ΠΥΘΑΓΟΡΑΣ Συνέδριο για την επιστηµονική έρευνα στο Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο 5-8 Ιουλίου 2007, Πλωµάρι Λέσβου Θερµική συµπεριφορά εσωτερικού κελύφους κτιρίων σε συνθήκες φωτιάς. Α. Κοντογεώργος *, Ελ. Κραββαρίτης *, Ελ. Κεραµίδα **, Μ. Α. Φούντη 1, Κ. Αντωνόπουλος 2, * ιπλ. Μηχανολόγος Μηχανικός, ** ιδάκτωρ Χηµικός Μηχανικός Ε.Μ.Π. 1 Αναπλ. Καθηγήτρια, 2 Καθηγητής, Σχολής Μηχανολόγων Μηχανικών Ε.Μ.Π. Ηρώων Πολυτεχνείου 9, Πολυτεχνειούπολη Ζωγράφου, Αθήνα Κτίριο Ο, Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών Ε.Μ.Π., Εργ. Ετερογενών Μιγµάτων & Συστηµάτων Καύσης Τηλέφωνο: +30 210 772 4002, Φαξ: +30 210 772 3663, E-mail: dimkon@central.ntua.gr ΠΕΡΙΛΗΨΗ: Το ερευνητικό έργο αποσκοπεί στην ανάπτυξη προηγµένων υπολογιστικών εργαλείων που θα οδηγήσουν στην καλύτερη κατανόηση της συµπεριφοράς κτιρίων σε συνθήκες φωτιάς. Μελετώνται οι µηχανισµοί µεταφοράς θερµότητας (αγωγή, συναγωγή και ακτινοβολία) διαµέσου στερεών επιφανειών σε κτίρια που υπόκεινται σε υψηλά θερµικά φορτία, όπως είναι η φωτιά. Ειδικότερα, αναπτύχθηκε προηγµένο υπολογιστικό εργαλείο προσοµοίωσης της φωτιάς µε στόχο το σχεδιασµό και τη βελτιστοποίηση νέων µεθόδων παθητικής πυρασφάλειας. Το εργαλείο αυτό εφαρµόζεται σε τρεις περιπτώσεις. Εξετάζεται η φωτιά µέσα σε ένα τυπικό δωµάτιο, όπου τα αποτελέσµατα συγκρίνονται µε πειραµατικά δεδοµένα. Στη συνέχεια, µελετάται µια νέα µέθοδος πυρασφάλειας, όπου χρησιµοποιείται αέρας εµπλουτισµένος σε άζωτο ως πυροσβεστικό µέσο. Τέλος, ερευνάται η φωτιά σε ένα τυπικό σαλόνι, όπου λαµβάνεται υπόψη η αγωγή θερµότητας στο εσωτερικό των τοιχωµάτων. Τα αποτελέσµατα παρέχουν σηµαντικές πληροφορίες που βοηθούν τη κατανόηση της συµπεριφοράς της φωτιάς, τον έλεγχο διάδοσης και την καταπολέµηση της. Λέξεις Κλειδιά: µετάδοση θερµότητας, ΥΡ, φωτιά, πυρασφάλεια ABSTRACT: In this paper an advanced computational tool is developed for the better understanding of building behavior in fire conditions. Heat transfer mechanisms (conduction, convection and radiation) through solid surfaces suffering from high thermal loads are taken into account. Specifically, an advanced computational tool for fire simulation is developed in order to design and optimize new fire safety methods and it is used in three cases. The first case is a fire in a typical room, where the computational results are compared with the experimental data. In the second case a new fire safety method is examined, where Nitrogen Enriched Air (NEA) is used as fire fighting material. Finally, a fire in a typical living-room is studied, where heat conduction inside the walls is considered. The results indicated significant information for fire behavior and fire fighting. Keywords: heat transfer, CFD, fire, fire safety I. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η φωτιά, η οποία εναλλακτικά µπορεί να χαρακτηριστεί και ως µη ελεγχόµενη εξάπλωση της φλόγας, είναι ένα από τα πιο πολύπλοκα φυσικά φαινόµενα. Ενσωµατώνει σχεδόν όλες τις διεργασίες που παρατηρούνται στις αντιδρώσες ροές. Είναι αποτέλεσµα φυσικό-χηµικών διεργασιών που περιλαµβάνουν φαινόµενα καύσης, µεταφοράς θερµότητας και αεριοποίησης του, συνήθως, στερεού καυσίµου. Οι µηχανισµοί που ελέγχουν τα χαρακτηριστικά ευφλεκτότητας ενός υλικού εξαρτώνται από διαφορετικούς συνδυασµούς ιδιοτήτων, τη γεωµετρική τοποθέτηση των σε σχέση µε την πηγή θερµότητας, τον τύπο της φωτιάς, καθώς και από περιβαλλοντικές παραµέτρους. Όλα αυτά συνδέονται µεταξύ τους συνθέτοντας ένα εξαιρετικά πολύπλοκο φυσικό και χηµικό φαινόµενο. Η µεγάλη πολυπλοκότητα της φωτιάς ήταν η αιτία που καθυστέρησε η καθιέρωσή της ως επιστήµη µέχρι περίπου τη δεκαετία του 1950 [1]. Η επιστήµη της φωτιάς και κατά επέκταση της πυρασφάλειας έχει αναπτυχθεί σηµαντικά κυρίως τα τελευταία είκοσι χρόνια. Η µαθηµατική µοντελοποίηση του φαινοµένου είναι ένας ραγδαία αναπτυσσόµενος τοµέας της υπολογιστικής ρευστό-δυναµικής (ΥΡ ). Η δυναµική των ρευστών, η τύρβη και η καύση είναι προβλήµατα που δεν έχουν ακόµα επιλυθεί πλήρως. Η ενσωµάτωση όλων των φαινοµένων σε ένα υπολογιστικό µοντέλο είναι εξαιρετικά δύσκολο και πολύπλοκο και απαιτεί εξειδικευµένες γνώσεις. Η πρόληψη και ο έλεγχος της διάδοσης της φωτιάς σε κλειστούς χώρους απαιτεί µεταξύ άλλων την κατανόηση της αλληλεπίδρασης ανάµεσα στην πηγή θερµότητας, την κίνηση του καπνού και τη µεταφορά θερµότητας προς το κέλυφος. Τα µέχρι τώρα υπολογιστικά µοντέλα σπάνια παίρνουν υπόψη τους την αλληλεξάρτηση στην εξέλιξη των παραπάνω φαινοµένων, καθώς και την αλληλοεπίδραση µε τα υλικά κατασκευής του κελύφους του κτιρίου [2] [3]. Η ανάπτυξη υπολογιστικών εργαλείων ικανών να προβλέπουν µε ακρίβεια τα τρία παραπάνω φαινόµενα είναι καινοτόµα και αποτελεί ερευνητικό πεδίο αιχµής στον τοµέα της πυρασφάλειας. Παρόµοιες προσπάθειες ήταν εξαιρετικά δύσκολες µέχρι σήµερα λόγω περιορισµών στην απαιτούµενη υπολογιστική ισχύ για την αντιµετώπιση πολύπλοκων προβληµάτων διάδοσης φωτιάς, κίνησης προϊόντων καύσης και επίδρασης µε στερεά τοιχώµατα.
Στόχος είναι η σχεδίαση κτιρίων µεγαλύτερης ασφάλειας, η ανάπτυξη νέων συστηµάτων εντοπισµού φωτιάς, καθώς και νέων υλικών χαµηλών εκποµπών µε αυξηµένη αντοχή στις πυρκαγιές. Η σύγχρονη τάση για γρήγορη ανέγερση «ελαφρών κατασκευών» µε συχνή χρήση εύφλεκτων υλικών (π.χ. πλαστικά) ενισχύει την ανάγκη ερευνητικής δραστηριότητας στη περιοχή της παθητικής πυρασφάλειας κτιρίων, η οποία είναι σύνθετη συνδυάζοντας τη τεχνολογία της καύσης (µεταφορά θερµότητας, χηµική κινητική κλπ), µε τη τεχνολογία κατασκευών, την επιστήµη των υλικών, τοξικολογία, αξιολόγηση κινδύνων κλπ. Αξίζει να σηµειωθεί ότι το συνολικό κόστος «φωτιάς σε κλειστούς χώρους» για την Ευρωπαϊκή Ένωση ανέρχεται στο 1% του ΑΕΠ. [2] [3]. έκα ως 20 άτοµα ανά εκατοµµύριο πληθυσµού σκοτώνονται ανά έτος σε φωτιές εντός κατοικηµένων κτιρίων, αριθµός που αντιστοιχεί σε ~5000 θανάτους / έτος στην Ε.Ε. Οι θάνατοι αποδίδονται συνήθως σε ασφυξία από τον καπνό ή εκποµπές από τα καιγόµενα υλικά. εδοµένου του απαγορευτικού κόστους και της δυσκολίας διεξαγωγής πειραµάτων φωτιάς σε κτίρια, αποκτά ιδιαίτερη βαρύτητα η δυνατότητα πρόβλεψης της συµπεριφοράς των υλικών κατασκευής συναρτήσει της χρονο-χωρικής διάδοσης της φωτιάς. Σχεδόν σε όλες τις εφαρµογές καύσης (φωτιές, καυστήρες, µηχανές, κ.