ENİNE HAVALANDIRMA SİSTEMİNE SAHİP BİR TÜNELDE YANGIN KAYNAKLI DUMANIN TAHLİYESİNİN SAYISAL YÖNTEMLE İNCELENMESİ. Burcu ALPGİRAY

Transkript

1

2 ENİNE HAVALANDIRMA SİSTEMİNE SAHİP BİR TÜNELDE YANGIN KAYNAKLI DUMANIN TAHLİYESİNİN SAYISAL YÖNTEMLE İNCELENMESİ Burcu ALPGİRAY YÜKSEK LİSANS TEZİ MAKİNA MÜHENDİSLİĞİ ANABİLİM DALI GAZİ ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ ŞUBAT 2016

3 Burcu ALPGİRAY tarafından hazırlanan ENİNE HAVALANDIRMA SİSTEMİNE SAHİP BİR TÜNELDE YANGIN KAYNAKLI DUMANIN TAHLİYESİNİN SAYISAL YÖNTEMLE İNCELENMESİ adlı tez çalışması aşağıdaki jüri tarafından OY BİRLİĞİ ile Gazi Üniversitesi Makina Mühendisliği Anabilim Dalında YÜKSEK LİSANS TEZİ olarak kabul edilmiştir. Danışman: Prof. Dr. Nuri YÜCEL Makine Mühendisliği, Gazi Üniversitesi Bu tezin, kapsam ve kalite olarak Yüksek Lisans Tezi olduğunu onaylıyorum... Başkan : Prof. Dr. Haşmet TÜRKOĞLU Makine Mühendisliği, Gazi Üniversitesi Bu tezin, kapsam ve kalite olarak Yüksek Lisans Tezi olduğunu onaylıyorum... Üye : Doç. Dr. Murat Kadri AKTAŞ Makine Mühendisliği, TOBB Üniversitesi Bu tezin, kapsam ve kalite olarak Yüksek Lisans Tezi olduğunu onaylıyorum.. Tez Savunma Tarihi: 09/02/2016 Jüri tarafından kabul edilen bu tezin Yüksek Lisans Tezi olması için gerekli şartları yerine getirdiğini onaylıyorum... Prof. Dr. Metin GÜRÜ Fen Bilimleri Enstitüsü Müdürü

4 ETİK BEYAN Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Tez Yazım Kurallarına uygun olarak hazırladığım bu tez çalışmasında; Tez içinde sunduğum verileri, bilgileri ve dokümanları akademik ve etik kurallar çerçevesinde elde ettiğimi, Tüm bilgi, belge, değerlendirme ve sonuçları bilimsel etik ve ahlak kurallarına uygun olarak sunduğumu, Tez çalışmasında yararlandığım eserlerin tümüne uygun atıfta bulunarak kaynak gösterdiğimi, Kullanılan verilerde herhangi bir değişiklik yapmadığımı, Bu tezde sunduğum çalışmanın özgün olduğunu, bildirir, aksi bir durumda aleyhime doğabilecek tüm hak kayıplarını kabullendiğimi beyan ederim. Burcu ALPGİRAY

5 iv ENİNE HAVALANDIRMA SİSTEMİNE SAHİP BİR TÜNELDE YANGIN KAYNAKLI DUMANIN TAHLİYESİNİN SAYISAL YÖNTEMLE İNCELENMESİ (Yüksek Lisans Tezi) Burcu ALPGİRAY GAZİ ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ Şubat 2016 ÖZET Bu çalışmada 1/20 ölçekli bir karayolu tünelinde yangın kaynaklı dumanın tahliyesi, enine havalandırma sistemi kullanarak FLUENT yazılımı ile analiz edilmiştir. Analizlerde, Standart k- türbülans modeli kullanılmıştır. Fan grupları farklı kombinasyonlar ile çalıştırılmıştır. 10 MW birim zamandaki ısı yayılımı (HRR) sahip yakıt havuzunun tünelin 5 ayrı bölgesinde konumlandırıldığı yangın senaryoları için 5, 10, 15, 25, 35, 40 ve 50. saniyelere göre simülasyon sonuçlarından elde edilen sıcaklık, hız dağılımları tünelin farklı kesitlerinde incelenmiştir. Yangın havuzu bölgelerinden CO 2 /hava karışımı tünel ortamına yayılmaktadır. Tünel giriş hava hız değeri 5 m/s olarak alınmıştır. Yangın kaynaklı duman hareketinin kütle debileri için literatürdeki deneysel çalışmalardan kaynak edinilmiştir. Yangın havuzu tünelin merkezindeyken; tünelin girişi, merkezi ve çıkışındaki 3 fan grubunun da aynı anda çalışması durumunda kirli havanın en iyi tahliye edildiği sonucuna varılmıştır. Bulunan analiz sonuçlarına göre, yangında insanların tahliye edileceği bölge tespit edilmiştir. Tünelin üst kısmında biriken kirli hava karışımının tamamı, emme fanları yardımıyla tünel içerisine dağılmadan kolayca tahliye edilmektedir. Fan gruplarının çalışma sırası, havalandırma türü, tünelin geometrisi, ısı yayılım oranının, yangında duman tahliyesi üzerinde önemli bir parametre olduğu kanaatine varılmıştır ve elde edilen tüm sonuçlar literatürdeki benzer çalışma sonuçları ile uyum içindedir. Bilim Kodu : Anahtar Kelimeler : Tünel Yangını, HAD, Enine havalandırma sistemleri Sayfa Adedi : 107 Danışman : Prof. Dr. Nuri YÜCEL

6 NUMERICAL ANALYSIS METHOD OF EVACUATION OF FIRE SMOKE IN A TUNNEL WITH TRANSVERSE VENTILATION SYSTEM (M. Sc. Thesis) v Burcu ALPGİRAY GAZİ UNIVERSITY GRADUATE SCHOOL OF NATURAL AND APPLIED SCIENCES February 2016 ABSTRACT In this study, evacuation of fire-induced smoke using transverse ventilation system in 1/20 scaled highway tunnel was analyzed by CFD software. In the analysis, the standard k-turbulence model was used. Fan groups are operated with different combinations. The fire simulations were performed for heat release rate of 10 MW fire scenarios for fuel pool located at five different regions of station according to 5, 10, 15, 25, 35, 40 and 50th seconds. The results of temperature and critical velocity have been analyzed in different cross sections of the tunnel. From the pool of fire CO 2 / air mixture is spread over the tunnel environment. Tunnel air entrance velocity is 5 m/s. Mass flow of fire-induced smoke movement was obtained from sources of experimental studies in the literature. While fire pool is at the center of the tunnel, the best case for polluted air evacuation is obtained by placing three fan groups in the entrance, middle and exit of the tunnel. According to the analysis results, regions where people can be evacuated in case of fire have been identified. All the accumulated dirty air mixture in the tunnel roof, without dispersion into the tunnel were discharged easily with the aid of suction fans. It was concluded that the order of the fan group work, ventilation type, tunnel geometry and the rate of heat dissipation were important parameters on smoke evacuation. The obtained results are in accordance with all the other studies in the literature. Science Code : Key Words. Tunnel fire, CFD, Transverse Ventilation Page Number : 107 Supervisor. Prof. Dr. Nuri YÜCEL

7 vi TEŞEKKÜR Bu tez konusunu seçmemde ve tez çalışma sürecimde benden yardımlarını ve değerli fikirlerini esirgemeyen kıymetli danışmanım Sayın Prof. Dr. Nuri YÜCEL e, Arş. Gör. Dr. Salih Karaaslan a ve bu aşamaya ulaşmamda maddi ve manevi desteklerini esirgemeyen aileme özellikle sevgili babam Ali Cengiz ALPGİRAY a, Yaprak ALPGİRAY a, Bahar ve Hakan KAPUCUOĞLU na, ailemizin yeni üyesi ALP KAPUCUOĞLU na ve değerli Tuğberk ŞAKAR a çok teşekkür ederim.

8 vii İÇİNDEKİLER Sayfa ÖZET... ABSTRACT... TEŞEKKÜR... İÇİNDEKİLER... ÇİZELGELERİN LİSTESİ... ŞEKİLLERİN LİSTESİ... RESİMLERİN LİSTESİ... iv v vi vii x xi xvi SİMGELER VE KISALTMALAR... xvii 1. GİRİŞ TEMEL OLARAK YANGIN Yangın Gelişim Eğrisi TÜNEL YANGINLARINDAKİ HAVALANDIRMA SİSTEMLERİ İLE İLGİLİ GENEL TANIMLAMALAR VE ÖZELLİKLERİ Temiz Hava Gereksinmesinin Belirlenmesi Taşıt Tünellerinin Havalandırma Nedenleri Tünel Havalandırma Sistemleri Havalandırma Türleri Doğal havalandırma Mekanik havalandırma Boyuna havalandırma Enine havalandırma Yarı enine havalandırma TÜNEL GÜVENLİĞİ... 25

9 viii Sayfa 5. TÜNELİN VE YANGIN HAVUZUNUN GEOMETRİSİ HAD (HESAPLAMALI AKIŞKANLAR DİNAMİĞİ) HAD'ın Kullanım Alanları Sonlu Hacimler Yöntemi HAD Yöntemiyle Çalışan Bilgisayar Programları AKIŞKAN HAREKETİ VE ISI TRANSFERİ İÇİN GENEL DENKLEMLER Akışkan Hareketi İçin Genel Denklemler ANALİZ İÇİN GİRİŞ PARAMETRELERİNİN HESAPLANMASI VE SINIR ŞARTLARININ BELİRLENMESİ SAYISAL ÇÖZÜM A Konumundaki Yangın Yangın A konumundayken tünelin mesh yapısı Yangın A konumundayken yalnızca 1 numaralı fan grubunun çalıştırılması durumunun analizi Yangın A konumundayken 1 ve 2 numaralı fan gruplarının çalıştırılması durumunun analizi Yangın A konumundayken 1,2 ve 3 numaralı fan gruplarının çalıştırılması durumunun analizi B Konumundaki Yangın Yangın B konumundayken tünelin mesh yapısı Yangın B konumundayken yalnızca 1 numaralı fan grubunun çalıştırılması durumunun analizi Yangın B konumundayken 1 ve 2 numaralı fan gruplarının çalıştırılması durumunun analizi Yangın B konumundayken 1,2 ve 3 numaralı fan gruplarının çalıştırılması durumunun analizi... 60

