بخشی از مقاله
چکیده
تونلها یکی از بناهای فنی راهها هستند که استفاده از آنها مزایای فراوانی از جمله کاهش زمان سفر، کاهش مصرف سوخت را برای کاربران سیستم حمل و نقل به دنبال خواهد داشت. هر سانحه کوچک در محیط بسته تونل، که شاید هیچ خطری در سایر نقاط جاده به وجود نیاورد، پتانسیل تبدیل به فاجعهای انسانی را دارد. لذا تأمین ایمنی مناسب و مطلوب تونلها و راهکارهای مقابله و کنترل حوادث در این بناها، باید در دستور کار طراحان سیستم حمل و نقل قرار گیرد.
طراحی مناسب سیستمهای تهویه یکی از راهکارهای مقابله با وقوع پدیدههایی همچون آتش سوزی در تونلها میباشد. برای طراحی یک سیستم مناسب تهویه ابتدا باید آتشسوزی و عوامل مؤثر بر آن را شناسایی کنیم. بدین منظور در این مقاله با استفاده از نرمافزار FDS1 به شبیهسازی آتشسوزی در تونلهای جادهای شیبدار پرداخته شده است. اثر این پارامتر - شیب تونل - نسبت به تونلهای کاملاً افقی مورد بررسی قرار گرفت. مشاهده شد که در تونلهای شیبدار به سرعت تهویه بیشتری برای کنترل آتشسوزی و جلوگیری از انتشار دود در تونل نیاز است. در نهایت با بررسی مقادیر بدست آمده، رابطه تحلیلی برای محاسبه سرعت تهویه بحرانی نسبت به تغییرات شیب تونل ارائه شد.
مقدمه
تونلها به عنوان بخش کلیدی سیستم حمل و نقل جهان میباشند که حمل و نقل انسان و کالا از طریق آنها صورت میگیرد. تاریخچه حوادث رخ داده در تونل نشان میدهد که حریق خطر جدی برای امنیت تونلها به شمار میرود. در دهه گذشته بیش از 4000 نفر در سراسر جهان در اثر حادثه آتشسوزی در تونلهای ریلی و جادهای جان خود را از دست دادند. حادثهای مانند تونل منت بلانک2 در سال 1999 در ایتالیا، نشان میدهد که شرایط اضطراری آتشسوزی در تونل باید توسط سناریوهای قوی، که به معنی هماهنگی میان ردیابها، سیستم تهویه، سیستم خروجی و سیستم نوررسانی است، کنترل شود بطوریکه در صورت بروز حوادث کمترین خسارت جانی و مالی ایجاد شود
محققان بسیاری با استفاده از روشهای عددی، توزیع آتش و دود و پدیدههای مربوط به آن را مورد بررسی قرار دادهاند. به عنوان نمونه ویو و باکار [2] نتایج عددی دو نوع سناریو آتشسوزی را برای یک مقیاس کوچک از تونل بررسی کردند. در این تحقیق شبیهسازی عددی با استفاده از نرمافزار تجاری فلوئنت انجام شد که در آن از مدل توبولانسی k- استاندارد و مدل احتراقی کسر مخلوط استفاده شد و انتقال حرارت تابشی نیز نادیده گرفته شده است.
جوجو و همکاران [3] با استفاده از کد متن باز FDS، احتراق در تونلی با طول 100 متر را تحت دو سناریو متفاوت آتشسوزی شبیهسازی کردند. این ابزار شبیهسازی از مدل توربولانسی LES و مدل احتراقی کسر مخلوط بهره برده است. در این پژوهش بدلیل در دسترس نبودن دادههای تجربی، نتایج حاصل از شبیهسازی عددی با روابط کلاسیک مقایسه شد و سرعت بحرانی و دمای متوسط تخمین زده شد. روح و همکاران [4] با استفاده از FDS میدان دما و سیال را در یک تونل مقیاس کوچک، طول 10 متر و مقطع عرضی 0/14 مترمربع شبیه سازی کردند. در این پژوهش بار منبع حرارتی بطور متوسط بین 2 و 13 کیلووات در نظر گرفته شد. دمای پیشبینی شده در طول سقف تونل با نتایج تجربی ارزیابی شد.
