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Algoritmi matematici, modelli numerici ed elaborazioni di calcolo

automatico per lo studio delle interazioni tra water mist e scenari

di incendio di progetto

Prof. Ernesto Damiani

Intervento nell’ambito del seminario tecnico“Come evolve la sicurezza antincendio con la tecnologia Water Mist”

Belluno, 14 maggio 2010

Introduzione

• Il sistema water mist ad alta pressione utilizza gocce d’acqua di dimensioni molto ridotte, che riescono a controllare l’incendio attraverso i seguenti meccanismi:

– Raffreddamento della fiamma e dei fumi

– Riduzione dell’ossigeno disponibile per la

combustione, grazie alla formazione di vapore

– Attuazione del flusso di calore radiante grazie alla

presenza di goccioline di acqua nell’ambiente

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Classificazione del Water Mist

• NFPA 750

• Class 1, Dv0.1=100 µm, Dv0.9=200 µm

• Class 2, Dv0.1=200 µm, Dv0.9=400 µm

• Class 3, Dv0.9>400 µm

Water Mist in azione

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Modellizzazione della soppressione degli incendi

• La modellizzazione in scala della soppressione degli incedi tramite sistema water mist coinvolge molti aspetti differenti, tra i quali:

– fenomeno della combustione

– dinamica dei fluidi e delle correnti d’aria

– atomizzazione e evaporazione delle gocce d’acqua

• Modelli noti in letteratura

– a campi

– a zone

Modello a campi

• Suddividono l’ambiente in migliaia (anche milioni) di celle tridimensionali

• Alle celle vengono assegnate grandezze termodinamiche in base al materiale che le compone

• Nel sistema le equazioni di conservazione (massa, energia etc.) vengono risolte per ogni cella

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Modello a campiVantaggi e svantaggi

• Applicabilità in ogni situazione

• Previsioni più precise

• Complessità nell’utilizzo

• Tempi lunghi per la preparazione dello

scenario d’incendio e per lo sviluppo dei

calcoli

• Necessità di computer potenti e veloci

• Minimo errore di definizione dell’ambiente

invalida la simulazione

Modello a zone

• Dividono l’ambiente in due zone

omogenee:– Zona superiore: fumi e gas prodotti della combustione

– Zona inferiore: libera dal fumo e più fresca di quella

superiore

• Le grandezze caratteristiche del sistema

vengono stimate tramite risoluzione per

via analitica delle equazione di

conservazione e sulla base del variazione

del rapporto delle altezze delle due zone

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Modello a Zone

Modello a zoneVantaggi e svantaggi

• Facilità nell’utilizzo e nella definizione dello

scenario di incendio

• Rapidità nello sviluppo dei calcoli

• Impiego di computer anche non troppo

potenti

• Indicati per ambienti con plano-volumetrie

non troppo complesse e volumetrie

relativamente ridotte

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Modello a zona singola

• Evoluzione del modello a zone

• Noto per descrivere l’azione estinguente

dei sistemi water mist

• Con questo modello, se opportunamente

progettato, l’aria può considerarsi una

miscela omogenea

• L’ iniezione dell’acqua è trattata come se

arrivasse da un’unica fonte in grado di

distribuire uniformemente le gocce

d’acqua

Obiettivi della simulazione

• Esaminare l’azione estinguente del

sistema water mist in ambienti dove la

ventilazione è limitata o controllata

• Analizzare le prestazioni del sistema water

mist in termini di abbassamento della

temperatura che si verifica all’interno del

locale incendiato e tempi di estinzione

dell’incendio

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Modello WaMi (1)• Il modello considera durante lo studio analitico

dell’evoluzione dell’incendio

– Il locale come zona singola

– I principi di conservazione della massa e di energia

per arrivare all’equazione del bilanciamento termico

– La tipologia e la quantità del combustibile

– La superficie di ventilazione del locale in relazione

alla grandezza, alla forma e al posizionamento delle

aperture

– Le caratteristiche dei materiali delle pareti del locale

– Il diametro medio delle gocce d’acqua del sistema

water mist

Modello WaMi (2)

• La potenza termica generata dell’incendio viene dissipata dai seguenti processi:

– riscaldamento dell’aria presente nel locale

– riscaldamento dell’aria che entra nel locale se ci sono

aperture

– riscaldamento dell’acqua iniettata dagli ugelli del

sistema water mist

– evaporazione

– riscaldamento delle pareti

– dispersione termica delle pareti

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Estinzione dell’incendio• Prevede l’estinzione dell’incendio quando la

concentrazione di ossigeno non è più sufficiente per sostenere la combustione

• Per determinare la concentrazione di ossigeno il modello considera:

