Stima dell efficacia dei sistemi water mist nel controllo, nella soppressione e nell estinzione degli incendi

Stima dell efficacia dei sistemi water mist nel controllo, nella soppressione e nell estinzione degli incendi Giovanni Manzini, Ph. D. (Applied Thermal Engineering group) A.I.I.A. XI Convegno Nazionale La Tecnologia Water Mist - Stato dell arte e Prospettive 1

della ricerca e sua strutturazione La ricerca ha avuto come obiettivo la valutazione degli effetti di diverse erogazioni water mist su vari tipi di incendio, per mezzo dell attività sperimentale e dell impiego di opportuni modelli matematici interpretativi e previsionali. A tal fine la ricerca è stata suddivisa nelle seguenti parti: analisi fisico-matematica dei fenomeni, elaborazione di modelli di calcolo per l implementazione in opportuni codici, sperimentazione, simulazione numerica dei vari scenari d incendio mediante l impiego dei codici di calcolo tridimensionali (Fast running, CFD). (La sperimentazione è stata utilizzata sia a supporto della fase di elaborazione dei modelli, sia per la loro validazione, una volta completati.) 2

I sistemi water mist Sistemi per il controllo, la soppressione e l estinzione degli incendi: single-fluid, twin-fluid Parametri caratteristici delle erogazioni Erogazione Portata [m 3 /s] ([l/min]) Diametro medio [μm] Pressione di esercizio [MPa] ([bar]) Convenzionale Water mist 8,333 10-4 16,66 10-4 (50 100) 3,333 10-5 58,33 10-5 (2 35) 1000 1500 30 200 0,2 0,5 (2 5) 5 20 (50 200) Diffusione della tecnologia water mist in un numero crescente di installazioni grazie a: - elevata efficacia, - compatibilità con la presenza umana, - ridotte dimensioni e masse degli impianti, - ridotto bagnamento delle superfici, - messa al bando degli halon. 3

I sistemi water mist Principi fisici alla base del funzionamento dei sistemi water mist: azione termica di raffreddamento, azione meccanica di riduzione della concentrazione di ossigeno e, secondariamente, di combustibile nelle zone delle fiamme e in quelle prossime ad esse, azione di attenuazione della potenza termica irraggiata, consistente nella riduzione del flusso termico areico incidente. Elevata efficacia garantita da: valori elevati della superficie esterna delle gocce e del coefficiente di scambio termico convettivo, prolungata permanenza in aria delle gocce, a causa della loro massa ridotta, ampia dispersione delle gocce nello spazio (raggiungimento di focolai nascosti), grazie alle loro dimensioni e alle caratteristiche cinetiche del getto. 4

I sistemi water mist Applicazioni: Sale macchina terrestre); (settori: marittimo, navale, Vani turbine a gas (GE); Tunnel stradali (Virgolo-Brennero, A86-Parigi, M30 Madrid); Teatri (La Scala, Petruzzelli); Metropolitane (Madrid, Londra, Budapest); Archivi cartacei (Politecnico campus Durando); CED (IBM); Sale quadri elettrici (CERN); Cabine navi/ camere alberghi; Aeroporti (Linate);. 5

Analisi fisico-matematica dei fenomeni Erogazione water mist iniezione dispersione trascinamento vaporizzazione Scambi termici tra le gocce e i fumi caldi/fiamme scambi convettivi attenuazione radiativa Temperatura zona combustione raffreddamento estinzione Evoluzione pool-fire ignizione sviluppo esaurimento estinzione Sviluppo modello iniezione (spray) per il codice ECART (CESI Ricerca). Valutazione coefficiente di scambio termico convettivo h; Stima valori attenuazione radiativa A. Stima valore medio della temperatura della zona di combustione T FL. Elaborazione modello pool fire per il codice ECART (CESI Ricerca). 6

Analisi fisico-matematica dei fenomeni Scambi termici tra le gocce e i fumi caldi/fiamme: valutazione coefficiente di scambio termico convettivo h. Correlazioni di Ranz-Marshall, Whitaker, Ranz-Marshall-Rasbash. 6000 W/m 2 9000 W/m K h (Whitaker) 2 K h (Ranz-Marshall-Rasbash) 0 m/s T aeriforme= 200 C 140 m/s T aeriforme= 900 C 7

