Estudio Numérico de la Propagación del Humo en Caso de Incendio en Vagón de una Estación de Transporte Subterráneo

Transcripción

1 UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR Decanato de Estudios Profesionales Coordinación de Ingeniería Mecánica Estudio Numérico de la Propagación del Humo en Caso de Incendio en Vagón de una Estación de Transporte Subterráneo Por: Felipe Eduardo Vittori Gil Sartenejas, Abril 2008

2 UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR Decanato de Estudios Profesionales Coordinación de Ingeniería Mecánica Estudio Numérico de la Propagación del Humo en Caso de Incendio en Vagón de una Estación de Transporte Subterráneo Por: Felipe Eduardo Vittori Gil Realizado con la tutoría del Profesor: Luis R. Rojas Solórzano PROYECTO DE GRADO Presentado ante la Ilustre Universidad Simón Bolívar como requisito parcial para optar al grado de Ingeniero Mecánico Sartenejas, Abril 2008

3 UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR Decanato de Estudios Profesionales Coordinación de Ingeniería Mecánica Estudio Numérico de la Propagación del Humo en Caso de Incendio en Vagón de una Estación de Transporte Subterráneo Presentado por: Felipe Eduardo Vittori Gil Realizado con la tutoría del Profesor: Luis R. Rojas Solórzano RESUMEN Luego del incendio ocurrido en el túnel Mont Blanc en 1999, que cobró la vida de alrededor de 50 personas, se comenzó a estudiar el comportamiento de los sistemas de seguridad y de emergencia de muchos de los túneles de carretera y trenes en Europa, los cuales arrojaron resultados bastante interesantes y útiles sobre cómo ayudar a combatir incendios en espacios cerrados. Este trabajo trata sobre el análisis de la propagación de humo dentro de espacios cerrado por medio de la mecánica de fluidos computacional. El estudio tiene por objetivo evaluar la capacidad del sistema de ventilación de emergencia para controlar el avance el humo y minimizar el impacto de un incendio en los usuarios y en las instalaciones del Metro de Caracas. Para esto, se seleccionó el túnel correspondiente al tramo Teatros-Nuevo Circo de la nueva línea 4 del Metro, la cual consiste en un conjunto de dos túneles gemelos independientes conectados únicamente por un pasaje transversal. Estos poseen un sistema de ventilación longitudinal generada por ventiladores reversibles ubicados en los extremos. El estudio consta básicamente de dos etapas, la primera se basa en un análisis de la sensibilidad del mallado y en la validación de parámetros físico-numéricos a emplear en el modelo, utilizando resultados experimentales de la propagación de humo en un túnel de carretera a escala reducida 1/20 [O. Vauquelin, O. Mégret; Smoke Extraction Experiment in Case of Fire in a Túnel] para así ajustar y comprobar la capacidad del programa ANSYS CFX en simular el comportamiento del humo. La segunda etapa consiste en analizar la geometría del modelo de interés para realizar las simplificaciones necesarias que permitan ahorrar costo computacional. Además es necesario imponer las condiciones de borde, las cuales son suministradas a partir de datos característicos de las instalaciones y equipos del Metro de Caracas. Finalmente se establecen los escenarios más críticos posibles, basados en los datos anteriores para realizar las simulaciones respectivas y así evaluar las rutas de evacuación, caminos alternos, observar el avance del frente de humo y verificar si existe la presencia del fenómeno llamado backlayering. Aprobado con Mención: Sobresaliente Sartenejas, Abril 2008

4 AGRADECIMIENTOS A mis padres y familiares por brindarme el apoyo, la fuerza y los consejos para mantenerme firme y trabajando para cumplir mis metas. Al Prof. Luis Rojas por haber ofrecido su disposición y ayuda en los momentos de dificultades que se presentaron en el trabajo y sobretodo por haber compartido sus conocimientos para guiarme en el transcurso del proyecto. Al Prof. Armando Blanco por enseñarme los principios de la mecánica de fluidos, por alentarme en la profundización de los conocimientos en la ciencia y por brindarme su apoyo y consejos. A todos mis amigos, porque cada uno de ellos brindó un apoyo, una ayuda, un consejo de forma diferente, lo que me permitió avanzar y superar las dificultades que se presentaron. Todos y cada una de las personas que considero como amigos siempre estuvieron presentes, para ofrecer su respaldo por lo cual se me hace difícil agradecer de forma particular a cada uno de ellos, además no quisiera omitir a alguno de ellos por error. Quiero que sepan que estoy en deuda con ustedes y espero responderle y prestarles mi ayuda de la misma forma que ustedes lo hicieron conmigo. A HILTI de Venezuela por haber financiado este proyecto y apoyar el desarrollo de la tecnología en la Universidad Simón Bolívar. A Metro de Caracas por haber prestado ayuda y colaboración en la búsqueda de información necesaria para la ejecución del trabajo. A Dios sobretodas las cosas por darme salud y vida para lograr cumplir mis objetivos y permitirme existir y disfrutar de la amistad de mis amigos y el amor de mi familia.

5 i ÍNDICE GENERAL CAPÍTULO 1: INTRODUCCIÓN PLANTEAMIENTO DEL TEMA TENDENCIAS EN LA ACTUALIDAD PARA EL ESTUDIO DE MEDIDAS CONTRA-INCENDIO ESTRUCTURA DEL TRABAJO... 4 CAPÍTULO 2: OBJETIVOS PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA OBJETIVO GENERAL Objetivos Específicos... 6 CAPÍTULO 3: MARCO TEÓRICO MODELAJE VÍA CFD ECUACIONES DE GOBIERNO REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA SISTEMAS DE VENTILACIÓN CAPÍTULO 4: METODOLOGÍA VALIDACIÓN DE LA HERRAMIENTA CFD MODELO A ESTUDIAR Mallado... 31

6 ii Condiciones de Borde CAPÍTULO 5: RESULTADOS SIMULACIÓN DE LA PROPAGACIÓN DE HUMO SIN VENTILACIÓN DE EMERGENCIA SIMULACIÓN DE LA PROPAGACIÓN DE HUMO CON UNA SALIDA DEL 25% DEL CAUDAL MÁSICO INYECTADO DESDE CABEZALTEATROS SIMULACIÓN DE LA PROPAGACIÓN DE HUMO CON UNA SALIDA DEL 50% DEL CAUDAL MÁSICO INYECTADO POR CABEZAL TEATROS SIMULACIÓN DE LA PROPAGACIÓN DE HUMO CON UNA SALIDA DEL 75% DEL CAUDAL MÁSICO INYECTADO POR CABEZAL TEATROS CAPÍTULO 6: CONCLUSIONES RECOMENDACIONES REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS... 67

