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Tactique et Pratique

Se repérer face à un bâtiment
- Paru le 03/11/2006
- Déjà lu 9482 fois.

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


Nous abordons cette fois le 4éme cours sur FDS. Nous allons d'abord nous intéresser aux fichiers générés par FDS, faire une rapide analyse du calcul de cours III, puis nous allons réaliser la modélisation d'une mini-maison, en améliorant l'aspect visuel tout en compliquant un peu les choses au niveau du combustible et de la mise à feu !

Avant de commencer
Cette fois, nous ne repartirons pas du fichier du cours précédent. Il est donc inutile de dupliquer le fichier du Cours III.

L'animation du Cours III
Dans le cours III nous avons modélisé un feu de canapé dans un local.
Nous pouvons nous contenter de regarder l'animation réalisée avec Smokeview, mais cette animation peut-être complétée par l'analyse des fichiers générés par FDS.

Le fichier ".out"
A chaque "tour de boucle" de calcul, FDS sauve des informations dans le fichier avec l'extension ".out". Vous y trouvez le temps de calcul, le temps processeur, l'heure à laquelle se calcul a été fait etc.. mais vous trouvez aussi des informations très précieuses, telle que la pression dans le local (si celui-ci est clos) , la puissance thermique globale etc...

Les fichiers ".csv"
FDS en génère un certain nombre, en fonction de ce que vous lui avez demandé de sauver. Les fichiers ".csv" sont des fichiers textes, dans lesquels les informations sont séparées par des virgules (CSV = Comma Separated Value). Ce format est prévu pour être importé dans un tableur (Excel par exemple): chaque ligne du fichier correspondra à une ligne du tableau, et le tableau se repérera sur les virgules qui séparent les données pour les répartir dans les colonnes.
Il devient ainsi possible de créer des courbes en quelques secondes, afin de visualiser rapidement l'évolution des différentes valeurs.

CHID mass.csv
Contient la masse des différents gaz présents dans la structure. La première colonne donne le temps, la seconde la masse totale des gaz et les colonnes suivantes la masse de chacun des gaz.

CHID hrr.csv
Le fichier est composé de 6 colonnes. La première, c'est le temps, les colonnes 2 à 5 contiennent des valeurs en kW. Colonne 2 = dégagement total de chaleur (Heat Release Rate), colonne 3 = émission radiative sur les zones (solides et ouvertures), colonne 4 = énergie convective et radiative entrant et sortant du domaine, colonne 5 = énergie émise par conduction sur les surfaces solides. La colonne 6 contient la vitesse de combustion du combustible en kg/s.

Evolution de la puissance thermique dans la modélisation du cours III

Cette courbe a été réalisée sous Excel, à partir du fichier hrr.csv de la simulation du cours III. Durant les 90 premières secondes la puissance augmente rapidement, puis se calme : le feu ne meurt pas, mais n'a jamais assez de comburant pour prendre suffisamment d'ampleur car le seul renouvellement possible c'est le petite fenêtre. Il est parfaitement clair que ce sont les secours, à leur arrivée, qui ventilent le local et permettent au feu de reprendre de l'ampleur pour atteindre le flashover. Nous voyons également que les secours, en choisissant d'attaquer dès leur entrée, aurait eu à combattre un feu avec une puissance très faible alors qu'en choisissant de sauver sans attaquer, ils dégradent fortement la situation, tant pour eux que pour les victimes.

Où est la fumée?
La simulation du cours III est intéressante, nous pouvons en déduire de très nombreuses choses, mais il lui manque un point de réalisme: la fumée ne sort pas!
Pourtant la fenêtre de gauche est ouverte: elle n'a pas la "croix" qui symbolise la fermeture, la fumée se déplace à son niveau et si nous activons GAUGE_HEAT_FLUX sans la fumée, nous voyons des zones de fortes chaleurs à son niveau. En plus, lorsque la porte s'ouvre, la fumée se déplace, semble sortir, mais rien n'apparaît sur l'animation... Ces ouvertures sont donc prises en compte par la modélisation, mais pas lors de la visualisation.

FDS réalise les calculs dans le cadre d'un volume que nous avons défini comme faisant 8 m x 4m et une hauteur de 2,40m. Et notre "maison" occupe tout ce volume. FDS sait bien que la fumée sort et il prend cette extraction en compte, tout comme il prend l'apport d'air en compte. Mais il ne dessine pas la fumée puisqu'elle sort du domaine.

