FACULTY OF ENGINEERING

Onderzoek naar branden in parkeergarages

Xavier Deckers1,2 , Siri Haga1 and Bart Merci1

1Universiteit Gent, Vakgroep stroming, warmte en verbranding2Fire Engineered Solutions BVBA

Vierde Nationale Congres Fire Safety Engineering NIFV Arnhem 28/06/2011

Overzicht

• Onderdeel van multidisciplinair project: ‣ “Fire and explosion safety in underground car parks”

• Focus presentatie: CFD-analyse brandproeven‣ Simulaties voor experimenten

‣ Simulaties na experimenten

‣ Verder onderzoek (toekomst)

• Relatie FSE en optreden hulpdiensten

• Conclusies

Department of Flow, Heat and Combustion Mechanics – www.FloHeaCom.UGent.beGhent University – UGent

“Fire and explosion safety in underground car parks”http://www.carparkfiresafety.be

Department of Flow, Heat and Combustion Mechanics – www.FloHeaCom.UGent.beGhent University – UGent

• Gesponsord door IWT Vlaanderen

• Partners:

• Coordinator: Prof. Bart Merci

• Parkeergaraage model (FDS 5.4):

‣ L x B x H = 30 m x 30 m x 2.4 m;

‣ HRR = 4 MW, 70% convectief;

‣ rooster: 0.2 m

‣ Randvoorwaarden

‧ Extractiedebiet: 400.000 m3/h

‧ Natuurlijke luchttoevoer: 1 open zijde

‧ Adiabatische wanden

‣ Fysieke sub-modellen

‧ Verbrandingsmodel: mengfractie

‧ Turbulentiemodel: Large Eddy Simulation

‧ Geen straling model

Voor experimenten Na experimenten Toekomst Conclusies

AF

Mechanische

afzuiging

Department of Flow, Heat and Combustion Mechanics – www.FloHeaCom.UGent.beGhent University – UGent

Invloed van:

• RWA-systeem:‣ Extractieventilatoren: extractiedebiet + positie

‣ Stuwkrachtventilatoren: # + hoeken + stuwkracht

• Configuratie van de parkeergarage:‣ Balken (// of T)

‣ Omgeving

• Input keuzes in CFD-model (FDS 5.4)‣ Mesh size

‣ Stretched meshing/parallelle berekening

‣ Turbulentie

Voor experimenten Na experimenten Toekomst Conclusie

Department of Flow, Heat and Combustion Mechanics – www.FloHeaCom.UGent.beGhent University – UGent

Positie van extractieventilatoren

•Case study:- 30m x 30m x2.4m

- HRR= 4 MW

- Q= 400.000 m3/h

- Geen balken

•a) Rookpatronen (bovenaanzicht)

•b) Snelheidsvelden (Z= 2.4m)

Voor experimenten Na experimenten Toekomst Conclusie

Department of Flow, Heat and Combustion Mechanics – www.FloHeaCom.UGent.beGhent University – UGent

Effect van balken

a) Geen balken b) transversale + longitudinale

c) Transversale balken d) Balken in langsrichting

extractiedebiet= 300 000 m3/h

Voor experimenten Na experimenten Toekomst Conclusie

Department of Flow, Heat and Combustion Mechanics – www.FloHeaCom.UGent.beGhent University – UGent

Effect van balken

240000

260000

280000

300000

320000

340000

360000

380000

5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

Q_e

xtr

Back-layering afstand [m]

HRR= 4MW (30% rad)

2.4 m

2.4 m + beams_20cm

2.4 m +beams_40cm

2.4 m +beams_60cm

2.4 m +long_40cm

2.4 m +transv_40cm

Voor experimenten Na experimenten Toekomst Conclusie

Department of Flow, Heat and Combustion Mechanics – www.FloHeaCom.UGent.beGhent University – UGent

Effect van balken

1,0

1,1

1,2

1,3

1,4

1,5

1,6

1,7

1,8

5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

v_IN

[m

/s]

Back-layering afstand [m]

HRR= 4MW (30% rad)

2.4 m

2.4 m + beams_20cm

2.4 m +beams_40cm

2.4 m +beams_60cm

2.4 m +transv_40cm

2.4 m +long_40cm

2.6m +beams_20cm

Voor experimenten Na experimenten Toekomst Conclusie

Department of Flow, Heat and Combustion Mechanics – www.FloHeaCom.UGent.beGhent University – UGent

Mesh verfijning

Voor experimenten Na experimenten Toekomst Conclusie

uniform rooster 0.2 m uniform rooster 0.1 m

•Simulaties input keuzes voor experimentens:

