Analisi fluidodinamica computazionale CFD (Computational Fluid Dynamics)

L’analisi fluidodinamica CFD (Computational Fluid Dynamics) è un importante supporto alla progettazione dei sistemi di ventilazione meccanica.

Grazie all’analisi CFD è possibile valutare il comportamento del sistema

di ventilazione progettato e migliorarne così prestazioni ed efficacia.

L’analisi CFD può essere sviluppata in due diverse condizioni:

smaltimento inquinanti ed evacuazione fumi in emergenza incendio.

L’analisi CFD può simultaneamente prevedere la movimentazione

dell’aria, il trasferimento di calore e il trasporto di contaminanti

all’interno e all’esterno degli edifici. Il modello CFD è basato su

equazioni fondamentali di fisica, fluidodinamica e termodinamica.

Il software è in grado di simulare situazioni in regime stazionario

e dinamico. I principali vantaggi sono la capacità di rappresentare

situazioni in geometrie complesse e risolvere problemi fluidodinamici

basandosi su modelli fisici fondamentali.

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CFD PollutionSviluppata con l’obiettivo di verificare che l’impianto di ventilazione meccanica sia in grado di mantenere una concentrazione di Monossido di Carbonio (CO) inferiore ad un valore limite. Il criterio di accettazione del livello di concentrazione di monossido di carbonio viene specificato nel manuale ASHRAE 2007, secondo il quale i livelli di CO devono risultare inferiori ad un valore di picco designato in funzione del tempo di esposizione: 40 mg/m³ (35 ppm) per esposizione 60 minuti, 74 mg/m³ (65 ppm) per esposizione 30 minuti, 130 mg/m³ (120 ppm) per esposizione 15 minuti. L’analisi viene condotta sia ad impianto di ventilazione disattivato, con lo scopo di individuare eventuali aree stagnanti nell’autorimessa, che a sistema in funzione al fine di valutare la rimozione dei ristagni e la riduzione delle concentrazioni di CO.

CFD SmokeSviluppata per verificare che le condizioni di temperatura e visibilità rimangano accettabili in caso d’incendio e controllare che la posizione e il numero di ventilatori jet fan siano sufficienti a indirizzare i fumi caldi verso i punti di estrazione senza creare ostruzioni alle vie di esodo. I criteri di accettazione utilizzati vengono specificati negli standard “SFPE Handbook” e “Singapore Civil Defence Force, Fire Safety & Shelter Department”, secondo i quali per la corretta evacuazione delle persone in caso di incendio ad una altezza di 1,7 m dal suolo la temperatura deve essere inferiore a 60°C e la visibilità maggiore di 5 m.

Distribuzione inquinante CO (Monossido di Carbonio)

Profilo velocità del sistema Jet Fan

Profilo vettoriale delle velocitàdel sistema Jet Fan

Esempio CFD Pollution @ Università Tor Vergata NUOVO RETTORATO, Roma

Esempio CFD Smoke @ Centro Commerciale ELNÒS SHOPPING, Roncadelle (BS)

Profilo del livello di visibilità a seguito dello sviluppo di una sorgente d’incendio

Profilo in 3D delle temperature generate dallo sviluppo di una sorgente d’incendio

Profilo in 3D della distribuzione del fumo generato dallo sviluppo di una sorgente d’incendio

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Referenze Italia

Centro Commerciale TIARE SHOPPINGVillesse (GO)Verifica dello smaltimento inquinanti e dell’estrazione di fumo e calore in emergenza incendio nell’autorimessa tramite sistema Jet Fan Car Park e della visibilità necessaria in fase di esodo.

Negozio EATALY MILANO Milano, Piazza XXV AprileVerifica dello smaltimento di fumo e calore in emergenza incendio all’interno del negozio Eataly di Milano, a supporto della Fire Safety Engineering (FSE).

Centro Commerciale MONDOJUVE SHOPPING CENTERNichelino (TO)Verifica dell’efficacia del sistema di ventilazione Jet Fan Car Park per lo smaltimento inquinanti (miscele infiammabili e monossido di carbonio(CO)) nell’autorimessa del centro commerciale.

Centro Commerciale ELNÒS SHOPPINGRoncadelle (BS)Verifica dello smaltimento inquinanti e dell’estrazione di fumo e calore in emergenza incendio nell’autorimessa tramite sistema Jet Fan Car Park e della visibilità necessaria in fase di esodo.

Università TOR VERGATA NUOVO RETTORATORomaVerifica corretto smaltimento inquinanti (miscele infiammabili e monossido di carbonio(CO)) nell’autorimessa del centro commerciale tramite sistema Jet Fan Car Park.

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Caso di studio:Gandhi International Airport, Delhi (India)Evacuazione di fumo e calore in emergenza incendio nella hall

Obiettivo

L’obiettivo progettuale è stato la determinazione del numero di Jet Fan necessari per lo smaltimento di fumo e calore in emergenza incendio riferito alla zona “Arrival Baggage Reclaim Hall”, dell’aeroporto di Nuova Delhi. La determinazione delle concentrazioni e temperature dei fumi generati da una sorgente di incendio pari a 5,27 MW si è resa necessaria per il corretto dimensionamento impiantistico.