10 ix Sayfa 9.3. C Konumundaki Yangın Yangın C konumundayken tünelin mesh yapısı Yangın C konumundayken yalnızca 1 numaralı fan grubunun çalıştırılması durumunun analizi Yangın C konumundayken 1 ve 2 numaralı fan gruplarının çalıştırılması durumunun analizi Yangın C konumundayken 1,2 ve 3 numaralı fan gruplarının çalıştırılması durumunun analizi D Konumundaki Yangın Yangın D konumundayken tünelin mesh yapısı Yangın D konumundayken yalnızca 1 numaralı fan grubunun çalıştırılması durumunun analizi Yangın D konumundayken 1 ve 2 numaralı fan gruplarının çalıştırılması durumunun analizi Yangın D konumundayken 1,2 ve 3 numaralı fan gruplarının çalıştırılması durumunun analizi E Konumundaki Yangın Yangın E konumundayken tünelin mesh yapısı Yangın E konumundayken yalnızca 1 numaralı fan grubunun çalıştırılması durumunun analizi Yangın E konumundayken 1 ve 2 numaralı fan gruplarının çalıştırılması durumunun analizi Yangın E konumundayken 1,2 ve 3 numaralı fan gruplarının çalıştırılması durumunun analizi analizi ZAMANDAN BAĞIMSIZ ANALİZLERİN SONUÇ VE ÖNERİLERİ ZAMANA BAĞLI ANALİZ SONUÇLARI C Konumundaki Yangının 40. Saniye İçin Eşit Fan Hızlı ve Basınç Farkına Göre Tahliye Sonuçları... 98

11 x Sayfa 12. SONUÇ VE ÖNERİLER KAYNAKLAR ÖZGEÇMİŞ

12 xi ÇİZELGELERİN LİSTESİ Çizelge Sayfa Çizelge 4.1. PIARC tarafından kabul edilen araç tipleri ve yangın kapasiteleri Çizelge 7.1. Genel denklem için, değişkenler ve bunlara karşılık gelen difüzyon katsayıları ve kaynak terimleri Çizelge /20 ölçeklendirilmiş tünelde yangın karakteristikleri ve analizde kullanılan türbülans modeli sabitleri Çizelge 8.2. Yapılan analizlerde kullanılan 1/20 ölçekli sınır şartları. 45 Çizelge 8.3. Yapılan analizlerde HRR, çalışan fan grupları ve yangının konumlarına göre senaryoların kombinasyonu Çizelge 9.1. Çözümün grid yapısından bağımsızlığı için Mesh hassasiyeti tablosu Çizelge C konumundaki yangının 40. Saniye için eşit fan hızlı sistemine göre tahliye sonuçları Çizelge C konumundaki yangının 40. saniye için basınç farkına göre tahliye sistemli sonuçları... 99

13 xii ŞEKİLLERİN LİSTESİ Şekil Sayfa Şekil 2.1. Yangının evreleri Şekil metrelik tünel geometrisi Şekil 5.2. Tünel geometrisinin 1/20 ölçekli boyutları Şekil 5.3. Yangın havuzunun 1/20 ölçekli boyutları Şekil 6.1. Problemde kullanılan tünelin örnek mesh yapısı 34 Şekil 8.1. Yangın kaynağındaki kütle dengesi Şekil 8.2. Tünelin şematik gösterimi Şekil 9.1. Yangın A konumunda Şekil 9.2. Yangın A konumundayken tünelin mesh yapısı Şekil 9.3. A konumundaki yangının 1 numaralı fan grubu ile gösterimi Şekil 9.4. A konumundaki yangının 1 numaralı fan grubu çalıştırıldığında, A konumunda tünel eksenine dik kesitteki sıcaklık dağılımı Şekil 9.5. A konumundaki yangının 1 numaralı fan grubu çalıştırıldığında, yerden 0,175 m yükseklikte tünel eksenine paralel yatay kesitteki sıcaklık dağılımı 50 Şekil 9.6. A konumundaki yangının 1 ve 2 numaralı fan grubu ile gösterimi Şekil 9.7. A konumundaki yangının 1 ve 2 numaralı fan grupları çalıştırıldığında, A konumunda tünel eksenine dik kesitteki sıcaklık dağılımı Şekil 9.8. A konumundaki yangının 1 ve 2 numaralı fan grupları çalıştırıldığında, yerden 0,175 m yükseklikte tünel eksenine paralel yatay kesitteki sıcaklık dağılımı Şekil 9.9. A konumundaki yangının 1,2 ve 3 numaralı fan grubu ile gösterimi Şekil A konumundaki yangının 1,2 ve 3 numaralı fan grupları çalıştırıldığında, A konumunda tünel eksenine dik kesitteki sıcaklık dağılımı Şekil A konumundaki yangının 1, 2 ve 3 numaralı fan grupları çalıştırıldığında, yerden 0,175 m yükseklikte tünel eksenine paralel yatay kesitteki sıcaklık dağılımı Şekil Yangın B konumunda Şekil Yangın B konumundayken tünelin mesh yapısı... 55

14 xiii Şekil Sayfa Şekil B konumundaki yangının 1 numaralı fan grubu ile gösterimi Şekil B konumundaki yangının 1 numaralı fan grubu çalıştırıldığında, B konumunda tünel eksenine dik kesitteki sıcaklık dağılımı Şekil B konumundaki yangının 1 numaralı fan grubu çalıştırıldığında, yerden 0,175 m yükseklikte tünel eksenine paralel yatay kesitteki sıcaklık dağılımı Şekil B konumundaki yangının 1 ve 2 numaralı fan grubu ile gösterimi Şekil B konumundaki yangının 1 ve 2 numaralı fan grupları çalıştırıldığında, B konumunda tünel eksenine dik kesitteki sıcaklık dağılımı Şekil B konumundaki yangının 1 ve 2 numaralı fan grupları çalıştırıldığında, yerden 0,175 m yükseklikte tünel eksenine paralel yatay kesitteki sıcaklık dağılımı Şekil B konumundaki yangının 1,2 ve 3 numaralı fan grubu ile gösterimi Şekil B konumundaki yangının 1,2 ve 3 numaralı fan grupları çalıştırıldığında, B konumunda tünel eksenine dik kesitteki sıcaklık dağılımı Şekil B konumundaki yangının 1, 2 ve 3 numaralı fan grupları çalıştırıldığında, yerden 0,175 m yükseklikte tünel eksenine paralel yatay kesitteki sıcaklık dağılımı Şekil Yangın C konumunda Şekil Yangın C konumundayken tünelin mesh yapısı Şekil C konumundaki yangının 1 numaralı fan grubu ile gösterimi Şekil C konumundaki yangının 1 numaralı fan grubu çalıştırıldığında, C konumunda tünel eksenine dik kesitteki sıcaklık dağılımı Şekil C konumundaki yangının 1 numaralı fan grubu çalıştırıldığında, yerden 0,175 m yükseklikte tünel eksenine paralel yatay kesitteki sıcaklık dağılımı Şekil C konumundaki yangının 1 ve 2 numaralı fan grubu ile gösterim Şekil C konumundaki yangının 1 ve 2 numaralı fan grupları çalıştırıldığında, C konumunda tünel eksenine dik kesitteki sıcaklık dağılımı Şekil C konumundaki yangının 1 ve 2 numaralı fan grupları çalıştırıldığında, yerden 0,175 m yükseklikte tünel eksenine paralel yatay kesitteki sıcaklık dağılımı... 67

15 xiv Şekil Sayfa Şekil C konumundaki yangının 1,2 ve 3 numaralı fan grubu ile gösterimi Şekil C konumundaki yangının 1,2 ve 3 numaralı fan grupları çalıştırıldığında, A konumunda tünel eksenine dik kesitteki sıcaklık dağılımı Şekil C konumundaki yangının 1, 2 ve 3 numaralı fan grupları çalıştırıldığında, yerden 0,175 m yükseklikte tünel eksenine paralel yatay kesitteki sıcaklık dağılımı Şekil Yangın D konumunda Şekil Yangın D konumundayken tünelin mesh yapısı Şekil D konumundaki yangının 1 numaralı fan grubu ile gösterimi Şekil D konumundaki yangının 1 numaralı fan grubu çalıştırıldığında, D konumunda tünel eksenine dik kesitteki sıcaklık dağılımı Şekil D konumundaki yangının 1 numaralı fan grubu çalıştırıldığında, yerden 0,175 m yükseklikte tünel eksenine paralel yatay kesitteki sıcaklık dağılımı Şekil D konumundaki yangının 1 ve 2 numaralı fan grubu ile gösterimi Şekil D konumundaki yangının 1 ve 2 numaralı fan grupları çalıştırıldığında, D konumunda tünel eksenine dik kesitteki sıcaklık dağılımı Şekil D konumundaki yangının 1 ve 2 numaralı fan grupları çalıştırıldığında, yerden 0,175 m yükseklikte tünel eksenine paralel yatay kesitteki sıcaklık dağılımı Şekil D konumundaki yangının 1,2 ve 3 numaralı fan grubu ile gösterimi Şekil D konumundaki yangının 1,2 ve 3 numaralı fan grupları çalıştırıldığında, D konumunda tünel eksenine dik kesitteki sıcaklık dağılımı Şekil D konumundaki yangının 1, 2 ve 3 numaralı fan grupları çalıştırıldığında, yer den 0,175 m yükseklikte tünel eksenine paralel yatay kesitteki sıcaklık dağılımı Şekil Yangın E konumunda Şekil Yangın E konumundayken tünelin mesh yapısı Şekil E konumundaki yangının 1 numaralı fan grubu ile gösterimi Şekil E konumundaki yangının 1 numaralı fan grubu çalıştırıldığında, E konumunda tünel eksenine dik kesitteki sıcaklık dağılımı... 78

16 xv Şekil Sayfa Şekil E konumundaki yangının 1 numaralı fan grubu çalıştırıldığında, yerden 0,175 m yükseklikte tünel eksenine paralel yatay kesitteki sıcaklık dağılımı 78 Şekil E konumundaki yangının 1 ve 2 numaralı fan grubu ile gösterimi Şekil E konumundaki yangının 1 ve 2 numaralı fan grupları çalıştırıldığında, E konumunda tünel eksenine dik kesitteki sıcaklık dağılımı Şekil E konumundaki yangının 1 ve 2 numaralı fan grupları çalıştırıldığında, yerden 0,175 m yükseklikte tünel eksenine paralel yatay kesitteki sıcaklık dağılımı Şekil E konumundaki yangının 1,2 ve 3 numaralı fan grubu ile gösterimi Şekil E konumundaki yangının 1,2 ve 3 numaralı fan grupları çalıştırıldığında, E konumunda tünel eksenine dik kesitteki sıcaklık dağılımı Şekil E konumundaki yangının 1, 2 ve 3 numaralı fan grupları çalıştırıldığında, yer den 0,175 m yükseklikte tünel eksenine paralel yatay kesitteki sıcaklık dağılımı Şekil B ve C konumundaki yangınların 1, 2 ve 3 numaralı fan gruplarının aynı anda çalıştırılmasıyla tünel eksenine dik kesitteki analiz sonuçlarının karşılaştırılması Şekil B ve C konumundaki yangınların 1, 2 ve 3 numaralı fan gruplarının aynı anda çalıştırılmasıyla yerden 0,175 m yükseklikte tünel eksenine paralel yatay kesitteki analiz sonuçlarının karşılaştırılması Şekil C konumundaki yangının 1, 5, 10, 15, 25, 35, 40 ve 50. saniyelere göre C konumunda tünel eksenine dik kesitteki hız dağılımı Şekil C konumundaki yangının 5, 15, 25, 35, 40 ve 50. saniyelere göre C konumunda tünel eksenine dik kesitteki hız vektörlerinin karşılaştırılması 89 Şekil C konumundaki yangının 5, 15, 25, 35, 40 ve 50. saniyelere göre yerden 0,175 m yükseklikte tünel eksenine paralel yatay kesitteki hız dağılımının karşılaştırılması Şekil C konumundaki yangının 5, 15, 25, 35, 40 ve 50. saniyelere izometrik kesitte hız dağılımının karşılaştırılması Şekil C konumundaki yangının 5, 15, 25, 35, 40 ve 50. saniyelere göre izometrik kesitte hız vektörlerinin karşılaştırılması Şekil Yangın C konumundayken 40. Saniyeye göre tünel eksenine dik kesitteki hız vektörlerinde gözlemlenen akış profilleri... 93

