1 WPROWADZENIE. Gabriele VIGNE. Wojciech WĘGRZYŃSKI 1 Grzegorz KRAJEWSKI 2

Transkrypt

1 Wojciech WĘGRZYŃSKI 1 Grzegorz KRAJEWSKI 2 Zakład Badań Ogniowych, Instytut Techniki Budowlanej, ul. Ksawerów 21, Warszawa Gabriele VIGNE JVVA Fire & Risk, Madrid, Spain University of Jaén, Fluid Mechanics Department, Spain Wpływ zmienności współczynnika generacji dymu w ocenie bezpiecznych warunków ewakuacji w zaawansowanych analizach CFD. Wyniki badań fizycznych i numerycznych 1 WPROWADZENIE Właściwości optyczne aerozolu dymowego (produktów rozkładu termicznego i spalania materiałów) są podobne do właściwości innych układów dyspersyjnych tj. niejednorodnych w sensie optycznym. Właściwości te są określone łącznym działaniem czterech czynników: rozproszeniem światła na pojedynczych cząsteczkach dymu, oddziaływaniem elektroenergetycznym cząstek dymu rozpraszającym światło, interferencja rozproszonego przez nie światła, wzajemnym niespójnym oświetleniem cząstek dymu światłem na nich rozproszonym. Natężenie wiązki światła wychodzącego z dymu zależy od pochłaniania, rozpraszania, złożonej dyfrakcji i innych procesów, których intensywność zależy od rodzaju dymu. Dym czarny, zawierający dużą ilość sadzy silnie pochłania światło, dym biały ma duże zdolności rozpraszające. W każdym dymie znajdują się również kropelki skondensowanej pary wodnej załamującej światło. Ponieważ nie są znane metody pomiaru selektywnego rozpraszania i absorbcji w metodach badawczych mierzy się efekt sumaryczny, czyli tłumienie światła [1]. Ponieważ w prowadzonych obliczeniach numerycznych rozwój pożaru, czyli zmienność jego mocy w czasie, oraz produkcja dymu i toksycznych produktów spalania są danymi wejściowymi a nie przedmiotem oceny, zaleca się wykorzystywanie najprostszych modeli źródła ciepła i dymu, tj. modeli objętościowych. Ilość ciepła powstałego w czasie pożaru powinna odzwierciedlać prawdopodobny rozwój pożaru w badanym obiekcie, w zależności od ryzyka pożaru w obiekcie, jego lokalizacji oraz oczekiwanego ruchu pojazdów ciężkich w tunelu. Produkcja dymu zależy od chwilowej całkowitej mocy pożaru, efektywnego ciepła spalania przyjętego paliwa oraz współczynnika produkcji dymu [ang. soot yield] Y soot. Zależność opisującą zmienność strumienia wyzwalanego dymu obrazuje poniższe równanie: m soot = Y soot Q ΔH c eff gdzie: m soot masa dymu powstała w pożarze [kg], Y soot współczynnik produkcji dymu [kg dymu/kg paliwa], Q chwilowa moc pożaru [kw]; ΔH c eff efektywne ciepło spalania paliwa [kj/kg]. 1 w.wegrzynski@itb.pl 2 g.krajewski@itb.pl

