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Stima dell`efficacia dei sistemi water mist nel controllo, nella
Giovanni Manzini Dipartimento di Energia Politecnico di Milano Stima dell’efficacia dei sistemi water mist nel controllo, nella soppressione e nell’ estinzione degli incendi Finalità Sistemi WM Analisi FisicoMatematica Modellistica Sperimentazione Simulazioni numeriche Stima dell’efficacia dei sistemi water mist nel controllo, nella soppressione e nell’ estinzione degli incendi Conclusioni I, II Collaborazioni Giovanni Manzini, Ph. D. (Applied Thermal Engineering group) Pubblicazioni Appendici A.I.I.A. XI Convegno Nazionale “La Tecnologia Water Mist - Stato dell’arte e Prospettive” 1 Giovanni Manzini Dipartimento di Energia Politecnico di Milano Finalità Sistemi WM Analisi FisicoMatematica Modellistica Sperimentazione Simulazioni numeriche Conclusioni I, II Stima dell’efficacia dei sistemi water mist nel controllo, nella soppressione e nell’ estinzione degli incendi Finalità della ricerca e sua strutturazione La ricerca ha avuto come obiettivo la valutazione degli effetti di diverse erogazioni water mist su vari tipi di incendio, per mezzo dell’attività sperimentale e dell’impiego di opportuni modelli matematici interpretativi e previsionali. A tal fine la ricerca è stata suddivisa nelle seguenti parti: – analisi fisico-matematica dei fenomeni, – elaborazione di modelli di calcolo per l’implementazione in opportuni codici, – sperimentazione, – simulazione numerica dei vari scenari d’incendio mediante l’impiego dei codici di calcolo tridimensionali (Fast running, CFD). Collaborazioni Pubblicazioni Appendici (La sperimentazione è stata utilizzata sia a supporto della fase di elaborazione dei modelli, sia per la loro validazione, una volta completati.) 2 Giovanni Manzini Dipartimento di Energia Politecnico di Milano I sistemi water mist Finalità Sistemi WM Analisi FisicoMatematica Sistemi per il controllo, la soppressione e l’estinzione degli incendi: single-fluid, twin-fluid Parametri caratteristici delle erogazioni Erogazione Portata [m3/s] ([l/min]) Diametro medio [μm] Pressione di esercizio [MPa] ([bar]) Convenzionale 8,333⋅10-4 ÷ 16,66⋅10-4 (50 ÷100) 1000 ÷ 1500 0,2 ÷ 0,5 (2 ÷ 5) Water mist 3,333⋅10-5 ÷ 58,33⋅10-5 (2 ÷ 35) 30 ÷ 200 5 ÷ 20 (50 ÷ 200) Modellistica Sperimentazione Simulazioni numeriche Conclusioni I, II Collaborazioni Pubblicazioni Appendici Stima dell’efficacia dei sistemi water mist nel controllo, nella soppressione e nell’ estinzione degli incendi Diffusione della tecnologia water mist in un numero crescente di installazioni grazie a: - elevata efficacia, - compatibilità con la presenza umana, - ridotte dimensioni e masse degli impianti, - ridotto bagnamento delle superfici, - messa al bando degli halon. 3 Giovanni Manzini Dipartimento di Energia Politecnico di Milano Finalità Sistemi WM Analisi FisicoMatematica Modellistica Sperimentazione Simulazioni numeriche Conclusioni I, II Collaborazioni Pubblicazioni Appendici Stima dell’efficacia dei sistemi water mist nel controllo, nella soppressione e nell’ estinzione degli incendi I sistemi water mist Principi fisici alla base del funzionamento dei sistemi water mist: • azione termica di raffreddamento, • azione meccanica di riduzione della concentrazione di ossigeno e, secondariamente, di combustibile nelle zone delle fiamme e in quelle prossime ad esse, • azione di attenuazione della potenza termica irraggiata, consistente nella riduzione del flusso termico areico incidente. Elevata efficacia garantita da: • valori elevati della superficie esterna delle gocce e del coefficiente di scambio termico convettivo, • prolungata permanenza in aria delle gocce, a causa della loro massa ridotta, • ampia dispersione delle gocce nello spazio (raggiungimento di focolai nascosti), grazie alle loro dimensioni e alle caratteristiche cinetiche del getto. 4 Giovanni Manzini Dipartimento di Energia Politecnico di Milano I sistemi water mist Finalità Sistemi WM Applicazioni: Analisi FisicoMatematica • Modellistica • • Sperimentazione Simulazioni numeriche Conclusioni I, II Collaborazioni Pubblicazioni Stima dell’efficacia dei sistemi water mist nel controllo, nella soppressione e nell’ estinzione degli incendi • • • • • • • • Sale macchina (settori: marittimo, navale, terrestre); Vani turbine a gas (GE); Tunnel stradali (Virgolo-Brennero, A86-Parigi, M30 Madrid); Teatri (La Scala, Petruzzelli); Metropolitane (Madrid, Londra, Budapest); Archivi cartacei (Politecnico campus Durando); CED (IBM); Sale quadri elettrici (CERN); Cabine navi/ camere alberghi; Aeroporti (Linate); …. Appendici 5 Giovanni Manzini Dipartimento di Energia Politecnico di Milano Analisi fisico-matematica dei fenomeni Finalità Sistemi WM Stima dell’efficacia dei sistemi water mist nel controllo, nella soppressione e nell’ estinzione degli incendi • Erogazione water mist – iniezione – dispersione – trascinamento – vaporizzazione • Scambi termici tra le gocce e i fumi caldi/fiamme – scambi convettivi •Valutazione coefficiente termico convettivo h; – attenuazione radiativa Analisi FisicoMatematica Sviluppo modello iniezione (spray) per il codice ECART (CESI Ricerca). Modellistica Sperimentazione Simulazioni numeriche Conclusioni I, II Appendici scambio •Stima valori attenuazione radiativa A. • Temperatura zona combustione – raffreddamento Stima valore – estinzione medio della temperatura della zona di combustione TFL. Collaborazioni Pubblicazioni di • Evoluzione pool-fire – ignizione – sviluppo – esaurimento – estinzione Elaborazione modello pool fire per il codice ECART (CESI Ricerca). 