Introducción al modelado: características generales de los modelos computacionales. Tipos y clasificación: tratamiento de la turbulencia

Jornada Técnica: Fuego en túneles Barcelona,, 05 de Mayo de 2011 Barcelona Modelización de Incendios: Aplicación a Túneles Emilio Migoya (emilio.migo

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Jornada Técnica: Fuego en túneles Barcelona,, 05 de Mayo de 2011 Barcelona

Modelización de Incendios: Aplicación a Túneles Emilio Migoya ([email protected] [email protected]), Javier García, Antonio Crespo Grupo de investigación Mecánica de Fluidos aplicada a la Ingeniería Industrial, E.T.S.I. Industriales, Universidad Politécnica de Madrid Julio Hernández, Pablo Joaquín Gómez E.T.S.I. Industriales, Universidad Nacional de Educación a Distancia

Emilio Migoya Valor

Laboratorio de Mecánica de Fluidos. UPM

Modelización de Incendios: Aplicación a Túneles INDICE

• Introducción al modelado: características generales de los modelos computacionales • Tipos y clasificación: tratamiento de la turbulencia • Ejemplos de códigos (modelo de combustión) y de aplicación

Emilio Migoya Valor

Laboratorio de Mecánica de Fluidos. UPM

1

Modelización de Incendios: Aplicación a Túneles Características y tipos de MSC

Ventajas Métodos Mé d analíticos

C.F.D.

Experimentación

Inconvenientes

•Soluciones S l i cerradas d •Mínimo coste computacional

•Hipótesis Hi ó i restrictivas i i •Configuraciones simples

•Fácil aplicación •Hipótesis menos restrictivas •Definición completa del campo fluido •Configuraciones complicadas o ppeligrosas g

•Modelos turbulentos inadecuados •Limitado por la capacidad del ordenador •Exactitud del método de discretización

•Configuración real o a escala •Observación del fenómeno

•Costoso •Depende de las condiciones de ensayo •Cantidad y exactitud de datos limitada •Factor de escala

Modelización de Incendios: Aplicación a Túneles Evolución histórica

Modelo de Simulación Computacional (MSC) años 40: bomba atómica CFD (Computation Fluid Dynamics) años 80: desarrollo computacional continuo, ti exponencial i l pero desordenado d d d Años 90: estructuración de los MSC, metodología científica, rigurosidad,… Desarrollo de los conocimientos físico-químicos, CFD, potencia de cálculo Nivel de aproximación Linealizado no-viscoso No lineal No-lineal no-viscoso Ecuaciones de Navier-Stokes promediadas “Large eddy simulation” Ecuaciones exactas de Navier-Stokes

Capacidad Subsónico / supersónico -Distrib. Presión -Vorticidad -Transónico Transónico -Hipersónico -Arrastre total -Desprendimiento del flujo

Comienzo investigación

Comienzo aplicaciones

1950

1960

1960

1970

1970

1980

1970

1990

1970

1990

-Estructura de la turbulencia -Transición laminar-turbulento -Disipación

2

Modelización de Incendios: Aplicación a Túneles Características y tipos de MSC

Turbomaquinaría

Modelización de Incendios: Aplicación a Túneles Características y tipos de MSC

Aerodinámica

3

Modelización de Incendios: Aplicación a Túneles Características y tipos de MSCI

Estudio de la aterosclerosis

Modelización de Incendios: Aplicación a Túneles El modelado como vehículo del análisis del incendio

Modelo matemático de incendio: conjunto de expresiones matemáticas y/o lógicas g que definen las características y el comportamiento q p de un incendio simulado. Condiciones de contorno para limitar de forma realista el espacio a tratar. Los Modelos de Simulación Computacional (MSC) dan solución casi siempre; lo importante es tener los suficientes conocimientos del fenómeno físico y de métodos numéricos para saber interpretar correctamente esos resultados y su validez. Simulación Sim lación computacional comp tacional de incendios: implementación del modelo matemático de un incendio simulado en una computadora digital mediante el modelo computacional correspondiente, su ejecución reiterada (modificando los valores de entrada) y el análisis de los resultados (en correspondencia con los objetivos de la simulación)

4

Modelización de Incendios: Aplicación a Túneles El proceso de la combustión



Los incendios son una de las mayores desgracias sociales y económicas que afectan a la sociedad



Compartment fire mucho más complejo que un pool fire (estacionario y “simple”) T Consumo de oxígeno

