Simulazioni accoppiate 1D-3D per scenari d incendio

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1 Simulazioni accoppiate 1D-3D per scenari d incendio Applicazione a tunnel stradali e linee metropolitane Luca Iannantuoni Dipartimento di Energia - Politecnico di Milano 29 Ottobre 2009 Luca Iannantuoni (PoliMi) A.I.I.A Ottobre / 14 Contenuti Contenuti 1 Introduzione 2 Modello di Rete 3 Caratteristiche 4 Criticità 5 Conclusioni Luca Iannantuoni (PoliMi) A.I.I.A Ottobre / 14

2 Introduzione Introduzione Gli scenari d incendio nei tunnel, per complessità e dimensione spaziale del dominio, non sono simulabili nel loro complesso con le risorse di calcolo mediamente a disposizione degli utenti, e anche ricorrendo ai supercomputer i tempi di simulazione sarebbero comunque proibitivi Luca Iannantuoni (PoliMi) A.I.I.A Ottobre / 14 Incendi nei tunnel Introduzione E importante invece effettuare studi parametrici che permettano di ottimizzare la progettazione dei sistemi antincendio (ventilazione, controllo/soppressione) sulla base di una valutazione della loro efficacia stimata col supporto dei codici di calcolo per la difficoltà che si ha ad ottenere informazioni sperimentali (alti costi, assenza di tipologie standard) Luca Iannantuoni (PoliMi) A.I.I.A Ottobre / 14

3 Introduzione Modelli CFD Se il modello CFD è validato e il prototipo oggetto di studio non si discosta troppo dal modello, l evoluzione dell incendio puo essere descritta con un sufficiente grado di accuratezza ai fini della stima delle temperature e delle concentrazioni dei fumi ma non senza fissare delle corrette condizioni al contorno Luca Iannantuoni (PoliMi) A.I.I.A Ottobre / 14 Sistemi complessi Introduzione Queste dovrebbero tenere conto in un certo modo dell evoluzione dell intero sistema, in particolare per effetto dell impianto di ventilazione, dell effetto pistone generato dal movimento delle vetture e delle forze di galleggiamento Al transitorio che si vuole quindi calcolare vengono solitamente applicate condizioni costanti o periodiche, che limitano fortemente l accuratezza dei risultati indipendentemente dall effettiva bontà della modellistica adottata e della griglia impiegata Luca Iannantuoni (PoliMi) A.I.I.A Ottobre / 14

4 Introduzione Modelli ibridi Mediante accoppiamento 1D-3D (di modelli cosiddetti 1D a parametri concentrati e modelli CFD generalmente tridimensionali) è possibile ridurre drasticamente il costo computazionale, determinando le condizioni al contorno con un modello di rete che permette di simulare il complesso sistema in cui è inserita l analisi dettagliata CFD Resteranno incertezze legate alla difficoltà di ricostruire l effettiva curva caratteristica delle macchine ventilanti, alla stima dell effetto pistone e alla determinazione delle perdite di carico, riducibili solo mediante l indagine sperimentale Luca Iannantuoni (PoliMi) A.I.I.A Ottobre / 14 Modello di Rete Modello di Rete Luca Iannantuoni (PoliMi) A.I.I.A Ottobre / 14

5 Modello di Rete Ipotesi e assunzioni Tunnel, stazioni, rampe e scale di accesso, condotti di ventilazione possono essere considerati come i rami di un circuito connessi da nodi. In tal modo la sua topologia puo essere immediatamente rappresenata in forma matriciale Si assume ciascun ramo avente sezione uniforme, distribuzione lineare della pressione e delle forze di volume su di esso agenti, siano esse sorgenti (ventilatore, veicolo), attrito e galleggiamento (effetto camino). Si risolve la conservazione della massa con un bilancio delle portate ai nodi Si applica la legge di Kichhoff per le differenze di pressione ai capi di rami diversi congiunti dagli stessi nodi Il fluido è comprimibile Luca Iannantuoni (PoliMi) A.I.I.A Ottobre / 14 Ipotesi e assunzioni Modello di Rete L ipotesi di scambio termico unidirezionale alla parete di ogni tratto permette di utilizzare delle semplici espressioni per determinare l andamento della temperatura in funzione del tempo e della distanza. Ipotizzando il completo miscelamento ai nodi delle portate anche l equazione dell energia risulta immediata ed è così possibile anche determinare le temperature ai nodi Luca Iannantuoni (PoliMi) A.I.I.A Ottobre / 14

6 Modello di Rete Accoppiamento Luca Iannantuoni (PoliMi) A.I.I.A Ottobre / 14 Caratteristiche Caratteristiche Il codice che ne incarna lo sviluppo, nome di progetto Sons - Subway One-Dimentional Network Simulator) è potenzialmente in grado di essere impiegato con tutti i CFD attualmente presenti sul mercato, ma verranno sviluppati programmi per gestirne l interfacciamento solo per i codici CFD OpenSource FDS e OpenFOAM (utilizzati attualmente nel gruppo di ricerca) Permette di modellare camere di ventilazione, jet-fan, l effetto di veicoli in movimento e applicare strategie di ventilazione programmate sulla base di parametri prestabiliti (come il tempo o la temperatura). La descrizione della rete puo avvenire con diversi livelli di complessità che vanno opportunamente definiti Luca Iannantuoni (PoliMi) A.I.I.A Ottobre / 14

7 Criticità Criticità L analisi di sensitività diventa più complessa se il modello 1D ha molti parametri L accoppiamento puo essere fatto in diversi modi ed è importante fissare bene il numero di iterazioni che devono fare rispettivamente i due modelli prima di scambiarsi informazioni (sincronizzazione) applicando opportuni time-step e criteri di convergenza Le informazioni sono scambiate vicendevolmente tra i modelli alle interfacce, opportunamente definite nel modello CFD con una meshatura appropriata La descrizione della rete puo avvenire con diversi livelli di complessità che vanno opportunamente definiti Luca Iannantuoni (PoliMi) A.I.I.A Ottobre / 14 Conclusioni Conclusioni Accoppiare simulazioni 1D (a parametri concentrati) e 3D assieme può risultare in un più flessibile e robusto approccio per un certo tipo di simulazioni in scenari complessi che puo essere impiegato in uno svariato campo di applicazioni e in particolare tale metodo risulta estremamente interessante nei casi di lunghi tunnel stradali o linee di metropolitana Luca Iannantuoni (PoliMi) A.I.I.A Ottobre / 14