Validazione – Arup Tunnell – Incendio Galleria

Incendio in Galleria

 

Esperimenti di Gabriele Vigne e Jimmy Jönsson della società Arup Fire (www.arup.com)  

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NIST – Esperimenti di validazione FDS6

 

 Figura_1_Arup

Esperimenti di ArupFire incendio in Tunnel

Gabriele Vigne e Jimmy Jönsson di Arup Fire (www.arup.com)  hanno condotto una serie di esperimenti relativi a incendi all’interno di un tunnel con una sezione trasversale di 50 m2. Il tunnel si trova a Folgoso de la Ribera in Spagna. Si tratta di un tunnel di circa 6,5 m di altezza, 8 m di larghezza e 300 m di lunghezza. Sono state condotte cinque prove utilizzando una vasca di acciaio di 1 m per 2 m di dimensioni, riempita con eptano su uno strato d’acqua. Le temperature sono state misurate a soffitto a una distanza di 2 m, 4 m, 6 m e 8 m dalla linea centrale del plume.

Gli esperimenti sono stati realizzati con l’intento di ottenere informazioni preziose da utilizzare per la convalida di FDS Lo stesso test è stato ripetuto più volte.
Al fine di ottenere informazioni su eventuali errori di misura delle dimensione dell’incendio e delle condizioni di ventilazione i parametri non sono stati modificati.
La strumentazione utilizzata consisteva in 15 termocoppie, 10 termometri, celle di carico per misurare la perdita di massa e, di conseguenza, HRR (Heat Release Rate).

Figura_2_Arup

L’incendio è stato creato con una pozza di Eptano, avente dimensione di 1 m x 2 m con un picco del HRR misurato di circa 5,3 MW, che ha bruciato per circa 10 minuti. Sono state condotte un totale di 8 prove: 3 preliminari e 5 di convalida.

Figura_3_Arup

Il contenitore è stato riempito con circa 20 cm di acqua e tra 5 e 10 cm di eptano. Il fuoco è stato innescato aggiungendo una piccola quantità di benzina (meno di 50 ml).
Le celle di carico sono stati utilizzate per registrare la perdita di massa della vasca in funzione del tempo.
Per determinare il tasso di rilascio di calore (HRR) è stata utilizzata la perdita di massa.

Le sonde sono state poste nelle posizioni specificate nelle Figure. Le termocoppie sono state posizionate all’altezza del soffitto lungo il tunnel, ogni 2 m dal plume del fuoco. Quattro coppie di termometri a piastra sono stati collocati a 4m dal fuoco ad una altezza di 2,5 m e 3,5 m. Due sonde termovelocimetriche sono state posizionate a 5m dal fuoco per controllare che le velocità sono stati mantenuti basse all’inizio di ogni prova.

Figura_4_Arup

Figura_5_Arup

In FDS sono stati costruiti tre scenari, ciascuno con la stessa geometria e gli stessi dati di input, l’unica differenza è stata la risoluzione della mesh di calcolo.

Nome dello scenario Risoluzione della mesh intorno al fuoco Risoluzione della altre mesh Numero di mesh
FDS 1 0.2 0.2 3
FDS 2 0.1 0.2 5
FDS 3 0.05 0.1 9

E’ stata effettuata un’analisi di sensibilità della mesh con più simulazioni, nelle quali la mesh è stata progressivamente raffinata rimanendo invariate solo le ipotesi geometriche e fisiche, in questo modo è stata quantificata l’influenza della risoluzione della mesh sui risultati della simulazione.
La risoluzione della mesh ottimale risulta di 0.19 m per assicurare l’accuratezza della soluzione dinamica dell’incendio fuoco, il modello dello scenario FDS n.1 prevede una mesh di 0,2 m.
La quantità di eptano all’interno della vaschetta è di circa 30 kg, lo stesso è bruciato costantemente per circa 5 minuti. La perdita di massa è stata poi convertita in calore Release Rate moltiplicandolo per il calore di combustione. Così, la media del tasso di rilascio di calore è stato utilizzato come input per il modello FDS.

Figura_6_Arup

 Figura_7_Arup

Figura_8_Arup

Perdita di massa nel tempo kg

Figura_9_Arup

 Curva HRR nel tempo

Variazione della temperatura con la distanza dal fuoco

In generale la previsione della tendenza della temperatura all’interno delle gallerie nel campo vicino al fuoco è una debolezza dei modelli CFD. L’obiettivo degli esperimenti effettuati è quello di testare la versione più recente di FDS con una semplice configurazione di prova e condizioni ambientali “costanti”.
L’analisi si è concentrata sui 8 termocoppie lungo il soffitto, distanziati di 2m tra loro posizionate fino a 8m sottovento del fuoco e fino a 8m sopravento.
Le termocoppie sono stati modellate come termocoppie reali.

Figura_10_Arup

 

 Posizionamento delle termocoppie lungo il soffitto

 

Grafici confronto risultati sperimentali con i risultati di calcolo (Linkl)

Sopra il pennacchio (plume) del fuoco FDS ha la tendenza a sovrastimare le temperature, fuori del pennacchio le temperature sono più vicine alle temperature misurate. È molto difficile misurare la corretta temperatura sopra il pennacchio a causa della fluttuazione continua della fiamma. Per questo motivo è molto difficile trarre conclusioni valide relativamente alla temperatura delle termocoppie poste sopra il fuoco. La serie di foto sotto mostra la fluttuazione della fiamma nella prova n.3 dopo 240s dall’accensione.

Figura_11_Arup 

Incertezze sperimentali

 

I risultati dei calcolo sono stati confrontati con i risultati degli esperimenti quantificando una percentuale, legata alle incertezze dovute alla sperimentazione, in un intervallo del ± 10% dei risultati degli esperimenti.

Grafici confronto risultati sperimentali con i risultati di calcolo (Link)

CONCLUSIONI

La tendenza generale del modello FDS è la leggera sovrastima della temperatura all’interno del tunnel, la differenza riscontrata tra i risultati del calcolo e i dati misurati negli esperimenti è piccola.
F
DS mostra una buona prestazione nel prevedere l’evoluzione della temperatura all’interno del tunnel.
La valutazione ha evidenziato l’importanza di utilizzare una risoluzione della griglia adeguata (analisi di sensibilità) per ottenere risultati affidabili, la sperimentazione ha dimostrato che una risoluzione della griglia abbastanza fine è sempre da utilizzare.
La durata dell’incendio è stata sufficiente per raggiungere le condizioni di stato stazionario relativamente alle normali termocoppie, mentre non è stato possibile valutare correttamente il funzionamento dei termometri a piastra. E‘ stato quindi possibile valutare correttamente l’andamento della temperatura lungo il tetto ma non per l’andamento del flusso di calore nelle vicinanze del fuoco.

  • Grafici dei risultati di calcolo (Link)
  • Grafici dei risultati sperimentali (Link
  • File input FDS (Link

 

FDS Input file

FDS Output file

Dati Sperimentali

 

 

 

 

 

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