Ignición g

Crecimiento Flashover

Incendio completamente desarrollado

Aire fresco

Decaimiento

tiempo p

Flashover: fenómeno asociado a una inestabilidad térmica caracterizada por un rápido crecimiento de la intensidad de un incendio (500-600ºC, radiación de 15-20kW/m2 y, o, llamas incontroladas) A partir de aquí, existe mucho combustible y la disponibilidad de oxígeno se alterna con la de combustible en el control de la evolución. Emilio Migoya Valor

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Modelización de Incendios: Aplicación a Túneles Motivación

Se puede emplear como: •Herramienta de diseño: •Tiempo de escape •Sistemas Sistemas mitigación •Pautas de actuación. •Entrenamiento. •Herramienta de análisis: causas o consecuencias Ventajas: •Repetitividad con diferentes escenarios •Económico y seguro frente a experimentos •Posiciones inaccesibles •Fenómenos rápidos y prolongados •Permite casos peligrosos Desventajas o limitaciones: •Conocimientos de combustión, mezcla turbulenta, flujos multifásicos, transporte radiativo, aerodinámica de cuerpos no fuselados,.... •Gran cantidad de escenarios posibles •Gasto de tiempo y coste de equipos •Conocimientos científicos, técnicos, experiencia,… por parte del personal •Difíciles de interpretar Emilio Migoya Valor

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5

Modelización de Incendios: Aplicación a Túneles Características y tipos de MSCI

Etapas en un programa de C.F.D. (Computation Fluid Dynamics) Etapas de cálculo

PRE-PROCESO: • Formulación del problema del incendio: estudio teórico, revisión de modelos e hipótesis Modelo matemático: ecuaciones diferenciales pueden contener aproximaciones o • Definición de objetivos y del dominio físico: que simplificaciones • Definición del dominio computacional (generación de la malla) y datos de entrada idealizaciones (errores del modelo) • Información del incendio simulado: diseño, realización y análisis de los experimentos

CÁLCULO: Método• Construcción de discretización: se linealizan diferenciales y se transforman en del modelo conceptual las del ecuaciones incendio simulado: Linealización y discretización de las ecuaciones del modelo un conjunto de ecuaciones algebraicas en las que las variables Método matemático y/o lógico lógico: sistemadel de espacio ecuaciones resultantes son un conjunto de resolución valores endelpuntos y tiempo • Verificación y validación delde modelo conceptual (error truncamiento) • Construcción del modelo computacional • Verificación y validación del modelo computacional • Aplicación del modelo

Resolución del sistema de ecuaciones:

- Métodos directos

- Métodos iterativos (error de redondeo) POST-PROCESO: • Interpretación de los resultados obtenidos • Conclusiones

Modelización de Incendios: Aplicación a Túneles Verificación y validación

Verificación: representación fidedigna del diseño del modelo Validación: concordancia con el mundo real Acreditación: certificación oficial para unos usos específicos Credibilidad: confianza de la simulación

Los VV&A evalúan la potencialidad (limitaciones) de una simulación para un uso concreto (corrección, exactitud y utilidad) No se emplea en términos absolutos sino relativos a la aplicación específica y a las decisiones que se basen en ella Los VV&A deben señalar la dirección de investigación para extender su rango de aplicación Relación coste/tiempo/exactitud/empleo

6

Modelización de Incendios: Aplicación a Túneles Características y tipos de MSCI

Emilio Migoya Valor

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Modelización de Incendios: Aplicación a Túneles Características y tipos de MSCI

Determinísticos

Modelos zonales

Modelos de campo CFD (Computational Fluid Dynamics)

Emilio Migoya Valor

•División de la región a estudio en diferentes zonas. •Condiciones de conservación en los contornos.

•Resolver las ecuaciones de conservación punto a punto.

•Leyes de conservación en cada zona.

