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Pédagogie et formation

Développement du feu dans un compartiment - Partie I
- Paru le 13/10/2006
- Déjà lu 12509 fois.

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Cours formateurs flashover - Draguignan (Canjuers-France) 2009
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Modélisation Informatique bulletArticle: Modélisation - FDS & Smokeview (I)


L'usage de l'informatique pour simuler les incendies est désormais à la portée de tous avec des logiciels puissants et surtout, gratuits ! Nous allons donc apprendre à nous en servir, au travers d'une série de cours, dont la parution sera (si tout va bien !) bi-mensuelle. A raison d'un cours tous les 15 jours, cela vous laisse le temps de tester, d'expérimenter, et cela me laisse aussi le temps de préparer le cours suivant! A vos claviers!

La modélisation, qu'est ce que c'est ?
Depuis que le site existe, nous nous penchons sur les phénomènes et nous vous avons montré que ces phénomènes étaient explicables de façon très simple. Ils ne sont que le résultat du déplacement des fumées issues de la combustion, fumées qui se trouvent piégées au plafond etc... Or, la combustion est une réaction chimique relativement bien connue. La communauté scientifique sait que la combustion de telle matière dégage telle énergie et telle quantité de fumée etc... Il est donc possible de réaliser un calcul qui permettra de connaître, pour chaque particule de fumée émise par un incendie, son trajet en fonction de sa température, des courants d'air etc...

Bien sûr, calculer cela à la main, avec un papier et un crayon, est pratiquement impossible non pas à cause de la complexité mais à cause de la quantité d'information à traiter. Avec un ordinateur cela devient possible, d'autant plus que la puissance des machines augmente en permanence.
Avec les interfaces graphiques (Windows, Mac OS, X11) plutôt que de voir les résultats d'un calcul sous forme de colonnes de chiffres, il devient possible de faire de jolis dessins! Il est alors envisageable de déterminer les dimensions d'un local, de placer un point de feu et de lancer un programme qui calculera le déplacement des fumées, la température du sol, du plafond, des murs et qui, en sortie, montrera tout cela sous forme graphique, avec une représentation en 3 dimensions et des animations.

Pour faire tout cela, il faut un outil informatique, un logiciel qui va accepter toutes les informations comme paramètres d'entrée, et qui donnera en sortie le résultat escompté.
Aux Etats-Unis, la culture du partage des outils est totalement entrée dans les moeurs. Le NIST (National Institute of Science and Technology) bien connu pour ses vidéos d'incendie, n'est pas en reste. Le NIST a ainsi réalisé plusieurs outils de modélisation, totalement gratuits et disponibles en téléchargement sur leur site.
Nous en utiliserons deux: FDS (Fire Dynamics Simulator) et Smokeview.

Pour quoi faire ?
Des outils tels que FDS et Smokeview s'avèrent capables de modéliser des locaux très divers: de la simple boîte cubique aux immeubles avec étages, de la maison complexe avec mezzanine aux cuves d'essences. Il est possible de placer des détecteurs de fumées, des sprinklers, de simuler des thermocouples et donc de prélever des températures.
Avec un minimum d'effort, il est possible de créer des portes ou des fenêtres qui vont s'ouvrir au bout d'un certain temps, d'en fermer d'autres, permettant ainsi de simuler un incendie et de voir l'incidence d'une pénétration dans la structure, le bris de vitre etc...
Il devient ainsi possible de refaire « virtuellement » un incendie afin de comprendre ce qui s'est passé. Cela devient alors un outil indispensable aux enquêteurs. Pour la compréhension des phénomènes, l'outil est également fabuleux: il est possible de modéliser par exemple une mini-maison, ou un caisson flashover et de comprendre ce qui s'y passera.

La fiabilité ?
Elle est certaine. Le moins que l'on puisse dire, c'est que le NIST n'est pas un groupement de bricoleurs. Ils ont validé leurs outils par des comparaison entre des modélisations et des essais grandeur réelle. Ils ont été jusqu'à valider les possibilités de simulation de la ventilation opérationnel avec FDS en arrivant à la conclusion que les essais seraient désormais réalisés de façon informatique, compte tenu du travail trop important et du coût exorbitant des essais « réels ».

Mais trêve de bavardage, passons à l'acte !

