Modellazione degli incendi con Fire Dynamics Simulator (FDS): costruzione del listato.

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About This Presentation

Corso di Progettazione Strutturale Antincendio
Prof. Ing. Franco Bontempi
Unversita' degli Studi di Roma La Sapienza

Esercitazione 11 novembre 2015 - Ing. Marcello Mangione


Slide Content

Università“La Sapienza” –Roma
CORSO DI PROGETTAZIONE STRUTTURALE ANTINCENDIO
Anno Accademico2015‐2016
11 novembre 2015
Modellazione degli incendi
con FireDynamics Simulator (FDS)
(costruzione del listato )
Ing. Marcello Mangione
[email protected]
“Sapienza” University of Rome
School of civil and Industrial Engineering
Ph.D. – XXIX ciclo
Structural
Fire
In vestigation
Docente: Prof. Ing. Franco Bontempi

School of Civil and Industrial Engineering  
Sapienza University of Rome  
ProgettazioneStrutturaleAntincendio–Costruzionedel  listato
Prof. Ing. Franco  Bontempi
Ing. Marcello  Mangione
aAaARTIO
Articolo di riferimento 
Riv antincendio marzo‐aprile 2013

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ProgettazioneStrutturaleAntincendio–Costruzionedel  listato
Prof. Ing. Franco  Bontempi
Ing. Marcello  Mangione
aAaARTIO
Libro di riferimento
«FIRE SAFETY 
ENGINEERING»
UTET
CONSIGLIATO PER CHI 
VUOLE 
APPROFONDIRE I 
CONCETTI DI TALE 
LEZIONE

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I parametri richiesti da FDS utili per descrivere un particolare scenario sono contenuti
in un file di testo creato dall’utente che sarà spiegato nel dettaglio nelle slides
successive. Con FDS si possono realizzare i seguenti modelli:
• modello idrodinamico
• modello di combustione
• trasmissioneper irraggiamento
• sprinklere rilevatori.
FDS è in grado di fornire come dati di uscita, previo un opportuno settaggio della
simulazione, i valori delle seguenti variabili scalari e vettoriali a prefissati intervalli di
tempo:
• temperatura, velocità e concentrazione dei gas
• concentrazione dei prodotti di combustione
• visibilitàe pressione
• tempo di attivazione di erogatori sprinkler e di rivelatoridi calore o di fumo
• flussidi massae di energia.
Questi valori vengono valutati in ogni cella: tipicamente un modello FDS è costituito
da centinaia di migliaia di celle e migliaiadi intervallitemporali.
Gli andamenti nel tempo di alcune grandezze in singoli punti dello spazio o quantità
come la potenza termica rilasciata sono salvati in file di estensione .csv utilizzabili in
programmidi elaborazione dati.

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Filediinput
Le operazioni svolte dal programma FDS sono basate su un file di testo di input la cui
estensione è .fds: il nome del file sarà del tipo quindi job_name.fds. Nel file di input
sono contenute tutte le informazioni necessarie per la descrizione dello scenario di
incendio.
Queste riguardano:
• le dimensioni della griglia, la quale consiste in una o più mesh di celle uniformi.
Tutti gli elementi devono avere dimensioni conformi alla griglia: oggetti più piccoli
della singola cella possono essere approssimati con la cella minima o ignorati
• la geometria dell’edificio: è rappresentata da una serie di blocchi rettangolari
• l’ambiente circostante: le condizioni al contorno sono applicate sulle superfici dei
blocchi;
• le proprietà dei materiali: la conducibilità termica, il calore specifico, la densità, lo
spessore;
• le caratteristiche della combustione;
• le quantità di output richieste.
Una certa disponibilità di questi file di dati è direttamente offerta dal NIST, all’interno
della cartella denominata Examples che viene installata durante la procedura di
settaggio automatico.

