Modelowanie systemów wentylacji tuneli drogowych

Tunele drogowe stają się nieodłącznym elementem krajowej sieci dróg. W centrach miast ich rola polega na przynajmniej częściowym odciążeniu sieci dróg na powierzchni, umożliwieniu tranzytu przez miasto i ułatwieniu zagospodarowania przestrzeni miejskiej. Jako przykład można wskazać tunele Drogowej Trasy Średnicowej w Katowicach i w Gliwicach. Zbudowano też tunele, których zadaniem jest poprawa przeprawy przez rzekę, jak na przykład tunel pod Martwą Wisłą w Gdańsku.

Drugą grupę stanowią tunele pozamiejskie, budowane najczęściej w celu szybkiego pokonania naturalnych przeszkód. Przykładem może być tunel w Lalikach czy tunele na trasie budowanej aktualnie drogi nr 7, popularnie zwanej „zakopianką”.

Budowa tunelu to ogromne przedsięwzięcie inżynieryjne. W pierwszym etapie prace terenowe koncentrują się na wyżłobieniu kanału oraz odpowiednim zbudowaniu ścian i stropu. Kolejny etap stanowi wyposażenie tunelu we wszystkie systemy, dzięki którym jego użytkowanie będzie wygodne i bezpieczne.

Poza oznakowaniem i oświetleniem na pierwszy plan wysuwa się system wentylacji. Jego rola wiąże się z zapewnieniem właściwych warunków bytowych. Oznacza to, że przejrzystość powietrza w tunelu jest odpowiednia i nie stanowi zagrożenia dla ruchu pojazdów. Równocześnie jakość powietrza umożliwia pozostawienie otwartych okien czy wlotów powietrza w samochodzie w czasie przejazdu przez tunel lub dłuższy pobyt ludzi podczas pracy ekip remontowych wewnątrz tunelu.

Istniejący w tunelu system wentylacji bytowej powinien też przełączyć się w tryb wentylacji pożarowej w momencie wybuchu pożaru. Szczegóły działania wentylacji pożarowej zależą od rodzaju systemu, jaki został zastosowany. Zasadniczo polega ono na odprowadzeniu gorących dymów spod stropu tunelu jak najkrótszą drogą przez otwory wywiewne na zewnątrz lub do najbliższego portalu. Działanie wentylacji pożarowej powinno ułatwić ludziom ewakuację z tunelu, a ekipom ratowniczym szybkie zlokalizowanie i dotarcie na miejsce rozwoju pożaru.

Projektowanie wentylacji w tunelu drogowym

Zgodnie z polskimi przepisami efektywność działania wentylacji bytowej powinna zostać określona na podstawie stężenia tlenku węgla i tlenku azotu w powietrzu tunelu [1]. Dodatkowo przepisy podają dopuszczalne stężenie masowe sadzy w powietrzu tunelu. Rozporządzenie [1] zakłada, że wentylacja w tunelu drogowym będzie wykonana jako naturalna lub mechaniczna. Z kolei wentylacja mechaniczna może być zrealizowana jako wzdłużna, poprzeczna lub mieszana [2, 3].

Wybór właściwego systemu uzależniony jest przede wszystkim od długości tunelu, a także od natężenia ruchu pojazdów. Przepisy dopuszczają projektowanie wentylacji naturalnej w tunelach z ruchem jednokierunkowym, bez zatorów, o długości 600 m, gdy droga poza tunelem przebiega w poziomym terenie, lub 400 m, gdy droga poza tunelem przebiega w wykopie. Gdy natężenie ruchu w ciągu drogi jest duże i pojawiają się zatory, dopuszczalna długość tunelu z wentylacją naturalną wynosi 200 m.

• Działanie wentylacji naturalnej opiera się na różnicy ciśnień między głowicami tunelu oraz na ruchu pojazdów.
• Wentylacja mechaniczna wzdłużna polega na pracy wentylatorów osiowych lub zastosowaniu szybów wentylacyjnych (rys. 1). Dopuszcza się stosowanie takich rozwiązań dla tuneli o długości do 1000 m. Pod stropem tunelu wentylatory muszą zostać umieszczone w odległościach nie mniejszych niż 60 m i nie większych niż 120 m. Dodatkowo powinny być pogrupowane w celu zapewnienia równomiernego przepływu oraz niezawodności działania.