Une mini-maison
Pour voir comment faire, nous allons nous exercer avec la modélisation d'une mini-maison. Nous allons faire sortir la fumée par le petit exutoire du plafond, mais aussi par la porte. Mais en même temps, nous allons rendre transparentes la façade et le côté gauche, afin que l'observation puisse être facilitée.

En premier nous allons construire l'en-tête de notre fichier.

&HEAD CHID='test_4',TITLE='Test Cours 4 pour flashover.fr' /
&GRID IBAR=40,JBAR=25,KBAR=40 / Nombre de cellules en x, y, z
&PDIM XBAR0=-0.30, YBAR0=-0.20, ZBAR0=0, XBAR=0.50,YBAR=0.30,ZBAR=0.80 / Dimensions en mètres
&TIME TWFIN=300.0 / Durée de la simulation (300 = 5 min)

La différence se trouve dans le &PDIM. Dans les autres exercices, nous n'avions que les valeurs XBAR, YBAR et ZBAR donc uniquement des valeurs donnant un coin du volume de travail. Par défaut, l'autre coin était donc à (0, 0, 0). Pour notre mini-maison, nous définissons les 2 coins, donc avec XBAR0, YBAR0 et ZBAR0 (c'est un zéro et pas la lettre O). Quel intérêt ? En définissant un volume assez grand qui commence à des coordonnées négatives, nous allons pouvoir placer notre mini-maison, en la construisant à partir du point (0, 0, 0) ce qui sera plus facile.

Ensuite nous allons définir les 6 faces de ce volume comme étant des VENT ouverts. Car sinon FDS considérera ce volume comme une zone fermée : notre mini-maison produirait alors de la fumée, mais celle-ci serait bloquée dans ce volume.

Le combustible
Notre mini-maison est en aggloméré et pour y mettre le feu nous allons utiliser un petit tas de bûchettes en pin. Vous constaterez qu'il y a 3 définitions de combustibles, dont deux qui se ressemblent beaucoup (voir le code en fin de l'article). Ce sont des définitions qui correspondant approximativement à de l'aggloméré / MDF. La seconde définition, intitulée MDF_MAP comporte des informations de couleur et de texture. Une texture, c'est une image quoi va être « collée » sur les parois définies avec ce combustible.

RGB = 0.9,0.6,0.2
TEXTURE_MAP = 'chip_board.jpg'
TEXTURE_WIDTH = 0.60
TEXTURE_HEIGHT = 0.60

Pour trouver des textures de bois, il vous suffit d'utiliser le moteur de recherche Google, de cliquer sur le lien « image » et de taper comme recherche "texture bois". Cette texture n'a qu'un intérêt visuel : vous pouvez utiliser n'importe quelle image, cela ne changera rien au résultat du calcul.

Important
La définition du combustible est un sujet sensible, et trouver une bonne définition de l'aggloméré s'avère très difficile. La définition donnée ici correspond à un mélange entre une étude Finlandaise et une étude Américaine. Pour l'instant, le résultat obtenu est suffisamment proche de la réalité pour nous servir de base de travail.

La mini-maison
Nous la définissons classiquement avec des objets OBST, et nous créons notre exutoire supérieur ainsi que la porte avec des HOLE. Mais pour nos murs nous utilisons nos deux définitions de matériaux afin d'indiquer à FDS que le plafond, le sol, le fond et le côté droit devront avoir une texture. Pour les 2 autres côtés (façade et côté gauche), nous ajoutons le paramètre BLOCK_COLOR='INVISIBLE'. Ces éléments seront donc invisibles, ce qui nous permettra de voir l'intérieur de la boîte.

L'allumage
Pour allumer, il faut de tout petits morceaux de bois. Mais la dimension minimale des objets est définie par la dimension de notre grille de travail qui est composée ici de cubes de 2cm de côté. Impossible d'avoir des éléments plus petits et impossible de placer des morceaux de bois en oblique. Nous allons donc construire un petit empilement de bûchettes : deux dans un sens, deux dans l'autre, encore deux autres dans le même sens que les premières, et enfin deux dans l'autre sens !
Pour allumer nous allons mettre, sous ce tas de bois, un objet VENT comme lorsque nous avons mis le feu à notre canapé, dans le cours III. Mais avec notre canapé, notre élément chauffant chauffait d'un bout à l'autre de la simulation. Ce n'était pas gênant car cela pouvait simuler une lampe tombée sur le canapé, et parce que le morceau de canapé chauffé était éloigné de l'autre canapé : l'élément chauffant servait bien au démarrage, n'influait pas le reste de la combustion et ne participait pas à la propagation.
Pour notre mini-maison, c'est différent : il faut « allumer » les bûchettes, puis les laisser brûler toutes seules.
Pour cela nous allons associer à notre « burner » un paramètre « RAMP_Q » auquel nous donnerons un nom. Ici, nous le nommons « FIRE ». Ceci va nous permettre de définir la manière dont la puissance thermique émise par notre brûleur, va évoluer.

