Analiza wybranych programów do modelowania procesów przepływowych, pożarów oraz ewakuacji w tunelach komunikacyjnych

Transkrypt

1 Logistyka 4/ Natalia Schmidt 1 AGH Akademia Górniczo-Hutnicza Analiza wybranych programów do modelowania procesów przepływowych, pożarów oraz ewakuacji w tunelach komunikacyjnych Wprowadzenie Tunele komunikacyjne odgrywają bardzo ważną rolę w aglomeracjach miejskich oraz w rejonach górskich. Obiekty tunelowe na świecie budowane są na szeroką skalę. Głównym powodem ich powstawania jest zapewnienie komunikacji przez różnego rodzaju przeszkody oraz skrócenie i usprawnienie czasu podróży. W Polsce w ostatnich latach następuje stopniowy rozwój budownictwa tunelowego, jednak zagadnienia związane z bezpieczeństwem w tych obiektach są wciąż słabo znane. Istnieje zapotrzebowanie na zdobywanie i poszerzanie wiedzy w tym zakresie, zwłaszcza, jeśli chodzi o narzędzia do modelowania komputerowego zjawisk i procesów zachodzących w tunelu. W niniejszym opracowaniu przeprowadzono analizę i opis kilku narzędzi do modelowania komputerowego procesów zachodzących w tunelach komunikacyjnych takich, jak, na przykład, przepływy powietrza, pożary, ewakuacja w tunelach komunikacyjnych podczas pożaru. VENTGRAPH Wybrane programy do modelowania komputerowego System Programów Inżyniera Wentylacji Ventgraph umożliwia cyfrowe odwzorowanie wszystkich wyrobisk kopalni, dzięki czemu powstaje jej wirtualny model. Na tym modelu można symulować proces przewietrzania zarówno w warunkach normalnych, jak i w stanie awaryjnym. Oprogramowanie buduje bazę danych dotyczącą struktury przestrzennej sieci wentylacyjnej kopalni i parametrów charakteryzujących przepływ mieszaniny gazów. Baza stanowi podstawę do obliczenia rozpływu powietrza i gazów zarówno w stanie normalnym, jak i awaryjnym. Przykład zastosowania Program symulacyjny został dostosowany do określenia parametrów wentylacji i dynamiki rozwoju pożaru w tunelach komunikacyjnych. W celu wyznaczenia parametrów rozpływu powietrza w tunelu Emilia w Lalikach przeprowadzono badania modelowe przy wykorzystaniu Systemu Programów Inżyniera Wentylacji Ventgraph. Do programu wprowadzono schemat wentylacji tunelu zgodnie z pomiarami wykonanymi w Tunelu Emilia w Lalikach w dniu roku (tablica 2). Cały układ podzielono na 16 bocznic wentylacyjnych, co dało możliwość szczegółowej analizy zachodzących procesów wentylacyjnych. Na tablicy 1 oraz na rysunku 1 przedstawiono funkcję oraz numerację poszczególnych bocznic ze wskazaniem numeracji bocznic i węzłów. 1 1 N. Schmidt AGH Akademia Górniczo-Hutnicza im. St. Staszica w Krakowie, Wydział Górnictwa i Geoinżynierii. E: nschmidt@agh.edu.pl

2 Tablica 1. Numeracja bocznic. Numer bocznicy Wlot Wylot Funkcja tunel drogowy przejście ewakuacyjne tunel drogowy przejście ewakuacyjne tunel drogowy przejście ewakuacyjne tunel drogowy przejście ewakuacyjne tunel drogowy tunel ewakuacyjny tunel ewakuacyjny tunel ewakuacyjny tunel ewakuacyjny tunel ewakuacyjny Rys. 1. Schemat ideowy numeracji bocznic i węzłów modelu tunelu. Tablica 2. Pomiary i potencjał w węzłach sieci. Wyniki symulacji parametrów rozpływu powietrza w przypadku wentylacji naturalnej przedstawiono na tablicy 3 i 4 oraz na rysunku 2. Tablica 3. Wyniki rozpływu powietrza w sieci wentylacyjnej tunelu. 498 Logistyka 4/2013