7 iii ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1.1. Camión que inició el incendio en el túnel Mont Blanc en (Kumar, 2004)...2 Figura 3.1. Modelo geométrico (b) y mallado (a)....9 Figura 3.2. Modelo computacional y líneas de corriente en el túnel. (Abantos et al., 2006)...12 Figura 3.3. Esquema de ventilación transversal. (Kashef et al., 2003)...16 Figura 3.4. Esquema de ventilación longitudinal. (Kashef et al, 2003)...16 Figura 3.5. Esquema de ventilación semi-transversal, a modo de extracción. (Kashef et al., 2003)...17 Figura 3.6. Influencia de la velocidad crítica sobre la propagación de humo. (Kashef et al., 2003)...18 Figura 3.7. Corriente de aire en dirección de la pendiente. En función de la ventilación. (McDonald et al., 1999)...19 Figura 3.8. Corriente de aire en dirección contraria a la pendiente. En función de la ventilación. (McDonald et al., 1999)...19 Figura 4.1. Ejemplo de un elemento correspondiente a una malla en 2-D...21 Figura 4.2. Esquema del modelo experimental empleado para la determinación de la eficiencia del sistema de ventilación del túnel de carretera...22 Figura 4.3. Geometría y condiciones de borde para validación del modelo numérico Figura 4.4. Detalles del mallado. Vistas de la fuente de humo y de la refinación local...25 Figura 4.5. Segmento de medición en el túnel Figura 4.6. Perfiles longitudinales de humo para mallas de tamaño promedio de elementos de 2m (refinada), 0,3m (simple) y 0,5m (refinada y simple)...26 Figura 4.7. Perfiles longitudinales de temperatura para mallas de tamaño promedio de elementos de 2m (Refinada), 0.3m (Simple) y 0.5m (Refinada y Simple) Figura 4.8. Dominio computacional del túnel...29 Figura 4.9. Vista detallada de los cabezales...30 Figura Ubicación del pasaje transversal...31 Figura Malla Tetraédrica....32

8 iv Figura Refinación en los ductos del cabezal Teatros Figura Ubicación de la fuente de humo...34 Figura Condiciones de borde en el túnel...36 Figura Esquema de ventilación con la nueva condición de borde en el portal de Teatros Figura 5.1. Muestra del estancamiento del humo en la parte inferior del tren...39 Figura 5.2. Perfil longitudinal de humo sobre la pasarela. Caso sin ventilación...40 Figura 5.3. Perfil longitudinal de temperatura sobre la pasarela. Caso sin ventilación...41 Figura 5.4. Muestra del avance del humo sobre la pasarela...42 Figura 5.5. Ubicación de la línea de medición 1 sobre el pasaje transversal Figura 5.6. Perfil longitudinal de humo sobre la pasarela. Caso 25%...44 Figura 5.7. Secuencia del avance del humo...44 Figura 5.8. Perfil longitudinal de temperatura sobre la pasarela. Caso 25%...46 Figura 5.9. Contornos de temperatura y concentración de humo a lo largo de la pasarela...47 Figura Perfil de concentración a la altura de la fuente de humo. Caso 25%...48 Figura Posición de línea de medición 2 y concentración de humo entre tren y pasarela Figura Perfil longitudinal de humo sobre la pasarela. Caso 50%...51 Figura Nube de humo a los 10s Figura Perfil longitudinal de temperatura sobre la pasarela. Caso 50%...53 Figura Contornos de temperatura y concentración de humo a lo largo de la pasarela. Caso de 50%...54 Figura Perfil de concentración a la altura de la fuente de humo. Caso 50%, sobre línea de medición Figura Contorno de temperatura delante de ductos...55 Figura Nube de humo sobre ventilación 1 y Figura Perfil longitudinal de humo sobre la pasarela. Caso 75%...59 Figura Perfil longitudinal de temperatura sobre la pasarela. Caso 75%...60 Figura Contornos de temperatura y concentración de humo a lo largo de la pasarela. Caso 75%...61 Figura Contorno de temperatura delante de ductos de extracción. Caso 75%...61

9 v ÍNDICE DE TABLAS Tabla 4.1. Parámetros experimentales seleccionados para la validación del modelo numérico Tabla 4.2. Comparación de resultados numéricos y experimentales...28 Tabla 4.3. Datos de la fuente de humo...35 Tabla 5.1. Proporciones de humo que salen del túnel. Caso 25%...50 Tabla 5.2. Proporciones de humo que salen del túnel. Caso 50%...57 Tabla 5.3. Proporciones de humo que salen del túnel. Caso 75%...62 Tabla 5.4. Eficiencia de cada caso...63

10 vi NOMENCLATURA U vector de velocidad ρ densidad del fluido t tiempo p presión g aceleración de gravedad μ viscosidad μ effec viscosidad efectiva δ matriz identidad S M termino fuente de la ecuación de momentum S E termino fuente de la ecuación de energía h entalpía específica λ conductividad térmica T temperatura P producción de turbulencia debido a fuerzas de viscosidad y gravedad C ε1, C ε2, σ ε y σ k constantes del modelo de turbulencia Dφ difusividad térmica μt viscosidad de Eddy turbulenta Sct número de Schmidt turbulento

11 vii Sφ termino fuente en la ecuación de transporte Q EXT caudal másico de humo extraído por la ventilación Q SMOKE caudal másico de humo de la fuente ε eficiencia del sistema de ventilación backlayering capa de humo que avanza en contra-corriente.