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Struttura del file
Nel file di input i parametri delle analisi sono organizzati in gruppi detti
namelistgroupcherappresentanoclassidiparametri.
InamelistsonostringhedicomandoinlinguaggioFORTRAN.
Costituisconoleparolechiaveperlacomprensionedelfiledidati:sitrattadi
una trentina di istruzioni, tutte individuate per mezzo di una stringa
compostadaquattrocaratterialfabetici,comeriportatoin Tabella.
Ognistringadelnamelistiniziaconilcarattere&efinisceconloslash(/).
Ciòchevieneeventualmentescrittodopoloslashnonvienelettodal
programma: è solo un commento utile all’utente per descrivere l’istruzione
cheloprecede.
I singoli comandi sono separati dalla virgola, dallo spazio o da
un’interruzionedilinea.

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ProgettazioneStrutturaleAntincendio –Costruzionedel  listato
IL GRUPPO &HEAD ESEMPI:
&HEAD CHID='wood', TITLE='Test' /
&HEAD CHID='INCENDIO', TITLE='RIS'  /  

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PARAMETRI DEL GRUPPO &HEAD

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IL GRUPPO &HEAD IN UN LISTATO

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IL GRUPPO &MESH TuttiicalcoliinFDSdevono essere condotti all’interno di un dominio che è
costituito da volumi discretizzati.
Ogni volume è composto da celle parallelepipede, il numero delle quali dipende
dalla risoluzione voluta della dinamica del flusso. MESH è il namelist che definisce il
dominio computazionale.
Il sistema di coordinate necessario per la definizione della mesh è conforme alla
regola della mano destra. Il punto di origine è definito attraverso il primo, il terzo e
il quinto valore di una sestina di numeri reali XB e il punto finale attraverso il
secondo, il quarto ed il sesto valore.
Per esempio:
&MESH, IJK=10,20,30. XB=0.0,1.0,0.0,2.0,0.0,3.0/
definisce una mesh il cui volume si estende dall’origine per 1 metro in direzione x,
2 m in direzione y e 3 metri in direzione z. La mesh è suddivisa in celle attraverso il
parametro IJK.Nell’esempio di cui sopra il dominio è diviso in cubi di 10 cm.
&MESH IJK=50,150,60, XB=0.0,5.0,0.0,15.0,0.0,6.0  /  778545 NUMERO DI CELLE

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IL GRUPPO &MESH IN UN LISTATO

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ProgettazioneStrutturaleAntincendio –Costruzionedel  listato
IL GRUPPO &TIME
Le condizioni riguardanti la durata della simulazione e il tempo dello step iniziale
vengono attribuite attraversoil namelistTIME.
Il parametro che permette di indicare la durata è T_END che di default è impostato
pari ad 1s. Per esempio, la seguente riga di comando fornisce l’istruzione che la
simulazione duri 5400 secondi.
&TIME,T_END=5400. /
Impostando T_END pari a zero, si può effettuare un rapido controllo della geometria
del problema in Smokeview. È possibile specificare anche il tempo di inizio della
simulazione tramiteil comando T_BEGIN.
Questa è un’opzione utile per realizzare un filmato volendo mostrare le condizioni
iniziali.
Il passo temporale di integrazione numerica iniziale può essere specificato
attraverso il comando DT. Questo parametro è normalmente calcolato dividendo la
dimensione del volume discretizzato per la velocità del flusso di calore. Il valore di
default di DT è doveδx,δy,δz sono le dimensioni della cella minore, Hèl’altezza
massimadel dominio egl’accelerazione di gravità.

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IL GRUPPO &TIME
Durante la simulazione non è permesso aumentare il suo valore iniziale a meno che
non si specifichi altrimenti attraversola seguente stringa di testo:
&TIME,RESTRICT_TIME_STEP=.FALSE./
Un altro parametro interessante che può essere utilizzato quando si ha un dominio
diviso in più griglie è SYNCHRONIZE, un indicatore logico che permette di far
coincidere i DT di tutte le mesh.
Di default è .TRUE.
&TIME,SYNCHRONIZE=.true./

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PARAMETRI DEL  GRUPPO &TIME

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IL GRUPPO &TIME IN UN LISTATO

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IL GRUPPO &INIT

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PARAMETRI DEL GRUPPO &INIT

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IL GRUPPO &OBST
Il namelist OBST contiene tutti i parametri necessari a definire le ostruzioni.
Ciascuna riga di comando contiene le coordinate del rettangolo solido all’interno
del dominio.
Il solido è definito da due punti ( x1, y1, z1)e(x2,y2, z2) espressi all’interno di un
vettore da 6 elementi XB=X1,X2,Y1,Y2,Z1,Z2.
In aggiunta alle coordinate, le condizioni al contorno per gli oggetti sono specificate
attraversoi parametri SURF_ID,che assegna la tipologia di superficie considerata.