•Dificultad en la turbulencia y en la combustión

•ΔT entre zonas>>ΔT dentro de cada zona

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Modelización de Incendios: Aplicación a Túneles Modelos de campo: Técnicas de tratamiento de la turbulencia

•Inestabilidad de las ecuaciones generales del movimiento ante cualquier pequeña perturbaciones => Turbulencia. •Carácter aleatorio=> No unidireccionalidad ni estacionareidad aunque las condiciones de contorno indiquen lo contrario. •Fluctuaciones rápidas (espaciales y temporales) de las magnitudes fluidas. Ejemplo típico: Poiseuille en tubo muy largo. •Movimientos con turbulencia importante suelen ser más largos que anchos en el sentido del movimiento: capas límites, chorros, estelas, penachos,… •Número de Reynolds (basado en el espesor) caracteriza el movimiento. Al cambiar la velocidad y el espesor puede cambiar el criterio (ejemplo cigarrillo): Re 

 vL 

•Normalmente: transporte laminar < transporte turbulento < transporte convectivo de la vmedia (vagitación turbulenta leyes de Fick, Navier-Poisson y Fourier deben ser sustituidas por leyes fenomenológicas experimentales para cada problema. •Las ecuaciones del movimiento turbulento son igual que las laminares instantáneas añadiendo términos de transporte (valor medio del producto de la velocidad de agitación turbulenta por la oscilación turbulenta de la magnitud transportada) a los términos de transporte molecular. •Esos nuevos términos se originan en el término convectivo y son 100 o 1000 veces mayores que los antiguos. •No existe ninguna ley general que asocie esos nuevos términos con los gradientes de propiedades medias => existen más incógnitas que ecuaciones => Teoría del cierre => CFD (Computation Fluid Dynamics): RANS (Reynolds Averaged Navier-Stokes: k-ε-g, camino libre medio,...), LES (Large Eddy Simulation), DNS (Direct Numeric Simulation).

8

Modelización de Incendios: Aplicación a Túneles Modelos de campo: Técnicas de tratamiento de la turbulencia

Modelización de Incendios: Aplicación a Túneles Modelos de campo: Técnicas de tratamiento de la turbulencia

9

Modelización de Incendios: Aplicación a Túneles Características y tipos de MSCI

Determinísticos

Modelos de campo

Modelos zonales

CFD (Computational Fluid Dynamics)

•División de la región a estudio en diferentes zonas. •Condiciones de conservación en los contornos.

•Resolver las ecuaciones de conservación punto a punto.

•Leyes de conservación en cada zona.

•Dificultad en la turbulencia y en la combustión

•ΔT entre zonas>>ΔT dentro de cada zona

RANS

LES

DNS

Reynolds Averaged Navier-Stokes

Large Eddy Simulation

Direct Numerical Simulation

•Promedio de las ecuaciones básicas de Navier-Stokes.

•Resolución directa para las escalas grandes.

•Solución directa de las ecuaciones de Navier-Stokes.

•Modelos para reproducir el tensor de Reynolds.

•Modelado de las escalas pequeñas.

•Muy caro computacionalmente para problemas de interés ingenieril.

Emilio Migoya Valor

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Modelización de Incendios: Aplicación a Túneles Ejemplos de modelos de campo

Ejemplos de modelo de campo: •

FLUENT, CFX, PHOENICS: códigos generalistas.



TUFISI (Programme de Simulation Numérique d’un Incendie en Tunnel) específicamente diseñado para analizar condiciones letales durante el incendio.



JASMINE o FLUX3D estudian el efecto de las condiciones ambientales.



SOLVENT, creado durante la fase IV del Memorial Tunnel project, es uno de los más empleados debido a su intensa validación. La combustión se modela mediante fuentes de calor sin combustión química.



FDS (McGrattan et al., 2008). Desarrollada por el National Institute of Standards and Technology (NIST), (NIST) resuelve numéricamente una simplificación de las ecuaciones de Navier-Stokes. Emplea un proceso difusivo del combustible y comburente mediante una reacción química global de un paso infinitamente rápida en el DNS o el modelo de fracción del mezcla para el LES. Limitaciones: bajo Mach (no explosiones), geometría rectilínea más eficiente, modelo de fracción de mezcla funciona bien en espacios bien ventilados, modelo de combustión simplificado por lo que la composición química de los gases no es precisa y la radiación no es muy exacta.