• Wentylacja mechaniczna poprzeczna polega na doprowadzeniu powietrza do dolnej części tunelu, na wysokości kół, oraz odprowadzeniu powietrza spod sklepienia tunelu (rys. 2). Można ewentualnie zrezygnować z kanałów odprowadzających zużyte powietrze i usuwać je przez głowice tunelu. Prędkość przepływu powietrza w tunelu z wentylacją mechaniczną nie powinna być większa niż 10 m/s.

Przedstawione rozwiązania wentylacji bytowej i pożarowej w tunelach drogowych muszą z odpowiednią wydajnością usuwać dym w razie wybuchu pożaru. Powoduje to, że wszystkie wentylatory działające w tunelu, niezależnie od systemu, w którym pracują, muszą być odporne na wysoką temperaturę [1].

Czytaj też: Oddymianie garaży zamkniętych – wymagania przepisów a efektywność rozwiązań technicznych >>>

Na rys. 3a i rys. 3b pokazano zdjęcia z tunelu pod Martwą Wisłą w Gdańsku. Na zdjęciu 3a po prawej stronie tunelu nad chodnikiem widać podłużne nawiewniki wentylacji poprzecznej. Na zdjęciu 3b widoczny jest wentylator osiowy wentylacji wzdłużnej umieszczony pod sklepieniem tunelu.

Wentylacja pożarowa w tunelu drogowym

W momencie wybuchu pożaru w tunelu drogowym wentylacja pożarowa ma za zadanie utrzymać warunki umożliwiające ludziom ewakuację, a następnie ułatwić służbom ratowniczym dotarcie w pobliże źródła pożaru. Określenie wydajności, z jaką pracować będą wentylatory w trybie pożarowym, ma duże znaczenie dla realizacji powyższych zadań. Prędkość przepływu powietrza nie powinna być zbyt mała, aby dym nie popłynął w przeciwną stronę niż przepływ generowany przez wentylatory. Równocześnie prędkość nie powinna być zbyt duża, aby nie zaburzyć naturalnej stratyfikacji dymu i powietrza, a w niesprzyjających warunkach nie przenieść pożaru na kolejne samochody stojące w tunelu.

Zjawisko przepływu dymu w kierunku przeciwnym niż kierunek pracy wentylatorów osiowych nosi nazwę backlayering i jest bardzo niekorzystne dla warunków panujących w tunelu w czasie rozwoju pożaru. Powoduje zadymienie całego tunelu i świadczy o tym, że system wentylacji pożarowej nie spełnia swojej funkcji. Graniczna minimalna prędkość dla danego tunelu, przy której nie pojawia się backlayering, nosi nazwę prędkości krytycznej. Definiuje się ją jako minimalną prędkość, przy której nie nastąpi przepływ dymu w kierunku przeciwnym do kierunku pracy wentylatorów (rys. 4).

Prędkość krytyczna może być wyznaczona na podstawie równań [6]:

gdzie:

Vc – prędkość krytyczna, m/s;K1 – 0,606;Kg– współczynnik nachylenia tunelu;g – przyspieszenie ziemskie, m/s2;H – wysokość tunelu, m;Q – moc pożaru, kW;ρ – gęstość powietrza, kg/m3;Cp – ciepło właściwe powietrza, kJ/kgK;A – powierzchnia przekroju poprzecznego tunelu, m2;Tf– średnia temperatur gazów pożarowych, K;T – temperatura powietrza, K.

Przedstawione powyżej równania muszą być rozwiązane iteracyjnie. Gdy obliczenia dotyczą tunelu nachylonego, dodatkowo należy wyznaczyć wartość Kg. Współczynnik nachylenia tunelu można odczytać z wykresu w normie NFPA [4] lub obliczyć z równania [7]:

Gdy nachylenie tunelu przekracza 1%, należy ten fakt uwzględnić w obliczeniach wartości prędkości krytycznej oraz przy projektowaniu wentylacji dla tego tunelu. Nachylenie będzie powodowało powstanie ciągu kominowego w tunelu: wystarczy, że wystąpi różnica temperatur pomiędzy powietrzem zewnętrznym a ścianami tunelu. Może to być spowodowane np. nasłonecznieniem jednej z głowic tunelu – powstanie wtedy naturalny przepływ powietrza w kierunku głowicy położonej wyżej. Podobny efekt wystąpi w momencie wybuchu pożaru – gorące gazy pożarowe będą się przemieszczać w kierunku wyżej położonego portalu tunelu.

