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Collana TRL7 - Modellazione del fuoco: a che punto siamo? Dove stiamo andando?

Autore Gianfranco Rocchi | Chief Communication Officer | 21 Gennaio 2022 |

Kevin Mc Grattan è un matematico nell'Engineered Fire Safety Group presso il National Institute of Standards and Technology (NIST) dove ha contribuito allo sviluppo di Fire Dynamics Simulator, il modello di fluidodinamica computazionale (CFD) utilizzato in tutto il mondo per una varietà di applicazioni nella modellazione degli incendi.

Mc Grattan, in un recente ed interessante documento dal titolo “Modellazione del fuoco: a che punto siamo? Dove stiamo andando?” dichiara senza mezzi termini che “Anche se sembra a molti che la simulazione numerica sia l'avanguardia del ingegneria del fuoco e della protezione, molti non modellatori sono sorpresi di apprendere che la nostra capacità di riprodurre fenomeni di incendio attraverso la simulazione al computer è in ritardo sulla nostra comprensione empirica di circa 10 anni. […FDS] non ha ancora raggiunto la capacità di prevedere in modo affidabile, per applicazioni su larga scala, importanti fenomeni come la diffusione della fiamma, l'estinzione, la soppressione e la produzione di CO e fumo, tutti fenomeni che richiedono chimica e fisica più dettagliate di quelle attualmente incorporate nel modello.” A giudizio di Mc Grattan ad ostacolare lo sviluppo è la cattiva comunicazione tra modellatori e sperimentalisti, scienziati e ingegneri.

Esistono tre diverse tecniche CFD per modellare il fuoco: simulazione numerica (DNS), large Eddy simulation (LES) e le equazioni di Navier-Stokes mediate secondo Reynolds (RANS).

Ciascuna di queste tecniche ha punti di forza e di debolezza; Con le parole di Mc Grattan: “DNS è come un ritratto di Rembrandt, il cui livello di dettaglio è fine come il pennello che l'artista ha scelto di usare. Van Gogh e Picasso differiscono ciascuno nel grado di astrazione portato all'immagine. Van Gogh ha usato un pennello abbastanza grande e tratti spessi di vernice per creare immagini simili alla vita solo se osservate a distanza (come il LES, che tenta di calcolare la maggior parte delle lunghezze e scale temporali "risolvibili"). Picasso non ha si preoccupa molto del realismo, specialmente nei suoi ultimi anni, tuttavia ha avuto la capacità di catturare l'essenza di qualcosa con pochi tratti di un pennello (RANS tenta di mediare su scale più ampie le grandezze fondamentali).” In funzione degli scenari a cui si applica la modellazione può essere più opportuno impiegare un metodo piuttosto che un altro (anche se in prospettiva si attende l’affermazione del LES come paradigma dominante).Indipendentemente dal tipo di modello, oggi si è in grado di risolvere le equazioni di massa, momento e conservazione dell’energia in modo affidabile se ci vengono dati i termini di origine e le condizioni limite. Tuttavia, il prossimo passo per andare oltre i semplici modelli di combustione sembra essere un considerevole salto nel buio.

Questo perché non conosciamo a fondo i meccanismi chimici alla base degli incendi e non siamo ancora in grado di inferire, dai risultati di esperimenti o calcoli su piccola scala, i comportamenti, anche grossolanamente approssimati, a grande scala. Anche perché, secondo Mc Grattan, si è scelto di indagare una chimica molto più dettagliata a piccola scala trascurando la ricerca per passare a risoluzioni più ampie. Secondo la sua visione critica: “Una delle cause sta nel fatto che la comunità degli sviluppatori è composta letteralmente da poche decine di individui. Di conseguenza, coloro che scrivono programmi si trovano in una posizione particolare. Hanno un'enorme influenza nella pratica quotidiana dell'ingegneria antincendio, ma stranamente sono anche isolati dalla comunità cui si rivolgono; la maggior parte di loro non vede mai bruciare edifici reali se non al telegiornale serale. Quindi c'è un divario crescente tra le persone che scrivono i programmi, le persone che gestiscono i programmi, e le persone che sono influenzate dai risultati”.

La sapida descrizione del dibattito sulla modellazione delle turbolenze, che fa il matematico del NIST, dipinge uno scenario in cui la ricerca accademica si avvolge su se stessa, perdendo di vista il risultato pratico dei suoi sforzi. “Devo confessare che non capisco la maggior parte degli articoli che ho letto sull'argomento, eppure ho un dottorato in matematica e hanno trascorso gli ultimi 14 anni a scrivere e applicare modelli CFD! […]” dichiara caustico  Mc Grattan “Ci può essere una buona idea lì dentro da qualche parte, ma chi può dirlo!?” E paragona la sua sensazione di fronte a questi articoli a quella che prova di fronte ad alcune opere di arte moderna (nello specifico il Greyed Rainbow di Jackson Pollack). “è opera di un genio? abbiamo troppa paura di dire che è una sciocchezza?”.

La tendenza verso capacità di calcolo sempre maggiori scoraggiano gli sviluppatori di modelli dallo sviluppare codici più efficienti. “Spesso, l'obiettivo del progetto diventa il calcolo parallelo, piuttosto che la modellazione del fuoco!”.