17 xvi Şekil Sayfa Şekil C konumundaki yangının 1, 5, 10, 15, 25, 35, 40 ve 50. saniyelere göre tünel eksenine dik kesitteki sıcaklık dağılımının karşılaştırılması Şekil C konumundaki yangının 1, 5, 10, 15, 25, 35, 40 ve 50. saniyelere göre yerden 0,175 m yükseklikte tünel eksenine paralel yatay kesitteki sıcaklık dağılımının karşılaştırılması Şekil C konumundaki yangının 5, 15, 25, 35, 40 ve 50. saniyelere göre izometrik kesitte sıcaklık dağılımının karşılaştırılması Şekil Yangın C konumundayken insanların tahliye bölgeleri... 98

18 xvii RESİMLERİN LİSTESİ Resim Sayfa Resim1.1. Enine havalandırma sisteminin çalışma prensibi.. 2 Resim 3.1. Boyuna havalandırma sistemleri Resim 3.2. Yangın esnasında boyuna havalandırma sisteminin çalışması Resim 3.3. Jet tünel fanı Resim 3.4. Büyük aksiyel fan Resim 3.5. Enine havalandırma sistemleri Resim 3.6. Tam dikine (enine) havalandırma sistemleri çalışma durumları Resim 3.7. Yarı enine havalandırma sistemleri Resim 3.8. Yarı enine (dikine) havalandırma sistemi çalışma durumları Resim 3.9. a) Boyuna havalandırma b) Enine havalandırma... 23

19 xviii SİMGELER VE KISALTMALAR Bu çalışmada kullanılmış simgeler ve kısaltmalar, açıklamaları ile birlikte aşağıda sunulmuştur. Simgeler Açıklamalar Kesit alanı ( Karışımın öz ısısı (kj/kgk) Hidrolik çap (m) Fr Froud Sayısı g Yerçekimi ivmesi ( h Yerel ısı taşınım katsayısı k Isı iletim katsayısı ( ) L Karakteristik uzunluk (m) Havanın kütle debisi ( CO 2 nin kütle debisi Gazın kütle debisi ( Karışımın kütle debisi ( Nu Nusselt sayısı q Isı Salınım Oranı (HRR) (MW) Ölçeklenmiş Isı Salınım Oranı (HRR) (MW) Re Reynold Sayısı T o U ν Ortam Sıcaklığı (K) Yanan gazın sıcaklığı (K) Hız (m/s) Ölçeklenmiş hız (m/s) Kritik hız (m/s) Yoğunluk (kg/ Ölçek faktörü Kinematik viskozite Alev radyasyon oranı

20 xix Kısaltmalar Açıklamalar CFD FLUENT FDS HAD HRR PIARC SST Computational Fluid Dynamics Akış Modelleme Yazılımı Fire Dynamics Simulator Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği Birim Zamandaki Isı Yayılımı, Heat Release Rate Permanent International Association of Road Congress Shear Stress Transport

21 1 1. GİRİŞ Karayolu taşıt tünelleri, ulaşım sistemlerinde önemli bir yer tutmaktadır. Tüneller, güç coğrafi engellerin aşılarak, buna bağlı olarak mesafelerin kısalmasıyla, yaşamımızın bir parçası olan ulaşımı kolaylaştırmaktadır. Karayolları tünellerinde olabilecek kazalarda veya herhangi bir nedenle meydana gelebilecek yangınlarda havalandırma sistemlerinin havayı yönlendirmek ve tahliye etmek gibi önemli rolü vardır. Burada esas olan tünel havalandırma prensibinin, kirli hava yoğunluğunun temiz hava ile seyreltilerek kabul edilebilir düzeylere indirilmesi esasına dayanmasıdır. Tünellerin havalandırma sistemleri araç emisyonlarından kaynaklanan egzoz gazlarını seyreltmelerini de sağlar. Özellikle, Avrupa Parlamentosu ve Konseyi nin tarih ve 2004/54/EC sayılı Trans-Avrupa Karayolu Ağı Tünelleri İçin Minimum Güvenlik Gereksinimleri, dünyada tünel uygulamaları için önemli bir rehberdir. Karayollarında tünel içerisinde birikmesi olası egzoz gazları ve görüşü engelleyecek duman oluşması durumunda devreye giren jet-fanlar vasıtası ile havalandırma sağlanmaktadır. Jet-fanlar ayrıca tünel içi yangın durumunda duman tahliyesinde de etkin rol oynar. Yangın esnasında, duman katmanı kademeli olarak tünel yüzeyine doğru yangından uzak bölgelerde alçalmaya başlar. Enine havalandırma sistemleri ile yangın sonucu oluşan duman ve ısının tünelin diğer noktalarına yayılmadan dışarı atılması, sistemde yer alan yapı elemanlarının ve ekipmanlarının yangın sonucu oluşacak yüksek sıcaklıklardan zarar görmesini engelleyecektir. İnsanların hayatını doğrudan etkileyen durumlar için kullanılan bu sistemlerin geliştirilmesi büyük önem taşımaktadır. Tünel havalandırma sistemleri, kirleticilerin konsantrasyonlarını güvenlik limitleri altında tutmaya ve taşıtlara ilişkin görüş mesafesini korumaya yarar. Havalandırma sistemleri, enine, boyuna, yarı enine veya bunların kombinasyonu şeklindedir. Çalışmalarda daha çok düz tüneller ve boyuna havalandırma sistemleri kullanılan tünel yangınları incelenmiştir. Bu çalışmada enine havalandırma sisteminin yangın kaynaklı duman hareketine ve sıcaklık dağılımına etkisi FLUENT yazılımı kullanarak incelemesi yapılmıştır.

22 2 Problemin tanımı Tünelde seyir açık havadakine göre daha olumsuz görüş koşulları nedeniyle, daha zor şartlarda gerçekleştirilmektedir. Özellikle kentsel karayolu tünellerindeki trafik tıkanmaları nedeniyle hava kalitesinin bozulması, insan sağlığını olumsuz şekilde etkilemektedir. Tünel yangınları ile ilgili literatür taranmış olup, çoğunlukla boyuna havalandırma sistemlerinin kullanıldığı tünellerde deneyler veya sayısal yöntemler ile çözüme ulaşıldığı görülmüştür. Fakat enine havalandırma sistemleri uzun ve çift şeritli karayolu tünelleri için çok faydalı bir havalandırma sistemidir. Uzun tünellerde boyuna havalandırma prensibine göre, tünelin giriş kısmından çıkış kısmına kirli havanın jet fanlar yardımıyla tünel çıkışına doğru itilmesi durumunda çok daha yavaş bir tahliye oluşur. Yangının konumunun ve fan gruplarının çalışma kombinasyon sırasının dumanın tahliyesine doğrudan etkisi vardır. Bu araştırmada Resim 1.1. de gösterilen enine havalandırma sistemi kullanılarak, özellikle bu konunun üzerinde durulmuştur. Buna göre, tünelin üst kısmında bulunan birlikte çalışan fan grubundaki fanların biri ile bir kanal boyunca ve me2nfezler yardımıyla tünele taze hava temin edilirken (basma), diğer fan da yangın sonrasında oluşan kirli havayı egzoz etmektedir (emme). 100 metrelik bir tünelde 5 farklı konumda yangın havuzu olup, 3 ayrı bölgede fan grupları yerleştirilmiştir. Bu fan grupları, yangın senaryolarına göre sırasıyla ve farklı kombinasyonlarla çalıştırılmaktadır. Tüneldeki yangının en hızlı şekilde tahliye edilmesinde hangi fan grupları daha etkili olur? İnsanların güvenli şekilde tünelden tahliyesi hangi bölgeden yapılabilir? Bunlar problem olarak karşımıza çıkmaktadır. Resim 1.1. Enine havalandırma sisteminin çalışma prensibi

23 3 Araştırmanın amacı Bu çalışmanın amacı, düz bir karayolu tünelinde oluşan yangın senaryolarına göre enine havalandırma sistemi kullanılan bir tünelde; 1. Yangının konumu 2. Fanların çalışma sırası parametreleri değiştirilerek, insanların güvenli bir şekilde tahliyesini sağlayabilecek havalandırma sisteminde simülasyon sonucunda çıkan analiz sonuçlarını değerlendirmektir. Çalışmada FLUENT paket programı kullanarak elde edilen sonuçlar literatürdeki diğer çalışmalarla karşılaştırılıp, yorumlanacaktır. Sınırlılıklar Bu çalışmada karayolu tünelinde yangın olması sonucunda havanın en iyi şekilde tahliye edilmesini deneysel olarak yapma imkanı olmadığı için, ANSYS Fluent yazılımını kullanarak, belirlenen parametleri değiştirerek, tünel yangınını ve fanları çeşitli senaryolarla simüle edip analizler yapılmıştır ve bu analizler sonuçlarını değerlendirilmiştir. En doğru sonuca ulaşmak için, programda giriş parametre değerlerini literatürdeki deneysel ya da nümerik çalışmaların sayısal değerlerine yakın değerler kullanılmıştır. Geçmiş yıllarda tünel yangınlarında kullanılan havalandırma sistemleri ile yangında çeşitli parametreler değiştirilerek optimum duman tahliyesi konusu ile ilgili olarak deneysel ve sayısal çalışmalar yapılmıştır. Bu çalışmalardan aşağıda bahsedilmiştir. Literatürde, değişik havalandırma hızlarında yangının ısıl gücü, gaz konsantrasyonu, kütle azalma hızı ve tünel boyunca oluşan sıcaklık değerleri ölçülerek değişik kesit alanlarına sahip yanan parçaların etkisi araştırılmıştır. Karaaslan ve diğerleri (2011), ölçeklendirilmiş bir tünelde eksenel havalandırma sisteminin CFD simülasyonu konusunda çalışma yapmışlardır. Bu çalışmada at nalı kesitli, kısa bir tünel incelenmiştir. Yangın kaynağını simüle etmek için tünel zemininin merkezine dikdörtgenler prizması şeklinde bir yangın havuzu yerleştirilmiştir. Her biri üçer