Modellazione 3D e reticolazione

L’analisi CFD viene effettuata su un modello dell’edificio in 3D realizzato tramite reticolazione esaedrica

Rappresentazione dell’incendio

L’incendio è schematizzato come un’area fluida generalmente dinamica di calore, massa e fumo. Nella zona di incendio le fonti di calore sono considerate nelle formule di conservazione della massa e dell’energia.

Q= mfuHfuŋ Nell’equazione precedente “Q” é il rilascio di calore dovuto all’incendio, “mfu” é la percentuale di consumo di combustibile, “Hfu” é la capacità (potenza) calorifera del combustibile, “ŋ”é l’efficienza di combustione.

Risultati e conclusioni

I risultati delle simulazioni hanno portato alle seguenti conclusioni:1. Con la simulazione CFD, si è constatato che con il sistema di

ventilazione progettato secondo gli standard locali, la zona ritiro bagagli risultava completamente piena di fumo entro 10 minuti dallo scoppio dell’incendio.

2. Successivamente il sistema di ventilazione è stato modificato considerando i risultati della CFD. Il nuovo impianto è in grado di mantenere le zone occupate libere da fumo per 45 minuti dall’inizio dell’incendio, in conformità ai requisiti di sicurezza richiesti da ASHRAE.

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Caso di studio: Auditorium, Gaborone (Botswana)Raffreddamento a pavimento in un auditorium

Obiettivo

L’obiettivo di questo studio è stato il confronto della funzionalità tra un sistema di raffreddamento tradizionale rispetto ad un sistema a pavimento. Il progetto si riferiva ad un auditorium con una capacità di 250 sedute, nella città di Gabarone in Botswana (Africa). Per realizzare questo studio è stato necessario realizzare due distinte analisi CFD: nel primo caso con la diffusione aria da soffitto tramite diffusori ad alta induzione e con l’estrazione posizionata sul fronte del palcoscenico. Nel secondo caso con la diffusione aria tramite diffusori sottopoltrona e con l’estrazione a soffitto. L’analisi CFD ha verificato i profili di velocità dell’aria e le temperature nelle varie sezioni dell’auditorium in entrambi i casi al fine di stabilire il sistema di raffreddamento più efficace.

Modellazione 3D e reticolazione

Il modello da creare per poter effettuare un’analisi CFD è un 3D realizzato tramite reticolazione.

Risultati e conclusioni

I risultati delle simulazioni CFD hanno portato alle seguenti conclusioni:1. Si rileva che nel sistema tradizionale la temperatura nella zona

occupata varia tra i 25 e i 29 °C a seconda dell’altezza della seduta. Utilizzando il raffreddamento a pavimento varia tra i 23 e i 24 °C.

2. Le velocità dell’aria nella zona occupata risultano più consone rispetto al comfort indoor utilizzando l’impianto di diffusione aria a pavimento.

Caratteristiche tecniche

Il modello fluidodinamico contempla le seguenti condizioni: nell’auditorium il carico termico totale è dovuto alla presenza di 250 persone in platea e 10 persone sul palco, ovvero di 20.020 watt di carico sensibile e 10.920 watt di carico latente; a questi si aggiungono il carico di illuminazione totale che è pari a 4.710 watt. Non sono stati considerati il carico di irraggiamento generato dalle fonti di illuminazione e l’umidità relativa.

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Caso di studio: Road Tunnel Kongre Vadisi, Istanbul (Turchia)Evacuazione fumo e calore in emergenza incendio in un tunnel

Obiettivo

L’obiettivo è stato il dimensionamento di un sistema di ventilazione atto a garantire l’evacuazione di fumo e calore, permettere l’esodo rapido e sicuro e l’accesso delle squadre di intervento in completa sicurezza.L’impianto di ventilazione è stato ingegnerizzato nel rispetto delle linee guida internazionali NFPA, SFPE, ASHRAE e PIARC. Tali norme stabiliscono:1. livello di visibilità2. livello di temperatura3. concentrazione di monossido di carbonio (CO).

Modellazione 3D e reticolazione

L’analisi CFD viene effettuata su un modello dell’edificio in 3D realizzato tramite reticolazione; è stato utilizzato il software Fire Dynamics Simulator (FDS).

Sfida tecnica

La sicurezza antincendio nei tunnel stradali e ferroviari è fondamentale in quanto allo scoppiare di un incendio si genera una notevole quantità di fumo ad alte temperature che causa scarsa visibilità, difficoltà di esodo ed una pericolosa insalubrità degli ambienti: nella maggior parte degli incidenti le vittime vengono avvelenate o soffocate dal fumo.

Risultati e conclusioni

I risultati della simulazione hanno dimostrato che la progettazione del sistema di ventilazione è principalmente influenzata dai seguenti fattori:1. tipo di ventilazione (longitudinale/trasversale)2. geometria del tunnel3. posizionamento della sorgente d’incendio4. rilascio di calore (HRR)5. tipologia dei materiali infiammabili6. funzionamento del sistema di ventilazione

A seguito dell’analisi dei risultati ottenuti si sono potuti garantire:1. livello di visibilità conforme alle prescrizioni indicate2. temperature accettabili per garantire l’esodo in sicurezza3. assenza di reflusso del fumo nei pressi della sorgente d’incendio

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