Reklama
 
 
 
Wykorzystanie metod obliczeniowej mechaniki płynów (CFD) do opracowania koncepcji systemu wentylacji pożarowej tunelu drogowego
Ocena użytkowników: / 0
SłabyŚwietny 
Data dodania: 04.06.2016

Przedstawiony przykład dotyczy zastosowania metody obliczeniowej mechaniki płynów do oceny możliwości zastosowania systemu wentylacji naturalnej w odniesieniu do niezagłębionych, krótkich tuneli drogowych.

 

 

2016 5 76 1

Rys. 1. Ilustracja kształtowania się kolumny konwekcyjnej i podstropowej warstwy dymu

 

 

Jednym z pierwszych praktycznych zastosowań metody obliczeniowej mechaniki płynów [ang. Computational Fluid Dynamics – CFD] w inżynierii bezpieczeństwa pożarowego była analiza rozwoju i rozprzestrzeniania się ciepła pożaru na stacji metra King’s Cross w Londynie [1]. Wyniki wykonanej przez firmę Harwell analizy przyczyniły się do zaobserwowania i opisania po raz pierwszy zjawiska zwanego efektem rynny [ang. trench effect], który powstaje na skutek nałożenia się dwóch zjawisk, tj. efektu Coandy oraz efektu rozgorzenia. W celu weryfikacji otrzymanych wyników obliczeń numerycznych wykonano model w skali 1:3, w którym następnie zainicjowano pożar.

 

Uzyskane w czasie tego doświadczenia wyniki potwierdziły występowanie efektu rynny, zaobserwowanego w obliczeniach numerycznych. Wyżej wspomniane obliczenia zostały przeprowadzone z wykorzystaniem programu JASMINE na komputerze VAX 8700 i trwały 10 godzin dla każdego z trzech analizowanych wariantów, przy założeniu obliczeń dla stanu ustalonego. Ówczesny koszt jednego takiego komputera z 48 MB pamięci operacyjnej, według COMPUTERWORLD [2] z 21 września 1987 r., wynosił 529 000 USD.

 

W związku z ograniczoną dostępnością komputerów o dużych mocach obliczeniowych, początkowo w analizach rozwoju pożaru wykorzystywane były bardzo proste modele matematyczne, których zakres stosowania był również ograniczony. Rozwojowi technologii komputerowej, a co za tym idzie coraz łatwiejszemu dostępowi do stosunkowo dużych mocy obliczeniowych, towarzyszy rozwój modeli matematycznych, pozwalających na coraz dokładniejsze odwzorowanie zjawisk związanych z rozwojem pożaru.

 

 

Obliczeniowa mechanika płynów

 

Obliczeniowa mechanika płynów (CFD) to komputerowa metoda analizy, wykorzystywana do przewidywania przepływu płynów, wymiany ciepła, transportu masy, procesów chemicznych oraz zjawisk towarzyszących. Rozwiązywanie zagadnień komputerowej mechaniki płynów polega na rozwiązywaniu układów równań różniczkowych opisujących analizowane zjawiska. Podstawowymi równaniami są równania opisujące pole ciśnienia i prędkości przepływu czyli równanie ciągłości i równania ruchu Navier’a-Stockes’a. W przypadku analiz rozprzestrzeniania się dymu i ciepła konieczne jest uzupełnienie układu równań o dodatkowe równania – zachowania energii, promieniowania i transportu dymu.

 

W celu rozwiązania układu równań opisujących analizowane zjawiska konieczne jest opracowanie modelu numerycznego obszaru analizy, zwanego domeną obliczeniową. Następnie należy przeprowadzić dyskretyzację domeny obliczeniowej za pomocą siatki numerycznej strukturalnej bądź niestrukturalnej na skończoną liczbę objętości kontrolnych i wybrać odpowiednie modele matematyczne do opisu analizowanego zjawiska. W celu rozpoczęcia obliczeń konieczna jest defi nicja warunków brzegowych i początkowych. Rodzaj przyjętych warunków brzegowych oraz ich dokładność decyduje o jakości otrzymanego rozwiązania. Otrzymane wyniki obliczeń mogą być przedstawione w formie rozkładu pola prędkości, pola ciśnienia oraz rozkładów wielkości skalarnych związanych z analizowanym zagadnieniem. W przypadku analiz rozprzestrzeniania się dymu w tunelach drogowych istotnymi parametrami są m.in.: przewidywana temperatura, przewidywany zasięg widzialności znaków ewakuacyjnych oraz przeszkód, przewidywany rozkład natężenia promieniowania cieplnego, przewidywana prędkość przepływu powietrza. Rozkłady tych wielkości mogą być wyznaczone w dowolnych chwilach czasowych w wybranych miejscach domeny obliczeniowej.