2 2 MATEMATYCZNY MODEL WIDZIALNOŚCI W DYMIE Rozprzestrzenianie dymu w badanym obszarze opisywane jest poprzez model transportu i-tego składnika mieszaniny. Podstawą wyprowadzenia równania zachowania składnika mieszaniny, jest równanie zachowania masy. równanie zachowania masy, warunkujące przepływ w badanym obszarze. Zachowanie masy oznacza, że masa nie powstaje ani nie ginie w czasie obliczeń. W innych słowach, zmiana gęstości w dowolnej objętości jest równa masowemu przepływowi, przez jej granice [2]. p + ρu = 0 t Równanie transportu składników mieszaniny, nazywane także równaniem zachowania składników mieszaniny można przedstawić jako: (ρy i ) + (ρy t i u) = ρd i Y i + m i Szacowany zasięg widzialności w dymie (lub zamiennie masowe stężenie dymu) są najczęściej ocenianymi parametrami w analizach CFD. W uproszczeniu zasięg widzialności w dymie określa odległość, z jakiej przeszkoda o określonych właściwościach będzie jeszcze widoczna, przy założeniu że w całej odległości pomiędzy nią a obserwatorem masowe stężenie dymu jest jednakowe. W celu opisania własności optycznych dymu przyjmuje się uproszczony model aerozolu dymowego, w którym osłabienie natężenia wiązki światła przechodzącego przez jego warstwę podlega prawu Boughera- Lamberta-Beera, które opisuje tłumienie światła w jednorodnym obłoku dymu równaniem [3]: I I e l 0 gdzie: I 0 natężenie wiązki światła padającego, I natężenie wiązki światła po przebyciu drogi l w ośrodku absorbującym, δ współczynnik tłumienia światła, OD [m -1 ] Współczynnik tłumienia światła, nazywany także gęstością optyczną dymu jest parametrem nierozerwalnie związanym z rozkładem wielkości cząsteczek dymu, ich średnicami, współczynnikiem absorpcji i rozpraszania dymu oraz długością fali padającego światła. Przeliczenie objętościowego stężenia dymu na parametr gęstości optycznej możliwy jest poprzez wzór: f v = OD λλ c gdzie: f stężenie objętościowe dymu w objętości, δ współczynnik tłumienia światła, OD [m -1 ], λ długość fali światła, c uśredniony współczynnik pochłaniania światła w dymie. W pożarze dobrze wentylowanym, masowe stężenie dymu C s może zostać połączone z objętościowym, poprzez określenie gęstości cząsteczek dymu (kg/m³): C s = ρ s f v = ρ sδ λ λ c gdzie: Cs stężenie masowe dymu, f stężenie objętościowe dymu w objętości, δ λ współczynnik tłumienia światła, OD [m -1 ], λ długość fali światła, c uśredniony współczynnik pochłaniania światła w dymie. Przedstawione w literaturze wartości ρ s zawierają się w przedziale od 800 do 1800 kg/m³, przy czym powszechnie spotyka się wartości od 1100 do 1500 kg/m³. Wartość stałej c dla takiego układu wynosi zazwyczaj 7. Dla układu, w którym c przyjmuje wartość 8,0, gęstość dymu powinna przyjąć wartość około 1300 kg/m³. Warto zauważyć, że wartość zależności (c/ρλ) jest wartością stałą i niezmienną dla

3 większości materiałów palnych, i często określa się ją mianem masowego współczynnika ekstynkcji, σ [4]. A zatem: I = I 0 e σ sm s l gdzie: I 0 natężenie wiązki światła padającego, I natężenie wiązki światła po przebyciu drogi l w ośrodku absorbującym, σ masowy współczynnik ekstynkcji, M masowe stężenie dymu, l długość wiązki w ośrodku absorbującym. Określenie wartości współczynnika σ było przedmiotem badań Mullhollanda [5], który w swojej pracy przedstawił wyniki badań różnych ośrodków zgromadzone i opisane przez siebie. Wartość współczynnika σ dla dymu powstałego w pożarze rekomendowana przez Mullhollanda to 8700 m²/kg. Alternatywne podejście prezentuje Widmann [6], łącząc wartość współczynnika σ z długością fali światła, opierając się na właściwościach pochłaniania promieniowani elektromagnetycznego opisanego przez Plancka. Na podstawie powyższych podstawowych zależności fizycznych, model widzialności w dymie wyprowadził Jin [7 9]. V = ( 1 C s ) log e ( L tπ δ c αe ) gdzie: V widzialność [m], Cs gęstość optyczna dymu [1/m], Lt natężenie światła znaku [cd/m2], δ c wartość współczynnika kontrastu (od 0,01 do 0,05), α - σs/cs; E średnia luminancja znaku [lx]. Współczynnik ekstynkcji Cs wykorzystany w równaniu, można wyznaczyć eksperymentalnie, korzystając z zależności: C s = 1 D log e ( I I 0 ) Wykorzystanie powyższej zależności umożliwia bezpośrednie wykorzystanie pomiarów eksperymentalnych osłabienia wiązki światła płynącej przez warstwę dymu. Wartość zasięgu widzialności w uproszczonej formie (udowodniona eksperymentalnie dla odległości 5 15 m), przedstawia poniższe równanie [5]: V = k ( 1 C s ) Współczynnik k jest wyznaczany na drodze eksperymentu, i przyjmuje wartość od 2 do 4 (zwyczajowo 3) dla znaków odbijających światło oraz od 5 do 10 (zwyczajowo 8) dla znaków ewakuacyjnych emitujących światło [7]. Należy zauważyć, że w najnowszej edycji SFPE Handbook of Fire Protection Engineering, autorzy sugerują [10], iż rzeczywiste wartości współczynnika k mogą być wyższe, bez podania referencyjnej wartości. Co więcej, poczynione przez Jin a uproszczenie polegające na powiązaniu zasięgu widzialności dla przegrody z zasięgiem widzialności znaku odbijającego światło budzi wątpliwość, z uwagi na brak możliwości określenia stosunku kontrastu przegroda-tło, który to jest niezbędny dla wyznaczenia wartości stałej k. 3 WCZEŚNIEJSZE BADANIA Zależności pomiędzy parametrem intensywności generacji dymu (soot yield) a zasięgiem widzialności przedstawił Gabriele Vigne w publikacji To what extent can we rely upon the results obtained from advanced smoke modelling w 2015 roku [11]. W swojej pracy analizował wpływ zmienności współczynników będących warunkami brzegowymi analiz CFD, tj. współczynnika generacji sadzy (soot yield), stałej K m, oraz k. Jako najistotniejszy z powyższych wskazał współczynnik generacji sadzy.

