metro tünellerinde yangın senaryosu analizleri

METRO TÜNELLERİNDE YANGIN SENARYOSU ANALİZLERİ
Ahmet Açıkgöz, Mustafa Ö. Gelişli, Emre Öztürk
ANOVA Mühendislik
www.anova.com.tr
1. ÖNEMİ
Tünel inşaatlarının ilk yıllarında, havalandırma mühendisleri normal çalışma durumu
için tasarım yaparken son 10 yılda tasarım dışı (off-design) durumlar için de çalışmalar
yapılmaktadır. Tasarım dışı operasyonun en önemli maddesi ise tünelde çıkacak olası
yangındır. Mart 1999'da Mont Blanc tünelinde 39, Mayıs 1999'da Tauern tünelinde 12 ve
Kasım 2000'de Kitzsteinhorn tünelinde 155 kişi yanarak ya da dumandan zehirlenerek
hayatını kaybetmiştir. Bu trajik olayların sonucunda tünel güvenliği için değişik yangın
senaryolarinda havalandırma performansının tasarım aşamasında incelenmesinin
önemi anlaşılmıştır.
2. METODOLOJİ
Yangın senaryolarının incelenmesi için iki yol izlenebilir. Bir tanesi küçük ölçekli bir
model oluşturulup burada yangın çıkartılarak deneysel inceleme yapılır. Bu oldukça
maliyetli ve zor bir tercihtir. Diğer bir yöntem ise Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği
(HAD) yazılımları ile senaryoların bilgisayar ortamında simulasyonudur.
Hesaplamalı akışkanlar dinamiği çözümlerini ise iki başlık altında inceleyebiliriz. Bir
tanesi göreli olarak daha eski bir yöntem olan, 1-boyutlu sistem modellemesi, diğer ise
daha detayli inceleme yapılabilen ve daha kapsamlı bir yöntem olan 3-boyutlu
modellemedir. Geçmiş yıllarda 1-boyutlu sistem simulasyon yazılımları tünel yangın
senaryolarının incelenmesinde daha sık kullanılırken, bilgisayar hızlarının artması ile
artık 3-boyutlu yazılımlara daha fazla önem verilmiştir. 3-boyutlu HAD yazılımlarının 1boyutlu yazılımlara olan üstünlüğü gerçek geometrinin birebir modellenebilmesi, yani
merdiven çıkışları, fan odası, damper, tren gibi geometrilerin aslına sadık olarak
oluşturulması, akış denklemlerini sadeleştirmeden çözmesi ve bütün bunların sonucu
olarak çok daha gerçekçi ve hassas sonuçların alınmasıdır. 1-boyutlu kodlar ise bütün
yerlatı sisteminin makro boyutta incelenmesinde ön tasarım aşamasında halen değerli
bilgiler vermektedir. Şekil 1'de 1-boyutlu bir model ile 3-boyutlu modelindeki detay
gösterilmiştir.
Tünel
Merdivenler
Tren
Makas
bölgesi
Fan odası
İstasyon
Şekil 1. 1-boyutlu ve 3 boyutlu modeller
Fan odası ve
damper detayı
Şekil 2. Istasyonda detay
3. HESAPLAMALI AKIŞKANLAR DİNAMİĞİ
HAD yaklaşımı temel olarak, oluşturulan modelde, modelin binlerce bazen milyonlarca
küçük parçaya bölünmesi ve bölünen her parça için Navier-Stokes –ya da basitleştirilmiş
formlarının- gerçeğe en yakın çözümününün sanal ortamda yapılmasıdır. HAD
modellerinde genellikle model büyüklüğü konusunda herhangi bir kısıtlama olmamasına
rağmen, model büyüdükçe gerek çözüm zamanlari gerekse hesaplama gücü ihtiyaci
artmaktadır. Örnegin günümüz PC’leri ile iki istasyon ve aradaki tünel analiz edilebilir
ancak daha fazla sayıda tunel aynı anda incelenmek istenirse o zaman küme ya da
paylaşımlı bellek bilgisayar altyapısına ihtiyaç duyulur. Bunun sebebi oluşturulan
modellerden doğru sonuç alabilmek için modelin yeterli sayıda parçaya bolunmesi
gerekliligidir. Sayısal ağ olarak tabir edilen bu bölme işlemi sonucunda aşağıda
gösterilene benzer gridli yapılar ortaya çıkar.