 

 

Przykład wykorzystania metody CFD w odniesieniu do tuneli drogowych

 

W warunkach pożaru w tunelu wentylowanym naturalnie zakłada się, że kształtująca się kolumna konwekcyjna, docierając w bezpośrednie sąsiedztwo stropu tunelu, dzieli się na dwa strumienie przemieszczające się w dwóch przeciwnych kierunkach wzdłuż stropu. Wyraźny jest rozdział warstwy dymu od chłodnego powietrza. W procesie mieszania się strumienie podstropowe zwiększają swoją objętość przy jednocześnie zmniejszającej się różnicy temperatury, w wyniku czego podstropowa warstwa dymu zwiększa swoją objętość. Ilustrację tego zjawiska przestawiono na rysunku 1.

 

Doświadczenia autorów wskazują, że zjawisko niezaburzonego pionowego rozdziału na warstwę dymu i niezadymionego chłodnego powietrza możliwe jest tylko w przypadku braku oddziaływania wiatru. W celu potwierdzenia tej tezy zostały przeprowadzone obliczenia numeryczne w odniesieniu do dwóch niezagłębionych, krótkich tuneli drogowych o przekroju prostokątnym, wentylowanych naturalnie, uwzględniając oddziaływanie wiatru.

 

Obliczenia numeryczne z wykorzystaniem metody CFD zostały przeprowadzone przy użyciu programu ANSYS Fluent firmy ANSYS Inc., w odniesieniu do dwóch przykładowych tuneli drogowych, o następujących wymiarach geometrycznych: 

  •  tunel „A” – wymiary wewnętrzne: 5,00 m x 5,00 m (szer. x wys.), wymiary zewnętrzne: 6,00 m x 5,50 m (szer. x wys.), długość: 50,00 m;
  •  tunel „B” – wymiary wewnętrzne: 10,00 m x 5,00 m (szer. x wys.), wymiary zewnętrzne: 11,00 m x 5,50 m (szer. x wys.), długość: 50,00 m.

 

 

Opis domeny obliczeniowej

(...)

 

Warunki początkowe

(...)

 

Warunki brzegowe

(...)

 

Wyniki obliczeń

(...)

 

Analiza wyników obliczeń

 

Analizując wyniki przeprowadzonych obliczeń, wykazano, iż zjawisko stratyfikacji dymu i powietrza, które zakłada się w krótkich tunelach wentylowanych naturalnie, nie występuje podczas oddziaływania wiatru niezależnie od kąta natarcia i prędkości wiatru. Oznacza to, że dym wypełnia cały przekrój tunelu.

 

Otrzymane wyniki obliczeń numerycznych wykazały, że stosowanie wentylacji naturalnej do usuwania dymu i ciepła nawet z krótkich tuneli może być nieskuteczne w warunkach pożaru i jednoczesnego oddziaływującego wiatru. 

 

 

2016 5 80 1

Rys. 10. Przebieg zmian przewidywanej temperatury powietrza wzdłuż osi podłużnej tunelu „A”, kąt natarcia wiatru 0°, 30°, 60° i 90°

 

2016 5 80 2

Rys. 11. Przebieg zmian przewidywanej temperatury powietrza wzdłuż osi podłużnej tunelu „B”, kąt natarcia wiatru 0°, 30°, 60° i 90°

 

 

Podsumowanie

 

Stosowanie metody obliczeniowej mechaniki płynów (CFD) w odniesieniu do analiz rozprzestrzeniania się dymu i ciepła pozwala na ocenę skuteczności przyjętych rozwiązań projektowych w początkowej fazie projektowania, przy uwzględnieniu różnych scenariuszy rozwoju zdarzeń.

 

Analizy CFD obecnie są kluczowym elementem procesu projektowania, jednakże ze względu na złożoność wymagają, aby osoby je wykonujące posiadały wiedzę i doświadczenie z zakresu bezpieczeństwa pożarowego, ze szczególnym uwzględnieniem wentylacji pożarowej oraz możliwości i ograniczeń stosowania metod obliczeniowej mechaniki płynów w inżynierii bezpieczeństwa pożarowego.

 

 

mgr inż. Ewa SZTARBAŁA – doradztwo w zakresie
projektowania i symulacji systemów wentylacji pożarowej
w obiektach budowlanych oraz bezpieczeństwa pożarowego,
firma ARDOR


dr inż. Grzegorz SZTARBAŁA – doradztwo w zakresie
projektowania i symulacji systemów wentylacji pożarowej
w obiektach budowlanych oraz bezpieczeństwa pożarowego,
firma ARDOR

 

 

LITERATURA:

[1] G. COX, R. CHITTY i S. KUMAR: Fire modelling and the King's Cross fire invetigation. Fire Safety Journal.

[2] Large and medium scale systems. The Newsweekly for the Computer Community COMPUTERWORLD. tom 21., nr 38, 21. September. 1987.

[3] PN-EN 1991-1-4: 2008 Eurokod 1: Oddziaływania na konstrukcje – Część 1–4: Oddziaływania ogólne – Oddziaływania wiatru.

[4] World Road Association (PIARC). Fire and Smoke Control in Road Tunnels. Paris. France. 1999.