• - inbegrepen omgeving

• - mesh size 0.2m x 0.2 m x 0.15 m (+plaatselijke verfijning)

• - radiatieve fractie: 10 – 50 %

• - met baroclinic generatie van vorticiteitDepartment of Flow, Heat and Combustion Mechanics – www.FloHeaCom.UGent.beGhent University – UGent

Overzicht

• Simulaties voor experimenten

• Simulaties na experimenten‣ Experimentele onzekerheid

‣ Vergelijking met formule

‣ Jet fans

‣ Hoogte brander

‣ Configuraties

• Verder onderzoek (toekomst)

• Relatie FSE en optreden hulpdiensten

• Conclusies

Voor experimenten Na experimenten Toekomst Conclusie

Department of Flow, Heat and Combustion Mechanics – www.FloHeaCom.UGent.beGhent University – UGent

Overzicht uitgevoerde experimenten (> 100)

Department of Flow, Heat and Combustion Mechanics – www.FloHeaCom.UGent.beGhent University – UGent

12

Overzicht van de uitgevoerdeexperimenten

28.6 m

30 m

Parkeergarage30 x 28.6 x 2.7 m

Extractiedebiet

Capaciteit: 4 x 50.000 m3/h

Range: 40.000 - 200.000 m3/h

HRR

Brander 1.5 x 3 m

Range: 0.2 – 4 MW

Stuwkrachtventilatoren

“platte”-type: 50 N (2 x)

Department of Flow, Heat and Combustion Mechanics – www.FloHeaCom.UGent.beGhent University – UGent

Temperatuur - metingen

Department of Flow, Heat and Combustion Mechanics – www.FloHeaCom.UGent.beGhent University – UGent

14

-Onder plafond-2 TC trees

-Totaal: 105 TC

EXTRACTION

5 m 2 m

Verschillende configuraties: volledig open – 4/5th gesloten

Department of Flow, Heat and Combustion Mechanics – www.FloHeaCom.UGent.beGhent University – UGent

XXXXO OXXXO

XXOXX OOOOO + beam

15

Voor experimenten Na experimenten Toekomst Conclusie

Onzekerheden: HRR

15

115

215

315

415

515

615

715

815

0 5 10 15 20 25 30

Y (m)

Test 9 Config.OOOOO

Exp. 1A+B1

Exp. 2A+B2

Exp. 3A+B3

FDS Rad.30% 1A+B1

FDS Rad.30% 2A+B2

FDS Rad.30% 3A+B3

FDS Rad.10% 1A+B1

FDS Rad.10% 2A+B2

FDS Rad.10% 3A+B3

FDS Rad.50% 1A+B1

FDS Rad.50% 2A+B2

FDS Rad.50% 3A+B3

Department of Flow, Heat and Combustion Mechanics – www.FloHeaCom.UGent.beGhent University – UGent

Vergelijking met experiment

Voor experimenten Na experimenten Toekomst Conclusie

• Algemene trend voor uni-directionelestroming: goede overeenkomst

– [Tilley et al.]

• vcr,in = f(Qc”;AF;W;dH)

• vout = f(vin; W;H;Qc)

• BL=f(vcr,in;v)

Department of Flow, Heat and Combustion Mechanics – www.FloHeaCom.UGent.beGhent University – UGentDepartment of Flow, Heat and Combustion Mechanics – www.FloHeaCom.UGent.beGhent University – UGent

Voor experimenten Na experimenten Toekomst Conclusie

Enkel – dubbel extractiedebiet 4MW

15

115

215

315

415

515

615

715

815

0 5 10 15 20 25 30

Y (m)

OOOOO EXP 1

OOOOO EXP 2

OOOOO EXP 3

OOOOO EXP 4

OOOOO EXP 5

OOOOO double 1

OOOOO double 2

OOOOO double 3

OOOOO double 4

OOOOO double 5

Department of Flow, Heat and Combustion Mechanics – www.FloHeaCom.UGent.beGhent University – UGent

Voor experimenten Na experimenten Toekomst Conclusie

20,00

40,00

60,00

80,00

100,00

120,00

140,00

0 5 10 15 20 25 30

Y (m)

OOOOO_centerline_500kW

Average 4x50000

Average 4x40000

Average 4x35000

Average 4x30000

Onzekerheden

Department of Flow, Heat and Combustion Mechanics – www.FloHeaCom.UGent.beGhent University – UGent

Onzekerheden

Voor experimenten Na experimenten Toekomst Conclusie

20,00

40,00

60,00

80,00

100,00

120,00

140,00

160,00

180,00

0 5 10 15 20 25 30

Y (m)

OXXXO_centerline_500kW

Average 4x50000

Average 4x40000

Average 4x35000

Average 4x30000

Department of Flow, Heat and Combustion Mechanics – www.FloHeaCom.UGent.beGhent University – UGent

Stuwkrachtventilatoren

Voor experimenten Na experimenten Toekomst Conclusie

Jet fans are used to accelerate the bulk air below the hot sub-ceiling smoke layer to a sufficient velocity to prevent the advance of the leading edge of the smoke layer. (Morgan et al., 2004)

• Hoe modeleren?