Télécharger les outils !
Pour vous procurer ces outils, rien de plus simple. Rendez-vous à l'adresse suivante: http://fire.nist.gov/fds4/download/ et cherchez dans la section download (téléchargement) la version correspondant à votre machine ou, plus simple, cliquez sur ce lien http://fire.nist.gov/fds4/download/fdsall_407a.exe et vous aurez directement un exécutable qui installe tout (FDS et Smokeview). Les possesseurs de Macintosh peuvent mettre un message dans le forum «Modélisation Informatique» du site flashover.fr car pour leur machine, il y a quelques « ruses »à connaître pour utiliser FDS et Smokeview. Mais rassurez vous, ça marche très bien (je suis sur un Mac !)

Comment ça fonctionne ?
En premier il faut réaliser un fichier texte, qui va contenir tous les paramètres: descriptif du local, position du feu, ouvrants etc... Ce fichier texte, vous pouvez le faire avec le bloc-note Windows (sous Mac, vous pouvez utiliser BBEdit par exemple). Une fois le fichier réalisé, vous lancez FDS en lui fournissant ce fichier. FDS va alors travailler pendant une durée plus ou moins longue, et en sortie il vous générera tout un ensemble de fichiers. Pour l'instant, nous ne nous intéresserons qu'à l'un deux, qui portera l'extension «smv». Vous lancez ensuite Smokeview en lui fournissant ce fichier «smv». Smokeview réalisera quelques traitements, puis vous affichera le résultat sous forme 3D, avec une animation. Magique!

Notre premier fichier
A partir de là, les choses vont se gâter Le format du fichier à passer à FDS n'est pas simple. Etant donné que les paramètres sont nombreux, ce fichier va devenir rapidement très complexe. Nous allons donc commencer «petit», pour aller progressivement vers la complexité.

Pour ce premier cours, nous allons seulement construire une maison avec 3 pièces.
Ouvrer votre éditeur de texte (bloc-note Windows par ex) et taper les lignes suivantes:

&HEAD CHID='test',TITLE='Test pour flashover.fr' / Tous les fichiers seront nommés "test"
&GRID IBAR=20,JBAR=20,KBAR=20 / Nombre de cellules en x, y, z
&PDIM XBAR=1.0,YBAR=1.0,ZBAR=1.0 / Dimensions en mètres
&TIME TWFIN=0.0 / Durée de la simulation

Faites attention aux majuscules pour les «codes» (HEAD, CHID, PDIM, XBAR etc) et aussi au fait que les décimaux sont séparés par des point et pas des virgules: «2 virgule 4» s'écrit donc 2.4 et pas 2,4 !
Les phrases commençant pas / sont des commentaires. Vous pouvez en mettre autant que vous voulez, pour expliquer ce que vous avez écrit, ou ne pas en mettre. Les possesseurs de Macintosh remarqueront un détail: FDS ne semble pas comprendre les fins de lignes créées par les Mac. Il faut donc finir chaque ligne de code par le signe du commentaire (« / »), sinon la ligne est considérée comme non terminée et FDS rejette le fichier.

Voyons ce que nous avons écrit:
HEAD signifie « tête » c'est donc le début (l'en-tête). Nous y trouvons le nom du fichier (paramètre CHID). Dans cet exemple le fichier se nomme «test». Sur votre disque, sauvez-le sous le nom «test.data». FDS va se repérer sur le paramètre de CHID pour nommer tous les fichiers qu'il va générer. Avec CHID= 'test' le fichier pour Smokeview s'appellera « test.smv ».

La ligne suivante va définir le nombre de cellules. En ce moment, vous êtes dans une pièce avec des murs, un sol et un plafond. Elle constitue un seul gros volume. Pour calculer les déplacement de chaleur, de fumée etc il faut travailler avec des zones plus petites. Ces zones sont, pour FDS, des petits cubes. Il vous suffit d'imaginer que la pièce dans laquelle vous vous trouvez, est remplie de milliers de petits cubes et vous aurez une idée de la manière dont travaille FDS: il prend un cube, calcul sa température et tout un tas d'autres choses, puis prend le cube suivant, fait la même chose et ainsi de suite.
Avec IBAR=20, JBR=20 et KBAR=20 nous définissons le nombre de cubes dans le sens des X, des Y et des Z. Nous en déduisons qu'ici nous aurons certainement une pièce cubique puisque nous avons le même nombre de cubes dans les trois directions.
Le code PDIM va permettre de donner les dimensions de la struture, en mètres. Nous aurons ici un local cubique de 1m de côté. Sur 1m nous avons 20 cubes donc chaque cube fait 5cm de côté. Simple et logique !