Naturalne zjawiska pojawiające się w tunelu nachylonym generują dodatkowe przepływy powietrza, które powinny zostać uwzględnione w czasie projektowania wentylacji w tunelu drogowym. Wpływ nachylenia tunelu na efektywność działania systemów wentylacji jest na tyle duży, że w przepisach europejskich pojawia się dotyczące go ograniczenie. Zgodnie z [8] ze względu na wpływ ciągu naturalnego na działanie wentylacji w tunelu drogowym jego maksymalne dopuszczalne nachylenie wynosi 5%.

Modelowanie przepływów powietrza w tunelu drogowym

Współcześnie bardzo często korzysta się na różnych etapach procesu projektowego z programów realizujących numeryczną mechanikę płynów. Analizy numeryczne służą do sprawdzenia zaproponowanych rozwiązań projektowych czy kontroli rozwiązań niestandardowych. Do analiz numerycznych przepływów powietrza w tunelach drogowych wykorzystuje się najczęściej dwa programy

• Fire Dynamics Simulator (FDS)
• oraz Ansys Fluent [9, 10].

Fire Dynamics Simulator (FDS)

FDS przeznaczony jest do analiz rozprzestrzeniania się dymu i ciepła w obiektach, w których rozwija się pożar. Program jest bardzo chętnie wykorzystywany przez inżynierów. Wynika to z jednej strony z jego łatwej obsługi, a z drugiej z niewysokiej ceny. Program dopuszcza podział analizowanej przestrzeni tylko siatką z komórkami prostopadłościennymi. Stanowi to duże utrudnienie, jeśli rozważana przestrzeń ma nieortogonalną geometrię.

W przypadku modelowania przepływów w tunelu można zbudować sklepienie w formie „schodków” (dobierając ich wysokość) lub zrezygnować z łuku na rzecz tunelu o przekroju prostokątnym (rys. 5 i rys. 6). Pierwsze rozwiązanie spowoduje duże niedokładności związane ze znaczną szorstkością „schodków”, drugie będzie znacząco odbiegać od rzeczywistej geometrii tunelu. Oba rozwiązania wprowadzają do modelu tunelu znaczne zniekształcenia, które z pewnością nie pozostaną bez wpływu na wyniki obliczeń.

Modelowanie elementów systemu wentylacji poprzecznej w tunelu drogowym, takich jak nawiewniki, nie stanowi problemu – wystarczy wprowadzić płaskie obiekty o odpowiednim polu powierzchni, dla których zadaje się właściwą prędkość wylotową. W przypadku modelowania działania systemów wentylacji wzdłużnej lub półpoprzecznej pojawia się kwestia właściwego zbudowania modelu wentylatora osiowego. W ostatniej wersji programu FDS modelowanie wentylatora osiowego polega na budowie obiektu złożonego z komponentów HVAC – wlotu i wylotu połączonych przewodem o zadanych parametrach przepływu. Działanie wentylatora określone jest przez podanie strumienia objętości, opcjonalnie można określić moment włączenia oraz czas osiągnięcia pełnej wydajności. Schemat takiego modelu wentylatora pokazano na rys. 7.

Obliczając liczbę Reynoldsa, nawet dla małej prędkości przepływu powietrza (około 1 m/s) otrzymujemy dla typowego tunelu drogowego wartości rzędu 106.

gdzie:

u – prędkość przepływu, L – wymiar charakterystyczny przepływu (średnica hydrauliczna), μ – lepkość dynamiczna (powietrza).

Przepływy powietrza w tunelu, zarówno naturalne, jak i wymuszone, są więc w pełni turbulentne. Wybranie odpowiedniego modelu turbulencji wymaga zawsze od wykonującego obliczenia wnikliwej analizy.

Należy dobrze rozumieć wszystkie procesy towarzyszące przepływom turbulentnym w badanej przestrzeni, często konieczne wydaje się przeprowadzenie symulacji wstępnych pozwalających wybrać właściwy model turbulencji.