لی و همکاران [5] به بررسی سرعت بحرانی تهویه در تونل پرداختند. آنها در ابتدا یک مدل تجربی در مقیاس کوچک ساختند و آتشهایی با نرخهای رهاسازی مختلف را در آن تست کردند و نتایج خود را با نتایج کارهای قبلی انجام شده مثل ویو و باکار [2]، اوکا و آتکینسون [6] و همچنین تستهایی در مقیاس واقعی مثل تونل مموریال[7] 3 مقایسه نمودند.
براهیم و همکاران [8] با استفاده از نرمافزار FDS تونلی با مقیاس کوچک تحت تهویه طولی و تهویه طولی-طبیعی را بصورت عددی شبیهسازی کردند. در این تحقیق اثر این دو سیستم تهویه بر روی نحوه توزیع دما و نحوه لایهبندی دود بررسی شد. همچنین در این پژوهش جریان سیال با استفاده از پروفیل دما و عدد بیبعد فرود مشخص شده است. بلانچارد و همکاران [9] تونلی با مقیاس 13 را بصورت تجربی و عددی مورد مطالعه قرار دادند.
در این تحقیق توزیع دما، سرعت و شار تشعشعی ناشی از منبع حرارتی سوخت هپتان توسط 200 سنسوری که در بالادست و پایین دست جریان قرار داده شده بود، نسبت به نرخ جرمی سوخت، ثبت شد. ونگ [10] مفهوم اتلاف گردابهای و مکانیزم احتراق دو مرحلهای را به کد متن باز FDS اضافه و توسط آن تونلی با مقیاس کامل را بصورت عددی شبیهسازی کرد. در این شبیهسازی پروفیل دما، طول لایه برگشتی، ارتفاع شعله و اثر یک شی در داخل تونل محاسبه شد.
در صورت بروز آتشسوزی در محیط بستهای مانند تونل، در مدت زمان اندکی دما به شدت بالا میرود. دود و گازهای داغ ناشی از آتش و همچنین گازهای آلاینده ناشی از سوخت وسایل نقلیه به علت چگالی بسیار پایین و در نتیجه نیروی شناوری، تمایل دارند به سمت بالا دست جریان حرکت کنند. مسافتی که دود و گازهای سمی ناشی از احتراق به سمت بالادست جریان طی میکنند را لایه برگشتی1 میگویند - شکل. - 1 کمترین سرعت تهویه برای جلوگیری از حرکت دود و گازهای سمی ناشی از احتراق به سمت بالادست جریان و تشکیل لایه برگشتی را سرعت تهویه بحرانی گویند
شکل:1 طرحوارهای از آتشسوزی در تونل
هدف از انجام این پژوهش بررسی سرعت جریان هوا در حضور آتش درون تونلهای شیبدار است، به گونهای که لایهای از دود در جهت بالا دست جریان تشکیل نشود. بدین منظور برای آتشی با توان حرارتی 6/7 کیلووات، ابتدا سرعت تهویهبحرانی در تونل کاملاً افقی محاسبه شد، سپس این سرعت تهویه بحرانی برای تونلهای با شیب متفاوت مورد محاسبه قرار گرفت.
شبیهسازی عددی
کد متن باز FDS توسط انستیتو ملی استاندارد و تکنولوژی آمریکا2 در سال 2000 جهت مطالعه رفتار حریق و بررسی عملکرد سیستمهای اطفاء حریق در ساختمانها، منتشر شد. این کد فرم ویژهای از معادلات ناویر- استوکس را برای جریانهایی با ماخ پایین، با استفاده از روش توربولانسی گردابههای بزرگ3 و یا شبیهسازی عددی مستقیم4 حل میکند. جزئیات بیشتر درباره مدل توبولانسی در مقاله بلانچارد و همکاران [9] قابل مشاهده است. با استفاده از FDS میتوان توزیع دما، سرعت و غلظت گونههای مختلف را در یک محیط بسته مورد بررسی قرار داد.
در FDS معادلات حاکم بر جریان سیال بصورت عددی حل میشوند که عبارتند از :
-1 معادله پایستگی جرم
-2 معادله پایستگی مومنتوم
-3 معادله پایستگی انرژی
-4 معادله پایستگی جرم
-5 معادله حالت گاز ایده آل
مدلسازی
تونل مورد مطالعه در این مقاله بر اساس آزمایش تجربی لی و همکاران [5] انتخاب شده است. آنها در مطالعه تجربی خود از تونلی با ابعاد 0/25 0/25 12 متر استفاده کردند. دیوارها از جنس فولاد ضد زنگ به ضخامت 1 میلیمتر ساخته شد. پروپان توسط مشعلی با مقطعی دایرهای شکل به قطر 100 میلی متر در وسط تونل سوزانده شد بطوری که سطح بالایی مشعل روی کف تونل قرار گرفته بود. آنها هوای یکنواخت گذرانده شده از صفحه اُریفیس5 را از دهانه سمت چپ وارد تونل کردند.
