Geometria della galleria e superfici di controllo

Questa simulazione è stata effettuata con l’obbiettivo di validare un secondo modello soft-ware, su scala naturale per quanto riguarda le dimensioni della sezione trasversale della galleria. La validazione è stata basata su dati sperimentali [5] ottenuti da una prova su scala reale effettuata nella galleria “Colli Berici” sita sull’autostrada A4 tra i caselli di Vicenza Est e Vicenza Ovest da parte di Società Autostrade e l’Ispettorato interregionale dei Vigili del Fuoco per il Veneto e il Trentino-Alto Adige avvenuta il 10 e 11 dicembre 1999 (par 1.4.1). La geometria predisposta nella simulazione riprende la medesima sezione trasversale del tunnel “Colli Berici”, mentre la lunghezza è stata ridotta a 100 m rispetto ai 550 m della struttura esistente al fine di contenere il costo computazionale della simulazione e poiché nell’esecuzione della prova le sonde erano state posizionate ad un distanza massima dal focolare (posto al centro) di 50 m. Le dimensioni del modello e della galleria reale sono riportate alla Tabella 5.1.

Tabella 5.1: Dimensioni del tunnel reale e del tunnel modellato.

Modello FDS Galleria “Colli Berici”

Larghezza del piano stradale (m) 9,46 9,46

Raggio della volta (m) 4,93 4,93

Altezza in chiave di volta (m) 6,36 6,36

Lunghezza (m) 100,00 550,00

Per quanto riguarda i materiali associati alle superfici è stato utilizzato il materiale calce-struzzo per gli oggetti che formano il tunnel mentre per i marciapiedi ai lati della sede stra-dale alla pavimentazione strastra-dale invece è stato associato il materiale asfalto. Per tutte le facce inferiori dei suddetti OBST sono state associate proprietà di inerte.

Durante la prova sperimentale il tunnel è stato suddiviso in 5 sezioni simmetriche per la predisposizione degli apparecchi per la registrazione dei parametri fisici di controllo dell’in-cendio come riportato in Tabella 5.2.

Tabella 5.2: Sezione della galleria reale.

Sezione Distanza dal focolare [m] Numero di sonde

A -50,00 5,00

B -20,00 12,00

C 0,00 26,00

D +20,00 12,00

E +50,00 5,00

Nel modello sono state quindi riprodotte le sezioni A, B e C e in queste sezioni sono state disposte le termocoppie nelle medesime posizioni rispetto al setup sperimentale. A titolo di esempio le Figure 5.1 e 5.2 riportano rispettivamente la disposizione delle termocoppie nella sezione C del tunnel reale e del tunnel riprodotto per la simulazione numerica.

Simulazione 2 – Pool Fire

5.1.2 Meshing

Per la costruzione del modello in FDS il dominio è stato suddiviso in celle elementari della dimensione di 0,3 m e 0,6 m rispettivamente per la parte centrale del dominio (dove è pre-sente la sorgete) e per le parti di estremità del dominio, come visibile in Figura 5.3.

Figura 5.3: Suddivisione della mesh lungo il dominio.

La scelta di predisporre dimensioni differenti delle celle elementari è dettata dalla necessità di ridurre il tempo di calcolo che il solutore impiega per terminare la simulazione ma ottenere comunque dei risultati significativi. Per tale motivo si è quindi optato per una risoluzione della mesh più fitta nei pressi della sorgente e meno fitta alle estremità.

5.1.3 Sorgente di incendio

La sorgente di incendio nella prova sperimentale era rappresentata da una pozza di una miscela di benzina, gasolio e acqua per un volume totale di 135,00 litri e un diametro della sorgente di 1,20 m. Nel modello software è stata quindi costruita una vasca con 5 elementi di tipo OBST.