λπ.) η µεταφορά θερµότητας διαµέσου µίας επιφάνειας γίνεται ταυτόχρονα µε ακτινοβολία, αγωγή και συναγωγή (Σχήµα 1). Ο συνυπολογισµός και των τριών αυτών µηχανισµών σε ένα φυσικό σύστηµα είναι µία πολύπλοκη µαθηµατική διαδικασία. Επειδή οι µηχανισµοί αυτοί είναι ανεξάρτητοι ο ένας από τον άλλο, η µεταφορά θερµότητας που γίνεται µε κάθε µηχανισµό υπολογίζεται ξεχωριστά και στο τέλος αθροίζονται. Η δυσκολία έγκειται στις περιπτώσεις όπου η θερµοκρασία της επιφάνειας είναι άγνωστη, και ο καθορισµός των οριακών συνθηκών για την ακτινοβολία είναι αδύνατος. Η δυνατότητα του υπολογισµού της θερµοκρασίας µίας επιφάνειας η οποία θερµαίνεται µε ένα τυχαίο συνδυασµό των τριών µηχανισµών µεταφοράς θερµότητας, αποτελεί αντικείµενο της έρευνας σε αρκετούς τοµείς εφαρµογών. Στο τοµέα της πυρασφάλειας ενδιαφέρει η δυνατότητα αποτροπής της διάδοσης της φωτιάς µε δευτερεύουσα ανάφλεξη, µε την εφαρµογή κατάλληλων δοµικών υλικών που επιβραδύνουν ή και παρεµποδίζουν ολοκληρωτικά των διάδοση της φωτιάς (fire retardants). Αλλά και στον ευρύτερο τοµέα της ανάλυσης της καύσης αναζητούνται αξιόπιστες µέθοδοι που να µπορούν να υπολογίσουν την θερµοκρασία των εσωτερικών τοιχωµάτων ενός θαλάµου καύσης, και το πώς η ακτινοβολούµενη θερµότητα από αυτές ενισχύει τον ρυθµό της χηµικής αντίδρασης [4]. Η µεταφορά θερµότητας µε ακτινοβολία είναι σηµαντικός µηχανισµός µεταφοράς θερµότητας σε πυρκαγιές και επηρεάζει σηµαντικά τη δοµή και τη σβέση µιας φλόγας [5] [6], όπως επίσης το σχηµατισµό NO λόγω της ευαισθησίας του θερµικού NO στη θερµοκρασία [7] [9]. Ο υπολογισµός της ακτινοβολίας αυξάνει σηµαντικά τις απαιτήσεις σε υπολογιστικό χρόνο, χρησιµοποιεί πολύπλοκα µαθηµατικά και παρουσιάζει ελλείψεις ως προς τις απαιτούµενες λεπτοµερείς πληροφορίες για τις οπτικές ιδιότητες των αερίων (αντιδρώντων και προϊόντων) αλλά και των επιφανειών των τοιχωµάτων του κτιρίου [10]. Στις περισσότερες εργασίες που αφορούν την απόδοση των µοντέλων µεταφοράς θερµότητας µε ακτινοβολία, τα µοντέλα έχουν συγκριθεί χωριστά από την καύση και χωρίς την επίλυση του ρευστοµηχανικού πεδίου, χρησιµοποιώντας µια προκαθορισµένη πηγή ενέργειας [11] [14]. Σχήµα 1 Απεικόνιση µεταφοράς θερµότητας από ρευστό προς τοίχωµα µε µηχανισµούς συναγωγής και ακτινοβολίας, σε υπολογιστικό κελί. Η εργασία αυτή θα εξετάσει το φαινόµενο της µεταφοράς θερµότητας στο εσωτερικό του κελύφους κτιρίων σε συνθήκες φωτιάς µε την µέθοδο της υπολογιστικής προσοµοίωσης, µε στόχο τον σχεδιασµό συστηµάτων παθητικής πυρασφάλειας και την χρήση υλικών που επιβραδύνουν την διάδοση της φωτιάς. II. ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΗ ΜΟΝΤΕΛΟΠΟΙΗΣΗ Το µοντέλο ΥΡ που χρησιµοποιείται στην παρούσα εργασία επιλύει τις εξισώσεις διατήρησης µάζας, ορµής και ενέργειας. Οι εξισώσεις αυτές είναι τρισδιάστατες, µη µόνιµες και έχουν ολοκληρωθεί χρονικά µε τη µέθοδο Favre. Η γενική µορφή των παραπάνω εξισώσεων είναι: t r ρ (1) ( Φ) + ( ρuφ) = ( ΓΦ Φ) + SΦ Συγκεκριµένα, η µεταβλητή Φ στην εξίσωση (1) λαµβάνει την τιµή της µονάδας (εξίσωση διατήρησης της µάζας), των συνιστωσών της ταχύτητας (u,v,w εξίσωση διατήρησης της ορµής), της τυρβώδους κινητικής ενέργειας (k) και της καταστροφής της (ε), καθώς και του κλάσµατος µάζας κάθε συστατικού (Y i ).
