مقاله طراحی سیستم تهویه تونل قلاجه حین آتش سوزی

بخشی از مقاله

*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***

طراحي سيستم تهويه تونل قلاجه حين آتش سوزي
چکيده
سيستم تهويه تونل در تامين ايمني تونل هاي جاده اي حـين آتـش سوزي سهم بسزايي دارد و کنترل جريان دود تونل را بـر عهـده دارد. تهويه طولي يکي از روش هاي مرسوم تهويه تونل است کـه طـي آن براي کنترل دود يا آلودگي هاي درون تونل ، بادبزن هـايي در سـقف تونل نصب مي شود . اين روش براي تونل هاي با جريان يـک طرفـه ترافيک کارايي مناسبي دارد.در اين مقاله مـدل سـه بعـدي سيسـتم تهويه طولي براي بررسي رفتار آتـش سـوزي درون تونـل قلاجـه بـه مدت ٩٠٠ ثانيه مدل شد. مدل سـه بعـدي بـا اسـتفاده از نـرم افـزار تجاري Fluent براي ٨٠٠ متر ازطول تونـل قلاجـه سـاخته شـد .
براي مدل سازي جريـان مغشـوش از معـادلات  اسـتاندارد ، آتش سوزي از منبع حجمـي گرمـا بـا انـدازه ٢٥مگـاوات ،معـادلات شکست ادي براي مـدل سـازي جريـان گـاز گـرم و معـادلات نـاوير استوکس براي حل روابط حاکم بر جريان سيال ناپايدار و ترکيب گاز هااستفاده شد. با توجه به نتايج حاصل از مدل سازي، بدليل بالا بودن دماي گاز ، عقب زدگي دود و عدم تامين شرايط مورد نياز اسـتاندارد NFPA520 سيستم تهويه طولي براي کنترل آتش سـوزي درون تونل لازم و ضروري است . لذا ،٢ رديف بـادبزن چهـارقلو درون تونـل قلاجه و در بالا دست محل آتش سوزي روشن شد که با روشن شدن بادبزن ها به تدريج از طول ناحيه عقب زده دود کاسـته شـد و عقـب زدگي لايه دود به کلي ازبين رفت . اعتبار سنجي نتايج حاصل از مدل سازي با استفاده از منحني هيدرو کـربن ، هيـدروکربن اصـلاح شـده انجام شد.
واژه هاي کليدي
تونل قلاجه ,دما ,آتش سوزي, سيستم تهويه طولي،ديناميک سيالات محاسباتي

١.مقدمه
تونل هاي مونت بلان مابين فرانسه و ايتاليا ،تارن در اتريش ،گوتارد در سوييس ،داگو در کره و تونل فري جوس مابين ايتاليا و فرانسه ، تونـل هاي جاده اي هستند که در سال هاي اخير آتش سوزي هـاي بسـيار بزرگ در آنها اتفاق افتاده است لذا ، ايمني درون تونل هاي جـاده اي در سال هاي اخير مورد توجه قرار گرفته است [١] .با توجه بـه شـکل ١، سه حالت مختلف براي آتـش سـوزي درون تونـل وجـود دارد. در حالت يک مانند آتش سوزي سواري کوچک ، شعله آتـش بـه سـقف تونل نمي رسد.در حالـت دوم ماننـد آتـش سـوزي متوسـط مقيـاس اتوبوس ، شعله آتش به سقف تونل مي رسد و در زير آن بـه صـورت افقي حرکت مي کنند.در حالت سوم مانند آتش سوزي کاميون هـاي سنگين ، آتش سوزي به اندازه اي بزرگ است که علاوه بر اينکـه بـه سقف تونل برخورد مي کند، کل فضاي تونـل را نيـز در ناحيـه آتـش سوزي در بر مي گيرد [٢].
در تونل هاي طويل جاده اي از سيستم تهويـه طـولي اسـتفاده مـي شود و در حين آتش سوزي، بادبزن هاي قوي براي راندن دود به يک سمت تونل به کار مي رود. اين روش معمولا براي آتش سـوزي هـاي کوچک مقياس مثمر ثمر است ، اما اگر سرعت جريان طولي هوا کـم باشد درآن صورت ، دود در خلاف جهت جريان هوا حرکت مـي کنـد که اين پديده عقب زدگي لايـه دود نـام دارد . در مـورد تونـل هـاي شيب دار که به دليل اختلاف دما ، جريان تهويه طبيعي برقرار اسـت ،اين پديده بيشتر روي مي دهـد [٣]. بـراي نجـات کـاربران و انجـام عمليات نجات ، سرعت طولي جريان هوا بايد بيشتر از سرعت بحراني باشد که براي جلوگيري از عقب زدگي دودتعيين شده اسـت . بـراي محاسبه سرعت بحراني روابطيتوسط هسلدن ، کندي وپيـارک ارايـه شد[٤] زماني که نيرو هاي نامتعادل کننده با نيروي شـناوري شـعله آتش در محل برخورد با سقف به تعادل برسند، از عقـب زدگـي لايـه دود جلوگيري مي شود . با افزايش اندازه آتش سوزي، دماي شـعله و نيرو هاي شناوري افزايش مي يابد . براي حالت ١، با افـزايش آهنـگ گرماي آزاد شده ، سرعت بحراني تا زماني که شـعله آتـش بـه سـقف تونل برخورد نکرده و به صورت افقي در زير آن قرار نگرفتـه اسـت ، افزايش مي يابد . در اين حالت ، شرايط فوق بحراني سـرعت رخ مـي دهد، که در آن دماي شـعله آتـش و نيـرو هـاي شـناوري وابسـتگي کمتري با آهنگ گرماي آزاد شده دارند[٥] .