12 CAPÍTULO 1: INTRODUCCIÓN En este capítulo se explica la influencia de los túneles de carretera y de ferrocarriles en la vida cotidiana de los seres humanos para luego mostrar las vulnerabilidades y riesgos a las que están sometidas estas estructuras a causa de los incendios y de cómo éstos afectan directamente la integridad de los usuarios. Además, se menciona las tendencias actuales en el mundo sobre los estudios de riesgo basados en herramientas computacionales como CFD (Dinámica de Fluidos Computacional, por sus siglas en inglés). 1.1 PLANTEAMIENTO DEL TEMA Los túneles son obras civiles parcialmente encerradas, diseñadas y construidas por el hombre para permitir y agilizar la comunicación inter-urbana y extra-urbana en las ciudades y entre ciudades. Los túneles permiten el paso a través montañas y bajo la tierra o el mar. A través de los túneles pueden circular ferrocarriles y vehículos automotores. En muchos países, existen extensas instalaciones subterráneas que interconectan distintas zonas de sus ciudades, sirviendo como complemento al deficitario transporte público superficial. En Venezuela, esas instalaciones se refieren a: Metro de Caracas, Metro de Valencia y todas las futuras redes que están por instalarse en el futuro cercano. Los túneles, al igual que otras obras civiles, están sujetos a la ocurrencia de siniestros como terremotos e incendios. Por ejemplo, se puede citar la tragedia ocurrida en el túnel de carretera del Mont Blanc en 1999 (ver Fig. 1.1), en el cual un camión con un cargamento de margarinas y aceites comestibles sufre un accidente debido a fallas mecánicas que luego, se transforma en un fuerte incendio, esparciendo humo a lo largo del todo el túnel y alimentado por las sustancias antes mencionadas como fuentes de combustibles (Lacroix, 2001). Se puede apreciar que los incendios se originan por causas probabilísticas y por lo tanto, no se puede asegurar que no van a suceder(lacroix, 2001).

13 2 Figura 1.1. Camión que inició el incendio en el túnel Mont Blanc en (Kumar, 2004) Los incendios en túneles representan un problema de carácter internacional y la seguridad es una de las mayores preocupaciones en el diseño y operación de estas instalaciones (Kashef et al., 2003). Por ello, existen organizaciones como la Permanent Internacional Association of Road Congresses (PIARC) y la National Fire Protection Association (NFPA) que se encargan de investigar y analizar las medidas contra incendio basándose en desastres pasados y en estudios experimentales. De forma general las organizaciones mencionadas proponen, básicamente en el evento de un incendio dentro de un túnel, que las medidas de seguridad estén orientadas a: Evacuación segura de las personas atrapadas dentro del túnel. Operaciones seguras de los grupos de rescate. Mínima cantidad de efectos en el ambiente a causa de la propagación de los gases de combustión. Mínimas pérdidas materiales. Basado en el orden de los puntos anteriores, se aprecia que los procedimientos de emergencia y estudios en caso de incendio están orientados primordialmente a la preservación de la vida de los usuarios; por lo tanto, se debe

14 3 tener en cuenta que las principales causas de pérdidas de vida en estas situaciones se debe a: Asfixia o envenenamiento por inhalación de humo y emisiones (ej., CO y CO 2 ). Generación de altas temperaturas (< 1350 ºC) y flujo de calor (> 300 kw/m 2 ). Bloqueo o dificultad para el escape debido a poca visibilidad. 1.2 TENDENCIAS EN LA ACTUALIDAD PARA EL ESTUDIO DE MEDIDAS CONTRA-INCENDIO Con el desarrollo de los métodos numéricos y la evolución de las computadoras se ha abierto un campo para el estudio, con estas herramientas, del transporte del humo y la transferencia de calor en incendios dentro de túneles. La simulación del transporte del humo a través del aire, comprende el estudio de difusión de especies y del movimiento de fluidos con diferentes propiedades interactuando entre sí. Las técnicas modernas de CFD (Dinámica de Fluidos Computacional, por sus siglas en inglés), permiten predecir y/o comprobar la efectividad de las medidas de seguridad en caso de incendio en espacios cerrados o abiertos, incluso con geometrías complejas. Esta labor es mucho más costosa por la vía experimental, ya que se requiere instrumentar túneles reales o a escala, con todas las complejidades de logística que ello conlleva. Es de destacar que en los últimos años, las herramientas CFD están siendo utilizadas cada vez con mayor frecuencia, debido a la necesidad de las organizaciones de seguridad contra-incendio y compañías de subterráneos en prevenir tragedias como las ocurridas en Guadarrama (1975) y Mont Blanc (1999), en las que hubo grandes pérdidas humanas. En éstas, las principales causas se atribuyeron a:

15 4 Falta de mantenimiento en los equipos de ventilación. Desconocimiento sobre el comportamiento del humo en espacios cerrados. Por lo tanto, se han hecho numerosas publicaciones sobre simulaciones de propagación de humo, las cuales contienen información que será necesario analizar para determinar su contribución en el aporte de datos y esquemas numéricos que puedan ser empleados en el presente proyecto. Este trabajo representa el primero en su especie en el país y plantea una puerta para consolidar futuras investigaciones en materia de prevención de incendio y comenzar a aplicar las técnicas CFD en el campo de la propagación de humo en espacios cerrados en Venezuela. 1.3 ESTRUCTURA DEL TRABAJO El trabajo presenta la siguiente estructura. El capítulo 2 muestra los objetivos generales y específicos. El capítulo 3 presenta el marco teórico, el cual explica el modelaje por medio de CFD, las ecuaciones de gobierno involucradas y las condiciones de borde; luego, se pasa a explicar en qué consisten los sistemas de ventilación y, finalmente, se muestra un resumen de la bibliografía existente en el área. El capítulo 4 contiene la aplicación de la metodología para trabajar con las técnicas de CFD para el caso de estudio y se presenta la validación del programa ANSYS CFX. El capítulo 5 contiene los resultados de las simulaciones hechas durante la investigación. Por último, el capítulo 6 incluye las conclusiones y recomendaciones pertinentes.