A tali elementi sono state associate le caratteristiche del materiale acciaio tramite la linea di comando SURF con la quale vengono create delle superfici che vengono in seguito “appli-cate” agli oggetti creati. A tale superfici l’utente può assegnare della proprietà, andando come in questo caso a simulare un materiale, oppure per modellare una sorgente di incendio o un’immissione nel dominio di una determinata specie chimica.

MESH OUTLET (0,6 m)

MESH FIRE (0,3m)

Per quanto concerne il materiale combustibile liquido, è stata implementata una superficie e dunque associato un determinato valore di MRL – Mass Loss Rate. Questa parametro è stato calcolato a partire dalle proprietà della sostanza evaporante (Burges and Hertzberg, 1974) così come riportato in eq. (5.1):

𝑊_𝑏 = 𝐶 ^∆𝐻𝑐

∆𝐻_𝑣+ 𝑐_𝑝(𝑇_𝑏− 𝑇_𝑎)

[5.1]

dove 𝑊_𝑏 è la porta di vapori che abbandonano la pozza espressa in kg/m2 ∙s, 𝐶 è una co-stante del valore di 0.001 kg/m2∙s, ∆𝐻_𝑐 è il calore di combustione in J/kg, ∆𝐻_𝑣 è il calore di vaporizzazione in J/kg, 𝑐_𝑝 è il calore specifico a pressione costante in J/kg∙K e 𝑇_𝑏 e 𝑇_𝑎 sono rispettivamente la temperatura di ebollizione e la temperatura ambiente in K. Il valore così ottenuto viene moltiplicato per un coefficiente correttivo per tenere conto della diluizione che il combustibile liquido ha subito in fase di prova sperimentale: ai 90 litri della miscela di gasolio e benzina sono stati aggiunti 45 litri di acqua e poiché quest’ultimo componente non è combustibile e rappresenta circa il 30% del volume della miscela totale si è ritenuto op-portuno applicare il un coefficiente correttivo al valore di MLR di stima pari a 1-30% = 0,7. È stata inoltre modellata una curva di rilascio di massa con andamento del tipo ~𝑡2, con un picco a circa 600 secondi. Tale andamento è stato implementato al fine di riproporre un andamento quanto più similare a quello delle temperature che le sonde hanno registrato durante la prova sperimentale, si è ipotizzato quindi che il picco di temperatura coincidesse con il picco di MLR.

Per la chimica della combustione è stato adottato un approccio Complex Stoichiometry mo-dellando quindi le specie di reagenti (dodecano C12H26 e aria, modellata come una miscela di azoto e ossigeno) e prodotti. Il bilanciamento delle reazioni è stato effettuato mediante un

tool basato su uno script1 di Matlab®. Per la modellazione di reagenti e prodotti è stato necessario introdurre in FDS delle miscele contenenti le singole specie chimiche dei prodotti e dei reagenti con i relativi coefficienti stechiometrici derivati dal bilanciamento della rea-zione. La Figura 5.4 riporta il bilanciamento dell’equazione mediante il tool citato in prece-denza.

Simulazione 2 – Pool Fire

Figura 5.4: Bilanciamento della reazione di combustione del dodecano in aria.

Nello svolgimento della simulazione è stato attivato il modulo per il calcolo della trasmissione del calore per irraggiamento. In questo modo le sonde posizionate nelle sezioni di controllo hanno potuto registrare gli effetti, in termini di temperatura, dell’irraggiamento dei gas e fumi caldi che si trovavano nei pressi dell’intradosso della volta della galleria.

Il modulo RADI per il calcolo dell’irraggiamento può allungare i tempi di calcolo fino al 25% [1], ma i risultati ottenuti sono maggiormente precisi poiché nel caso in cui questo modulo fosse disattivato il software calcolerebbe la trasmissione del calore derivante solamente da contributi di tipo convettivo o conduttivo, perdendo di conseguenza il contributo radiativo. Tale contributo però risulta essere di fondamentale importanza soprattutto nel caso di am-bienti confinati nei quali la massa di fumi e gas caldi si dispone in uno strato a ridosso della sommità del dominio di calcolo.