6 Giovanni Manzini Dipartimento di Energia Politecnico di Milano Finalità Sistemi WM Analisi FisicoMatematica Stima dell’efficacia dei sistemi water mist nel controllo, nella soppressione e nell’ estinzione degli incendi Analisi fisico-matematica dei fenomeni Scambi termici tra le gocce e i fumi caldi/fiamme: valutazione coefficiente di scambio termico convettivo h. Correlazioni di Ranz-Marshall, Whitaker, Ranz-Marshall-Rasbash. 6000 W/m2K h (Whitaker) 9000 W/m2K h (Ranz-Marshall-Rasbash) Modellistica Sperimentazione Simulazioni numeriche Conclusioni I, II Collaborazioni 0 m/s Pubblicazioni T aeriforme= 200 °C 140 m/s Appendici T aeriforme= 900 °C 7 Giovanni Manzini Dipartimento di Energia Politecnico di Milano Finalità Stima dell’efficacia dei sistemi water mist nel controllo, nella soppressione e nell’ estinzione degli incendi Analisi fisico-matematica dei fenomeni Scambi termici tra le gocce e i fumi caldi/fiamme: stima valori attenuazione radiativa A. Sistemi WM Analisi FisicoMatematica ϕ −ϕ A= 0 ϕ0 Cortine d’acqua A = 1 − e − kdp dove • • Modellistica Sperimentazione • Simulazioni numeriche Conclusioni I, II • • A - Tradizionale k dp = k ⋅ ml SMD φ è il flusso termico radiativo incidente [W/m2]; k è un parametro funzione, principalmente, del campo di moto delle gocce e della massa volumica del fluido utilizzato [(s⋅m2)/kg]; • m l è la portata massica lineare della barriera [kg/(s⋅m)]; SMD è il diametro medio di Sauter delle gocce [m]. A - WM Collaborazioni Pubblicazioni Appendici 8 Giovanni Manzini Dipartimento di Energia Politecnico di Milano Analisi fisico-matematica dei fenomeni Finalità Sistemi WM Analisi FisicoMatematica Modellistica Temperatura zona combustione: stima valore medio della temperatura della zona di combustione TFL. C 7 H 16 + 11O 2 → 7CO 2 + 8 H 2 O + Q • Q − Δ • + m CO 2 • Q ⋅ • ∫ Conclusioni I, II Collaborazioni Pubblicazioni Appendici H 2 O − WM N 2 ⋅ T FL ∫ TN T FL • + m = m est T CO Sperimentazione Simulazioni numeriche Stima dell’efficacia dei sistemi water mist nel controllo, nella soppressione e nell’ estinzione degli incendi c c • pN + m 2 dT 2−i • pCO 2 F dT + m H 2O ⋅ (h H ⎡ T Fb ⋅⎢ ∫c ⎢⎣ T Fi 2 O − FL pFl − hH • ⎤ dT + Δ h Fb + (h F − reaz − h Fvb )⎥ + m ⎥⎦ 2O −i O 2 ⋅ T reazL ∫c T iO pO 2 dT + 2 )+ 2−i ⎡ TH 2O −b ⋅⎢ ∫ c pH ⎢⎣ T H 2 O − WM − ii mH2O-WM/VTot amb [kg/m3] 2 Ol dT + Δ h H TFL1 [K] 2o−b + (h H TFL1 [°C] 2 O − FL − hH TFL2 [K] ⎤ 2O −b )⎥ ⎥⎦ TFL2 [°C] 0,11 2480,66 2207,51 1543,95 1270,80 0,43 1535,77 1262,62 868,60 595,45 (dV/dt)/Vol. ambiente= 0,22 ÷ 0,86 l/min⋅m3 (dV/dt)/Vol. ambiente = 0,5 ÷ 1 l/min⋅m3 (dalle dichiarazioni costruttori) 9 Giovanni Manzini Dipartimento di Energia Politecnico di Milano Stima dell’efficacia dei sistemi water mist nel controllo, nella soppressione e nell’ estinzione degli incendi Elaborazione modelli di calcolo Finalità Sviluppo e validazione del modello di iniezione Water mist e del modello di Pool fire per il codice ECART (CESI Ricerca). Sistemi WM Radiative heat transfer Analisi FisicoMatematica Modellistica Modello Pool Fire Sperimentazione Simulazioni numeriche Pyrolysis Thermal Hydraulics Conclusioni I, II Modello Water Mist Collaborazioni Pubblicazioni Appendici Chemical reactions Aerosol and vapors 10 Giovanni Manzini Dipartimento di Energia Politecnico di Milano Stima dell’efficacia dei sistemi water mist nel controllo, nella soppressione e nell’ estinzione degli incendi Elaborazione modelli di calcolo Finalità Sviluppo e validazione del modello di iniezione Water mist e del modello di Pool fire per il codice ECART (CESI Ricerca). Sistemi WM Analisi FisicoMatematica Modellistica Sperimentazione Scambi di: •Energia, •Quantità di moto, •Massa. (Scambi termici convettivi, discretizzazione dimensionale, dati di progetto). Iniezione Water mist v0 L Pool fire vgoccia H Simulazioni numeriche Conclusioni I, II Collaborazioni Pubblicazioni Appendici Scambi di: •Energia, •Massa. (Trasmissione del calore all’interno del pool e pool-esterno, vaporizzazione del liquido). 11 Giovanni Manzini Dipartimento di Energia Politecnico di Milano Stima dell’efficacia dei sistemi water mist nel controllo, nella soppressione e nell’ estinzione degli incendi Elaborazione modelli di calcolo Finalità Elaborazione modello pool fire per il codice ECART (CESI Ricerca): vaporizzazione liquido combustibile. Sistemi WM Analisi FisicoMatematica Modellistica HRR: Fase I, II, III Sperimentazione Simulazioni numeriche Conclusioni I, II Collaborazioni Pubblicazioni Appendici Burning rate Max 12 Giovanni Manzini Dipartimento di Energia Politecnico di Milano Stima dell’efficacia dei sistemi water mist nel controllo, nella soppressione e nell’ estinzione degli incendi Sperimentazione Finalità Sistemi WM Analisi FisicoMatematica Erogazioni dirette - scenari d’ incendio in ambiente confinato. MAU: Machinery space Accumulator Unit (Twin-fluid) Influenza sui pool fire: • controllo • soppressione • estinzione Modellistica Sperimentazione Simulazioni numeriche Influenza sul mantenimento di condizioni sicure per l’esodo degli occupanti Focolai esposti all’erogazione, oppure nascosti Conclusioni I, II Collaborazioni Pubblicazioni Appendici Misure: • Δt • T • [CO] DAU: Data Accumulator Unit (Twin-fluid) 13 Giovanni Manzini Dipartimento di Energia Politecnico di Milano Stima dell’efficacia dei sistemi water mist nel controllo, nella soppressione e nell’ estinzione degli incendi Sperimentazione Finalità Erogazioni dirette - scenari d’ incendio in ambiente confinato. Temperatura media Sistemi WM 300 °C Inizio Erogazione Temperatura T5 (R) 