Analisi fisico-matematica dei fenomeni Scambi termici tra le gocce e i fumi caldi/fiamme: stima valori attenuazione radiativa A. ϕ0 ϕ A = ϕ 0 Cortine d acqua A = 1 e kdp k ml dp = k SMD dove φ è il flusso termico radiativo incidente [W/m 2 ]; k è un parametro funzione, principalmente, del campo di moto delle gocce e della massa volumica del fluido utilizzato [(s m 2 )/kg]; l è la portata massica lineare della barriera [kg/(s m)]; SMD è il diametro medio di Sauter delle gocce [m]. m A - Tradizionale A -WM 8

Analisi fisico-matematica dei fenomeni Temperatura zona combustione: stima valore medio della temperatura della zona di combustione T FL. C H 11O 7CO + H O + Q + + 7 16 + 2 2 8 2 Q Δ m CO 2 Q est T FL m H 2 O WM c = m N 2 pco 2 T CO 2 i dt T H 2 O b c + ph T H 2 O WM ii T FL c pn 2 T N 2 i m H 2 O 2 Ol dt dt + + ( h h ) H 2 O FL Δ h T Fb F T Fi m H 2 o b + c pfl dt H 2 O i + + Δ h + ( h h ) H 2 O FL Fb H 2 O b ( h h ) F reaz Fvb + m O 2 T reazl T io 2 c po 2 dt + m H2O-WM /V Tot amb [kg/m 3 ] T FL 1 [K] T FL 1 [ C] T FL 2 [K] T FL 2 [ C] 0,11 0,43 2480,66 1535,77 2207,51 1262,62 1543,95 868,60 1270,80 595,45 (dv/dt)/vol. ambiente= 0,22 0,86 l/min m 3 (dv/dt)/vol. ambiente = 0,5 1 l/min m 3 (dalle dichiarazioni costruttori) 9

Giovanni Manzini Elaborazione modelli di calcolo Sviluppo e validazione del modello di iniezione Water mist e del modello di Pool fire per il codice ECART (CESI Ricerca). Radiative heat transfer Pyrolysis Thermal Hydraulics Modello Pool Fire Modello Water Mist Chemical reactions Aerosol and vapors 10

Giovanni Manzini Sviluppo e validazione del modello di iniezione Water mist e del modello di Pool fire per il codice ECART (CESI Ricerca). Scambi di: Energia, Quantità di moto, Massa. (Scambi termici convettivi, discretizzazione dimensionale, dati di progetto). Elaborazione modelli di calcolo L v 0 Iniezione Water mist v goccia H Pool fire Scambi di: Energia, Massa. (Trasmissione del calore all interno del pool e pool-esterno, vaporizzazione del liquido). 11

Giovanni Manzini Elaborazione modelli di calcolo Elaborazione modello pool fire per il codice ECART (CESI Ricerca): vaporizzazione liquido combustibile. HRR: Fase I, II, III Burning rate Max 12

Erogazioni dirette - scenari d incendio in ambiente confinato. Influenza sui pool fire: controllo soppressione estinzione Influenza sul mantenimento di condizioni sicure per l esodo degli occupanti Misure: Δt T [CO] DAU: Data Accumulator Unit (Twin-fluid) MAU: Machinery space Accumulator Unit (Twin-fluid) Focolai esposti all erogazione, oppure nascosti 13

Giovanni Manzini Erogazioni dirette - scenari d incendio in ambiente confinato. Temperatura media 300 C Inizio Erogazione 60 C Temperatura T5 (R) [CO] media MAU: Machinery space Accumulator Unit 8 ppm 200 s DAU: Data Accumulator Unit Focolai esposti all erogazione, oppure nascosti 14

Erogazioni indirette - scenari d incendio in ambiente confinato. Influenza sui pool fire: controllo soppressione estinzione Influenza sul mantenimento di condizioni sicure per l esodo degli occupanti Misure: Δt T [CO] Machinery space/ Tunnel Unit (Single fluid) 15

Erogazioni indirette - scenari d incendio in ambiente confinato. 200 C Pool 2 Evoluzione libera 200 C Temperatura media Pool 2 Iniezione Water mist Temperatura media 70 ppm [CO] media 70 ppm [CO] media 1000 s Inizio Erogazione Machinery space/ Tunnel Unit 16

Giovanni Manzini Simulazione numerica scenari d incendio mediante codici di calcolo Erogazioni dirette - scenari d incendio in ambiente confinato. (Discretizzazione dello spazio) FDS n. 321840 celle n. 2 mesh strutturate: celle cubiche di 0,05 e 0,10 m OUT-UP EROGATORI WATER-MIST VENT ECART n. 8 volumi di controllo ROOM-UP ROOM-DOWN FIRE-B FIRE-I FIRE-T DOOR-UP DOOR-DOWN OUT-DOWN 17

T [ C] Giovanni Manzini Erogazioni dirette - scenari d incendio in ambiente confinato. (Risultati) 350,00 EXP ECART 325,00 FDS 300,00 275,00 250,00 225,00 200,00 175,00 150,00 125,00 100,00 75,00 50,00 25,00 0,00 0 40 80 120 160 200 240 280 320 360 400 440 480 T media [ C] t [s] 350,00 325,00 300,00 275,00 250,00 225,00 200,00 175,00 150,00 125,00 100,00 75,00 50,00 25,00 Simulazione numerica scenari d incendio mediante codici di calcolo EXP 70,22 300 C Temperatura media ECART 56,84 200 C Iniezione Water mist (MAU) FDS 105,37 T [ C] T media [ C] Inizio Erogazione Evoluzione libera 0,00 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 340 t [s] EXP 110,93 Temperatura media ECART 148,45 EXP ECART FDS FDS 147,37 18

Giovanni Manzini Simulazione numerica scenari d incendio mediante codici di calcolo Erogazioni indirette - scenari d incendio in ambiente confinato. (Discretizzazione dello spazio) FDS n. 226048 celle mesh strutturata: celle cubiche di 0,25 e 0,10 m ECART n. 18 volumi di controllo n. 2 volumi esterni 19

Giovanni Manzini Simulazione numerica scenari d incendio mediante codici di calcolo Erogazioni indirette - scenari d incendio in ambiente confinato. (Risultati) Pool 2 - Evoluzione libera 200 C Temperatura media (e) 160 C Temperatura media 70 C Inizio Erogazione Temperatura media Pool 2 - Evoluzione libera Erogazioni WM indirette su pool-fire: temperatura media zona difesa Tm EXP= 44,8 C Tm FDS=56,5 C Pool 2 - Water mist (Machinery space/ Tunnel Unit) 20

Giovanni Manzini Simulazione numerica scenari d incendio mediante codici di calcolo Analisi degli scenari d incendio in una linea metropolitana automatica. (Risultati -FDS) Erogazione water mist + ventilazione Erogazione tradizionale + ventilazione [MW] 3,50E+03 3 3,00E+03 Potenza term ica generata - H R R HRR HRRm WM= 0,88 MW HRRm Trad=1,26 MW HRR [kw] 2,50E+03 2 2,00E+03 1,50E+03 2 MW HRR - Conv HRR - W M 1 1,00E+03 5,00E+02 0,00E+00 0,00E+00 5,00E+00 1,00E+01 1,50E+01 2,00E+01 2,50E+01 3,00E+01 3,50E+01 0 10 t [s] 20 t 30 Inizio Erogazione WM 21

Conclusioni - I Prerogative dei Sistemi Water mist: Vantaggi rispetto ai sistemi tradizionali (pioggia e diluvio) Maggiore efficacia dello scambio termico convettivo che caratterizza le gocce dei sistemi water mist rispetto al caso dai sistemi tradizionali (sprinkler). Maggiore attenuazione della radiazione termica che scaturisce dall intervento di una cortina di spray d acqua. Maggiore raffreddamento prodotto dall iniezione di mist su reagenti e prodotti della combustione. Applicabilità e rilevante efficacia sugli incendi di classe B. Utilità erogazioni su focolai nascosti (protetti) e indirette. Abbattimento dei prodotti della combustione e del particolato. Svantaggi rispetto ai sistemi tradizionali (pioggia e diluvio) Elevata sensibilità alla ventilazione (naturale, forzata). Difficoltà a raggiungere e mantenere un opportuna concentrazione di mist nell intorno della zona di combustione. Elevata sensibilità alle caratteristiche dello spray e alla disposizione degli erogatori. Elevata sensibilità alle caratteristiche del combustibile. Destratificazione dei prodotti della combustione e del particolato. Riduzione della visibilità. 22

Conclusioni - II Criticità dei Codici di calcolo impiegati: ECART (CESI Ricerca) Fast running Well-mixed code: grandi volumi di controllo risultati validi solo in prima approssimazione. In questi limiti e grazie all introduzione del modello iniezione WM e del modello Pool fire, ha dimostrato di essere un valido strumento per il calcolo termofluidodinamico degli incendi sottoposti agli effetti di un sistema di protezione attiva di tipo water-mist. FDS (BFRL - NIST) Modellazione del pool fire: sono risultate quasi completamente assenti le fasi I (di crescita) e III (di decrescita), a causa, dell errato computo della potenza assorbita dalla pozza per il suo riscaldamento (fase I) e della potenza persa verso l esterno del contenitore (fase III). Processo di combustione: poco sensibile alle concentrazioni dei reagenti e alla temperatura, in quanto un MFR (Mixture Fraction Reaction) model e non un FRR (Finite Rate Reaction) Model. (Quest ultimo non impiegabile se non abbinato alla DNS). Dispersione delle gocce di mist e relativi scambi di massa ed energia. Incertezze causate dalla destinazione d uso del codice, che non contempla ancora specificamente l iniezione water mist. I modelli di trasporto di FDS risentono, infatti, molto delle dimensioni molto ridotte delle gocce e generano errori di rilievo nel calcolo degli scambi di massa, di energia e di quantità di moto tra le stesse e gli aeriformi circostanti. 23

Marioff S.r.l.: sperimentazione, simulazioni ; CESI Ricerca S.p.A.: elaborazione modelli, simulazioni ; Metropolitana Milanese S.p.A.: simulazioni ; UNI: partecipazione al gruppo di lavoro ad hoc Sistemi Water mist. 24

Giovanni Manzini (sintesi) G. Manzini, Manuale dell ingegnere meccanico, a cura di P. Andreini, cap. 32, Sistemi antincendio, Hoepli Ed., 2005 G. Manzini, In vigore le regole sugli ambienti a rischio di esplosione, La Termotecnica, Settembre 2003 P. Andreini, G. Manzini, P. Parolini, La tecnologia water mist per il controllo e l estinzione degli incendi, La Termotecnica, Febbraio 2005 P. Andreini, G. Manzini, P. Parolini, E. Galli, Efficienza dell'erogazione water mist in scenari d'incendio di una linea metropolitana, La Termotecnica, Maggio 2005 G. Manzini, Le barriere water mist per la protezione attiva contro gli incendi, (versione completa), La Termotecnica, 1 Dicembre 2005 G. Manzini, Le barriere water mist per la protezione attiva contro gli incendi, (versione ridotta), Il Giornale dell Ingegnere, Dicembre 2005 G. Manzini, Rischi di esplosione nei luoghi di lavoro. In vigore le nuove regole, La Termotecnica, Giugno 2006 G. Manzini, E. Galli, I sistemi water mist per il controllo, la soppressione e l estinzione degli incendi, Il Giornale dell Ingegnere, 1 Giugno 2006 G. Manzini, L. Iannantuoni, Whirling flames Formazione, sviluppo e mantenimento, La Termotecnica, Novembre 2006 G. Manzini, L. Iannantuoni, Analisi dell efficacia delle erogazioni water mist di tipo diretto ed indiretto su pool fire, Giornata Nazionale dell Ingegneria Antincendio dell Unione Italiana di Termofluidodinamica, Modena, Giugno 2007 G. Manzini, L. Iannantuoni, Whirling flames Principali riscontri di una fase sperimentale in ambiente confinato, La Termotecnica, Giugno 2007 P. Andreini, G. Manzini, L. Iannantuoni, Analisi delle fasi di formazione, sviluppo e mantenimento delle Whirling flames, con l'ausilio della sperimentazione e della termofluidodinamica computazionale, Convegno naz. ATI 07, Salerno, Set. 07 G. Manzini, La definizione degli scenari Analisi probabilistica e modellazione degli eventi più rappresentativi, Atto del Congresso nazionale AIIA (SFPE Italian chapter) 07 I modelli di calcolo nell Ingegneria Antincendio, Milano 22.10.07 In attesa di pubblicazione P. Andreini, G. Manzini, Effects analysis of some water mist injections on pool fires, by experimental activity and CFD codes, Int. rev. P. Andreini, G. Manzini, F. Parozzi, L. Iannantuoni, External effects equivalent mathematical model of pool fire dynamics, Int. rev. 25

FDS - Limiti Limitations of the Model Although FDS can address most fire scenarios, there are limitations in all of its various algorithms. Some of the more prominent limitations of the model are listed here. More specific limitations are discussed Low Speed Flow Assumption The use of FDS is limited to low-speed flow with an emphasis on smoke and heat transport from fires. This assumption rules out using the model for any scenario involving flow speeds approaching the speed of sound, such as explosions, choke flow at nozzles, and detonations. Rectilinear Geometry The efficiency of FDS is due to the simplicity of its rectilinear numerical grid and the use of fast, direct solvers for the pressure field. This can be a limitation in some situations where certain geometric features do not conform to the rectangular grid, although most building components do. There are techniques in FDS to lessen the effect of sawtooth obstructions used to represent nonrectangular objects, but these cannot be expected to produce good results if, for example, the intent of the calculation is to study boundary layer effects. For most practical large-scale simulations, the increased grid resolution afforded by the fast pressure solver offsets the approximation of a curved boundary by small rectangular grid cells. (Fonte: AA.VV., FDS vs. 4 Technical Reference Guide, NIST Special Publication 1018, 2006) 26

FDS - Limiti Limitations of the Model Combustion - General Because the model was originally designed to analyze industrial-scale fires, it can be used reliably when the heat release rate (HRR) of the fire is specified and the transport of heat and exhaust products is the principal aim of the simulation. In these cases, the model predicts flow velocities and temperatures to an accuracy within 5 % to 20 % of experimental measurements, depending on the resolution of the numerical grid 2. However, for fire scenarios where the heat release rate is predicted rather than prescribed, the uncertainty of the model is higher. There are several reasons for this: (1) properties of real materials and real fuels are often unknown or difficult to obtain, (2) the physical processes of combustion, radiation and solid phase heat transfer are more complicated than their mathematical representations in FDS, (3) the results of calculations are sensitive to both the numerical and physical parameters. Current research is aimed at improving this situation, but it is safe to say that modeling fire growth and spread will always require a higher level of user skill and judgment than that required for modeling the transport of smoke and heat from prescribed fires. (Fonte: AA.VV., FDS vs. 4 Technical Reference Guide, NIST Special Publication 1018, 2006) 27

FDS - Limiti Limitations of the Model Combustion For most applications, FDS uses a mixture fraction combustion model. The mixture fraction is a conserved scalar quantity that is defined as the fraction of gas at a given point in the flow field that originated as fuel. The model assumes that combustion is mixing-controlled, and that the reaction of fuel and oxygen is infinitely fast, regardless of the temperature. For large-scale, well-ventilated fires, this is a good assumption. However, if a fire is in an under-ventilated compartment, or if a suppression agent like water mist or CO 2 is introduced, fuel and oxygen may mix but may not burn. Also, a shear layer with high strain rate separating the fuel stream from an oxygen supply can prevent combustion from taking place. The physical mechanisms underlying these phenomena are complex, and even simplified models still rely on an accurate prediction of the flame temperature and local strain rate. Sub-grid scale modeling of gas phase suppression and extinction is still an area of active research in the combustion community. Until reliable models can be developed for building-scale fire simulations, simple empirical rules can be used that prevent burning from taking place when the atmosphere immediately surrounding the fire cannot sustain the combustion. (Fonte: AA.VV., FDS vs. 4 Technical Reference Guide, NIST Special Publication 1018, 2006) 28

Limitations of the Model Combustion FDS - Limiti (Fonte: AA.VV., FDS vs. 4 Technical Reference Guide, NIST Special Publication 1018, 2006) 29

