Mehrskalen-Bewertung der Polymerpyrolyse zur Prognose der Brandausbreitung: Experimente und Modellierung (MAP-FIRE)

• Antragsteller: Professor Dr. Lukas Arnold; Professor Dr.-Ing. Jochen Zehfuß
• Fachliche Zuordnung: Konstruktiver Ingenieurbau, Bauinformatik und Baubetrieb
• Förderung: Förderung seit 2026
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 555700177

Eine der gegenwärtigen Herausforderungen in der Brandforschung ist die Vorhersage der Brandentwicklung und -ausbreitung. Basierend auf grundlegenden physikalischen und chemischen Prozessen ermöglicht sie Innovationen in vielen Bereichen, beispielsweise die Vorhersage der Brandentwicklung komplexer Materialien in bebauten Umgebungen, wie Fahrzeuge, begrünte Fassaden oder die Interaktion mit Sprinklersystemen. Die Beschreibung der thermischen Zersetzung (Pyrolyse) von brennbaren Materialien ist ein Schlüsselprozess bei der Brandprognose und bestimmt Entzündung, Ausbreitung und Erlöschen eines Brandes. Komplex werden Brandprognosen aber vor allem deshalb, weil Phänomene auf multiplen Skalen berücksichtigt werden müssen - von der Pyrolyse auf mikroskopischer Ebene bis hin zum Massen- und Wärmetransport im Realmaßstab. In gängigen wissenschaftlichen und ingenieurmäßigen Ansätzen wird eine Wärmefreisetzungsrate (HRR) als Eingabe eines CFD-basierten Brandprognosemodells vorgegeben. Dies stellt jedoch nicht den eigentlichen Pyrolyseprozess dar und setzt eine Dynamik fest. Die Aussagefähigkeit solcher Brandmodellierungsansätze für wissenschaftliche Fragestellungen ist stark begrenzt. Fortschrittliche Pyrolysemodelle beschreiben die reaktionskinetischen Prozesse über einen Arrhenius-Ansatz und sind mit den Erhaltungsgleichungen für Wärme- und Stofftransport gekoppelt, um die Zersetzung eines Materials zu beschreiben. Die Bestimmung der kinetischen und thermophysikalischen Materialparameter stellt jedoch eine Herausforderung dar, da sie im Allgemeinen nicht direkt gemessen werden können. Neuere Methoden basieren auf einem hierarchischen Ansatz, bei dem inverse Modellierung verwendet wird, um effektive Parametersätze abzuleiten, während die untersuchte Skala vergrößert wird. Neue Forschungen zeigen jedoch, dass bei dieser Skalentransformation wichtige Parametersensitivitäten verloren gehen, die zu einem Versagen der Parametersets im Realmaßstab führen. Es fehlt eine konsistente experimentelle und theoretische Untersuchung dieser Skaleneffekte und der Interaktionen. Das beantragte Projekt soll zentrale Wissenslücken schließen. Ziel ist, skalenunabhängige Parametrisierungs- und Modellierungsstrategien für die Pyrolysemodellierung zu entwickeln, die die Berücksichtigung transienter Randbedingungen ermöglichen und grundlegende Modell-Schwächen aufzuklären und zu verbessern. Die Ansätze werden iterativ in einer umfassenden experimentellen und numerischen Multi-Skalen-Untersuchung entwickelt. Für die Festlegung der Eingangsparameter werden etablierte Kleinversuche durchgeführt und neue experimentelle Ansätze entwickelt (z.B. Simultane Thermische Analyse mit Gasanalytik, Differenz- und Mikroskalen-Verbrennungs-Kalorimetrie). Für die Multi-Skalen-Analyse werden Experimente von der Klein- (Tube Furnace) bis zur Real-Skala (Raumbrand) durchgeführt. Um die Lücke zwischen Klein- und Realskala zu schließen, wird ein neuer mittelskaliger Versuchsaufbau entwickelt.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen