TESIS DE MÁSTER
Estudio, análisis y caracterización de los principales factores que intervienen en el comportamiento fluidodinámico del humo producido por un incendio en un túnel soterrado mediante herramientas CFD
AUTOR: Jesús Sánchez / Systems Niscayah, S.A./ Teléfono 638 340 759/
[email protected]
Madrid, Septiembre 2011
Firma Autor:
VºBº director:
VºBº tutor:
Autorizada la entrega de la tesis de máster del alumno/a:
Jesús Sánchez Sánchez
EL DIRECTOR
Gabriel Santos
Fdo.: ……………………
Fecha: ……/ ……/ ……
EL TUTOR Enrique Herrero ………………………………………………….
Fdo.: ……………………
Fecha: ……/ ……/ ……
Vº Bº del Coordinador de Tesis
………………………………………………….
Fdo.: ……………………
Fecha: ……/ ……/ ……
Proyecto Fin de Máster
Estudio, análisis y caracterización de los principales factores que intervienen en el comportamiento fluidodinámico del humo producido por un incendio en un túnel soterrado mediante herramientas CFD
Jesús Sánchez Sánchez
Curso académico 2010-2011 Tutor: Enrique Herrero
Máster en Ingeniería de Protección contra Incendios – MIPCI MIPCI 2011
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Dedicatoria: Agradezco a Enrique Herrero, su dedicación en la elaboración de este proyecto, que no hubiera sido posible sin su colaboración, a mis compañeros de Systems Niscayah, S.A. Ángel Escaño y Carlos Chicharro, por facilitarme la colaboración en la elaboración del proyecto y por supuesto a mi esposa Beatriz por su infinita paciencia. ,
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Máster en Ingeniería de Protección contra Incendios – MIPCI TÍTULO
Estudio, análisis y caracterización de los principales factores que intervienen en el comportamiento fluidodinámico del humo producido por un incendio en un túnel soterrado mediante herramientas CFD.
ALUMNO 1
Jesús Sánchez Sánchez
ALUMNO 2 TUTOR
MIPCI 2011
Enrique Herrero.
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JUSTIFICACIÓN Durante los últimos años, se han producido varios accidentes graves en túneles que han provocado numerosa víctimas mortales. A partir de estos hechos la Unión Europea ha tomado cartas en el asunto creando comités para la investigación de estos accidentes. En estas investigaciones, se realizan ensayos a escala real, lo cual supone un elevado coste. Como alternativa a los ensayos a escala real se imponen las herramientas CDF (Computational Fluid Dynamics) cuyo coste es inferior a los ensayos a escala real. Si bien estas herramientas, también tienen sus limitaciones, tales como el coste computacional, el tiempo de simulación, así como la validación de los resultados obtenidos, hace necesario, que se utilicen herramientas mono dimensionales con el fin de minimizar estas limitaciones. El objeto de este proyecto fin de máster, es la elaboración de una herramienta monodimensional que minimice estas limitaciones. Evidentemente esta herramienta deberá de ser testada con modelos CFD, para comprobar la validez de dichos modelos CFD.
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ÍNDICE
JUSTIFICACIÓN .................................................................................................................... 6 ÍNDICE ................................................................................................................................... 7 BIBLIOGRAFÍA .................................................................................................................... 16 1
1.1
Visión histórica. ........................................................................................................... 17
1.2
Causas de los accidentes en túneles. ......................................................................... 22
1.3
Frecuencia de accidentes en túneles. ......................................................................... 22
1.4
Prevención de accidentes en túneles.......................................................................... 23
1.5
Conclusiones. Justificación ......................................................................................... 27
2
OBJETO ............................................................................................................................... 29
3
CAMPO DE APLICACIÓN ................................................................................................... 31
4
METODOLOGÍA .................................................................................................................. 32
5
MIPCI 2011
INTRODUCCIÓN ................................................................................................................. 17
4.1
Fase de documentación. ............................................................................................. 32
4.2
Diagrama de la metodología utilizada. ........................................................................ 32
4.3
Modelo teórico ............................................................................................................. 33
4.4
Modelo CFD ................................................................................................................ 33
4.5
Validación de resultados ............................................................................................. 34
CONCEPTOS TEÓRICOS................................................................................................... 35 5.1
Definición de túnel ....................................................................................................... 35
5.2
Clasificación de túneles. .............................................................................................. 35
5.3
Construcción de túneles. ............................................................................................. 36
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6
5.3.1
Ventilación en túneles ............................................................................................. 38
5.3.2
Pozos de ventilación................................................................................................ 40
5.3.3
Comportamiento del fuego en el interior de un túnel. ............................................. 41
PARAMETROS DE ENTRADA PARA el diseño DEL MODELO TEÓRICO ....................... 45 6.1
Introducción. ................................................................................................................ 45
6.2
Datos de la geometría del túnel. ................................................................................. 45
6.2.1
Longitud del túnel. ................................................................................................... 45
6.2.2
Sección del túnel. .................................................................................................... 45
6.2.3
Perímetro del túnel. ................................................................................................. 46
6.2.4
Alturas de las bocas de entrada y de salida. .......................................................... 46
6.3
6.3.1
Tipo de acabado de las paredes y del suelo del túnel. ........................................... 46
6.3.2
Tipo de singularidades en el túnel........................................................................... 46
6.4
Datos de condiciones ambientales del túnel. .............................................................. 46
6.4.1
Temperaturas en las bocas de entrada, salida e interior del túnel. ........................ 46
6.4.2
Velocidad del aire en el interior del túnel. ............................................................... 46
6.4.3
Viento en las bocas del túnel. ................................................................................. 47
6.5
MIPCI 2011
Datos de construcción del túnel. ................................................................................. 46
Datos de condiciones de tráfico en el túnel. ............................................................... 47
6.5.1
Tipo de túnel. ........................................................................................................... 47
6.5.2
Direcciones de túnel. ............................................................................................... 47
6.5.3
Velocidad media de los vehículos que circulan. ..................................................... 47
6.5.4
Número de vehículos............................................................................................... 47
6.5.5
Coeficiente aerodinámico. ....................................................................................... 48
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6.5.6 6.6 7
Datos del tipo de incendio que queremos simular. ..................................................... 48
PARAMETROS DE SALIDA DEL MODELO TEÓRICO. ..................................................... 49 7.1
Introducción. ................................................................................................................ 49
7.2
Validación de datos ofrecidos por el modelo cfd......................................................... 49
7.3
Obtención de datos de salida del modelo teórico y de entrada para el modelo CFD. 49
7.3.1
Introducción ............................................................................................................. 49
7.3.2
Pérdidas de carga en el túnel.................................................................................. 50
7.3.3
Pérdidas de carga lineales. ..................................................................................... 52
7.3.4
Pérdidas de carga debido a singularidades. ........................................................... 52
7.3.5
Pérdidas de carga debido al incendio en el túnel. .................................................. 52
7.3.6
Pérdidas de carga debido al efecto pistón de los vehículos. .................................. 52
7.3.7
Pérdidas de carga debido al efecto chimenea. ....................................................... 53
7.3.8
Perdidas de carga debidas al tiro natural atmosférico. ........................................... 53
7.3.9
Pérdidas de carga debidas al viento atmosférico. .................................................. 53
7.3.10 8
MIPCI 2011
Superficie frontal expuesta. ..................................................................................... 48
Conclusiones. ...................................................................................................... 53
DETERMINACIÓN DE LAS ECUACIONES DE CÁLCULO. ............................................... 55 8.1
Introducción. ................................................................................................................ 55
8.2
Cálculo de la velocidad crítica. .................................................................................... 55
8.2.1
Valor de Kg............................................................................................................... 56
8.2.2
Valor de Q, potencia del incendio HRR................................................................... 56
8.3
Cálculo de la temperatura máxima de humos............................................................. 58
8.4
Cálculo de las pérdidas de carga lineales. .................................................................. 58
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8.4.1
Cálculo del coeficiente de fricción λ ........................................................................ 59
8.4.2
Cálculo del diámetro hidráulico. .............................................................................. 60
8.5
Pérdidas de carga debido a singularidades. ............................................................... 60
8.5.1 8.6
Pérdidas de carga debido al incendio en el túnel. ...................................................... 61
8.7
Pérdidas de carga debido al efecto pistón de los vehículos. ...................................... 61
8.7.1 8.8
9
Valores Cx y Av ....................................................................................................... 63
Pérdidas de carga debido al efecto chimenea. ........................................................... 64
8.8.1
Calculo de la densidad del aire en el interior del túnel............................................ 64
8.8.2
Cálculo de la pendiente del túnel. ........................................................................... 66
8.9
Perdidas de carga debidas al tiro natural atmosférico. ............................................... 66
8.10
Pérdidas de carga debidas al viento atmosférico. ...................................................... 67
8.10.1
Cálculo de la velocidad del viento. ...................................................................... 68
8.10.2
Cálculo de los ángulos α y β ............................................................................... 69
8.11
Pérdidas de carga totales. ........................................................................................... 70
8.12
Empuje requerido en el túnel. ..................................................................................... 70
8.13
Número de jet fans requeridos en el túnel. ................................................................. 71
8.13.1
Cálculo de factor F1 ............................................................................................. 71
8.13.2
Cálculo de factor F2 ............................................................................................. 72
DISEÑO DEL MODELO TEÓRICO. .................................................................................... 73 9.1
Introducción ................................................................................................................. 73
9.2
Introducción de datos en el modelo teórico. ............................................................... 73
9.2.1
MIPCI 2011
Valores de ζ ............................................................................................................. 61
Introducción de datos geométricos del túnel. .......................................................... 73
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9.2.2
Introducción de datos de construcción del túnel. .................................................... 74
9.2.3
Introducción de datos ambientales.......................................................................... 76
9.2.4
Introducción de datos de tráfico. ............................................................................. 77
9.2.5
Introducción de datos del incendio. ......................................................................... 79
9.2.6
Introducción de los datos del Jet Fan...................................................................... 79
10
CÁLCULOS DEL MODELO TEÓRICO. .......................................................................... 81
10.1
Cálculo de pérdidas de carga lineales. ....................................................................... 81
10.2
Cálculo de pérdidas de carga debido a singularidades. ............................................. 81
10.3
Cálculo de las pérdidas de carga debida a la expansión de humos. .......................... 81
10.4
Cálculo de las pérdidas de carga debidas al efecto pistón. ........................................ 82
10.5
Cálculo de las pérdidas de carga debidas al efecto chimenea. .................................. 82
10.6
Cálculo de las pérdidas de carga debida a la presión atmosférica. ............................ 83
10.7
Cálculo de pérdidas de carga debido a la influencia del viento. ................................. 83
10.8
Cálculo de las pérdidas de carga totales. ................................................................... 83
10.8.1 10.9
Cálculo de la velocidad crítica y de la temperatura de humos. ................................... 84
10.10
Cálculo del número de jet fans necesarios. ............................................................ 85
10.11
Datos de salida del modelo teórico. ........................................................................ 85
10.12
Conclusiones ........................................................................................................... 86
11
MIPCI 2011
Cálculo de la influencia de cada parámetro en las pérdidas de carga totales. ... 83
MODELOS TEÓRICOS DESARROLLADOS. ................................................................ 87
11.1
Introducción. ................................................................................................................ 87
11.2
Modelo 1 túnel sin pendiente. ..................................................................................... 87
11.3
Modelo 2 túnel con una pendiente de 5% positiva...................................................... 89
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11.4
Modelo 3 túnel con una pendiente de 10% positiva.................................................... 91
11.5
Modelo 4 túnel con una pendiente del 5% negativa. .................................................. 93
11.6
Análisis de resultados obtenidos. ................................................................................ 95
12
MODELOS CFD .............................................................................................................. 97
12.1
Introducción. ................................................................................................................ 97
12.2
Modelos mono dimensionales. .................................................................................... 97
12.2.1
Modelos de un solo tubo ..................................................................................... 97
12.2.2
Modelos de redes hidráulicas .............................................................................. 98
12.2.3
Acoplamiento con la temperatura...................................................................... 100
12.3
12.3.1
El primer modelo publicado, IITRI ..................................................................... 101
12.3.2
FIRST (The Harvard Model). ............................................................................. 102
12.3.3
Ecuaciones algebraicas para las columnas de humo ....................................... 102
13
MODELOS CFD. ........................................................................................................... 104 Características del Flujo..................................................................................................... 105
o
13.1
Métodos de discretización. ........................................................................................ 105
13.2
Clasificación de Modelos CFD .................................................................................. 106
13.2.1
Métodos lineales................................................................................................ 106
13.2.2
Métodos no lineales........................................................................................... 107
13.3 14
MIPCI 2011
Modelos zonales........................................................................................................ 101
Limitación de los Modelos CFD ................................................................................. 108 Introducción al FDS (Fire Dynamic Simulator) .............................................................. 110
14.1
Introducción ............................................................................................................... 110
14.2
Fenómenos modelados por el fds ............................................................................. 110
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14.3
Predicciones realizadas por el FDS .......................................................................... 111
14.4
Descripción del modelo ............................................................................................. 112
14.4.1
Modelo Hidrodinámico ....................................................................................... 112
14.4.2
Modelo de Combustión...................................................................................... 112
14.4.3
Transporte de Radiación ................................................................................... 112
14.4.4
Consideraciones acerca del FDS ...................................................................... 113
•
Supuesto de Baja Velocidad ..................................................................................... 113
•
Geometría Rectilínea................................................................................................. 113
•
Crecimiento de Llama................................................................................................ 114
•
Combustión ............................................................................................................... 114
•
Radiación ................................................................................................................... 115
15
SIMULACIONES CFD. .................................................................................................. 117
15.1
Introducción ............................................................................................................... 117
15.2
Modelo 1 .................................................................................................................... 117
15.3
Asunciones de los modelos ....................................................................................... 118
15.4
Descripción de las variables tenidas en cuenta ........................................................ 118
15.4.1
Temperatura exterior e interior .......................................................................... 118
15.4.2
Estructura y geometría del túnel ....................................................................... 119
15.5 Descripción del modelo de turbulencia utilizado y su justificación de su empleo en la simulación .............................................................................................................................. 119 15.5.1
Descripción del Modelo Hidrodinámico. Tratamiento de la Turbulencia ........... 119
15.5.2
El modelo de turbulencia de Grandes Remolinos(LES).................................... 120
15.6
MIPCI 2011
Descripción de la capa límite utilizada. Justificación ................................................ 122
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15.7
Descripción del modelo de radiación utilizado. Justificación .................................... 122
15.8
Descripción del modelo de combustión utilizado. Justificación ................................ 124
15.8.1 16
El combustible ................................................................................................... 129
Características del modelo numérico ............................................................................ 133
16.1
Características de la discretización espacial y temporal realizada. .......................... 133
16.2
Criterio de Convergencia ........................................................................................... 134
16.3 Dimensiones del tramo de túnel representado, secciones transversales y perfiles longitudinales ......................................................................................................................... 135 16.4
Ventiladores............................................................................................................... 136
16.4.1 Número total de celdas en el modelo completo, número de celdas en las secciones de interés. ......................................................................................................... 136 17
Análisis de Resultados de lAS SIMULACIONES: ......................................................... 142 17.1.1
17.2
Evolución de la capa de humos con pendiente del 10 %.......................................... 143
17.2.1
Temperaturas y tasa de liberación máxima de calor cercanas al foco ............ 144
17.3
Flujos de entrada y salida para el escenario con pendiente nula ............................. 145
17.4
Flujos de entrada y salida para el escenario con pendiente del 5% ......................... 146
17.5
Flujos de entrada y salida para el escenario con pendiente del 10% ....................... 146
17.6
Altura de la capa de humos ....................................................................................... 147
17.7
Capturas de temperatura en las distintas zonas ...................................................... 148
17.8
Enfriamiento de la capa de humos en función de la zona (distancia respecto al foco) 160
17.9
Evaluación de la velocidad crítica y control de humos:............................................. 165
18
MIPCI 2011
Evolución de la capa de humos con pendiente del 5%:.................................... 142
CONCLUSIONES .......................................................................................................... 166
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18.1
Criterios Dispares. ..................................................................................................... 166
18.2
Validez del modelo teórico. ....................................................................................... 166
18.2.1
Reducir tiempos de modelización y simulación. .............................................. 166
18.2.2
Permite un primer dimensionamiento de los costes de ejecución. ................... 166
18.3
Aplicación para diseño de nuevos túneles. ............................................................... 167
18.4
Resuelve el problema de la limitación rectilínea de los modelos CFD. .................... 167
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MIPCI 2011
LINEAS FUTURAS. ....................................................................................................... 168
19.1
Introducir el factor tiempo. ......................................................................................... 168
19.2
Dinamismo de la herramienta. .................................................................................. 168
19.3
Herramienta de validación de modelos CFD ............................................................ 168
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BIBLIOGRAFÍA
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[FET11]
Fuego en túneles, jornada técnica 05/05/2011 Barcelona organizado por la Universidad Politécnica de Cataluña y PAYMACOTAS.
[CETU03]
Dossier pilote des tunnels équipements, novembre 2003 CENTRE D’ÉTUDES DES TUNNELS, IBSN 2-11-084740-9.
[ZITR11]
Documentación aportada por la empresa Zitron en el Master Universidad de Comillas-APICI de Ingeniería de Protección contra Incendios 2201-2011.
[TUVD02]
Túneles urbanos varios diseño instalaciones y elementos de seguridad, Tesis de Estupiñá Cano, Sergio F. Universidad Politécnica de Cataluña Septiembre 2002.
[IGDR11]
Documentación aportada por D. Ignacio del Rey en el Master Universidad de Comillas-APICI de Ingeniería de Protección contra Incendios 2201-2011.
[NFPA08]
NFPA 502 2008 edition Standard for Road Tunnels, Bridges, and Other Limited Access Highways NFPA, 1 Batterymarch Park, Quincy, MA 02169-7471An International Codes and Standards Organization
[EURE92]
Informe EUREKA sobre seguridad en túneles.
[FDCO11]
Fundamentos de combustión, Documentación aportada por M. Sánchez Sanz, V. Kurdyumov, Fernandez-Galisteo en el Master Universidad de Comillas-APICI de Ingeniería de Protección contra Incendios 2201-2011.
[TMEH07]
Tesis de Máster Simulación CFD de la iteración de los Sistemas de Ventilación y Extinción de Incendios en Túneles de Enrique Herrero García Universidad Carlos III de Madrid año 2007.
[ITMO11]
Introducción a la modelización, Documentación aportada por D. Enrique Herrero en el Master Universidad de Comillas-APICI de Ingeniería de Protección contra Incendios 2201-2011.
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1 1.1
INTRODUCCIÓN Visión histórica.
Los túneles, proporcionan hoy en día, unas facilidades de comunicación que se traducen, en una reducción de tiempos de desplazamiento, de consumos de combustibles y de cierto tipo de riesgos viarios (caídas en taludes por salirse los vehículos de la calzada en puertos de montaña, etc.). Todo ello, se traduce en una mayor eficiencia económica y en una mayor seguridad y comodidad para los usuarios. Pero los túneles, en el caso de que se produzca un incidente circulatorio en su interior, también conllevan un mayor riesgo para los usuarios, respecto al resto de las vías a cielo abierto. El incidente más peligroso que puede ocurrir en un túnel es la aparición de un fuego. Los incendios en túneles, son de una complejidad superior a los incendios a cielo abierto, debido a que el humo se queda confinado en el interior, pudiendo provocar un mayor número de víctimas que si el incendio se produjera a cielo abierto. Durante los últimos años, se han producido innumerables incendios en túneles, la mayoría de ellos han pasado inadvertidos ante la opinión pública debido a la ausencia de víctimas. Pero otros incendios con una gran cantidad de víctimas han causado conmoción en la sociedad. A modo resumen, se indica en la siguiente tabla un resumen de los incendios con más mortalidad producidos en los últimos 40 años: Tabla 1 Incidentes en túneles más significativos de los últimos años FUENTE [FET11]
AÑO
LUGAR
PAÍS
TÚNEL
MUERTOS
HERIDOS
1971
Vranduk
Bosnia
carretera
34
sin datos
1972
Fukui
Japón
ffcc..
29
sin datos
1979
Nihonzaka
Japón
carretera
7
sin datos
1987
Londres
U.K.
metro
31
~150
1995
Baku
Azerbaiyán
metro
289
256
1999
Mont Blanc
Francia/Italia
carretera
39
34
1999
Tauern
Austria
autopista
12
49
2000
Kaprun
Austria
funicular
155
Ninguno
2001
S Gotardo
Suiza
carretera
11
19
2003
Daegu
Corea del S.
metro
~130
~140
2006
Viamala
Suiza
carretera
9
sin datos
Al hablar de incendios en túneles, habitualmente pensamos en incendios en túneles carreteros, al ser por los que habitualmente circulamos, no teniendo en cuenta los incendios producidos en los túneles ferroviarios o de la red de Metro.
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Y sin embargo, este tipo de incendios, en redes ferroviarias y/o de metro son los que más mortalidad han producido en los últimos años, tal y como se indica en las siguientes gráficas: SINIESTRALIDAD TUNELES CARRETEROS 60 50
SINIESTRADOS
40 FALLECIDOS
30
HERIDOS
20 10 0 1971
1979
1999
1999
2001
2006
AÑO
Figura 1 Siniestralidad en túneles carreteros
En total durante los últimos 40 años, se han producido un total de 112 fallecidos en túneles carreteros. SINIESTRALIDAD EN TUNELES FERROVIARIOS/METRO
SINIESTRADOS
S
350 300 250 200
FALLECIDOS HERIDOS
150 100 50 0 1972
1987
1995
2000
2003
AÑO
Figura 2 Siniestralidad en túneles ferroviarios
En los últimos 40 años, se han producido un total de 634 fallecidos debido ha incendios en túneles ferroviarios/metro.
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VICTIMAS MORTALES TÚNELES CARRETEROS/FERROVIARIOS-METRO
15%
85%
TUNELES CARRETEROS TUNELES FERROVIARIOS/METRO
Figura 3 Porcentaje de víctimas en accidentes de túneles
En los accidentes en túneles durante los últimos 40 años, el 15% de víctimas se han producido en accidentes ocurridos e túneles carreteros, mientras que el 85% de las víctimas se produjeron en accidentes de túneles ferroviarios/metro. A continuación, se detallan 2 de los accidentes más graves ocurridos en túneles:
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ACCIDENTE EN EL TÚNEL MONT BLANC El 24 de marzo de 1999, un camión frigorífico belga que transportaba harina y margarina se incendió hacia las 11 de la mañana prácticamente en medio del túnel, de 11,6 kilómetros de longitud. Según uno de los expertos, si todo hubiese funcionado como debía “es probable que no habría habido que lamentar ninguna víctima”. Pero lo que pudo quedar en un pequeño incidente se convirtió en un infierno, con temperaturas que alcanzaron los mil grados centígrados, en el que quedaron atrapados 24 camiones, nueve automóviles, una moto y dos vehículos de socorro, y costó la vida a 39 personas. Prácticamente todo que podía salir mal salió mal. Gilbert Degrave, el camionero belga, asegura que no se dio cuenta del incendio hasta que los automovilistas con los que se cruzaban empezaron a darle luces. Tampoco aparcó en los espacios destinados a tal fin en los costados del túnel, cada 600 metros, sino que se detuvo en medio de la calzada y cuando vio que no podía hacer nada, echó a correr en dirección a Italia.
Figura 4 Accidente túnel de Mont Blanc
Los expertos sostienen que en este tipo de incidentes los 10 primeros minutos son decisivos y lo más grave, probablemente, es que los dispositivos de seguridad y socorro fracasaron, uno tras otro, con una trágica unanimidad: retraso en dar la alarma y en prohibir la entrada de nuevos vehículos en el túnel, medios insuficientes de lucha contra el fuego y falta de conocimientos para servirse de ellos, tardanza en alertar a los bomberos, equipos de radio averiados... La lista es casi interminable. A todo esto hay que añadir un error fatal cometido por el responsable italiano del sistema de extracción y ventilación: en lugar de activar la función de aspiración del humo activó al máximo la función contraria, una ventilación que atizó el fuego y empujó el humo hacia los socorristas franceses. Los sistemas de ventilación se revelaron obsoletos, en parte averiados y no coordinados entre el lado francés y el italiano.
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ACCIDENTE EN EL TÚNEL DEL METRO DE BAKÚ (AZERBAIYÁN) El 28 de Octubre de 1995, un total de 289 personas perecieron en el metro de Bakú, la capital de la república de Azerbaiyán, a consecuencia, del incendio varios vagones, que se produjo el sábado por la tarde, en plena hora punta, en un túnel entre dos estaciones del centro de la ciudad. Muchas víctimas murieron asfixiadas o aplastadas y golpeadas a causa del pánico que cundió en el interior del túnel, donde el convoy se quedó parado. Otras personas murieron electrocutadas al asirse a cables de alta tensión o al pisar raíles en contacto con los cables. Según la versión de la policía local, el origen del incendio fue probablemente una chispa en un cable de un motor. Tres de los muertos eran personas que acudieron al túnel incendiado a rescatar a los pasajeros y perecieron asfixiados. La catástrofe ocurrió en una hora punta, poco antes de las seis de la tarde, en un convoy atestado de gente que se desplazaba entre la estación de Ulduz a la de Narimánov. Al parecer, el motor de uno de los vagones se incendió cuando el tren se encontraba a unos 200 metros de la estación de partida, y el maquinista paró el convoy: Casi de inmediato, un cortocircuito interrumpió el suministro de luz en el túnel, mientras el fuego se extendía por los vagones y el pánico cundía entre los pasajeros, que, sofocados por los gases y las llamas, trataron de abandonar el tren y huir en la oscuridad hasta la estación más próxima. Guénnadi Nikiferev, uno de los supervivientes, que viajaba en el primer vagón, contó que cuando el humo comenzó a extenderse, los pasajeros forzaron las puertas que se habían quedado bloqueadas, y al abrirlas se precipitaron los unos sobre los otros. Una multitud de gente despavorida comenzó a correr por el túnel en una lucha contra reloj y contra el humo, que provocaba vómitos y asfixia. Los viajeros del segundo vagón fueron menos afortunados que los del primero, según contaba otro superviviente, ya que, al no poder forzar las puertas ni romper las ventanas, tuvieron que huir por el conducto de la ventilación. Pero los más perjudicados fueron los viajeros que iban en fuero los vagones del centro del convoy, ya que vieron dificultada su salida por la confusión de la multitud presa del pánico. Valentín Aguéyev, portavoz de los bomberos, al igual que la policía, considera que el fuego pudo originarse en el motor y de ahí propagarse por los vagones mediante el sistema de ventilación. El portavoz de los bomberos recuerda que un accidente semejante ocurrió en Moscú en 1987 cerca de la estación de Paveletskaia. No hubo víctimas, según dijo, porque el conductor dirigió el tren hasta la estación y todos los pasajeros salieron antes de que las llamas devoraran dos vagones en 12 minutos.
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1.2
Causas de los accidentes en túneles.
En los túneles ferroviarios y de metro la causa de casi todos los incendios es un fuego eléctrico, que se suele iniciar dentro de un vagón debido a defectos de funcionamiento en instalaciones secundarias. Por ejemplo el incendio del funicular de Kaprun, en Austria, se debió al sobrecalentamiento producido en un pequeño calefactor eléctrico instalado, fuera del diseño original, en la cabina de los conductores, a petición de ellos y el fuego del ferrocarril. En el túnel Fukui se inició en una pequeña cocina eléctrica del coche restaurante. Otras veces el fuego se inicia a partir de problemas de suministro eléctrico en la catenaria. Pero un descarrilamiento puede ocasionar un fuego en trenes con mercancías inflamables (como por ejemplo en Baltimore: en 2001 un vagón de un tren de mercancías cargado con combustibles descarriló en el interior del túnel de Howard Street). En los túneles carreteros la mayoría de los incendios son causados por fugas de combustible en los motores combinadas con sobrecalentamientos y/o problemas del circuito eléctrico. Generalmente arde un solo vehículo, que a veces entra ardiendo en el túnel, el fuego puede ser controlado por los equipos de explotación del túnel (que a veces tienen su propio equipo automóvil de extinción) o por los propios usuarios. Por citar un solo túnel, bien conocido, en el túnel del Montblanc se habían producido 17 incendios de vehículo pesado desde que se abrió al tráfico en 1965 hasta el incendio de1999. Algunas veces la carga de un camión empieza a arder antes de la entrada en el túnel. Así ocurrió en el primer incendio en el 2º Túnel de Guadarrama (un camión cargado con paja) y parece que también en el incendio de 1999 en el Túnel del MontBlanc (un remolque lleno de margarina). Pero en los incendios graves, con víctimas, en túneles de carretera, autopista o autovía, la causa suele ser un accidente de tráfico previo. Así ocurrió en 13 de los 15 incendios más desastrosos en túneles de carretera. Generalmente arden varios vehículos, el fuego dura de varias horas a algunos días y es muy difícil de controlar por los bomberos, si es que llegan a tiempo y en condiciones de luchar contra el incendio. Es importante indicar que en las causas de accidentes en túneles tiene mucha importancia el factor humano, un factor totalmente impredecible.
1.3
Frecuencia de accidentes en túneles.
Si bien no se ha publicado ninguna estadística al respecto, la incidencia, siempre es menor a 25 por 10-8 vehículos-kilómetro [FET11].
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1.4
Prevención de accidentes en túneles.
La prevención, debe partir de la aplicación de medidas necesarias para evitar que se produzca el fuego. A modo de ejemplo se pueden tomar las siguientes: •
Limitación de velocidad en túneles.
•
Limitación de cargas inflamables en túneles.
•
Uso de materiales ignífugos en la construcción de vehículos.
•
Señalizaciones correctas.
•
Etc.
Si bien estas medidas pueden prevenir el incendio, los túneles deben de estar preparados para que en caso de producirse un incendio, las consecuencias del mismo sean mínimas. Para ello los túneles deben de estar equipados con la infraestructura necesaria para la evacuación del humo y de las personas que circulan en su interior. Los túneles deben de dotarse de elementos que faciliten la evacuación de los usuarios, así como de la evacuación del humo, estos sistemas deben de ser concebidos desde la FASE DE DISEÑO DEL TÚNEL. Es necesario que desde la fase de diseño, se cuente con varios especialistas en Protección Contra Incendios, que puedan diseñar estos sistemas con el fin de que el túnel cuente con todas las medidas de protección en caso de incendio. Hoy en día, una de las herramientas fundamentales para la previsión del comportamiento de un incendio, son las herramientas de simulación, que nos pueden indicar el comportamiento del incendio, sin tener que recurrir a costosos ensayos a escala real. Los incendios en túneles, ocurridos en Europa a finales del siglo pasado y a principios de este siglo, han sensibilizado a los estados los cuales han puesto en marcha programas para evitar las tragedias en los túneles. En Europa, uno de los continentes más castigados por este tipo de siniestros, se han impulsado programas para realizar estudios sobre los fuegos en túneles y por consiguiente incrementar la seguridad en los mismos. Se pueden destacar los siguientes trabajos, previos al accidente de Mont Blanc: •
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1991 : Ensayos EUREKA
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•
1992 : Creación subgrupo específico PIARC
•
1993 : Ensayos Memorial Tunnel
•
1995 : Modelo QRAM transporte Mercancías Peligrosas
•
1999 : Fire and Smoke Control
En el año 1999 tiene lugar el incendio en el túnel de Mont Blanc (Francia-Italia) poco después se produce el accidente de Taugren (Austria) y en menos de 2 años ocurren los accidentes de Kaprun (Austria) y Sant Gotardo (Suiza) lo que ratifica la necesidad de establecer elementos de seguridad en túneles. Se comienzan a crear recomendaciones relativas a la seguridad en túneles: •
Recomendaciones nacionales específicas seguridad túneles: Francia, Alemania, Austria y Suiza
•
Documento del Grupo de trabajo Naciones Unidas Recomendaciones del grupo de expertos sobre la seguridad en los túneles de carretera del 10 de diciembre de 2001.
En el año 2004 se la Unión Europea, edita la primera directiva, relativa a la seguridad en túneles: •
Directiva 2004/54/CE del parlamento europeo y del consejo de 29 de abril de 2004 sobre requisitos mínimos de seguridad para túneles de la red transeuropea de carreteras.