W przypadku analiz numerycznych wykonywanych z wykorzystaniem programu FDS wyboru nie ma – program narzuca model turbulencji Large Eddy Simulation (LES). W modelu tym struktura dużych wirów jest określana bezpośrednio. Małe wiry, których rozmiar jest mniejszy od rozmiaru pojedynczej komórki siatki, są modelowane analitycznie. Energia kinetyczna zawarta w małych wirach nie powinna przekraczać 20% całkowitej energii kinetycznej, reguła ta pośrednio określa wymaganą gęstość siatki numerycznej. Wadą podejścia LES jest gorsze modelowanie przepływów przyściennych, co w przypadku omawianych zastosowań nie ma krytycznego znaczenia.

Pomimo wskazanych znacznych uproszczeń, które pojawiają się w modelach numerycznych tuneli zbudowanych w programie FDS, jest on bardzo dobrym narzędziem inżynierskim. Łatwość obsługi i określony „pożarowy” profil programu powodują, że jest to doskonałe narzędzie do modelowania przepływu dymu i ciepła. Oczywiście wymaga od użytkownika znajomości podstaw mechaniki płynów, inżynierii pożarowej oraz zasad modelowania numerycznego.

Ansys Fluen

Drugim programem wykorzystywanym w analizach numerycznych przepływów powietrza i dymu w tunelach jest Ansys Fluent. Ma dużo szersze zastosowanie niż tylko inżynieria pożarowa. Daje możliwość zbudowania dowolnej geometrii i zastosowania siatek niestrukturalnych (rys. 8). Wiąże się z tym możliwość zagęszczenia siatki w obszarze przyściennym czy otoczeniu urządzeń.

Podobnie jak w programie FDS, modelowanie nawiewników sprowadza się do utworzenia płaskich obiektów z zadaną prędkością wylotową. Wentylator osiowy, który jest podstawowym elementem wentylacji wzdłużnej, można modelować w programie Ansys Fluent na kilka sposobów. Możliwe jest zbudowanie modelu wentylatora uwzględniającego wszystkie szczegóły konstrukcyjne, łącznie z kształtem łopatek wirnika. Taka dokładność przy modelowaniu przepływów w tunelu drogowym nie jest potrzebna. Program daje możliwość zastosowania modeli uproszczonych (rys. 9), takich jak:

• zastosowanie pary powierzchni „wlot”, „wylot” z zadaną prędkością wylotową strugi powietrza (IO),
• zastosowanie objętości z przypisanym źródłem pędu (A)
• czy zastosowanie nieskończenie cienkiej powierzchni (B) lub realnej objętości symulującej (C) wirnik wentylatora [12].

Modele B i C można określić przez podanie spiętrzenia (ÄP) lub pełnej charakterystyki wentylatora (CW), pozwalają też opcjonalnie na odtworzenie profili prędkości promieniowej i stycznej.

Duże możliwości programu Ansys Fluent objawiają się również w momencie wyboru modelu turbulencji. Dostępne są wszystkie modele turbulencji, w tym modele z rodziny RANS (Reynolds Averaged Navier-Stokes). W podejściu tym, zamiast poszukiwać wartości chwilowych parametrów charakteryzujących przepływ, wyznacza się wartości tych wielkości uśrednione w czasie. Z praktycznego punktu widzenia jest to zupełnie wystarczające.

Opracowano wiele modeli różniących się szczegółowymi założeniami, miedzy innymi: k-ε standard, k-ε realizable, k-ω standard, k-ω SST, RSM. Niezbędna jest znajomość cech charakterystycznych oraz ograniczeń poszczególnych modeli turbulencji, aby możliwy był wybór właściwego modelu.

Wśród modeli z rodziny RANS najdokładniejsze wyniki daje RSM, ale jest bardzo złożony obliczeniowo i niewykluczone są problemy ze zbieżnością rozwiązania.

W przypadku modelowania przepływów turbulentnych w tunelach kompromisem pomiędzy dokładnością wyników a szybkością obliczeń jest wybór modelu k-ω SST. Program Ansys Fluent umożliwia ponadto dokładny dobór szorstkości ścian tunelu, co w pewnym stopniu modeluje opór stawiany przepływowi przez elementy infrastruktury tunelu (lampy, wentylatory, czujniki, kable i znaki drogowe).