60 °C Analisi FisicoMatematica Modellistica Sperimentazione Simulazioni numeriche [CO] media Conclusioni I, II Collaborazioni Pubblicazioni MAU: Machinery space Accumulator Unit 8 ppm 200 s DAU: Data Accumulator Unit Appendici Focolai esposti all’erogazione, oppure nascosti 14 Giovanni Manzini Dipartimento di Energia Politecnico di Milano Stima dell’efficacia dei sistemi water mist nel controllo, nella soppressione e nell’ estinzione degli incendi Sperimentazione Finalità Sistemi WM Analisi FisicoMatematica Erogazioni indirette - scenari d’ incendio in ambiente confinato. Influenza sui pool fire: • controllo • soppressione • estinzione Modellistica Sperimentazione Simulazioni numeriche Conclusioni I, II Collaborazioni Pubblicazioni Appendici Influenza sul mantenimento di condizioni sicure per l’esodo degli occupanti Misure: • Δt • T • [CO] Machinery space/ Tunnel Unit (Single fluid) 15 Giovanni Manzini Dipartimento di Energia Politecnico di Milano Stima dell’efficacia dei sistemi water mist nel controllo, nella soppressione e nell’ estinzione degli incendi Sperimentazione Finalità Erogazioni indirette - scenari d’ incendio in ambiente confinato. Sistemi WM 200 °C Analisi FisicoMatematica Pool 2 – Evoluzione libera 200 °C Temperatura media Pool 2 – Iniezione Water mist Temperatura media Modellistica Sperimentazione Simulazioni numeriche 70 ppm [CO] media 70 ppm [CO] media Conclusioni I, II 1000 s Collaborazioni Pubblicazioni Appendici Inizio Erogazione Machinery space/ Tunnel Unit 16 Giovanni Manzini Dipartimento di Energia Politecnico di Milano Finalità Sistemi WM Analisi FisicoMatematica Modellistica Stima dell’efficacia dei sistemi water mist nel controllo, nella soppressione e nell’ estinzione degli incendi Simulazione numerica scenari d’incendio mediante codici di calcolo Erogazioni dirette - scenari d’ incendio in ambiente confinato. (Discretizzazione dello spazio) FDS n. 321840 celle n. 2 mesh strutturate: celle cubiche di 0,05 e 0,10 m Sperimentazione Simulazioni numeriche OUT-UP Conclusioni I, II EROGATORI WATER-MIST Collaborazioni ROOM-UP FIRE-T VENT DOOR-UP FIRE-I Pubblicazioni Appendici ROOM-DOWN FIRE-B ECART n. 8 volumi di controllo OUT-DOWN DOOR-DOWN 17 Giovanni Manzini Dipartimento di Energia Politecnico di Milano Stima dell’efficacia dei sistemi water mist nel controllo, nella soppressione e nell’ estinzione degli incendi Simulazione numerica scenari d’incendio mediante codici di calcolo Finalità Erogazioni dirette - scenari d’ incendio in ambiente confinato. (Risultati) Sistemi WM Analisi FisicoMatematica 300 °C 350,00 Temperatura media EXP EXP ECART 325,00 300,00 Tmedia [°C] 275,00 250,00 Modellistica ECART FDS FDS 110,93 148,45 147,37 225,00 Sperimentazione T [°C] 200,00 Evoluzione libera 175,00 150,00 125,00 100,00 Simulazioni numeriche 75,00 50,00 25,00 0,00 0 40 80 120 160 200 240 280 320 360 400 440 480 t [s] Conclusioni I, II Temperatura media EXP 350,00 ECART 325,00 Inizio Erogazione 300,00 Collaborazioni FDS 275,00 250,00 200 °C 225,00 Pubblicazioni T [°C] 200,00 Iniezione Water mist (MAU) Appendici 175,00 150,00 125,00 100,00 75,00 EXP ECART 50,00 FDS 25,00 Tmedia [°C] 0,00 70,22 56,84 105,37 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 340 t [s] 18 Giovanni Manzini Dipartimento di Energia Politecnico di Milano Finalità Sistemi WM Analisi FisicoMatematica Modellistica Stima dell’efficacia dei sistemi water mist nel controllo, nella soppressione e nell’ estinzione degli incendi Simulazione numerica scenari d’incendio mediante codici di calcolo Erogazioni indirette - scenari d’ incendio in ambiente confinato. (Discretizzazione dello spazio) FDS n. 226048 celle mesh strutturata: celle cubiche di 0,25 e 0,10 m Sperimentazione Simulazioni numeriche Conclusioni I, II Collaborazioni Pubblicazioni Appendici ECART n. 18 volumi di controllo n. 2 volumi esterni 19 Giovanni Manzini Dipartimento di Energia Politecnico di Milano Finalità Sistemi WM Analisi FisicoMatematica Stima dell’efficacia dei sistemi water mist nel controllo, nella soppressione e nell’ estinzione degli incendi Simulazione numerica scenari d’incendio mediante codici di calcolo Erogazioni indirette - scenari d’ incendio in ambiente confinato. (Risultati) Pool 2 - Evoluzione libera 200 °C 160 °C Temperatura media (e) Temperatura media Modellistica Sperimentazione Simulazioni numeriche Conclusioni I, II Temperatura media 70 °C Inizio Erogazione Collaborazioni Pubblicazioni Appendici Erogazioni WM indirette su pool-fire: temperatura media zona difesa Pool 2 - Evoluzione libera Tm EXP= 44,8 °C Pool 2 - Water mist (Machinery space/ Tunnel Unit) Tm FDS= 56,5 °C 20 Giovanni Manzini Dipartimento di Energia Politecnico di Milano Simulazione numerica scenari d’incendio mediante codici di calcolo Finalità Sistemi WM Stima dell’efficacia dei sistemi water mist nel controllo, nella soppressione e nell’ estinzione degli incendi Analisi degli scenari d’incendio in una linea metropolitana automatica. Erogazione tradizionale + ventilazione (Risultati -FDS) Erogazione water mist + ventilazione Analisi FisicoMatematica Modellistica Sperimentazione Simulazioni numeriche Conclusioni I, II P o te n z a te r m ic a g e n e r a ta - H R R [MW] HRR 3 ,5 0 E + 0 3 3 HRRm WM= 0,88 MW 3 ,0 0 E + 0 3 Collaborazioni HRRm Trad= 1,26 MW Pubblicazioni Appendici HRR [kW] 2 ,5 0 E + 0 3 2 MW 2 2 ,0 0 E + 0 3 HR R - C onv HRR - W M 1 ,5 0 E + 0 3 1 1 ,0 0 E + 0 3 WM 5 ,0 0 E + 0 2 0 ,0 0 E + 0 0 0 ,0 0 E + 0 0 0 5 ,0 0 E + 0 0 1 ,0 0 E + 0 1 10 Inizio Erogazione 1 ,5 0 E + 0 1 t [s] t [s ] 20 2 ,0 0 E + 0 1 2 ,5 0 E + 0 1 30 3 ,0 0 E + 0 1 