SUPERVISOR
حسین افشین (استاد مشاور) محسن دوازده امامی (استاد راهنما)
STUDENT
Mohsen Pirbodaghi
محسن پیربداقی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی مکانیک
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1389
TITLE
Numerical Simulation of Fire and Smoke Inside a Tunnel By Considering Radiation and Free Convection Effects
Metro systems are being recognized as an effective and efficient way to solve traort problems in congested cities as new lines are being planned and built throughout the world. In designing a metro system, fire safety is one of the high priorities in view of the volume of passengers being traorted. It is even more vital if the system is built underground as fire incident in an underground train-way considerably different from fire in a building in term of fire development, evacuation and rescue operations. For a metro train fire, it is important that the emergency tunnel ventilation system is able to control the direction of smoke movement in order to provide a clear and safe path for evacuation of passengers and to facilitate fire-fighting operations. In a tunnel, the predominant method for achieving this objective is for the emergency tunnel ventilation system to develop sufficient longitudinal airflow movement past the fire site so that all the smoke and hot gases will be forced in an opposite direction of evacuation. This is usually achieved by operating the emergency tunnel ventilation system in a push-pull ventilation mode whereby ventilation fans at one end of the tunnel will be in supply mode and the other end in extraction mode. In this project in order to study the formation and spread of fire and smoke in the tunnel, simulation is conducted on a real scale tunnel. First, in order to validate the results of simulation of fire in the tunnel, using the commercial code CFX, simulation is done on a small scale tunnel. Different turbulence models were used for simulation. It is inferred from the simulations that the k-? model and SST model yield results with acceptable accuracy. To assimilate the effects of buoyancy, simulations are performed based on the "Full Buoyancy" model. Moreover, the effects of buoyancy on turbulence production and dissipation terms in the equations of k and ? have been considered. Results show that the use of buoyancy terms in the turbulence production and dissipation terms enhances the accuracy of flow prediction significantly. Using Heat-Release-Rate(HRR) instead of combustion modeling predicts higher temperatures near the heat source. Simulation of one of the metro lines in Esfahan district has also been performed. The considered case is an underground tunnel with a length of 778.2 meters. In this simulation, a maximum heat release rate of 11.9 MW is considered. During the fire, thermal plume is formed due to high temperatures beneath the train as a result of combustion (heat release). The thermal plume first moves upward but then mixes with the incoming cold air, which results in reduction in its temperature. The calculated critical velocity of 2.93 m/s is consistent with the experimental data. Before the ventilation fans start to work, the fire smoke penetrates more than 200 meters upstream. After 1200 seconds, the downstream area is quite affected by the ventilation flow. Although temperatures in these areas are still higher than 50°C, but considerable temperature drop is predicted everywhere, compared to the situation with no ventilation. Comparison of the predicted temperature distributions shows that except at points close to the fire, temperatures predicted by the DTRM radiation model are lower than those where radiation effects are neglected. It may be inferred that radiation have a significant impact on reducing the temperature of tunnel environment during fire. Keywords Numerical Simulation of Fire and Smoke, Tunnel, Heat Release Rate, Critical Air Velocity .