• Technische specificaties beschrijven:

• Snelheid [m/s]

• Debiet [m3/s]

• Stuwkracht [N]

•Van cruciaal belang zijn:

• Horizontale hoek (coniciteit)

• Neerwaarste hoek

= gok wagen?

Department of Flow, Heat and Combustion Mechanics – www.FloHeaCom.UGent.beGhent University – UGent

Stuwkrachtventilatoren

Voor experimenten Na experimenten Toekomst Conclusie

Aanbeveling:

•Fabrikant dient de geïnduceerde snelheid te leveren in een vlak op enige afstand van de stuwkrachtventilatoren outlet.

•Gemodelleerd voor experimenten:

• 7° beneden and 10° zijwaarts

• als een longitudinale balk

•Gemodelleerd na de experimenten:

•coniciteit zoals gemeten uit tests

•Significante verschillen in snelheid en

temperatuurvelden

OOOOO: 4 MW and 200.000 m3/h (C1_T8)

VOOR NA EXPERIMENTEN

Department of Flow, Heat and Combustion Mechanics – www.FloHeaCom.UGent.beGhent University – UGent

Configuratie

Voor experimenten Na experimenten Toekomst Conclusie

•OOOOO•Horizontale ventilatie

•Vcrit = f(Qc”;AF;W;dH)

•XXOXX•Gedomineerd door hoge

snelheden

•2 grote recirculatie zones

•OXXXO•Gedomineerd door

kortsluiting van verse lucht

•2 grote recirculatie zones

•XXXXO•Gedomineerd door grote

recirculatie zone

•-> recirculatie patroon dominant(typisch voor kleine parkeergarages)

•-> back-layering afstand?

Department of Flow, Heat and Combustion Mechanics – www.FloHeaCom.UGent.beGhent University – UGent

Overzicht

• Simulaties voor experimenten

• Simulaties na experimenten

• Verder onderzoek (toekomst)

• Relatie FSE en optreden hulpdiensten

• Conclusies

Voor experimenten Na experimenten Toekomst Conclusie

Department of Flow, Heat and Combustion Mechanics – www.FloHeaCom.UGent.beGhent University – UGent

Interactie sprinkler-RWA

Voor experimenten ConclusieNa experimenten Toekomst

- HRR=4 MW

- 1 sprinkler / 9 m2

- Debiet: 5 – 60 l/min

- bv. droge sprinkler systeem

- alleen CFD resultaten

-> behoefte aan

experimenten om te

valideren- Hoeveel sprinklers geactiveerd afhankelijk van:

- waterdebiet

- rookafvoer debiet

Department of Flow, Heat and Combustion Mechanics – www.FloHeaCom.UGent.beGhent University – UGent

Interaction sprinkler-RWA

Voor experimenten ConclusieNa experimenten Toekomst

0

5

10

15

20

25

30

35

0 50 100 150 200 250

Aantalsprinklers

geactiveerd

Tijd(s)

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

0 50 100 150 200 250

Warmtegeabsorbeerd

(kW)per tijdsenheid

Tijd(s)

5 l/min

40 l/min

60 l/min

•400.000 m3/h; adiabate wanden

Department of Flow, Heat and Combustion Mechanics – www.FloHeaCom.UGent.beGhent University – UGent

Interactie sproeier-SHC

Voor experimenten ConclusieNa experimenten Toekomst

0

5

10

15

20

25

30

35

0 50 100 150 200 250

Geactiveerdesprinklers

Tijd(s)

No extraction

200 000 m3/h

400 000 m3/h

-Waterdebiet invloedt:

- # geactiveerde sproeiers

-RWA beinvloedt

- # geactiveerde sprinklers

- positie van geactiveerde sproeiers

Waterdebiet[l/min]

# geactiveerdesproeiers

5 33 (adiabatisch)

45 18 (adiabatisch)

60 17 (adiabatisch)14 (betonnen muren)

80 13 (betonnen muren)

100 11 (betonnen muren)

Experimenten nodig om beter inzicht te krijgen in vaste

“blus”-systemen in ondergrondse parkeergarages +

ontwikkeling van performantie-criteria.