3 ,5 0 E + 0 1 21 Giovanni Manzini Dipartimento di Energia Politecnico di Milano Stima dell’efficacia dei sistemi water mist nel controllo, nella soppressione e nell’ estinzione degli incendi Conclusioni - I Finalità Prerogative dei Sistemi Water mist: Sistemi WM Analisi FisicoMatematica Modellistica Sperimentazione Simulazioni numeriche Vantaggi rispetto ai sistemi tradizionali (pioggia e diluvio) – Maggiore efficacia dello scambio termico convettivo che caratterizza le gocce dei sistemi water mist rispetto al caso dai sistemi tradizionali (sprinkler). – Maggiore attenuazione della radiazione termica che scaturisce dall’intervento di una cortina di spray d’acqua. – Maggiore raffreddamento prodotto dall’iniezione di mist su reagenti e prodotti della combustione. – Applicabilità e rilevante efficacia sugli incendi di classe B. – Utilità erogazioni su focolai nascosti (protetti) e indirette. – Abbattimento dei prodotti della combustione e del particolato. Conclusioni I, II Collaborazioni Pubblicazioni Appendici Svantaggi rispetto ai sistemi tradizionali (pioggia e diluvio) – Elevata sensibilità alla ventilazione (naturale, forzata). – Difficoltà a raggiungere e mantenere un’opportuna concentrazione di mist nell’intorno della zona di combustione. – Elevata sensibilità alle caratteristiche dello spray e alla disposizione degli erogatori. – Elevata sensibilità alle caratteristiche del combustibile. – Destratificazione dei prodotti della combustione e del particolato. – Riduzione della visibilità. 22 Giovanni Manzini Dipartimento di Energia Politecnico di Milano Stima dell’efficacia dei sistemi water mist nel controllo, nella soppressione e nell’ estinzione degli incendi Conclusioni - II Finalità Criticità dei Codici di calcolo impiegati: Sistemi WM Analisi FisicoMatematica Modellistica ECART (CESI Ricerca) – Fast running – Well-mixed code: grandi volumi di controllo – risultati validi solo in prima approssimazione. In questi limiti e grazie all’introduzione del modello iniezione WM e del modello Pool fire, ha dimostrato di essere un valido strumento per il calcolo termofluidodinamico degli incendi sottoposti agli effetti di un sistema di protezione attiva di tipo water-mist. Sperimentazione Simulazioni numeriche Conclusioni I, II Collaborazioni Pubblicazioni Appendici FDS (BFRL - NIST) – Modellazione del pool fire: sono risultate quasi completamente assenti le fasi I (di crescita) e III (di decrescita), a causa, dell’errato computo della potenza assorbita dalla pozza per il suo riscaldamento (fase I) e della potenza persa verso l’esterno del contenitore (fase III). – Processo di combustione: poco sensibile alle concentrazioni dei reagenti e alla temperatura, in quanto un MFR (Mixture Fraction Reaction) model e non un FRR (Finite Rate Reaction) Model. (Quest’ultimo non impiegabile se non abbinato alla DNS). – Dispersione delle gocce di mist e relativi scambi di massa ed energia. Incertezze causate dalla destinazione d’uso del codice, che non contempla ancora specificamente l’iniezione water mist. I modelli di trasporto di FDS risentono, infatti, molto delle dimensioni molto ridotte delle gocce e generano errori di rilievo nel calcolo degli scambi di massa, di energia e di quantità di moto tra le stesse e gli aeriformi circostanti. 23 Giovanni Manzini Dipartimento di Energia Politecnico di Milano Stima dell’efficacia dei sistemi water mist nel controllo, nella soppressione e nell’ estinzione degli incendi Collaborazioni Finalità Sistemi WM Analisi FisicoMatematica Modellistica Sperimentazione • • • • Marioff S.r.l.: sperimentazione, simulazioni numeriche; CESI Ricerca S.p.A.: elaborazione modelli, simulazioni numeriche; Metropolitana Milanese S.p.A.: simulazioni numeriche; UNI: partecipazione al gruppo di lavoro ad hoc “Sistemi Water mist”. Simulazioni numeriche Conclusioni I, II Collaborazioni Pubblicazioni Appendici 24 Giovanni Manzini Dipartimento di Energia Politecnico di Milano Stima dell’efficacia dei sistemi water mist nel controllo, nella soppressione e nell’ estinzione degli incendi Pubblicazioni (sintesi) Finalità Sistemi WM • • • • Analisi FisicoMatematica • • Modellistica • Sperimentazione • Simulazioni numeriche Conclusioni I, II • • • Collaborazioni • Pubblicazioni • G. Manzini, Manuale dell’ingegnere meccanico, a cura di P. Andreini, cap. 32, Sistemi antincendio, Hoepli Ed., 2005 G. Manzini, In vigore le regole sugli ambienti a rischio di esplosione, La Termotecnica, Settembre 2003 P. Andreini , G. Manzini, P. Parolini, La tecnologia water mist per il controllo e l’estinzione degli incendi, La Termotecnica, Febbraio 2005 P. Andreini , G. Manzini, P. Parolini, E. Galli, Efficienza dell'erogazione water mist in scenari d'incendio di una linea metropolitana, La Termotecnica, Maggio 2005 G. Manzini, Le barriere water mist per la protezione attiva contro gli incendi, (versione completa), La Termotecnica, 1 Dicembre 2005 G. Manzini, Le barriere water mist per la protezione attiva contro gli incendi, (versione ridotta), Il Giornale dell’Ingegnere, Dicembre 2005 G. Manzini, Rischi di esplosione nei luoghi di lavoro. In vigore le nuove regole, La Termotecnica, Giugno 2006 G. Manzini, E. Galli, I sistemi water mist per il controllo, la soppressione e l’estinzione degli incendi, Il Giornale dell’Ingegnere, 1 Giugno 2006 G. Manzini, L. Iannantuoni, Whirling flames – Formazione, sviluppo e mantenimento, La Termotecnica, Novembre 2006 G. Manzini, L. Iannantuoni, Analisi dell’efficacia delle erogazioni water mist di tipo diretto ed indiretto su pool fire, Giornata Nazionale dell’Ingegneria Antincendio