporcionando información muy básica, pero más rápido que en tiempo
real. Por otro lado, la dinámica de fluidos computacional (DFC) proporciona información
detallada que considera la física subyacente, pero estos modelos son computacionalmente
exigentes y las simulaciones en tiempo real generalmente no son posibles. Por lo tanto,
existe la necesidad de un modelo que permita al usuario controlar el intercambio entre la
eficiencia computacional y la reproducción de la física involucrada.
Para abordar este desafío, proponemos un modelo de orden reducido interpretable para
la dinámica del fuego. Nuestro modelo se basa en flujos impulsados por flotación modelados por la ecuación de Boussinesq. Aprovechamos la teoría de los sistemas dinámicos
proyectados para aproximar la proyección de las soluciones de estas ecuaciones en un
espacio de dimensión finita abarcado por elementos de la base de Fourier. Creemos que nuestro modelo tiene la ventaja de ser interpretable, flexible y eficiente. Los resultados numéricos muestran que nuestro modelo es capaz de adaptarse y reproducir las estructuras
espaciales del flujo en diferentes resoluciones. Además, al comparar las simulaciones obtenidas con nuestro método con las obtenidas con Fire Dynamics Simulation (FDS) encontramos una buena concordancia, tanto cualitativa como cuantitativa, en las medidas de
temperatura obtenidas en un caso de estudio estándar.
Description
Tesis (Master of Sciencein Engineering)--Pontificia Universidad Católica de Chile, 2021