Υπολογιστική προσομοίωση πυρκαγιάς εντός αεριζόμενης σήραγγας κάνοντας χρήση μοντέλου ακτινοβολίας

Abstract

Στη σύγχρονη εποχή, οι οδικές σήραγγες παίζουν σημαντικό ρόλο στην οικονομική και εμπορική ανάπτυξη μιας χώρας, καθώς επιτρέπουν την διακίνηση μεγάλου όγκου ανθρώπινου και υλικού δυναμικού. Ο μαζικός χαρακτήρας της χρήσης τους, κάνει αναγκαία την μελέτη διαχείρισης έκτακτων καταστάσεων, για τη διασφάλιση της ανθρώπινης ζωής. Μια τέτοια έκτακτη κατάσταση είναι η εκδήλωση πυρκαγιάς, γι’ αυτό και η διαχείριση του παραγόμενου καπνού είναι ένα πεδίο ερευνών που παρουσιάζει τεράστιο ενδιαφέρον. Η παρούσα διπλωματική εργασία μελετάει το φαινόμενο της κίνησης του καπνού εντός αεριζόμενης σήραγγας σε περίπτωση πυρκαγιάς με χρήση μοντέλου ακτινοβολίας DO (Discrete Ordinates). Η μελέτη έγινε με υπολογιστική προσομοίωση, χρησιμοποιώντας το εμπορικό πακέτο ANSYS Fluent. Η χρήση εμπορικού πακέτου και όχι ιδίου κώδικα, κατέστησε αναγκαίο τον έλεγχο της αξιοπιστίας των παραμέτρων που εισήχθησαν στο πρόγραμμα, για την εκτέλεση της προσομοίωσης. Κάτι τέτοιο κατέστη δυνατόν, με την καταρχήν τέλεση υπολογιστικών προσομοιώσεων για περιπτώσεις μεταφοράς θερμότητας με συναγωγή και ακτινοβολία σε κοιλότητα και για την περίπτωση της εκδήλωσης πυρκαγιάς σε σήραγγα χωρίς την επίδραση της ακτινοβολίας. Εν συνεχεία, τελέστηκε η κύρια προσομοίωση για διαφορετικές ταχύτητες εξαερισμού, λαμβάνοντας τον καπνό ως τον θερμό αέρα, και την φωτιά ως μια ογκομετρική πηγή θερμότητας. Τα αποτελέσματα συγκρίθηκαν με αυτά αντίστοιχης μελέτης όπου χρησιμοποιήθηκε DTM(Discrete Transfer Method) μοντέλο ακτινοβολίας και περιλαμβάνουν τις οπισθοροές, την μορφή της φλόγας, τις ισοθερμοκρασιακές καμπύλες και τα διανύσματα ταχύτητας σε επίπεδο μελέτης για τη μεταβατική κατάσταση και τέλος, τις καμπύλες θερμοκρασίας για γραμμή μελέτης σε προκαθορισμένη απόσταση από την εστία της φωτιάς. Ακόμα συγκρίθηκαν και συζητήθηκαν οι διαφορές που παρουσιάζουν τα αποτελέσματα ανάμεσα στις προσομοιώσεις με και χωρίς την εφαρμογή μοντέλου ακτινοβολίας.

In modern times, tunnels play an important role in the economic and commercial growth of a country, since they allow the transportation of large human and material resources. The massive nature of their use, makes it essential to perform case studies of emergency situations, to ensure the safety of human life. Fire is such an emergency situation, thus smoke management is a field of great interest. The present thesis studies the flow of smoke in a ventilated tunnel in the case of fire using the DO (Discrete Ordinate) radiation model. The study was performed with a computational simulation using the ANSYS Fluent commercial program. The use of this program instead of a custom code, made it necessary to ensure that the input in each parameter due to adjustment, was credible. This was achieved, by first performing simulations of air flow inside cavities taking into account the convection and radiation phenomena, and simulations of the flow of smoke in a ventilated tunnel without modeling radiation. Subsequently, the main computational simulation was performed, for different ventilation rates, taking the smoke as hot air and the fire as a volumetric heat source. Results predicted by DOM were compared with those of a different study which used the DTM (Discrete Transfer Method) radiation model. These include the smoke backflow, the flame shape, the transient temperature contours and velocity vectors in a specific region, and the vertical temperature profiles at a specific position from the fire. The differences which occur between the results of the simulation with and without taking radiation into account were also discussed.