امروزه استفاده از سیستم های مترو به عنوان یکی از راه های موثر و کار آمد به منظور حل معضلات حمل و نقل در شهرهای پرجمعیت جهان شناخته شده است. به همین دلیل طراحی و ساخت خطوط مترو در جهان به طور چشم گیری افزایش یافته است. در طراحی سیستم های مترو، به دلیل ازدحام بیش از حد مسافران، ایمنی در برابر آتش سوزی یکی از مهمترین اولویت ها است. از آنجا که سیستم های مترو در زیر زمین ساخته می شوند، در صورت بروز آتش سوزی ملاحظات مربوط به چگونگی گسترش آتش، تهویه و تخلیه تونل، متفاوت از آتش سوزی در ساختمان های دیگر است. در آتش سوزی داخل تونل مترو، ضروری است که سیستم تهویه اضطراری تونل توانایی کنترل جهت حرکت دود را به منظور ایجاد منطقه ای پاک و ایمن برای خروج مسافران و حضور آتش نشانان داشته باشد. روشی که اغلب در تونل ها به منظور دست یابی بدین هدف مورد استفاده قرار می گیرد، ایجاد یک جریان تهویه طولی مناسب، توسط سیستم تهویه اضطراری تونل است، به طوری که تمامی دود و گازهای داغ در اثر عملکرد سیستم تهویه در خلاف جهت تخلیه رانده شوند. بدین منظور سیستم تویه اضطراری تونل عموما در حالتی موسوم به تهویه " دمش- مکش " عمل می کند و فن های موجود در یک طرف تونل در حالت دمش و فن های موجود در سمت دیگر در حالت مکش کار می کنند. در این پروژه به منظور بررسی نحوه شکل گیری و گسترش آتش و دود در تونل، شبیه سازی بر روی تونلی با ابعاد واقعی صورت گرفته است. ابتدا به منظور اعتبار سنجی نتایج حاصل از شبیه سازی آتش در تونل با استفاده از کد تجاری CFX، شبیه سازی بر روی تونلی مقیاس کوچک انجام شده است. در این شبیه سازی مدل های توربولانسی مختلفی مورد استفاده قرار گرفتند که در بین مدل های مورد استفاده نتایج حاصل از مدل های و از دقت قابل قبولی برخوردارند. در شبیه سازی های انجام شده علاوه بر اینکه اثرات شناوری با استفاده ازمدل " بویانسی کامل " مدل سازی شده، تاثیرات شناوری با در نظر گرفتن ترم های تولید و میرایی بویانسی آشفته در معادلات k و لحاظ شده است. نتایج نشان می دهند در صورت استفاده از ترم های تولید و میرایی بویانسی، دقت پیش بینی جریان به شکل محسوسی افزایش می یابد.در صورت استفاده از HRR به جای مدل سازی احتراق، دماهای پیش بینی شده مقادیر بیشتری از موارد اندازه گیری شده، خواهند داشت. شبیه سازی نهایی بر روی بخشی از خط مترو اصفهان به طول 2/778 متر انجام شده که در آن ماکزیمم میزان نرخ حرارت آزاد شده در حدود 9/11 مگاوات در نظرگرفته شده است. در طی روند آتش سوزی پلوم حرارتی به دلیل دمای زیاد هوای زیر قطار تشکیل می شود. این پلوم حرارتی به سمت بالا حرکت می کند اما با حرکت در مسیر تونل و اختلاط با هوای سرد از مقدار دمای این پلوم حرارتی کاسته می شود. در تونل مورد بررسی مقدار سرعت بحرانی m/s 394/2 بدست می آید که مطابق با نمودارهای تجربی است. قبل از شروع به کار فن ها دود بیش از 200 متر در بالادست نفوذ کرده و پس از 1200 ثانیه، پایین دست جریان کاملا تحت تاثیر تهویه تونل قرار گرفته است. هرچند که دما در این نواحی همچنان بیشتر از 50 درجه سانتیگراد است ولی نسبت به زمان های قبل به شکل قابل ملاحظه ای کاهش یافته است. مقایسه توزیع دماهای پیش بینی شده نشان می دهد، به جز در نقاط نزدیک به آتش درسایر نقاط مقادیر پیش بینی شده توسط مدل DTRM کمتر ازمقادیری است که در حالتی که اثرات تشعشعی در نظر گرفته نشده، به دست آمده است. در واقع می توان گفت اثرات تشعشع در کاهش دمای محیط تونل تاثیر بسزایی دارد. کلمات کلیدی: 1- شبیه سازی عددی آتش و دود 2- تونل 3-نرخ رهایش حرارت 4- سرعت تهویه بحرانی