3 Tablica 4. Wyniki wartości potencjału i ciśnienia w sieci wentylacyjnej tunelu. Rys. 2. Wyniki przeprowadzonej symulacji. Przeprowadzono również badania modelowe: pożaru w tunelu w przypadku wentylacji naturalnej rysunek 3, Rys. 3. Rozpływ gazów i dymów pożarowych w 15-tej minucie pożaru. rozpływu powietrza w tunelu w przypadku wentylacji mechanicznej wzdłużnej rysunek 4, Rys. 4. Wyniki przeprowadzonej symulacji. Logistyka 4/

4 pożaru w tunelu w przypadku wentylacji mechanicznej wzdłużnej rysunek 5, Rys. 5. Rozpływ gazów i dymów pożarowych w 8 minucie pożaru. Fire Dynamics Simulator (FDS) Fire Dynamics Simulator (FDS) to program przeznaczony do numerycznego modelowania dynamiki płynów. Opracowany został przez National Institute of Standards and Technology (NIST) przy współpracy z Technical Research Centre of Finland (VTT). FDS modeluje przepływy płynów w oparciu o numeryczne rozwiązanie równań Naviera Stokesa. Metoda ta jest odpowiednia dla przepływów o niskich prędkościach wywołanych przez zjawiska termiczne, w szczególności dla transport dymu i ciepła z pożarów. Obliczenia przeprowadzane są na trójwymiarowym modelu obiektu. Siatka obliczeniowa dzieli obiekt na prostopadłościenne komórki obliczeniowe. Program FDS oblicza zmiany kinetyczne, termodynamiczne oraz chemiczne, oparte na fizycznych modelach zjawisk. Model FDS jest w stanie przewidzieć powstawanie i rozchodzenie się dymu, rozkład temperatury, tlenku węgla oraz innych substancji powstających w trakcie pożaru. Wyniki tych symulacji są wykorzystywane w celu zapewnienia bezpieczeństwa budynków, jeszcze na etapie projektowania, a także umożliwiają ocenę bezpieczeństwa istniejących już budynków. Wyniki symulacji wykorzystywane są również do rekonstrukcji pożarów w trakcie dochodzenia, jak i do pomocy przy szkoleniach straży pożarnej. Przykład zastosowania Dla określenia parametrów fizyko-chemicznych powstałych gazów, widoczności, promieniowania, wpływu dynamiki pożaru oraz gazów i dymów pożarowych na przebieg procesu ewakuacji użytkowników tunelu wykorzystano program PyroSim, który jest interaktywnym, graficznym interfejsem użytkownika do Fire Dynamics Simulator (FDS). Opisywany pakiet programów został wykorzystany do zamodelowania pożaru w tunelu drogowym o długości 1378 m, wyposażonym w siedem wyjść ewakuacyjnych do drugiej komory tunelu (rysunek 6). Rys. 6 Schemat analizowanego tunelu. W tunelu w pierwszej komorze założono pożar o mocy 50 MW, na długości 150 m licząc od portalu wjazdowego. Wentylacja pożarowa tunelu realizowana jest przez 11 wentylatorów strumieniowych rozłożonych co ok. 95m. (rysunek 7). 500 Logistyka 4/2013

5 Rys. 7. Miejsce pożaru w analizowanym tunelu drogowym. Efektem przeprowadzonej symulacji była analiza poszczególnych parametrów (temperatura, widoczność, zawartość tlenu, gęstości promieniowania cieplnego, temperatura gazów) mierzonych w punktach określonych przez odpowiednie akty prawne, mających wpływ na bezpieczeństwo użytkowników podejmujących działania samo ratownicze podczas pożaru. Na rysunku 8 przedstawiono rozkład temperatury w tunelu po 200, 400, 600, 800 sekundach od wybuchu pożaru, natomiast na rysunku 9 zaobserwować można zakres widzialności 130 m od miejsca wybuchu pożaru. Rys. 8. Rozkład temperatury w tunelu po 200, 400, 600, 800 sekundach od wybuchu pożaru. Rys. 9. Rozkład widoczności w tunelu 130 m od miejsca wybuchu pożaru. Logistyka 4/