&SURF ID='BURNER',PART_ID='tracers', RAMP_Q='FIRE', HRRPUA=250./
&RAMP ID='FIRE', T=0.0, F=0.0 /
&RAMP ID='FIRE', T=1.0, F=1.0 /
&RAMP ID='FIRE', T=10.0, F=1.0 /
&RAMP ID='FIRE', T=11.0, F=0.0 /
&VENT XB= 0.36,0.48,0.16,0.28, 0.02, 0.02, SURF_ID='BURNER' /

Nous avons ici quatre lignes « RAMP » pour définir cette évolution. Chaque ligne comporte le nom de cette évolution (donc ici « FIRE ») et deux paramètres : T qui indique le nombre de secondes écoulées depuis le début de la modélisation avant de prendre en compte la valeur F. Cette valeur F peut évoluer de 0 à 1.
Regardons nos quatre lignes : la première prend effet à 0 seconde et à ce moment F vaut 0 : notre brûleur n'émet alors aucune chaleur. La seconde ligne indique qu'à 1 seconde, F vaut 1 donc notre brûleur émettra sa puissance maximale. La troisième ligne indique qu'à 10 secondes, le brûleur est toujours au maximum, mais à 11 secondes, il est éteint.
Pourquoi quatre ligne ? Simplement parce que FDS calcule les valeurs intermédiaire de façon linéaire.
Imaginons que nous supprimions la troisième ligne RAMP : notre brûleur serait au maximum de sa puissance à 1 seconde, mais pour atteindre la valeur 0 au bout de 11 secondes, sa puissance baisserait progressivement.
Or ce n'est pas ce que nous voulons : nous voulons un brûleur actif à son maximum, pendant 10 secondes et c'est pour cela que nous devons définir la puissance à son maximum à 1 secondes, puis encore au maximum au bout de 10.

Les résultats
Il n'est pas nécessaire d'attendre que le calcul soit entièrement terminé pour lancer Smokeview. Dés que FDS a fait quelques tours de boucles, vous pouvez visualiser le résultat. Cela vous permet éventuellement de remarquer des erreurs, d'arrêter FDS et de corriger. En ce qui concerne l'allumage par exemple, celui-ci fonctionne mais si vous augmentez l'humidité des bûchettes (paramètre MOISTURE_FRACTION) vous verrez qu'à l'arrêt du brûleur, les bûchettes s'arrêtent de brûler.

Lorsque vous lancez Smokeview vous constatez que la mini-maison est bien dans un volume plus grand, mais les arrêtes de celui-ci sont visibles et notre mini-maison n'a pas de texture (image de gauche). Pour corriger cela, il faut aller dans le menu de Smokeview :

  • Show/Hide -> Texture -> nom du fichier texture
  • Show/Hide -> Geometry -> Hide All

Vous aurez alors le résultat de l'image de droite.

Lancer l'animation

Activez la fumée et les flammes etc vous obtiendrez le résultat espéré. En faisant tourner la boîte, vous verrez parfaitement les flammes sortir par la porte.

De gauche à droite: la colone de flammes touche le plafond, les flammes sortent par la porte, le flashover se met en place. A la fin, la production de gaz de pyrolyse est trop importante: le front de flamme décole du foyer. C'est le "hot rich flashover" qui, si le front de flammes est détruit par un coup de vent, débouchera sur un "backdraft naturel", qui se met en place sans intervention umaine, dans un local ouvert.

Les fichiers Plot-3D
Le format Plot-3D a été mis au point par la NASA. Il, permet une représentation assez complète des événements et ce format a été repris par FDS et Smokeview. Compte tenu de la quantité importante de données à sauver, ces fichiers ne sont pas générés en permanence. Par défaut FDS prend la durée totale prévue pour le calcul (paramètre TWFIN) la divise par 5 et obtient ainsi l'écart entre les moment ou il sauvera les données Plot-3D.

Si vous visualisez le résultat du calcul avant que FDS n'ait atteint ce moment, vous n'aurez pas de fichier Plot-3D. Dans le cas contraire, en choisissant Load/Unload -> Plot 3D file dans le menu de Smokeview, vous verrez alors les durées de simulation correspondant aux fichiers Plot 3D disponibles.