Emilio Migoya Valor

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Modelización de Incendios: Aplicación a Túneles Modelo UPMTUNNEL

Zona de transición

•Modelo cuasiunidimensional:

Zona de difusión

Zona del penacho h

híbrido entre zonal y de campo. •División del incendio en dos zonas: Aguas arriba del impacto de los humos con el techo, penacho. Aguas abajo del impacto de los humos con el techo, difusión. •Modelo de combustión, combustión variables función de un escalar que se conserva conserva, fracción de mezcla •Modelo de turbulencia k-ε-g •Modelo cuasi-unidimensional con perfiles autosemejantes en planos perpendiculares • a la línea media del penacho •Corriente unidireccional incompresible en la zona de la difusión Emilio Migoya Valor

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Modelización de Incendios: Aplicación a Túneles Experimentos

700 680

Tramo 2 Subtramo 2

660

Tramo 1 Subtramo 2

Tramo 4 Subtramo 2

640

Túnel 1: Galería de servicios (sin tráfico)

N 620 Cota (m)

Túnel 2: M-111 Sentido Barajas Túnel 3: M-111 Sentido Paracuellos

Tramo 2 Subtramo 1

Tramo 4 Subtramo 1

600

S

580

Túnel 4: Servicios del Aeropuerto (tráfico bidireccional)

Tramo 6

Tramo 1 Subtramo 1

560 Barajas

Salida a torre de control

540

Túnel antiguo (836 m)

Paracuellos

Tramo 3 520

Túnel completo (2606 m)

Tramo 5 500 -1000

-500

0

500

1000

Tramo 7 1500

2000

Punto métrico (m)

Tramo Barajas

1 2 3 4 5 6 Paracuellos 7 Toral/media

Ancho Altura clave (m) 12,0 12,0 17,0 12,0 17,0 12,0 12,0 12,2

(m) 6,2 8,0 5,0 8,0 5,0 8,0 8,0 7,2

Emilio Migoya Valor

Área (m2) 73,8 85,5 85,0 85,5 85,0 85,5 85,5 81,3

Perímetro Longitud (m) 36,3 36,0 44,0 36,0 44,0 36,0 36,0 36,5

(m) 935 537 54 529 66 334 150 2605

Tipo de

Rugosidad

Diámetro

envolvente con vigas en canto con bóveda revestida con bóveda revestida con bóveda con bóveda

(m) 0,66 0,02 0,02 0,02 0,02 0,02 0,02 0,25

hidráulico (m) 8,1 9,5 7,7 9,5 7,7 9,5 9,5 8,9

Cota superior Cota inferior (m) 598,30 593,65 578,00 575,90 571,40 579,92 579,92 588,27

(m) 593,65 575,90 576,70 569,90 570,80 569,91 577,00 580,24

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Modelización de Incendios: Aplicación a Túneles FLUENT

•Combustión mediante eddy-break-up. •Discretización mediante volúmenes finitos Upwind para las derivadas de primer orden. orden Diferencias centradas para las derivadas de segundo orden. •Método iterativo SIMPLE. •Malla: No estructurada formada por tres bloques estructurados mediante hexaedros. Dirección longitudinal refinada en la zona del fuego. Refinamiento posterior en la zona de combustión hasta que el gradiente fuese menor que uno dado. 174000 celdas en un HP k360 con 4 procesadores a 180 MHZ y 780 MB de RAM.

•200 metros de túnel, incendio en el centro y condiciones de presión en el contorno. •10 MW. Temperatura ambiente 288 K •Sucesión de estados estacionarios con velocidades entre 0 y 2’5 m/s. Emilio Migoya Valor Laboratorio de Mecánica de Fluidos. UPM

Modelización de Incendios: Aplicación a Túneles PHOENICS

•Combustión mediante k-ε-g •Discretización mediante volúmenes finitos Híbrido: upwind/diferencias centradas para los términos convectivos. convectivos Diferencias centradas para los términos difusivos. •Método iterativo SIMPLEST. •Malla: Estructurada alterna. Variables vectoriales en las caras del volumen de control y escalares en su centro. Coordenadas ajustadas al cuerpo refinadas en las paredes y suelo. 37800 celdas en un HP J5000 con 2 procesadores.

Emilio Migoya Valor

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Modelización de Incendios: Aplicación a Túneles Estudios previos

Potencia (MW) Tramo Altura (m) 1 6.2 2 8.0 3 5.0 4 8.0 5 5.0 6 8.0 7 8.0

Q*

20 V*

0.185 0.096 0.310 0.096 0.310 0.096 0.096

0.320 0.297 0.320 0.297 0.320 0.297 0.297

Velocidad crítica (m/s) 2.5 2.6 2.2 2.6 2.2 2.6 2.6

Q*

30 V*

0.277 0.143 0.464 0.143 0.464 0.143 0.143

0.320 0.320 0.320 0.320 0.320 0.320 0.320

Velocidad crítica (m/s) 2.5 2.8 2.2 2.8 2.2 2.8 2.8

Q*

50 V*

0.461 0.239 0.774 0.239 0.774 0.239 0.239

0.320 0.320 0.320 0.320 0.320 0.320 0.320

Velocidad crítica (m/s) 2.5 2.8 2.2 2.8 2.2 2.8 2.8

Modelo de Oka

Potencia (MW) Tramo Diámetro (m) 1 8.1 2 9.5 3 7.7 4 9.5 5 7.7 6 9.5 7 9.5

Q''

