L applicazione dei modelli numerici per lo studio delle logiche di ventilazione in galleria in caso di incendio

Transcript

1 L applicazione dei modelli numerici per lo studio delle logiche di ventilazione in galleria in caso di incendio Romano Borchiellini Francesco Colella Vittorio Verda 1

2 Sommario 1. Il controllo della ventilazione in caso di incendio - Le gallerie in europa - Eventi di incendio in galleria - Ruolo della ventilazione - Sistemi di ventilazione 2. Metodologie di analisi - Modelli monodimensionali - Modelli a zone - Modelli CFD - Modelli ibridi 3. Progetti di ricerca e attività future 2

3 Le gallerie in europa Le gallerie sono tra le più importanti infrastrutture per la viabilità in europa Italia Gallerie in Europa lunghezze in km Austria Svizzera Germania Francia Gran Bretagna Norvegia Spagna Ferrovie Strade Metropolitane TOTALI Gallerie di lughezza superiore a 1000 m in Italia Autostrade Strade statali TOTALI n Sviluppo [km]

4 Eventi di incendio in galleria In ambito internazionale la casistica di incidenti in gallerie è molto ampia e tende ad infittirsi negli ultimi anni a causa dell aumento vertiginoso del traffico 120 > numero di incidenti numero di feriti numero di morti

5 Il ruolo della ventilazione Ventilazione ordinaria - mantenere livello accettabile della qualità dell aria per tutta la lunghezza del tunnel - mantenere livello di visibilità all interno entro limiti di sicurezza Ventilazione di emergenza - confinamento dei fumi in una zona sufficientemente ridotta del traforo - contenere le velocità dell aria nella zona d incendio per mantenere i fumi stratificati e per facilitare estrazione (dove previsto) - garantire qualità dell aria all interno delle vie di fuga - evitare il fenomeno di risalita dei fumi in controcorrente (backlayering); velocità dell aria in galleria superiori alla velocità critica 5

6 Sistemi di ventilazione Naturale - ventilazione garantita dall azione del vento e dalla differenza di pressione ai portali (più effetto pistone dei veicoli). Tunnel di poche centinaia di metri Longitudinale - La movimentazione di aria è garantita dall azione di jet fan installati sulla volta della galleria - Problematica in tunnel bidirezionali - Installazione limitata dall altezza del tunnel - Buon controllo dei fumi - Fumi non rimossi dal tunnel - Richiede precisa localizzazione del focolaio 6

7 Sistemi di ventilazione -Condotti ausiliari che scorrono paralleli alla galleria veicolare in cui sono convogliate aria fresca e aria viziata. -Aria fresca e viziata vengono immesse e estratte dalla galleria attraverso serrande disposte lungo la galleria Trasversale Vantaggi - Adatto per tunnel di elevata lunghezza -Applicabile anche su tunnel bidirezionali -Costante apporto di aria fresca in galleria -Rimozione dei fumi dal tunnel Svantaggi -Elevato costo di investimento iniziale -Il controllo dei fumi può richiedere applicazione di logiche di ventilazione complesse -Richiesta una precisa localizzazione del focolaio -Necessaria la realizzazione di condotti e centrali di ventilazione dedicate 7

8 Sistemi di ventilazione -Il sistemi di ventilazione semitrasversale utilizza un solo condotto che corre parallelamente alla galleria; il condotto può essere utilizzato per l immissione di aria in o per l estrazione dell aria viziata. -L estrazione o l immissione d aria in galleria è effettuata attraverso serrande disposte lungo il traforo. Semi-trasversale Vantaggi -Rimozione dei fumi dal tunnel -Semplice sistema di gestione -Bassi costi di manuntenzione -Applicabile anche su tunnel bidirezionali Svantaggi -Difficoltà nel controllo dei fumi -Alti costi di investimento -Necessaria la realizzazione di condotti e centrali di ventilazione dedicate 8

9 Condizioni di emergenza e logica di ventilazione La scelta delle condizioni di ventilazione da applicare in caso d incendio deve considerare: - Differenza di quota tra i portali del traforo - Differenza di pressione tra i portali (particolarmente importante per trafori di elevatano la lunghezza) - Condizioni di traffico - Posizione e potenza dell incendio Altri fattori da considerare: - comportamento delle persone - segnaletica - vie di fuga - sistemi di estinzione Elevato numero di scenari possibili 9