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IL GRUPPO &OBST

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PARAMETRI DEL GRUPPO &OBST

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IL GRUPPO &OBST IN UN LISTATO

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IL GRUPPO &HOLE Attraversoil namelist HOLE è possibile realizzare un’apertura in un oggetto esistente.
Per fare questo è sufficiente scrivere
&HOLE XB=2.0,4.5,1.9,4.8,0.0,9.2/
e si toglie materiale nel solido tra2.0<x<4.5; 1.9<y<4.8; 0.0<z<9.2.
Se l’apertura rappresenta una porta o una finestra, è una regola generale assicurarsi
che il programma riesca a vedere l’apertura attraversol’intera ostruzione.
Per esempio, se OBST denota un muro di spessore 0.1 m parallelo al piano yz e
avente spessore in direzione x.
&OBST XB=1.0,1.1,0.0,5.0,0.0,3.0/
e si vuole creare una porta, allora si aggiunge la riga:
&HOLE XB=0.99,1.11,2.0,3.0,0.0,2.0/

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IL GRUPPO &MULT

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PARAMETRI DEL GRUPPO &MULT

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IL GRUPPO &VENT

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PARAMETRI DEL GRUPPO &VENT

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IL GRUPPO &VENT &VENT XB=0.0, 0.0, 0.0, 1.0, 0.5, 1.0 SURF_ID='INFLOW_AND_TRACERS' /
&VENT XB=2.0, 2.0, 0.0, 1.0, 0.0, 2.0 SURF_ID='OPEN' /
&VENT XB=0.0, 2.0, 0.0, 0.0, 0.0, 2.0 SURF_ID='OPEN' /
&VENT XB=2.0, 2.0, 0.0, 0.0, 0.0, 2.0 SURF_ID='OPEN' /
&VENT XB=0.0, 2.0, 0.0, 1.0, 2.0, 2.0 SURF_ID='OPEN' /
ESEMPI DI LISTATO DEL GRUPPO &VENT
&VENT MB='XMIN' SURF_ID='OPEN'/ 
&VENT
 MB='XMAX' SURF_ID='OPEN'/ 
&VENT MB='YMIN' SURF_ID='OPEN'/ 
&VENT MB='YMAX' SURF_ID='OPEN'/ 
&VENT MB='ZMAX' SURF_ID='OPEN'/ 

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IL GRUPPO &MATL

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IL GRUPPO &MATL L’assegnazione delle condizioni al contorno è un aspetto
fondamentale del problema preso in considerazione, perché
influenzanopesantementelacrescitaelosviluppodell’incendio.
Perspecificareleproprietàdeisolidi,siusailnamelistSURF.
I solidi sono costituiti da una serie di strati che possono essere di
materialidiversi.
Le proprietà di ogni materiale sono indicate attraverso il namelist
MATL.
Questeproprietàriguardanolarapiditàdiriscaldamentoelemodalità
concuibruciailmateriale.
Ogni materiale è contraddistinto da un ID a cui è associato una
superficieattraversoilparametroMATL_ID.

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IL GRUPPO &MATL

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IL GRUPPO &MATL

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IL GRUPPO &MATL

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IL GRUPPO &MATL 
WATER EVAPORATION FROM ORIGINAL WOOD
&MATL ID                = 'WATER'
EMISSIVITY       = 1.0
DENSITY           = 1000.
CONDUCTIVITY     = 0.6
SPECIFIC_HEAT    = 4.19
N_REACTIONS      = 1
A                 = 1E20
E                 = 1.62E+05
NU_WATER          = 1.0
HEAT_OF_REACTION = 2260. /
&MATL ID                = 'LIGNIN'
EMISSIVITY       = 1.0
DENSITY           = 550.
CONDUCTIVITY     = 0.1
SPECIFIC_HEAT    = 1.1 /
THE PRODUCT OF REACTION 
2
&MATL ID                = 'CHAR'
EMISSIVITY       = 1.0
DENSITY           = 140.
CONDUCTIVITY_RAMP = 'K_CHAR'
SPECIFIC_HEAT    = 1.1 /