Derivado de esta Directiva, en España se publica el:
•
Real Decreto 635/2006, de 26 de mayo, sobre requisitos mínimos de seguridad en los túneles de carreteras del Estado.
También se crean programas Europeos para la investigación de los accidentes en túneles, se citan a modo de ejemplo los siguientes:
•
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DARTS: Estructuras de Túnel durables y fiables
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•
UPTUN: Mejora de la seguridad contra el fuego de los túneles existentes
•
SAFE TUNNEL: Sistemas innovadores y marcos para aumentar la seguridad de la circulación en los túneles carreteros
•
SIRTAKY: Mejora de la Seguridad en los Túneles carreteros y ferroviarios a través de Tecnologías de Información avanzadas y Modelos basados en el conocimiento de Ayuda a la Decisión
•
VIRTUAL FIRES: Simulador virtual de Urgencias en tiempo real
•
FIT: Incendios en túneles
•
Safe-T: Seguridad en túneles
•
EuroTAP: Programa europeo de evaluación de túneles
•
L-SURF: Estudio de diseño de una instalación subterránea a gran escala para la investigación sobre la seguridad.
Para la investigación de los incendios en túneles, se puede recurrir a la realización de ensayos a escala real y también se utilizan modelos CFD (computational fluid dynamics).
Se realizan ensayos a escala real, para ello se cuenta con túneles preparados para ello como por ejemplo el túnel de San Pedro de Anes (Asturias).
Los ensayos a escala real, se realizan a partir de fuegos de potencia (HRR) definida, se colocan dentro del túnel, termopares, opacímetros, anemómetros y otros elementos de medida.
Se provoca el incendio y se realizan las medidas que nos permiten determinar los parámetros de seguridad del túnel.
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Figura 5 Túnel de San Pedro de Annes (Asturias)
Si bien estos métodos son los que más se aproximan a la realidad, los costes de ensayos a escala real son elevados lo que encarece considerablemente el coste de la seguridad del túnel.
Como alternativa a los ensayos a escala real, se pueden utilizar herramientas CFD, que pueden llegar a predecir el comportamiento de un incendio en un túnel.
Los CFDs son programas basados en la simulación por ordenador que resuelven las ecuaciones propias de la dinámica de fluidos, transferencia de calor e incluso otras, si procede, que tengan en cuenta las reacciones químicas entre especies. Estas soluciones como es obvio son soluciones numéricas y no analíticas. En este tipo de problemas es impropio buscar las soluciones analíticas, entre otras cuestiones porque puede que no tengan. Un dato curioso es que actualmente han pasado más de 150 años después del establecimiento de las ecuaciones de Navier-Stokes, y es entonces cuando se están resolviendo mediante técnicas de cálculo aplicadas en ordenadores.
La historia de los CFDs, como es lógico, va unida a la evolución de los ordenadores. Surgió en la década de los 70 como medio para simular fluidos en movimiento, aunque para situaciones muy simples. Con la evolución de los superordenadores y con el desarrollo de nuevas técnicas numéricas los problemas que resolvían eran cada vez más complejos. Ya a principios de los años 80 resolvían las ecuaciones de Euler en dos y posteriormente en tres dimensiones. A mediados de la década de los 80 se fue desplazando el interés hacia los fluidos viscosos y por tanto hacia la resolución de las ecuaciones de Navier-Stokes. También se fueron desarrollando distintos esquemas de turbulencia.
El uso de los CFDs ha cambiado radicalmente. Ha pasado de ser empleado solo a nivel de investigación a ser utilizado como una potente herramienta en problemas aplicados de ingeniería.
En la actualidad son múltiples los campos a los que se aplican los CFDs. La industria del automóvil es uno de estos campos, donde, por ejemplo, se puede simular el comportamiento
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aerodinámico del coche, de hecho las escuderías de fórmula uno emplea este tipo de software para mejorar el rendimiento de sus coches y como es lógico también se emplean en el campo de la Protección Contra Incendios.
Si bien la utilización de modelos CFD resulta menos costosa que la realización de ensayos a escala real, estos modelos, también tienen un costo elevado a nivel de potencia de computación, así como por el tiempo necesario para realizar las simulaciones.
Por otra parte, hay que tener en cuenta, que los datos de salida de la aplicación, deben de estar validados, es decir debemos de tener la seguridad de que los datos obtenidos por el modelo computacional son reales y no difieren en gran medida de los resultados que hubiéramos obtenido al realizar un ensayo a escala real o el caso de un incendio en túnel.
Con el fin de atajar estos dos problemas comentados, entra en juego los cálculos mediante modelos teóricos. Si bien, durante muchos años, los cálculos manuales han sido complicados y con muchas probabilidades de error, hoy en día mediante herramientas software, con hojas de cálculo, se pueden obtener rápidamente cálculos fiables.
Por lo que es posible, realizar modelos teóricos que nos pueden servir para:
•
Minimizar los datos de entrada a los modelos CFD y con ello conseguir que las simulaciones sean más rápidas y con menor coste computacional.
•
Validar los datos obtenidos mediante modelos CFD de manera que podamos asegurar que los datos obtenidos mediante modelos CFD se aproximan a la realidad.
El objeto de este proyecto Fin de Master, es el realizar un modelo teórico y realizar simulaciones mediante herramientas CFD, con el fin de conseguir estos dos últimos objetivos enunciados.
1.5
Conclusiones. Justificación
Durante los últimos años se han producido varios accidentes en túneles, causando víctimas mortales. Aunque la frecuencia de estos accidentes no es muy alta, en algunos casos se produce un cúmulo de circunstancias que provocan catástrofes elevando considerablemente la cifra de fallecimientos. Existen diversas causas que pueden provocar un fuego en un túnel, siendo uno de los factores el factor humano, que es impredecible.
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En Europa, se han creado Directivas, para la prevención de accidentes mortales en túneles. Hay que eliminar las causas para que se produzca un fuego en un túnel, pero también hay que prever medidas para minimizar las consecuencias en caso de de que se produzca un incendio. Las medidas a adoptar deben determinarse en la fase de diseño, debido a que es más complicado ponerlas en marcha una vez que el túnel ha sido construido. Se pueden realizar ensayos a escala real en túneles, con el fin de realizar estudios sobre el comportamiento de humos, visibilidad, temperaturas, etc. Pero estos ensayos resultan excesivamente costosos. Como alternativa a los ensayos a escala real, se pueden realizar modelos mediante herramientas CFD, que resultan menos costosos que los ensayos a escala real. Si bien estas herramientas, son menos costosas que los ensayos a escala real, es necesario que los resultados obtenidos de las simulaciones, estén validados. Por otra parte, si bien los modelos CFD resultan menos costosos que los ensayos reales, la complejidad de los modelos a ensayar hacen que el coste computacional, sea elevado. Se crea la necesidad de crear un modelo teórico con el fin de validad los datos obtenidos mediante herramientas CFD, así como para obtener datos de entrada que consiga disminuir el coste computacional y el tiempo de simulación.
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OBJETO
Tal como ya se ha comentado, el estado actual, es el siguiente: Las autoridades Europeas, se encuentran muy sensibilizadas con las consecuencias de los accidentes en túneles. Existen varios organismos públicos y privados, cuyo objetivo es conseguir máxima seguridad en los túneles. Con el fin de que los estudios sobre fuego en túneles, sean fiables, se realizan ensayos a escala real como mediante modelos CFD, pero tal como se ya se ha indicado anteriormente, se crea la necesidad de optimizar los datos de entrada a los modelos CDF así como de validar los resultados obtenidos. El objeto de este Proyecto fin de Máster es: Desarrollar una herramienta software basada en un modelo de hoja de cálculo que a partir de la introducción de variables de entrada que definen la geometría, tráfico y condiciones ambientales típicas de un túnel, establece las singularidades que afectan a un sistema de ventilación, así como, la velocidad crítica y temperatura alcanzadas en caso de incendio con el fin de validar estos dos resultados con los modelos CFD. Este objetivo, se puede dividir en los siguientes objetivos parciales: Para definir el modelo teórico: •
Definir los factores que influyen en el flujo dentro de un túnel, con el fin de poder definir el sistema de ventilación necesario.
•
Establecer las variables de entrada con el fin de calcular los valores definidos en el punto anterior.
•
Determinar las ecuaciones de cálculo, que nos puedan servir para obtener los resultados definidos.
•
Realizar la herramienta software.
•
Utilizar tres supuestos como datos de entrada y obtener mediante la herramienta los datos de salida ya definidos.
Para definir el modelo CFD.
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•
Determinar los parámetros de entrada para el modelo CFD.
•
Realizar el modelo CFD.
•
Realizar las simulaciones teniendo en cuenta los datos de entrada del modelo teórico.
•
Obtener los resultados.
Para validar los datos obtenidos: Comparar los datos obtenidos entre el modelo teórico y el modelo CFD con el fin de poder validar los datos obtenidos mediante la herramienta CFD.
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CAMPO DE APLICACIÓN
El campo de aplicación de este proyecto Fin de Master, es el siguiente: Se podrá aplicar a: Diseño de nuevos túneles, pudiendo ayudar al diseñador en cuanto a TOMAR DECISIONES relativas a: •
Elección de los materiales de construcción
•
La geometría del túnel (pendientes, número de pozos de ventilación, orientación de las bocas, etc.).
•
Determinar los ventiladores necesarios para conseguir el arrastre de humos.
Es decir la herramienta podrá ser un dato más con el fin de poder optimizar costes en la construcción del túnel.
Adecuación de túneles existentes, con el fin de ayudar al diseñador a TOMAR DECISIONES relativas a:
•
Determinar los ventiladores necesarios para conseguir el arrastre de humos.
Es decir la herramienta diseñada será un dato para el diseño de ventilación de túneles existentes.
Seguridad en túneles.- Con el fin que en el caso de un fuego real, la herramienta pude ser utilizada por el operador con el fin de poder TOMAR DECISIONES para:
•
Determinar la velocidad critica y poder determinar el número de ventiladores a activar.
•
La dirección del humo y poder dirigir la evacuación.
Es decir la herramienta puede ser útil para el operador del túnel y ayudarle en el caso de un fuego real.
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METODOLOGÍA
4.1
Fase de documentación.
Para la realización de este proyecto fin de máster, se ha revisado la documentación existente, al alcance, con el fin de contar con todos los datos posibles de entrada con el fin de que este trabajo se encuentre soportado documentalmente.
4.2
Diagrama de la metodología utilizada.
La metodología que se ha seguido para la realización del presente trabajo, es la siguiente: INICIO DETERMINAR PARAMETROS DE ENTRADA
DETERMINAR PARAMETROS DE ENTRADA C.F.D.
DETERMINAR ECUACIONES DE CÁLCULO
REALIZAR MODELO C.F.D.
REALIZAR HERRAMIENTA
REALIZAR SIMULACIONES
RESULTADOS MODELO TEORICO
RESULTADOS MODELOCC.F.D.