Department of Flow, Heat and Combustion Mechanics – www.FloHeaCom.UGent.beGhent University – UGent

Overzicht

• Simulaties voor experimenten

• Simulaties na experimenten

• Verder onderzoek (toekomst)

• Relatie FSE en optreden hulpdiensten

• Conclusies

Voor experimenten Na experimenten Toekomst Conclusie

Department of Flow, Heat and Combustion Mechanics – www.FloHeaCom.UGent.beGhent University – UGent

Grootschalige branproeven met wagens

• Samenwerking met brandweer Gent (in kader van Upsafety)

• Onderzoeksdoelstellingen:‣ Temperatuursevolutie ifv de tijd (indicatie voor HRR)

‣ Effect RWA op brandoverslag

‣ Effect brandweerinterventie op temperaturen

‣ Gebruik videodata

‣ Gebruik warmtebeeldcamera

• Praktische relevantie:‣ Ontwikkeling SOP hulpdiensten bij brand in parkeergarages

Department of Flow, Heat and Combustion Mechanics – www.FloHeaCom.UGent.beGhent University – UGent

Department of Flow, Heat and Combustion Mechanics – www.FloHeaCom.UGent.beGhent University – UGent

Department of Flow, Heat and Combustion Mechanics – www.FloHeaCom.UGent.beGhent University – UGent

Department of Flow, Heat and Combustion Mechanics – www.FloHeaCom.UGent.beGhent University – UGent

Department of Flow, Heat and Combustion Mechanics – www.FloHeaCom.UGent.beGhent University – UGent

Overzicht

• Simulaties voor experimenten

• Simulaties na experimenten

• Verder onderzoek (toekomst)

• Relatie FSE en optreden hulpdiensten

• Conclusies

Voor experimenten Na experimenten Toekomst Conclusie

Department of Flow, Heat and Combustion Mechanics – www.FloHeaCom.UGent.beGhent University – UGent

Conclusies

• CFD resultaten zeer nuttig als tool:‣ Sensitiviteitsstudies om effecten van experimentele onzekerheid vast te leggen ‣ In het algemeen: goede overeenkomst met experimenten‣ CFD kan gebruikt worden als ‘numerieke experimenten’: goede correlatie met formule van Tilley:

‧ Alleen voor uni-directionele stroming‧ Zonder balken (// or T)

• Belangrijke aspecten in de full-scale CFD simulaties:‣ Keuze van een correct rekenrooster‣ In de 'parallel' berekeningen: mesh grenzen ‣ Stuwkrachtventilatoren: gebaseerd op experimentele gegevens (snelheidspatronen stuwkrachtventilator)

• Efficientie RWA systeem = f(hoofdstroming).‧ Relatieve positie van extractie/luchtinlaat!‧ Vermijd recirculatie gedomineerde stromingspatronen.

– Het verhogen van Q helpt niet

– Kleine parkeergarages: behoefte aan nieuwe criterium

Department of Flow, Heat and Combustion Mechanics – www.FloHeaCom.UGent.beGhent University – UGent

Conclusions

• Balken kunnen een groot effect hebben:‣ Longitudinale bevordering van BL‣ Transversale kunnen de rookverspreiding effectief blokkeren

‧ RWA ontwerp-berekening mag niet gebaseerd zijn op vrije hoogte onder de balk‧ effect = f (diepte, reservoir)

• Stuwkrachtventilatoren:‣ lokaal koelend effect mogelijk (aanname verse lucht)

‧ kan nuttig zijn om moeilijke zones te spoelen‧ hoofdstroming= f(hoofd RWA systeem)

‣ Informatie over de neerwaartse hoek + coniciteit nodig

• RWA ontwerpen gaan uit van snelle interventie brandweer‣ Als aanname niet geldig: behoefte aan alternatieven‣ Te doen: interactie RWA-sprinklers

• Grootschalige brandproeven met wagens: ‣ zeer nuttig zowel vanuit wetenschappelijk als praktisch standpunt

Department of Flow, Heat and Combustion Mechanics – www.FloHeaCom.UGent.beGhent University – UGent

Department of Flow, Heat and Combustion Mechanics – www.FloHeaCom.UGent.beGhent University – UGent

Bedankt voor uw aandacht!

Vragen?

E-mail: Xavier.Deckers@Ugent.be

Department of Flow, Heat and Combustion Mechanics – www.FloHeaCom.UGent.beGhent University – UGent