10 Definizione della logica di ventilazione La definizione della logica da utilizzare per la scelta dello scenario di ventilazione da applicare in caso di incendio è un operazione complessa considerato l elevato numero di variabili che influenzano il fenomeno. Passi principali: 1. Studio di un elevato numero di scenari e di condizioni di ventilazione 2. Definizione della possibile logica di ventilazione 3. Verifica accurata della logica scelta 4. Se necessario tornare al punto 1 10

11 I modelli numerici utilizzati Onerosità computazionale Dettaglio della rappresentazione - Modelli monodimensionali: utilizzano rappresentazione semplificata del traforo e dell impianto di ventilazione ma non sono in grado di cogliere la stratificazione dei fumi - Modelli a zone: sono in grado di cogliere la stratificazione dei fumi ma non sono capaci di rappresentare fenomeni complessi come quelli che hanno luogo in prossimità del pennacchio e delle serrande - Modelli CFD: consentono di descrivere con grande dettaglio i fenomeni, ma sono estremamente onerosi dal punto di vista computazionale, specie per gallerie di lunghezza elevata. Modelli ibridi 1D-3D: sono di complessa gestione e non si adattano alla simulazione di un numero elevato di condizioni di funzionamento Modelli ibridi 1D-zone: sono modelli snelli e rapidi nel calcolo ma occorre implementarli e testarli in codici autocostruiti 11

12 Modelli monodimensionali Il gruppo di ricerca ha sviluppato un codice di calcolo monodimensionale, per il calcolo termo-fluidodinamico dei sistemi di ventilazione. Il codice utilizza la teoria dei grafi per la rappresentazione spaziale del sistema Caratteristiche principali di questi modelli - Moto Monodimensionale - Impossibile identificare stratificazione - Possibile rappresentare tutto il sistema (fornici e impianto di ventilazione) - Facile identificare le condizioni al contorno - Tempi di calcolo estremamente brevi soprattutto se simulazione stazionaria 12

13 Modelli monodimensionali SIMULAZIONI IN CONDIZIONI STAZIONARIE Confronto tra dati sperimentali e calcolati Misure effettuate nel Tunnel del Frejus 8 6 Ventilazione ordinaria 4 velocità [m/s] distanza [m] t 1 t 2 t 3 t 4 t 5 t 6 Immissione distribuita sul traforo 13

14 Modelli monodimensionali SIMULAZIONI IN TRANSITORIO Confronto tra dati sperimentali e calcolati Misure effettuate nel Tunnel del Frejus Ventilazione di emergenza Ventilazione di emergenza t = 180 s 8 t = 90 s 6 velocità [m/s] 6 4 velocità [m/s] distanza [m] -4 distanza [m] t 1 t 2 t 3 t 4 t 5 t 6 t 1 t 2 t 3 t 4 t 5 t 6 Immissione distribuita sul traforo Configurazione di immissione all opposto 14

15 Modelli monodimensionali SIMULAZIONI IN TRANSITORIO Confronto tra dati sperimentali e calcolati Misure effettuate nel Tunnel del Frejus Ventilazione di emergenza t = 400 s velocità [m/s] te m p o [s ] distanza [m] t 1 t 2 t 3 t 4 t 5 t 6 Configurazione di immissione all opposto distanza [m] Progressione del fronte dei fumi 15

16 Sezione trasversale del traforo Condotto di mandata Un esempio di applicazione il Tunnel del Frejus Condotto di estrazione La struttura Sezione longitudiale Il sistema di ventilazione del Frejus AV1 AV2 AV3 AV4 AV5 AV6 Rete di estrazione T 1 T 2 T 3 T 4 T 5 T 6 Rete di mandata AF1 AF2 AF3 AF4 AF5 AF6 16

17 Un esempio di applicazione il Tunnel del Frejus LOGICHE DI VENTILAZIONE Scenario BASE piccola differenza di pressione Italia- Francia Scenario Estrazione all opposto pressione portale italiano >> pressione portale francese Scenario Immissione all opposto pressione portale italiano << pressione portale italiano 17