Jak zaznaczono powyżej, w programie ­Ansys Fluent można dokładnie odwzorować zjawiska towarzyszące przepływowi powietrza i dymu w tunelu drogowym. Program daje możliwość zbudowania dowolnej geometrii, wyboru właściwego modelu turbulencji oraz uwzględnienia wszystkich zjawisk, które mogą pojawić się w procesie przepływu powietrza przez tunel. Możliwości programu związane są również z opcją tworzenia własnych rozszerzeń (UDF – User Defined Function), dzięki którym można na przykład wprowadzić do modelu pożądaną zmienność parametrów.

Podsumowanie

Tunele drogowe stają się nieodłącznym elementem sieci komunikacyjnych. Zapewnienie bezpieczeństwa w czasie ich użytkowania i wykonywania prac remontowych jest bardzo ważne. Wszystkie systemy zaprojektowane i pracujące w tunelach przechodzą prawdziwy egzamin w momencie wybuchu pożaru, kiedy powinny zapewnić bezpieczną ewakuację użytkownikom i ułatwić prace ekipom ratowniczym.

Testy z prawdziwym, ale kontrolowanym pożarem są praktycznie niewykonalne ze względów organizacyjnych i ekonomicznych, a przede wszystkim mogą spowodować trwałe uszkodzenie infrastruktury tunelu. Próby z gorącym dymem, które odpowiadają pożarom o bardzo małej mocy (około 2 MW), nie odtwarzają w pełni warunków w tunelu drogowym w czasie rzeczywistego pożaru.

Powszechne staje się więc wykorzystanie metod numerycznych do testowania zaprojektowanych systemów wentylacji tuneli drogowych. Stosując przedstawione powyżej programy, mamy możliwość sprawdzenia, jakie warunki będą panować w tunelu drogowym w czasie rozwoju pożaru. Można analizować przypadki różniące się mocą pożaru, jego lokalizacją i trybami pracy systemu wentylacji pożarowej. Nieocenione są tu dane pomiarowe z prób z gorącym dymem, gdyż mogą posłużyć do walidacji przygotowanego modelu numerycznego.

Literatura

1. Rozporządzenie Ministra Transportu i Gospodarki Morskiej z dnia 30 maja 2000 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać drogowe obiekty inżynierskie i ich usytuowanie (DzU nr 63, poz. 735/2002, z późn. zm.).
2. Mizieliński B., Kubicki G., Wentylacja pożarowa. Oddymianie, Wydawnictwo WNT, Warszawa 2012.
3. Nawrat S., Napieraj S., Wentylacja i bezpieczeństwo w tunelach komunikacyjnych, Wydawnictwo AGH, Kraków 2005.NFPA 502
4. Standard for Road Tunnels, Bridges, and Other Limited Access Highways, 2011 Edition.
5. Król A., Król M., Impact of the factors determining the natural stack effect on the safety conditions in a road tunnel, Recent advances in traffic engineering for transport networks and systems, „Lecture Notes in Networks and Systems” 21, 2367–3370, p. 85–95, 2018.
6. Klote J.H., Milke J.A., Turnbull P.G., Kashef A., & Ferreira M.J., Handbook of smoke control engineering, Atlanta, GA: ASHRAE, 2012.
7. Musto M., Rotondo G., Numerical comparison of performance between traditional and alternative jet fans in tiled tunnel in emergency ventilation, „Tunnelling and Underground Space Technology” 42, p. 52–58, 2014.
8. Directive 2004/54/EC of the European Parliament and of the Council of 29 April 2004 on minimum safety requirements for tunnels in the trans-European road network (7.06.2004).
9. Ansys Inc, Ansys Fluent Tutorial Guide, 2013.McGrattan K., Fire Dynamics Simulator Users Guide, NIST Publ. 1019, 2010.
10. Król A., Król M., Transient analyses and energy balance of air flow in road tunnels, „Energies” Vol. 11, Is. 7, Art. No. 1759, p. 1–15, 2018.
11. Król A., Król M., Study on numerical modeling of jet fans, „Tunnelling and Underground Space Technology” 73, p. 222–235, 2018.