20 V''

0.093 0.062 0.105 0.062 0.105 0.062 0.062

0.310 0.271 0.323 0.271 0.323 0.271 0.271

Velocidad crítica (m/s) 2.8 2.6 2.8 2.6 2.8 2.6 2.6

Q''

30 V''

0.139 0.093 0.158 0.093 0.158 0.093 0.093

0.354 0.310 0.370 0.310 0.370 0.310 0.310

Velocidad crítica (m/s) 3.2 3.0 3.2 3.0 3.2 3.0 3.0

Q''

50 V''

0.232 0.156 0.263 0.156 0.263 0.156 0.156

0.400 0.368 0.400 0.368 0.400 0.368 0.368

Velocidad crítica (m/s) 3.6 3.5 3.5 3.5 3.5 3.5 3.5

Modelo de Wu

Emilio Migoya Valor

Laboratorio de Mecánica de Fluidos. UPM

Modelización de Incendios: Aplicación a Túneles

2.5

40

2

30

1.5

20

1

10

0.5

0

25

0 -4

-2

0

2

4

6

8

10

12

14

16

Tiempo (minutos) Potencia máxima = 50 MW

vest 

2D F  2'8m / s L A

Velocidad máxima = 2'8 m/s

tc 

Avest F

L



2D

vest

 40s

Llama cónica inclinada de base elíptica: 20 •Temperatura: 2000 K •Altura sobre la vertical del vértice: 1’14 m •Distancia 15 sobre la horizontal desde el vértice al centro de la base del cono: 2’33 m. •Semieje de la base elíptica en la dirección longitudinal: 1’84 m. j de la base elíptica p en la dirección transversal: 0’96 m. •Semieje Fondo10 de humos: •Temperatura:467 K •Distancia 5 desde el centro de la base del cono de llama hasta el fondo de humos: 15 m. Humos calientes en el techo: •Temperatura: 400 ºC. •Puntos0de definición: 0 Distancia 1 desde 2 el fondo 3 6 7 m. 8 9 10  de 4humos:50 m. Altura: 6’18 Distancia desde el fondo de humos: Altura:(m) 7’3 m. Distancia al centro40 delm. incendio Distancia desde el fondo de humos: 65 m. Altura: 8 m. Horizontal 45º Vertical Distancia desde el fondo de humos: 90 m. Altura 9’28 m. 2

50

30

Raadiación (kW/m )

3

Velocidad (m/s)

Potencia (MW)

Estudios previos 60

Daño a personas

 t  t0  v  v  vest tanh   arg tanh  0    t   vest    c

para t  t 0  30s

50 MW Túnel 2 Tramo 6 Velocidad 2’8 m/s

Emilio Migoya Valor

Flashover

Límite del incendio

Distancia al centro Radiación Radiación Radiación 2 2 2 de la llama (m) Horizontal (kW/m ) a 45º (kW/m ) Vertical (kW/m ) 1.9 53.707 43.478 1.628 25 2.5 19 073 19.073 10 114 10.114 1 193 1.193 3 10.619 6.405 0.931 4 5.127 3.134 0.793 5 2.854 2.012 0.679 6 2.035 1.552 0.648 7 1.593 1.259 0.630 8 1.199 1.089 0.615 9 0.942 0.994 0.604 10 0.834 0.918 0.595 15 0.509 0.649 0.566 20 0.391 0.554 0.544 25 0.322 0.510 0.524 30 0.277 0.473 0.504 40 0.225 0.417 0.463 50 0.196 0.370 0.408 75 0.108 0.140 0.092 85 0.050 0.046 0.015 99 0.022 0.018 0.003

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Modelización de Incendios: Aplicación a Túneles Experimentos

Peso molecular 100'2 g/mol Punto de inflamación -4 ºC Punto de congelación -90 ºC Punto de ebullición 98'4 ºC Límites de inflamabilidad (en aire) 11'1 1 % hasta 6'7 67 % Temperatura de autoignición 215 ºC 680 kg/m3 Densidad Calor estándar de combustión 48'07 MJ/kg

