Az áramlások numerikus szimulációjának alkalmazása tűz- és katasztrófavédelemben

Átírás

1 Az áramlások numerikus szimulációjának alkalmazása tűz- és katasztrófavédelemben Dr. Kristóf Gergely*, Balczó Márton-**, Juhász Péter**, Dr. Lajos Tamás*** * Ph.D., egyetemi adjunktus, ** munkatárs, *** műsz. tud. doktora, egyetemi tanár 1. Bevezetés A numerikus áramlástani szoftverek egyre nagyobb teret hódítanak a műszaki gyakorlat, a környezetvédelem és a katasztrófavédelem területén. Az áramlástan e területe az utóbbi években robbanásszerű fejlődésen ment keresztül. A mai szoftverek már figyelembe veszik az áramlást és a hőátvitelt befolyásoló jelenségek túlnyomó többségét. A számításokat súrlódásos közegre és turbulens áramlásra is elvégezhetjük, beleértve a hőtranszportot is. A nehézségi erőtér hatását is figyelembe véve jól modellezhető a sűrűség-különbségből származó természetes áramlás is. Meghatározható továbbá a szennyezők, egészségre ártalmas gázok, aeroszolok terjedése, vagy tűz szimulálása esetén a füst terjedése is. A számítási eredmények átfogó képet adnak az áramlási térről, az áramlási, hőátadási és sugárzási viszonyokról, lehetővé teszik a kritikus helyek felderítését. 2. Az alkalmazott numerikus áramlástani szoftver Számításainkhoz a jelenleg piacvezető Fluent általános célú numerikus áramlástani szoftvert használjuk, amely igen széleskörű alkalmazásokra ad lehetőséget. A szoftver segítségével számolható egy- vagy többfázisú, összenyomható és összenyomhatatlan közegek stacioner, instacioner, lamináris és turbulens áramlása. A program a turbulencia modellek széles választékát ajánlja fel, amelyek közül az adott problémát legjobban leíró modellt kell kiválasztanunk. Az áramlás számításakor figyelembe vehető a hő-, valamint a szilárd és gáz halmazállapotú anyagok transzportja és a kémiai reakciók is. Külön említést érdemel a kémiai reakciók körébe tartozó égés folyamata, amely igen jól modellezhető. A numerikus áramlástani szoftverek az áramlástan és hőtan megmaradási törvényeit leíró differenciálegyenleteket oldják meg. Ezek az egyenletek esetünkben a következő megmaradási törvényeket jelentik: - anyagmegmaradás - impulzus megmaradás - energiamegmaradás A megmaradási törvényeket valamennyi, a vizsgált térben tartózkodó közeg-komponensnek teljesítenie kell. Az egyenletek megoldásához a Fluent véges térfogatos eljárást alkalmaz, melynek alapja a következő. Meghatározzuk a vizsgált tér (pl. egy városrész) geometriáját, majd egy numerikus háló létrehozásával a vizsgált térfogatot felosztjuk több százezer vagy több millió térfogat részre (cellára). A megmaradási egyenleteket integrál formában írjuk fel, majd így diszkretizáljuk. Az egyenletek integrál-formáját megoldjuk minden cellára úgy, hogy az ismeretlen változókat a cellákon belül egyszerű függvényekkel interpoláljuk. A megmaradó mennyiségek és ezek cellák közötti transzportja celláról cellára ellenőrizhetők és megmaradásuk az egész térben biztosítható. A peremfeltételek, (pl. egy vegyi üzem adott pontján kilépő gáznemű szennyező áramlásának sebessége és iránya, a szélsebesség, a hőmérsékleti rétegződés), vagy instacionárius esetben a kezdeti- és peremfeltételek megadása után a szoftver sorozatos közelítéssel megoldja a diszkretizált 1