dell’Unione Italiana di Termofluidodinamica, Modena, Giugno 2007 G. Manzini, L. Iannantuoni, Whirling flames – Principali riscontri di una fase sperimentale in ambiente confinato, La Termotecnica, Giugno 2007 P. Andreini, G. Manzini, L. Iannantuoni, Analisi delle fasi di formazione, sviluppo e mantenimento delle “Whirling flames”, con l'ausilio della sperimentazione e della termofluidodinamica computazionale, Convegno naz. ATI ’07, Salerno, Set. ’07 G. Manzini, La definizione degli scenari – Analisi probabilistica e modellazione degli eventi più rappresentativi, Atto del Congresso nazionale AIIA (SFPE Italian chapter) ’07 “I modelli di calcolo nell’Ingegneria Antincendio”, Milano 22.10.07 Appendici In attesa di pubblicazione • P. Andreini, G. Manzini, Effects analysis of some water mist injections on pool fires, by experimental activity and CFD codes, Int. rev. • P. Andreini, G. Manzini, F. Parozzi, L. Iannantuoni, External effects equivalent mathematical model of pool fire dynamics, Int. rev. 25 Giovanni Manzini Dipartimento di Energia Politecnico di Milano Finalità Sistemi WM Analisi FisicoMatematica Modellistica Sperimentazione Simulazioni numeriche Conclusioni I, II Collaborazioni Pubblicazioni Appendici Stima dell’efficacia dei sistemi water mist nel controllo, nella soppressione e nell’ estinzione degli incendi FDS - Limiti Limitations of the Model Although FDS can address most fire scenarios, there are limitations in all of its various algorithms. Some of the more prominent limitations of the model are listed here. More specific limitations are discussed … • Low Speed Flow Assumption The use of FDS is limited to low-speed flow with an emphasis on smoke and heat transport from fires. This assumption rules out using the model for any scenario involving flow speeds approaching the speed of sound, such as explosions, choke flow at nozzles, and detonations. • Rectilinear Geometry The efficiency of FDS is due to the simplicity of its rectilinear numerical grid and the use of fast, direct solvers for the pressure field. This can be a limitation in some situations where certain geometric features do not conform to the rectangular grid, although most building components do. There are techniques in FDS to lessen the effect of “sawtooth” obstructions used to represent nonrectangular objects, but these cannot be expected to produce good results if, for example, the intent of the calculation is to study boundary layer effects. For most practical large-scale simulations, the increased grid resolution afforded by the fast pressure solver offsets the approximation of a curved boundary by small rectangular grid cells. (Fonte: AA.VV., FDS vs. 4 Technical Reference Guide, NIST Special Publication 1018, 2006) 26 Giovanni Manzini Dipartimento di Energia Politecnico di Milano Finalità Sistemi WM Analisi FisicoMatematica Modellistica Sperimentazione Simulazioni numeriche Conclusioni I, II Collaborazioni Pubblicazioni Stima dell’efficacia dei sistemi water mist nel controllo, nella soppressione e nell’ estinzione degli incendi FDS - Limiti Limitations of the Model • Combustion - General Because the model was originally designed to analyze industrial-scale fires, it can be used reliably when the heat release rate (HRR) of the fire is specified and the transport of heat and exhaust products is the principal aim of the simulation. In these cases, the model predicts flow velocities and temperatures to an accuracy within 5 % to 20 % of experimental measurements, depending on the resolution of the numerical grid 2. However, for fire scenarios where the heat release rate is predicted rather than prescribed, the uncertainty of the model is higher. There are several reasons for this: (1) properties of real materials and real fuels are often unknown or difficult to obtain, (2) the physical processes of combustion, radiation and solid phase heat transfer are more complicated than their mathematical representations in FDS, (3) the results of calculations are sensitive to both the numerical and physical parameters. Current research is aimed at improving this situation, but it is safe to say that modeling fire growth and spread will always require a higher level of user skill and judgment than that required for modeling the transport of smoke and heat from prescribed fires. Appendici (Fonte: AA.VV., FDS vs. 4 Technical Reference Guide, NIST Special Publication 1018, 2006) 27 Giovanni Manzini Dipartimento di Energia Politecnico di Milano Finalità Sistemi WM Analisi FisicoMatematica Modellistica Sperimentazione Simulazioni numeriche Conclusioni I, II Collaborazioni Pubblicazioni Appendici Stima dell’efficacia dei sistemi water mist nel controllo, nella soppressione e nell’ estinzione degli incendi FDS - Limiti Limitations of the Model • Combustion For most applications, FDS uses a mixture fraction combustion model. The mixture fraction is a conserved scalar quantity that is defined as the fraction of gas at a given point in the flow field that originated as fuel. The model assumes that combustion is mixing-controlled, and that the reaction of fuel and oxygen is infinitely fast, regardless of the temperature. For large-scale, well-ventilated fires, this is a good assumption. However, if a fire is in an under-ventilated compartment, or if a suppression agent like water mist or CO2 is introduced, fuel and oxygen may mix but may not burn. Also, a shear layer with high strain rate separating the fuel stream from an oxygen supply can prevent combustion from taking place. The physical mechanisms underlying these phenomena are