Prof. Ernesto Damiani

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1 Algoritmi matematici, modelli numerici ed elaborazioni di calcolo automatico per lo studio delle interazioni tra water mist e scenari di incendio di progetto Prof. Ernesto Damiani Intervento nell ambito del seminario tecnico Come evolve la sicurezza antincendio con la tecnologia Water Mist Belluno, 14 maggio 2010 Introduzione Il sistema water mist ad alta pressione utilizza gocce d acqua di dimensioni molto ridotte, che riescono a controllare l incendio attraverso i seguenti meccanismi: Raffreddamento della fiamma e dei fumi Riduzione dell ossigeno disponibile per la combustione, grazie alla formazione di vapore Attuazione del flusso di calore radiante grazie alla presenza di goccioline di acqua nell ambiente 1

2 Classificazione del Water Mist NFPA 750 Class 1, Dv0.1=100 µm, Dv0.9=200 µm Class 2, Dv0.1=200 µm, Dv0.9=400 µm Class 3, Dv0.9>400 µm Water Mist in azione 2

3 Modellizzazione della soppressione degli incendi La modellizzazione in scala della soppressione degli incedi tramite sistema water mist coinvolge molti aspetti differenti, tra i quali: fenomeno della combustione dinamica dei fluidi e delle correnti d aria atomizzazione e evaporazione delle gocce d acqua Modelli noti in letteratura a campi a zone Modello a campi Suddividono l ambiente in migliaia (anche milioni) di celle tridimensionali Alle celle vengono assegnate grandezze termodinamiche in base al materiale che le compone Nel sistema le equazioni di conservazione (massa, energia etc.) vengono risolte per ogni cella 3

4 Modello a campi Vantaggi e svantaggi Applicabilità in ogni situazione Previsioni più precise Complessità nell utilizzo Tempi lunghi per la preparazione dello scenario d incendio e per lo sviluppo dei calcoli Necessità di computer potenti e veloci Minimo errore di definizione dell ambiente invalida la simulazione Modello a zone Dividono l ambiente in due zone omogenee: Zona superiore: fumi e gas prodotti della combustione Zona inferiore: libera dal fumo e più fresca di quella superiore Le grandezze caratteristiche del sistema vengono stimate tramite risoluzione per via analitica delle equazione di conservazione e sulla base del variazione del rapporto delle altezze delle due zone 4

5 Modello a Zone Modello a zone Vantaggi e svantaggi Facilità nell utilizzo e nella definizione dello scenario di incendio Rapidità nello sviluppo dei calcoli Impiego di computer anche non troppo potenti Indicati per ambienti con plano-volumetrie non troppo complesse e volumetrie relativamente ridotte 5

6 Modello a zona singola Evoluzione del modello a zone Noto per descrivere l azione estinguente dei sistemi water mist Con questo modello, se opportunamente progettato, l aria può considerarsi una miscela omogenea L iniezione dell acqua è trattata come se arrivasse da un unica fonte in grado di distribuire uniformemente le gocce d acqua Obiettivi della simulazione Esaminare l azione estinguente del sistema water mist in ambienti dove la ventilazione è limitata o controllata Analizzare le prestazioni del sistema water mist in termini di abbassamento della temperatura che si verifica all interno del locale incendiato e tempi di estinzione dell incendio 6

7 Modello WaMi (1) Il modello considera durante lo studio analitico dell evoluzione dell incendio Il locale come zona singola I principi di conservazione della massa e di energia per arrivare all equazione del bilanciamento termico La tipologia e la quantità del combustibile La superficie di ventilazione del locale in relazione alla grandezza, alla forma e al posizionamento delle aperture Le caratteristiche dei materiali delle pareti del locale Il diametro medio delle gocce d acqua del sistema water mist Modello WaMi (2) La potenza termica generata dell incendio viene dissipata dai seguenti processi: riscaldamento dell aria presente nel locale riscaldamento dell aria che entra nel locale se ci sono aperture riscaldamento dell acqua iniettata dagli ugelli del sistema water mist evaporazione riscaldamento delle pareti dispersione termica delle pareti 7

8 Estinzione dell incendio Prevede l estinzione dell incendio quando la concentrazione di ossigeno non è più sufficiente per sostenere la combustione Per determinare la concentrazione di ossigeno il modello considera: La quantità inizialmente presente L ossigeno consumato dalla combustione La diluizione provocata dall evaporazione delle gocce d acqua al interno del locale Il bilanciamento indotto dai flussi di aria uscenti e di quelli entranti attraverso le aperture di ventilazione 8