در شبیهسازی هندسه مذکور تمامی شرایط مورد استفاده در آزمایش تجربی لی و همکاران [5] اعمال شده است. به منظور ایجاد جریان یکنواخت تهویه، در ورودی تونل شرط مرزی سرعت ورودی6 و در خروجی تونل شرط مرزی فشار خروجی7 استفاده شده است. دیوارهها بصورت آدیاباتیک در نظر گرفته شدهاند. دمای هوای ورودی به تونل از 18/4 تا 24/5 درجه سانتیگراد تغییر کرده است. همچنین فرض شد که سوخت پروپان در مقطعی مربعی شکل اما با مساحتی معادل مساحت مشعل مورد استفاده در مرجع [5] در حال سوختن است.
به منظور دستیابی به نتایج مستقل از شبکه محاسباتی، مطابق شکل 2 از شبکه متراکم شده در اطراف آتش استفاده شده است.
شکل :2 ساختار شبکه محاسباتی مورد استفاده در شبیهسازی
در شکل 3 برای توان حرارتی 2 کیلووات در صفحه مرکزی تونل روی خط x=7/5mتغییرات متوسط دما برحسب ارتفاع تونل برای شبکههای مختلف نشان داده شده است. در ابتدا شبکه محاسباتی با میزان 000،75 سلول در نظر گرفته شد. این تعداد شبکه در چند مرحله تا میزان 000،375 سلول افزایش یافت. مشاهده میشود که با تغییر تعداد شبکه محاسباتی از 000،300 به 000،375 سلول، تفاوت محسوسی در منحنی تغییرات دمای متوسط حاصل نمیشود. بنابراین شبکه محاسباتی با تعداد 000،300 سلول برای شبیهسازی حریق در تونل مذکور در نظر گرفته شد.
شکل :3 محاسبه جوابهای مستقل از شبکه محاسباتی
برای بررسی صحت نتایج حاصل از شبیهسازی، سرعت تهویه بحرانی برای نرخهای حرارت مختلف محاسبه شد و با نتایج تجربی لی و همکاران [5] مورد مقایسه قرار گرفت. در جدول 1 این نتایج ارائه شده است.
جدول :1 نتایج حاصل از شبیهسازی عددی و مقایسه با نتایج تجربی
همانطور که مشاهده میشود میان مقادیر عددی مطالعه حاضر و نتایج تجربی لی و همکاران [5] حداکثر خطای 13/43 درصدی وجود دارد. اما به منظور مقایسه بهتر و مشاهده روند تغییرات، نتایج بصورت بدون بعد در شکل 4 با یکدیگر مقایسه شدند. برای بیبعدسازی از روابط 6 و 7 که اوکا و آتکینسون برای سرعت تهویه بحرانی و نرخ رهایش ارائه کردند [6] استفاده شده است.
شکل :4 مقایسه نتایج عددی پروژه حاضر و نتایج
مشاهده میشود که نتایج عددی مطالعه حاضر کاملاً از رفتار نتایج تجربی پیروی میکند. بنابراین میتوان بیان کرد که نتایج حاصل از این شبیهسازی به کمک نرم افزار FDS، با در نظر گرفتن مقداری خطا قابل استناد و با دقت نسبتاً خوبی قادر به پیشبینی سرعت تهویه بحرانی درون تونل است.
بررسی اثر شیب تونل بر سرعت تهویه بحرانی
در شکلهای -5الف و -5ب طرحوارهای از تونلهای شیبدار نشان داده شده است. مطابق شکل -5الف هنگامی که دهانه ورودی تونل در ارتفاع بالاتری نسبت به منبع آتش قرار گرفته باشد، شیب تونل را منفی و براساس شکل -5ب هنگامی دهانه ورودی در ارتفاع پایینتری نسبت به منبع آتش باشد، شیب تونل را مثبت در نظر میگیرند.