Remarque
Plus le nombre de « cubes » est important, plus la modélisation est précise. Mais en contrepartie, il faudra une mémoire de travail beaucoup plus grande et le temps de calcul sera beaucoup plus long. Dans notre exemple nous avons 20x20x20= 8000 cubes. En doublant nous aurons 40x40x40 = 64000 cubes !
Pour vous donner une petite idée, la simulation avec la maison, qui est sur la page FDS/Smokeview du NIST, posséde 180000 celules et a demandé 5 heures de calcul sur une machine avec un processeur à 3.6 Ghz.

Le paramètre suivant, «TWFIN» de la ligne «TIME», va indiquer la durée de la simulation. En mettant 0, nous demandons à FDS de vérifier la structure de notre local. Sous Smokeview nous aurons donc simplement la vue 3D de notre construction. Dans notre cas, c'est tout ce qui nous intéresse puisqu'il n'y a rien en mouvement dans notre local !

Essayons !
Le fichier est sauvé ? Parfait.
Sous Windows, allez dans «Démarrer /Programme» et cherchez l'utilitaire de ligne de commande. Avec la commande «cd» placez-vous sur le répertoire où vous avez sauvé le fichier « test.data ».Par exemple s'il est dans un dossier nommé travail, tapez cd travail.
Tapez ensuite: fds4 < test.data
Ceci dans le cas ou votre exécutable se nomme bien fds4 et votre fichier test.data
Si vous n'avez jamais utilisé de ligne de commande, ne paniquez pas. Au départ vous allez sans doute avoir un peu de mal à vous placer dans le bon répertoire, mais c'est juste un coup à prendre.
Sous Mac, vous devez lancer «X», changer également le répertoire avec « cd » puis lancer FDS avec la commande suivante: ./fds4 < test.data
Attention auparavant, il faudra avoir réglé FDS pour qu'il soit exécutable, avec la commande chmod +x fds4

FDS a maintenant produit un fichier «test.smw».
Sous Windows, il suffit de double cliquer sur ce fichier pour que cela lance Smokeview. Sur Mac, il faut taper la commande pour Smokeview sous « X »: ./smokeview test. Ne pas oublier le ./ devant le nom du programme et ne pas mettre l'extension du fichier «smv»

Une fenêtre s'ouvre, et sous vos yeux émerveillés apparaît... un cube! Avec la souris, vous pouvez le faire tourner. En cliquant avec le bouton droit dans la fenêtre, vous verrez apparaître un petit menu avec des petites options, qu'il vous reste à essayer.

Un local plus réaliste
Bon, un cube, c'est pas mal, mais pour simuler l'incendie du World Trade Center, c'est un peu léger. Nous allons donc continuer.
Reprenons notre fichier «test.data» et modifions-le.

&HEAD CHID='test',TITLE='Test pour flashover.fr' / Tous les fichiers seront nommés "test"
&GRID IBAR=80,JBAR=40,KBAR=24 / Nombre de cellules en x, y, z

Nous allons lui indiquer que nous voulons 80 « cubes » en X, 40 en Y et 24 en Z, et nous allons lui indiquer que notre local fait 8m de large, 4 de profondeur et 2,40m de haut. Nous aurons ainsi une maison rectangulaire. Sauvons le fichier, relaçons FDS puis Smokeview. Nous obtenons le résultat suivant:

Des murs
Pour FDS, les murs extérieurs sont définis par les valeurs de PDIM. Par contre, les murs intérieurs ne sont que des objets, des parallélépipèdes placés dans la structure.
Un objet est défini par le code OBST (obstruction), puis par les coordonnées de son coin inférieur gauche et de son coin supérieur droit. Il y a donc 6 valeurs pour chaque OBST. Ces valeurs sont dans l'ordre suivant: XB=X1,X2,Y1,Y2,Z1,Z2
Pour créer le premier mur nous ajoutons en fin de notre fichier test.data, la ligne suivante:

&OBST XB= 2.8, 3.0, 0.0, 4.0, 0.0, 2.4, RGB=0,1,1 /

Le mur commence en X= 2,80m et fini en X= 3, il va donc avoir une épaisseur de 20 cm. Il commence à Y = 0 et se termine à Y=4 donc il va occuper toute la profondeur de la maison. En hauteur, il commence à Z=0 et se termine à Z=2.4 C'est donc un mur qui va du sol au plafond. Ce sera le mur de gauche de notre couloir.
Le paramètre RGB (Red Green Blue donc Rouge Vert Bleu) permet de régler la couleur de l'objet.
Le caractère « / » n'est obligatoire que sur Mac ou bien si vous désirez mettre un commentaire à la suite de cette ligne.

