Yangın dayanım test fırını modellenmesi ve termodinamik analizi
Modelling and thermodynamic analysis of a fire resistance test furnace
Yazar: MUSTAFA OGAN KARABAŞ
Danışman: PROF. DR. MESUT GÜR
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Isı-Akışkan Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2015
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Yanma dayanımı = Combustion resistance

Özet:
Teknolojik gelişimin hızlanarak devam ettiği günümüzde çalışmalar sadece yaşam konforunu arttırmaya yönelik değil aynı zamanda can güvenliği önlemlerini arttırma hedefi ile devam etmektedir. Kalabalıklaşan dünyamızda kentsel yaşam oranının da giderek artmasıyla toplu yaşam alanları daha da kalabalıklaşmış ve bu toplu yaşam alanlarının sayıları da giderek artmıştır.(örneğin;  alışveriş merkezleri, yüksek katlı binalar)
Yaşam alanlarının kalabalıklaşması can güvenliği risklerinin artmasına sebep olmuştur. Kalabalık yaşam alanlarındaki en önemli can güvenliği risklerinden biri de yangın durumudur. 
Yangın durumunda risklerin oldukça fazla olması günümüzde yangın durumunda can güvenliği önlemlerinin giderek artmasına sebep olmuştur. Bu konudaki çalışmalar sadece yangın söndürme üzerine değil aynı zamanda yangın durumunda yaşam alanlarının yangın şartlarından olabildiğince az etkilenmesini sağlayıp yangın süresince can güvenliği risklerini en aza indirmeye yöneliktir. 
Yaşam alanlarının yangın şartlarından etkilenme oranlarını azaltma hedefi, yapı malzemelerinin dayanımlarının yangın durumunda sorgulanmasına sebep olmuştur. Yapı malzemelerinin yangın dayanımları günümüzde çeşitli standartlarla belirlenmiştir. Bu malzemelerin standartlara uygun olup olmadığının belirlenebilmesi için yangın durumundaki şartlar oluşturularak bu malzemelerin test edilmesi gerekmektedir. 
Aynı yapı malzemelerinin yangın dayanımında olduğu gibi bu malzemelerin yangın dayanımlarının testleri de standartlarla belirlenmiştir. Günümüzde yangın durumundaki ortam şartlarını sağlayan yangın dayanım test fırınları bulunmakta, sanki yangın şartları oluşturularak malzemeler zamana bağlı olarak belirli standartlara göre test edilebilmektedir.
Bu çalışmada TS EN 1363-1 standardında yer alan yangına dayanıklılık deneyleri genel kuralları baz alınarak bir yangın dayanım test fırını SolidWorks programı ile üç boyutlu modellenmiş, termodinamik hesaplamalar yapılmış ve HAD (Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği) analiz programlarından ANSY Fluent yazılımı ile HAD analizleri yapılmıştır. 
TS EN 1363-1'de yer alan en önemli kriterlerden zamana bağlı fırın içi ortalama sıcaklığı elde edebilmek için tasarlanan bu modelin yanma reaksiyonu içermesi nedeniyle HAD analizlerinin yüksek işlem güçlü E tipi işlemciye sahip bilgisayarla dahi çok uzun süreceği belirlenmiştir. Bu sebeple HAD analizinde ayrıklaştırma sonucu ortaya çıkacak düğüm noktası sayısı mümkün olduğunca az olmalıdır. Termodinamik ve HAD analizi yapılacak yangın dayanım test fırınının bu sebepten dolayı nispeten küçük sayılabilecek 1m eninde, 1m genişliğinde ve 1m yüksekliğinde kübik ayrıtlar ile toplam 1m3 hacme sahip olması kararlaştırılmıştır. 
HAD analizine başlanmadan önce tasarlanan yangın dayanım test fırını için termodinamik analiz yapılmış, termodinamik analizdeki hesaplamalar ile TS EN 1363-1'de yer alan ve ISO 834 sıcaklık eğrisi olarak da adlandırılan zamana bağlı fırın içi ortalama sıcaklık değerinin elde edilmesi hedeflenmiştir. 
Bu hedef ile yapılan termodinamik hesaplamalar sonucunda bu çalışmada yakıt olarak kullanılan propan ve yakıcı olarak kullanılan havanın zamana bağlı olarak değişen kütlesel debileri belirlenmiştir. Böylece yapılan kabuller ile birlikte gerçekleştirilecek HAD analizi için başlangıç ve sınır koşulları elde edilmiştir.