16 5 CAPÍTULO 2: OBJETIVOS En este capítulo se presenta el planteamiento del problema del trabajo seguido del objetivo general y los objetivos específicos. 2.1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA En los túneles de carretera y de ferrocarril del mundo, se tiene como aspecto importante en su diseño y construcción la implantación del sistema de ventilación. Este tiene dos funciones principales; la primera, es mantener una atmósfera con la suficiente cantidad de aire puro para la salud de los usuarios; y la segunda, consiste en tener la capacidad de dispersar, extraer y desplazar el humo en caso de incendio, para ayudar a la evacuación de las personas y colaborar con los cuerpos de rescate a contener y extinguir el fuego. En este trabajo nos enfocaremos en el segundo aspecto del sistema de ventilación en túneles: controlar la propagación de humo. Los sistemas de ventilación de emergencia en los túneles de transporte subterráneo se diseñan utilizando correlaciones empíricas (explicadas en el capítulo 3) aprobadas por PIARC y la NFPA. Estas correlaciones ofrecen la dimensión de los ventiladores para que sean capaces de desplazar las nubes de humo; sin embargo, se tiene incertidumbre en cuanto a la eficiencia de la ventilación de emergencia debido a que no se sabe exactamente cómo será la interacción del humo con las corrientes de aire, solo se tiene en cuenta que la ventilación es capaz de mover la nube de humo pero no, cómo lo hará. Adicionalmente, la ventilación en los túneles de transporte subterráneo es colocada bajo restricciones geométricas debido a que no se dispone del espacio necesario por la presencia de acueductos, sistema de alcantarillado y los cimientos de los edificios. Estas restricciones evitan que se seleccione el medio de ventilación más apropiado, creando dudas sobre cómo se desenvolverán las líneas de corriente dentro del túnel.

17 6 Por lo tanto, para investigar el comportamiento de la ventilación, se realizan experimentos a escala reducida en laboratorios o a escala real como los realizados en el Túnel Memorial, en Estados Unidos. Cabe resaltar que existe un costo asociado elevado para ambos casos, además de los problemas relacionados con el fenómeno en la escala reducida y finalmente, el alto costo asociado a tener disponibles o sofisticadas instalaciones para realizar los experimentos. El análisis vía CFD surge como una alternativa cada vez más confiable, útil y económica para resolver las incógnitas sobre el comportamiento fluidos en condiciones complejas. En particular, las técnicas de CFD han demostrado ser de gran ayuda en el estudio de las líneas de corriente y la cuantificación de la eficiencia de sistemas de ventilación(vauquelin y Mégret, 2002). Este trabajo pretende orientar acerca de la aplicación de técnicas de CFD en la simulación de propagación de humo en túneles. En particular, se aborda el estudio de la eficiencia del sistema de ventilación del Metro de Caracas en el tramo Teatro Nuevo Circo, ante la eventualidad de un incendio en un vagón del tren cuando éste se encuentra entre las dos estaciones. 2.2 OBJETIVO GENERAL Evaluar la capacidad del sistema de ventilación de emergencia para controlar la propagación de humo y minimizar el impacto de un incendio en los usuarios y en las instalaciones del Metro de Caracas Objetivos Específicos 1) Estudiar y determinar un esquema numérico que permita obtener un modelo computacional conveniente para reproducir una situación de incendio dentro de una estación subterránea del Metro de Caracas. 2) Verificar las estrategias de ventilación en caso de emergencia del Metro de Caracas.

18 7 CAPÍTULO 3: MARCO TEÓRICO En este capítulo se presenta la metodología y sustento teórico para la realización de un estudio vía CFD. Como parte de este basamento teórico, se presentan las ecuaciones que describen físicamente el fenómeno de la propagación de humo en el aire y sus respectivas limitaciones..se muestra igualmente, cómo funcionan los sistemas de ventilación de emergencia en túneles y cómo se seleccionan los ventiladores. Finalmente, se muestran los aspectos resaltantes de la revisión bibliográfica que ayudaron a la realización de este trabajo. 3.1 MODELAJE VÍA CFD En la actualidad, gracias a los avances tecnológicos en la arquitectura de procesadores, capacidad de almacenamiento y aumento en la rapidez del procesamiento de la información, se puede ver como los métodos numéricos por medio del uso de computadoras han tenido mayor demanda en el mundo de la ingeniería. De hecho, las técnicas numéricas y el hardware asociado han evolucionado a niveles tales que permiten resolver ecuaciones matemáticamente complicadas, que definen o rigen los comportamientos de los fenómenos físicos en los cuales los ingenieros se basan para la investigación y desarrollo de soluciones a muchas de las necesidades de los seres humanos. En el análisis de la propagación de humo, desde el punto de vista físico, tenemos dos fluidos que interactúan entre sí, obedeciendo leyes físicas que se rigen por ecuaciones matemáticas, tales como, por ejemplo, la ecuación de conservación de la cantidad del momentum. Esta relación vectorial de ecuaciones diferenciales en derivadas parciales y no lineales de segundo orden, resultan de difícil, cuando no imposible solución analítica, salvo en casos muy sencillos. Sin embargo, las técnicas de CFD han ofrecido soluciones aproximadas de estas ecuaciones con resultados muy cercanos a la realidad, con lo cual han ganado popularidad como herramientas de gran utilidad y confiabilidad.

19 8 Como paso inicial en la realización de un estudio vía CFD se debe identificar el objeto de estudio, lo cual se traduce en determinar el espacio físico; es decir, la estructura geométrica del entorno en el cual se van a aplicar los métodos numéricos. Luego, se construye el modelo de interés en el espacio virtual del computador, por medio de la ayuda de software de diseño CAD como, por ejemplo, DesignModeler, con lo cual se está creando el dominio de trabajo. Cabe destacar que en este estudio la construcción del dominio computacional está orientada hacia el espacio interior que ofrece la estructura del túnel a evaluar, debido a que es el lugar en donde se van a desenvolver las corrientes de aire y el humo. Una vez definido el espacio de trabajo, se procede a la aplicación del proceso de discretización o mallado. Este proceso consiste en dividir el dominio virtual, por medio de volúmenes elementales, tales como hexaedros, pirámides, prismas y/o tetraedros (como en el caso aquí tratado). La discretización permite al computador reconocer el modelo geométrico como un conjunto de volúmenes elementales y también definir e identificar las diferentes partes o espacios del objeto de estudio (ver Fig. 3.1) para finalmente aplicar las ecuaciones de gobierno discretizadas en cada uno de estos espacios, con las respectivas condiciones de transferencia intervolúmenes, así como las respectivas condiciones de borde e inicial, y de esta forma, generar el sistema de ecuaciones cuya solución iterativa permite obtener el resultado aproximado de las variables primitivas del problema. El análisis vía CFD está acompañado por una fase de refinamiento, la cual corresponde al proceso de aumento del número de volúmenes elementales en ciertas zonas de interés en el modelo, para lograr una mayor precisión en la resolución numérica de los fenómenos en estudio. El refinamiento se lleva a cabo hasta lograr un compromiso entre precisión y número de elementos envueltos en el estudio. En general, una malla más precisa está asociada a un mayor número de elementos; mientras que, a mayor número de elementos, se espera una mayor demanda de memoria y tiempo computacional.