COMPARAR RESULTADOS
MODELO CFD.
MODELO TEÓRICO
DETERMINAR PARAMETROS DE SALIDA
NO ¿SON COHERENTES? SI FIN
Figura 6 Metodología
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4.3
Modelo teórico
Para la realización del modelo teórico, se han determinado los parámetros de entrada, dichos parámetros pueden atender a diversos factores, tales como geometría del túnel, acabados superficiales, etc. Por otra parte, también se han definido, los parámetros que queremos obtener, parámetros como velocidad crítica, incremento de presiones, etc. Una vez que conocemos los datos de entrada y de salida, se han definido las ecuaciones que nos pueden relacionar los datos de entrada con los datos de salida. Con dichas ecuaciones, se ha procedido ha la realización de la hoja de cálculo aplicando las fórmulas definidas en el punto anterior comprobando la coherencia de los resultados. En el siguiente cuadro, se plasma la sistemática seguida para la realización del modelo teórico: ENTRADAS
SALIDAS
GEOMETRIA DEL TÚNEL
TEMPERATURA
DATOS DE CONSTRUCCIÓN DEL TÚNEL
VELOCIDAD CRITICA MODELO TEÓRICO HERRAMIENTA SOFTWARE
CONDICIONES AMBIENTALES DEL TÚNEL
∆P INCREMENTO DE PRESIONES
CONDICIONES DE TRAFICO EN EL TUNEL
ρEXP
INCENDIO EN EL TÚNEL
Figura 7 Modelo Teórico
4.4
Modelo CFD
Para la realización del modelo CFD se han determinado los parámetros de entrada, que en la mayoría de los casos, coinciden con los parámetros definidos para la realización del modelo teórico, también como parámetros de entrada, se han tenido en cuenta parámetros de salida del modelo teórico realizado.
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Por otra parte, se ha tenido en cuenta los resultados que se quieren obtener, temperatura de humos, dirección del humo, etc. Con estos datos, se han realizado las correspondientes simulaciones, con el fin de obtener los resultados definidos. En el siguiente cuadro, se muestra a modo sinóptico la manera en la que se ha diseñado el modelo CFD: ENTRADAS
SALIDAS
GEOMETRIA DEL TÚNEL
ALTURA DE HUMOS
DATOS DE CONSTRUCCIÓN DEL TÚNEL
TEMPERATURA EN EL TUNEL MODELO C.F.D
CONDICIONES AMBIENTALES DEL TÚNEL
E.T.C.
CONDICIONES DE TRAFICO EN EL TUNEL
DATOS OBTENIDOS MODELO TEÓRICO
Figura 8 Modelo CFD
4.5
Validación de resultados
Con los datos obtenidos en el modelo teórico, y los datos obtenidos en el modelo CFD se ha realizado una comparación con el fin de validar los resultados obtenidos mediante la simulación. En el caso de que los datos obtenidos, sean similares, podremos afirmar, que los resultados obtenidos en la simulación, son datos validados y la simulación nos sirve para determinar los parámetros de salida necesarios. Si los parámetros obtenidos en la simulación, no coinciden con los datos que hemos obtenido en nuestro modelo teórico, es muy probable que no hayamos tenido en cuenta algún parámetro importante a la hora de realizar nuestro modelo teórico, por lo que debemos revisar los parámetros introducidos en nuestra simulación, con el fin de comprobar si los datos de partida, son correctos.
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CONCEPTOS TEÓRICOS.
5.1
Definición de túnel
Según la Real Academia Española, se define túnel como: “Paso subterráneo abierto artificialmente para establecer una comunicación”. Es decir el fin del túnel es establecer una comunicación y dicha comunicación se establece mediante medios artificiales, es decir el túnel “es fabricado”. Tal como lo define la Real Academia Española, el concepto “túnel” es muy amplio y no indica en tipo de comunicación que se establece. En nuestro caso la comunicación es viaria, estamos comunicando 2 puntos para que un transporte pueda desplazarse desde un punto hasta otro. La construcción de túneles, tiene el objeto de poder desplazar un vehículo por en interior de tierras o rocas con el fin de ahorrar tiempo en el desplazamiento, por ejemplo evitar un puerto en una carretera (túnel carretero de montaña), facilitar el desplazamiento de personas en las grandes ciudades (túnel de metro), etc. La construcción de túneles es cada vez más necesaria, dado el aspecto global de nuestro mundo, ahorrando tiempo en desplazamientos y lo que no es menos importante ahorro de energía bien cada día más escaso.
5.2
Clasificación de túneles.
Los túneles se pueden clasificar por varios parámetros: •
•
•
•
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En función de los vehículos que circulan por su interior o
Túneles carreteros
o
Túneles ferroviarios
En función del sentido de circulación: o
Túneles unidireccionales (un único sentido)
o
Túneles bidireccionables ( doble sentido)
En función de su situación o
Urbanos (situados en las ciudades).
o
Interurbanos (entre ciudades).
En función del terreno que atraviesan:
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o
Túneles terrestres
o
Túneles marinos
Para definir un túnel, se deben dar todos los datos, por ejemplo “Túnel terrestre carretero bidireccional interurbano”.
5.3
Construcción de túneles.
Hay muchas maneras diferentes para excavar un túnel, incluido el trabajo manual, explosivos, un rápido calentamiento y enfriamiento, maquinaria para hacer túneles o una combinación de estos métodos. El siguiente diagrama muestra la relación entre estas estructuras bajo tierra en un túnel típico de montaña. La apertura del túnel es un portal. El "techo" del túnel, o la mitad superior del tubo, es la corona. La mitad inferior es el invertido. La geometría básica del túnel es un arco continuo. Debido a que los túneles debe soportar una tremenda presión por todos lados, el arco es una forma ideal.
Figura 9 Fuerzas de un túnel
La estática, es la ciencia utilizada para el diseño del túnel, las fuerzas que interactúan en un túnel, son las siguientes:
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•
La tensión, que se expande, o tira, el material
•
De compresión, lo que reduce, o aprieta el material
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•
Esquila, lo que hace que las piezas de un material se deslice un pasado otro en direcciones opuestas
•
De torsión, que tuerce un material
El túnel debe oponerse a estas fuerzas con materiales fuertes, tales como mampostería, acero, hierro y hormigón. Con el fin de permanecer estático, los túneles deben ser capaces de soportar las cargas que les impone. Carga muerta se refiere al peso de la propia estructura, mientras que la carga en directo se refiere al peso de los vehículos y las personas que se mueven a través del túnel. La construcción de un túnel depende en gran medida en el material a través del túnel debe atravesar. Un túnel a través de suelo blando, por ejemplo, requiere de técnicas muy diferentes a través de un túnel de roca dura o roca suave, como la pizarra, tiza o piedra arenisca. Un proyecto del túnel debe comenzar con una investigación exhaustiva de las condiciones del terreno mediante la recopilación de muestras de los pozos y otras técnicas geofísicas. Una decisión informada puede hacerse de la maquinaria y los métodos de excavación y de apoyo en tierra, lo que reducirá el riesgo de encontrarse con situaciones imprevistas suelo. En la planificación de la ruta de los alineamientos horizontal y vertical hará uso de la mejor tierra y del agua. En algunos casos escritorio convencionales y los estudios del sitio proporcionar información suficiente para evaluar factores tales como la naturaleza bloques de rocas, la ubicación exacta de las zonas de fallas, o los tiempos de stand-up de terreno más suave. Esta puede ser una preocupación en los túneles de gran diámetro. Para dar más información se puede construir un túnel piloto, por delante de la unidad principal. Cortar y cubrir es un método simple de construcción de túneles superficiales, se excava una zanja y se cubre con un techo lo suficientemente resistente como para soportar la carga de lo que se va a construir sobre el túnel. Existen dos formas básicas de construir un túnel con este sistema:
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•
Método de abajo hacia arriba, se construye una zanja con apoyo en la tierra y se construye el techo, el túnel puede ser de hormigón y/o con arcos prefabricados, la zanja es tapada una vez terminada la construcción.
•
Método de arriba hacia abajo, se construyen las vigas de sustentación mediante perforaciones en el suelo, una vez que se encuentran construidas las vigas, se construye el techo del túnel mediante vigas prefabricadas o con hormigón armado en obra una vez finalizada la estructura, el interior del túnel es vaciado.
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Se pueden utilizar grandes cortes de caja que se utilizan con frecuencia para las estaciones de metro, como la estación de metro de Canary Wharf en Londres. Esta forma de construcción en general, se realiza en dos niveles, que permiten separar la sala de entrada, las plataformas de la estación, el acceso de pasajeros y salidas de emergencia, ventilación y control de humo, habitaciones para el personal y salas de equipos. El interior de la estación de Canary Wharf se ha comparado a una catedral subterránea, debido a la magnitud de la excavación. Esto contrasta con la mayoría de las estaciones tradicionales de metro de Londres , donde los túneles existentes se utilizaron para la construcción de estaciones y el acceso de los pasajeros. Existen diferentes métodos para la construcción de túneles como la utilización de escudos, inventados por Marc Isambard Brunel (construcción del túnel a través del Támesis en Londres) pero actualmente en la construcción de grandes túneles se utilizan las tuneladoras. El uso de tuneladoras, permiten la reducción de los costos de construcción de túneles. La perforación de túneles en ciertas aplicaciones, predominantemente urbana, se ve como alternativa rápida y rentable para la construcción de túneles. Hay una gran variedad de máquinas tuneladoras que puede funcionar a diversas condiciones, desde la roca dura hasta tierras blandas. Algunos tipos de tuneladoras, tienen compartimientos a presión en la parte delantera, lo que les permite ser utilizado en condiciones difíciles por debajo del nivel freático. Esto presiona a la tierra delante de la cabeza de corte para equilibrar la presión del agua. Los operarios trabajan en la presión normal del aire detrás del compartimiento presurizado, pero en ocasiones puede tener que entrar en ese compartimiento de la renovación o reparación de los cortadores. Esto requiere precauciones especiales, tales como el tratamiento del suelo local o la detención de la tuneladora en una posición libre de agua. A pesar de estas dificultades, el beneficio económico y de plazos que se logra con el trabajo con tuneladoras es muy superior a otros métodos tradicionales.
A la hora de construcción de un túnel, también es necesario el disponer de un sistema, que permita la ventilación del túnel, así como el arrastre de humos en caso de incendio.
5.3.1
Ventilación en túneles
La ventilación puede ser natural, forzada o mixta.
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•
La ventilación natural, se consigue mediante la instalación de pozos de ventilación, estos pozos se construyen, perpendiculares al túnel de tal manera, que conectan el túnel con el exterior, en el punto 5.1.4 se describe la función de estos pozos.
•
Mediante ventiladores denominados también Jet, se consigue la ventilación forzada, estos ventiladores inyectan aire en el interior del túnel, consiguiendo por una parte expulsar los humos de los vehículos, y por otra parte arrastrar los humos en caso de incendio, a este tipo de ventilación, se le denomina ventilación forzada.