24 4 adet fan içeren, jet fan grupları tünelin farklı kesitlerine konumlandırılmıştır. Yangın kaynaklı duman, türlerin taşınımı (Species Transport) modeli kullanılarak simüle edilmiştir. Bu çalışmada, eksenel havalandırma sisteminin yangın kaynaklı duman hareketine ve sıcaklık dağılımına etkisi FLUENT yazılımı kullanılarak nümerik olarak incelenmiştir. Çalışmada, yangın kaynaklı dumanın tünelin büyük bir bölümünü kaplaması beklenmiş, tahliye için kullanılacak olan optimum havalandırma yaklaşımının elde edilmesi için fan grupları farklı sıra ve itiş güçleri için değerlendirilmiştir. Simülasyon sonucunda, duman yayılımının literatürde yer alan uzun tünellere oranla daha hızlı olduğu görülmüştür. Ayrıca tünel girişine yaklaştıkça, tavan bölgesinde meydana gelen geriye akış hızının arttığı hesaplanmıştır. Kontrolsüz duman yayılımının önlenmesi için en iyi havalandırma hızı ve jet fan operasyon sırası nümerik olarak tespit edilmeye çalışılmıştır. Çalışmanın sonunda fan grupların çalışma sırası, itiş güçleri ve havalandırmaya başlama zamanlarının bu tip yangınlar üzerinde önemli bir parametre olduğu sonucuna varılmıştır. Kayılı ve diğerleri (2010 ) tünel yangınlarının ve yangın güvenliği için kullanılan havalandırma sistemlerinin özelliklerini incelemişlerdir. Bu çalışmada tünel yangınları ile kompartıman yangınları arasındaki benzerlikler ve farklılıklara değinilmiştir. Buna ek olarak, tünel havalandırma sistemlerinin tiplerinden bahsedilmiştir. Tünellerde kullanılacak havalandırma sisteminin tünelin uzunluğuna, yangın yüküne ve çevre şartlarına göre farklılık gösterebileceği tartışılmış ve tünelde havalandırma sistemi seçilirken, havalandırma sisteminin yangın durumunda uluslararası standartlarda önerilen ve yangında güvenlik için gerekli bütün şartları sağlamasına dikkat edilmesi gerekliliği vurgulanmıştır. Karakaş (2011), tünellerin havalandırma sistemleri ve Bolu tüneli uygulaması çalışmasında, havalandırma sistemlerini incelemiş ve temiz hava talebini MATLAB programıyla hesaplamış, buna uygun olarak jet fan hesaplamalarını yapmıştır. Bolu tünelinde havalandırma tasarımı için uygun olan havalandırma sistemi jet fanlarla boyuna havalandırma sistemi uygulanarak çalışılmıştır. Bu sistem maliyet ve hava akımı hızı açısından tercih edilmiştir. Tünelde ortaya çıkan bir yangının en kısa sürede kontrol altına alınması ve söndürülmesi can ve mal kaybının önlenmesi bakımından hayati önem taşımaktadır. Karayolu tünelleri proje kriterlerinde 500 m den uzun tünellerde su temini zorunludur. Bolu Dağı Tünelinde yangın söndürme sistemi mevcuttur. Bolu Tünelinde yol ve hıza göre CO emisyonu, temiz hava gereksinimi incelenmiştir.

25 5 Levy ve diğerleri (1999), enine havalandırma sistemleri için CFD model ile çalışma yapmıştır. Havalandırma kanalları ve tünel arasındaki etkileşimi modellemek için enine havalandırmada yeni bir yaklaşım geliştirilmiştir. Ağ model, düğümler ve bağlantılardan oluşur. Bu modeller, sınır koşulları boyunca birbirleri ile etkileşime girer. Model tahminleri, geçici şartlarda ve denge durumunda, seçilen yangın testlerindeki datalarla karşılaştırılmıştır. Ülkemizde karayolu taşımacılığındaki gelişmelere paralel olarak inşa edilen otoyollarla birlikte karayolu tünel sayısında ve uzunluğunda bir artış meydana gelmiştir. Tünel sayısı ve uzunluğuna bağlı problemlerin en önemlilerinden birisi de 'yangın'dır. Colella ve diğerleri (2011) yaptıkları karayolu tünellerinde 'yangın ve duman kontrolü' üzerine bir çalışma yapmışlardır. Değişik ülkelerde mevcut karayolu tünellerinde yaşanan yangın olayları, sıklık/sebep/sonuç ilişkileri ve yangın ve duman kontrolü üzerine yapılmış çalışmalar baz alınmıştır. Tünellerde yangın riski, duman davranışı, taşıt emisyonları ve havalandırma sistemleri, yaşanacak bir yangın problemindeki temel faktörler olarak nitelendirilebilir. Bu çalışma ile, ülkemizdeki mevcut ve yapımı devam eden tünellerde yangın riskine karşı alınacak tedbirlere ışık tutmaya çalışılmıştır. Çelik (2011), tünel yangınlarında deneysel ve nümerik çalışmasında etanol, benzin ve etanol ve benzin karışımı olmak üzere üç farklı sıvı yakıt türünün farklı miktarlarda, farklı geometrilerde ve farklı havalandırma şartları altındaki yangın durumunu incelemiştir. Yanma sonucu ortay çıkan gazlar ve yanma miktarları ölçülmüş ve analiz edilmiştir. Bu deneylerin nümerik çalışmaları bir CFD kodu olan Fire Dynamics Simulator (FDS) ile yapılmıştır. Fan ve diğerleri (2013), küçük ölçekli bir tünel modeli akışkanlar mekaniği laboratuvarında yapılmıştır. Froude sayısı temel alınarak yapılan ölçeklendirme ile değişik şekillerde dizilmiş tahta malzemeler model tünel içinde kontrollü bir ortamda yakılmıştır. Değişik havalandırma hızlarında yangının ısıl gücü, gaz konsantrasyonu, kütle azalma hızı ve tünel boyunca oluşan sıcaklık değerleri ölçülerek değişik kesit alanlarına sahip yanan parçaların etkisi araştırılmıştır. Yapılan deneylerde model araçlar tabanları kare olacak şekilde tahta kafes teorisine göre oluşturulmuştur. Sonuçlar istatistiksel bir yöntem olan varyans analizi metodu ile incelenmiş ve genel sonuçlar elde edilmeye çalışılmıştır. Tünel içindeki hava hızının değişimi yangın yüküne çok fazla etkili olmadığı ancak model taşıtın

26 6 kesit alanı ile yangın yükünün doğru orantılı olduğu sonucuna varılmıştır. PIARC (Permanent International Association of Road Congress) tarafından yapılan bir çalışmada yılları arasındaki periyotta karayolu seri tünel yangın kazalarını incelemiştir. Bu periyotta 32 kaza olmuş ve bunlardan 27 kazanın sonuçları, insanlar ve yapıları, teçhizatları; yangının konumundan 30 metreden 1100 metre uzaklığına kadar etkilemiştir. Hu ve diğerlerinin (2006a, 2006b) yapmış oldukları araştırmalar, konu ile ilgili en güncel deneysel çalışmalara örnektir. Yapılan bu çalışmalarda tünel yangınlarında görülen temel problemin, tünel ortamında yangın ve yangın sonrasında oluşan yüksek sıcaklık dağılımları ve tavan bölgesinde oluşan sıcak gaz kümelerinin olduğu ifade edilmiştir. Roh ve digerleri. (2007) tarafından yapılan deneysel çalışmada ise havalandırma hızının yangını ve yangın kaynaklı zehirli sıcak gaz kümelerini nasıl etkilediği incelenmiştir. Bu çalışmada meydana gelen yangın senaryolarında tavan bölgesinde oluşan sıcak gaz kümelerinin geriye doğru olan akış hareketi ve bu hareketi durdurmak için gerekli olan kritik havalandırma hızı araştırılmıştır. Deneysel modelin kurulması çok maliyetli olduğu için, konu ile ilgili birçok sayısal çalışma yapılmıştır. Simülasyonlarda farklı akış ve yanma modelleri kullanılmıştır. Bu kapsamda, Xue ve diğerleri (2011), kapalı hacimlerde kullanılması için en uygun yanma modelini karşılaştırmalı olarak araştıran bir çalışma yapmışlardır. Kullanılan akış ve yanma modellerinin simülasyon sonuçlarını oldukça etkilediği görülmektedir. Bir başka önemli çalışma da birçok Avrupa ülkesinin katılımı ile gerçekleştirilen EUREKA projesi; EU 499 FIRETUN, projesi olup yılları arasında West Virginia da yer alan MEMORIAL tünelinde petrol havuzu kullanılarak 100 MW gücüne kadar çeşitli yüklerden oluşan 20 yangın senaryosunun kullanıldığı deneysel çalışmadır. Bu testlerin tümü deneysel olup, birçok noktadan sıcaklık ve gaz emisyon ölçümleri yapılıp büyük bir veri tabanı oluşturulmuştur. Birçok çalışmada bu deneysel çalışmadan alınan veriler nümerik modellerde kullanılarak sayısal simülasyonlar gerçekleştirilmiştir (Vega, 2008). Olivier (2007) tarafından yapılan deneysel çalışmada ise uzun bir tünelde yangın çıktığında güvenlik için duman kontrolünün önemi ifade edilmiştir. Bu çalışmada, 1/20 ölçekli bir tünel modelinde yangın nedeni ile tünel boyunca meydana gelen duman hareketinin havalandırma sistemleri ile kontrol edilmesi deneysel olarak incelenmiştir.