شکل ١.حالت هاي مختلف آتش سوزي درون تونل الف - آتش سوزي کوچک مقياس ب - آتش سوزي متوسط مقياس ج -آتش سوزي بزرگ مقياس [٢]
براي مطالعه رفتار آتش سوزي و گسترش دود درون تونـل سـه روش وجود دارد. انجام آزمايش آتش سوزي در مقياس آزمايشگاهي ، انجام آزمايش آتش سوزي در مقياس واقعي و شبيه سازي عـددي.در روش اول ، مدل آزمايشگاهي از تونل مورد نظر ساخته مي شود. براي مثال مي توان به کار هاي اوکا و اتکينسون [٦] و سايتو[٧] اشاره کرد .داده هاي حاصل از اين آزمايش ها تنها براي محدوده پاييني از دمـا قابـل قبول است و نتايج حاصل از اين آزمايشها را نمي توان بـراي شـرايط مختلف تعميم داد.روش دوم ، پر هزينه بوده و تنها پروژه فري جوس در نـــروژ[٨] و پـــروژه تونـــل تـــاريخي در آمريکـــا انجـــام شـــده است [٩،١٠].کنترل آزمايش هاي بـزرگ مقيـاس بـه دليـل امکانـات وسيع به کار رفته در آن براي رسيدن بـه جـواب قابـل قبـول بسـيار مشکل است در نتيجه هزينه مالي و زماني پروژه افـزايش مـي يابـد .
روش سوم (شبيه سازي عددي) در سال هـاي اخيـر گسـترش يافتـه است اين روش با استفاده از کد هاي ديناميک سـيالات محاسـباتي ، اريفن تارحقيچقگاوت نگمييرتشـودن آت بش ـه سکـوازيهـتاونيل چبرـوس١ي١]م,يچـوشوودجوکه ـاوز ج٢م١لـ]ه اهقوت[ص٣اد١]يااشسارت ه اکمرادبر.ايهررچسنيدداين ن به رويش ک اجوناظب رقابهـزل ينـقه بـول ز،مـداان ده کهـاـامي حاصل از اين روش بايد با داده هاي حاصل از آزمايش هاي تجربي يا روابط تجربي اعتبارسنجي شود.در اين مقالـه ,آتش سـوزي بـا انـدازه ٢٥مگاوات درون تونل قلاجه براي مدت زمان ١٥ دقيقـه مـدل شـد.
ده دقيقه از مدل قبل از شروع به کار بادبزن ها و بقيه زمـان پـس از شروع به کار بادبزن ها خواهد بود علاوه براين ،رشد دمـا درون تونـل نسبت به زمان قبل و بعد از شروع به کار بادبزن ها، طول ناحيه عقب زدگي دود تجزيه و تحليل شد.
٢ -تونل قلاجه
توجل قلاجه در محور کرمانشاه ايلام قرار دارد تونـل قلاجـه ٧٢متـر مربـع سـطح مقطـع مفيد,حـداکثر ١١.٤متـر پهنـا و ٨ متـر ارتفـاع دارد(شکل ٢)

شکل ٢.مقطع تونل قلاجه [١٤]
٣-تئوري مسله
براي مطالعه رفتار وابسته به زمان آتش سوزي , سـه منحنـي ايـزو ,هيدروکربن و هيدرو کربن اصلاح شده ارايه شده است .
٣-١-منحني ايزو استاندارد١
اين منحني با توجه به استاندارد کشور هاي اروپايي براي آتش سوزي ساختمان ارايه شد و بر اساس احتراق طبيعي مواد در بر گيرنده آتش سوزي توسعه يافت . فر مول بندي اين نمودار در زير آمده است [١٥].