Ακτινοβολία Για την µοντελοποίηση της µεταφοράς θερµότητας µε ακτινοβολία σε περίπτωση πυρκαγιάς σε κλειστό χώρο, χρησιµοποιούνται τα δύο παρακάτω µοντέλα: (1) το µοντέλο διακριτής µεταφοράς (discrete transfer) [15] και (2) το µοντέλο έξι ανηγµένων ροών (6-flux) [16] [18]. Το µοντέλο διακριτής µεταφοράς είναι σχετικά νέο µοντέλο, θεωρείται ακριβές και αξιόπιστο, ενώ έχει χρησιµοποιηθεί σε πολλές περιπτώσεις προσοµοίωσης πυρκαγιάς [19] [22]. Το µοντέλο των έξι ανηγµένων ροών είναι αρκετά πιο παλιό µοντέλο, απλό στην κατανόηση και εύκολο στην εφαρµογή. Το µεγάλο του πλεονέκτηµα είναι η οικονοµία υπολογιστικού χρόνου από την οποία χαρακτηρίζεται. Έχει εφαρµοστεί και αυτό σε πολλές περιπτώσεις προσοµοίωσης πυρκαγιάς σε κλειστό χώρο [23] [24], αλλά χαρακτηρίζεται από περιορισµένη ακρίβεια αποτελεσµάτων. Καύση Για την µοντελοποίηση της καύσης χρησιµοποιείται ένας συνδιασµός του µοντέλου θραύσης των δινών - EBU (Eddy Break-Up) και του µοντέλο χηµικής κινητικής πεπερασµένων ρυθµών (finite rate chemistry). Σύµφωνα µε αυτό, στην περιοχή όπου η ανάµιξη είναι κυρίαρχη ο ρυθµός αντίδρασης R mix υπολογίζεται από το EDM (Eddy Dissipation Model) [25], ενώ στην περιοχή όπου η χηµεία ρυθµίζει την καύση ο ρυθµός αντίδρασης R kin υπολογίζεται από τη σχέση του Arrhenius [26] [27]. Ο συνολικός ρυθµός αντίδρασης σε κάθε υπολογιστικό κελί είναι ίσος µε τον µικρότερο από τους παραπάνω αναφερθέντες R mix και R kin. Μεταφορά θερµότητας σε στερεή επιφάνεια Όταν µία επιφάνεια θερµαίνεται µε µηχανισµούς συναγωγής και θερµικής ακτινοβολίας, τότε ο συνολικός ρυθµός ροής θερµότητας µέσα από την επιφάνεια, q w, δίνεται από την σχέση: q = q = q + q (2) w cond conv rad όπου q conv είναι ο ρυθµός ροής θερµότητας µε συναγωγή, και q rad είναι ο ρυθµός ροής θερµότητας µε ακτινοβολία. Ο ρυθµός ροής θερµότητας µε συναγωγή, q conv, δίνεται από την ακόλουθη σχέση: q conv ( T ) = h T (3) w f Ο ρυθµός ροής θερµότητας µε ακτινοβολία, q rad, δίνεται από τη σχέση: q rad 2ε = 2 ε 4 ( σt R ) w X (4) όπου T w είναι η θερµοκρασία της επιφάνειας, T f είναι η θερµοκρασία του παρακείµενου ρευστού, και R X είναι ο ρυθµός ροής της ακτινοβολίας, ο οποίος υπολογίζεται από το µοντέλο της ακτινοβολίας. III. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΗ Οι τρεις µηχανισµοί µεταφοράς θερµότητας έχουν αρκετές οµοιότητες µεταξύ τους αλλά και ορισµένες σηµαντικές διαφορές. Κατά την αγωγή θερµότητας, η ενέργεια µεταφέρεται µέσα από το ατοµικό πλέγµα από τα ελεύθερα ηλεκτρόνια, ή από µόριο σε µόριο, µε τις συγκρούσεις. Η συναγωγή γίνεται µε παρόµοιο τρόπο. Εξαιτίας της ροής, πολλά µόρια µε υψηλή κινητική ενέργεια παρασύρονται από την κίνηση του ρευστού και αντικαθίστανται από άλλα, πιο κρύα µόρια, µε αποτέλεσµα οι ρυθµοί µεταφοράς ενέργειας να είναι υψηλότεροι. Η θερµική ακτινοβολία αντίθετα, δεν χρειάζεται κάποιο µέσο, καθώς µεταφέρεται µε ηλεκτροµαγνητικά κύµατα (ή φωτόνια). Μία άλλη διαφορά µεταξύ των µηχανισµών της αγωγής/συναγωγής και της ακτινοβολίας είναι η συσχέτιση τους µε τη θερµοκρασία. Ενώ οι ρυθµοί µεταφοράς θερµότητας µε αγωγή και συναγωγή µεταβάλλονται γραµµικά µε τη θερµοκρασία, ο ρυθµός µεταφοράς µε ακτινοβολία είναι ανάλογος της διαφοράς της τέταρτης δύναµης της θερµοκρασίας. Κατά συνέπεια, η µεταφορά θερµότητας µε ακτινοβολία σε ένα σύστηµα γίνεται πολύ σηµαντική όταν σε αυτό επικρατούν πολύ υψηλές