El desafío para mantener operativos los modelos FDS y CFAST

Por Kevin McGrattan

National Institute of Standard and Technology (NIST), Gaithesburg, Maryland, USA



El modelo de incendio FDS (Fire Dynamics Simulator) es un modelo de dominio público desde hace 17 años, y el modelo de incendio de zona CFAST (Consolidated Fire and Smoke Transport), desde hace casi el doble de tiempo. Aunque ambos modelos se continúan utilizando ampliamente en la comunidad de la ingeniería de seguridad contra incendios, la mayoría de los usuarios no son conscientes del reto que supone su mantenimiento y conservación.

La mayoría de los desarrolladores de estos modelos no son ni ingenieros de seguridad contra incendios ni investigadores de la combustión, ya que el desarrollo de software requiere un conjunto de habilidades considerablemente diferente. De hecho, la mayoría de los desarrolladores de modelos son esencialmente matemáticos aplicados e informáticos. Nuestro trabajo consiste en traducir la investigación fundamental sobre la combustión en ecuaciones diferenciales y que su solución sea de utilidad para los ingenieros de seguridad contra incendios. Así pues, los desarrolladores de estos modelos interactúan con dos comunidades muy diferentes: los de la investigación sobre la combustión básica y los de la ingeniería de seguridad contra incendios. Por otra parte, estos dos grupos viven en esferas muy diferentes: tienen títulos distintos, trabajan para organizaciones diferentes y asisten a distintos tipos de conferencias. Los modelos deben salvar la distancia entre ambos.


Una breve historia sobre el desarollo del FDS

Me incorporé a la plantilla de la División de Investigación del NIST en 1992, tras obtener un doctorado en matemáticas. Durante los siguientes años, trabajé en tres proyectos muy diferentes que incluían cálculos de incendios en compartimentos, cálculos de propagación de llamas en microgravedad y cálculos de dispersión de penachos de petróleo a mesoescala. En un día normal, trabajaba en tres programas de simulación distintos, con escalas de longitud que iban desde los milímetros hasta los kilómetros.

El FDS es una amalgama de esos códigos. Se hizo muy tedioso mantenerlos todos, así que combiné lo mejor de cada uno y empecé a trabajar en un solo código base. Esto parece perfectamente obvio ahora, pero en aquel momento no lo era. Los modelos de incendio proliferaron durante los años 80 y 90, pero la mayoría murieron tan pronto como lo hizo la financiación, y hoy sólo quedan unos pocos. Hay varias razones para ello, pero la más sencilla es que el mantenimiento del software es una tarea ingrata. Este debate rara vez se plantea en el ámbito académico porque la mayoría de los investigadores dan por sentado que su trabajo es investigar, no desarrollar códigos y, desde luego, no mantenerlos. Se supone que las universidades y los laboratorios de investigación hacen investigación "fundamental" y publican los resultados en revistas científicas.

La lección del CFAST

El FDS y otros modelos CFD del fuego no evolucionaron de forma natural, dentro de la ciencia del fuego, pero sí que lo hicieron los modelos de zona. Si tienes un título en ingeniería de seguridad contra incendios, sin duda has asistido a muchas clases en las que el profesor dibuja un simple compartimento en la pizarra, con una sola puerta en un lado, y dibuja el fuego, el penacho, el chorro del techo, el plano neutro, el flujo Bernoulli dentro y fuera de la puerta. Se trata de la ciencia del fuego "clásica", con las consabidas m, Q*, etc. Fue un gran avance, y según un estudio realizado por la empresa Combustion Science and Engineering (CSE) de Columbia, Maryland, EE.UU. (http://www.firemodelsurvey.com/), el que condujo al desarrollo de unos 50 programas para resolver el conjunto de ecuaciones diferenciales ordinarias para las temperaturas de la capa, la altura y la presión del compartimento. Pero escribir el programa informático es la parte fácil. ¿Qué pasa con la verificación y la validación? ¿Qué pasa con todas esas incertidumbres en las suposiciones que subyacen a todas y cada una de las subrutinas? La inmensa mayoría de los modelos de zona ya desaparecidos del sitio web del CSE se escribieron sin tener en cuenta nada de esto. La mayoría fueron desarrollados por unos pocos estudiantes, que escribieron unos cuantos artículos, se graduaron y siguieron adelante.