[5] B. STANISZEWSKI: Wymiana ciepła. Podstawy teoretyczne. Drugie poprawione red. Warszawa: PWN. 1979.

[6] PN-EN 1992-1-2: 2008 Eurokod 2: Projektowanie konstrukcji z betonu – Część 1–2: Reguły ogólne – Projektowanie z uwagi na warunki pożarowe.

 

Reklama

POLECAMY WYDANIA SPECJALNE

  • Katalog klimatyzatorów typu SPLIT. Edycja 2019

  • Pompy ciepła 2018

  • Katalog klimatyzatorów typu SPLIT. Edycja 2017

  • Katalog klimatyzatorów typu SPLIT. Edycja 2018

  • Pompy ciepła 2015

  • Pompy ciepła 2016

  • Pompy ciepła 2017

  • Katalog klimatyzatorów typu SPLIT. Edycja 2015

  • Katalog klimatyzatorów typu SPLIT. Edycja 2016

  • Pompy ciepła 2014

Reklama

Katalog firm chłodnictwo, klimatyzacja, wentylacja

CHŁODNICTWO: Agregaty (chillery) chłodzone powietrzem, Agregaty (chillery) chłodzone wodą, Agregaty absorpcyjne, Agregaty skraplające, Aparatura kontrolno-pomiarowa, Chłodnice, Chłodnictwo w transporcie, Chłodziwa i nośniki ciepła, Czynniki chłodnicze, Dry-coolery, Drzwi chłodnicze (okucia, akcesoria), Elementy rozprężające, Filtry - osuszacze czynnika chłodniczego, Komory chłodnicze i zamrażalnicze, Kontenery chłodnicze, Maszyny do produkcji lodu (płatkarki, kostkarki), Materiały termoizolacyjne, Meble chłodnicze i zamrażalnicze, Monobloki chłodnicze, Odolejacze, separtory, Oleje sprężarkowe, Płyty warstwowe, Pompy cyrkulacyjne, Silniki, Siłowniki, Sprężarki chłodnicze, Tunele mroźnicze (kriogeniczne), Układy i aparatura regulacyjna, zabezpieczająca i nadzorująca, Urządzenia rozmrażające, Wieże chłodnicze, Wyłączniki i przekaźniki czasowe, Wymienniki ciepła (parowacze, skraplacze), Wymienniki płytowe, Zasobniki chłodu, Zawory, Zespoły spręzarkowe, Pozostałe akcesoria, Projektowanie, badania, doradztwo techniczne, certyfikacja.

KLIMATYZACJA i WENTYLACJA: Aparatura kontrolno-pomiarowa, Aparaty grzewczo-wentylacyjne, Centrale klimatyzacyjne monoblokowe, Centrale klimatyzacyjne rooftop, Centrale klimatyzacyjne sekcyjne, Chłodnice/nagrzewnice kanałowe, Czerpnie i wyrzutnie, Filtry powietrza, Kanały wentylacyjne, Klapy ppoż. (oddymiające, odcinające), Klimakonwektory, Klimatyzacja samochodowa, Klimatyzatory kompaktowe (przenośne, okienne), Klimatyzatory split, Klimatytory multi splity, Kolektory słoneczne, Kratki, nawiewniki, dysze, Kurtyny powietrzne, Materiały termoizolacyjne, Nasady kominowe, wywietrzniki, Nawilżacze (parowe, zraszające, ultradźwiękowe, komory zraszania), Oczyszczacze powietrza, Odciągi miejscowe, Okapy kuchenne, Osuszacze powietrza, Pompy ciepła, Pompy cyrkulacyjne, Przepustnice, Rekuperatory i regeneratory do odzysku ciepła, Siłowniki, Stropy, belki chłodząco-grzejące, Systemy Super Multi, Szafy klimatyzacji precyzyjnej, Tłumiki hałasu, Układy i aparatura regulacyjna, zabezpieczająca i nadzorująca, Wentylatory dachowe, Wentylatory oddymiające, przeciwwybuchowe, chemoodporne, Wentylatory osiowe, Wentylatory promieniowe, Wentylatory strumieniowe (oddymiające), Wymienniki gruntowe, Pozostałe akcesoria, Projektowanie, badania, doradztwo techniczne, certyfikacja.

MATERIAŁY, NARZĘDZIA, PRZYRZĄDY, AKCESORIA: Izolacje akustyczne, termiczne, Materiały i przyrządy lutownicze i spawalnicze, Materiały uszczelniające, Narzędzia, Rury, kształtki, akcesoria, Urzadzenia i środki czyszczące, Urządzenia do inspekcji i czyszczenia systemów wentylacyjno-klimatyzacyjnych, Urządzenia do usuwania i napełniania instalacji chłodniczych; recyklingu czynników chłodniczych, Wibroizolacje, Zamocowania i tłumiki drgań.

INNE: Zrzeszenia i organizacje, Oprogramowanie komputerowe, Portale internetowe, Targi, wystawy, szkolenia.