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PARAMETRI DEL GRUPPO &MATL

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IL GRUPPO &SURF SURF è il namelist che definisce la struttura delle superfici di tutti i solidi e delle
aperture interne al dominio o al bordo.
Le condizioni al contorno per le aperture e per le ostruzioni sono assegnate proprio
nella riga di comando delle SURF.
Di defaultper tutte le superficie è assegnata la temperatura ambiente e il materiale
inerte.
Per determinare le caratteristiche dell’incendio è sufficiente assegnare il valore del
HRR, senza esser costretti al dover indicare il tipo di materiale. La sorgente di
incendio può essere modellata quindi solo il valore del HRRPUA, cioè del
coefficiente di rilasciotermico per unità di area espresso in kW/m2.
Esempio:
&SURFID=’FIRE’,HRRPUA=500. /

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IL GRUPPO &SURF
&SURF ID='INFLOW_AND_TRACERS',VEL=‐0.25,PART_ID='inflow_blue' /

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IL GRUPPO &SURF

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IL GRUPPO &SURF

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IL GRUPPO &SURF È possibile anche assegnare tipologie di superficie diverse per i vari strati
dell’oggetto (superiore laterale ed inferiore) attraverso il comando SURF_IDS che
costituisce una matrice con le proprietà del lato superiore, laterale ed inferiore.
Per esempio con i comandi
&SURFID=’FIRE’,HRRPUA=1000.0 /
&OBST XB=2.3,4.5,1.3,4.8,0.0,9.2,SURF_IDS=’FIRE’,’INERT’,’INERT’/
si vuole indicare che si infiammasolo la superficie superiore dell’oggetto.
Attraversoil parametro ID6, è possibile specificare le caratteristiche di ogni piano
esterno dell’oggetto:
&OBST XB=2.3,4.5,1.3,4.8,0.0,9.2, SURF_ID6=’FIRE’,’INERT’,’HOT’,’COL
D’,’BLOW’,’INERT’ /
dove le sei superfici descritte si riferiscono ai piani x=2.3m, x=4.5m, y=1.3m,
y=4.8m , z=0.0m, z=9.2m.

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CORRELAZIONE TRA GRUPPO &MATL E &SURF

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CORRELAZIONE TRA GRUPPO &MATL E &SURF

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IL GRUPPO &REAC

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IL GRUPPO &REAC

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IL GRUPPO &REAC
Per assegnare l’incendio si può specificare la HRRPUA nella riga della SURF oppure
specificare il calore di reazione (HEAT_OF_REACTION) attraverso i parametri termici
nella riga del MATL. Le reazioni vengono indicate nella stringa REAC nella quale i
parametri principalisono: •IDmostrailnomeidentificativodellareazione
•C,H,O,NOTHERsonoicomponentichimicidellaformula
•SOOT_YIELD è la frazione di massa di comburente convertita in
particolatodifumo
•CO_YIELD è la frazione di massa di carburante convertita in monossido di
carbonio
•HEAT_OF_COMBUSTION è la quantità di energia rilasciata per unità di
massadicarburanteconsumato.

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Ing. Marcello  Mangione
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ProgettazioneStrutturaleAntincendio –Costruzionedel  listato
IL GRUPPO &REAC

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ESEMPI DEL GRUPPO &REAC

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IL GRUPPO &REAC &REAC FUEL='WOOD'
FYI='Ritchie, et al., 5th IAFSS, C_3.4 H_6.2 O_2.5, dHc = 15MW/kg'
SOOT_YIELD = 0.02
O           = 2.5
C           = 3.4
H           = 6.2
HEAT_OF_COMBUSTION = 17700 /
ESEMPIO DI INNESCOBENZINA
&REAC FUEL = 'BENZENE'
FYI = 'BENZENE, C_6 H_6'
HEAT_OF_COMBUSTION = 39900.
O = 0.
C = 6.
H = 6.
CO_YIELD            = 0.067
SOOT_YIELD = 0.181/