که درآن : T دماي گاز گرم (سانتي گراد)و t زمان (دقيقه ) پس از شروع آتش سوزي است حداکثر دماي به کار رفته براي طراحي آتش سوزي با توجه به اين منحني در استاندارد کشورهاي مختلف متفاوت 2 است و معمولا براي آتش سوزي با اندازه بالاتراز ٣٠ مگا وات نتايج قابل قبولي را ارايه نمي دهد
٣-٢-منحني هيدروکربن
منحني مشخصه ديگري از رفتار آتش سوزي را نشان مي دهد و فرمول بندي و رفتار آتش معرفي شده براي آن تفاوت بسياري با منحني ايزو استاندارد دارد . احتراق سريع و پتانسيل بالاي مواد هيدروکربني، در اين منحني خود را به صورت افزايش سريع و بالاي دماي آتش سوزي نشان مي دهد[١٥].

٣-٣-منحني هيدرو کربن اصلاح شده
در استاندارد فرانسه منحني ديگري ارايه شد که درآن دماي آتش به حداکثر مقدار ١٣٠٠ درجه سانتي گراد مي رسد . فرمول بندي اين منحني در رابطه ٣ آمده است [١٥] .

منحني هاي هيدروکربن و هيدروکربن اصلاح شده در صنايع نفت و گاز و عمران توسعه يافته اند اما به دليل وجود مقادير بسيار زياد بنزين و ترکيبات هيدروکربني در آتش سوزي هاي درون تونل ،از اين منحني ها مي توان براي آتش سوزي درون تونل استفاده کرد. در شکل ٣ منحني هاي پيش گفته , ارايه شد[١٥].

٤- مدل سازي عددي
مدل ساخته شده با توجه به هندسه تونل قلاجه , ايجاد شد.تونل قلاجه ٧٢ متر مربع سطح مقطع مفيد,حداکثر ١١.٤متر پهنا و ٨ متر ارتفاع دارد(شکل ٢) آتش با توان ٢٥مگا وات به ابعاد ١٢ متر طول ,٣ متر ارتفاع و ٣.٥ متر پهنا, که پس ازده دقيقه به حداکثر دماي ٩٠٠ درجه سانتي گراد مي رسد ,ساخته شددر ابتدا ٦٠٠ متر از تونل که آتش در مرکز آن قرارداشت , مدل سازي شد نتايج حاصل نشان داد که به منظور گسترش کامل آتش سوزي بايد طول بيشتري از تونل مدل سازي شود . به همين دليل , در مرحله بعد ,٢٠٠متر ديگر به پايين دست آتش اضافه و در مجموع ٨٠٠ متر از انتهاي تونل مدل شد. محور Z در امتداد محور طولي تونل , محور Yها عمود بر خط مرکزي تونل انتخاب شد . به منظور اعمال شيب تونل در مدل سازي, مولفه هاي شتاب جاذبه در راستاي محور هاي Yو Zوارد محاسبات شد . برای اطمینان از عدم وابستگی نتایج حاصل از مدل سازی به اندازه سلول به کار رفته مدل ساخته شده برای چهار شبکه بندی مختلف حل شد ( جدول 1 )
برای مقایسه نتایج ، تغییرات دما در فاصله 20 متری در بالا دست محل اتش سوزی در زمان 60 ثانبه در اتداد محور عمودی تونل برای 4 حالت مقایسه شد ( شکل 5 ) با توجه به شکل نتايج حاصل از شبکه بندي C وD همخواني مطلوبي باهم دارند از اين رو براي صرفه جويي در زمان محاسبات و حافظه مورد نياز از حالت C براي ادامه محاسبات استفاده شد.

شکل ٤. مدل هندسي ساخته شده براي تونل قلاجه

شکل ٥. نيمرخ تغييرات دما در فاصله ٢٠ متري از محل آتش سوزي براي چهار حالت مختلف شبکه بندي مدل
براي مدل سازي جريان مغشوش از معادلات استانداردوتابع ديواره به صورت لگاريتمي استفاده شد . نيروهاي گرانشي و شناوري مربوط به تغييرات دمايي گاز گرم با استفاده ازتقريب بوزيناک٢ وارد معادلات ممنتم شد . براي حل معادلات وابسته به زمان ، روش حل مرتبه دوم صريح استفاده شد . در روابط ٩و ١٠معادلات انتقال مربوط به مدل استاندارد ارايه شد[١٦] .