Termodinamik analizin tamamlanmasının ardından ANSYS Fluent yazılımı ile HAD analizleri yapılmış; yapılan bu analizlerin sonuçlarına göre tasarlanan yangın dayanım test fırını için brülör tasarımı ve yerleşimi ile egzoz tasarım ve yerleşimi optimizasyonları gerçekleştirilmiştir. Yine yapılan HAD analizleri sonucunda propan ve havanın yangın dayanım test fırınına giriş hızlarına belirleyen giriş kesitleri de optimize edilmiştir.
HAD analizleri sonuçlarına göre yapılan optimizasyonlar ile yanma reaksiyonu propan-hava karışımının fırın içerisinde oluşmasını sağlayan çapraz simetrik yerleştirilmiş dört adet brülör ile sağlanmıştır. 
Propan ve havanın yangın dayanım test fırınına girişi iç içe geçmiş iki kare kesitten gerçekleşmektedir. Propan girişi 10mm x 10mm kare kesiti ile hava girişi ise 30mm x 30mm kare kesiti ile sağlanmıştır.
Termodinamik analiz sonucu belirlenen zamana bağlı değişen propan ve hava kütlesel debileri yazılan kod ile ANSYS Fluent HAD analiz programına aktarılarak yangın dayanım test fırınına girecek propan ve hava miktarının zamanla nasıl değiştiği HAD analiz programına tanıtılmıştır. 
Zaman adımının 0,01 saniye, düğüm noktaları arasındaki mesafenin 10 mm olarak belirlenmesi ile birlikte termodinamik hesaplamalarda yapılan tüm kabullerin HAD analizine de aynen uygulanmasıyla tasarlanan yangın dayanım test fırını için HAD analiz sonuçları elde edilmiştir. 
HAD analizinden elde edilen sonuçlara göre yapılan analiz süresince fırın içi ortalama sıcaklığın ISO 834 sıcaklık eğrisinin üzerinde olduğu görülmüştür. Bu yangın dayanım test fırını içerisine istenenden daha fazla ısı aktarıldığını anlamına gelmektedir.
Bu fazla ısının kaynağı araştırıldığında ortalama egzoz çıkış sıcaklığının ilk 21 saniye boyunca beklenenden daha düşük olduğu belirlenmiştir. Egzoz çıkış sıcaklığının beklenenden düşük olması fırın içerisine istenenden daha fazla ısı aktarılmasına sebep olmuştur. Egzoz çıkış sıcaklığının istenen sıcaklıkta olmamasının sebebi ise fırın içi sıcaklık dağılımının ilk 21 saniye boyunca uniform olmaması olarak belirlenmiştir.
Yapılan hata analizlerinde yangın dayanım test fırını içerisi sıcaklık dağılımının uniform hala gelmesi ile birlikte ortalama egzoz çıkış sıcaklığının ISO 834 sıcaklık eğrisine göre % hata oranı sabitlenmektedir. 
Ortalama egzoz çıkış sıcaklığı hata oranın sabitlenmesi ile birlikte yangın dayanım test fırını içi ortalama sıcaklığının ISO 834 sıcaklık eğrisine göre % hata oranının azalmaya başladığı görülmüştür.
Ortalama egzoz çıkış sıcaklığı % hata oranının sabitlenmesi ve yangın dayanım test fırını içi ortalama sıcaklığı % hata oranın azalmaya başlamasının görülmesi sonucu analizin 60. saniyede kesilmesinin uygun olduğu kararına varılmış ve analiz 60. saniyede kesilmiştir. Analizin 60.saniyeye gelmesi toplam 15 gün sürmüştür.
Yangın dayanım test fırını ortalama sıcaklığının ISO 834 sıcaklık eğrisinin üzerinde kalmasının, ilk 21 saniyede fırın içi sıcaklık dağılımının uniform olmamasından kaynaklandığı sonucuna varılmıştır.

Abstract:
Nowadays, technological developments swiftly accelerating not only to improve living conditions and comfort, but also to improve the security of life. The earth gets crowded every day and the ratio of people living in urban areas is increasing which causes an increase in the number of buildings such as malls, skyscrapers etc.
The crowded condition of living spaces increases security of life issues. Fire is one of the most important security of life issue in crowded life spaces.
The higher risks in fire are resulted with increased security of life and safety measures. These studies are not only conducted for firefighting conditions but also for decreasing security of life issues during fire conditions by increasing the fire resistance of the living spaces and materials such as furniture's, in the living spaces.
