Symulacja CFD (ang. Computational Fluid Dynamics) to technika numeryczna umożliwiająca analizę przepływów cieczy i gazów w oparciu o rozwiązywanie równań Naviera-Stokesa. Metoda ta pozwala odwzorować zjawiska fizyczne zachodzące w środowiskach przepływowych bez konieczności wykonywania kosztownych i czasochłonnych testów eksperymentalnych.

Historia i rozwój metody

Początki CFD sięgają lat 60. XX wieku, kiedy to pierwsze programy obliczeniowe wykorzystywano w przemyśle lotniczym. Z czasem technologia trafiła do innych dziedzin inżynierii: energetyki, budownictwa, transportu czy ochrony przeciwpożarowej. Dziś narzędzia CFD, takie jak ANSYS Fluent, czy FDS (Fire Dynamics Simulator), są szeroko stosowane zarówno przez naukowców, jak i praktykujących inżynierów.

Zastosowania symulacji CFD w inwestycjach

CFD odgrywa kluczową rolę w projektowaniu systemów HVAC oraz w symulacjach rozwoju pożaru. Przykładowo, analiza rozprzestrzeniania się dymu w sali izolacyjnej szpitala (arxiv.org, 2024) pokazała, jak niewielkie zmiany w rozmieszczeniu nawiewów mogą zmienić trajektorię cząstek wirusa SARS-CoV-2.
W halach produkcyjnych, magazynach czy tunelach transportowych CFD pomaga analizować zachowanie powietrza, dymu i ciepła. Badania wykazały, że skuteczność systemu oddymiania w magazynie może się radykalnie zmieniać w zależności od kierunku i prędkości wiatru.

Korzyści z wykorzystania symulacji CFD

Redukcja kosztów inwestycyjnych

W przypadku wentylacji pożarowej CFD pozwala na bardzo precyzyjne dopasowanie liczby i rodzaju wentylatorów oddymiających i strumieniowych, oraz ich rozmieszczenia. Dzięki temu można uniknąć przewymiarowania systemu i niepotrzebnych kosztów, a jednocześnie zagwarantować zgodność z wymaganiami bezpieczeństwa pożarowego. Jako firma wykonywaliśmy setki symulacji CFD, które pozwoliły na weryfikację poprawności działania systemu wentylacji pożarowej, a czasami również na optymalizację wielkości wentylatorów przy spełnieniu wymagań projektowych czy ograniczenie wymaganej klasy odporności pożarowej urządzeń.

Zwiększenie bezpieczeństwa użytkowników

Symulacje CFD w wentylacji pożarowej pozwalają dokładnie przeanalizować, jak dym i gorące gazy będą się rozprzestrzeniały podczas pożaru w zależności od kierunku działania wentylatorów, lokalizacji źródła pożaru, a także geometrii przestrzeni. Dzięki temu można zaprojektować skuteczne scenariusze działania systemu, zminimalizować ryzyko zadymienia dróg ewakuacyjnych i wydłużyć czas bezpiecznego opuszczenia obiektu. W przypadku wentylacji bytowej z kolei CFD może zwiększyć bezpieczeństwo mikrobiologiczne, poprzez analizę rozprzestrzeniania się aerozoli w przestrzeni (co było istotne np. w czasie pandemii COVID-19).

Proces przeprowadzania symulacji CFD

Symulacja CFD to złożony proces, który wymaga specjalistycznej wiedzy, precyzyjnego odwzorowania warunków rzeczywistych oraz odpowiedniego zaplecza technicznego. Szczególnie w kontekście wentylacji pożarowej i bytowej, każdy etap ma istotne znaczenie dla dokładności i przydatności wyników.

Etapy symulacji CFD:

1. Analiza problemu i dokumentacji oraz uzgodnienie założeń — to między innymi ustalenie celu i zakresu wykonywanych obliczeń.
2. Modelowanie geometryczne — tworzenie modelu 3D obiektu, np. garażu, hali magazynowej, pomieszczenia mieszkalnego lub ciągu komunikacyjnego, z uwzględnieniem wszystkich istotnych przeszkód i otworów.
3. Meshing (generowanie siatki obliczeniowej) — podział geometrii na miliony małych elementów, w których rozwiązywane są równania przepływu.
4. Definicja warunków brzegowych — określenie parametrów takich jak prędkość powietrza, temperatura, źródła dymu, wentylatory nawiewne i wyciągowe, z uwzględnieniem scenariuszy awaryjnych.
5. Obliczenia numeryczne (solver) — przeprowadzenie iteracyjnych obliczeń przy użyciu zaawansowanych algorytmów.
6. Walidacja wyników — porównanie wyników symulacji z dostępnymi danymi eksperymentalnymi lub wytycznymi projektowymi.
7. Analiza i interpretacja danych — przygotowanie wizualizacji przepływu, rozkładów temperatur, stref zadymienia, skuteczności ewakuacji itp.

Symulacje CFD ze SMAY

Firma SMAY oferuje kompleksowe usługi w zakresie analiz CFD, które realizowane są jeszcze na etapie opracowywania projektu, dzięki czemu możliwe jest wyeliminowanie błędów i zoptymalizowanie systemów wentylacyjnych już w fazie koncepcyjnej. Zakres usługi dostosowywany jest indywidualnie do charakterystyki danego obiektu, a klient otrzymuje profesjonalny raport zawierający założenia analizy i szczegółowe wyniki.

Symulacje wykonywane przez SMAY pozwalają m.in. na:

• ocenę skuteczności oddymiania klatek schodowych;
• analizę rozwoju pożaru i pracy wentylacji kanałowej oraz strumieniowej w garażach (w tym określenie wymaganej klasy ogniowej wentylatorów F400/F600);
• ocenę działania instalacji oddymiającej w przestrzeniach wielkokubaturowych (atriach, halach, holach);
• analizę oddymiania poziomych dróg ewakuacyjnych;
• ocenę skuteczności systemów różnicowania ciśnienia na drogach ewakuacyjnych;
• szacowanie czasu potrzebnego na ewakuację.

Dodatkową zaletą tych analiz jest możliwość porównania różnych rozwiązań systemowych i wybór najbardziej efektywnego wariantu, co przekłada się na oszczędności oraz poprawne wykonanie systemu wentylacji pożarowej w praktyce.

Podsumowanie i rekomendacje

Symulacja CFD jest narzędziem o szerokim zastosowaniu, które przynosi realne korzyści inwestorom, projektantom i zarządzającym budynkami. Szczególnie warto z niej skorzystać w obiektach:

• o skomplikowanej geometrii,
• z niestandardowymi rozwiązaniami wentylacyjnymi,
• o dużym znaczeniu użyteczności publicznej.

Rekomendacja: wybierz sprawdzonego partnera z doświadczeniem w symulacjach CFD, który potrafi nie tylko wykonać symulację, ale też poprawnie ją zinterpretować i przełożyć na realne decyzje projektowe.