6 PATHFINDER Pathfinder jest symulatorem ewakuacji ludzi z płonącego budynku. Program ten podczas prowadzenia procesu symulacji korzysta z najnowocześniejszych technik komputerowych z zakresu grafiki komputerowej. Pathfinder zawiera zestaw niezbędnych narzędzi do przeprowadzenia analizy w celu podjęcia decyzji dotyczącej budowy oraz rozmieszczenia układów ochrony przeciwpożarowej. Wiele trybów symulacji i definiowalne cechy pracowników znajdujących się w budynku z łatwością pozwalają na odkrywanie różnych scenariuszy ewakuacji oraz pozwalają na obliczenie granic czasu takiej najbardziej optymistycznej ewakuacji. Pathfinder jest specjalnym typem symulatora, gdzie każdy zdefiniowany pracownik posiada szereg indywidualnych cech, które mogą wpływać na jego ruchy i decyzje podczas samej symulacji niezależnie od innych jednostek. Przykład zastosowania W ramach prowadzenia badań związanych z tematyką pracy doktorskiej autorki artykułu przeprowadzono ocenę ewakuacji użytkowników z wyżej opisywanego tunelu drogowego (tunel scharakteryzowano w akapicie Program Fire Dynamics Simulator ), przy wykorzystaniu narzędzi symulatora Pathfinder. Metoda uwzględnia indywidualne właściwości oraz procesy podejmowania decyzji przez ludzi, dynamikę tłumu, panikę oraz proces ewakuacji, które są niezbędne w celu scharakteryzowania warunków ewakuacji załogi. Wyniki obliczeń czasu ewakuacji użytkowników z tunelu drogowego uzyskanego za pomocą Pathfinder (rysunek 10 i 11) porównano z obliczeniami empirycznymi przeprowadzonymi według europejskich wytycznych projektowych. Rys. 10. Zdjęcie ekranu z wizualizacji wyników symulacji. Rys. 11. Wyniki symulacji ewakuacji użytkowników tunelu Pathfinder. 502 Logistyka 4/2013

7 IDA TUNNEL VENTILATION Oprogramowanie IDA Tunnel Ventilation (IDA RTV) umożliwia przeprowadzenie jednowymiarowego modelowania sieci tunelu, pozwalającego sprawdzić skuteczność projektowanego systemu wentylacji, analizy dynamicznego przepływu powietrza w przypadku pożaru, w tym emisji spalin i zanieczyszczeń oraz monitoring innych parametrów wentylacyjnych. Program komputerowy został przygotowany w celu uproszczenia badania przepływów powietrza w tunelach drogowych i problemów związanych z koncentracją zanieczyszczeń w wyniku emisji z pojazdów. Wyniki symulacji obejmują rozkład ciśnienia powietrza, natężenia przepływu i stężeń zanieczyszczeń wzdłuż tunelu. Rys. 12 Wizualizacja wyników symulacji za pomocą programu IDA Tunnel Ventilation. Źródło: Przeprowadzono próbę symulacji rozpływu powietrza w tunelu drogowym, wyposażonym w system wentylacji poprzecznej. W programie IDA Tunnel Ventilation wentylację poprzeczną zaznacza się w sposób skrócony, tzn. wskazuje się miejsca dolotu i wylotu powietrza. Na rysunku 13 przedstawiono sposób realizacji założeń. Rys. 13. Wentylacja poprzeczna jako stały dopływ i odpływ na całej długości tunelu. Źródło: opracowanie Paweł Kamiński. Logistyka 4/

8 Program daje duże możliwości w zakresie badania wpływu pożaru, wiatru, depresji i ruchu samochodów na rozpływ powietrza w tunelu, jednak zalecany jest on do przeprowadzania symulacji zjawisk dla tuneli z wentylacją wzdłużną. Arkusz kalkulacyjny Ventidef firmy Zitron SA Softwear Ventidef (arkusz kalkulacyjny) utworzony przez firmę Zitron SA (jeden z największych producentów urządzeń wentylacyjnych stosowanych w tunelach komunikacyjnych) wykorzystywany jest do doboru wentylatorów tej firmy dla konkretnego przypadku. Jednocześnie pozwala on na oszacowanie parametrów wentylacyjnych tunelu w przypadku wybuchu pożaru (obliczenia przeprowadzane według wytycznych PIARC), takich jak: gęstość powietrza, ilość wytworzonego dymu, całkowite straty ciśnienia w tunelu, niezbędny wydatek powietrza do rozrzedzenia powstałych gazów i dymów pożarowych, obliczenie wymaganej siły ciągu oraz pozwala na dobór i rozmieszczenie wentylatorów w tunelu. Obliczenia mogą być wykonywane dla wentylacji wzdłużnej. W przypadku wentylacji poprzecznej firma Zitron SA wykorzystuje arkusz kalkulacyjny, który stanowi jedynie pomoc w obliczeniach wentylacyjnych. W chwili obecnej firma Zitron SA korzysta z najnowszej wersji softwaru, która została opracowana w roku Przykład zastosowania Przeanalizowano możliwości zastosowania programu dla tunelu drogowego o długości ok m z systemem wentylacji wzdłużnej z ruchem dwukierunkowym. Na rysunku 14 przedstawiono graficzny interfejs softwaru arkusz do wprowadzania danych. Rys. 14. Zrzut ekranu arkusza kalkulacyjnego do wprowadzania danych. Na tablicach 5, 6 oraz 7 przedstawiono wyniki obliczeń przeprowadzone za pomocą softwaru Ventidef dla konkretnego, założonego scenariusza pożarowego o mocy 30 MW. 504 Logistyka 4/2013

