CFDHet simuleren van stromingen met behulp van numerieke computermodellen

ComputationalFluid Dynamics

CFD

Col

ofon

2

Redactie

Bas de Bont

Koos Melse

Jort de Bosch Kemper

Uitgave

April 2011

ZRi adviseurs en ingenieurs

Balistraat 1

2585 XK Den Haag

T 070 361 55 59

E visie@zri.nl

Niets uit deze uitgave mag zonder voorafgaande schriftelijke toestemming

van ZRi verveelvoudigd en/of openbaar worden gemaakt.

CFD

Com

puta

tiona

l Flu

id D

ynam

ics

3

Bij een CFD-simulatie wordt een 3D-grafisch model gemaakt van de te

berekenen situatie, bijvoorbeeld een gebouw of een ruimte in een gebouw.

Alle voor de stromingen relevante informatie wordt in het model opgenomen.

Eigenschappen van lucht of andere gassen (zoals rook), materiaaleigenschap-

pen en randvoorwaarden worden ingevoerd. Randvoorwaarden worden in veel

gevallen ontleend aan richtlijnen, soms ook betreft het statistische gegevens

over heersende windsnelheden, buitentemperaturen enz.

Vervolgens wordt een rekengrid aangemaakt binnen het materiaal waarvan

men informatie wil hebben. Meestal is dit een rekengid van de lucht in of om

het gebouw, maar dit kan ook een rekengrid zijn van een vloeistof of vaste stof.

Binnen het rekengrid worden voor alle cellen de vergelijkingen van massa,

energie en impuls opgelost. Deze berekeningen vergen een bovengemiddeld

uitgeruste computer en een rekentijd, variërend van een paar uur tot een paar

dagen, afhankelijk van de complexiteit en grootte van het model.

Nadat de berekening is afgerond kunnen resultaten worden gegenereerd. Dit

kan zowel numeriek als visueel of door middel van een combinatie van beide. Bij

de resultaten kunnen alle eigenschappen van de materialen inzichtelijk worden

gemaakt. Veelal is men geïnteresseerd in bijvoorbeeld: luchtsnelheden, tempe-

raturen, stromingsrichting, drukken en concentraties (vervuiling of rookgas).

ZRi voert deze berekeningen uit met het softwarepakket FloEFD. De resultaten

worden geanalyseerd en vertaald naar concrete adviesrapporten, bijvoorbeeld

bestemd voor indiening bij een bouwaanvraag of ten behoeve van optimalisatie

van het ontwerp van gebouw en installaties.

ToepassingsgebiedenDe CFD-techniek is op een breed scala aan vraagstukken toepasbaar.

Binnen de bouw zijn dit veelal stromingen van lucht of rook. Dit kunnen echter

ook stromingen van energie (temperatuurverloop) of vloeistoffen zijn.

Bij windsimulaties wordt als het ware een digitale windtunnel opgezet, waarbij

het gedrag van de wind rond gebouwen wordt geanalyseerd. Er worden bereke-

ningen uitgevoerd voor een groot aantal windrichtingen. Op deze manier worden

Simuleren van stromingen met behulp van numerieke computermodellenHet simuleren van stromingen met behulp van numerieke

computermodellen gebeurt al lange tijd in de vliegtuigbouw en

ruimtevaart. Maar ook in de bouwwereld wordt deze techniek

steeds vaker ingezet. De techniek wordt aangeduid met CFD

(Computational Fluid Dynamics), hiermee is het mogelijk

stromingen van vloeistoffen, gassen en energie modelleren

en te simuleren.

CFD

Com

puta

tiona

l Flu

id D

ynam

ics

4

de probleemgebieden rond gebouwen opgespoord en wordt gezocht naar

maatregelen ter verbetering en optimalisatie. In de gebouwde omgeving wordt

dit onderzoek veelal uitgevoerd conform de norm NEN 8091:2006 ‘Windhinder

en windgevaar in de gebouwde omgeving’. Deze norm bevat zowel de voor-

waarden voor de uitvoering van het CFD-onderzoek als de criteria waarop de

onderzoeksresultaten worden beoordeeld.