θερµοκρασίες. Μία τέτοια περίπτωση είναι και η φωτιά σε κλειστό πεδίο όπου η ακτινοβολία επηρεάζει άµεσα τη διαµόρφωση του πεδίου θερµοκρασίας και ταχυτήτων µέσα στο χώρο στον οποίο εξελίσσεται. Επίσης παίζει σηµαντικό ρόλο στην εξάπλωση της πυρκαγιάς µε µηχανισµούς δευτερεύουσας ανάφλεξης. Για αυτό το λόγο η µεταφορά θερµότητας µε ακτινοβολία θεωρείται σήµερα ως µία από τις βασικές παραµέτρους κατά το σχεδιασµό συστηµάτων πυρόσβεσης και πυροπροστασίας. Πείραµα Steckler Room Για την µελέτη των τριών µηχανισµών µεταφοράς θερµότητας χρησιµοποιήθηκε περίπτωση πειραµατικής διάταξης που είναι γνωστή ως δωµάτιο Steckler [28] (Σχήµα 2). Στο σχήµα 3 απεικονίζονται ενδεικτικά οι κατανοµές των θερµοκρασιών, σε διάφορα σηµεία του δωµατίου, για φωτιά µε ισχύ 62.9 kw τοποθετηµένη στο κέντρο του δωµατίου. Στα σχήµατα αυτά συγκρίνονται οι υπολογισµένες τιµές µε και χωρίς ακτινοβολία, και οι πειραµατικές µετρήσεις. Παρατηρείται ότι στις περιπτώσεις όπου θεωρούνται µόνο οι δύο µηχανισµοί µεταφοράς θερµότητας, δηλαδή η αγωγή και η συναγωγή, χωρίς να λαµβάνεται υπόψη η ακτινοβολία, η
θερµοκρασία στο ανώτερο αέριο στρώµα του δωµατίου υπερεκτιµάται κατά µέσο όρο περίπου 25%. Αντίθετα, όταν η ακτινοβολία λαµβάνεται υπόψη, η συµφωνία µεταξύ των πειραµατικών και των υπολογισµένων τιµών βελτιώνεται σηµαντικά. πόρτα 2.18 m Η ακτινοβολία είναι επίσης υπεύθυνη για την µείωση της ενθαλπίας του αέριου ρεύµατος που εξέρχεται από την πόρτα (ο αέρας φεύγει από το δωµάτιο µε περίπου 15% χαµηλότερη θερµοκρασία). Αυτή η διαφορά εξισορροπείται από την αντίστοιχη αύξηση της συνολικής θερµότητας που φεύγει µέσα από τους τοίχους του δωµατίου. Στο σχήµα 4 φαίνονται οι θερµικές απώλειες από κάθε τοίχο του δωµατίου, µε και χωρίς ακτινοβολία. Είναι φανερό ότι οι ρυθµοί ροής θερµότητας αυξάνονται σηµαντικά µε την ακτινοβολία, ενώ ο συνολικός ρυθµός απώλειας από τους τοίχους σχεδόν διπλασιάζεται. φωτιά 0.3 0.3 1.04 0.72 0.3 2.80 m 1.25 2.80 m Σχήµα 2 Η γεωµετρία του πειράµατος Steckler. Σχήµα 4 Ροή θερµότητας προς τα τοιχώµατα µε και χωρίς ακτινοβολία. Η φωτιά βρίσκεται στο κέντρο του δωµατίου. Πυρόσβεση Στα πλαίσια της λεπτοµερούς διερεύνησης των µηχανισµών µεταφοράς µάζας σε συνθήκες φωτιάς, ερευνήθηκε η τεχνολογία πυρόσβεσης ενός συνδυασµένου πυροσβεστικού υλικού από αλογόνο και αέρα εµπλουτισµένο σε άζωτο (Nitrogen Enriched Air NEA), ώστε να χρησιµοποιηθεί µελλοντικά για την κατάσβεση πυρκαγιάς σε κλειστούς χώρους (π.χ. σε αεροσκάφη). Τα συστατικά εκτοξεύονται ταυτόχρονα από δύο ακροφύσια µέσα στο χώρο, ενώ µετά από 30sec σταµατάει να εκτοξεύεται το αλογόνο. Η παραµετρική µελέτη που διεξήχθη αφορούσε την συγκέντρωση του οξυγόνου στον αέρα και η παροχή του αέρα µέσα στο χώρο αποσκευών (Σχήµα 5). Σχήµα 3 Κατανοµή της θερµοκρασίας στη γωνία και στην πόρτα του δωµατίου µε και χωρίς ακτινοβολία. Η φωτιά βρίσκεται στο κέντρο του δωµατίου. Στον πίνακα 1 φαίνονται οι περιπτώσεις της παραµετρικής ανάλυσης που πραγµατοποιήθηκε. Η ποσότητα του αλογόνου που εκτοξεύεται από τα ακροφύσια τα πρώτα 30s είναι 45kg. Τα αποτελέσµατα της κατανοµής του κλάσµατος µάζας των τριών συστατικών για κάθε τρέξιµο παρουσιάζονται παρακάτω και αφορούν διάφορες θέσεις µέσα στο δωµάτιο (PP01: x=0.15m, y=1.557m, z=0.15m). Οι υπολογισµοί αφορούν χρονικό διάστηµα 20min από την έναρξη του εκτόξευσης των συστατικών από τα ακροφύσια.
