CFD e modellazione prestazionale

Introduzione

La modellazione CFD (Computational Fluid Dynamics) rappresenta l'approccio più avanzato per l'analisi quantitativa dei fenomeni termo-fluidodinamici in scenari d'incendio complessi.

A differenza dei modelli zonali, che suddividono l'ambiente in volumi omogenei, la CFD risolve le equazioni di conservazione su una griglia tridimensionale discreta, consentendo la predizione locale di:

• Campo termico
• Concentrazioni di specie chimiche
• Velocità dei flussi
• Radiazione termica

Fondamenti teorici

Il comportamento dei fumi d'incendio è governato dalle equazioni di Navier-Stokes per flussi reattivi comprimibili a basso numero di Mach:

Conservazione della massa:

$$\frac{\partial \rho}{\partial t} + \nabla \cdot (\rho \mathbf{u}) = 0$$

Conservazione della quantità di moto:

$$\rho \frac{D \mathbf{u}}{Dt} = -\nabla p + \mu \nabla^2 \mathbf{u} + \rho \mathbf{g}$$

Conservazione dell'energia:

$$\rho c_p \frac{DT}{Dt} = \nabla \cdot (k \nabla T) + \dot{q}'''$$

Dove: - $\rho$ = densità - $\mathbf{u}$ = vettore velocità - $p$ = pressione - $T$ = temperatura - $\dot{q}'''$ = termine sorgente di calore volumetrico

Strumenti di modellazione

All'interno del framework StudioFSE®, la modellazione CFD si avvale principalmente di:

FDS (Fire Dynamics Simulator)

Sviluppato dal NIST (National Institute of Standards and Technology), FDS è il solutore Large Eddy Simulation (LES) di riferimento per applicazioni FSE.

Caratteristiche principali: - LES per turbolenza - Combustione basata su mixture fraction - Radiazione termo-fisica tramite Finite Volume Method (FVM) - Validazione estensiva su esperimenti in scala

OpenFOAM/fireFOAM

Ecosistema open-source per CFD generale, con estensioni dedicate alla combustione e ai fenomeni d'incendio.

Vantaggi: - Flessibilità nella definizione di modelli fisici - Controllo completo su discretizzazione e solutori - Integrazione con pipeline di post-processing avanzato

Workflow operativo

Il processo di modellazione CFD nel framework segue una struttura rigorosa:

1. Definizione dominio computazionale – Geometria, mesh, condizioni al contorno
2. Caratterizzazione sorgente termica – HRR, profilo temporale, distribuzione spaziale
3. Impostazione fisica – Turbolenza, combustione, radiazione
4. Analisi di sensibilità – Mesh independence, time-step convergence
5. Post-processing – Estrazione campi termo-fluidodinamici, verifica criteri tenabilità
6. Validazione – Confronto con correlazioni analitiche, esperimenti di riferimento

Limitazioni e campo di applicabilità

La CFD non è una "scatola nera" risolutiva.

Richiede: - Competenza nella fisica della combustione - Consapevolezza delle ipotesi modellistiche - Capacità critica nell'interpretazione dei risultati - Validazione su casi di riferimento

Non sostituisce: - La comprensione fenomenologica - Le verifiche analitiche preliminari - Il giudizio ingegneristico

Integrazione nel framework

La modellazione CFD opera come strumento tecnico interno alla struttura disciplinare del Metodo StudioFSE®, in coerenza con:

• Fire Dynamics (fenomenologia)
• Smoke Management (controllo fumi)
• Evacuation (tenabilità per l'esodo)
• Structural Fire Engineering (azioni termiche su strutture)

Non è un'attività isolata, ma un elemento del sistema integrato di verifica prestazionale.

Riferimenti metodologici:
ISO 16730 · SFPE Handbook Chapter 39 (CFD) · FDS Technical Reference Guide · McGrattan et al. (2013)