Het onderzoek kan voor één enkel gebouw worden uitgevoerd (meestal

hoogbouw), of voor een groter stedelijk gebied. In het laatste geval betreft het

vaak gebieden met veel voetgangers en fietsers, bijvoorbeeld winkelgebieden,

stadscentra of een universiteitscampus.

Bij simulaties van het binnenklimaat kan met CFD onderzoek worden verricht

naar ventilatiestromen ten gevolge van de klimaatinstallatie of ten gevolge van

koudeval of andere luchtstromingsverschijnselen. Hiermee kunnen bijvoorbeeld

tochtklachten worden onderzocht of mogelijk voorkomen. Daarbij is het ook

mogelijk om bronnen van koude of warmte, zoals radiatoren en koude opper-

vlakken mee te nemen in de simulatie. Elders in deze brochure is een concreet

voorbeeld van deze toepassing getoond (project Nederlands Kanker Instituut-

Antoni van Leeuwenhoek Ziekenhuis te Amsterdam). Een andere toepassing is

het optimaliseren van voorzieningen voor natuurlijke ventilatie in de gevel.

CFD wordt momenteel in de bouwwereld veel ingezet bij brand- en rook-simulaties, bijvoorbeeld in parkeergarages en atria. Hierbij is het mogelijk om

tijdsafhankelijk het verloop van temperaturen en de opeenhoping van gassen

te simuleren. Bij het ontwerp van parkeergarages worden CFD-berekeningen

ingezet ter onderbouwing van een gelijkwaardige oplossing voor grote brand-

compartimenten (1.000 - 10.000 m2). Indien aangetoond wordt dat in het geval

van brand met gebruikmaking van een brandventilatiesysteem aan de door

de brandweer vastgestelde eisen ten aanzien van temperatuur en rookdicht-

heid (zichtlengte) wordt voldaan, kan compartimentering van dit soort garages

achterwege blijven. De uitgangspunten voor deze berekeningen zijn in normen

en richtlijnen vastgelegd. Zie het voorbeeld elders in deze brochure van de

parkeergarage in het project Vierhavenstrip te Rotterdam.

Windsimulatie | met CFD van een dicht stedelijk gebied, posities met windhinder en windgevaar zijn inzichtelijk te maken

5

Temperatuurverloop | Temperatuur in een stalen kolom bij opwarming door brand.

In het geval van atria in gebouwen kan een CFD-berekening meerder doelen

hebben:

- Aantonen dat het atrium gedurende langere tijd rookvrij blijft en dus veilig is

om als vluchtweg te gebruiken. Het atrium wordt hierbij doorgerekend inclusief

een voorziening voor rook- en warmteafvoer (RWA-installatie).

- Aantonen dat er geen brandoverslag kan plaatsvinden vanuit het atrium

naar omringende bouwdelen. Hiermee wordt voorkomen dat de gevels van

deze bouwdelen die grenzen aan het atrium brandwerend moeten worden

uitgevoerd.

Elders in deze brochure is als voorbeeld van een CFD-berekening van een

atrium het project Isala Klinieken te Zwolle opgenomen.

Bij brand is het in sommige gevallen van belang om het temperatuurverloop binnen constructies te bepalen. Hiermee kan men bepalen of een constructie

zal bezwijken en kan men voorspellen op welk tijdstip deze zal bezwijken.

Het wordt dan mogelijk een constructie op brandwerendheid te toetsen.

Soms kunnen hierbij kostbare maatregelen voor brandwerende bekleding of

coatings worden vermeden. Een CFD berekening kan hierbij dienen als onder-

bouwing. Bij dergelijke berekeningen wordt CFD ingezet als tool voor Fire Safety

Engineering.

Op vergelijkbare wijze als bij brand is het ook mogelijk om te rekenen aan

thermische isolatie. Hierbij kan de temperatuur in constructies of op

oppervlakten van constructies worden bepaald als gevolg van bijvoorbeeld

het temperatuurverschil tussen binnen- en buitenklimaat. Hieruit kan men

desgewenst ook afleiden of condensatie zal optreden. Het verschil tussen

CFD en veel bestaande rekenprogramma’s is dat CFD dynamisch is en dus

het temperatuurverloop over de tijd kan worden meegenomen.

Ook onderzoek naar luchtkwaliteit kan worden uitgevoerd met CFD. Hierbij

kan luchtverontreiniging op stedenbouwkundig niveau, bijvoorbeeld ten gevolge

van verkeer, of op gebouw niveau, ten gevolge van processen of mensen,

worden gesimuleerd. Concentraties van fijnstof, gassen enz. worden bepaald en

getoetst aan de voorschriften.

CFD

Com

puta

tiona

l Flu

id D

ynam

ics

In opdracht van Dura Vermeer Vastgoed is ZRi betrokken

bij het ontwikkelen van het project Vierhavensstrip in

Rotterdam. Het ontwerp van architecten Buzelaar en

Van Son uit Amsterdam omvat in totaal: circa 23.000 m² bvo

bebouwing met daarin kantoorruimte, non-profit, onderwijs,

horeca, detailhandel en bijbehorende parkeervoorzieningen

(ca. 800 plaatsen).

Tevens circa 6.000 m² overdekte expeditiestraat, bestemd voor grootschalige en

perifere detailhandel.

Bij de zeer grote garage (> 5000 m2) werd een CFD-simulatie door de brand-

weer vereist. De CFD-simulatie diende daarbij aan te tonen dat met gebruik-

making van het brandventilatiesysteem de zichtlengtes en temperaturen binnen

gestelde normen blijven.

Vierhavenstrip te Rotterdam

brandsimulatie parkeergarage

Referentieprojecten

Impressie: Dura Vermeer Vastgoed

Ref

eren

ties

Vier

have

nstri

p te

Rot

terd

am

6

Ref

eren

ties

Vier

have

nstri

p te

Rot

terd

am

7

In dit geval ging het om een parkeergarage welke zeer langgerekt was. Door

middel van mechanische ventilatie ondersteund door stuwdrukventilatoren wordt

de warmte en rook bij brand afgevoerd. Daar het een zeer grote garage uit een

reeks identieke elementen betrof, ook wat betreft de ventilatiestromingen, is in

overleg besloten slechts één element te simuleren. Conform de richtlijn is een

autobrand gemodelleerd waarbij 3 auto’s betrokken waren. De positie van de

brand is ongunstige gekozen, nabij een trappenhuis dat in dit geval een dode

hoek veroorzaakte. Aangetoond is onder meer dat tijdens de brand de zicht-

lengte in de gehele garage meer dan 30 m bedraagt op een hoogte van 2,50 m.

Algemene gegevens van het project

Opdrachtgever: Dura Vermeer Vastgoed

Type gebouw: Kantoorruimte, non-profit, onderwijs, horeca, detailhandel

en bijbehorende parkeervoorzieningen

Periode: 2005 - heden

Architect: Buzelaar en Van Son

Omvang: 23.000 m² bvo

Vierhavenstrip | Voorgevel

Referentieprojecten

Brandsimulatie parkeergarage | De brand is conform de richtlijnen gemodelleerd, waarbij de resultaten rook laten zien. De zichtlengte en temperatuur zijn geanalyseerd en de resultaten gerapporteerd waarmee in dit geval is aange-toond dat werd voldaan aan de eisen.

Ref

eren

ties

Nie

uwbo

uw Is

ala

Klin

ieke

n te

Zw

olle

8

Nieuwbouw Isala Klinieken te Zwolle

brandsimulatie atria

Voor de nieuwbouw van de Isala klinieken te Zwolle verzorgde

ZRi o.a. het opstellen van het bouwfysisch programma van

eisen en de integrale advisering van bouwfysica, akoestiek en

specifieke brandveiligheidsvragen.

De architect is Architecten Maatschap Isala waarin samenwerken: a/d amstel

architecten, en Alberts en Van Huut B.V.. De nieuwbouw van circa 90.000 m2

bvo, bestaande uit vier zogenaamde vlinders met elk 5 tot 6 bouwlagen verbon-

den door een patiëntengang, betreft een compleet ziekenhuis bestaande uit drie

beddenhuizen, operatiekamers, intensive care, poliklinieken, radiotherapie met

bestralingsbunkers, stafruimten, centraal entreegebied met patiëntenbalies en

restaurant.