2 egyenletrendszert. Az iterációt addig folytatjuk, amíg a lépések közötti különbség az előírt határ alá csökken. A fenti tulajdonságai következtében a Fluent kódot kiterjedten alkalmazzák az alábbi feladatok megoldására: Sugárzó, vegyi és biológiai szennyezők atmoszférikus terjedésének meghatározása Szennyeződés terjedésének számítása természetes vizekben Tűz és füst terjedésének meghatározása épületen belül és épület körül Erdőtűz, alagúttűz szimulálása Katasztrófák szimulációja A Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Áramlástan Tanszékén a Fluent szoftvert egyebek mellett szellőzési és légkondicionálási feladatok megoldására használtuk, ahol főként a természetes áramlást (hőtranszport és térerő), a turbulenciát, valamint a levegőtől különböző anyagok (pl. vízgőz, füst) transzportját kell figyelembe venni. 3. A Budapest Sportaréna klímájának és tűz esetén a füst terjedésének numerikus vizsgálata Annak érdekében, hogy a numerikus szimuláció módját és az elérhető eredményeket bemutathassuk, részletesebben foglalkozunk a Fluent kód alkalmazásával a Budapest Sportaréna épületgépészeti és tűzvédelmi feladatainak megoldásával. A vizsgálat egyik célja a tervezett klímarendszer működésének ellenőrzése volt. A szimuláció kiterjedt mind téli, mind nyári üzemállapotra. A 3-dimenziós modell geometriáját az 1. ábra mutatja. 1. ábra. A belső tér 3-dimenziós modellje A csarnok nézőterének geometriáját egyszerűsítettük, így a lelátók itt ferde lejtős síkokként jelennek meg. A tér aljához legközelebbi lelátósor ideiglenes és az ülőhelyek alatt áramlik ki az elhasznált levegő. Az épület hőszigetelése igen hatékony, ezért teltház esetén téli állapotban is hűtésre van szükség. A vizsgálatok lehetővé tették a sebesség- és hőmérséklet eloszlással kapcsolatos követelmények teljesítéséhez szükséges anemosztátok számának meghatározását. 2

3 2. ábra. Áramvonalak a nézőtéren A 2. ábra nyári állapotban, teltház esetén mutat néhány lefele irányított anemosztátból kiinduló áramvonalat. Látható, hogy az áramvonalak a magasabban lévő lelátók felé térülnek el, ami annak következménye, hogy a lelátókon ülő nézők jelentős hőteljesítményükkel természetes áramlást hoznak létre, amely középről az épület szélei felé és alulról felfelé irányul. Tapasztalatunk szerint ez az áramlás, nem pedig az anemosztátok hatása dominál a nézőtéren. Vizsgálataink alapján megállapítottuk, hogy a küzdőtér fölött szükséges volt a függőlegesen lefelé történő levegő bevezetés, mivel nyáron ez hatásos hűtést eredményez, télen pedig, pl. jégtánc esetén a palánkkal körülvett jégfelület felett 1 m-rel biztosítja az előírt 18 C hőmérsékletet. Ez utóbbi feltétel teljesülését 3- dimenziós jégpályamodell vizsgálatával igazoltuk. 3. ábra. A hőmérséklet eloszlás változása az aréna felfűtésének első 25 percében A 3. ábra a Budapest Sportaréna 25 percig tartó téli felfűtésének 4 fázisát mutatja: látható, hogy a felül elhelyezkedő anemosztátokon belépő meleg levegő hogyan tölti ki az egész teret. A Fluent kód lehetővé tette annak meghatározását, hogy a csarnok különböző helyein esetlegesen kitörő tűz esetén a füst adott idő eltelte után mennyire közelíti meg a nézőtér legfelső széksorait. Ennek számításánál egy tűzmodellt alkalmaztunk, amelyben a keletkező égéstermékek tömegáramát sztöchiometriai úton határoztuk meg az égő anyag feltételezett összetételének ismeretében. A tüzet ilyen módon hő- és anyagforrásként modelleztük. A füst határát az égéstermék egészségre ártalmas koncentrációja alapján definiáltuk. A 4. ábra az ártalmas koncentráció állandó értékének felületét mutatja egy adott idő eltelte után két különböző helyen keletkező tűznél. Esetünkben a tűz a hatóság által definiált gyorsan terjedő tűz kategóriába esik, a keletkező hőteljesítmény az idő négyzetével arányos. 4.ábra. Az egészségre ártalmas füst határa két különböző helyen kitörő tűz esetén 3

4 Láthatóan a füstfáklyában függőleges irányban erőteljesen felfelé irányuló áramlás alakul ki. Feltételeztük, hogy a tűz keletkezéséig a klímarendszer normál üzemmódban dolgozik, majd a tűz kitörésekor leáll, megindulnak a füstelszívó rendszerek, egyidejűleg kinyílnak a külső levegőt bebocsátó ajtók. Így a füst terjedésének vizsgálatakor figyelembe vettük azt is, hogy a tűz kitörése előtt meglévő természetes áramlás elkeverheti a keletkező égéstermékeket. A meleg égéstermékek nagy sebességű feláramlása következtében a tűz kitörése előtti áramlás érzékelhetően nem befolyásolta a füst terjedésének mértékét. Ugyanakkor jelentős hatása van a tűz esetén működésbe lépő füstelszívóknak, amelyek késleltetik az ártalmas szennyező koncentráció szintjének lesüllyedését a széksorok magasságába. Az 5. ábra bal oldali képe egy nézőtéren ülő embert szimuláló test körüli áramlást mutat be abban az esetben, ha a friss levegőt a székek alatt vezetik be, és a teremben adott alapáramlás uralkodik. Ismerve az emberi test hőleadását, számítható a hőmérséklet megoszlása a test felülete mentén 5. ábra jobb oldali képe. 5. ábra. Ülő ember körüli áramlás és hőmérséklet megoszlás 4. Terjedés számítások A 6. ábra felső képe téli időszakban egy adott épület nyitott bejárata esetén mutatja a bejárat környezetében kialakuló áramlás kifejlődését: az ajtónyílás felső részén a jobb oldali védett belső térből a meleg levegő áramlik ki, alul pedig a környezetből hideg levegő áramlik be. Az alsó kép azt a helyzetet mutatja, amikor a védett térben túlnyomást létrehozva megakadályozzuk a külső levegő beáramlását a védett térbe. 6. ábra Az áramlás kialakulása a külső hideg tér és a védett meleg helyiség közötti ajtó kinyitásakor 4

5 7. ábra. Szennyezőanyag terjedése egy vegyi üzemből A 7. ábrán egy vegyi üzem egy pontján kiszabaduló gáz terjedésének folyamatának szimulálásával kapott eredmények láthatók adott szélirány és szélsebesség esetén. A gáz határát az idő múlásával (az ábrán látható képeken balról jobbra haladva) egy folyamatosan növekvő felület mutatja, amely az 5. képen eléri a talaj felszínét. A talajon látható vonalak a talaj közelében lévő helyi szélsebességek irányát mutatják. A Fluent kóddal megbízhatóan előre jelezhető az ártalmas gázok, a levegő által szállított folyadékcseppek, porszemcsék terjedése, várható koncentráció megoszlása, ennek időbeni változása. (Folyadékcseppek, porszemcsék esetén a kód figyelembe veszi ezek süllyedését, tehetetlenségét.) Kijelölhetők a menekülési útvonalak, megtervezhetők a kárelhárítási intézkedések. 8. ábra. Lézersíkkal láthatóvá tett szennyező koncentráció megoszlás szélcsatornában Tanszékünkön 4 szélcsatorna áll rendelkezésre a szennyezőanyag terjedés modellkísérletekkel való szimulálására. A 8. ábra a KFKI reaktorépület modelljének ablakain egy szélcsatornában szimulált súlyos üzemzavar esetén kilépő szennyezők terjedését mutatja be. A szennyezőt szimuláló olajködöt egy lézersíkkal megvilágítva az olajköd cseppek által visszavert fény intenzitásából meghatározható az adott síkban a szennyező koncentráció eloszlás. Az általánosan elfogadott eredményt szolgáltató szélcsatorna mérések és a numerikus szimuláció együttes alkalmazása igen bonyolult esetekben is megbízható eredményeket szolgáltat elfogadható ráfordítás mellett. (Az épület 5