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IL GRUPPO &RAMP Per ogni materiale solido si specificano le sue proprietà termiche: conduttività,
densità, calore specifico, emissività. Sia la conduttività che il calore specifico
possono essere essere funzione della temperatura.
Questa dipendenza può essere assegnata attraversoil commando RAMP.
Per esempio, considerando la marinite (un tipo di argillite petrolifera adatto ad
applicazioni ad alte temperature), si indica
&MATLID = ‘MARINITE’
EMISSIVITY= 0.8
DENSITY= 737.
SPECIFIC_HEAT_RAMP= ‘c_ramp’
CONDUCTIVITY_RAMP = ‘k_ramp’ /
&RAMPID=’k_ramp’,T= 24., F=0.13 /
&RAMPID=’k_ramp’,T=149., F=0.12 /
&RAMPID=’k_ramp’,T=538., F=0.12 /
&RAMPID=’c_ramp’,T= 93., F=1.172 /
&RAMPID=’c_ramp’,T=205., F=1.255 /
&RAMPID=’c_ramp’,T=316., F=1.339 /
&RAMPID=’c_ramp’,T=425., F=1.423 /

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IL GRUPPO &RAMP
In questo caso, il parametro T nel comando RAMPsi riferisce alla temperatura ed F è il
valore specifico del parametro richiesto. Il parametro T del comando RAMP può
riferirsianche al tempo come nel caso che si riporta di seguito
&MATLID = ‘stuff’
CONDUCTIVITY= 0.1
SPECIFIC_HEAT= 1.0
DENSITY= 900.0 /
&SURFID = ‘my surface’
COLOR = ‘GREEN’
MATL_ID = ‘stuff’
HRRPUA = 1000.
IGNITION_TEMPERATURE = 500.
RAMP_Q = ‘fire_ramp’
THICKNESS = 0.01 /
&RAMP ID=’fire_ramp’, T= 0.0, F=0.0 /
&RAMP ID=’fire_ramp’, T= 10.0, F=1.0 /
&RAMP ID=’fire_ramp’, T=310.0, F=1.0 /
&RAMP ID=’fire_ramp’, T=320.0, F=0.0 /

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IL GRUPPO &RAMP

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IL GRUPPO &PART
&PART ID='inflow_blue',MASSLESS=.TRUE.,QUANTITIES(1)='PARTICLE  

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IL GRUPPO &DEVC

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IL GRUPPO &DEVC

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IL GRUPPO &DEVC
&OBST XB= 1.40 2.00 2.00 2.20 1.20 3.00
SURF_ID='FINESTRA'DEVC_ID='TEMPERATURA1'/
&DEVC XYZ= 1.60 2.20 2.00 ID='TEMPERATURA1' SETPOINT= 250.00
QUANTITY='TEMPERATURE' INITIAL_STATE=.TRUE. /
&OBST XB= 3.20 3.80 2.00 2.20 2.10 3.00
SURF_ID='FINESTRA'/
&OBST XB= 0.80 1.00 3.90 5.20 1.20 3.00
SURF_ID='FINESTRA'/
&OBST XB= 1.30 2.20 12.80 13.00 2.20 3.00
SURF_ID='FINESTRA'DEVC_ID='TIMER1'/
&OBST XB= 2.20 3.80 12.80 13.00 0.20 3.00
SURF_ID='FINESTRA'DEVC_ID='TIMER1'/
&DEVC XYZ=3.0,3.0,3.0, ID='TIMER1', SETPOINT= 120., QUANTITY='TIME',
INITIAL_STATE=.TRUE. /SENSORE PORTONE INGRESSO
&OBST XB= 2.20 2.30 12.80 13.00 0.20 2.20 
SURF_ID='PORTA'/
&OBST XB= 1.30 3.80 12.80 13.00 2.20 2.30
SURF_ID='PORTA'/

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ProgettazioneStrutturaleAntincendio –Costruzionedel  listato
IL GRUPPO &PROP