9 Tablica 5. Wyniki obliczeń strumienia powietrza w tunelu. Tablica 6. Wyniki strat ciśnienia dla stanu normalnej eksploatacji oraz dla stanu awaryjnego (pożar). Źródło: opracowanie własne Tablica 7. Parametry dobranych wentylatorów. Logistyka 4/

10 Program proponuje rozmieszczenie i ilość wentylatorów w zależności od mocy dobranych wentylatorów rysunek 15. Odległości urządzeń obliczane są na podstawie wytycznych PIARC. Rys. 15. Rozmieszczenie wentylatorów w tunelu. ANSYS Oprogramowanie ANSYS CFX to produkt z dziedziny obliczeniowej mechaniki płynów (CFD), w którym została zaimplementowana zaawansowana technologia pozwalająca na symulacje najbardziej złożonych zagadnień. Jako jeden z wielu narzędzi CAE dostępnych w środowisku ANSYS Workbench, ANSYS CFX korzysta z zalet jakie stwarza praca w zintegrowanym środowisku programistycznym służącym do numerycznej symulacji. Począwszy od geometrii, użytkownicy mogą ją czytać natywnie z dostępnych pakietów CAD, jak również tworzyć ją i modyfikować w sposób intuicyjny w środowisku Workbench. Stworzony model geometryczny może być poddany procesowi dyskretyzacji (generacji siatki) korzystając z wielu algorytmów, gwarantujących stworzenie optymalnej siatki. W zintegrowanym środowisku możliwe jest zdefiniowanie problemu, określenie odpowiednich warunków brzegowych, własności fizykochemicznej, a następnie wizualizację uzyskanych wyników z symulacji rysunek 16. Rys. 16 Przewidywany rozkład temperatury [ C] na poziomie 2,2 m nad poziomem drogi ewakuacyjnej w 7 minucie od wybuchu pożaru w tunelu o długości ok. 2000m. Źródło: materiały GDDKiA. Program ANSYS CFX wykorzystuje najnowsze rozwiązania z zakresu obliczeń numerycznych, w tym możliwość przeprowadzenia obliczeń w trybie równoległym. 506 Logistyka 4/2013