6 modellek körüli, szélcsatornában mért és számított áramlások összehasonlítása a vizsgálta esetekben jó egyezést adott.) Az épületek közlekedési szennyező terjedésre gyakorolt hatásának numerikus szimulációval történő vizsgálatára 9. ábra mutat példát. Adott egy forgalmas út, amelynek jelenleg csak az egyik oldalán vannak viszonylag alacsony épületek. Kérdés, hogy az út másik oldalára tervezett épületek elkészülte után milyen lesz az úton felszabaduló kipufogó gázok koncentrációjának megoszlás az épületek mögötti városrészben, ha az áramlás iránya merőleges az útra. A numerikus szimuláció a 9. a.és b. ábrán látható áramvonalakat eredményezte a kétfajta épület elrendezésre. A 9. c. és d. ábrák pedig a kipufogó gáz koncentráció síkbeli eloszlását mutatják. Az e. és f. diagramok az épületek mögött felvett függőleges sík mentén, a g. és h. diagramok pedig az épületek mögött a talaj közelében mutatják a kipufogógáz koncentráció megoszlását. Látható, hogy a magasabb épületek mintegy "magukra húzzák" és így magasabbra emelik fel a szennyező gázt. Ennek eredményeként kisebb koncentráció várható a talaj közelében. Áramvonalak a) b) Koncentrációs eloszlások c) e) g) d) f) h) 9. ábra. Épületek légszennyeződésre gyakorolt hatásának előrejelzése numerikus szimulációval A FLUENT kód segítségével meghatározható a szennyeződés terjedése folyóvizekben is. A 10. ábrán a folyópart egy pontján bevezetett szennyező folyadék terjedését mutatja. A 11. ábrán a Keszthelyi öbölben a víz felületén a szél által okozott csúsztatófeszültség eloszlás látható. Miután a szélsebesség és így a csúsztatófeszültség az északi parton lévő hegyek következtében változik, az öbölben a szál hatására áramlás jön létre. 6

7 10. ábra. Szennyezőanyag terjedése a folyóban 11. ábra. Csúsztató feszültség eloszlása a Balaton felszínén Kísérletek bizonyítják, hogy a Fluent kód igen jól használható alagút tüzek lefolyásának előre jelzésére. A 12. ábrán a tűz kitörése után 40 másodperc elteltével látható a füst helyzete adott szellőzés mellett. A különböző árnyalatok (színek) különböző füst koncentrációt jelentenek. 12. ábra. A füst terjedésének szimulációja alagúttűz esetén 7

8 Befejezésül egy védelmi célú numerikus szimulációt mutatunk be. A 13. ábra egy adott sebességgel mozgó Challanger 1. tank felületére juttatott párolgó mérgező anyag számított koncentráció megoszlását mutatja oldalszélben. A szimuláció segítségével meghatározható a várható koncentráció a frisslevegő bevezető nyílások környezetében. 13. ábra. párolgó anyag koncentráció megoszlása oldalszélben haladó Challenger 1 tank környzetében Az Áramlástan Tanszéken végzett további numerikus szimulációink eredményei a honlapon láthatók. Szélcsatorna kísérleteiről a honlap Referenciamunkáink oldala ad felvilágosítást. A 10., 12. és 13. ábrán látható szimulációs eredményeket a honlapról vettük át. 8