20 9 a) b) Figura 3.1. Modelo geométrico (b) y mallado (a). En relación a las condiciones ambientales, éstas se obtienen ya sea de mediciones hechas en el dominio real, o en su defecto, se deben estimar en base a los datos que se puedan derivar indirectamente o desde problemas similares. Sin embargo, debe tenerse extremo cuidado de revisar el efecto de estas condiciones sobre el resultado estimado y tratar, en lo posible, de darle valores muy realistas para evitar alteraciones que pudieran alterar el verdadero desarrollo del fenómeno a estudiar. Una vez concluidos los pasos anteriores se procede a realizar la simulación. Esta parte consiste en resolver, mediante métodos numéricos, el sistema de ecuaciones de gobierno discretizadas y linealizadas, incluyendo las condiciones de borde respectivas. La última etapa de una simulación con herramientas de CFD consiste en el análisis de los resultados de la simulación, en donde se debe observar primeramente, si tienen significado físico congruente con la realidad. De esta forma se verifica que las ecuaciones y las condiciones de borde son ajustadas a la realidad y que los resultados modelan el fenómeno a estudiar. Una vez superada esta etapa se procede a analizar los resultados con base a los objetivos del estudio.

21 ECUACIONES DE GOBIERNO A continuación se presentan las ecuaciones de gobierno que intervienen en el fenómeno de dispersión del humo Ecuación de Continuidad (aire): U = 0 (1) Ecuación de Conservación del Momentum (aire) ρ 2 D U dt = πp + μ U + ρβ ( T T ref ) + S M (2) Ecuación de Conservación de la Energía (aire) ρh t p t + ( ρuh) = ( λ T ) + S E (3) Ecuación de Transporte de Energía Cinética Turbulenta (k) ( ρ k ) t + μ σ k t ( ρ Uk) = μ + k + P ρε k (4) Ecuación de Transporte de Disipación Turbulenta (ε) ( ρε ) t + μ σ ε t ( ρ Uε ) = μ + ε + ( C P C ρε ) ε k ε1 k ε 2 (5) Debido a la naturaleza homogénea del fluido que representará el humo, CO, se puede suponer que éste se comportará como una especie que se difunde en el

22 11 aire. Por lo tanto, para el modelado numérico, la concentración de este componente se considerará como una variable adicional con una ecuación diferencial de transporte que incluye la difusividad de las especies o Ley de Fick y que representa la Conservación de las Especies. Ecuación de Transporte de Humo o Conservación de las Especies (humo) φ + t μ φ Sc t ρ t ( Uφ) = ρd φ + + S φ (6) La discretización del sistema de ecuaciones de gobierno se realiza empleando un esquema Euler-Backward de segundo orden en el tiempo, Diferencias Centradas de segundo orden para los términos difusivos y fuente, mientras que se emplea un esquema de segundo orden de avance (higher order upwind) para los términos convectivos. De allí resulta un sistema de ecuaciones linealizado acoplado cuya solución se realiza de forma iterativa. 3.3 REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA La propagación de humo y su predicción empleando técnicas numéricas ha sido objeto de creciente estudio en los últimos años debido a su importancia en el diseño de sistemas de ventilación en túneles. En esta sección se presentan los trabajos más resaltantes desarrollados en los últimos años en la materia. Tarada (2000) abordó la determinación de la velocidad crítica en el túnel Gotthard de Suiza, empleando correlaciones y comparando sus resultados con simulaciones numéricas. De sus resultados se infiere que las correlaciones empíricas ya existentes ofrecen una buena primera estimación de las velocidades críticas; igualmente, se muestra la importancia de parámetros geométricos, tales como la forma de la sección de los túneles en la propagación del humo.

23 12 Abantos et al. (2006) comparan los resultados de simulaciones obtenidas a través de un paquete comercial con los de un programa desarrollado por ellos mismos. Se encuentra que resultados computacionales del programa propuesto fueron bastantes congruentes en comparación a lo esperado y a los obtenidos utilizando el paquete comercial. Sin embargo, se necesita mucha más capacidad computacional para simular toda la geometría requerida con los detalles correspondientes, en la Fig. 3.2 se muestra la geometría tratada. a) b) Figura 3.2. Modelo computacional y líneas de corriente en el túnel. (Abantos et al., 2006) Bounagui et al. (2003) propusieron una investigación de las configuraciones de los sistemas de ventilación del Túnel L.-H.-La Fontaine empleando el programa Fire Dynamics Simulator. Se critica el sistema de ventilación lateral superior debido a que ayuda a la expansión de la región de mayor temperatura y máxima concentración de CO 2. Además, se encontró el fenómeno backlayering en los ductos. Hasib et al. (2007) realizaron la validación el programa CFX 5.7.1, el cual es una versión anterior al programa que se utiliza en esta tesis. Los autores reprodujeron unos experimentos hechos en un compartimiento de combustión instrumentado, de los cuales se disponían perfiles de temperatura y velocidad. Los resultados se compararon con los obtenidos por el programa y se determinó que el CFX era capaz de simular la propagación de humo. Kumar (2004) realizó un recuento de algunos análisis en base a simulaciones de incendios en túneles hechas con programas comerciales. Se encontró que la