L'affichage devient alors statique et fait apparaître une sorte de plaque qui coupe la mini-maison. En fait, il y a trois coupes, une dans chaque axe. Pour les déplacer, utilisez les flèches du clavier pour les axes X / Y. Pour la coupe Z, sur Macintosh, elle est obtenue par un appui simultané des flèches et de la touche de fonction. A vous de trouver sur votre machine !
Ces coupes vous donnent par défaut la température. Elles sont très intéressantes en permettant de découvrir les zones plus chaudes, les entrées d'air frais etc Avec la touche V, vous passez en mode vecteur, et avec la touche A vous allonger les vecteurs, ce qui va vous donner la directement des variations de températures. Si l'affichage est trop "dense", utilisez la touche S pour afficher moins de vecteurs.

Le code complet
Voici le code complet de la modélisation de notre mini-maison.

/ Simulation Incendie
/ Numéro 4
/ Version 2.00 du 16-02-2007
/ Mini-Maison en bois - PL Lamballais pour flashover.fr
/ Durée totale 5 minutes
/ Essai avec data SURF de Jukka Hietaniemi
/ Simo Hostokka & Jukka Vaari (VTT Building and Transport)
/ Paramètre A issus des travaux de Seugn Han Lee (Red Oak)

&HEAD CHID='test_4',TITLE='Test Cours 4 pour flashover.fr' /
&GRID IBAR=40,JBAR=25,KBAR=40 / Nombre de cellules en x, y, z
&PDIM XBAR0=-0.30, YBAR0=-0.20, ZBAR0=0, XBAR=0.50,YBAR=0.30,ZBAR=0.80 / Dimensions en mètres
&TIME TWFIN=300.0 / Durée de la simulation (300 = 5 min)

/ Définition des surfaces

&SURF ID = 'SPRUCE'
FYI = 'Charring material'
RGB = 0.5,0.2,0.1
A = 80931
PHASE = 'CHAR'
MOISTURE_FRACTION = 0.01
DELTA = 0.020
MASS_FLUX_CRITICAL = 0.012
TMPIGN = 320.0
HEAT_OF_VAPORIZATION = 400.
DENSITY = 420.
KS = 0.19
C_P = 1.2
KS_CHAR = 0.12
C_P_CHAR = 1.5
CHAR_DENSITY = 150.
WALL_POINTS = 30
BACKING = 'EXPOSED'/

&SURF ID = 'MDF_MAP'
FYI = 'Charring material'
PHASE = 'CHAR'
A = 80931
MOISTURE_FRACTION = 0.10
DELTA = 0.020
MASS_FLUX_CRITICAL = 0.012
TMPIGN = 320.0
HEAT_OF_VAPORIZATION = 400.
DENSITY = 700.
KS = 0.15
C_P = 1.5
CHAR_DENSITY = 80
KS_CHAR = 0.20
C_P_CHAR = 2.5
WALL_POINTS = 30
RGB = 0.9,0.6,0.2
TEXTURE_MAP = 'chip_board.jpg'
TEXTURE_WIDTH = 0.60
TEXTURE_HEIGHT = 0.60
BACKING = 'EXPOSED'/

/ Bois aggloméré de 20mm d'épaisseur sans texture
&SURF ID = 'MDF'
FYI = 'Charring material'
PHASE = 'CHAR'
A = 80931
MOISTURE_FRACTION = 0.10
DELTA = 0.020
MASS_FLUX_CRITICAL = 0.012
TMPIGN = 320.0
HEAT_OF_VAPORIZATION = 400.
DENSITY = 700.
KS = 0.15
C_P = 1.5
CHAR_DENSITY = 80
KS_CHAR = 0.20
C_P_CHAR = 2.5
WALL_POINTS = 30
BACKING = 'EXPOSED'/

/ Ouverture des faces du volume afin que la fuméee ne soit pas bloquée
/ On met en VENT l'avant, l'arrière, les côtés et le plafond
&VENT XB= -0.30,0.50,-0.20, -0.20, 0.0,0.80, SURF_ID='OPEN' /
&VENT XB= -0.30,0.50,0.30, 0.30, 0.0,0.80, SURF_ID='OPEN' /
&VENT XB= -0.30,-0.30,-0.20, 0.30, 0.0,0.80, SURF_ID='OPEN' /
&VENT XB= 0.50,0.50,-0.20, 0.30, 0.0,0.80, SURF_ID='OPEN' /
&VENT XB= -0.30,0.50,-0.20, 0.30, 0.80,0.80, SURF_ID='OPEN' /