11 THE SUBWAY ENVIROMENTAL SIMULATION CODE SES SES, opracowany przez Parsons Brinckerhoff Quade & Douglas Inc. (1980), to narzędzie do symulacji 1D umożliwiające opracowanie różnych scenariuszy wentylacyjnych w sieci tuneli. Narzędzie zawiera uproszczoną wersję modelu przewidywania występowania efektu cofania się dymu w tunelu podczas pożaru jako funkcję wielkości pożaru i warunków wentylacji. Model, oparty na analizie skalowania Froude a, został skalibrowany przy użyciu eksperymentów rzeczywistej, niewielkiej skali, a więc jej ważność dla danych na dużą skalę pozostaje niepewna. MFIRE MFIRE, opracowany przez US Bureau of Mines, wykonuje w stanie stacjonarnym płynu dynamiczne symulacje podziemnych systemów sieciowych. Program został opracowany w celu zapewnienia elastycznej oceny całego budynku lub oceny danego rozwiązania w jednym aspekcie projektowania pożaru. Oprogramowanie obejmuje m.in. modelowanie rozpływu dymu, analizę termiczną promieniowania i ocenę ryzyka. Istnieje kilka ograniczeń na złożoność budynku, do którego oprogramowanie to może być stosowane, jednak do szczegółowego wyliczenia zagrożeń dla scenariuszy pożarowych poza zakresem uproszczonej analizy, powinny być używane modele wspierające, takie jak np. CFD. SPRINT Symulacyjny kod SPRINT pozwala na dokładną analizę różnych scenariuszy pożarowych w tunelach. Unikalną cechą tego kodu jest jego zdolność symulowania rozprzestrzeniania dymu w tunelu w sposób bardzo realistyczny. Ponadto, ze względu na jego skuteczność obliczeniową, model można stosować w krótkim czasie analizowania dla dużej liczby scenariuszy pożaru. Wnioski Istnieje szereg programów pozwalających na symulację wielu zjawisk zachodzących w tunelu podczas wybranych procesów logistycznych transportu. Do najgroźniejszych z nich z pewnością można zaliczyć wybuch pożaru, stwarzający ogromne zagrożenie dla użytkowników tych obiektów. Znajomość oprogramowań umożliwiających umiejętne przewidywanie (modelowanie) różnych zjawisk i procesów takich jak: zachowania ludzi w przypadku sytuacji awaryjnej, czy wybuch pożaru, przy jednoczesnym zachowaniu specyfiki obiektu jest niezwykle istotna, zwłaszcza na etapie projektowania tunelu. W niniejszym opracowaniu przedstawiono jedynie kilka z możliwych oprogramowań symulacyjnych wykorzystywanych do modelowania procesów zachodzących w tunelu. W dalszym ciągu istnieje zapotrzebowanie na zdobywanie i poszerzanie wiedzy w tym zakresie. Celowym wydaje się podjęcie prac badawczych w celu utworzenia nowego, bądź udoskonalenia istniejącego już oprogramowania symulacyjnego, pozwalającego na dokładniejsze i bardziej precyzyjne badanie zjawisk przepływowych w tunelach, ze szczególnym uwzględnieniem pożarów. Streszczenie W niniejszym opracowaniu przedstawiono analizę i opis kilku narzędzi, programów do komputerowego modelowania procesów logistycznych (planowania i prognozowania) zachodzących w tunelach komunikacyjnych zjawisk, takich jak, na przykład, przepływy powietrza, pożary, ewakuacja w tunelach komunikacyjnych podczas pożaru. Znajomość oprogramowań umożliwiających umiejętne przewidywanie (modelowanie) różnych zjawisk i procesów takich jak: zachowania ludzi w przypadku sytuacji awaryjnej, czy też wypadki, z których bez wątpienia najgroźniejsze są pożary, przy jednoczesnym zachowaniu specyfiki obiektu jest niezwykle istotna, zwłaszcza na etapie projektowania tunelu. Słowa kluczowe: CFD, FDS, modelowanie komputerowe, wentylacja tuneli. Logistyka 4/

12 ANALYSIS OF SELECTED PROGRAMS TO MODELING FLOW PROCESS, FIRES, EVACUATION IN COMMUNICATION TUNNELS Abstract This paper presents an analysis of some tools and programs to computer modeling of phenomena and processes taking place in the tunnels during communication such as the flow of air, fire, evacuation during fire, etc. Knowledge of software to enable confident prediction (modeling) of various phenomena and processes such as human behavior during accident or fire is extremely important, especially in the design phase. Keywords: CFD, FDS, computer modeling, tunnel ventilation. Literatura [1] Dyrektywa 2004/54/WE Parlamentu Europejskiego i Rady Europy z dnia 29 kwietnia 2004 r. w sprawie mi-nimalnych wymagań bezpieczeństwa dla tuneli w transeuropejskiej sieci drogowej. [2] European Guideline; Fire safety engineering concerning evacuation from buildings; CFPA-E No 19:2009, [3] Materiał udostępniony przez GDDKiA oddział Kraków. [4] NFPA 204; Standard for Smoke and Heat Venting, 2007 Edition. [5] Pathfinder poprawny dobór parametrów i zachowań ludzi w czasie ewakuacji; materiały Sitgo, Kraków [6] PIARC Committee on Road Tunnels; Fire and smoke control in road tunnels. [7] Rozporządzenie Ministra Transportu i Gospodarki Morskiej z dnia 30 maja 2000 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać drogowe obiekty inżynierskie i ich usytuowanie, DzU Nr 63/2000. [8] Logistyka 4/2013