•Ventilación en vacío •Humos fríos Heptano p

Incendio de 5MW •Incendio •Incendio de 10MW

Q* 

Q* 

Q

 a c pTa gD

1'225 kg

m

5



H g u g  D

2

4

MacCaffrey

 a c pTa gD 5

5000000 W 4'327  5 J 300 K 9'8 m 2 D(m) 5 D (m) 2 kgK s

3 1004'5

D2 D2 D2 Q teórica   g u g H  m H  m  1  e kD H 4 4 4 Q  5MW  0'0784 kg

Emilio Migoya Valor

m2s

1  e

0'8m 1D ( m )

 D(m4 )

2

45 MJ

kg

D=1’35m

Burgess

D=1’58m

Laboratorio de Mecánica de Fluidos. UPM

Una (5MW) o dos bandejas (10MW) de 1’4 metros de diámetro 150 litros de heptano para 20 minutos

a) 5 MW: 150 litros durante 18’ 24’’ Q reall 

H liquidoVliquido tiempo consumo



48'07 ( MJ / kg ) 680 (kg / m 3 )  0'150 (m 3 )  4'5 MW (18  60  24) ( s )

b) 10 MW: 2x150 litros durante 17’ y 18’ 15’’ H liquidoVliquido 48'07  680  0'150 48'07  680  0'150    4'8  4'5  9'3MW Q real   tiempo consumo 17  60 18  60  15

Emilio Migoya Valor

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14

Modelización de Incendios: Aplicación a Túneles Experimentos: ensayos de 5MW

4

105

3.5

2.5

75

2.5

60

2

45

1.5

30

1

15

0.5

Velocidad d (m/s)

3

2 1.5 1 0.5

Velocidad (m/s)

90

0 0:00:00 0:04:22 0:08:45 0:13:07 0:17:30 0:21:52 0:26:15 0:30:37 0:35: Tiempo S-1101

S-1102

S-1103

65 60 55 50

Temperatura (ºC)

0 0 0:00:00 0:02:55 0:05:49 0:08:45 0:11:39 0:14:34 0:17:30 0:20:25 0:23:19 0:26:15 0:29:10 0:32:05 0:35:00

45 40 35

Tiempo T-0001 T-4001 T-5007

T-1001 T-4002 S-1101

T-2001 T-4003 S-1102

T-3001 T-5001 S-1103

30

T-3002 T-5002 S-5101

T-3003 T-5003 S-5102

T-3004 T-5004 S-5103

T-3005 T-5005

25

T-3006 T-5006

20 0:00:00 0:03:30 0:07:00 0:10:30 0:14:00 0:17:30 0:21:00 0:24:30 0:28:00 0:31:29 0:35:0 Tiempo T-5001

Emilio Migoya Valor

T-5002

T-5003

T-5004

T-5005

T-5006

T-5007

Laboratorio de Mecánica de Fluidos. UPM

Modelización de Incendios: Aplicación a Túneles Ajustes del UPMTUNNEL

780

430

730

415

680

400

630

385 Temperaatura (K)

Temperaatura (K)

580 530 480

370 355 340

430

325

380

310 295

330

280

280 0

1

2

3

4

5

6

7

8

0

9

1

2

3

4

FLUENT

C=1 km=0'5 C=1 km=0'1

C=5 km=0'5 C=5 km=0'1

5

6

7

8

9

z (m)

z (m) C=10 km=0'5 C=10 km=0'1

FLUENT

C=20 km=0'5 C=20 km=0'1

C=1 km=0'5 C=1 km=0'1

C=5 km=0'5 C=5 km=0'1

C=10 km=0'5 C=10 km=0'1

C=20 km=0'5 C=20 km=0'1

Eje de simetría a +50 metros del foco

Eje de simetría a +10 metros del foco

400 385

Potencia: 10 MW. Velocidad: 2’5 m/s

370

DT 

 k     k mU * Req  c  u

z

2

u  Cm z hz

 

km = 0’5

Temperatura (K)

Temperatura (ºC)

3

120

355 340 325 310 295

C=5

280 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

z (m) FLUENT

C=1 km=0'5 C=1 km=0'1

C=5 km=0'5 C=5 km=0'1

C=10 km=0'5 C=10 km=0'1

C=20 km=0'5 C=20 km=0'1

Eje de simetría a +100 metros del foco Emilio Migoya Valor

Laboratorio de Mecánica de Fluidos. UPM

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Modelización de Incendios: Aplicación a Túneles Comparaciones: UPMTUNNEL y experimentos