Remarque
Le nombre de cellules dans la simulation détermine aussi la dimension de la plus petite entité. Dans notre cas, nous avons 80 cellules pour 8 m donc chaque cellule est un cube de 10 cm de côté. La dimension minimale pour les éléments sera donc de 10cm.

Lançons à nouveau FDS puis Smokeview et nous obtenons la maison avec un mur.

Pour finir
Voici le code complet du fichier test qui donne la maison avec un couloir et un mur séparant la partie de droite en deux comme ci-dessous:

&HEAD CHID='test',TITLE='Test pour flashover.fr' / Tous les fichiers seront nommés "test"
&GRID IBAR=80,JBAR=40,KBAR=24 / Nombre de cellules en x, y, z
&PDIM XBAR=8.0,YBAR=4.0,ZBAR=2.4 / Dimensions en mètres
&TIME TWFIN=0.0 / Durée de la simulation

/ Premier mur (côté gauche du couloir)
&OBST XB= 2.8, 3.0, 0.0, 4.0, 0.0, 2.4, RGB=0,1,1 /

/ Second mur (côté droit du couloir)
&OBST XB= 4.0, 4.2, 0.0, 4.0, 0.0, 2.4, RGB=0,0,1 /

/ Troisème mur (sépare la pièce de droite en deux)
&OBST XB= 4.2, 8.0, 2.0, 2.2, 0.0, 2.4, RGB=1,0,1 /


Regardez bien ce code, étudiez le et conservez le. Faites en une copie sur laquelle vous pouvez vous entraîner à rajouter des murs, les déplacer etc... Comme vous vous en doutez, le plus simple consiste à d'abord tracer les murs sur une feuille de papier quadrillé, pour n'avoir ensuite qu'à reporter les coordonnées dans votre fichier. Si vous essayez «au pif», peut-être y arriverez vous pendant un certains temps, mais dès que nous commencerons à meubler les locaux, vous n'allez plus vous en sortir.
Faites vous un petit classeur avec vos dessins, et imprimez vos fichiers !

La prochaine fois
La prochaine fois, nous placerons quelques portes et nous verrons comment les ouvrir et les fermer à volonté. Et nous placerons également un canapé afin d'y mettre ultérieurement le feu!

Et si vous avez des questions, le forum "Modélisation informatique" est là pour ça!

Pierre-Louis Lamballais / pl.lamballais@flashover.fr


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Re: Modélisation - FDS & Smokeview (I) (Score: 1)
par dioove le 03 janvier 2007 à 15:28:23
(Profil Utilisateur | Envoyer un message) http://www.essha-foot.info
Ca parait rudimentaire, mais cela fonctionne parfaitement ...............a quand la suite ...:)



Re: Modélisation - FDS & Smokeview (I) (Score: 1)
par Tmad2 le 28 mai 2009 à 12:24:32
(Profil Utilisateur | Envoyer un message)
Bonjour, quelqu'un peut t-il m'expliquer ce que veut dire cette phrase:
"Le mur commence en X= 2,80m et fini en X= 3, il va donc avoir une épaisseur de 20 cm. Il commence à Y = 0 et se termine à Y=4 donc il va occuper toute la profondeur de la maison."
Lorsque je regarde les plans dans le cours, je ne m'en sort pas. Merci



Re: Modélisation - FDS & Smokeview (I) (Score: 1)
par Tmad2 le 28 mai 2009 à 12:25:37
(Profil Utilisateur | Envoyer un message)
Bonjour, quelqu'un peut t-il m'expliquer ce que veut dire cette phrase:
"Le mur commence en X= 2,80m et fini en X= 3, il va donc avoir une épaisseur de 20 cm. Il commence à Y = 0 et se termine à Y=4 donc il va occuper toute la profondeur de la maison."
Lorsque je regarde les plans dans le cours, je ne m'en sort pas. Merci


 
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