Por lo tanto, la lección que hay que aprender del CFAST es que es bastante fácil desarrollar un modelo de incendio, pero no es tan fácil mantenerlo utilizable, verificado, validado, etc. Este no es un trabajo atractivo para un joven investigador, a pesar de que hay una gran cantidad de problemas interesantes, exclusivos de los modelos zonales, que nunca se han resuelto de forma satisfactoria. Sí, en el pasado se hizo mucho trabajo sobre los flujos flotantes a través de los respiraderos del techo y los penachos de derrame, etc., pero de alguna manera gran parte de la investigación básica nunca llegó a CFAST, y se encuentra dispersa en la literatura. Muchas de las rutinas que se incluyeron en CFAST nunca fueron verificadas y validadas formalmente. CFAST es un tema de estudio ideal porque está mucho más alineado con los planes de estudio de los programas de ingeniería de seguridad contra incendios que FDS. Para trabajar con el código fuente de FDS, es necesario tener conocimientos de nivel universitario sobre ecuaciones diferenciales parciales y CFD. Para trabajar con CFAST, sin embargo, el listón no está tan alto, y hay muchos temas interesantes para los estudiantes de máster. El reto para nosotros, sin embargo, es convencer a estos estudiantes y a sus asesores para que pongan esa investigación básica en forma utilizable y ayuden a mantenerla así. 

El problema de los artículos científicos

Uno de los principales problemas del mantenimiento de modelos como el CFAST y el FDS es que muchos consideran que este trabajo está completamente separado de la investigación, cuyo objetivo es la publicación de artículos en revistas de archivo “peer reviewed”. Durante siglos, el progreso de la ciencia y la ingeniería ha sido promulgado por publicaciones revisadas por pares en revistas de archivo. Cualquier aspirante a investigador sabe que el camino hacia el éxito en el mundo académico es tener una larga lista de artículos. Y, efectivamente, muchas de las técnicas numéricas de nuestros modelos se obtuvieron de la literatura de CFD de propósito general, y a veces de revistas más especializadas en combustión, flujo de fluidos y meteorología. Estos artículos ilustran las técnicas básicas de diferenciación finita, como lo haría un libro de texto. Sin embargo, las revistas de archivo no son un medio especialmente eficaz para describir modelos como el FDS, ya que es imposible incluir todos los detalles relevantes en un artículo de diez páginas. Algunos modeladores de CFD publican descripciones de sus algoritmos en varias revistas, creando una forma de documentación a través de una lista de referencias. Esta puede ser una forma efectiva de publicitar el trabajo de investigación de uno mismo, pero es una forma terrible de documentar un modelo CFD. Aprendí esta lección por las malas, después de publicar la primera versión de FDS en el año 2000. Supuse que mis artículos y los de otros en las revistas complementarían la descripción bastante escasa del modelo que incluí en los manuales. El resultado fue un caos: instantáneas aleatorias de diferentes versiones del código aplicadas a varios escenarios de incendios por docenas de estudiantes que estaban aprendiendo sobre incendios y CFD. La calidad de estos trabajos era, en general, deficiente, y dieron lugar a conceptos erróneos sobre el modelo básico que aún perduran en la actualidad. No fue hasta 2007 cuando FDS y CFAST se pusieron bajo control de versiones (Sourceforge, luego GoogleCode, ahora GitHub). Al mismo tiempo, se publicaron las guías de verificación y validación, que ahora documentan colectivamente miles de casos de prueba que se ejecutan regularmente. Gran parte de este trabajo es laborioso y algo tedioso, pero es una parte esencial de nuestra estrategia de desarrollo de modelos, porque cuando se trata de cientos de miles de líneas de código fuente, inevitablemente se cometen errores que pueden detectarse y corregirse en un día. En cambio, las publicaciones en revistas tienen un ciclo de aproximadamente tres años, que corresponde a la duración típica del trabajo de investigación de un estudiante de postgrado. 

Fig. 1. Movimiento del humo en el hueco de las escaleras.

Un camino a seguir 

Aunque este artículo presenta una perspectiva algo pesimista en cuanto al desarrollo continuado de modelos de incendios, hay medidas que pueden tomar los investigadores que aspiren a ello y los usuarios de los modelos para mejorar la situación actual:

1. Identificar un problema en los modelos existentes. Solo se necesita simular un nuevo y desafiante escenario de incendio para descubrir que existen numerosos supuestos numéricos o físicos que pueden mejorarse.

2. Ponerse en contacto con uno de los desarrolladores del modelo para asegurarse de que una posible mejora es compatible con los planes de desarrollo actuales. Esto debería hacerse mucho antes de escribir el artículo o la tesis.

3. Esté abierto a aprender Git, LaTeX, Matlab, Fortran y cualquier otro paquete de software que se utilice habitualmente para mantener los códigos y manuales. No es necesario que seas un experto en ninguno de ellos, pero te beneficiarás enormemente de la inversión, incluso si tu trayectoria profesional se aleja del fuego.

4. Más allá del ámbito académico, para aquellos que utilizan los modelos de incendio para la ingeniería de seguridad contra incendios día a día, sea un usuario inteligente. Cuando algo no parezca del todo correcto en una simulación, dedique algo de tiempo a elaborar un caso de prueba sencillo para su depuración. Sí, esto costará un poco de tiempo, pero llevará a una mejor comprensión del modelo. Considérelo una inversión que bien vale el tiempo y un pequeño coste a pagar para mantener estos modelos en el dominio público.