Onder andere de brandveiligheid van

de atria is door ZRi onderzocht naar aan-

leiding van een vraag van de brandweer

of een ruimte liggend aan een atrium,

op de bovenste bouwlaag, bij brand

rookvrij zou blijven. Het atrium had een

complexe vorm met veel openingen in

het dak en één gevel. Het dak is los-

gehouden (‘opgetild’) ten opzichte van

de wanden waardoor een extra ventilatie-

opening ontstond bovenin de ruimte.

Door de complexe geometrie was het

niet mogelijk een eenvoudige berekening

uit te voeren met een vultijdenmodel.

Impressie: AMI

Brandsimulatie atrium | In de boven-staande figuur is de rookdichtheid in het atrium weergegeven. De vraagstelling was of de rook voldoende zou worden afgevoerd. Vanwege de complexe geometrie van het atrium en de vorm en positie van de gevelopeningen was het niet mogelijk deze berekening met een eenvoudig vultijdenmodel uit te voeren.

Ref

eren

ties

NK

I-AV

L te

Am

ster

dam

9

Voor de bouwprojecten van het Nederlands Kanker Instituut/

Antoni van Leeuwenhoek ziekenhuis voert ZRi de integrale

advisering uit van bouwfysica, en akoestiek, inclusief het

opstellen van het bouwfysisch programma van eisen voor

de nieuwbouw en renovatie.

NKI-AVL te Amsterdam

bepaling verwarmings-vermogen ter voorkoming van koudeval

vervolg op 10

Alle parameters, zoals de grootte en intensiteit van de brand en rookproductie,

alsmede de geometrie van de ruimte, zijn in de simulaties meegenomen.

Na interpretatie van de uitkomsten zijn de resultaten in een rapportage verwerkt,

welke de goedkeuring kreeg van opdrachtgever en brandweer.

Algemene gegevens van het project

Opdrachtgever: Architecten Maatschap Isala

Type gebouw: Ziekenhuis

Periode: 2006 - heden

Architect: Architecten Maatschap Isala waarin samenwerken:

a/d amstel architecten, en Alberts en Van Huut B.V..

Omvang: 90.000 m² bvo

10

De nieuwbouw van circa 20.000 m2 BVO, in 7 bovengrondse bouwlagen

en een dakterras, betreft een compleet ziekenhuis bestaande uit een

beddenhuis met 180 bedden, operatiekamers, intensive care, poliklinieken,

radiotherapie met bestralingsbunkers, stafruimten, centraal entreegebied

met patiëntenbalies, een restaurant dat de nieuw- en oudbouw verbindt en

een ondergrondse parkeergarage.

De architect van de nieuwbouw en renovatie is De Jong Gortemaker

Algra architecten en ingenieurs. De nieuwbouw is gebouwd direct tegen

het bestaande ziekenhuis dat tijdens de bouw in bedrijf is gebleven.

De nieuwbouw is in de zomer van 2003 opgeleverd.

In een ruimte met een grote glazen pui is onderzocht of hier geen hinder

als gevolg van koudeval zou optreden. Indien dit wel zou optreden was

de vraag wat het vermogen van het verwarmingselement moet zijn om dit

tegen te gaan. In de ruimte wordt mechanisch geventileerd met verwarmde

lucht, wat deels de luchtstromen in de ruimte bepaalt.

Algemene gegevens van het project

Opdrachtgever: Nederlands Kanker Instituut /

Antoni van Leeuwenhoek ziekenhuis

Type gebouw: Ziekenhuis

Periode: 1999 - heden

Architect: De Jong Gortemaker Algra architecten en ingenieurs

Omvang: 20.000 m² bvo

Binnenklimaat | Temperatuurverloop en stromingrichtingen ten gevolge van verwarming en koudeval van een glaspui. Onderzoek naar verwaringsvermogen voor voldoende thermisch comfort.

vervolg van 10

Ref

eren

ties

NK

I-AV

L te

Am

ster

dam

11

Bouwfysica & Akoestiek Professioneel advies omtrent de fysische aspecten van de binnenruimten van gebouwen is onmisbaar voor het realiseren van een comfortabele en gezonde woon- en werk omgeving.