FDS - Limiti Limitations of the Model Radiation Radiative heat transfer is included in the model via the solution of the radiation transport equation for a non-scattering gray gas, and. The equation is solved using a technique similar to finite volume methods for convective transport, thus the name given to it is the Finite Volume Method (FVM). There are several limitations of the model. First, the absorption coefficient for the smoke-laden gas is a complex function of its composition and temperature. Because of the simplified combustion model, the chemical composition of the smokey gases, especially the soot content, can effect both the absorption and emission of thermal radiation. Second, the radiation transport is discretized via approximately 100 solid angles. For targets far away from a localized source of radiation, like a growing fire, the discretization can lead to a non-uniform distribution of the radiant energy. This can be seen in the visualization of surface temperatures, where hot spots show the effect of the finite number of solid angles. The problem can be lessened by the inclusion of more solid angles, but at a price of longer computing times. In most cases, the radiative flux to farfield targets is not as important as those in the near-field, where coverage by the default number of angles is much better. (Fonte: AA.VV., FDS vs. 4 Technical Reference Guide, NIST Special Publication 1018, 2006) 30

FDS - Limiti Limitations of the Model Radiation Interaction of Droplets and Radiation The attenuation of thermal radiation by water droplets is an important consideration, especially for water mist systems. Water droplets attenuate thermal radiation through a combination of scattering and absorption. The radiation-droplet interaction must therefore be solved for both the accurate prediction of the radiation field and for the droplet energy balance. (Fonte: AA.VV., FDS vs. 4 Technical Reference Guide, NIST Special Publication 1018, 2006) 31

FDS - Limiti Limitations of the Model Water droplets Sprinkler Droplet Size Distribution - Once activation is predicted, a sampled set of spherical water droplets is tracked from the sprinkler to either the floor or the burning commodity. In order to compute the droplet trajectories, the initial size and velocity of each droplet must be prescribed. This is done in terms of random distributions. The initial droplet size distribution of the sprinkler spray is expressed in terms of its Cumulative Volume Fraction (CVF), a function that relates the fraction of the water volume (mass) transported by droplets less than a given diameter. Researchers at Factory Mutual have suggested that the CVF for an industrial sprinkler may be represented by a combination of log-normal and Rosin-Rammler distributions: where d m is the median droplet diameter (i.e. half the mass is carried by droplets with diameters of dm or less), and γ and σ are empirical constants equal to about 2,4 and 0,6, respectively. The median drop diameter is a function of the sprinkler orifice diameter, operating pressure, and geometry. (Fonte: AA.VV., FDS vs. 4 Technical Reference Guide, NIST Special Publication 1018, 2006) 32

Limitations of the Model Water droplets Sprinkler Droplet Size Distribution FDS - Limiti Cumulative Volume Fraction (Fonte: AA.VV., FDS vs. 4 Technical Reference Guide, NIST Special Publication 1018, 2006) 33

Struttura ECART Modello WATER-MIST Modello Pool fire (Fonte: F. Parozzi, ECART User s Manual, 2005) 34

Esempio: processo ECART (Fonte: F. Parozzi, ECART User s Manual, 2005) 35

ECART Control volume A two-region model is adopted inside each volume, in which a liquid pool is separated by the vapour-gas atmosphere. In particular, the following assumptions are made: the two regions may have different temperatures; the liquid region (or pool) may consist of liquid only or of liquid and vapour (rising bubbles) in thermal equilibrium and may contain also aerosol particles; the gas region (or atmosphere) may consist of only vapour and non condensable gases or may also contain dispersed liquid water (falling droplets) in thermal equilibrium with the gaseous phase and fission products either as vapors or as aerosol particles; a single reference pressure is considered for both regions; inside each volume, solid structures may be modelled, which both exchange heat with the pool and/or the atmosphere and interact with the airborne fission products (evaporation/condensation, reaction, aerosol particle deposition and resuspension); junctions may connect the volumes among one another or with back environments at prescribed pressure and fluid conditions. (Fonte: F. Parozzi, ECART User s Manual, 2005) 36

Modello WM Iniezione spray d acqua nell ambiente Traiettoria Velocità Potenza termica assorbita Ө ECART Massa H 2 0 vaporizzata Conico Velocità iniziale gocce, angolo Ө del cono e portata d acqua erogata assegnate Polidisperso Diametri iniziali gocce assegnati da curva di distribuzione 0.02 0.018 0.016 0.014 0.012 0.01 0.008 0.006 0.004 0.002 0 Funzione densità di probabilità 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 diametro [ μm] (Fonte: F. Parozzi, ECART User s Manual, 2005) 37