complex, and even simplified models still rely on an accurate prediction of the flame temperature and local strain rate. Sub-grid scale modeling of gas phase suppression and extinction is still an area of active research in the combustion community. Until reliable models can be developed for building-scale fire simulations, simple empirical rules can be used that prevent burning from taking place when the atmosphere immediately surrounding the fire cannot sustain the combustion. (Fonte: AA.VV., FDS vs. 4 Technical Reference Guide, NIST Special Publication 1018, 2006) 28 Giovanni Manzini Dipartimento di Energia Politecnico di Milano FDS - Limiti Finalità Sistemi WM Stima dell’efficacia dei sistemi water mist nel controllo, nella soppressione e nell’ estinzione degli incendi Limitations of the Model • Combustion Analisi FisicoMatematica Modellistica Sperimentazione Simulazioni numeriche Conclusioni I, II Collaborazioni Pubblicazioni Appendici (Fonte: AA.VV., FDS vs. 4 Technical Reference Guide, NIST Special Publication 1018, 2006) 29 Giovanni Manzini Dipartimento di Energia Politecnico di Milano Finalità Sistemi WM Analisi FisicoMatematica Modellistica Sperimentazione Simulazioni numeriche Conclusioni I, II Collaborazioni Pubblicazioni Appendici Stima dell’efficacia dei sistemi water mist nel controllo, nella soppressione e nell’ estinzione degli incendi FDS - Limiti Limitations of the Model • Radiation Radiative heat transfer is included in the model via the solution of the radiation transport equation for a non-scattering gray gas, and …. The equation is solved using a technique similar to finite volume methods for convective transport, thus the name given to it is the Finite Volume Method (FVM). There are several limitations of the model. First, the absorption coefficient for the smoke-laden gas is a complex function of its composition and temperature. Because of the simplified combustion model, the chemical composition of the smokey gases, especially the soot content, can effect both the absorption and emission of thermal radiation. Second, the radiation transport is discretized via approximately 100 solid angles. For targets far away from a localized source of radiation, like a growing fire, the discretization can lead to a non-uniform distribution of the radiant energy. This can be seen in the visualization of surface temperatures, where “hot spots” show the effect of the finite number of solid angles. The problem can be lessened by the inclusion of more solid angles, but at a price of longer computing times. In most cases, the radiative flux to farfield targets is not as important as those in the near-field, where coverage by the default number of angles is much better. (Fonte: AA.VV., FDS vs. 4 Technical Reference Guide, NIST Special Publication 1018, 2006) 30 Giovanni Manzini Dipartimento di Energia Politecnico di Milano Finalità Sistemi WM Analisi FisicoMatematica Modellistica Sperimentazione Stima dell’efficacia dei sistemi water mist nel controllo, nella soppressione e nell’ estinzione degli incendi FDS - Limiti Limitations of the Model • Radiation Interaction of Droplets and Radiation The attenuation of thermal radiation by water droplets is an important consideration, especially for water mist systems. Water droplets attenuate thermal radiation through a combination of scattering and absorption. The radiation-droplet interaction must therefore be solved for both the accurate prediction of the radiation field and for the droplet energy balance. Simulazioni numeriche Conclusioni I, II Collaborazioni Pubblicazioni Appendici (Fonte: AA.VV., FDS vs. 4 Technical Reference Guide, NIST Special Publication 1018, 2006) 31 Giovanni Manzini Dipartimento di Energia Politecnico di Milano Finalità Sistemi WM Analisi FisicoMatematica Modellistica Sperimentazione Simulazioni numeriche Stima dell’efficacia dei sistemi water mist nel controllo, nella soppressione e nell’ estinzione degli incendi FDS - Limiti Limitations of the Model • Water droplets Sprinkler Droplet Size Distribution - Once activation is predicted, a sampled set of spherical water droplets is tracked from the sprinkler to either the floor or the burning commodity. In order to compute the droplet trajectories, the initial size and velocity of each droplet must be prescribed. This is done in terms of random distributions. The initial droplet size distribution of the sprinkler spray is expressed in terms of its Cumulative Volume Fraction (CVF), a function that relates the fraction of the water volume (mass) transported by droplets less than a given diameter. Researchers at Factory Mutual have suggested that the CVF for an industrial sprinkler may be represented by a combination of log-normal and Rosin-Rammler distributions: Conclusioni I, II Collaborazioni Pubblicazioni Appendici where dm is the median droplet diameter (i.e. half the mass is carried by droplets with diameters of dm or less), and γ and σ are empirical constants equal to about 2,4 and 0,6, respectively. The median drop diameter is a function of the sprinkler orifice diameter, operating pressure, and geometry. (Fonte: AA.VV., FDS vs. 4 Technical Reference Guide, NIST Special Publication 1018, 2006) 32 Giovanni Manzini Dipartimento di Energia Politecnico di Milano Finalità Sistemi WM Analisi FisicoMatematica Stima dell’efficacia dei sistemi water mist nel controllo, nella soppressione e nell’ estinzione degli incendi FDS - Limiti Limitations of the Model • Water droplets Sprinkler Droplet Size Distribution Modellistica Sperimentazione Cumulative Volume Fraction Simulazioni