Uygun fiziksel modellerin ve sınır koşullarının seçilmesi ile yangın senaryosu
tanımlanmış olur. Senaryoda oluşturulan modele göre, yangının nerede çıkacağı, kaç
MW’lık bir yangın olduğu, fanların hangi yonde çalışacağı, varsa damperlerin açısı
belirlenir. Genelde en kötü durum için senrayo oluşturulur. Bu durum trenin iki
istasyona da, haliyle istasyonlardaki fanlara en uzak olduğu durum için, ya da tünel
eğitiminin en fazla olduğu durum için, ya da varsa makas bölgelerinde yangının çıkması
durumu için tanımlanır.
Yapılan analizler ile
oluşturululan her grid
noktasında hız, sıcaklık,
basınç
ve
duman
yoğunluğu
değerleri
öğrenilebilir.
Bu
değerler
incelenirken
yolcuların
tahliyesi
esnasında
yolcularin
sıcak dumana maruz
kalıp kalmadıkları ve
tunel içerisindeki hız
buyuklukleri bakılan en
önemli parametrelerdir.
Yangın sonucu oluşan
duman,
yüksek
sıcaklığının etkisi ile
hafifler
ve
tünel
tavanına
yukselir.
Fanların çalışma yönü
ve varsa tünelin eğimi,
dumanın hangi yone doğru gidecegini belirler. Tahliye yonunun aksi yönde çalıştırılan
fanlar yeterince güçlü değillerse, tünel içindeki toplam basınç kaybını yenemezler ve
oluşturdukarı debi sıcak dumanı tahliye etmeyi başaramaz. Ya da tünel içerisindeki hız
büyüklükleri kritik değerlerin altında veya üstünde olabilir. Hızların kritik değerlerin
altında kalması duman difuzyonuna neden olurken, üstüne çıkması ise özellikle
çocukların yüksek bir dirence karşı ilerlemeleri gibi olumsuz bir durum doğurur.
Aşağıdaki resimlerde 15 MW’lik bir yanginda yaklaşık 800 metrelik bir tünel için 4 adet
jetfan ile yapılan havalandırm sonucu kararlı rejime ulaşmış sıcaklık dağılımı ve akış
çizgileri gösterilmiştir. Sıcaklık konturları ile fanların sıcak havayı nasıl emdiği açık bir
şekilde görülmektedir. Istasyon tavanına yakın olan fan, hafif olduğu için yükselen sıcak
havayı daha iyi emerken, alçakta duran fan aynı verimlilikte emememektedir. Bu da
dumanın bir kısmının istasyona kaçmasına sebep olmaktadır, çünkü fan odası tunel ile
istasyon arasına konumlandırılmıştır. Akış çizgileri ise damperlerin akışı nasıl
yönlendirdiğini, varsa tunele gitmesi gerekirken istasyona kaçış yapan havanın
görüntülenmesinde kullanılır.
Şekil 3. HAD sonuçları, sıcaklık (üstte) ve akış çizgileri
Sıcaklık Görüş Mesafesi
(K)
(m)
Hesaplamalı
akışkanlar
dinamiğinin tünel analizlerinde kullanılabileceği bir
başka alan da görüş mesafesinin
hesaplanmasıdır.
Yangın esansında oluşan
dumanın kaçış yönünün
aksi
yönde
tahliyesi
sırasında kaçış yönüne
difüze olan duman görüş
mesafesini düşüreceği için
tahliyeyi de zora sokabilir.
Bu amaçla yapılan bir çalışmada
havalandırmanin
soldan sağa olduğu durum
için sıcaklık ve görüş
mesafesi konturları aşağıda
gösterilmiştir.