8400 1707 4165 3133 Ακροφύσια 1240 που χρειάστηκε για να φτάσει η συγκέντρωση του Ο 2 µέσα στο χώρο το 16% κ.ο. (τυπικό όριο επιβίωσης), έδειξαν ότι: 1) µείωση της συγκέντρωσης του Ο 2 στο ΝΕΑ κατά 30%, οδήγησε σε µείωση κατά 31% του χρόνου, 2) αύξηση της παροχής του ΝΕΑ κατά 50%, οδήγησε σε µείωση κατά 48.6% του χρόνου και 3) ταυτόχρονη µείωση της συγκέντρωσης του Ο 2 στο ΝΕΑ κατα 30% και αύξηση της παροχής του ΝΕΑ κατά 50%, οδήγησε σε µείωση κατά 64.5% του παραπάνω χρόνου. Σχήµα 5 Η γεωµετρία του χώρου αποσκευών. Πίνακας 1 Παραµετρικές τιµές παροχής και ποιότητας ΝΕΑ Παροχή ΝΕΑ [m 3 /h] Ποιότητα ΝΕΑ [% κ.ο. Ο 2 ] 1 193 10 2 193 8.5 3 193 7 4 96.5 10 5 96.5 8.5 6 96.5 7 7 36 10 8 36 8.5 9 36 7 Από το σχήµα 6 φαίνεται ότι η εκτόξευση του αλογόνου ολοκληρώνεται στα πρώτα 30sec και στη συνέχεια η συγκέντρωσή του πέφτει µε την πάροδο του χρόνου. Το ακριβώς αντίθετο παρατηρείται µε τη συγκέντρωση του αζώτου στο σχήµα 7: αρχική µείωση λόγω της εκτόξευσης του αλογόνου για να ακολουθήσει αύξηση µε την ολοκλήρωση της εκτόξευσης του αλογόνου. Όσον αφορά το οξυγόνο, έπειτα από µια απότοµη µείωση της συγκέντρωσής του στα πρώτα 30sec συνεχίζει να µειώνεται µε µικρότερο ρυθµό, σύµφωνα µε το σχήµα 8. Συµπερασµατικά, το ΝΕΑ µπορεί να χρησιµοποιηθεί ως ένα ασφαλές µέσο πυρόσβεσης σε κλειστούς χώρους, επιτρέποντας επιβίωση ζώντων οργανισµών. Σχήµα 7 Κατανοµή του αζώτου στο κέντρο του δωµατίου. Σχήµα 8 Κατανοµή του οξυγόνου στο κέντρο του δωµατίου. Φωτιά σε τυπικό δωµάτιο Σχήµα 6 Κατανοµή του αλογόνου στο κέντρο του δωµατίου. Ποσοτικά, η συγκέντρωση του αλογόνου και του οξυγόνου δεν ξεπερνά το 2% και 10% αντίστοιχα για όλες τις περιπτώσεις. Τέλος, τα αποτελέσµατα της παραµετρικής µελέτης, λαµβάνοντας υπόψη το χρόνο Τέλος, εξετάστηκε η µετάδοση της φωτιάς σε ένα τυπικό δωµάτιο (σαλόνι), στο οποίο υπάρχουν καρέκλες, καναπέδες, τραπέζια κ.α. Στο σχήµα 9 φαίνεται η γεωµετρία του δωµατίου και το σηµείο όπου εκδηλώνεται η φωτιά, καθώς και τα θερµοστοιχεία για την παρακολούθηση των θερµοκρασιών, τα οποία
δίνονται στον πίνακα 2. Οι τοίχοι του δωµατίου είναι από γυψοδανίδα, οι καναπέδες έχουν επένδυση ταπετσαρίας, ενώ τα τραπέζια είναι από ξύλο (έλατο). Για την προσοµοίωση της φωτιάς εφαρµόζεται σταθερή πηγή θερµότητας 1000kW/m 2 σε επιφάνεια 0.06m 2, που σηµαίνει ότι η ισχύς της φωτιάς είναι 60kW. Το υπολογιστικό πλέγµα που χρησιµοποιήθηκε είναι οµοιόµορφο 52x52x24 κόµβων, ενώ ο χρόνος προσοµοίωσης τέθηκε ίσος µε 900sec. Ο χρόνος που χρειάστηκε για τη παραπάνω προσοµοίωση σε έναν υπολογιστή Intel Core 2 Duo T7100 1.8GHz ήταν 4 ώρες και 11 λεπτά. Επιπλέον, στο χρονικό διάστηµα 250sec 350sec παρατηρείται µια διακύµανση της θερµοκρασίας. Αυτή οφείλεται στην τοπική σβέση και πάλι ανάφλεξη της φωτιάς (flashover) λόγω του ρυθµού έκλυσης των πτητικών από τα διάφορα υλικά που υπάρχουν µέσα στο δωµάτιο. O τρόπος µε τον οποίο καίγονται τα υλικά του δωµατίου είναι διαφορετικός για κάθε υλικό, καθώς και η θερµοκρασία ανάφλεξής των. Είναι εµφανές (Σχήµα 10) ότι οι υψηλές θερµοκρασίες εγκλωβίζονται στην γωνία του δωµατίου (θερµοστοιχεία TC 13 TC 18) εξαιτίας την ανακυκλοφορίας που εµφανίζεται σε εκείνη την περιοχή. Τέλος, οι λιγότερο υψηλές θερµοκρασίες εµφανίζονται στην πόρτα, κάτι απολύτως λογικό από την στιγµή που λάβει κανείς υπόψη του το σηµείο από όπου ξεκινάει η φωτιά. Θερµοστοιχεία Περιοχή Φωτιάς