numeriche Conclusioni I, II Collaborazioni Pubblicazioni Appendici (Fonte: AA.VV., FDS vs. 4 Technical Reference Guide, NIST Special Publication 1018, 2006) 33 Giovanni Manzini Dipartimento di Energia Politecnico di Milano Finalità Stima dell’efficacia dei sistemi water mist nel controllo, nella soppressione e nell’ estinzione degli incendi ECART • Struttura Sistemi WM Analisi FisicoMatematica Modellistica Modello WATER-MIST Sperimentazione Simulazioni numeriche Modello Pool fire Conclusioni I, II Collaborazioni Pubblicazioni Appendici (Fonte: F. Parozzi, ECART User’s Manual, 2005) 34 Giovanni Manzini Dipartimento di Energia Politecnico di Milano Finalità Stima dell’efficacia dei sistemi water mist nel controllo, nella soppressione e nell’ estinzione degli incendi ECART • Esempio: processo Sistemi WM Analisi FisicoMatematica Modellistica Sperimentazione Simulazioni numeriche Conclusioni I, II Collaborazioni Pubblicazioni Appendici (Fonte: Parozzi, ECART User’s Manual, 2005) F. 35 Giovanni Manzini Dipartimento di Energia Politecnico di Milano Finalità Sistemi WM Analisi FisicoMatematica Modellistica Sperimentazione Simulazioni numeriche Conclusioni I, II Collaborazioni Pubblicazioni Appendici Stima dell’efficacia dei sistemi water mist nel controllo, nella soppressione e nell’ estinzione degli incendi ECART Control volume A two-region model is adopted inside each volume, in which a liquid pool is separated by the vapour-gas atmosphere. In particular, the following assumptions are made: – the two regions may have different temperatures; – the liquid region (or pool) may consist of liquid only or of liquid and vapour (rising bubbles) in thermal equilibrium and may contain also aerosol particles; – the gas region (or atmosphere) may consist of only vapour and non condensable gases or may also contain dispersed liquid water (falling droplets) in thermal equilibrium with the gaseous phase and fission products either as vapors or as aerosol particles; – a single reference pressure is considered for both regions; – inside each volume, solid structures may be modelled, which both exchange heat with the pool and/or the atmosphere and interact with the airborne fission products (evaporation/condensation, reaction, aerosol particle deposition and resuspension); – junctions may connect the volumes among one another or with back environments at prescribed pressure and fluid conditions. (Fonte: F. Parozzi, ECART User’s Manual, 2005) 36 Giovanni Manzini Dipartimento di Energia Politecnico di Milano Stima dell’efficacia dei sistemi water mist nel controllo, nella soppressione e nell’ estinzione degli incendi ECART Finalità • Modello WM Sistemi WM Iniezione spray d’acqua nell’ambiente Analisi FisicoMatematica • Traiettoria Ө • Velocità Modellistica Sperimentazione Simulazioni numeriche Conclusioni I, II Collaborazioni Pubblicazioni Appendici • Potenza termica assorbita Massa H20 vaporizzata • Conico Velocità iniziale gocce, angolo Ө del cono e portata d’acqua erogata assegnate Funzione densità di probabilità • Polidisperso Diametri iniziali gocce assegnati da curva di distribuzione 0.02 0.018 0.016 0.014 0.012 0.01 0.008 0.006 0.004 0.002 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 diametro [ μm] (Fonte: F. Parozzi, ECART User’s Manual, 2005) 37 Giovanni Manzini Dipartimento di Energia Politecnico di Milano Stima dell’efficacia dei sistemi water mist nel controllo, nella soppressione e nell’ estinzione degli incendi ECART Finalità Sistemi WM • Modello WM ¾Discretizzazione volume attraversato dalle gocce Ipotesi: direzione verticale asse del cono Analisi FisicoMatematica Modellistica • H = altezza del locale [m] v0 • L = altezza variabile del cono [m] L vgoccia H (Lmax= H) ¾Forze sulla goccia: 1. Forza peso 2. Forza di resistenza viscosa dell’aria Sperimentazione Simulazioni numeriche Conclusioni I, II ¾ Eq. Moto gocce vgoccia(L) [m/s] ¾ Effetto di trascinamento del mist: Scambio quantità di moto Spray-Aria varia (L) [m/s] ¾ Condizioni limite Collaborazioni Pubblicazioni 1) Completa vaporizzazione goccia 2) vgoccia(L) = varia(L) Dispersione goccia nell’ambiente Aerosol and vapors Appendici 3) vgoccia(H) > varia(H) Deposizione goccia a pavimento Thermal Hydraulics (Fonte: F. Parozzi, ECART User’s Manual, 2005) 38 Giovanni Manzini Dipartimento di Energia Politecnico di Milano Stima dell’efficacia dei sistemi water mist nel controllo, nella soppressione e nell’ estinzione degli incendi ECART Finalità Sistemi WM Analisi FisicoMatematica Modellistica Sperimentazione Simulazioni numeriche Conclusioni I, II Collaborazioni Pubblicazioni Appendici • Radiative model Thermal Structures and Surfaces ECART considers a certain number of thermal structures, i.e., slabs of various materials that can separate two volumes or belong to a unique volume. These structures are bounded by two surfaces, called internal and external sides. So, each structure side faces a volume, which can be the same of the opposite one or not. The radiation model just applies to these sides, independently from the structures they bound. Once determined the absorption factors between the participating surfaces, this information will be taken into account by the thermal-hydraulic module, as any other temperature-dependent heat transfer, to compute the thermal-hydraulic parameters of the system, among which the structure temperature profile, at each time step. Other ECART modules (thermal-hydraulic, aerosol-vapor and chemical) need only a generic geometrical description of the structure sides, while radiation module necessitates of more sophisticated