18 Un esempio di applicazione il Tunnel del Monte Bianco Ricostruzione dell evento di incendio del 24 Marzo 1999 e valutazione degli effetti prodotti da differenti strategie di ventilazione sulla propagazione del fronte dei fumi. Rappresentazione dell intera galleria (11600m) e del sistema di ventilazione costituito da 5 canali localizzati sotto il piano stradale, i condotti di estrazione e di immissione e le centrali di ventilazione. Simulazioni di eventi di durata corrispondente a 30 minuti. 18

19 Un esempio di applicazione il Tunnel del Monte Bianco Determinati i profili di velocità, di temperatura e la propagazione dei fumi. I risultati sono stati utilizzati come condizioni al contorno per modelli 3D di una porzione di galleria di circa 1km (collaborazione con gruppo Prof. Inzoli). 19

20 Modelli a due zone V -1s G -1s,0s V -1i V os V 1s G +1s,0s G p V 1i G i,s Gi,s G i,s Gi,s Suddivisione longitudinale della galleria in volumi di controllo ciascuno dei quali nelle due rispettive zone di fumi e di aria G -1i,0i V oi G 1i,0i Equazioni utilizzate - Conservazione della massa - Conservazione dell energia V i-1 V i V i+1 - Equazione di stato dei gas - Equazione di conservazione della quantità di moto lungo x h i-1 H h i h i+1 Ipotesi di distribuzione idrostatica delle pressioni all interno di ciascun volume di controllo 20

21 Modelli a due zone tempo [s] distanza dal focolaio [m] T [ C] Applicazione: Memorial Tunnel Avanzamento del fronte altezza [m] Stratificazione dei fumi e avanzamento del fronte (risultati modello) distanza [m] posizione [m] Distribuzione di temperatura nello strato superiore Stratificazione dei fumi e avanzamento del fronte (dati sperimentali) 21

22 Modelli CFD Consentono una rappresentazione dettagliata dei fenomeni fisici ma hanno tempi di calcolo molto elevati (non applicabile a gallerie di notevole lunghezza). I modelli richiedono un attenta considerazione della turbolenza testando modelli più complessi come RSM e Large Eddy simulations L incendio è modellato come sorgente volumetrica di energia e di massa. Esempio di dominio di calcolo 3D La progressione dei fumi può essere rappresentata introducendo una ulteriore equazione di trasporto per uno scalare passivo Esempio di dominio di calcolo 2D 22

23 Modelli CFD Applicazione: Memorial Tunnel Stratificazione dei fumi (risultati del modello CFD) Stratificazione dei fumi (dati sperimentali) Loop 305 Loop 307 Profili di velocità in galleria (confronto CFD sperimentale) 23

24 Modelli ibridi Approccio ibrido per la simulazione di eventi di incendio 1D - 3D 24

25 Modelli ibridi Approccio ibrido per la simulazione di eventi di incendio 1D 3D - Approccio ibrido 1D-3D -Tecnica adatta per la simulazione di un eventi di incendio in gallerie di grande lunghezza per le quali è richiesta l adozione di strategie allo scopo di ridurre al complessità del calcolo che deriva dall estensione del domino geometrico, dalla complessità del sistema di ventilazione, dall estensione temporale degli eventi che si intendono simulare. -Modello 1D e modello CFD agiscono su domini di calcolo differenti che comunicano tra di loro attraverso delle interfacce Condizioni al contorno per zona 3D date da calcolo 1D Avvio nuova Avvio simulazione 3D simulazione 1D Confronto risultati 3D con 1D agli estremi Stop - Procedura risolutiva SI NO Uguali Nuove condizioni al contorno per zone 1D 25

26 Modelli ibridi Approccio ibrido per la simulazione di eventi di incendio 1D -Zone AV 1 AV 2 AV 3 Modellazione a due zone AV 4 AV 5 AV 6 Modellazione 1D Figura 2: logica di modellazione adottata Modellazione 1D Modelli snelli ed adatti a simulare un numero elevato di scenari ma richiedono sviluppo e test approfonditi su dati sperimentali e risultati di CFD 26

