Ausgewählte Aspekte des Bevölkerungsschutzes

… charakterisiert die Fähigkeit eines Stoffes Unterschiede in der Geschwindigkeit auszugleichen

… ist das Analogon zur Dynamischen Viskosität für die Temperatur des Fluids

… beschreibt die Temperaturänderung beim Hinzufügen bzw. Entziehen von Wärme

… Verhältnis von Bewegungsgeschwindigkeit zur Schallgeschwindigkeit, beschreibt Kompressibilität

… Verhältnis von Advektion zur Diffusion, dient der Skalierung von Windkanalversuchen

… Verhältnis von Impulsdiffusion zur thermischen Diffusion, damit lassen sich Experimente im Maßstab skalieren

- Kompressibel oder inkompressibel
- Laminar oder turbulent
- Stationäre oder instationär
- Reibungsfrei oder viskos

1) Massenerhaltung
2) Impulserhaltung
3) Energieerhaltung

… schwach inkompressible Strömungen (Navier-Stokes- und Energiegleichung)

… es können keine kompressiblen Phänomene wie Druckwellen bei Explosionen oder Schallwellen simuliert werden

… FDS nutzt ein explizites FD (Finite Differenz)-Verfahren zweiter Ordnung

… FDS nutzt nur strukturierte Gitter

 RANS (Reynolds averaged Navier-Stokes): Gleichungen für zeitlich gemittelte Größen
- LES (Large eddy simnulation): Gleichungen für räumlich gemittelte Größen
- DNS (Direct numerical simulation): für kleine Reynoldszahlen und kleine Volumina, Turbulenzuntersuchung

- Nullgleichungsmodelle
... direkte Berechnung der Dynamischen Viskosität aus der Strömung bzw. Geometrie
- Eingleichungsmodelle
… z.B. Transportgleichungen für die turbulente Viskosität
- Zweigleichungsmodelle
… z.B. Transportgleichungen für Dissipationsrate und turbulente kinetische Energie k

- Advektion
- Diffusion
- Erzeugung und Vernichtung

- Cs
- delta x

1) Pyrolyse Freisetzung des Brennstoffs
2) Verbrennung chemische Reaktion des Brennstoffs und Sauerstoff unter Erzeugung von
Verbrennungsprodukten und Wärme
3) Wärmetransport Strahlung und Konvektion

Verbrennung ist ein chemischer Prozess, bei dem Stoffe 8Brenn + Sauerstoff) reagieren. Dazu müssen diese Stoffe in
Kontakt kommen.

- Vorgemischte Verbrennung Verbrennung im gesamten Volumen (Verbrennungsmotor)
- Nicht-vorgemischte Verbrennung Kontakt an der Grenzschicht (Kerze, keine vollständige Verbrennung mit
Rußbildung)
- Mixture fraction model = Mischungsverhältnis, sobald sich das Mischungsverhältnis eingestellt hat,
läuft die Verbrennung zum selben Zeitpunkt ab

- Wärmestrahlung elektromagnetische Stahlung, Ausbreitung mit Lichtgeschwindigkeit
- Wärmeleitung Wärmediffusion durch einen Stoff und Wärmefluss zwischen Körpern, dynamischer Prozess
- Konvektion Gase und Flüssigkeiten geraten durch Temperatur-, Dichte- o. Druckunterschiede in Bewegung

Turbulenz wird durch Reibung an Wänden und Scherströmungen induziert. Ohne Viskosität wird eine Strömung nicht turbulent. Die Kennzahl, welche im Allgemeinen den Grad der Turbulenz beschreibt, ist die Reynolds-Zahl.

Im Gegensatz zu laminaren Strömungen treten in turbulenten Strömungen extreme Schwankungen z.B. in der Geschwindigkeit mit einer viel höheren Wahrscheinlichkeit auf.

1) Verordnungen, Richtlinien (MBauO, LandesBauO, SBauO, ASR)
2) Ingenieurverfahren (Handbücher, Evakuierungssimulationen)

- Vorgabe maximaler Längen und Mindestbreiten
- Einfache Überprüfbarkeit
- Nachteile:
Keine Vorgabe an Räumungszeiten
Inkonsistente Vorgaben
Widerlegung mittels experimenteller Daten

Ob Personenströme zusammentreffen, kann nur mit einer Methode/eines Modells untersucht werden, welche/s
die Bewegung der Personenströme in dem Rettungswegsystem beschreibt. (Modellbildung: Formulierung,
Untersuchung, Validierung)

Bei einem makroskopischen Modell verzichtet man darauf, das Verhalten eines Systems mittels seiner kleinsten Bestandteile herzuleiten. Betrachtet werden sinnvolle statistische Größen. Bei Personenströmen sind diese z.B. die mittlere Dichte und mittlere Geschwindigkeit des Stromes