information. Furthermore, not all structures participate to the radiative heat transfer. For these reasons, the needed geometrical data of the structures are directly input by the radiation model, independently from the general input. Each structure side is supposed to be made up of one or more elemental surfaces of fixed shape, namely: Parallelogram, rectangle Circle, circular sector, annulus, annular sector Circular segment Right cylinder, right cylindrical sector (internal or external side) Right cone, right conical sector (even truncate) (internal or external side) Sphere, spherical fuse, spherical cap, spherical zone (internal or external side) Moreover, each of these elemental surfaces can be defined as positive or negative: as for positive surfaces, they usually concur to form a composed surface; negative surfaces, otherwise, act as holes in the total corresponding surface they refer to. Each of these surfaces is a grey diffuse emitter and reflector, i.e., emissivity and reflectivity depends only on surface temperature, which on the other part is considered uniform all over a structure side, and also α(T) = ε(T), ρ(T) = 1−α(T) = 1−ε(T). … Monte-Carlo code (Fonte: F. Parozzi, ECART User’s Manual, 2005) 39 Giovanni Manzini Dipartimento di Energia Politecnico di Milano Stima dell’efficacia dei sistemi water mist nel controllo, nella soppressione e nell’ estinzione degli incendi Spray Finalità Sistemi WM Analisi FisicoMatematica Modellistica Sperimentazione Simulazioni numeriche Conclusioni I, II Collaborazioni Pubblicazioni Appendici (Fonte: G. Grant, J. Brenton, D. Drysdale, Fire suppression by water sprays, Prog. in Energy and Combustion Science, 79-130, 2000) 40 Giovanni Manzini Dipartimento di Energia Politecnico di Milano Stima dell’efficacia dei sistemi water mist nel controllo, nella soppressione e nell’ estinzione degli incendi Spray Finalità Sistemi WM Analisi FisicoMatematica Modellistica Sperimentazione Simulazioni numeriche Conclusioni I, II Collaborazioni Pubblicazioni Appendici (Fonte: G. Grant, J. Brenton, D. Drysdale, Fire suppression by water sprays, Prog. in Energy and Combustion Science, 79-130, 2000) 41 Giovanni Manzini Dipartimento di Energia Politecnico di Milano Stima dell’efficacia dei sistemi water mist nel controllo, nella soppressione e nell’ estinzione degli incendi Spray Finalità Sistemi WM Analisi FisicoMatematica Modellistica Sperimentazione Simulazioni numeriche Conclusioni I, II Collaborazioni Pubblicazioni Appendici (Fonte: G. Grant, J. Brenton, D. Drysdale, Fire suppression by water sprays, Prog. in Energy and Combustion Science, 79130, 2000) 42 Giovanni Manzini Dipartimento di Energia Politecnico di Milano Stima dell’efficacia dei sistemi water mist nel controllo, nella soppressione e nell’ estinzione degli incendi Spray Finalità Sistemi WM Analisi FisicoMatematica Modellistica Sperimentazione Simulazioni numeriche Conclusioni I, II Collaborazioni Pubblicazioni Appendici (Fonte: G. Grant, J. Brenton, D. Drysdale, Fire suppression by water sprays, Prog. in Energy and Combustion Science, 79-130, 2000) 43 Giovanni Manzini Dipartimento di Energia Politecnico di Milano Stima dell’efficacia dei sistemi water mist nel controllo, nella soppressione e nell’ estinzione degli incendi Fire control – suppression - extinction Finalità Sistemi WM Analisi FisicoMatematica Fire control: HRR ≅ Fire suppression: HRR < Fire extinction: HRR = 0 Modellistica Sperimentazione Simulazioni numeriche Conclusioni I, II Collaborazioni Pubblicazioni Appendici (Fonte: G. Grant, J. Brenton, D. Drysdale, Fire suppression by water sprays, Prog. in Energy and Combustion Science, 79-130, 2000) 44 Giovanni Manzini Dipartimento di Energia Politecnico di Milano Stima dell’efficacia dei sistemi water mist nel controllo, nella soppressione e nell’ estinzione degli incendi Fire control – suppression - extinction Finalità Sistemi WM Analisi FisicoMatematica Modellistica Sperimentazione Simulazioni numeriche Conclusioni I, II Collaborazioni Pubblicazioni Appendici (Fonte: G. Grant, J. Brenton, D. Drysdale, Fire suppression by water sprays, Prog. in Energy and Combustion Science, 79-130, 2000) 45 Giovanni Manzini Dipartimento di Energia Politecnico di Milano Finalità Sistemi WM Analisi FisicoMatematica Stima dell’efficacia dei sistemi water mist nel controllo, nella soppressione e nell’ estinzione degli incendi Attenuazione dell’irraggiamento ϕ −ϕ A= 0 ϕ0 • A = 1 − e − kdp dove • • Modellistica Sperimentazione • Simulazioni numeriche • k dp = k ⋅ ml SMD φ è il flusso termico radiativo incidente [W/m2]; k è un parametro funzione, principalmente, del campo di moto delle gocce (inversa con v) e della massa volumica del fluido utilizzato (inversa con ρ), 2 [(s⋅m )/kg]; • m l è la portata massica lineare della barriera, in [kg/(s⋅m)]; SMD è il diametro medio di Sauter delle gocce, in [m]. Conclusioni I, II Collaborazioni Pubblicazioni Appendici J.M. Buchlin, Thermal shielding by water spray curtain, Journal of loss prevention in process industries 18, 423 – 432, 2005 46 Giovanni Manzini Dipartimento di Energia Politecnico di Milano Stima dell’efficacia dei sistemi water mist nel controllo, nella soppressione e nell’ estinzione degli incendi Attenuazione dell’irraggiamento Finalità Sistemi WM Analisi FisicoMatematica • _ Modellistica Sperimentazione Simulazioni numeriche Conclusioni I, II Collaborazioni Pubblicazioni Appendici J.M. Buchlin, Thermal shielding by water spray curtain, Journal of loss prevention in process industries 18, 423 – 432, 2005 47
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