27 7 Tünel içerisinde gerçekleştirilen çalışmalar incelendiğinde, havalandırma sistemlerinin tasarımı için ortaya çıkan en önemli kavramlardan biri kritik hız olmaktadır. Kritik hız yangın sonrası ortaya çıkan duman hacminin tünelin tepe kısmından geriye doğru hareket eden kısmının engellenerek duman tahliye işlemine başlanılabilmesi için gerekli olan eksenel minimum havalandırma hızı olarak tanımlanmaktadır (Wu ve Bakar, 2000). Dolayısıyla yangın sonrası ısı yayılımı ve kritik hız arasında bir ilişki olduğu anlaşılmaktadır. Kritik hız değerleri, tünelin geometrisi ile değişir. Wu ve Bakar, kaldırma kuvveti ifadesinde karakteristik uzunluk olarak tünel yüksekliği yerine hidrolik tünel yüksekliğinin kullanılmasını önermişlerdir. Önemli bir başka değişken olan Froude sayısı, yangın kaynaklı kaldırma kuvvetleri ile havalandırma kaynaklı atalet kuvvetlerinin oranı olarak tanımlanmaktadır. = (1.1) Thomas (1968), yanma simülasyonlarında Froude sayısının korunduğunu ifade etmiştir. Kritik şartlarda Richardson sayısının birleştirici etkisinden bahsetmiştir. Richardson sayısı Denklem (1.2)'de tanımlanmıştır. = (1.2) Kritik havalandırma hızı ise aşağıdaki denklemde verilmiştir. (1.3) Başka bir çalışmada, tünellerdeki uzunlamasına zorlanmış havalandırmanın tünel içindeki otomobil, havuz ve ağır yük taşıtı yangını üzerine olan etkisi incelenmiştir. Tünellerde yapılan yangın deneylerinden elde edilen verileri Bayes olasılık yaklaşımı ile iyileştirmişlerdir. Boyuna havalandırmanın ağır yük taşıtı yangınında etkili olduğu, zorlanmış havalandırma hızının artmasıyla yangının büyüdüğü sonucuna varılmıştır. Büyük havuz yangınlarının olasılıkla havalandırma kontrollü, küçük havuz yangınlarının olasılıkla yakıt kontrollü olduğu ve düşük havalandırma hızlarında otomobil yangınının büyüklüğünün önemli şekilde etkilenmediği belirlenmiştir (Berberoğlu, 2008).

28 8

29 9 2. TEMEL OLARAK YANGIN Yangın fiziksel ve kimyasal bir olaydır. Isı, yakıt (yanıcı madde ) ve oksijenin uygun oranda bir araya gelmesiyle başlayan reaksiyona yanma ; yanma olayının kontrol dışı gelişen haline yangın denir. Yangın sırasında alevin, yakıtın ve çevresinin birbirleriyle etkileşimi çoğunlukla doğrusal değildir. Kapalı bir ortam içinde malzeme yanıyorsa, yangın gücüne ve yanma hızına etkili olan başlıca iki parametre vardır. İlki, sıcak gazların tavan kısmında birikmesi sonucunda tavanın ve duvarların ısınması; dolayısıyla bu yüzeylerin ve sıcak gaz katmanının yakıt yüzeyine doğru ışınım yoluyla ısı transferi yaparak yanma hızını arttırmasıdır. İkinci etken ise, ortamdaki havanın giriş yapabileceği kısımların kısıtlı olması sonucunda yanma için gerekli olan oksijen miktarının elde edilebilirliğinin sınırlanmasıdır. Bu nedenle malzemelerin yanma hızı ve çevreye yaydıkları ısı gücü azalmakta ve yanmayan gazların oranları artmaktadır. Kapalı hacim yangını terimi yangının bir oda veya buna benzer şekilde etrafi çevrelenmiş bir alanda çıkması durumunda kullanılan bir terimdir. Tünelde meydana gelen yangınlar, kapalı hacim yangınları olarak sınıflandırılırlar. Fakat tünel yangınında yolcu tahliyesi için gerekli olan acil durum havalandırma sistemi, yanma için gerekli olan oksijen miktarından fazlasını sağlamaktadır. Araştırmalar sonucunda, tünelin içindeki bir yangının ısıl gücünün (yangın yükü) aynı malzemelerin kullanıldığı açık hava yangınının ısıl gücünden dört kat fazla olduğu tespit edilmiştir (Kayılı, Köktürk ve Eralp, 2010) Yangın Gelişim Eğrisi Yangın dört evreden oluşmaktadır. Şekil 2.1 de gösterildiği gibi yangın sırasıyla; tutuşma, büyüme, tam gelişmiş yangın ve sönme evrelerinden oluşmaktadır (Kayılı, Köktürk ve Eralp, 2010).

30 10 Şekil 2.1. Yangının evreleri Tutuşma, yangının başlaması için gerekli olan enerjinin verilmesi sonucunda yanma reaksiyonunun başlaması olayıdır. Tutuşma, bir alev kaynağından olabileceği gibi ortamdaki sıcaklığın yükselmesiyle de olabilir. Yangının büyüme evresinde, yangının gelişimi; yanan malzemelerin özelliğine, ortamdaki oksijen miktarına, ortam konfigürasyonuna ve yanma tipine bağlı olarak hızlı ya da yavaş olabilir. Çevredeki malzemelerin ortamdaki ısı transferi neticesinde sıcaklıkları artarak yanmaya başlar. Sıcaklığın artması sonucunda, ortamdaki cisimlerin çoğu tutuşma sıcaklığına ulaşarak hızla yanmaya başlar. Bu ani reaksiyona parlama (flashover) denir. Sonrasında tam gelişmiş yangın evresinde, ortamdaki tüm yanıcı maddelerin yanmaya başladığı düşünülür. Bu evrede yangının ısıl gücü maksimum değere ulaşır ve ortamdaki oksijen miktarı azdır. Sönme evresinde ise, ortamdaki yanan malzeme tükenmesi sonucunda yangının ısıl gücü (HRR) azalmaktadır (United Nations Report, 2001).

31 11 3. TÜNEL YANGINLARINDAKİ HAVALANDIRMA SİSTEMLERİ İLE İLGİLİ GENEL TANIMLAMALAR VE ÖZELLİKLERİ Kara ve demiryolu tünelleri şehir içi ve şehirlerarası ulaşım zamanını kısaltmak amacıyla kullanılmaktadır. Tüneller, güvenli bir şekilde kullanılabilmeleri için, yangın güvenlik sistemleri ile donatılır. Bu nedenle, yangın güvenlik sistemlerinin yeterli bir şekilde tasarlanması için yangın sonucu oluşan hava hızlarının, sıcaklıklarının ve duman konsantrasyonunun doğru bir şekilde öngörülmesi önemlidir. Bu kapsamda, küçük ölçekli tünel modelleri kullanılarak bu olgunun açıklığa kavuşması için deneyler yapılmaktadır. Karayolları tünellerinde olabilecek kazalarda veya herhangi bir nedenle meydana gelebilecek yangınlarda havalandırma sistemlerinin, havayı yönlendirmek ve tahliye etmek gibi önemli bir rolü vardır. Buradaki prensip, tünel havalandırma prensibinin, kirli hava yoğunluğunun temiz hava ile seyreltilerek kabul edilebilir düzeylere indirilmesidir. Tünel havalandırma sistemleri, kirleticilerin konsantrasyonlarını güvenlik limitleri altında tutmaya ve taşıtlara ilişkin görüş mesafesini korumaya yarar. Dünyada bu konudaki uygulamalarda aşağıdaki kaynaklar rehber olarak kullanılmaktadır; -CIE Uluslar Arası Aydınlatma Komisyonu (CIE 88-90, CIE ) -PIARC (1979, 87, 91, 95, 04, 05, 07) -NFPA (14, 20, 502, ) -ITA Önerileri -COSUF Çalışma Gurubu Proje, Araştırma ve Geliştirmeleri -EN 12368, Avusturya Planlama Kılavuzu (RVS 9.281, 9.282, 9.261, 9.262) -UNECE Karayolları Tünelleri Uzmanlar Grubunun Tavsiyeleri Nihai Rapor -Japonya Tünelleri İçin Acil Durum Tesisleri Şartnamesi (1997) -Avrupa Parlamentosu ve Konseyi nin tarih ve 2004/54/EC sayılı Trans- Avrupa Karayolu Ağı Tünelleri İçin Minimum Güvenlik Gereksinimleri (Karakaş, 2011) tarihinde Karayolları Genel Müdürlüğünde toplanan komisyon, dünyadaki bu uygulamalardan rehber almıştır.

32 12 Karayolu tünellerinde havalandırmasında öncelikli amaç günlük çalışmada, CO ve NO emisyon konsantrasyonunu müsaade edilebilir seviyelerde tutmak ve acil durum-yangın anında dumanı kontrol altında tutarak egzoz etmektir. Göreceli olarak uzun tünellerde CO ve NO emisyon değerleri kritik faktör olup, tünel havalandırma hesaplarını etkilerken, kısa tünellerde ise acil durum senaryosu belirleyici olmaktadır Temiz Hava Gereksinmesinin Belirlenmesi Taşıt tünellerinde temiz hava gereksinmesinin belirlenmesi için kullanılan hesap yöntemi Yol Kongrelerinin Daimi Uluslararası Birliği'nin (PIARC; Permanent International Association of Road Congresses) 1987 yılında Brüksel'de yaptığı Kongrede belirlenmiştir (PIARC, 1987). PlARC'ın 1991 yılında Marakeş'te yaptığı XIX, Kongrede emisyon değerlerinde bazı düzeltmeler öngörülmüş, ancak hesap yöntemi değişmemiştir. (PIARC, 1991). İngiltere'de hazırlıkları tamamlanmakta olan Tünel Dizayn Kriterleri Standardı da temiz hava gereksinmesinin hesaplanmasında PIARC'ın 1987 yılı Brüksel Raporunu benimsemiştir. (Design Guidelines, 1990) Taşıt Tünellerinin Havalandırma Nedenleri Araçların motorları, toksik bileşenler içeren, tüneldeki görüş mesafesini en aza indiren ve araç kullanımını sürücüler için tehlikeye sokan egzoz gazları ve duman oluştururlar. Benzin motorlarından çıkan egzoz gazlarının oluşturduğu başlıca kirletici, ölüm tehlikesi yaratan karbonmonoksittir. Egzoz gazının yaklaşık % 3'ünü oluşturur ve % 0,1 (1000 ppm) seviyesinde çok hızla tehlikeli duruma geçer. Uluslararası Karayolu Birliğinin 1979'da Viyana'da yapmış olduğu kongrede CO seviyesinin normal şartlarda 150 ppm; kaza ve kısa süreli hallerde ise 250 ppm'i geçmeyecek şekilde havalandırmanın projelendirilmesi tavsiye edilmiştir. Tünelleri kullanan sürücülerin, sağlıklarını tehlikeye atmadan ve güvenli bir şekilde taşıtlarını kullanabilmesi için tüneldeki CO gibi kirleticilerin belirli sınırların altında tutulması ve temiz hava kalitesinin sağlanması önemlidir. Ayrıca, yangın durumunda

33 13 oluşacak duman ve yüksek ısının insanların kaçış yollarını tehlikeye sokmayacak şekilde tünelden uzaklaştırılması gerekmektedir. Tünel havalandırmasının çalışma prensibi, kirli havanın yoğunluğunun temiz hava ile seyreltilerek kabul edilebilir düzeylere indirilmesidir. Tünel havalandırma sistemleri, doğal ve mekanik olmak üzere 2 kategoriye ayrılabilir (Özbakır, 1995) Tünel Havalandırma Sistemleri Havalandırma sisteminin tasarımı ve seçiminde bazı ana unsurlara dikkat edilmesi gerekmektedir. Bunlar; (Karakaş, 2011). Tünel uzunluğu, tüp sayısı ve tünelin şehir veya kırsal kesimde olması; Normal ve özel trafik durumlarında taze hava gereksinimi Tünel portallarında izin verilen kirli hava miktarı Yangın güvenliği faktörleridir. Normal çalışma tasarım hali için aşağıdaki kriterler dikkate alınmalıdır; Trafiğin yönü (tek yönlü, çift yönlü, dur-kalk trafiği vb.) Tünelin durumu (uzunluk, rampa, viraj, olası kaçış rotası vb.) Tünelde yangın tasarımı için aşağıdaki kriterler dikkate alınmalıdır; Kaçış yollarının durumu Tehlikenin potansiyeli Topografik kısıtlamalardan dolayı bazı tüneller, yarıçapı olan yatay planda eğimli şekilde yapılması gerekir; Eksenel Jet Fan Örneği Jet fanlar, portal ağızlarının minimum m içeriye yerleştirilmelidir. Ayrıca jet fanlar, birbirinin akışını etkilemeyecek şekilde konumlandırılmalıdır.