24 13 mayoría de los modelos computacionales ofrecen resultados con un buen margen de precisión y se resalta la importancia de encontrar la velocidad crítica de cada túnel para así desarrollar un sistema de ventilación mucho más eficiente. Bari et al. (2005) se orientan, vía CFD, hacia la evaluación del sistema de extracción en caso de incendio del Túnel Melbourne City Link en Australia. Adicionalmente, se explora la interacción entre los gases de combustión de los vehículos y el flujo de aire. A través de este estudio, se determinó el tiempo para llegar a zonas seguras del túnel en el evento del incendio de un vehículo. Vauquelin & Telle (2005) evaluaron la velocidad longitudinal durante un incendio para así obtener un patrón de flujo y finalmente determinar la velocidad de confinamiento, la cual es la mínima velocidad de la corriente de aire necesaria para contener el humo. Se encontró que para llegar a la velocidad de confinamiento es necesario tener una capacidad de ventilación elevada. Además, se determina que la correlación de Kennedy (Vauquelin y Telle, 2005) subestima la velocidad crítica (Tarada, 2000). Vauquelin& Mègret (2002), realizaron experimentos para determinar la manera de hacer más eficiente el sistema de extracción transversal de un túnel de carretera. Se afirma que los ductos son más eficientes en el techo que en las paredes. Además, se encontró que la forma y la posición de los ductos no tienen gran influencia en la extracción. Sin embargo, se determina que los ductos ubicados transversalmente a la dirección de propagación del humo, son más eficientes que los ubicados en forma longitudinal. Vauquelin& Wu (2006) analizaron la Influencia del ancho del túnel en el control del flujo transversal de humo, concluyendo que es de relativa poca importancia. Galdo-Vega et al. (2006) validaron sus simulaciones con un modelo desarrollado por ellos mismos, empleando resultados experimentales del Memorial Tunnel. Los resultados les permitieron concluir que el análisis vía CFD es una

25 14 herramienta con suficiente precisión para la predicción de la propagación de humo en espacios cerrados. Sin embargo, se muestra una significativa desviación con respecto a los experimentos en las cercanías de la llama, debido a que, al menos en sus simulaciones, no se modelaba la combustión. De acuerdo a Galdo-Vega et al., los seres humanos no pueden tolerar concentraciones de humo por encima de 3000ppm por más de media hora. La revisión bibliográfica presentada permite derivar las siguientes conclusiones: Es de suma importancia tomar en cuenta la velocidad crítica a la hora de evaluar los sistemas de ventilación. Para simular numéricamente la propagación de humo en túneles, es necesario contar con una buena capacidad computacional para poder construir modelos con buen detalle geométrico y realizar las simulaciones en tiempos razonables. Es necesario analizar detalladamente la estrategia de remoción de humo, de tal manera que no se expanda hacia las zonas de alta temperatura y concentración de gases, es decir, que no se incremente el área de peligro. Hoy día, existe un conjunto de programas especializados en la simulación de la propagación de humo, que deberían ser utilizados como herramientas fundamentales en el diseño de sistemas de ventilación. Así mismo, se deben utilizar los manuales contra-incendio para validar, los aspectos integrales de los resultados numéricos obtenidos de la utilización de esos programas. Cuando se modela numéricamente la propagación de humo dentro de un túnel, debe tenerse sumo cuidado con los detalles constructivos de las estructuras y componentes mecánicos de los sistemas de ventilación a la hora de la construcción geométrica del modelo computacional Finalmente, debe tenerse presente que los resultados obtenidos de la investigación de un escenario particular no se pueden extrapolar directamente a otros escenarios. Sin embargo, es posible obtener información valiosa que ayude a realizar otros estudios para escenarios de similar naturaleza.

26 15 Una vez analizadas estas recomendaciones, es evidente la creciente importancia que han ido ganando las técnicas de Dinámica de Fluidos Computacional para el análisis de propagación de humo en túneles. 3.4 SISTEMAS DE VENTILACIÓN En los sistemas de tren subterráneo como el Metro de Caracas, la ventilación debe ser proporcionada por medios mecánicos para mantener un ambiente saludable para sus usuarios. Este ambiente se logra al establecer un circuito de entrada de aire limpio desde el ambiente y de salida de aire con CO 2 (proveniente de la respiración de las personas) que permita barrer toda la estación. Adicionalmente, los ductos de ventilación deben estar diseñados con una segunda intención, correspondiente a casos de emergencia, como la situación de incendio. El sistema de transporte subterráneo del Metro consiste básicamente en estaciones conectadas por túneles. En éstos, la ventilación se diseña solo para casos de emergencia, dejando la ventilación, por razones sanitarias, al llamado efecto pistón (aire impulsado por el movimiento del tren dentro del túnel). Este efecto se produce debido a que la pequeña distancia que existe entre el tren y las paredes del túnel (alrededor de 1m). Para que el sistema de ventilación de emergencia sea efectivo se deben diseñar estrategias de operación que permitan remover y controlar el flujo de humo y del calor, de manera de facilitar la evacuación de los pasajeros y ayudar a los grupos de asistencia. Existen tres esquemas generales de ventilación, de acuerdo a la dirección de inyección del aire: transversal, longitudinal y semi-transversal. El sistema de ventilación transversal es empleado comúnmente en túneles de gran longitud y de tráfico pesado en carreteras. Esta configuración se basa en la colocación de ductos de inyección de aire en la parte inferior de las paredes y de ductos de extracción en la parte superior del túnel. De esta forma se logra una

27 16 corriente de aire ascendente, permitiendo una estratificación del humo hacia el techo lo cual mantiene una atmósfera menos tóxica cerca del piso. Además, al regular los caudales de inyección y extracción se puede contener la propagación de humo evitando que la mezcla de éste y del aire pueda avivar las llamas. En la figura 3.3 se muestran las corrientes de aire del esquema de ventilación. Figura 3.3. Esquema de ventilación transversal. (Kashef et al., 2003) Por otro lado, la ventilación longitudinal es empleada normalmente en túneles que tengan vías de una sola dirección, debido a que se genera una corriente longitudinal de aire por medio de ventiladores axiales o centrífugos colocados en el techo, como se aprecia en la figura 3.4. El sentido de la ventilación depende en que dirección se mueva el tren; usualmente, se tiende a colocar la dirección de flujo en el sentido opuesto al movimiento del tren para así evitar que el humo lo alcance, en caso que el incendio se genere en el túnel y no en el vagón. De esta forma se permite un acceso seguro a la fuente de incendio para los bomberos. Figura 3.4. Esquema de ventilación longitudinal. (Kashef et al, 2003)