Brandveiligheid De adviseurs van ZRi hebben een gedegen en gedetailleerde kennis van de regelgeving op het gebied van brandveiligheid. Door deskundig advies zorgt ZRi voor brandveilige gebouwen en een brandveilige woon- en werkomgeving. ZRi heeft veel ervaring met het ontwikkelen van gelijkwaardige oplossingen binnen de kaders van de regelgeving.

Glas- en geveltechniek De gevel moet presteren op meerdere fronten. De architect streeft naar uitstraling, markante vormgeving en transparantie. De gebruiker wil vooral comfort, bruikbaarheid, veiligheid, een duurzaam karakter en een laag energieverbruik. Bijde gevel ontstaat hier in veel gevallen een spanningsveld. De specialisten van ZRi bezitten de kennis van bouwmaterialen en hun eigenschappen en van de specifieke (on)mogelijkheden van allerlei verschillende geveltypes.

Programma’s van eisen Door in een vroeg stadium volledig in beeld te hebben wat de prestatie-eisen zijn voor een gebouw als geheel en voor de afzonderlijke ruimten, voorkomt u problemen (verassingen) tijdens het verdere ontwerp en de realisatie van het gebouw. Dit geldt zowel voor ruimtelijk-functionele aspecten als voor technische en kwalitatieve aspecten.

Duurzaamheid en energie Met oog voor de verschillende schaalniveaus van omgeving, het gebouw en zijn elementen kan ZRi een samenhangend duurzaamheidconcept ontwikkelen met ondermeer aandacht voor energie, water, materialen en flexibiliteit. De duurzaamheid van een gebouw of concept kan gemeten en beoordeeld worden met verschillende instrumenten.

Aanbesteden en contracteren De ervaring leert dat eenzijdige contracten, met tegengestelde belangen, niet duurzaam zijn en dus niet leiden tot de gewenste samenwerking. ZRi begeleidt aan-bestedingen en het opzetten van bouworganisaties waarbij belangen gelijkgericht zijn. De ervaring leert dat geïntegreerde contractvormen hierbij vaak de basis vormen.

Projectmanagement Diepgaande technisch inhoudelijke kennis van gebouwen in combinatie met uitstekend overzicht over het gehele bouwproces stelt ZRi in staat sterk project-

management te voeren, waarin kwaliteitsbeheersing een prominente plaats inneemt.

SpecialsCFD Computational Fluid Dynamics – Het simuleren van stromingen met behulp van numerieke computermodellen. Hiermee kunnen ondermeer brandsimulaties worden uitgevoerd of ventilatieconcepten worden beoordeeld.

Bio-Energicentrales ZRi voert in samenwerking met de gemeente Eindhoven het projectmanage-ment voor de realisatie van een drietal Bio-energiecentrales in Eindhoven.

Voor meer informatie over de diensten van ZRi kunt u contact opnemen met ZRi via welkom@zri.nl

ZRi

Dienstenpalet

ZRi

Die

nste

npal

et

ZRi adviseurs en ingenieurs

Balistraat 1

2585 XK Den Haag

T 070 361 55 59

E visie@zri.nl

I www.zri.nl

ZRi adviseurs ingenieursZRi is een landelijk opererend adviesbureau,

met kantoor in Den Haag. De activiteiten van

ZRi betreffen zowel bouwmanagement in brede

zin, door ZRi adviseurs, als bouwtechnisch en

bouwfysisch advies, door ZRi ingenieurs.

ZRi adviseursZRi adviseurs zorgt voor een transparante,

vertrouwde en duurzame relatie tussen partijen

in bouwprojecten. ZRi adviseert over het

selecteren van ontwerpende en uitvoerende

partijen, (Europees) aanbesteden en het

bepalen van de optimale samenwerkingsvorm.

ZRi ingenieursZRi ingenieurs zorgt voor een gezonde,

veilige en duurzame woon- en werkomgeving.

De activiteiten betreffen primair bouwtechniek

en bouwfysica. Dit betreft onder andere

duurzaam bouwen, brandveiligheid,

behaaglijkheid, daglichtbenutting en glas- en

geveltechniek.