34 Havalandırma Türleri Doğal havalandırma Doğal havalandırma; doğal rüzgar hızı, diğer meteorolojik durumlar, tünel eğimleri veya hareket eden araçlardan kaynaklı piston etkisi ile sağlanır. Kısa tünellerde yaygın olarak kullanılır. 300 m uzunluğa kadar olan birçok tek yönlü kısa tünelde, hava akımından etkilenmiş aracın piston etkisi, normal ortam gereksinimleri açısından tatmin edici bir havalandırma sağlayacaktır. 300 m ile 400 m arasında uzunluğu olan tüneller yangın / duman kontrolü açısından mekanik havalandırma gerektirebilir. Gelecek için Ulaşım Sistemleri CVS Havalandırma Sistemleri dergisi Piston etkisi : Araçlar hava içerisinden geçerken türbülansa neden olurlar, bu türbülans, hızı etraftaki havaya yansıtacaktır. Tünel içerisindeki kısıtlı hava sahası bu aerodinamik etkileri vurgular. Tünele giren bir araç, bir tüpe gevşek oturmuş piston gibi davranır, yeri değişen hava tünel eksenine paralel olarak akmaya zorlanır, havanın bir kısmı aracın ön kısmından çıkarken, bir kısmı da araç tünel halkası içinden geri geçecektir Mekanik havalandırma Mekanik havalandırma sisteminde esas amaç, yangın bölgesinde oluşan dumanın fan yardımıyla uzaklaştırılmasıdır. Mekanik havalandırma dört ana sistem türü ile sağlanır; Enine havalandırma Yarı enine havalandırma Boyuna havalandırma Hibrit havalandırma

35 Boyuna havalandırma Longitudinal (Boyuna, tünel uzunluğu boyunca) Tünel, bir hava kanalı olarak kullanılır. Hava akımı, tünel boyunca başka havalandırma kanalları olmaksızın, ana tünel kesit alanı içerisinde, tünel girişinden çıkışına doğru ilerler. Araçlardan gelen egzoz gazları olan bir tünelde, temiz hava yalnızca tünel girişinden gelmektedir ve araçlar tünel içerisinde yol alırken, tünel girişinden uzaklaştıkça kirli havaya maruz kalırlar. Resim 3.1. Boyuna havalandırma sistemleri Resim 3.2. Yangın esnasında boyuna havalandırma sisteminin çalışması (Kayılı, Köktürk ve Eralp, 2010). Bu sistemde hava kanalları olmayıp, hava akımı girişten çıkışa sabit bir hızla gerçekleştirilmektedir. Birinci metot, havanın bir eksenel fan yardımı ile tünel girişine enjekte edilmesidir. Bu hava, gelen trafiğin yarattığı piston etkisi ile tünele alınan hava ile

36 16 karışmakta ve tüneli boylu boyunca ilerleyerek tünelin çıkış ağzından kirlenmiş olarak dışarı atılır. Trafiğin tek yönlü çalıştığı tünellerde bu metot etkilidir. Hava hızı tünel boyunca sabit kalmakta, giriş ağzında temiz olan hava, giderek kirlenmekte ve çıkış ağzında en yüksek kirliliğe ulaşmaktadır. Meteorolojik koşulların terse dönmesi ile çıkış ağzındaki kirlilik düzeyi yükselmektedir. Tünel uzunluğunun artması ve enjekte edilen hava miktarının azalması da çıkış ağzındaki hava kirliliğini artıran diğer etmenlerdir. Longitudinal (boyuna) havalandırma sistemi şehir içi tünellerinde 1-1,5 km uzunluğa kadar, şehir dışı tünellerde ise 3-4 km uzunluğa kadar uygulanmaktadır. Hava normal olarak tünel kapılarının birinden içeri alınarak, diğer kapıya kadar, tünel içini süpürerek hareket eder. Bu hareket tünel boyunca yerleştirilen jet tünel fanları vasıtası ile sağlanır. Bu havalandırma sisteminde, tünel içindeki trafiğin piston efekti; tünel kapılarındaki oluşan dış hava şartları, rüzgar ve hava basıncı tünel içinde elde edilmeye çalışılan hava akımına etki eder. Jet tünel fanları ile sağlanan longitudinal (boylamasına) havalandırmada, jet tünel fanlarının havayı itme güçleri (thrust), tünel içindeki hava akışını sağlar. Hava hareket ederek fandan uzaklaştıkça, oluşturulan jet etkisinin gücü azalır. Doğru sayıda jet tünel fanın tünel içinde doğru yerlere yerleştirilmesi, hedeflenen jet hava akımının sağlanmasında çok büyük önem taşır. Genelde tünel içinde montaj yeri olarak fanlar duvar veya tavana bitişik monte edilir. Jet tünel fanları, tünel duvarlarına ve tavanına yakın monte edildikçe, jet tünel fanının verimi azalır. Fanın iterek oluşturduğu jet hava akımı bir kısmı duvar ve tavana sürtünerek kaybolur. Jet tünel fanları genelde metre aralıklarla tünel içinde yerleştirilir (veya yaklaşık 10 tünel hidrolik çapında) bu mesafenin daha kısa tutulduğu uygulamalarda fanların birbiri üzerinde negatif etkisi oluşacaktır. Tünel havalandırması projelendirme çalışmaları yapılırken fan verimini etkileyen tüm bu verim faktörlerinin dikkate alınması gerekir.

37 17 Jet tünel fanları Diğer yöntem ise tünelin ortasına fan yerleştirilmesidir. Tünelin her iki ucundan alman hava, pozitif bir baca etkisi yaratılarak, kirlenmiş olarak şafttan dışarı atılmaktadır. Giderek daha çok kullanılmaya başlayan, boylamasına havalandırma metotlarından bir diğeri tünel tavanına asılan fanlarla yapılan havalandırmadır. Jet ( jetfoil, booster ) tipi fanların kullanıldığı havalandırmada, daha önce tanıtılan metotların gereksinim duyduğu eksenel fanların konulacağı binalar ortadan kalkmakta, buna karşılık fanların asılabilmesi için tünel yüksekliği veya genişliğinin büyütülmesi gerekebilmektedir. Tünel içindeki trafiğin akış yönünde havayı üfleyen jet fanların, sayısı ve geometrisi, tünel içindeki toplam hava akış hareketine gösterilen en yüksek dirence ve fanların yerleştirileceği hacme bağlıdır (Özbakır, 1995) Longitudinal (boyuna, tünel uzunluğu boyunca) havalandırma metodu, üç alternatif metot arasında en ekonomik ve kolay uygulanabilir olanıdır. Tünel içinde herhangi bir kanal uygulamasına gerek yoktur. Aşağıda listelenen nedenlerle boyuna havalandırma sistemi genelde ilk tercih edilen çözümdür. İnşaat ve mekanik maliyetleri en düşük olan sistemdir. Karayolu tünellerinde yapılan analizlere göre, longitudinal sistem, yarı enine havalandırma sisteminin yaklaşık 1/10 maliyetine yapılabilmektedir; Direk tünele uygulanabilir. Ayrı bir fan odası / mekanik odaya ihtiyaç yoktur. Farklı kombinasyonlardaki fanları devreye alıp / çıkartarak sistem çok kolay bir şekilde kademelendirilebilir. Güç tüketimi diğer sistemlere göre düşüktür. Sistemde kanal olmadığı için, statik basınç kayıpları oluşmamaktadır. Acil durumda, yangın anında da aynı sistem kullanılabilir. (Fanların 250 o C -1 saat e dayanıklı seçilmesi kaydı ile) Jet-aksiyel tünel fanları, longitudinal (boylamasına) tünel havalandırma sistemleri için geliştirilmiştir. İçinden geçen hava kütlesinin hızını artırır. Yüksek hızlı jet fanla (35 m/s)

38 18 düşük hızla hareket eden hava, karışarak ivme kazanır. Tünelde havalandırma için gerekli hızı sağlamaya ve korumaya yarar. Jet fanları, kanallı aksiyel fanda olduğu gibi sistem basınçlarına tabi değildir. Jet fan verimliliği İtme (N) / Kullanılan güç (kw) ile belirlenmektedir ve bu değer aksiyel fan özelliklerinde gösterilen toplam fan verimliliği ile aynı değildir. Fan eğrisinin en düşük noktasında maksimum hacim elde edilir ve üretilmiş hacim/basınç özellikleri yoktur. Bir sistemde gereken toplam itme kuvveti, kurulumun ve tünel basınç kayıplarının üstesinden gelirken, gerekli tünel hızını da sağlayabiliyor nicelikte olmalıdır. Jet fanlar maksimum itmeyi vermek üzere tasarlanmış olup, şöyle elde edilir. Hacim x hız x yoğunluk ; Resim 3.3. Jet tünel fanı Büyük aksiyel fanlar Tünel havalandırma fanları, tünel direncinin üstesinden gelerek, yüksek basınçlarda büyük hava miktarlarının desteklenmesi için gereklidir. Büyük aksiyel fanlar, tünel için gerekli olan taze havanın sağlanması ve egzoz ya da yangın anında dumanın tahliye edilmesini sağlar.