La ventilación forzada puede ser longitudinal, transversal y mixta.
Figura 10 Ventilación longitudinal [IGDR11] La ventilación forzada longitudinal, se utiliza en túneles unidireccionales, La velocidad del aire inyectado por los ventiladores debe de ser superior a una velocidad denominada “Velocidad Crítica” con el fin de que la estratificación de los humos se produzca en el sentido de la circulación.
Figura 11 Ventilación trasversal [IGDR11]
La ventilación forzada transversal, se utiliza en túneles bidireccionales, trata de dirigir el humo a los extremos del túnel, en función de dónde se produzca el incendio, existen 2 ventiladores en cada extremo del túnel, uno aspira el humo del interior del túnel y el
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otro inyecta aire fresco en el interior del túnel, de esta manera, y en función de la posición del incendio y de los vehículos, produce la estratificación, en el sentido que ofrezca mayor seguridad.
Figura 12 Velocidad semitrasversal [IGDR11] La ventilación forzada semitransversal, es similar a la ventilación transversal, con la diferencia que los ventiladores son de doble sentido. •
5.3.2
La ventilación mixta se consigue construyendo pozos de ventilación e instalando aspiradores, de tal manera que los jet arrastran los humos hasta el pozo de ventilación más cercano.
Pozos de ventilación.
Los pozos de ventilación, son conductos transversales que tienen una doble función, por una parte la recogida de aguas debidas a las propias filtraciones del túnel, así como proporcionar ventilación en el interior del túnel.
Figura 13 Pozos de ventilación
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Si bien la existencia de pozos de ventilación, es beneficiosa desde el punto de vista de la ventilación, tiene un efecto negativo, respecto a las pérdidas de carga, tal como se verá en capítulos posteriores, los pozos de ventilación son singularidades que aumentan las pérdidas de carga, siendo necesario la instalación de un número superior de ventiladores para el arrastre de humos. La herramienta que se propone en este trabajo fin de Master, puede servirle al diseñador, para el cálculo de dichas pérdidas de carga, así como para determinar el número de ventiladores a instalar.
5.3.3
Comportamiento del fuego en el interior de un túnel.
Tal como hemos visto en la introducción de este documento, se han producido fuegos en túneles con trágicas consecuencias [FDCO11]. Para poder diseñar sistemas para la evacuación de humos en el interior de los túneles, lo primero que debemos conocer es el comportamiento de un incendio en el interior de un túnel. Denominamos combustión a una reacción química donde existe un combustible, un comburente y una energía de activación. Las llamas que se producen en un incendio en el interior del túnel son llamas de difusión (el combustible no se encuentra mezclado con el comburente previamente). Las llamas de difusión, se clasifican mediante el número de Froude Fr
este número
adimensional es una relación entre las fuerzas de inercia y las fuerzas de gravedad.
Fr =
FUERZADEINERCIA FUERZADEGRAVEDAD
Ecuación 1 Número de Froude
En una llama de difusión, las fuerzas que tenemos son las siguientes:
U2 Fr = D g Ecuación 2 Número de Fraude para llamas de difusión
Siendo:
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•
- Fr.-
Número de Froude
•
- U.-
Velocidad de salida de los gases.
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•
- D.-
Diámetro de llama.
•
- g.-
Aceleración de la gravedad.
Si Fr> 1 Se trata de una llama en forma de chorro. Los incendios en túneles Fr es mucho menor que la unidad por lo que se trata de un fuego natural. En este tipo de fuegos, se distinguen 3 zonas delimitadas: •
Llama persistente.- Dónde existe una fuerte aceleración de los gases.
•
Llama intermitente.- Estructuras tipo vórtice que se desprenden a una Temperatura característica.
•
Penacho.- Columna ascendente de los gases de la combustión.
La longitud de llama se calcula por medios experimentales: Para L/D>6
L/D~Qc*2/5
Para 3 empleado en la resolución DNS) VBC = - 1y si no se tiene en cuenta el efecto de la capa límite y por tanto habrá un libre deslizamiento VBC = 1. En esta simulación el valor de VBC = 0.5 porque es una buena aproximación para el mallado elegido.
15.7 Descripción del modelo de radiación utilizado. Justificación La transferencia de calor por radiación está incluida en el modo mediante la ecuación de transporte de radiación para un gas gris no disperso. La ecuación es resuelta usando una técnica similar al método de volúmenes finitos por transporte convectivo, con el que se denominada Finite Volume Method (FVM). Hay varias limitaciones del modelo de transferencia por radiación: •
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El coeficiente de absorción del gas cargado de humo es una función compleja dependiente de su composición y temperatura.
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•
Debido a la simplificación del modelo de combustión, la composición química de los gases con humo, especialmente el contenido de “hollín”, puede efectuar la absorción y emisión térmica de radiación.
•
El transporte de radiación es discretizado por aproximadamente 100 ángulos sólidos. Para objetivos lejanos de una fuente de radiación, como un crecimiento de fuego, la discretización puede conducir a una no uniforme distribución de la energía de radiación.
•
Esto puede ser visto en la visualización de las temperaturas de superficie, donde la inclusión de “puntos de calor” muestran el efecto del número de ángulos sólidos.
•
El problema puede ser disminuido por la inclusión de más ángulos sólidos, a costa de incrementar el tiempo de computación.
En la mayoría de los casos, el flujo radiactivo en objetivos situados en el campo-lejano no es tan importante como aquellos que están en campo cercano, donde la cobertura por defecto del número de ángulos es mucho mayor. La fracción de energía liberada de un fuego como radiación térmica es una función de la temperatura de llama y de la composición química. Los cálculos en las celdas de la rejilla que están en el orden de centímetros y más grandes, la temperatura cerca de la superficie de llama no puede estar dependiendo de cuándo calcula el término fuente en la ecuación de transporte de radiación, especialmente debido a la dependencia de T4. Para compensar, si uno prescribe un valor no nulo de RADIACTIVE_FRACTION, esta fracción de energía química está siendo liberada dentro de las celdas de la malla que están cortadas por las radiaciones de la llama.
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Algo de esta energía puede ser reabsorbida en otro lugar, cediendo una red de pérdidas que es menor que RADIACTIVE_FRACTION, dependiendo significativamente sobre el tamaño del fuego y de la carga de hollín. Si se desea usar la ecuación de transporte de radiación tal y como es, entonces debería cambiarse RADIACTIVE_FRACTION a un valor nulo, y el término fuente en la ecuación de transporte de radiación entonces viene dado únicamente por la temperatura de gas y la composición química. En la simulación la transferencia de calor por radiación se ha discretizado mediante unos 100 ángulos sólidos, para un el tratamiento del transporte de radiación dentro del túnel. Aunque sería deseable haber introducido un mayor número de ángulos sólidos por las distancias consideradas.
PARÁMETROS DE RADIACIÓN 104 ángulos
Nº de Ángulos
3s
Incremento del Tiempo de Paso
5
Incremento de ángulos
(Absorción)- Gas Gris
Método
1.25 m
Longitud del Haz Ppal Banda Theta
n_phi
Ángulo Sólido
1
4
0.12
2
12
0.11
3
16
0.13
4
20
0.12
5
20
0.12
6
16
0.13
7
12
0.11
8
4
0.12
15.8 Descripción del modelo de combustión utilizado. Justificación Un fuego es básicamente modelado como la expulsión de un combustible pirolizado desde una superficie sólida que arde cuando es mezclado con oxígeno. La reacción estequiométrica está definida por el parámetro REACTION en la cabecera de grupo MISC.
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Todas las especies asociadas al proceso de combustión están definidas mediante la variable de fracción de mezclas y no debería ser explícitamente prescrito por lo que no se ha hecho. En el modelo de la simulación se ha establecido q& ′′ , es decir la tasa de liberación de calor por
unidad de área, definida por el parámetro HRRPUA (kW/m2). Este parámetro es usado como control de la tasa de quemado del combustible. Se ha utilizado el modelo de combustión de fracción de mezclas. El grupo REAC es usado por varios parámetros asociados con los parámetros de reacción en fase gaseosa que generalmente no requieren ajustes. Sin embargo, si el comportamiento de combustión de un combustible viene dado por su calor de vaporización, hay que tener cuidado en la selección de los parámetros de reacción. Se asume que el combustible es un simple hidrocarburo que se quema con producciones constantes de CO y hollín (soot).
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Hay que especificar los coeficientes ideales estequiométricos para el combustible, O2, CO2 y H2O y producciones de CO y hollín (soot). La producción de CO, por ejemplo, es definido como la fracción de masa de combustible que es convertida en CO y es denotado como yCO. Los coeficientes estequiométricos usados en el cálculo son: •
YCO generalmente no debe de modificarse puesto que sigue la correlación dependiente de la producción de hollín ys, según la correlación de Köylü y Faeth.
•
La cantidad de energía liberada por unidad de masa de oxígeno consumida se modifica con la propiedad EPUMO2 (KJ/Kg).
El calor de combustión se modifica ligeramente debido a la presencia de hollín y CO.
C x H y O z + ν O 2 O 2 → ν CO 2 CO 2 + ν H 2O H 2 O + ν CO CO + ν Soot Soot
Mf M ⎛ ⎞ y z yCO − f y s ⎟⎟ + − 1) ν O 2 = ⎜⎜ x − MC ⎠ 4 2 2 M CO ⎝ Mf yCO 2) ν CO = M CO 3) ν CO 2 = x − 4) ν soot =
Mf
5) ν H 2O =
y 2
MC
Mf M CO
yCO −
Mf MC
ys
ys
Aplicando la Correlación de Faeth:
yCO =
12 x 0.0014 + 0.37 y s (Correlación de Köylü y Faeth) M fν f
Donde:
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•
ID Identificador de la reacción.
•
NU_O2, NU_H2O, NU_FUEL, NU_CO2 Coeficientes estequiométricos ideales de la reacción de un combustible de hidrocarbono. Por defecto NU_FUEL es 1. Todos los números son positivos. Por defecto los valores son los del propano.
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•
MW_FUEL Peso molecular del combustible (g/mol). Por defecto 44 g/molÙpropano. Si el combustible tiene nitrógeno, hay que añadir el parámetro FUEL_N2 para indicar cuantas moléculas de N2 tiene. Por ejemplo para el uretano (C3H7NO2) Ù FUEL_N2 = 0.5
•
Y_O2_INFTY Fracción de masa de oxígeno ambiente. Por defecto 0.23
•
Y_F_INLET fracción de masa defecto 1.0
•
SOOT_YIELD La fracción de Masa de combustible convertida en partículas de humo, ys. Este parámetro no se aplica a los procesos de crecimiento de hollín y oxidación, sino a la red de producción de partículas de humo originadas por el fuego. Por defecto 0.01
•
CO_YIELD La fracción de masa convertida en CO, yco. Generalmente no debe de modificarse puesto que sigue la correlación dependiente de la producción de hollín ys, según la correlación de Köylü y Faeth.