Σχήµα 9 Γεωµετρία τυπικού σαλονιού. Πίνακας 2 Θέσεις των θερµοστοιχείων µέσα στο σαλόνι. Θερµοστοιχείο X [m] Y [m] Z[m] TC 1 2.6 2.3 2.1 TC 2 2.6 2.3 1.8 TC 3 2.6 2.3 1.5 TC 4 2.6 2.3 1.2 TC 5 2.6 2.3 0.9 TC 6 2.6 2.3 0.6 TC 7 4.5 0.3 2.1 TC 8 4.5 0.3 1.8 TC 9 4.5 0.3 1.5 TC 10 4.5 0.3 1.2 TC 11 4.5 0.3 0.9 TC 12 4.5 0.3 0.6 TC 13 0.3 4.3 2.1 TC 14 0.3 4.3 1.8 TC 15 0.3 4.3 1.5 TC 16 0.3 4.3 1.2 TC 17 0.3 4.3 0.9 TC 18 0.3 4.3 0.6 Στα σχήµατα 10, 11 και 12 παρουσιάζεται η κατανοµή της θερµοκρασίας σε δύο επίπεδα µέσα στο δωµάτιο, την οροφή και το δάπεδο. Είναι φανερό ότι οι θερµοκρασίες είναι µεγαλύτερες προς την οροφή από ότι στο πάτωµα. Το παραπάνω είναι αναµενόµενο, αφού ο ζεστός αέρας, επειδή είναι ελαφρύτερος, ανεβαίνει προς τα επάνω λόγω των ανωστικών δυνάµεων. Σχήµα 10 Κατανοµή της θερµοκρασίας στη γωνία του δωµατίου. Σχήµα 11 Κατανοµή της θερµοκρασίας στο κέντρο του δωµατίου. Στο σχήµα 13 φαίνονται τρία στιγµιότυπα από την κατανοµή του θερµοκρασιακού πεδίου στα τοιχώµατα του δωµατίου (50, 200 και 400sec από τη χρονική στιγµή έναρξης). Είναι ευδιάκριτη η αύξηση της θερµοκρασίας
στις επιφάνειες των τοιχωµάτων από το σηµείο που ξεκινάει η φωτιά µε το πέρασµα του χρόνου. Τα υλικά του δωµατίου σιγά-σιγά αρχίζουν να ζεσταίνονται, ώσπου η θερµοκρασία τους φτάσει την θερµοκρασία ανάφλεξής των. Έπειτα αρχίζουν να καίγονται, εκλύουν τα πτητικά τους και αυξάνουν την θερµοκρασία τους, έως ότου καούν τελείως. αλληλεπίδραση της φωτιάς µε τα στερεά υλικά. Τα αντικείµενα του δωµατίου καίγονται και εκλύουν πτυτικά, τα οποία µε τη σειρά τους τροφοδοτούν εκ νέου τη φωτιά, µέχρις ότου να καούν πλήρως. Επιπλέον, λόγω των ανωστικών δυνάµεων, τα ζεστά καυσαέρια ανεβαίνουν προς το ταβάνι, µε αποτέλεσµα να παρατηρούνται υψηλές θερµοκρασίες στα ανώτερα στρώµατα του δωµατίου. Τέλος, τα τοιχώµατα του δωµατίου θερµαίνονται σταδιακά, κάτι που δίνει σηµαντικές πληροφορίες για τις θερµικές τάσεις που αναπτύσσονται σε αυτά και κατ επέκταση στα δοµικά στοιχεία της κατασκευής. Σχήµα 12 Κατανοµή της θερµοκρασίας δίπλα από την πόρτα του δωµατίου. IV. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Στην παρούσα εργασία µελετήθηκε η απόδοση προηγµένων υπολογιστικών εργαλείων προσοµοίωσης της φωτιάς. Έγινε διερεύνηση των µηχανισµών µεταφοράς θερµότητας σε περιπτώσεις φωτιάς, όπου διαπιστώθηκε η µεγάλη σηµασία της ακτινοβολίας, κυρίως λόγω της έντονης εξάρτησής της από τη θερµοκρασία. Συγκεκριµένα, το αναπτυσσόµενο υπολογιστικό µοντέλο χρησιµοποιήθηκε για την προσοµοίωση φωτιάς σε ένα τυπικό δωµάτιο. Τα αποτελέσµατα συγκρίθηκαν µε πειραµατικά δεδοµένα από τη βιβλιογραφία και είχαν αρκετά καλή συµφωνία µαζί τους όταν η ακτινοβολία ελήφθηκε υπόψη. Στόχος της προσοµοίωσης της φωτιάς είναι ο σχεδιασµός και η βελτιστοποίηση νέων µεθόδων παθητικής πυρασφάλειας. Για το λόγω αυτό ένα νέο πυροσβεστικό υλικό δοκιµάστηκε (αέρας εµπλουτισµένος µε άζωτο). Η νέα µέθοδος εφαρµόστηκε σε ένα κλειστό δωµάτιο, όπου το πυροσβεστικό υλικό εκτοξεύτητε από δύο ακροφύσια. Η παραµετρική µελέτη που έγινε έδειξε την επίδραση της σύστασης και της παροχής του υλικού στον χρόνο που χρειάζεται για να φτάσει η συγκέντωση του Ο 2 σε µια κρίσιµη τιµή. Τέλος, εξετάστηκε µια πραγµατική φωτιά σε ένα τυπικό σαλόνι σπιτιού. Στην περίπτωση αυτή είναι φανερή η Σχήµα 13 Στιγµιότυπα θερµοκρασίας τοιχωµάτων στα 50, 200 και 400sec.
V. ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Το έργο αυτό συγχρηµατοδοτείται από την Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταµείο (75%) και από Εθνικούς πόρους (25%) Επιχειρησιακό Πρόγραµµα Εκπαίδευσης και Αρχικής Επαγγελµατικής Κατάρτισης (ΕΠΕΑΕΚ) και ειδικότερα από το πρόγραµµα ΠΥΘΑΓΟΡΑΣ. VI. ΑΝΑΦΟΡΕΣ [1] Quintiere J.G., Third Asia-Oceania Symp on Fire Science and Technology, Singapore, 1998, pp. 3-14. [2] Founti M.A., Cox G., Fire Safety: A look in its past and future, Proc. of the Intern. Conference on Technology Watch and innovation in the Construction Industry, Brussels, Belgium, 5-6 April 2000, pp. 121-126. [3] Fire Safety Lecture: Fire Research in the 21 st Century, G. Cox, Fire Safety Journal, Vol. 32, 1999, pp. 203-220. [4] Κεραµίδα Ε.Π., Υπολογιστική ανάλυση µεταφοράς θερµότητας µε ακτινοβολία σε πολυδιάσπαρτο νέφος σωµατιδίων, Αθήνα, ιδακτορική ιατριβή, Σχολή Χηµικών Μηχανικών Ε.Μ.Π., 2000, σελ. 1-11. [5] Radiation extinction limit of counter flow premixed lean methane-air flames, H. Guo, Y. Ju, K. Maura, T. Niioka, Combustion Flame, Vol. 109, 1997, pp. 639-646. [6] A. Abbud-Madrid, D.P. Ronney, Effects of radiative and diffusive transport processes on premixed flames near flammability limits, Proceedings of the Twenty-Third Symposium on Combustion, The Combustion Institute, Pittsburgh, USA, 1990, pp. 423-431. [7] Flamelet structure of radiating CH 4 -air flames, S.H. Chan, X.C. Pan, M.M.M. Abou-Ellail, Combustion Flame, Vol. 102, 1995, pp. 438-446. [8] The effect of thermal radiation and radiation models on hydrogen-hydrocarbon combustion modelling, M. Ilbas, Int. J. Hydrogen Energy, Vol. 30, 2004, pp. 1113-1126. [9] Investigations of hydrogen and hydrocarbon composite fuel combustion and NOx emission characteristics in a model combustor, M. Ilbas, I. Yilmaz, Y. Kaplam, Int. J. Hydrogen Energy, Vol. 30, 2005, pp. 1139-1147. [10] Radiative heat transfer in natural gas-fired furnaces, E.P. Keramida, H.H. Liakos, M.A. Founti, A.G. Boudouvis, N.C. Markatos, International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 43, 2000, pp. 801-809. [11] Predicting radiative transfer in axisymmetric cylindrical enclosures using the discrete ordinates method, A.S. Jamaluddin, P.J. Smith, Combustion Sci. Technol., Vol. 62, 1988, pp. 173-186. [12] Evaluation for radiative transfer in rectangular furnaces, N. Selcuk, Int. J. Heat Mass Transfer, Vol. 31, 1988, pp. 1477-1482. [13] Two-dimensional radiation in absorbing-emitting media using the P-N approximation, A.C. Ratzell, J.R. Howell, ASME J. Heat Transfer, Vol. 105, 1983, pp. 333-340. [14] Flux methods for the analysis of radiant heat transfer, R.G. Siddall, J. Inst. Fuel, Vol. 101, 1974, pp. 101-109. [15] Lockwood F.C., Shah N.G., A new radiation solution method for incorporation in general combustion prediction procedures, Proceedings of the Eighteenth Symposium (Inter.) on Combustion, The Combustion Institute, Pittsburgh, USA, 1981, pp. 1405-1416. [16] Radiation through a foggy atmosphere, A. Schuster, J. Astrophys., Vol. 21, 1905, pp. 1. [17] Radiation and heat conduction in light-scattering material: Part I, H.C. Hamaker, Philips Res., Vol. 2, 1947, pp. 55. [18] Thermal radiation effects on fires in enclosures, Hoffmann N., Markatos N.C., Appl. Math. Modelling, Vol. 12, 1988, pp. 129-140. [19] Numerical simulations of smoke movement from a pool fire in a ventilated tunnel, D.F. Fletcher, H.J. Kent, V.B. Apte, A.R. Green, Fire Safety J., Vol. 23, 1994, pp. 305-325. [20] CFD and experimental studies of room fire growth on wall lining materials, Z. Yan, G. Holmstedt, Fire Safety J., Vol. 27, 1996, pp. 201-238. [21] The fire environment in a multi-room building Comparison of predicted and experimental results, M. Luo, V. Beck, Fire Safety J., Vol. 23, 1994, pp. 413-438. [22] Application of field model and two-zone model to flashover fires in a full-scale multi-room single level building, M. Luo, Y. He, V. Beck, Fire Safety J., Vol. 29, 1997, pp. 1-26. [23] Thermal radiation effects on fires in enclosures, N. Hoffman, N.C. Markatos, Appl. Math. Modelling, Vol. 12, 1988, pp. 129-140. [24] S. Kumar, N. Hoffman, G. Cox, Mathematical modelling of fires in hospital wards, 14 th National Conf. on Fluid Mechanics and Fluid Power, 1987. [25] F. Magnussen, Modeling of NOx and Soot Formation by the Eddy Dissipation Concept, CIMAC Conference, Tianjin, China, 4-9 June 1989. [26] High temperature oxidation of CO and CH4, F.L. Dryer, I. Glassman, 14th Symposium (International) on Combustion, The Combustion Institute, Pittsburg, USA, 1973, pp. 987. [27] Fundamentals of Air Pollution Engineering, R.C. Flagan, J.H. Seinfeld, Prentice-Hall, NJ, 1979, pp. 542. [28] K.D. Steckler, J.G. Quintiere, W. J. Rinkinen, Flow induced by fire in a compartment, NBSIR 82-2520, National Bureau of Standards, 1982.