Vorteil: Erlaubt Berechnug von Räumungszeiten

Nachteil: keine Aussage über Ort und Zeit einzelner Personen

Bei einem mikroskopischen Modell wird jede Person i, bzw. die Größen die ihre Eigenschaften und Bewegungen charakterisieren, individuell betrachtet. Betrachtet werden die Größen Ort, Geschwindigkeit, Platzbedarf)

Vorteil: Freiheitsgrade

Nachteil: steigende Komplexität

Vorteile: Stand der Technik, wichtige und nicht offensichtliche Erkenntnisse

Nachteile: Vertuschung möglich, keine Zertifizierung, Expertenwissen notwendig

- Leistungsfähigkeit des Rettungssystems
Evakuierungszeiten
Stauungen (Ob? Dichte? Dauer?)
Kapazitätsanlaysen (max. Personenanzahl pro Zeitraum)
- Ansatzweise Berücksichtigung von Verhalten
Schnelligkeit von Personen
Zugehörigkeiten
Orientierung Ortsfremder

- Beschilderung
- Gruppenzugehörigkeit
- Beleuchtung
- Durchsagen
- Herdentrieb

Ein Nachteil kommerzieller Programme ist, dass meist nicht ausreichend dokumentiert wird, welches Modell für die Bewegung der Personen zugrunde liegt.

Um die Resultate der Computersimulation gewissenhaft interpretieren und richtig bewerten zu können, muss man die Gültigkeitsgrenzen der Modelle und Simulationen kennen.

- Beschreibung: mikroskopisch makroskopisch
- Dynamik: stochastisch deterministisch
- Variablen: diskret kontinuierlich
- Wechselwirkung: regelbasiert kraftbasiert
- Detailreichtum: hoch niedrig
- Konzeption: heuristisch first-principles

- Bewegungen haben eine zufällige Komponente
- Größere Streuung der Resultate, welche die Unsicherheit und Vielfältigkeit der möglichen Ergebnisse besser wiederspiegeln als deterministische Modelle

Die Änderung des Ortes ist abhängig von der momentanen Gehgeschwindigkeit. Die Änderung der Gehgeschwindigkeit in Richtung und Betrag kann entweder über Kräfte formuliert werden oder über Regeln gesteuert werden.

- Abstoßende und anziehende Kräfte der Personen untereinander
- Abstoßende Kräfte zwischen Hindernissen und Personen
- Reibungskräfte

- CFD-Modell zur Berechnung brandinduzierter Strömungen
- Schwerpunkt: Rauch- und Wärmetransport
- Lösung einer vereinfachten Form der Navier-Stokes-Gleichungen
- Erhaltungssätze: Masse, Impuls, Energie
- Turbulenzmodellierung
Direct numerical simulation DNS
Large eddy simulation LES
- Verbrennungsmodellierung
Vereinfachte und komplexe Pyrolysemodelle

Beschreibung des Modells: mikroskopisch

Dynamik: stochastisch

Variablen: kontinuierlich (Ort) diskret (Zeit)

Wechselwirkung: Kräfte- und regelbasiert

Detailreichtum: hoch

- Deskriptive Methoden sind unflexibel, teilweise überdimensioniert, modere Architektur passt nicht
- Brandversuche sind (bedingt) Alternativen, aufwendig und teuer, Parameter lassen sich kaum variieren, zerstörungsfreie Prüfung nur bedingt möglich
- Einsatz von Brandsimulationsmodellen im Rahmen ingenieurmäßiger Nachweisverfahren
- Betrachtung unterschiedlicher Szenarien
- Kostengünstige Variante nach Einzelfall

- Die Menge denkbarer Brandereignisse und ihre Unterschiedlichkeit
- Die Vielzahl und Komplexität physikalischer und chemischer Phänomene
Aerodynamik
Mehrphasenströmung
Turbulente Mischungs- und Verbrennungsvorgänge
Wärmeübertragung durch Strahlung
Wärmeübertragung auf und in Festkörpern
Physik und Chemie der Löschmittel
- Die Brandlasten sind inhomogen und meist nicht genau bekannt
- Die Stoffwerte sind schwierig zu bestimmen, haben aber großen Einfluss auf den Verbrennungsvorgang

- Strömungsgeschwindigkeiten bis etwa Mach 0,3
- Beschränkung der Geometrie durch rechtwinklige Gitter
- Die Berechnung der Brandausbreitung ist schwierig
- Physikalische und chemische Prozesse
- Strahlungsaustausch

- Gebäudetyp (Nutzung)
- Technische Gebäudeausstattung
- Leistungsfähigkeit von Rettungswegen
- Eigenschaften der Nutzer