•
Esta correlación sólo es aplicable para fuegos bien ventilados.
•
Para fuegos insuficientemente ventilados la producción de CO y hollín está sujeto a un campo de investigación actualmente activo.
•
EPUMO2 Energía por unidad de masa de O2, ΔHO2(kJ/kg). La cantidad de energía liberada por unidad de masa de O2 consumida (Por defecto 13.100 kJ/kg).
•
El calor de combustión es ligeramente modificado debido a la presencia de hollín y CO.
•
RADIATIVE_FRACTION La fracción de energía liberada de las llamas radiación térmica. Este parámetro requiere alguna interpretación.
de combustible en el flujo de combustible. Por
como
REACCIÓN DE COMBUSTIÓN CO2 (reacción completa) Peso Molecular del combustible Calor de combustión
44079
Coeficiente estequiométrico de O2
4.627
Coeficiente estequiométrico de producción de CO2
2.637
Coeficiente estequiométrico de producción de H2O Coeficiente estequiométrico de producción de Hollín
3.98 0.404
Coeficiente estequiométrico de producción de CO
0
Coeficiente estequiométrico de producción de N2
0
Coeficiente estequiométrico de producción de Otros
0
Valor estequiométrico de Z
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44
0.065
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Extinción 44
Peso Molecular del combustible Calor de combustión
0
Coeficiente estequiométrico de O2
0
Coeficiente estequiométrico de producción de CO2
0
Coeficiente estequiométrico de producción de H2O
0
Coeficiente estequiométrico de producción de Hollín
0
Coeficiente estequiométrico de producción de CO
0
Coeficiente estequiométrico de producción de N2
0
Coeficiente estequiométrico de producción de Otros
0
Valor estequiométrico de Z
1
CO (reacción incompleta) Peso Molecular del combustible
0
Calor de combustión
0
Coeficiente estequiométrico de O2
0
Coeficiente estequiométrico de producción de CO2
0
Coeficiente estequiométrico de producción de H2O
0
Coeficiente estequiométrico de producción de Hollín
0
Coeficiente estequiométrico de producción de CO
0
Coeficiente estequiométrico de producción de N2
0
Coeficiente estequiométrico de producción de Otros
0
Valor estequiométrico de Z
0
Existen algunas aproximaciones que afectan a los parámetros en fases gaseosa (REAC), líquida y sólida (SURF). Estas aproximaciones se realizan para compensar tamaños de rejilla con menor resolución de lo deseable o limitaciones en el modelo de combustión de fracción de mezclas. El programa contiene una subrutina que redefine los valores estequiométricos de la fracción de mezclas. 2
Z f ,eff Zf
⎛ D = min⎜⎜1, C δx ⎝
*
⎞ ⎟⎟ ⎠
⎛ ⎞5 Q& * ⎜ ⎟ donde D = ⎜ρ c T g ⎟ ⎝ ∞ p ∞ ⎠
Donde Zf es el ideal valor estequiométrico de la fracción de mezclas, C es una constante empírica (no un parámetro de entrada), y D* es diámetro característico del fuego. Para relativos valores pequeños de D* y/o celdas grandes, entonces la fracción de mezclas es intencionadamente reducida, resultando una mejor estimación de la altura de llama y estructura.
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Como siempre, una rejilla suficientemente fina elimina la necesidad de este tipo de correcciones, pero en muchas ocasiones es difícil tener un mallado fino cerca del fuego y al mismo tiempo guardar suficientes celdas para el resto del espacio. Aplicando el criterio del diámetro característico, se decide que el tamaño de celda en la zona cercana al fuego sea de 0,25 m en las tres coordenadas cartesianas que definen la malla. Se decide escoger un tamaño de celda 3 veces inferior a la décima parte del diámetro característico con la intención de que sea una tamaño de celda lo suficientemente fino para la predicción de temperaturas próximo al fuego sobre todo en la fase de desarrollo puesto que en esa fase la tasa de calor liberado es sensiblemente inferior al valor de pico utilizado para la estimación del diámetro característico. TAMAÑO DE CELDA Cálculo del tamaño de Celda a partir del Diámetro Característico
Ecuación del diámetro característico
Tasa de Calor liberado(KJ/S) 3
28186
Densidad de Aire (Kg/m )
1.3000
Temperatura Ambiente (K)
293
Calor Específico (KJ/Kg·K)
1.012
2
g, Gravedad (m/s ) D*, Diámetro Característico (m)
9.81 3.5260
D*/5
0.705201097
D*/10
0.352600548
Factor (máximo tamaño de celda/D*)
El factor de forma es 0.0709
Cálculo del Tamaño de Celda a partir del Diámetro Característico de Fuego
15.8.1 El combustible En los primero 4 escenarios el foco del incendio se ha situado cercana a una de las bocas del túnel tal y como se muestran en las siguientes imágenes. También se muestran las dimensiones y la tasa de liberación de calor prescrita por unidad de área y tiempo transcurrido.
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Cuya tasa de liberación de calor es:
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En el cuarto escenario se ha optado por crear una curava de crecimiento rápido con una tasa de liberación máxima de 15 MW.
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16 CARACTERÍSTICAS DEL MODELO NUMÉRICO 16.1 Características de la discretización espacial y temporal realizada. A continuación se muestra la caracterización del mallado:
CARACTERIZACIÓN DEL MALLADO 12 mallas
Nº mallas
2620800 celdas
Nº de Celdas Totales Perímetro Total
1248 m
Área Total
4644 m²
Volumen Total
40950 m³
El tamaño de la malla es: DIMENSIONES DE LA REJILLA DE LA MALLA nº de celdas en dirección X
200 celdas
nº de celdas en dirección Y
36 celdas
nº de celdas en dirección Z
30 celdas
DISCRETIZACIÓN TEMPORAL 0.14 s
Tiempo de Paso Inicial de la Malla El tiempo de simulación es de 1200 s.
El tiempo de paso puede ser prescrito con DT. Este parámetro normalmente se cambia automáticamente dividiendo el tamaño de rejilla de celda entre las características de velocidad de flujo. Durante el cálculo el tiempo de paso es ajustado de tal forma que la condición CFL se cumpla. •
Condición de CFL-Coriant Friedick–Lewy: o
•
DTmax (uijk/dx,vijk/dy,wijk/dz) < 1
Si no se cumple CFL entonces DT = 0,8·DTmax 1
Por defecto el valor de DT es
5(δxδyδz )3
gH , donde δx, δy y δz son las dimensiones de la
rejilla de la celda más pequeña, H es la altura del domino computacional y g la gravedad.
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16.2 Criterio de Convergencia Se han tomado dos criterios de convergencia: Internamente el anteriormente descrito que establece en tiempo de paso en función de la Condición CFL. Cuando el modelo empieza a divergir, el modelo reajusta el tiempo de paso haciéndolo más estrecho, si esto sucede de forma sistemática aparece inestabilidad numérica.
El otro criterio de convergencia, no es interno sino externo analizando el índice de repuesta de fuego (fire reslution index1), el cual debe ser próximo a 1 cuando el HRR está fijado y existe una buena ventilación.
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16.3 Dimensiones del tramo de túnel transversales y perfiles longitudinales
representado,
secciones
El modelo se ha dividido en 10 zonas de 50 m cada una.
Fig. 1 Zonas analizadas en el modelo
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16.4 Ventiladores Sólo el escenario 4 contempla el uso de ventiladores. En este escenario se ha fijado dos elementos con un caudal fijo de 52.3 m3/s cada uno activados en un tiempo cercano a los 600 s, de tal forma que se pueda apreciar el control de humos en etapas donde el incendio está totalmente desarrollado.
Fig. 2 Ventilación (mediante dos superfices planas)
La distribución del viento introducido es del tipo Top-Hat.