28 17 La ventilación semi-transversal, por su parte, emplea uno de los dos esquemas de ventilación del sistema transversal, inyección o extracción, para que luego se genere, por diferencia de presión una corriente longitudinal complementaria desde los portales y así completar un flujo de corriente, en la siguiente figura se muestra el esquema de las corrientes de aire. Figura 3.5. Esquema de ventilación semi-transversal, a modo de extracción. (Kashef et al., 2003) Para la instauración y la mayor efectividad de los esquemas mencionados, se deben diseñar los ventiladores bajo el criterio de la velocidad crítica, la cual como se señaló anteriormente (velocidad de confinamiento), representa la mínima velocidad necesaria para desplazar la nube de humo. Esta velocidad puede ser, en el caso de los ventiladores axiales, su velocidad de flujo; pero en el caso de una ventilación por medio de ductos, se trata de la velocidad del aire inducida en la sección del túnel. Si la ventilación no es capaz de alcanzar la velocidad crítica, en la nube de humo se comenzará a dar el fenómeno llamado backlayering el cual consiste en el desarrollo de una delgada capa de humo adherida al techo, en la dirección contraria a la corriente de aire. Esta capa comenzará a crecer en grosor y comenzará eventualmente a descender hasta ocupar toda la sección del túnel. La Fig. 3.6 muestra la relación de la velocidad crítica y el humo.

29 18 Fuente de humo Flujo de aire V V vent vent < V = V critica critica V vent > V critica Figura 3.6. Influencia de la velocidad crítica sobre la propagación de humo. (Kashef et al., 2003) Por lo tanto, todo ventilador o sistema de ductos debe ser diseñado para que genere una velocidad en la corriente de aire mayor a la velocidad crítica. Esta se determina por medio de la ecuación de la energía, el número de Froude y valores determinados experimentalmente. A continuación se muestra la ecuación ya despejada, en donde V c es la velocidad crítica, g es la aceleración de gravedad, H es la altura del túnel, A es el área de la sección transversal del túnel, ρ y T son la densidad y la temperatura del aire ambiental, Q es la intensidad de calor liberado y K1 y K2 son constantes. (Kashef et al., 2003) V C = K 1 K 2 ρ C P g H Q A ρ Q C P A V C + T 1 3 (7)

30 19 Es necesario destacar que la pendiente del túnel influye notablemente en el desempeño de los esquemas de ventilación. Debido a la inclinación, el desarrollo de la nube de humo puede ser asimétrico, en virtud de que el humo asciende por efecto de flotabilidad, tendiendo a desplazarse hacia las zonas más elevadas de la estructura del túnel. De esta forma, si se desea establecer una corriente longitudinal de aire en dirección ascendente, la nube de humo será desplazada con mayor facilidad ya que éste es su sentido natural de movimiento por el cambio de densidades que experimenta. En las Figs. 3.7 y 3.8 se muestra la relación entre la velocidad de ventilación y la pendiente. Figura 3.7. Corriente de aire en dirección de la pendiente. En función de la ventilación. (McDonald et al., 1999) Figura 3.8. Corriente de aire en dirección contraria a la pendiente. En función de la ventilación. (McDonald et al., 1999)

31 20 CAPÍTULO 4: METODOLOGÍA En el presente capítulo se describe detalladamente el proceso de mallado de la geometría computacional y la estrategia que le rodea. Seguidamente, se exponen los resultados de la validación del mallado, empleando data experimental de terceros autores. Finalmente, se presenta el caso de estudio: el túnel del Metro de Caracas entre las estaciones Teatros y Nuevo Circo, mostrando en detalle, las condiciones de borde y el escenario a evaluar. 4.1 VALIDACIÓN DE LA HERRAMIENTA CFD En este trabajo se emplea el software comercial ANSYS-CFX como herramienta para implementar el modelo CFD a utilizar. Al emplear técnicas de simulación numérica para la solución de problemas en ingeniería, la validación de la malla es una actividad muy importante dentro de la evaluación numérica debido a que permite garantizar un margen de incertidumbre aceptable en los resultados de la simulación. El mallado es un proceso que consiste en dividir el objeto o espacio en el cuál se determinara el campo de flujo, llamado dominio computacional, en un conjunto de volúmenes elementales como hexaedros y/o tetraedros (como en este caso). A todo este procedimiento también se le conoce como discretización del dominio. Una vez dividido el dominio computacional en volúmenes discretos, se pueden identificar los nodos dentro de la malla (ver Fig. 4.1). Los nodos corresponden a los vértices de los macro-elementos que componen la geometría en estudio y sirven para almacenar los resultados o datos necesarios para la resolución matemática del problema. Por otro lado, la unión del centroide de cada macro-elemento y el punto medio de las aristas de éstos, permiten conformar entre varios macro-elementos la superficie de los volúmenes de control a través de las cuales se resuelven las ecuaciones de transporte, anteriormente referidas como ecuaciones de gobierno.

32 21 Centroide de la cara del elemento Elemento Nodo Superficie del volumen de control Figura 5.1. Ejemplo de un elemento correspondiente a una malla en 2-D. Es intuitivo pensar que mientras mayor es la cantidad de puntos de control ubicados en el dominio computacional, mejor se podrán estimar los valores de las variables físicas a ser determinadas. En consecuencia, mientras mayor cantidad de elementos se coloquen en un dominio, mayor precisión se obtendrá en los resultados. Sin embargo, el incremento del número de puntos de control en el modelo implicará un aumento del costo computacional, dado que en cada punto de control se deben satisfacer las ecuaciones de gobierno, las cuales deben ser resueltas simultáneamente. Este costo computacional se traduce en un incremento en el tiempo requerido para completar la simulación. A efecto de obtener soluciones con aplicación práctica, el objetivo de la validación será colocar la cantidad óptima de volúmenes elementales dentro del dominio computacional, que permita obtener un resultado revelador de los detalles del flujo y a la vez, realizar las simulaciones en intervalos tiempo razonable. A los fines de ajustar los modelos numéricos y validar las capacidades del paquete utilizado en la simulación (ANSYS-CFX), se utilizarán los resultados obtenidos por Vauquelin y Mègret (2002) al estudiar experimentalmente la extracción