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IL GRUPPO &PROP

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IL GRUPPO &BNDF

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PARAMETRI DEL GRUPPO &BNDF

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IL GRUPPO &DUMP

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IL GRUPPO &SLCF

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PARAMETRI DEL GRUPPO &SLCF

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ProgettazioneStrutturaleAntincendio –Costruzionedel  listato
ESEMPI GRUPPO &SLCF &SLCF PBY=0.5, QUANTITY='TEMPERATURE',VECTOR=.TRUE. /
&SLCF PBZ=0.5, QUANTITY='TEMPERATURE',VECTOR=.TRUE. /
&TAIL /
&SLCF PBX=1.50 QUANTITY='TEMPERATURE' / 
&SLCF PBX=1.50 QUANTITY='VELOCITY' VECTOR=.TRUE. / 
&SLCF PBX=1.50 QUANTITY='VISIBILITY' / 
&SLCF PBX=1.50 QUANTITY='CARBON MONOXIDE' / 
&SLCF PBX=1.50 QUANTITY='CARBON DIOXIDE' /
&SLCF PBY=2.60 QUANTITY='TEMPERATURE' / 
&SLCF PBY=2.60 QUANTITY='VELOCITY' VECTOR=.TRUE. / 
&SLCF PBY=2.60 QUANTITY='VISIBILITY' / 
&SLCF PBY=2.60 QUANTITY='CARBON MONOXIDE' / 
&SLCF PBY=2.60 QUANTITY='CARBON DIOXIDE/

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STRUTTURA DEL LISTATO COMPLETO

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VISUALIZZAZI0NE DEI RISULTATI CON SMOKEVIEW

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ESERCITAZIONE IN AULA
&HEAD CHID='wood', TITLE='Test' /
&MESH IJK=50,50,50, XB=0.0,2.0,0.0,1.0,0.0,2.0  /
&TIME T_END=20.0 /
&SURF ID='INFLOW_AND_TRACERS',VEL=‐0.25,PART_ID='inflow_blue' /
&PART ID='inflow_blue',MASSLESS=.TRUE.,QUANTITIES(1)='PARTICLE  TEMPERATURE',RGB=0,0,255 / 
Lagrangian particles
&VENT XB=0.0, 0.0, 0.0, 1.0, 0.5, 1.0 SURF_ID='INFLOW_AND_TRACERS' /
&VENT XB=2.0, 2.0, 0.0, 1.0, 0.0, 2.0 SURF_ID='OPEN' /
&VENT XB=0.0, 2.0, 0.0, 0.0, 0.0, 2.0 SURF_ID='OPEN' /
&VENT XB=2.0, 2.0, 0.0, 0.0, 0.0, 2.0 SURF_ID='OPEN'
 /
&VENT XB=0.0, 2.0, 0.0, 1.0, 2.0, 2.0 SURF_ID='OPEN' /

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&REAC FUEL='WOOD'
FYI='Ritchie, et al., 5th IAFSS, C_3.4 H_6.2 O_2.5, dHc = 15MW/kg'
SOOT_YIELD = 0.02
O           = 2.5
C           = 3.4
H           = 6.2
HEAT_OF_COMBUSTION = 17700 /
&PART ID='fire_red',MASSLESS=.TRUE.,RGB=255,0,0  / Lagrangian particles
&SURF ID='IGN FIRE',HRRPUA=1000.,RGB=255,0,0,PART_ID='fire_red'  /
&VENT XB=0.0,0.75,0.25,0.75,0.0,0.0,SURF_ID='IGN  FIRE' /
&PART ID='floor_black',MASSLESS=.TRUE.,RGB=0,0,0  / Lagrangian particles
&SURF ID='TRACER_INJECT_FROM_FLOOR',VEL=‐0.2,PART_ID='floor_black'  /
&VENT XB=1.25,1.75,0.25,0.75,0.0,0.0,SURF _ID='TRACER_INJECT_FROM_FLOOR' /
&DUMP DT_SLCF=0.1 /
&SLCF PBY=0.5, QUANTITY='TEMPERATURE',VECTOR=.TRUE. 
/
&SLCF PBZ=0.5, QUANTITY='TEMPERATURE',VECTOR=.TRUE. /
&TAIL /

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