FACULTY OF ENGINEERING · FACULTY OF ENGINEERING Onderzoek naar branden in parkeergarages Xavier...
Transcript of FACULTY OF ENGINEERING · FACULTY OF ENGINEERING Onderzoek naar branden in parkeergarages Xavier...
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: [email protected]
Department of Flow, Heat and Combustion Mechanics – www.FloHeaCom.UGent.beGhent University – UGent