Υπολογιστική προσομοίωση φωτιάς σε οδικές σήραγγες με μηχανικό και φυσικό αερισμό

Abstract

Στη παρούσα εργασία εξετάσθηκε η προσομοίωση φωτιάς σε οδικές σήραγγες υπό την παρουσία φυσικού και μηχανικού αερισμού με την βοήθεια εργαλείων υπολογιστικής ρευστοδυναμικής. Χρησιμοποιήθηκε το λογισμικό ελεύθερης πρόσβασης Fire Dynamics Simulator (FDS) που βασίζεται στη μοντελοποίηση μεγάλων δινών (LES). Σε πρώτη φάση έγιναν συγκρίσεις μεταξύ προλέξεων και χρονικά μεταβαλλόμενων πειραματικών μετρήσεων θερμοκρασίας και συγκέντρωσης τοξικών αερίων σε φωτιές μικρής ισχύος (0.75 - 1.60 MW) σε ορθογωνικές σήραγγες περιορισμένου μήκους και ημικυκλικές σήραγγες μεγάλου μήκους. Στη συνέχεια έγιναν συγκρίσεις μεταξύ των προλέξεων θερμοκρασίας και ημιεμπειρικών σχέσεων που βασίζονται σε γραμμικό πρότυπο ανάπτυξης στη βιβλιογραφία για φωτιές μεγάλης ισχύος 30 - 100 MW σε τυπική ημικυκλική σήραγγα του ελλαδικού χώρου. Εκτός από την κατανομή της θερμοκρασίας και τη διαστρωμάτωση θερμικού στρώματος καπνού κατά μήκος της οροφής εκτιμήθηκε η επιφανειακή θερμοκρασία στο θόλο της σήραγγας. Η χρονική εξέλιξη της πυρκαγιάς με βάση το γραμμικό πρότυπο συγκρίθηκε με άλλες σχέσεις της βιβλιογραφίας (ISO-834, HC Curve) που έχουν περιγραφεί για την εξέλιξη της θερμοκρασίας για τυπικές φωτιές πλαστικών και υδρογονανθράκων. Στη συνέχεια έγινε προσομοίωση της εκκένωσης για περίπτωση φωτιάς σε λεωφορείο με θεωρητικό πληθυσμό 80 ατόμων. Εξετάσθηκε η επίδραση θερμότητας και τοξικών αερίων στη διαδικασία εκκένωσης με βάση το λογισμικό FDS+Evac. Τέλος έγινε σύγκριση προλέξεων μεταξύ διαφορετικών μοντέλων τύρβης LES / k-ε για έναυση φωτιάς ισχύος 30 MW όπου μελετήθηκαν η ανάπτυξη του θερμικού στρώματος και οι κατανομές θερμοκρασίας και ταχύτητας κατά μήκος της σήραγγας.

A computational tunnel fire simulation in road tunnels under natural and forced vetilation has been presented in this Msc Thesis. An open source Fire Dynamics Simulator (FDS) based on Large Eddy Simulation (LES) has been used as a validation tool. Initially small scale fire sizes (0.75 - 1.6 MW) in 88m rectangular tunnel and 1036.0 - 3200m semicircular tunnel has been selected for simulation. FDS predictions and measurement data comparisons for temperature and toxic gases concentration were given at upstream and downstream of fire spot. In the next step large size fires (30-100MW) based on linear and exponential design curve are modelled for 700m tunnel in Greece. FDS prediction for temperature are compared to semiempirical correlation and typical temperature curves (ISO-834, HC Curve). Surface temperature for tunnel dome and evacuation procedure for 30MW bus fire were also modelled. Selection route, thermal exposure and toxic incapacitation were selected as key factor for occupants safety. At last a numerical comparison for temperature and velocity components between different turbulent models (LES/k-ε) were given for a typical 30 MW fire.