27 Attività svolte e sviluppi futuri I modelli presentati sono stati applicati in numerosi contratti di ricerca e consulenza che hanno riguardato: Tunnel del Frejus Tunnel del Monte Bianco Ipotesi di tunnel sotto lo Stretto di Messina Collegamento tra attraverso sotterraneo di Lecco e Valsassina molte altre gallerie autostradali e ferroviarie PRIN 2004: creazione di un modello a due zone adatto a rappresentare la propagazione dei fumi nel caso di incendio in galleria PRIN 2006 :strategie per la gestione automatizzata della ventilazione in caso d incendio in lunghe gallerie stradali ULTERIORI SVILUPPI: realizzazione di un codice di calcolo 1D-Zone, che consenta di analizzare la galleria e il sistema di ventilazione. Validazione del codice con dati sperimentali disponibili in letteratura e con simulazioni ottenute con codici CFD 27

28 Riconoscimenti Alle attività descritte hanno collaborato: - Prof. Michele Calì - Prof. Valter Giaretto - Ing. Pietro Asinari - sig. Giuseppe Vannelli 28

29 Sistemi di ventilazione Naturale -Il meccanismo di ventilazione è garantito dall azione del vento e dalla differenza di pressione ai portali e spesso forzato dall effetto pistone dei veicoli in movimento all interno -Tale sistema può prevedere la presenza di camini intermedi allo scopo di potenziare la movimentazione di aria Vantaggi - Semplice ed economico Svantaggi -Richiede studi metereologici preliminari -In condizioni di traffico bidirezionale le performance possono degradare -Non adatto a tunnel di lunghezza superiore a poche centinaia di metri 29

30 Sistemi di ventilazione 30

31 Sistemi di ventilazione 31

32 Sistemi di ventilazione 32

33 Sistemi di ventilazione 33

34 Modelli monodimensionali 34

35 V M T E T T T T T T T T M T T E T T E T T E T T T T T T T T M T T M T T E M T T E T T E T V E V E V M V M T T M T T T M T T T M T T M T T T T 53 6 M T T M T E M T T E M V M T E T T T T T T T T T T M T T T T E T E T T E M T T T M T T T M T T T M T T T M T T T M T T M V E V E Modelli monodimensionali 35 T04235 E04235 Da camino Centrale B-AF VM3001 VM2001 Centrale B-AF2 Centrale B-AF3 VM3002 M04057 VM2002 M04169 T04057 T04102 T04169 E04102 VE3002 VE2002 Centrale B-AV2 Centrale B-AV3 A camino Centrale B-AV Da camino Ce ntrale B-AF Da c amino Cen tra le C-AF T M T T E M T T E T T T T T T E M T T E M T T M T E M T T E M T T T M T T T M T T T M T T 1 41 M T E M T T T T T M T T E M T T T M T T T M T V E V E VM V M6 0 1 V M Da camin o Centrale A-AF Centrale A-AF1 Centrale C-AF 4 Centrale C-AF5 Da plenu m Cen trale D-AV6 Centrale D-AF6 T T A c amino Cen trale B-AV Centrale B-AF2 Centrale B-AF T T T T T 09 3 Centrale A-AV1 A c amino Cen trale A-AV Centrale B-AV2 Centrale B-AV3 A camino Cen trale C-AV Cen trale C-AV4 Cen trale C-AV5 Cen trale D -AV6 A camino Cen tra le D-AV6 V E T 0 0 T V E V M 1 02 T T V M T T E T T 0 34 E T T T T T T T T T T M T T E M0 1 4 T T E T T E T T T T T T T T M T T M T T E T T E T T E T T E T T T T T T T T T T M T T E T T E T T E T T T T T T T T M T T M T T E M T T E T T V E E T E V V M M V T T T E T T T T T VM T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T V E 30 2 V E VE3001 VE2001 T04011 E04011

36 Sistemi di ventilazione Longitudinale Vantaggi - Poco spazio richiesto per l impianto di ventilazione -Semplice installazione e basso costo di investimento -Efficiente in tunnel unidirezionali -Buon controllo dei fumi Svantaggi -La movimentazione di aria è garantita dall azione di jet fan installati sulla volta della galleria -Installazione limitata dall altezza del tunnel -Non desiderabili per tunnel bidirezionali -Elevata emissione di fumi ai portali -Fumi non rimossi dal tunnel -Richiede precisa localizzazione del focolaio 36