4 Rys. 1. Wyniki badań Vigne et al. [11] Badania te obejmowały przeprowadzenie 18 symulacji numerycznych z wykorzystniem oprogramowania FDS [12]. Symulacje te prowadzono w odniesieniu do przeprowadzonych eksperymentów w pełnej skali, w Cetrum Technologii Metalowej (CTM) w Murcji, Hiszpania, w której zbudowano obiekt atrialny przeznaczony do badań pożarowych w pełnej skali [13]. Obiekt ten ma kształ sześcianu o bokach 20 x 20 x 20 m, i jest wyposażony w wentylację grawitacyjną oraz mechaniczną. We wnioskach ze swoich badań Vigne zawarł tezę, że poniżej wartości soot yield mniejszej niż 0,12 g/g zmiana zasięgu widzialności jest nieproporcjonalna do spadku wartości współczynnika, przez co wyniki badania numerycznego są obarczone dużym błędem. Wnioski te oparto na wynikach badań dla trzech wartości współczynnika Ys. Rys. 2. Atrium CTM w Murcji [13] 4 BADANIA NAD ZMIENNOŚCIĄ GENERACJI SADZY W odniesieniu do przedstawionych powyżej wstępnych wyników badań, w Instytucie Techniki Budowlanej podjęto pracę naukowo-badawczą pt. zmienność cech materiałowych a szacowany zasięg widzialności w analizach CFD [14]. W tym celu wykorzystano komorę testową znajdującą się w Warszawskim oddziale Zakładu Badań Ogniowych, w której możliwe prowadzenie pomiarów gęstości optycznej aerozolu dymowego w górnej warstwie dymu, z wykorzystaniem densytometru optycznego (oraz liniowych czujek dymu). Wielkość komory oraz systemu wentylacji mechanicznej w który jest wyposażona została dobrana w taki sposób, aby w odniesieniu do pożarów o mocach około 130 kw do 160 kw, warstwa dymu w pomieszczeniu miała charakter ustalony (tzn. zmiana parametrów

5 warstwy odpowiada zmianie parametru pożaru, warstwa nie opada oraz nie unosi się na skutek działania wentylacji stan równowagi). Full scale fire tests have been performed in a test chamber with dimensions of 10 x 10 m and height of 4 m. The room was equipped with mechanical smoke exhaust system. It was previously proven by experiment, that the system was scaled in a way, that a state of equilibrium was achieved in the room for fires with power ranging from 130 to 160 kw. Wymiary komory badawczej przedstawiono na rys. 3. Rys. 3. Komora testowa Laboratorium Badań Ogniowych ITB w Warszawie Przeprowadzono analizę porównawczą właściwości palnych 92 różnych substancji chemicznych, spośród których wytypowano grupę paliw płynnych o szerokim zakresie wartości współczynnika Y soot, jednocześnie nie stanowiące zagrożenia dla zdrowia (z wyjątkiem toluenu). Szacowane wartości współczynnika Y soot materiałów wynoszą [1,4]: methyl alcohol, Ys = g/g ethyl alcohol, Ys = g/g propane alcohol, Ys = g/g heptane; Ys = 0,044 g/g; Toluen, Ys = g/g Po zakończeniu badań w pełnej skali przeprowadzono serię 30 symulacji numerycznych wykonanych przez Instytut Techniki Budowlanej z wykorzystaniem oprogramowania ANSYS Fluent [15] oraz przez Uniwersytet w Jaen, z wykorzystaniem oprogramowania Fire Dynamics Simulator [16]. W badaniach numerycznych analizowano wpływ zmienności współczynnika Y soot na zasięg widzialności w dymie oraz czas, po jakim zasięg ten przekracza przyjętą wartość oceny, dla materiałów o wartości współczynnika od 0,01 do 0,20 g/g. Rys. 4. Przykładowe wyniki obliczeń w programie ANSYS Fluent (rys. lewy) oraz FDS (rys. prawy)