که درآن :

آتش سوزي و ذرات خروجي با استفاده از مدل شکست اددي٣ و آهنگ گرماي آزاد شده با استفاده از منبع حجمي گرما٤ ، مدل شد.
معمولا در مدل سازي ها ، سوخت ديزل به عنوان منبع گرما درنظر گرفته مي شود . نزديکترين ترکيب شيميايي به سوخت ديزل ساختار هيدروکربني با واکنش سوختن زير است .

براي اجتناب از عدم قطعيت و پيچيدگي مسئله ، فرآيند سوختن ترکيبات هيدروکربني مدلسازي نمي شود [١٧]. آتش سوزي با استفاده از مدل منبع حجمي گرماي آزادشده متناسب با زمان و مدل جرمي خروج دود از سطح آن مدلسازي و با استفاده از يک منشور چهار گوش , آهنگ جريان جرمي خروجي از منبع آتش در سطح بالايي آن به سيستم معرفي شد.جريانات جرمي خروجي از آتش در تعادل با هواي اطراف است و با استفاده از روابط زير بيان مي شود[١٧]:

که درآن :
Mg.وزن جرمي گـاز هـاي گـرم ، Qآهنـگ گرمـاي آزادشـده , Cp گرماي ويژه ترکيب , Tg دماي گاز هاي حاصل از سوختن دماي هواي محـيط اسـت .تخمـين Mair .وزن جرمـي هـوا در رابطـه ٨ بـا استفاده از روابط استوکيومتري واکنش هيدروکربن مشـابه بـه دسـت مي آيد. اين ترکيب با توجه بـه آهنـگ گرمـاي خروجـي دمـا هـاي مختلفي دارد و درمورد آتش با اندازه ٢٥ مگاوات دماي گـاز خروجـي بين ٢٥ تا ٩٠٠ درجه سانتي گراد متغيير است در شکل ٨ رشد دمـا نسبت به زمان در زير سقف تونل ارايه شد روش حل وابسته به زمـان براي بررسي چگونگي توسعه محصولات حاصل از آتش سوزي در کل فضاي محاسباتي اعمال و گام محاسباتي با توجه بـه مکـانيزيم غالـب جريان تعريف شد(زمان و مقيـاس سـرعت ).براي اطمينـان از تعـادل عددي روش حل ،مقدار ١ ثانيه براي هر گام زماني مدنظر قرارگرفت .
با توجه به حالت واقعي آتش سوزي درون تونل ،زمان کلـي عمليـات اعم از زمان واکنش بادبزن و تخليه تونل ١٥ دقيقـه اسـت کـه مـدل حاضر براي ٩٠٠ ثانيه حل شد .براي رسيدن به مقادير باقي مانده زير حد مطلوب ، هر گام زماني طي ٤٠ مرحله حل شـد[١٧].ايـن تعداد مرحله براي رسيدن به تعادل هر گام زماني کافي است در ايـن حالت ، نسبت بين مقادير باقي مانده به کل شار متغيير ها به کمتر از مي رسد . براي تعيين دماي دقيق محيط درون تونـل در نظـر گرفتن ضريب هدايت حرارتي ديواره بسيار مهم و ضروري اسـت . بـا توجه به ترکيـب مـواد ديواره (دولوميـت ) و ضـخامت ديـواره , ضـريب هدايت حرارتي بين ديوار دروني و بيروني يعني سنگ با دماي کـم را مــي تــوان ثابــت و برابــر در نظــر گرفــت [١٧].بقيــه مــرز هــا داراي سرعت و فشار مشابهي هستند .دهانه ورودي و خروجي تونل , به عنوان مرز سرعت ورودي و فشـارخروجي بــا قطــر هيــدروليکي و شــدت جريــان مغشــوش ٣ درصــد تعريــف شد.سيستم تهويه تونل قلاجه طولي است و بـا بـادبزن هـاي سـقفي چهار تايي تهويه مي شود[١٤] براي مـدل سـازي حاضـر مطـابق بـا شرايط واقعي بادبزن هايي باقطر ١.٢٥ متر سرعت ٤٠ متر در ثانيـه با استفاده شرط مرزي سرعت ورودي مدل شد(شکل ٦).
٥-نتايج حاصل از مدل سازي بدون سيستم تهويه
در اين بخش نتايج حاصل از مدل سازي عددي ارايه شد.
٥-١ کنتور هاي دما
در شکل ٧و٨رشددماي لايه دود درارتفاع ١.٨ متـري از کـف تونـل و زير سقف تونل ارايه شد. معيار هاي محيط قابل تحمـل بـا توجـه بـه استانداردNFPA520 انتخاب شد که در آن حـداکثر دمـاي قابـل تحمل براي چند ثانيـه ٦٠ درجـه سـانتي گـرادو متوسـط ٤٩درجـه سانتي گرادبراي ٦دقيقه است [١٧] .با توجه بـه شـکل ٦ دمـاي لايـه دود در بالا دست محل آتش سوزي و در ارتفـاع ١.٨ متـري پـس از گذشت ٣٠٠ ثانيه در نزديکي آتش سوزي و در شعاع ٢٠٠ متري آن بــه بــيش از ٥٠ درجــه ســانتي گــراد مــي رســد. طبــق اســتاندارد NFPA520 افراد دمـاي ٤٩ درجـه سـانتي گـراد را بـه مـدت ٦ دقيقه مي تواند تحمل نمايند.طبق همين اسـتاندارد سـرعت حرکـت افراد در حالت اضطرار ١ متر در ثانيه است . باتوجه به شـکل ٧دمـاي بالاي ٥٠ درجه سانتي گـراد در ارتفـاع ١.٨ متـري تـا فاصـله ٢٠٠ متري از آتش سوزي وجود دارد لذا با اين سرعت حرکت افـراد درون تونل در مدت زمان ٣٠٠ ثانيه مي تواند خود را از خطر نجات دهند.