Modello WM ECART Discretizzazione volume attraversato dalle gocce Ipotesi: direzione verticale asse del cono H = altezza del locale [m] L = altezza variabile del cono [m] (L max = H) Forze sulla goccia: 1. Forza peso L v 0 v goccia 2. Forza di resistenza viscosa dell aria H Eq. Moto gocce v goccia (L) [m/s] Effetto di trascinamento del mist: Scambio quantità di moto Spray-Aria Condizioni limite 1) Completa vaporizzazione goccia v aria (L) [m/s] 2) v goccia (L) = v aria (L) Dispersione goccia nell ambiente Aerosol and vapors 3) v goccia (H) > v aria (H) Deposizione goccia a pavimento Thermal Hydraulics (Fonte: F. Parozzi, ECART User s Manual, 2005) 38

ECART Radiative model Thermal Structures and Surfaces ECART considers a certain number of thermal structures, i.e., slabs of various materials that can separate two volumes or belong to a unique volume. These structures are bounded by two surfaces, called internal and external sides. So, each structure side faces a volume, which can be the same of the opposite one or not. The radiation model just applies to these sides, independently from the structures they bound. Once determined the absorption factors between the participating surfaces, this information will be taken into account by the thermal-hydraulic module, as any other temperature-dependent heat transfer, to compute the thermal-hydraulic parameters of the system, among which the structure temperature profile, at each time step. Other ECART modules (thermal-hydraulic, aerosol-vapor and chemical) need only a generic geometrical description of the structure sides, while radiation module necessitates of more sophisticated information. Furthermore, not all structures participate to the radiative heat transfer. For these reasons, the needed geometrical data of the structures are directly input by the radiation model, independently from the general input. Each structure side is supposed to be made up of one or more elemental surfaces of fixed shape, namely: Parallelogram, rectangle Circle, circular sector, annulus, annular sector Circular segment Right cylinder, right cylindrical sector (internal or external side) Right cone, right conical sector (even truncate) (internal or external side) Sphere, spherical fuse, spherical cap, spherical zone (internal or external side) Moreover, each of these elemental surfaces can be defined as positive or negative: as for positive surfaces, they usually concur to form a composed surface; negative surfaces, otherwise, act as holes in the total corresponding surface they refer to. Each of these surfaces is a grey diffuse emitter and reflector, i.e., emissivity and reflectivity depends only on surface temperature, which on the other part is considered uniform all over a structure side, and also α(t) = ε(t), ρ(t) = 1 α(t) = 1 ε(t). Monte-Carlo code (Fonte: F. Parozzi, ECART User s Manual, 2005) 39

Spray (Fonte: G. Grant, J. Brenton, D. Drysdale, Fire suppression by water sprays, Prog. in Energy and Combustion Science, 79-130, 2000) 40

Fire control suppression - extinction Fire control: HRR Fire suppression: HRR < Fire extinction: HRR = 0 (Fonte: G. Grant, J. Brenton, D. Drysdale, Fire suppression by water sprays, Prog. in Energy and Combustion Science, 79-130, 2000) 44

Fire control suppression - extinction (Fonte: G. Grant, J. Brenton, D. Drysdale, Fire suppression by water sprays, Prog. in Energy and Combustion Science, 79-130, 2000) 45

Attenuazione dell irraggiamento ϕ0 ϕ A = ϕ 0 A = 1 e kdp k ml dp = k SMD dove φ è il flusso termico radiativo incidente [W/m 2 ]; k è un parametro funzione, principalmente, del campo di moto delle gocce (inversa con v) e della massa volumica del fluido utilizzato (inversa con ρ), [(s m 2 )/kg]; m l è la portata massica lineare della barriera, in [kg/(s m)]; SMD è il diametro medio di Sauter delle gocce, in [m]. J.M. Buchlin, Thermal shielding by water spray curtain, Journal of loss prevention in process industries 18, 423 432, 2005 46

Attenuazione dell irraggiamento _ J.M. Buchlin, Thermal shielding by water spray curtain, Journal of loss prevention in process industries 18, 423 432, 2005 47