6 Methanol, Ys = g/g Propanol, Ys = g/g Rys. 5. Heptane, Ys = g/g Ilustracje badań generacji dymu dla różnych substancji Toluene, Ys = g/g 5 WYNIKI OBLICZEŃ NUMERYCZNYCH ORAZ BADAŃ W PEŁNEJ SKALI Dokładny opis przeprowadzonych badań numerycznych oraz dyskusję błędów w prowadzonych analizach zawarto w publikacjach [17,18]. Na kolejnych rysunkach (7-8) przedstawiono porównanie wyników symulacji numerycznych oraz badań w pełnej skali. Wartość temperatury odczytano na termoelemencie oznaczonym jako T30 (rys. 6), znajdującym się bezpośrednio przy densytometrze optycznym. Rys. 6. Model numeryczny stanowiska oraz lokalizacja termopary T30

7 Rys. 7. Porównanie wyników obliczeń numerycznych oraz eksperymentu dla n-heptanu i toluenu Rys. 8. Porównanie wyników obliczeń numerycznych oraz eksperymentu dla propanolu i metanolu Tabela 1. Zasięg widzialności w dymie porównanie wyników obliczeń w programie FDS oraz Ansys Fluent Soot Yield (g/g) Visibility (m) FDS* Visibility (m) Fluent* Soot Yield (g/g) Visibility (m) FDS* Visibility (m) Fluent* N/A *dla znaków odbijających światło Rys. 9. Porównanie wyników badań numerycznych w ANSYS Fluent i FDS, oraz eksperymencie w pełnej skali

8 Tabela 2 Czas do osiągnięcia zasięgu widzialności 10 m (wewnątrz warstwy dymu) Soot Yield (g/g) Time to reach 10m Visibility (s) FDS* Time to reach 10m Visibility (s) Fluent* Soot Yield (g/g) Time to reach 10m Visibility (s) FDS* Time to reach 10m Visibility (s) Fluent* *dla znaków odbijających światło Rys. 10. Porównanie wyników obliczeń numerycznych w ANSYS Fluent i FDS, oraz eksperymentu w pełnej skali czas do osiągnięcia 10 m zasięgu widzialności 6 WNIOSKI Z PRZEPROWADZONYCH BADAŃ Głównymi wnioskami po przeprowadzonych badaniach w skali pełnej oraz programie analiz numerycznych są: Zaobserwowano, że w przypadku zastosowania wartości współczynnika soot yield poniżej 0,1 g/g (wartość konserwatywna), następuje istotna zmiana zasięgu widzialności w dymie, natomiast poniżej wartości 0,06 g/g zmiana ta jest bardzo duża. Z drugiej strony, podniesienie wartości współczynnika soot yield powyżej 0,1 g/g nie wpływa istotnie na wynik analizy numerycznej. Oznacza to, że użytkownik posługujący się modelami numerycznymi powinien zwrócić szczególną uwagę, na sytuacje, w których przyjęty do analizy współczynnik generacji sadzy, określony na drodze analizy literatury dla przewidywanego rozwoju pożaru w analizowanej przestrzeni, wynosi mniej niż 0,10 g/g. Na potrzeby analiz inżynierskich nie należy wykorzystywać współczynnika generacji sadzy niższego niż 0,06 g/g. Zmiana współczynnika generacji sadzy istotnie wpływa na czas potrzebny do osiągnięcia kryterium zasięgu widzialności w dymie, co często stanowi kryterium akceptowalności rozwiązań techniczno-budowlanych w obiekcie budowlanym. Jest to szczególnie niebezpieczne, gdyż wskazuje na możliwość nadużycia opisywanego współczynnika soot yield, w sposób trudny do weryfikacji (czy wręcz niemożliwy do sprawdzenia bez powtórzenia analizy). Wyniki pomiarów przewidywanego zasięgu widzialności w dymie różnią się od wyników analiz numerycznych rozprzestrzeniania się dymu i ciepła. Oznacza to, że dotychczasowe modele widzialności w dymie nie do końca odwzorowują rzeczywiste pochłanianie i rozpraszanie światła w ośrodku dyspersyjnym aerozolu dymu i wody w powietrzu. Istnieje potrzeba kontynuacji badań w tym obszarze, w celu udoskonalenia istniejących modeli szacowania zasięgu widzialności w dymie. Podobne wyniki w niedawnych badaniach uzyskali m.in. [19].