– La quantità inizialmente presente

– L’ossigeno consumato dalla combustione

– La diluizione provocata dall’evaporazione delle gocce

d’acqua al’interno del locale

– Il bilanciamento indotto dai flussi di aria uscenti e di

quelli entranti attraverso le aperture di ventilazione

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Combustione

• Nell’ipotesi che la combustione sia completa, nell’ambiente ci dovrà essere una sufficiente quantità di ossigeno

• Per valutare la quantità di ossigeno consumato e i prodotti della combustione è necessaria la formula bruta del combustibile

• Dalla reazione stechiometrica vengono determinati:

– I prodotti della combustione

– La quantità di ossigeno consumato

Potenza termica (1)• La potenza termica “Rate of Heat Release”

(RHR), ossia la rapidità con la quale viene

rilasciata l’energia termica incide sulla temperatura e sulla portata di fumo e gas nocivi

• La procedura analitica per stimare la variazione della potenza termica:

– Considera che, nella fase iniziale di crescita

dell’incendio, la potenza termica totale rilasciata,

aumenta con il quadrato del tempo

– Verifica del raggiungimento del flashover

– Determina dell’RHR massimo

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Potenza termica (2)• Considera che dopo il flashover nell’ambiente si

instaura un regime controllato dalla ventilazione e la potenza termica raggiunge il suo valore massimo

• Da questo momento l’andamento di RHR, tipico per la fase di incendio pienamente sviluppato, sarà costante fino a quando il combustibile inizialmente presente verrà consumato per il 70%

• Determina la durata della fase di decadimento dell’incendio, ossia il tempo necessario per consumare il combustibile rimanente

RHR

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Ventilazione

• Lo sviluppo dell’incendio in fase avanzata di evoluzione all’interno di un locale dipende dal valore assunto da un fattore di ventilazione

• Il fattore di ventilazione influenza significativamente il massimo valore della velocità di combustione

• Considerando la ventilazione naturale e la differenza di pressione che si instaura tra l’esterno e l’interno del locale incendiato, il modello analizza le portate massiche di aria entrante e uscente

Sistema water mist (1)

• L’acqua ha l’effetto di:

– raffreddare le sostanze che bruciano fino a valori di

temperatura inferiori a quelli necessari per il

mantenimento della combustione

– soffocare l’incendio creando una atmosfera inerte

formata dal vapore acqueo che si libera nell’aria a

causa della evaporazione

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Sistema water mist (2)

• Il modello considera che la distribuzione delle dimensioni delle gocce d’acqua è caratterizzata da un diametro medio per determinare:

– il calore trasferito alle gocce d’acqua, che dipende dal

diametro medio

– la quantità di acqua che può evaporare

Temperatura

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Analisi di sensitività

• Il modello è stato sottoposto a un'analisi di sensitività prevista dallo standard ISO-13387 seguendo l'impostazione di disegno fattoriale definita in NIST-GCR-95-683

– Sono stati individuati quindi i parametri critici che

necessitano di una modellizzazione iniziale molto

accurata

Adattabilità

La caratteristica modulare permette una

grande adattabilità ai possibili scenari

presi in analisi

Possono essere presi in considerazione

anche:• scenari con assenza di ventilazione

• scenari con assenza di fiamma

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Sviluppi futuri

• Integrazione con software CAD

• Introduzione di scenari multiambiente

Riferimenti

1. Modeling of water mist fire suppression, J. Vaari

2. A Transient One-zone Model for Total Flooding Water Mist Fire Suprresion, J.Vaari, Proc. of the 5ht Fire Suppression and Detection Research Application Symposium,

3. Ingegneria della sicurezza antincendio antincendio, A La Malfa, Legislazione Tecnica Editrice

4. Problemi pratici risolti di ingegneria antincendio, A. La Malfa, Legislazione Tecnica Editrice

5. The effect of door angle on fire induced flow through a door way, L. R. Clark, Master thesis of Department of Civil Engineering, University of Canterbury

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Riferimenti

6. Wighus, R and Brandt, A.W., ' WATMIST – a one-zone model for water mist fire suppression', Proceedings of the Halon Options Technical Working Conference, Albuquerque, NM (2001)

7. ESTIMATING TEMPERATURES IN COMPARTMENT FIRES - William D. Walton and Philip H. Thomas

8. Status Report on Water Mist Fire Suppression Systems –1996’, J. R. Mawhinney and J. K. Richardson, NISTIR 6030, National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg, MD (1997) pp.137-144.

9. ‘Advances in the Technology of Intermediate Pressure Water Mist Systems for the Protection of Flammabel Liquid Hazards’, J. S. Pepi,Proc. of the Halon Options Technical Working Conference, Albuquerque, NM (1998) p.417.