39 19 Resim 3.4. Büyük aksiyel fan Enine havalandırma Transverse (enine) havalandırma uygulamalarında, kelime anlamından da anlaşılacağı gibi tünelin bir kenarı boyunca taze hava temin edilirken, diğer kenarı boyunca kirli hava egzoz edilmektedir. Taze hava ve egzoz noktaları birçok farklı kombinasyonlarda tercih edilebilmesine rağmen, genelde taze havanın tünelin bir kenarından, yol seviyesinde temin edilmesi; egzoz havasının ise karşı kenardan, tavan seviyesinden alınmasıdır. Enine havalandırma yöntemi, diğer iki metottan farklı olarak, tünel dışındaki rüzgardan veya tünel içindeki trafiğin piston efektinden çok az etkilenir. Bu durumda uzun karayolu tünellerinde kullanılabilir. Enine havalandırma sisteminin maliyeti, tünel boyunca döşenmesi gereken korozyona dayanıklı kanal sistemi, oluşacak yüksek basınç kayıplarını yenmesi gereken fanlar nedeni ile diğer iki yönteme göre yüksektir. Enine havalandırma sistemi, tünel uzunluğu boyunca ayrı havalandırma kanalları olan merkezileştirilmiş egzoz ve taze hava fanlarını içerir. Temiz hava kanalı normal olarak yol seviyesinde bulunurken kirli hava egzoz kanalı daha yüksek bir seviyede bulunur. Giriş ve egzoz menfezleri, gereken havalandırma dağıtımını sunmak üzere, havalandırma kanalları boyunca dağıtılır. Tünel içerisinde, tünel boyunca temiz hava kaynağının bulunması sayesinde uzaklığa bağlı olarak kirli hava konsantrasyonunda artış da belirgin biçimde azalır. (Gelecek için ulaşım sistemleri CVS havalandırma sistemleri dergisi) Bu tip havalandırmada, hem temiz hem de egzoz kanallarına gereksinim vardır. Bu kanalların konumu (kanallardan her ikisi de sürüş alanının üzerinde veya biri altında diğeri

40 20 üzerinde) mevcut yer durumuna bağlıdır. Hem temiz hava hem de egzoz havası nakledilir; içeri üfleme ve dışarı atma işlemleri tünel eksenine göre enine şekilde olur. Enine havalandırma, yangın durumunda tünel içinde duran insanlar için, duman gazlarının dışarı atılabilmesi ve temiz havanın tünel içine verilebilmesi nedeniyle yüksek seviye de emniyet sağlar. Ancak bu sistem, imalat ve işletme maliyeti açısından pahalıdır. İki kanal ve buna bağlı geniş kazı alanı gerekir. Her iki kanalın da sürüş alanı üzerinde olması durumunda ikinci bir kanala ve bunun yanı sıra temiz hava ve egzoz havası kanalları arasında yerleştirilecek bir bölme duvarına ihitiyaç vardır (Karakaş, 2011). Araç egzoz seviyesinden, tercihen iki taraftan, üflenen hava, tünelin tavanındaki hava kanalları ile emilip dışarı atılmaktadır. Piston etkisinin yarattığı hava hareketleri dışında, tünel içinde açıkta boylamasına hava akımı oluşmaz (Özbakır, 1995). Resim 3.5. Enine havalandırma sistemleri Bu araştırmada Resim 3.5. te gösterilen enine havalandırma sistemi kullanılmıştır.

41 21 Resim 3.6. Tam dikine (enine) havalandırma sistemleri çalışma durumları (Kayılı, Köktürk ve Eralp, 2010) Yarı enine havalandırma Semi Transverse (Yarı dikine-enine): Kirletici madde yoğunluğunun, tünel boyunca aynı olması gerekiyorsa temiz hava belirli aralıklar ile verilmelidir. Bu havalandırma sadece, ana tünele paralel bir kanal sağlandığı takdirde mümkündür. Vantilatörler temiz havayı kanal yoluyla tünel eksenine göre enine şekilde üflerler. Egzoz havası ise tünel ekseni istikametinde dışarı doğru atılır. Bu vantilatörler çift yönlü olmalı ve ayrıca yangın durumunda havayı dışarı atabilecek şekilde düzenlenmeleri ile yangın dumanlarının devamlı olarak tünelden dışarı atılabilmesi mümkün olabilmelidir (Karakaş, 2011) Yarı enine tip havalandırmanın avantajları sistemin imalat maliyetinin yüksek oluşuyla dengelenir. İkinci bir tüp veya ikinci bir tavan yani daha yüksek maliyet gereklidir. Ayrıca işletme giderleri de boyuna havalandırmaya nazaran daha yüksektir. Bu nedenlerden dolayı yarı enine havalandırma sistemi yalnızca diğer sistemlerin uygulanamayacağı, uzun iki yönlü tünellerde kullanılır. Tünelin bir kenarı boyunca taze hava temin ederken, kirli egzoz havasının tünel boyunca sürüklenerek tünel giriş ve çıkış kapılarından atılacağını varsayar. Bu sistem, göreceli olarak daha kısa tünellerde uygulanabilir. Tünel boyu, kirli havanın kapılardan atılamayacağı uzunluklara çıkarsa, tünel boyunca belli noktalarda egzoz şaftları gerekir. Alternatif bir yöntem olarak, egzoz havasını kapılara sürüklemek için jet tünel fanları kullanılabilir. Her ne kadar jet tünel fanları, boyuna havalandırma sistemlerinde

42 22 kullanılmak için tasarlanmış olsalar da, yarı enine sistemlerin egzoz havasını tünel kapılarından atmasına yardımcı olarak da kullanılabilir. Resim 3.7. Yarı enine havalandırma sistemleri Resim 3.8. Yarı enine (dikine) havalandırma sistemi çalışma durumları (Kayılı, Köktürk ve Eralp, 2010). Dikine havalandırma sistemleri, çift yönlü trafiğin olduğu karayolu tünellerinde tercih edilmektedir.

43 Resim 3.9. a) Boyuna havalandırma b) Enine havalandırma 23

44 24

45 25 4. TÜNEL GÜVENLİĞİ Karayollarında ulaşımı kolaylaştıran, uzun mesafeleri daha kısa sürede ve mesafede geçmeye olanak sağlayan tünellerde yeterli güvenlik önlemleri alınmadığında çok ciddi trafik kazaları meydana gelebilmektedir. Özellikle tehlikeli madde taşıyan araçların sebep olduğu yangınlı kazalarda bu önlemlerin gerekliliği daha iyi anlaşılmaktadır (Çubuk ve diğerleri, 2008). Türkiye engebeli coğrafi yapısı nedeniyle çok sayıda karayolu tüneline sahiptir. Yapım aşamasındaki tünellerin tamamlanmasıyla bu sayı daha da artacaktır. Türkiye deki mevcut karayolu tünellerinin minimum güvenlik kriterleri açısından değerlendirilmesi ve yeni yapılacak tünellerin de bu kriterler göz önünde bulundurularak projelendirilmesi gerekmektedir. Öte yandan Avrupa Birliği ne üyelik sürecinde, bu alanda Türkiye deki standartların AB ile uyumlaştırılması gerekmektedir. Tünel kaza raporları incelenerek kazaya karışan araçların türü, kazanın meydana geldiği tünelin özellikleri, havalandırma ile ilişkisi, kazanın ne tür bir hata sonucu ve nasıl meydana geldiği gibi birçok konu hakkında bilgi alınabilir. Tünel kazalarının istatistiksel olarak değerlendirilebilmesi için tünel özellikleri ve kaza özelliklerinin ortaya çıkarılması gereklidir. Bu özellikler; Tünel özellikleri: Tünelin fiziksel ve geometrik özellikleri (yeri, uzunluğu, eğimi, şerit genişliği, vb.), işaretlemeler, aydınlatma, havalandırma sistemleri, mevcut güvenlik sistemleri vb. Kaza özellikleri: Kazanın nasıl meydana geldiği, kaza tipi ve şekli, kazaya neden olan unsurlar, kaza sonucu meydana gelen yaralanma ve/veya ölümler vb. özelliklerdir. Literatürde karayolu tünel kazaları ile ilgili yapılan çalışmalar incelendiğinde karşımıza şu sonuçlar çıkmaktadır:

46 26 Rapor edilen birçok karayolu tünel kazasında araç tipleri açık olarak belirtilmemiş olmasına rağmen eldeki veriler incelendiğinde en fazla kazaya karışan araç türünün kamyonlar olduğu göze çarpmaktadır (Krausmann ve Mushtag, 2005). Çift yönlü trafik akışının olduğu tünellerde tek yönlü trafik akışı olanlara oranla % 40 daha fazla kaza meydana geldiği görülmektedir. Birçok tünelde acil durum şeridinin olmaması trafik üzerinde negatif etki yaratmaktadır. Eğimi %2,5 in üzerinde olan tünellerde meydana gelen araç arızalanmaları, eğimi %2,5 dan daha az olanlara oranla 5 kat daha fazladır. Uluslararası istatistikler incelendiğinde; araçlarda çıkan yangının sebebinin, çarpışmalardan ziyade; aracın hatalı elektrik sisteminden, aşırı ısınmış motordan vb. bir sebepten kendiliğinden alev alma şeklinde kaynaklandığı görülür. Buna rağmen dünyada en kötü sonuçları olan 14 tünel yangını incelendiğinde 12 sinde yangının kaza sonucu meydana geldiği görülmektedir (United Nations Report, 2001). PIARC (World Road Association) tarafından incelenen karayolu tünel kazalarında meydana gelen yangınların nedenleri şu şekilde sıralanmıştır (PIARC, 1999). Elektrik arızaları (hafif araçlarda en sık olarak yangın sebebi), Fren balatalarında meydana gelen ısınmalar (ağır taşıtlardaki yangınların %60- %70 ininsebebi), Aracın kendi kendine alev almasına yol açan diğer arızalar. Daha az karşılaşılan kaza nedenleri; Çarpışmalar, Tünel ekipmanlarındaki teknik arızalar, Tünellerde yürütülen bakım çalışmalarıdır (PIARC, 1999). Tünelde meydana gelecek olası bir yangının boyutları yangın çıkan aracın yükü ve tipine bağlıdır.