16.4.1 Número total de celdas en el modelo completo, número de celdas en las secciones de interés.
CARACTERIZACIÓN DEL MALLADO 12 mallas
Nº mallas Nº de Celdas Totales
2620800 celdas
Perímetro Total
1248 m
Área Total
4644 m²
Volumen Total
40950 m³ Dimensiones de la Rejilla de la Malla 1 1
Nº de Malla
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nº de celdas en dirección X
200 celdas
nº de celdas en dirección Y
36 celdas
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30 celdas
nº de celdas en dirección Z
0.14 s
Tiempo de Paso Inicial de la Malla Parámetros Físicos de la Malla 1 Longitud
50.00 m
Anchura
9.00 m
Altura
7.50 m
Dimensión i de la celda
25.00 cm
Dimensión j de la celda
25.00 cm
Dimensión k de la celda
25.00 cm
Volumen de la celda
15625 cm³
Volumen de la malla
3375 m³ Dimensiones de la Rejilla de la Malla 2 2
Nº de Malla nº de celdas en dirección X
200 celdas
nº de celdas en dirección Y
36 celdas
nº de celdas en dirección Z
30 celdas 0.14 s
Tiempo de Paso Inicial de la Malla Parámetros Físicos de la Malla 2 Longitud
50.00 m
Anchura
9.00 m
Altura
7.50 m
Dimensión i de la celda
25.00 cm
Dimensión j de la celda
25.00 cm
Dimensión k de la celda
25.00 cm
Volumen de la celda
15625 cm³
Volumen de la malla
3375 m³ Dimensiones de la Rejilla de la Malla 3 3
Nº de Malla nº de celdas en dirección X
200 celdas
nº de celdas en dirección Y
36 celdas
nº de celdas en dirección Z
30 celdas 0.14 s
Tiempo de Paso Inicial de la Malla Parámetros Físicos de la Malla 3 Longitud
50.00 m
Anchura
9.00 m
Altura
7.50 m
Dimensión i de la celda
25.00 cm
Dimensión j de la celda
25.00 cm
Dimensión k de la celda
25.00 cm
Volumen de la celda
15625 cm³
Volumen de la malla
3375 m³ Dimensiones de la Rejilla de la Malla 4
Nº de Malla
MIPCI 2011
4
Máster en Ingeniería de Protección contra Incendios – MIPCI Estudio, análisis y caracterización de los principales factores que intervienen en el comportamiento fluidodinámico del humo producido por un incendio en un túnel soterrado mediante herramientas CFD – Jesús Sánchez Sánchez
137 de 168
nº de celdas en dirección X
200 celdas
nº de celdas en dirección Y
36 celdas
nº de celdas en dirección Z
30 celdas 0.14 s
Tiempo de Paso Inicial de la Malla Parámetros Físicos de la Malla 4 Longitud
50.00 m
Anchura
9.00 m 7.50 m
Altura Dimensión i de la celda
25.00 cm
Dimensión j de la celda
25.00 cm
Dimensión k de la celda
25.00 cm 15625 cm³
Volumen de la celda
3375 m³
Volumen de la malla Dimensiones de la Rejilla de la Malla 5
5
Nº de Malla nº de celdas en dirección X
200 celdas
nº de celdas en dirección Y
36 celdas
nº de celdas en dirección Z
30 celdas 0.14 s
Tiempo de Paso Inicial de la Malla Parámetros Físicos de la Malla 5 Longitud
50.00 m
Anchura
9.00 m 7.50 m
Altura Dimensión i de la celda
25.00 cm
Dimensión j de la celda
25.00 cm
Dimensión k de la celda
25.00 cm 15625 cm³
Volumen de la celda
3375 m³
Volumen de la malla Dimensiones de la Rejilla de la Malla 6
6
Nº de Malla nº de celdas en dirección X
200 celdas
nº de celdas en dirección Y
36 celdas
nº de celdas en dirección Z
30 celdas
Tiempo de Paso Inicial de la Malla
0.14 s
Parámetros Físicos de la Malla 6 Longitud
50.00 m
Anchura
9.00 m
Altura
MIPCI 2011
7.50 m
Dimensión i de la celda
25.00 cm
Dimensión j de la celda
25.00 cm
Dimensión k de la celda
25.00 cm
Volumen de la celda
15625 cm³
Volumen de la malla
3375 m³
Máster en Ingeniería de Protección contra Incendios – MIPCI Estudio, análisis y caracterización de los principales factores que intervienen en el comportamiento fluidodinámico del humo producido por un incendio en un túnel soterrado mediante herramientas CFD – Jesús Sánchez Sánchez
138 de 168
Dimensiones de la Rejilla de la Malla 7 7
Nº de Malla nº de celdas en dirección X
200 celdas
nº de celdas en dirección Y
36 celdas
nº de celdas en dirección Z
30 celdas 0.14 s
Tiempo de Paso Inicial de la Malla Parámetros Físicos de la Malla 7 Longitud
50.00 m
Anchura
9.00 m
Altura
7.50 m
Dimensión i de la celda
25.00 cm
Dimensión j de la celda
25.00 cm 25.00 cm
Dimensión k de la celda Volumen de la celda
15625 cm³
Volumen de la malla
3375 m³ Dimensiones de la Rejilla de la Malla 8 8
Nº de Malla nº de celdas en dirección X
200 celdas
nº de celdas en dirección Y
36 celdas
nº de celdas en dirección Z
30 celdas 0.14 s
Tiempo de Paso Inicial de la Malla Parámetros Físicos de la Malla 8 Longitud
50.00 m
Anchura
9.00 m
Altura
7.50 m
Dimensión i de la celda
25.00 cm
Dimensión j de la celda
25.00 cm 25.00 cm
Dimensión k de la celda Volumen de la celda
15625 cm³
Volumen de la malla
3375 m³ Dimensiones de la Rejilla de la Malla 9 9
Nº de Malla nº de celdas en dirección X
200 celdas
nº de celdas en dirección Y
36 celdas
nº de celdas en dirección Z
30 celdas
Tiempo de Paso Inicial de la Malla
0.14 s
Parámetros Físicos de la Malla 9
MIPCI 2011
Longitud
50.00 m
Anchura
9.00 m
Altura
7.50 m
Dimensión i de la celda
25.00 cm
Dimensión j de la celda
25.00 cm
Dimensión k de la celda
25.00 cm
Máster en Ingeniería de Protección contra Incendios – MIPCI Estudio, análisis y caracterización de los principales factores que intervienen en el comportamiento fluidodinámico del humo producido por un incendio en un túnel soterrado mediante herramientas CFD – Jesús Sánchez Sánchez
139 de 168
Volumen de la celda
15625 cm³
Volumen de la malla
3375 m³
Dimensiones de la Rejilla de la Malla 10 10
Nº de Malla nº de celdas en dirección X
200 celdas
nº de celdas en dirección Y
36 celdas
nº de celdas en dirección Z
30 celdas 0.14 s
Tiempo de Paso Inicial de la Malla Parámetros Físicos de la Malla 10 Longitud
50.00 m
Anchura
9.00 m
Altura
7.50 m
Dimensión i de la celda
25.00 cm
Dimensión j de la celda
25.00 cm
Dimensión k de la celda
25.00 cm
Volumen de la celda
15625 cm³
Volumen de la malla
3375 m³
Dimensiones de la Rejilla de la Malla 11 11
Nº de Malla nº de celdas en dirección X
32 celdas
nº de celdas en dirección Y
36 celdas
nº de celdas en dirección Z
200 celdas 0.06 s
Tiempo de Paso Inicial de la Malla Parámetros Físicos de la Malla 11 Longitud
8.00 m
Anchura
9.00 m
Altura
50.00 m
Dimensión i de la celda
25.00 cm
Dimensión j de la celda
25.00 cm
Dimensión k de la celda
25.00 cm
Volumen de la celda
15625 cm³
Volumen de la malla
3600 m³
Dimensiones de la Rejilla de la Malla 12 12
Nº de Malla nº de celdas en dirección X
32 celdas
nº de celdas en dirección Y
36 celdas
nº de celdas en dirección Z
200 celdas
Tiempo de Paso Inicial de la Malla
0.06 s
Parámetros Físicos de la Malla 12
MIPCI 2011
Longitud
8.00 m
Anchura
9.00 m
Altura
50.00 m
Dimensión i de la celda
25.00 cm
Máster en Ingeniería de Protección contra Incendios – MIPCI Estudio, análisis y caracterización de los principales factores que intervienen en el comportamiento fluidodinámico del humo producido por un incendio en un túnel soterrado mediante herramientas CFD – Jesús Sánchez Sánchez
140 de 168
MIPCI 2011
Dimensión j de la celda
25.00 cm
Dimensión k de la celda
25.00 cm
Volumen de la celda
15625 cm³
Volumen de la malla
3600 m³
Máster en Ingeniería de Protección contra Incendios – MIPCI Estudio, análisis y caracterización de los principales factores que intervienen en el comportamiento fluidodinámico del humo producido por un incendio en un túnel soterrado mediante herramientas CFD – Jesús Sánchez Sánchez
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17 ANÁLISIS DE RESULTADOS DE LAS SIMULACIONES: 17.1.1 Evolución de la capa de humos con pendiente del 5%:
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17.2 Evolución de la capa de humos con pendiente del 10 %
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143 de 168
17.2.1 Temperaturas y tasa de liberación máxima de calor cercanas al foco Temperatura y tipo de crecimiento HRR máximo
28186 kW 876 s
tHRR Crecimiento Temperatura máxima*
Evolución de desarrollo medio 510 ºC
*Obtenida a partir de los termopares situados en el modelo
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17.3 Flujos de entrada y salida para el escenario con pendiente nula
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17.4 Flujos de entrada y salida para el escenario con pendiente del 5%
17.5 Flujos de entrada y salida para el escenario con pendiente del 10%
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17.6 Altura de la capa de humos
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17.7 Capturas de temperatura en las distintas zonas
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157 de 168
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17.8 Enfriamiento de la capa de humos en función de la zona (distancia respecto al foco)
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161 de 168
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17.9 Evaluación de la velocidad crítica y control de humos:
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18 CONCLUSIONES 18.1 Criterios Dispares. A la hora de definir los parámetros que influyen en la pérdida de carga en el túnel, no existe uniformidad de parámetros, dependiendo de la literatura consultada, aunque algunos parámetros son citados por todos los autores (efecto pistón, efecto chimenea) algunos incluyen factores que otros ni citan, por ejemplo la pérdida de carda debida al incendio que es citado en el CETU [CETU03] y los demás autores ni lo mencionan. En este mismo sentido, tampoco existe un criterio claro a la hora de definir los cálculos de los diferentes parámetros, que influyen en el incendio en el interior de un túnel soterrado. Dependiendo la literatura que se consulte, las ecuaciones de cálculo son dispares, por ejemplo la ecuación para el cálculo del efecto pistón que propone el CETU [CETU03] no tiene similitud con la indicada por el fabricante de ventiladores ZITRON [ZITR11].
18.2 Validez del modelo teórico. Ha quedado demostrado que el desarrollo de la herramienta propuesta, en ese proyecto fin de Máster, permite:
18.2.1 Reducir tiempos de modelización y simulación. Mediante el uso de esta herramienta, es posible que los tiempos dedicados a la modelización y a la simulación se reduzcan, al introducir directamente un gradiente de presiones entre las bocas del túnel, conseguimos facilitar el trabajo de modelizado evitando que el diseñador tenga que introducir complejos parámetros en su diseño. De la misma manera al reducir la complejidad del modelo, se reducen los tiempos de simulación, por lo que entendemos que esta herramienta puede ser muy útil para reducir el coste computacional de los modelos CFD.
18.2.2 Permite un primer dimensionamiento de los costes de ejecución. Esta herramienta puede ser útil, para realizar una primera evaluación de los costes asociados a la instalación de un sistema de ventilación, en un nuevo túnel o en un túnel existente. Al determinar el número de ventiladores necesarios, se le ayuda al proyectista a realizar una primera evaluación económica a la hora de diseñar un sistema de ventilación en un nuevo túnel o en otro existente.
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18.3 Aplicación para diseño de nuevos túneles. Esta herramienta, puede ser un parámetro de entrada más para el diseñador de túneles. Mediante su aplicación, el diseñador puede realizar un balance de costes en su diseño. Esta herramienta ayuda al diseñador a TOMAR DECISIONES en cuanto al diseño del túnel, por ejemplo pude suponer menor coste el implementar 2 ventiladores más que el tener que revestir todo el túnel con hormigón liso, o puede ser menor el coste de eliminar una singularidad que el coste de más ventiladores.
18.4 Resuelve el problema de la limitación rectilínea de los modelos CFD. Una de las limitaciones de los modelos CFD es la dificultad de introducir elementos curvos, al utilizar la herramienta diseñada, mediante la introducción de singularidades podemos reflejar estas curvas mediante otros parámetros, en nuestro caso como una diferencia de presiones. Mediante esta herramienta, se podrá introducir estos factores en nuestros modelos CFD.
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19 LINEAS FUTURAS. La elaboración de esta herramienta es un primer paso, pero sería necesario, en un futuro, profundizar sobre la misma con el fin de optimizarla para su uso. Se proponen como líneas futuras de mejora las siguientes:
19.1 Introducir el factor tiempo. La herramienta diseñada, tiene carácter “atemporal” funciona con valores máximos, pero en ningún caso tiene en cuenta el factor tiempo, se debería introducir este factor, con el fin de que se pudieran estimar la evolución de los parámetros en función del tiempo.
19.2 Dinamismo de la herramienta. La herramienta se ha diseñado para unos valores máximos, por ejemplo solo se pueden introducir 9 singularidades, se propone como futura mejora el elaborar una herramienta más dinámica, en la que el operador pueda definir la cantidad de parámetros a utilizar.
19.3 Herramienta de validación de modelos CFD La herramienta diseñada solo valida 2 factores del modelo CFD un desarrollo de la misma, se propone como una futura aplicación la introducción de más parámetros para la validación de modelos CFD.
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