33 22 de humo en un túnel de carretera y evaluar la eficiencia de los sistemas de extracción utilizados. Estos resultados permitirán, en particular, validar la malla y apreciar la relación entre los distintos parámetros físicos, así como su influencia en las distintas escalas presentes. Inclusive, existen trabajos (Hasib et al., 2007) sobre la validación del paquete de simulación ANSYS-CFX, que tienen mayor nivel de detalle y que ofrecen confiabilidad en los resultados. Estos resultados dan mayor soporte técnico a la decisión de emplear esta herramienta en el estudio de la propagación del humo en casos de incendio. En particular, Vauquelin y Mégret realizaron experimentos para determinar y comparar la eficiencia relativa entre distintos sistemas de extracción de humo en un túnel de carretera. Sus experimentos fueron hechos en un túnel a escala 1:20 con paredes de plexiglás de ancho 0.5m en donde se emplea una mezcla de aire y helio para replicar el comportamiento del humo, es decir, solo se simula los efectos de la diferencias de densidad entre gases, ignorando los efectos de convección, conducción y radiación. La Fig. 4.2 muestra el esquema modelo utilizado en los experimentos. Figura 5.2. Esquema del modelo experimental empleado para la determinación de la eficiencia del sistema de ventilación del túnel de carretera

34 23 El gas que se usó en los experimentos para simular el humo, consistía en una mezcla de aire y helio, la cual es inyectada a tasa constante en el túnel, mientras que a través de un par de ductos de extracción, se retira parte del gas. El resto de la mezcla escapa al exterior del túnel por las salidas laterales del mismo. La eficiencia del sistema de extracción es evaluada en función de la relación entre el caudal de gas (helio) extraído por los ductos de ventilación (Q EXT ) y el inyectado en la fuente (Q HUMO ). Q = Q EXT ε (8) HUMO Las condiciones experimentales se determinaron a partir de los datos aportados por la PIARC (Permanent International Association of Road Congress) la cual se encarga de evaluar diferentes escenarios de incendio en túneles para poder emitir parámetros de diseño sobre sistemas de emergencia, tales como detectores y el dimensionamiento de los sistemas de ventilación. En la Tabla 4.1 se presentan los datos utilizados en el experimento. Tabla 5.1. Parámetros experimentales seleccionados para la validación del modelo numérico. Intensidad de calor Diámetro de la fuente Caudal de humo Temperatura de la fuente Velocidad de extracción Relación de caudal 1 MW 0.98 m 5.8 m 3 /s 267 C 0.36 m/s 2Q = 0.5Q t s Con estos valores se completan los datos necesarios para establecer las condiciones de borde, en conjunto a la construcción del modelo geométrico del túnel, con lo cual se tiene una réplica del túnel, lista para reproducir un incendio simulado a escala experimental. Aprovechando la simetría geométrica de la región en la cual se analiza el flujo de gas, el dominio fue reducido a la cuarta parte de su tamaño original. La figura 4.3 muestra el dominio reducido, así como las condiciones de borde impuestas.

35 24 Abertura al ambiente, 1 atm y 298 K Extracción V extracción =0.36m/s Plano de simetría longitudinal Fuente de humo T = 540 K V entrada = 7.69m/s ò m = kg/s Plano de simetría transversal Figura 5.3. Geometría y condiciones de borde para validación del modelo numérico. A los efectos de una adecuada selección de la malla, se consideró el uso de mallas con elementos cuyo tamaño promedio era de 2m, 0.3m y 0.5m. Así mismo, se consideró el uso de refinamiento local. El proceso de mallado es evolutivo, es decir, una vez que se comparan dos tamaños de malla, tales que la segunda malla es generada luego de un refinamiento de la primera, se procede a comparar los respectivos resultados, para luego establecer en qué lugar es necesario colocar más elementos y/o mejorar la calidad de los mismos (ángulos internos, relación de aspecto, etc.) La Fig. 4.4 presenta algunos detalles del mallado en regiones específicas.

36 25 a) b) c) Figura 5.4. Detalles del mallado. Vistas de la fuente de humo y de la refinación local. En la Fig. 4.4 (b y c) se puede apreciar como cambia la malla por efecto de un refinamiento, lo que conlleva a aumentar la precisión de las estimaciones numéricas del fenómeno que se desarrolla en la zona. Las comparaciones cuantitativas realizadas entre las distintas mallas, se realizaron a través de la evaluación de los valores de la temperatura y concentración de humo sobre un segmento ubicado a lo largo del túnel, a una distancia lateral de 1m del centro de la fuente y a 4m de altura del suelo (ver Fig. 4.5). Igualmente, se comparó la eficiencia del sistema de extracción como parámetro macroscópico. Extractor Fuente de humo Segmento de medición Figura 5.5. Segmento de medición en el túnel.

37 26 0,50 0,40 Concentración de Humo (m³/m³) 0,30 0,20 0,10 0, Malla 0,5m Refinada Malla 0,3m Simple Malla 0,5m Simple Malla 2m Refinada Esquema -0,10 del túnel Longitud (m) Figura 5.6. Perfiles longitudinales de humo para mallas de tamaño promedio de elementos de 2m (refinada), 0,3m (simple) y 0,5m (refinada y simple) En la figura anterior se muestran los resultados de concentración de humo para las mallas seleccionadas. Para facilitar la identificación de las mismas se les denominará de la siguiente manera: 1) Malla 0,5m Refinada = A.1 2) Malla 0,3m Simple = C 3) Malla 0,5 Simple = A 4) Malla 2m Refinada = B.1

38 Temperatura (K) Malla 0,5m Refinada Malla 0,3m Simple Malla 2m Refinada Malla 0,5m Simple Esquema 253 del túnel Longitud (m) Figura 5.7. Perfiles longitudinales de temperatura para mallas de tamaño promedio de elementos de 2m (Refinada), 0.3m (Simple) y 0.5m (Refinada y Simple). Las Figs. 4.6 y 4.7 permiten observar como todas las mallas capturan los perfiles de concentración de humo, así como la temperatura. Los gráficos muestran la influencia del número de los elementos existentes en cada refinación Se puede ver la gran diferencia entre los valores estimados numéricamente por las mallas de A y A.1. Por ejemplo, cerca de la fuente humo, la diferencia de temperaturas entre ambas mallas es de 7%. Igualmente, se observa como la malla de B.1 reproduce los resultados de la malla B, con una máxima diferencia de temperaturas a los 20m de la fuente, lo que corresponde a un 1.26% respecto a la de B.1. Por otra parte, es evidente que las formas de los perfiles son similares; es decir, todas las mallas captan cualitativamente el mismo fenómeno, pero se diferencian en cuanto a la predicción cuantitativa, toda vez que las ecuaciones de gobierno son las mismas en todos los casos.