Potencia: 5 MW. Velocidad: 5’8 m/s

T-0001: 301’6

+10 metros del foco T-5002: 304’4

T-5001: 304’6

T-4001: 307’2 T-5003: 305’0 T-4002: 306’7

T-5006: 302’1 T-5004: 304’6

T-4003: 307 ‘1

T-5007: 300’1

+50 metros del foco

Emilio Migoya Valor

T-5005: 304’6

+100 metros del foco

Laboratorio de Mecánica de Fluidos. UPM

Modelización de Incendios: Aplicación a Túneles Comparaciones: UPMTUNNEL, FLUENT y experimentos

Potencia: 5 MW. Velocidad: 5’8 m/s

a) Tubo 1

b) Tubo 2 Potencia: 10 MW. Velocidad: 2’5 m/s

a) Eje de simetría Emilio Migoya Valor

b) 2 metros del eje de simetría Laboratorio de Mecánica de Fluidos. UPM

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Modelización de Incendios: Aplicación a Túneles Comparaciones: UPMTUNNEL y PHOENICS

Potencia: 5 MW. Velocidad: 2’44 m/s

Modelo Cuasiunidimensional

PHOENICS

Emilio Migoya Valor

Laboratorio de Mecánica de Fluidos. UPM

Modelización de Incendios: Aplicación a Túneles Comparaciones: UPMTUNNEL y FLUENT

Potencia: 10 MW. Velocidad: 2’5 m/s Modelo cuasiunidimensional

+10 metros del foco

+50 metros del foco

+100 metros del foco

FLUENT

+10 metros del foco

Emilio Migoya Valor

+50 metros del foco

+100 metros del foco

Laboratorio de Mecánica de Fluidos. UPM

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Modelización de Incendios: Aplicación a Túneles UPMTUNNEL

Potencia: 10 MW. Velocidad: 2’5 m/s

a)10 m aguas abajo del foco b) 50 m aguas abajo del foco Contornos de visibilidad (m)

a)10 m aguas abajo del foco b) 50 m aguas abajo del foco Concentración de dióxido de carbono Emilio Migoya Valor

Laboratorio de Mecánica de Fluidos. UPM

Modelización de Incendios: Aplicación a Túneles Conclusiones para el túnel de la M111M111-Barajas

•Estudios Estudios previos satisfactorios para llevar a cabo las pruebas con seguridad. •Velocidad estimada en el túnel 2, 5,8 m/s, superior a la proyectada, 2,8 m/s. •Velocidad estimada en el túnel 3, 4,5-6m/s, superior a la proyectada, 2,5 m/s. •Buena concordancia entre los modelos numéricos y los ensayos. •Modelos muy útiles para estudiar los casos más peligrosos que no pudieron realizarse experimentalmente. •El último estudio realizado para los dos tubos con la potencia más desfavorable previsible, 50 MW, y con un viento de 5 m/s refleja que el sistema de ventilación esta adecuadamente diseñado para evitar el retroceso de los humos aguas arriba del incendio, aunque no evita que las temperaturas aguas abajo sean peligrosas.

Emilio Migoya Valor

Laboratorio de Mecánica de Fluidos. UPM

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Modelización de Incendios: Aplicación a Túneles Túneles de la Autovía del Mediterráneo en Lorca

Criterios Hadjisophocleous (1999), norma belga NBN-S-21-208 y especificaciones constructivas: 1) Supervivencia física: •YCO < 200ppm = 2 10-4 •YO2 > 16 % durante minuto = 0’16 •Temperatura (convección) < 60 °C 2) Visibilidad mayor de 10 m. 3) Flashover para 20kw/m2 o 400-600ºC . 4) Radiación (en una habitación) daños a personas para 2.5kw/m2 o 183-200ºC (factor de forma 1) o 227ºC (factor de forma 0.8) 5) Estabilidad de la estructura por conducción 400-600ºC

Emilio Migoya Valor

Laboratorio de Mecánica de Fluidos. UPM

Modelización de Incendios: Aplicación a Túneles Túneles de la Autovía del Mediterráneo en Lorca

Velocidad necesaria en cada túnel en función de la potencia del incendio. Túnel I Potencia (MW) 5 10 25 40 60 100

20 19 18,4

18

920m Ventilación (m/s)

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