Mc Grattan non risparmia di bacchettare i protagonisti dell’applicazione della modellazione del fuoco anche a valle. Questa disciplina ha una comunità di utenti più ampia al di fuori del mondo accademico, rispetto molti altri campi in cui si applica la modellazione fluidodinamica computerizzata. Ma il prezzo da pagare è molta cattiva modellazione. Anche in questo caso, Mc Grattan suggerisce maggiore e migliore comunicazione. “Gli sviluppatori di modelli devono dire la verità su come funzionano i modelli, e quanto bene funzionino. Ma gli utenti devono ascoltare, non importa quanto sia noiosa la discussione sulla stechiometria, sui coefficienti di estinzione e, sì, sulle turbolenze. Troppo spesso, gli utenti del modello dicono semplicemente che non hanno il background necessario per comprendere i modelli. Questo è comprensibile per le tecniche numeriche più sofisticate, ma non per i modelli fisici. Se un documento in esame non spiega bene un modello, il recensore dovrebbe rispedirlo indietro e ottenere una spiegazione migliore. Documenti scritti male non dovrebbero più “scivolare” attraverso il sistema, perché tutti hanno paura di ammettere che non li capiscono.” Agli utenti, inoltre Mc Grattan lancia un appello per una intensa attività di beta testing e non trascura di toccare il tema delle competenze dei soggetti che hanno maggior influenza sulla diffusione della modellazione computerizzata del fuoco; “Che ci crediate o no, le persone più influenti nella modellazione del fuoco non sono né gli sviluppatori né gli utenti, ma piuttosto i committenti, gli editori di riviste, gli organizzatori di conferenze, dirigenti governativi, autorità antincendio e regolatori. Raramente questi individui hanno una comprensione dettagliata dei codici informatici, degli algoritmi e così via, anche se molti hanno alti livelli di istruzione nelle varie discipline ingegneristiche. Il divario di conoscenza è in parte a causa dell'età e in parte a causa del tempo. La modellazione è un lavoro a tempo pieno.” Tema che si sposa con quello che riguarda il mantenimento in efficienza dei modelli. Man mano che i modelli si spostano dalla "ricerca" alla "pratica", il tema diventa rilevante

Al NIST, Walter Jones, lo sviluppatore di CFAST, un modello di incendio di zona comunemente usato, si è ritirato in pensione e rimangono solo due persone che hanno familiarità con il codice sorgente. FDS è mantenuto da Mc Grattan stesso con un certo sostegno da alcuni colleghi “troppo occupati, diversi ex post-doc, ricercatori ospiti e, per mancanza di un termine migliore, da appassionati, che hanno abbastanza familiarità con il codice sorgente per apportare miglioramenti significativi”, Smokeview, il compagno di visualizzazione di FDS, è mantenuto da una sola persona, Glenn Forney. Attualmente il programma supera le 50.000 righe di istruzioni.

Mc Grattan descrive un fenomeno che in economia è noto come “fallimento del mercato”: il mercato dei modelli antincendio è piuttosto piccolo, e dato che le versioni precedenti di questi modelli sono già di dominio pubblico, chi li comprerà? Alcuni dicono che gli utenti compreranno i modelli se viene fatto più sviluppo per migliorarli. Ma sarà un privato a mettere soldi in un programma che è solo marginalmente redditizio? Il mondo accademico non ha le forze per un sostegno reale del modello e anzi, scarse risorse portano a piccoli incrementi marginali sviluppati per ragioni accademiche e non applicative, con il rischio di “appesantire” inutilmente il modello.

Le associazioni di categoria non dispongono di risorse adeguate, tuttavia, fungono da naturali agenti di informazione, fornitori di istruzione e formazione e incontri professionali. Si tratta di servizi che nessuno dei gruppi di cui sopra svolge altrettanto bene, eppure sono inestimabili nel mantenere il libero flusso di idee tra sviluppatori e mercato necessario per continuare lo sviluppo del modello. Mc Grattan suggerisce la via dell’open source.

Quelli che hanno familiarità con Le avventure di Mark Twain  ricorderanno la scena in cui Tom Sawyer convince i ragazzi della città a imbiancare la recinzione per lui1. L'analogia moderna è lo sviluppo di Linux, un sistema operativo sviluppato da Linus Torvalds che ha reso il codice sorgente liberamente disponibile per gli appassionati di computer di tutto il mondo

 

note


[1] Tom Sawyer deve imbiancare la staccionata di 75 mq della zia Polly. Un lavoro così noioso che ‘La vita gli apparve vuota e l’esistenza solo un fardello’ ma quando il suo amico Ben lo prende in giro per la sua cattiva sorte, Tom ribatte che dipingere una staccionata non è un compito di poco conto, anzi, un privilegio. Lo racconta in maniera così affascinante che quando Ben gli chiede di poter provare, Tom, rincarando la dose, rifiuta. E non cede finché Ben non gli offre la sua mela in cambio di quella possibilità. Presto arrivano molti altri ragazzi, che cadono tutti nella trappola di Tom e finiscono per dipingere al suo posto la staccionata, dando persino più mani di bianco. Da questo episodio, Mark Twain ricava un principio di base della motivazione, ovvero che ‘il lavoro consiste in tutto ciò che una persona è obbligata a fare, mentre il divertimento consiste in tutto ciò che una persona non è obbligata a fare’.

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note sull'autore

Gianfranco Rocchi è curatore del digital content marketing di Mozzanica&Mozzanica Srl; con una formazione accademica in storia economica, ha una esperienza di oltre quindici anni nella consulenza aziendale relativamente ai sistemi di gestione aziendale e della salute e sicurezza sul lavoro. È stato inoltre autore di contenuti per la televisione ed il podcasting.

 

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