The target of increasing fire resistance of living spaces and living space materials, fire resistance of the construction materials are questioned. Fire resistance of construction materials are defined in various standards. In order to determine whether the construction materials provide the necessities in the standard, conditions during a fire incident should be simulated and materials need to be tested in this simulated environment.
Just as fire resistance of construction materials are defined with various standards, fire resistance testing also defined by standards. Fire resistance test furnaces which can simulate the environment and conditions during a fire incident are used to determine whether the construction materials provide the necessities in the standard or not. 
In this study, according to the general rules for fire resistance experiments defined in TS EN 1363-1 standard, a fire resistance test furnace is designed three dimensionally with SolidWorks three dimensional design program, thermodynamic calculations are made to determine the gas mass flow rates of the fire resistance test furnace and computational fluid dynamics analysis of the fire test furnace is done with ANSYS Fluent computational fluid dynamics analysis program in order to evaluate and determine the temperature, gas mass flow rate, pressure etc. distribution inside the furnace. 
One of the most important criteria in TS EN 1363-1 is time dependent temperature of the fire resistance test furnace. Since this modeling study includes combustion reactions, it is determined that even with using workstations that has E type processers; analyses would consume too much time. For this reason, the number of nods in the computational fluid dynamic analysis which is a result of discretization should be as low as it can. Because of this time problem, dimensions of the fire resistance test furnace which thermodynamic and computational fluid dynamics analyses are planned to be conducted, determined as 1 meter width, 1 meter height and 1 meter length. The designed fire resistance test furnace has a cubic shape with 1 cubic meter total volume.
Before computational fluid dynamics analysis, a thermodynamic analysis is done for the fire test furnace. It is targeted to obtain the time dependent temperature curve which is given in TS EN 1363-1 and named as ISO 834 curve with these thermodynamic calculations.
As a result of these thermodynamic calculations which are targeted to obtain the time dependent temperature curve which is given in TS EN 1363-1 and named as ISO 834 curve, mass flow rates of the propane which is the fuel and air which is the oxidant are determined. Along with the assumptions, initial and boundary conditions for computational fluid dynamics analysis are determined.
After the thermodynamic analysis, studies are directed to computational fluid dynamics analysis. Placement of the burners and exhaust on the fire test furnace is determined with conducted computational fluid dynamics analyses. Inlet sections of the burners, that transport propane and air to fire resistance test furnace, are optimized according the velocities of air and propane on the inlet section.
According to the computational fluid dynamics analyses, four burners which transport propane and air to fire resistance test furnace, are placed as cross symmetrically on the cubic fire resistance test furnace.
Transport of air and propane to the fire resistance test furnace is provided by two concentric square sections. Propane and air entrances are provided by 10mm x 10mm and 30mm x 30 mm square sections.
Time dependent propane and air mass flow rates which are entering fire resistance test furnace and determined in the thermodynamic analysis, is identified to ANSYS Fluent computational fluid dynamics program with user defined codes.
Computational fluid dynamics analyses of fire resistance test furnace are conducted with the assumptions that were made in the thermodynamic analysis, 0,01 second time step, 10 mm distance between nodes considerations.
According to the computational fluid dynamics analyses, temperature inside the fire resistance test furnace found higher than ISO 834 curve. This means more heat is transferred to fire resistance test furnace than needed.
When this increase in the fire resistance test furnace temperature was investigated, it was found that exhaust temperatures were much lower than expected for the first 21 seconds. It was figured out that the lower value of exhaust gas temperature then expected caused the increase of the fire resistance test furnace temperature in the previous computational fluid dynamics analyses. The reason of the decreased exhaust gas temperature is found to be related with the nonuniformity of temperature distribution inside the fire resistance test furnace during the first 21 second of the computational fluid dynamics analyses.
Error analysis studies showed that after the temperature distribution inside the fire resistance test furnace became uniform, % error rate of the average exhaust gas temperature according to ISO 834 curve stayed constant.
With the fixed value of exhaust gas temperature error rate, % error rate of the average fire resistance test furnace temperature according to ISO 834 curve started to decrease. 
As a result of the fixed value of exhaust gas temperature error rate and the decrease of the % error rate of the average fire resistance test furnace temperature according to ISO 834 curve, the computational fluid dynamics analyses was ended on the 60th second. I took 15 days to conduct a fire resistance test furnace computational fluid dynamics analysis for 60 seconds.
It was concluded that the higher values of mean temperature of the fire resistance test furnace which were obtained with the computational fluid dynamics analyses, then ISO 834 curve resulted because of the nonuniformity of temperature distribution inside the fire resistance test furnace during the first 21 second.