Şekil 4. Görüş mesafesi ve duman yoğunluğu
Eğer ilk analizler sonrasında olumsuz koşullar ile karşılaşılırısa, alınacak tedbirler ile
inşaat aşamasına geçmeden güvenli bir havalandırma sistemi oluşturulabilir. Bu amaçla;
– daha güçlü jetfan seçimi
– daha fazla sayıda jetfan kullanımı
– mimari projede değişiklik
– fanların farklı kombinasyonlarda çalıştırılması
gibi çözümler geliştirilebilir. Bu çözümlerin en kolayı ise daha güçlü bir fan kullanmaktır.
Bu şekilde yapılan bir değişiklik oluşturulan HAD modelini de değiştirmeyeceği için
fazladan bir modelleme yükü getirmez. Aşağıdaki fan eğrileri grafiğinden görüldüğü gibi
debisi daha yüksek bir fan ile istenilen tünel içi sıcaklık ve hız profili aralğınıda değerler
elde edilebilir. Eğer fanları güçlendirmek yetmez ise o zaman fan sayısının arttırılması,
ya da daha radikal bir önlem olan mimari projenin değiştirilmesi düşünülebilir.
Toplam
Basınç
Hacimsel
Debi
Şekil 6. Fan eğrileri
4. ANALİZLERİN DOĞRULUĞU
Yapılan analizlerin doğruluğu ve hassasiyeti tamamen kullanıcının girdilerine, kullanilan
modellere, yapılan yaklaşımlara ve çözücünün gücüne bağlı olarak değişir. Kullanıcının
yanlış parameterler ya da fiziksel modeller ile yaptığı analiz gerçek değerlerden çok uzak
olabilir. Ideal olarak, oluşturulan HAD modellerinin en az bir tanesi deneysel sonuçlar ile
doğrulanmalıdır. Elde deneysel veri yoksa, daha önceden yapılmış deneyler için doğrulama
yapılabilir. Bir doğrulama çalışmasi FLUENT firmasından Dr. Walter Schwarz tarafından
“Memorial Tunnel Fire Ventilation Test Program” çerçevisinde yapılan deneylerin
simulasyonu ile gerçekleştirilmiştir.
Yandaki resimde tünelde
50 MW’lik bir yangının
oluşturuldugu hacimsel
bölge gösterilmiştir. Bu
bölge içerisinde oluşan ısı
terimi, oksijen tüketim
miktarı ve duman oluşum
miktari
sınır
koşulu
olarak tanımlanmıştır.
Yangın analizi zamana
bağlı olarak çözülmüş ve
belirli aralıklarda oluşan
hız profilleri ve sıcaklık
dağılımları deneysel verilerle
karşılaştırılmıştır.
Oluşturulan HAD modellerinin deney sonuçları ile örtüştüğü gözlenmiştir. Aşağıdaki resimde yangının başlamasından 180 saniye sonra sıcaklık ve hız dağılımı FLUENT’den alınan sonuçlar ile
karşılaştırılmıştır.
Şekil 7. Sayısal sonuçların (üstte) deneysel sonuçlar ile karşılşatırılması
5. SONUÇ
3-boyutlu hesaplamalı akışkanlar dinamiği metodları, tünel havalandırma sistemlerinin
yangın gibi kaza senaryolarının oluşması durumunda nasıl çalışacağı ve sıkıntılı çalışan
bölgelerin tespitinde ve iyileştirilmesinde kullanılabilir. Detaylı modelleme olanağı, akış
denklemlerini en doğru şekilde çözmesi ve deneysel çalışmalara göre ucuz olması gibi
avantajları sayesinde daha geniş bir kullanım alanı bulmaktadır.
KAYNAKLAR:
FLUENT v6.2 User’s Guide, 2005 (www.fluent.com)
Dr. Walter Schwarz, CFD Validation for Ventilation Systems with Strong Bouyancy, Issues
of CFD Applications in Tunnels, ASHRAE Winter Meeting, 2000.
Fathi Tarada , Fire Hazard Calculations in Tunnels Using CFD,
Dr. Marco Bettelini, CFD for Tunnel Safety, FLUENT Users Group Meeting, 2001
Zitron Fan Catalogue