9 Planowane są dalsze badania w ramach prac statutowych Instytutu Techniki Budowlanej, w obszarze: Udoskonalenia istniejących zależności i sub-modeli fizycznych widzialności w dymie, co powinno przyczynić się do poprawy jakości symulacji numerycznych rozprzestrzeniania się dymu i ciepła; Wykorzystania n-heptanu jako paliwa modelowego dla analiz w skali modelowej, z uwzględnieniem oceny zasięgu widzialności w dymie, co pozwoli na realizację eksperymentów walidacyjnych dla analiz numerycznych. Bibliografia [1] D.J. Rasbash, D.D. Drysdale, Fundamentals of smoke production, Fire Saf. J. 5 (1982) doi: / (82)90008-x. [2] K. McGrattan, S. Miles, Modeling Fires Using Computational Fluid Dynamics (CFD), in: SFPE Handb. Fire Prot. Eng., Springer New York, New York, NY, 2016: pp doi: / _32. [3] M. Konecki, M. Półka, Calculation of visibility in smoke generated during thermal decomposition and combustion of polyester materials, in: Mod. Build. Mater. Struct. Tech. MBMST 2010, Vilnius, [4] G.W. Mulholland, C. Croarkin, Specific extinction coefficient of flame generated smoke, Fire Mater. 24 (2000) doi: / (200009/10)24:5<227::aid-fam742>3.0.co;2-9. [5] G.W. Mulholland, Smoke Production and Properties, in: SFPE Handb. Fire Prot. Eng., Fourth Edi, NFPA & SFPE, Quincy, MA, [6] J.F. Widmann, Evaluation of the planck mean absorption coefficients for radiation transport through smoke, Combust. Sci. Technol. 175 (2003) doi: / [7] T. Jin, Visibility and Human Behavior in Fire Smoke, in: SFPE Handb. Fire Prot. Eng., 3rd Editio, 2002: pp [8] T. Jin, Visibility through Fire Smoke (I), Bull. Fire Prev. Soc. Japan. 19 (1970). [9] T. Jin, Visibility through Fire Smoke (II), Bull. Fire Prev. Soc. Japan. 21 (1971). [10] T. Yamada, Y. Akizuki, Visibility and Human Behavior in Fire Smoke, in: SFPE Handb. Fire Prot. Eng., Springer New York, New York, NY, 2016: pp doi: / _61. [11] G. Vigne, To what extent can we rely upon the results obtained from advanced smoke modelling, in: SFPE Copenhagen, [12] K. McGrattan, S. Hostikka, R. McDermott, J. Floyd, C. Weinschenk, K. Overholt, Sixth Edition Fire Dynamics Simulator Technical Reference Guide Volume 1 : Validation guide, doi: [13] P. Ayala, A. Cantizano, C. Gutiérrez-Montes, G. Rein, Influence of atrium roof geometries on the numerical predictions of fire tests under natural ventilation conditions, Energy Build. 65 (2013) doi: /j.enbuild [14] W. Węgrzyński, G. Krajewski, P. Suchy, Zmienność cech materiałowych a szacowany zasięg widzialności w analizach CFD, in: Spraw. Rocz. - NP-105, Instytut Techniki Budowlanej, [15] ANSYS, ANSYS Fluent Technical Documentation, [16] K. McGrattan, S. Hostikka, R. McDermott, J. Floyd, C. Weinschenk, K. Overholt, Fire Dynamics Simulator User s Guide, Sixth Edition, doi: /nist.sp [17] G. Vigne, W. Węgrzyński, Influence of Variability of Soot Yield Parameter in Assessing the Safe Evacuation Conditions in Advanced Modeling Analysis. Results of Physical and Numerical Modeling Comparison, in: 11th Conf. Performance-Based Codes Fire Saf. Des. Methods, SFPE, [18] G. Vigne, W. Węgrzyński, EXPERIMENTAL AND NUMERICAL ANALYSIS OF THE INFLUENCE OF THE SOOT YIELD WHEN CONDUCTING CFD ANALYSIS FOR THE ESTIMATION OF THE AVAILABLE SAFE, in: Interflam 2016, [19] M. Janssens, J. Huczek, K. Onaka, S. Turner, Use of FDS to Comply with Performance-Based Requirements Based on Smoke Layer Height, in: 11th Conf. Performance-Based Codes Fire Saf. Des. Methods, SFPE, Warszawa, 2016.