شکل ٦.سيستم تهويه تونل قلاجه
در پائين دست محل آتش سوزي دماي لايه گاز گرم در ارتفـاع ١.٨ متري پس از ١٨٠ ثانيه به بيش ٦٠ درجه سانتي گراد مي رسـد امـا چون در پائين دست محل آتش سوزي ترافيک جريان دارد لـذا ايـن دماي بالا مشکلي را براي افراد ايجـاد نمـي کنـد ولـي ممکـن اسـت آسيب هاي شديدي به تاسيسـات تونـل وارد آورد. طبـق اسـتاندارد براي اطمينان از خروج کـاربران ،شـدت تـابش بـراي چند دقيقه بايد کمتر از حد آسـتانه سـوزش پوسـت ٢باشدآتش نشانان توانايي تحمل شدت تابش بالا تـا حـد را دارند البته زماني که آتش نشانان لباس مقاوم در برابر آتـش بـر تن داشته باشند تا ٣٠دقيقه اين شدت تـابش را مـي تواننـد تحمـل نمائند.در نزديکي آتش تابش از آتش و لايه گاز گرم ساطع مي شـود اما با افزايش فاصله تابش تنها از لايه دود ساطع مـي گردد.برخـي از محققين عقيده دارند که دماي ١٦٠ درجه سانتي گرادشدت تابش در حد ٢ و دماي ٢٧٠ درجه سانتي گرادشدت ٥ توليد مي کنند. پوسته پوسته شدن بتن و ريزش سقف تونل تـاثيري بر خروج افراد و انجام عمليات نجات نداردمطابق با اسـتاندارد پيـارک
،بتن دماي ١٥٠تا٢٠٠ درجه سانتي گرادرا بـه مـدت ١٥ دقيقـه مـي تواند تحمل نمائد اما پس از آن پوسته پوسته شدن بتن شـروع مـي شود البته اين دما براي تونل بدون آسـتري و ديـواره سـنگي کمتـر است [١٧].در شکل ٨ رشد دمادر زير سقف تونل نسبت به زمان ارايه شده است .باتوجه به شکل ٨ در بالادست محل آتـش سـوزي دمـاي لايــه دود در شــعاع ٢٠٠ متــري بــين ٢٥ تــا ٩٠٠درجــه ســانتي گرادمتغيير است . که اين دماي بالا انجام عمليات نجات توسـط گـروه نجات را مختل خواهد ساخت و آسيب هاي جدي را بـه سـازه تونـل وارد خواهد آورد.لذا طراحي سيستم تهويه مناسب بـراي کنتـرل دود درون تونل لازم و ضروري است . در شکل ٩ گسـترش دود در امتـداد محور تونل نسبت به زمان ارايه شد. با توجه بـه شـکل ٨ بـا گذشـت