9 Combustione Nell ipotesi che la combustione sia completa, nell ambiente ci dovrà essere una sufficiente quantità di ossigeno Per valutare la quantità di ossigeno consumato e i prodotti della combustione è necessaria la formula bruta del combustibile Dalla reazione stechiometrica vengono determinati: I prodotti della combustione La quantità di ossigeno consumato Potenza termica (1) La potenza termica Rate of Heat Release (RHR), ossia la rapidità con la quale viene rilasciata l energia termica incide sulla temperatura e sulla portata di fumo e gas nocivi La procedura analitica per stimare la variazione della potenza termica: Considera che, nella fase iniziale di crescita dell incendio, la potenza termica totale rilasciata, aumenta con il quadrato del tempo Verifica del raggiungimento del flashover Determina dell RHR massimo 9

10 Potenza termica (2) Considera che dopo il flashover nell ambiente si instaura un regime controllato dalla ventilazione e la potenza termica raggiunge il suo valore massimo Da questo momento l andamento di RHR, tipico per la fase di incendio pienamente sviluppato, sarà costante fino a quando il combustibile inizialmente presente verrà consumato per il 70% Determina la durata della fase di decadimento dell incendio, ossia il tempo necessario per consumare il combustibile rimanente RHR 10

11 Ventilazione Lo sviluppo dell incendio in fase avanzata di evoluzione all interno di un locale dipende dal valore assunto da un fattore di ventilazione Il fattore di ventilazione influenza significativamente il massimo valore della velocità di combustione Considerando la ventilazione naturale e la differenza di pressione che si instaura tra l esterno e l interno del locale incendiato, il modello analizza le portate massiche di aria entrante e uscente Sistema water mist (1) L acqua ha l effetto di: raffreddare le sostanze che bruciano fino a valori di temperatura inferiori a quelli necessari per il mantenimento della combustione soffocare l incendio creando una atmosfera inerte formata dal vapore acqueo che si libera nell aria a causa della evaporazione 11

12 Sistema water mist (2) Il modello considera che la distribuzione delle dimensioni delle gocce d acqua è caratterizzata da un diametro medio per determinare: il calore trasferito alle gocce d acqua, che dipende dal diametro medio la quantità di acqua che può evaporare Temperatura 12

13 Analisi di sensitività Il modello è stato sottoposto a un'analisi di sensitività prevista dallo standard ISO seguendo l'impostazione di disegno fattoriale definita in NIST-GCR Sono stati individuati quindi i parametri critici che necessitano di una modellizzazione iniziale molto accurata Adattabilità La caratteristica modulare permette una grande adattabilità ai possibili scenari presi in analisi Possono essere presi in considerazione anche: scenari con assenza di ventilazione scenari con assenza di fiamma 13

14 Sviluppi futuri Integrazione con software CAD Introduzione di scenari multiambiente Riferimenti 1. Modeling of water mist fire suppression, J. Vaari 2. A Transient One-zone Model for Total Flooding Water Mist Fire Suprresion, J.Vaari, Proc. of the 5ht Fire Suppression and Detection Research Application Symposium, 3. Ingegneria della sicurezza antincendio antincendio, A La Malfa, Legislazione Tecnica Editrice 4. Problemi pratici risolti di ingegneria antincendio, A. La Malfa, Legislazione Tecnica Editrice 5. The effect of door angle on fire induced flow through a door way, L. R. Clark, Master thesis of Department of Civil Engineering, University of Canterbury 14

15 Riferimenti 6. Wighus, R and Brandt, A.W., ' WATMIST a one-zone model for water mist fire suppression', Proceedings of the Halon Options Technical Working Conference, Albuquerque, NM (2001) 7. ESTIMATING TEMPERATURES IN COMPARTMENT FIRES - William D. Walton and Philip H. Thomas 8. Status Report on Water Mist Fire Suppression Systems 1996, J. R. Mawhinney and J. K. Richardson, NISTIR 6030, National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg, MD (1997) pp Advances in the Technology of Intermediate Pressure Water Mist Systems for the Protection of Flammabel Liquid Hazards, J. S. Pepi,Proc. of the Halon Options Technical Working Conference, Albuquerque, NM (1998) p