/ Boite dans la structure, avec plancher en bois, 4 côtés et le plafond
/ Sol et plafond
&OBST XB= 0.0, 0.50, 0.0, 0.30, 0.0, 0.02, SURF_ID='MDF_MAP' /
&OBST XB= 0.0, 0.50, 0.0, 0.30, 0.60, 0.62, SURF_ID='MDF_MAP' /

/ Côtés (gauche et droit)
&OBST XB= 0.0, 0.02, 0.0, 0.30, 0.02, 0.60, SURF_ID='MDF',BLOCK_COLOR='INVISIBLE' /
&OBST XB= 0.48, 0.50, 0.0, 0.30, 0.02, 0.60, SURF_ID='MDF_MAP' /

/ Face et arrière
&OBST XB= 0.02, 0.48, 0.0, 0.02, 0.02, 0.60, SURF_ID='MDF', BLOCK_COLOR='INVISIBLE' /
&OBST XB= 0.02, 0.48, 0.28, 0.30, 0.02, 0.60, SURF_ID='MDF_MAP' /

/ Ouverture en facade (porte en bas à gauche). 26cm de haut, 20 de large
&HOLE XB= 0.02, 0.22, 0.0, 0.02, 0.0, 0.28 /

/ Exutoire au plafond, fermé au bout de X secondes
&HOLE XB= 0.22, 0.28, 0.12, 0.18, 0.60, 0.62, T_REMOVE=30.0 /

/ Tas de bois au fond à droite. Nous empilons des petits tasseaux de bois en sapin
&OBST XB= 0.38, 0.40, 0.16, 0.28, 0.02, 0.04, RGB=1,0.75,0.15, SURF_ID='SPRUCE' /
&OBST XB= 0.44, 0.46, 0.16, 0.28, 0.02, 0.04, RGB=1,0.75,0.15, SURF_ID='SPRUCE' /

&OBST XB= 0.36, 0.48, 0.16, 0.18, 0.04, 0.06, RGB=0.9,0.6,0.2, SURF_ID='SPRUCE' /
&OBST XB= 0.36, 0.48, 0.24, 0.26, 0.04, 0.06, RGB=0.9,0.6,0.2, SURF_ID='SPRUCE' /

&OBST XB= 0.38, 0.40, 0.16, 0.28, 0.06, 0.08, RGB=1,0.75,0.15, SURF_ID='SPRUCE' /
&OBST XB= 0.44, 0.46, 0.16, 0.28, 0.06, 0.08, RGB=1,0.75,0.15, SURF_ID='SPRUCE' /

&OBST XB= 0.36, 0.48, 0.16, 0.18, 0.08, 0.10, RGB=0.9,0.6,0.2, SURF_ID='SPRUCE' /
&OBST XB= 0.36, 0.48, 0.24, 0.26, 0.08, 0.10, RGB=0.9,0.6,0.2, SURF_ID='SPRUCE' /

&OBST XB= 0.38, 0.40, 0.16, 0.28, 0.10, 0.12, RGB=1,0.75,0.15, SURF_ID='SPRUCE' /
&OBST XB= 0.44, 0.46, 0.16, 0.28, 0.10, 0.12, RGB=1,0.75,0.15, SURF_ID='SPRUCE' /

&OBST XB= 0.36, 0.48, 0.16, 0.18, 0.12, 0.14, RGB=0.9,0.6,0.2, SURF_ID='SPRUCE' /
&OBST XB= 0.36, 0.48, 0.24, 0.26, 0.12, 0.14, RGB=0.9,0.6,0.2, SURF_ID='SPRUCE' /

/ Source de chaleur sous le tas de bois.
/ Mise en place pendant un temps asssez court et ensuite le tas de bois brûle tout seul.
&SURF ID='BURNER',PART_ID='tracers', RAMP_Q='FIRE', HRRPUA=250./
&RAMP ID='FIRE', T=0.0, F=0.0 /
&RAMP ID='FIRE', T=1.0, F=1.0 /
&RAMP ID='FIRE', T=10.0, F=1.0 /
&RAMP ID='FIRE', T=11.0, F=0.0 /
&VENT XB= 0.36,0.48,0.16,0.28, 0.02, 0.02, SURF_ID='BURNER' /

&BNDF QUANTITY='GAUGE_HEAT_FLUX' / Flux de chaleur
&BNDF QUANTITY='WALL_TEMPERATURE' / Température des murs (surfaces)
&BNDF QUANTITY='BURNING_RATE' / Perte de masse par unité

La prochaine fois
Le cours V sera l'occasion de travailler sur des zones plus complexes et sans doute de mesurer des températures avec des thermocouples. D'ici là, exercez vous et comme toujours, le forum "Simulation informatique" est ouvert aux discussions!


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