47 Çizelge 4.1. PIARC tarafından kabul edilen araç tipleri ve yangın kapasiteleri (PIARC, 1999). 27

48 28

49 29 5. TÜNELİN VE YANGIN HAVUZUNUN GEOMETRİSİ Bu çalışmada Resim 3.5 teki enine havalandırma sistemi ile havalandırılan 100 metrelik bir tünel modellenmiştir. Tünelin eşit aralıklı 5 farklı bölgesinde 3 farklı fan grubunun çalışma senaryolarına göre analizler gerçekleştirilmiştir. Geometriler Solid Edge programında oluşturulmuştur. Oluşturulan geometriler step formatında ANSYS 13 programına aktarılıp analizleri yapılmıştır. Tünelin gerçek uzunluğu 100 m, duvarlar ve hava kanalları dahil toplam genişliği 22,6 m, fanlar ve hava kanalları dahil toplam yüksekliği 15,4 m, sadece hava kanallarıyla birlikte yüksekliği 10,6 m dir. Yangın havuzunun ölçeksiz eni 4 m, boyu 4 m ve yüksekliği 2,5 m, alanı 16 m 2, hacmi 4 m x 4 m x 2,5 m olacak şekilde 40 m 3 tür. Yangın havuzu tünelin tabanından 2,5 m yüksekliktedir. Tünel eksenine paralel yatay kesitteki (tünele dik yönde) yapılan analiz sonuçları yangından 1 metre yükseklikten alınmıştır. Her bir fan grubu arasında 48 metre mesafe vardır ve her bir yangın konumu (A, B, C, D, E) arasında 24'er metre mesafe vardır. Şekil metrelik tünel geometrisi

50 30 Şekil 5.2. Tünel geometrisinin 1/20 ölçekli boyutları

51 Şekil 5.3. Yangın havuzunun 1/20 ölçekli boyutları 31

52 32

53 33 6. HAD (HESAPLAMALI AKIŞKANLAR DİNAMİĞİ) Hesaplamalı akışkanlar dinamiği, akışkan hareketini, ısı ve kütle transferini, kimyasal reaksiyonları ve ilgili olayların sayısal metotlarla bilgisayar yardımıyla çözülmesidir. Karmaşık geometriler, viskozite, sıcaklık farkları vb. etmenler klasik akışkanlar mekaniğinin temel denklemlerine uygulandığında çözüm çok zor, hatta çoğunlukla imkânsızdır. Klasik akışkanlar mekaniğinde ancak düz levhalar, dairesel kesitli borular gibi idealize edilmiş basit geometrilerde sonuca ulaşılabilir, geriye kalan gerçek problemlerin %99'unda sonuç elde edebilmek için hesaplamalı akışkanlar dinamiğine başvurmak gerekir. Bunun için akış bölgesi, akışa ait temel diferansiyel denklemleri simüle eden küçük düzgün elemanlardan ve noktalardan oluşmuş ağ yapısına ayrılır ve bu küçük elemanlardan iterasyonlarla adım adım bütün çözüme varılır. Akışkanın analizinde; süreklilik, momentum ve enerji denklemleri sayısal çözülerek akışkanın; hız, basınç ve sıcaklık dağılımları gibi birçok değer belirlenebilir HAD'ın Kullanım Alanları Günümüzde HAD birçok alanda yoğun bir şekilde kullanılmaktadır. Bunlardan bazıları; Uçak ve hava taşıtlarının aerodinamiği: kaldırma ve sürüklenme kuvvetleri Gemilerin hidrodinamiği Güç istasyonları: gaz türbinleri Turbo makineler: dönen parçaların içerisindeki akış, difüzörler vb. Elektrik ve elektronik mühendisliği: mikro devreleri kapsayan ekipmanların soğutulması. Kimyasal süreç mühendisliği: karıştırma ve ayırma vb. Binaların iç ve dış çevreleri: rüzgâr etkisi ve ısıtma havalandırma Deniz mühendisliği Çevre mühendisliği: atık su ve kirleticilerin dağılımı Hidroloji ve oşinografi: nehir, koy ve okyanuslarda akış Meteoroloji: hava tahmini

54 34 Biyomedikal mühendisliği: arterlerde ve damarlarda kan akısı (ASHRAE Report, 1999) Sonlu Hacimler Yöntemi Bu metotta hesapları yapılması gereken parça küçük hücrelere (mesh) bölünerek tanımlanır. Bu küçük hücrelerin iterasyonu ile hesaplamalar gerçekleştirilir. Kısmi diferansiyel denklemlerin çözümü bu metotla yapılır. Kontrol hacmine entegre edilen diferansiyel denklem diverjans teoremi ile yüzey integrallerine dönüştürülür. Oluşturulan bu terimler her bir sonlu hacim için akış olarak değerlendirilir. Bölünmüş hücrelere giren her akış komşu hücrelerden de geçmektedir. Şekil 6.1. Problemde kullanılan tünelin örnek mesh yapısı HAD programları analiz yaparken akışkanın içinde bulunduğu hacmi analiz ederler HAD Yöntemiyle Çalışan Bilgisayar Programları Fluent :Akışkan hareketini simüle etmede en yaygın kullanılan programlardan bir tanesidir. Akışkanın hareketini tanımlarken sonlu hacimler yöntemini esas alır. Laminar

55 35 veya türbülanslı, sıkıştırılabilir veya sıkıştırılamaz olması fark etmeksizin hemen hemen her türlü akışkan hareketi hesaplanabilir. Fluent: programıyla henüz tasarımı bitmemiş ürünler üzerinde simülasyon yapabilme ve buradan elde edilecek bilgilerle tasarımı geliştirme işlemleri sıklıkla kullanılmaktadır. Hesapları yapılacak olan geometrilerin küçük hücre (mesh) yapısının oluşturulmasında Gambit programından faydalanılır. Bu program Fluent programına yardımcı olarak da tanımlanabilir. Gambit: Fluent programında kullanılmak üzere modellerin oluşturulması ve küçük hücrelerin (mesh) oluşturulmasında kullanılan bir programdır. İstenilen tipteki küçük hücrelerin (mesh) oluşturulmasında büyük kolaylık sağlamasından ötürü genellikle tercih edilir. Tgrid: Gambit programı gibi Fluent programında kullanılmak üzere modellerin oluşturulmasında kullanılan bir programdır. Otomatik küçük hücre (mesh) oluşturabilmesi ile dört yüzlü, altı yüzlü, kama tipi ve piramit tipi gibi küçük hücreler (mesh) geometriye entegre edebilmektedir. Airpak: Havalandırma sistemleri için hava akışını simüle eden programdır. Hava kalitesi, ısıl konfor vb. parametrelerin analizi için kullanılır.

56 36

57 37 7. AKIŞKAN HAREKETİ VE ISI TRANSFERİ İÇİN GENEL DENKLEMLER Bu bölümde konunun daha iyi anlaşılabilmesi için akış karakteristikleri ve ısı transferi ile ilgili terimler incelenerek bazı temel tanımlamalar ifade edilmiştir. Laminar ve türbülanslı akış: Akım boyunca akış tabakalarının birbirine karışmadığı akış türüne laminar akış denir. Çizgisel bir akıştır, akışın karakteristiği Reynolds sayısına bağlıdır. Reynolds sayısı ise akış hızı, viskozite ve akışkanın olduğu ortamın geometrisine göre değişiklik gösterir. Akışkanın farklı doğrultularda belirli bir fonksiyona bağlı kalmadan yaptığı harekete türbülanslı akış denir. Türbülanslı akışta akım tabakaları sürekli birbirine karışmaktadır ve akım tabakaları arasında doğrusallık yoktur. Türbülanslı akışı anlayabilmek için mevcut bazı kanunlar yeterlidir. Fakat bu akışı uzay koordinatlarının bir fonksiyonu olarak tanımlamak imkânsızdır. Hız, basınç ve sıcaklık gibi faktörleri bularak türbülanslı akışı ifade etmek mümkündür. Reynolds sayısına bağlı olarak, akışkanın hareket ettiği yüzeyle olan sürtünmeden dolayı ya da farklı hızlarda olan akışkan tabakalarının birbirleriyle etkileşimiyle türbülans ortaya çıkmaktadır. Prandtl sayısı: Kinematik viskozitenin ısıl yayılma katsayısına oranıdır. Akışkanın ise geçiş karakteristiğini göstermektedir. (7.1) = Kinematik viskozite, = Isıl yayınma

58 38 Nusselt sayısı: Nusselt sayısı, taşınım ısı transfer katsayısının iletim ısı transfer katsayısına oranları arasındaki ilişkiyi ifade eden boyutsuz bir sayıdır. Isı transferi ve akışkanlar mekaniğinde kullanım alanı geniştir. (7.2) h= Yerel ısı tasınım katsayısı k= Isı iletim katsayısı = Hidrolik çap 7.1. Akışkan Hareketi İçin Genel Denklemler Problemin süreklilik, enerji, momentum, türbülans kinetik enerjisi ve türbülans kinetik enerjisi yutulma denklemleri incelendiği zaman hepsinin benzer yapıda olduğu görülmektedir. Bundan dolayı genel değişken φ kullanılarak, tüm denklemler genel bir formda yazılabilir. Genel bir φ değişkeni için iki boyutlu kartezyen koordinatlarda taşınım denklemi Eş 7.3 teki şekilde yazılabilir. ) ) = ( ) + ( ) + (7.3) Bu eşitlikte, genel bir değişkeni, genel difüzyon katsayısını ve S kaynak terimini temsil etmektedir. Genel taşınım denklemi için, değişkenler ve bunlara karşılık gelen difüzyon katsayıları ile kaynak terimleri Çizelge 7.1 de verilmiştir. Çizelge 7.1. Genel denklem için, değişkenler ve bunlara karşılık gelen difüzyon katsayıları ve kaynak terimleri Denklem S Süreklilik x-momentum u - + ) + ) y-momentum - + ) + )

59 39 Çizelge 7.1. (devam) Genel denklem için, değişkenler ve bunlara karşılık gelen difüzyon katsayıları ve kaynak terimleri Enerji T Türbülans kinetik enerjisi k Türbülans kinetik enerjisi yutulma ( - ) [ ( ) ( ) ( ) ] k 2 / + C 1 =1,44 ; C 2 =1,92 ; C =0,09 ; =1,00 ;

60 40

61 41 8. ANALİZ İÇİN GİRİŞ PARAMETRELERİNİN HESAPLANMASI VE SINIR ŞARTLARININ BELİRLENMESİ Carvel'in (2004), çalışmasın belirtildiği gibi scale factor (ölçeklendirme faktörü), modeldeki Froude numarası eşitliğinden çok yüksek değilse ve prototip tüneller tünel yangınlarındaki benzerliği tanımlamak için mantıklı bir yaklaşımdır. Bu çalışmada, Froude sayısının eşitliğinin benzerlik için yeterli olduğu göz önüne alınarak ve ölçülendirme faktörü (scale factor) 1/20 seçilmiştir. Model ve prototipteki Froude sayısı eşitliğini kullanarak, ısı salınım oranı (HRR), scale factor Ø ve hız arasındaki ilişki elde edilmiştir. Ölçeklendirme faktörünün bilindiği kabul edilirse, tünel modelindeki hız ve HRR aşağıdaki denklemlerle hesaplanabilir. (Karaaslan, Hepkaya ve Yücel, 2011; Carvel, 2004) (8.1) (8.2) Duman Kaynağı (Smoke Source): Çizelge 8.1. de belirtilen 10 MW yangının oluşturduğu kütle akısı yangında kullanılmıştır. Salınan dumanın kütlesel debisi (mass flow rate) ve besleyen havanın kütlesel debisi Vega ve diğerlerinin (2008) çalışmasında verilen HRR (heat release rate, ısı salınım oranı) ye dayanan aşağıdaki formülle hesaplanmıştır. ve (8.3) Literatürde yapılan sayısal simülasyonlarda genellikle yanma, elde edilmiş deneysel veriler baz alınarak yangın havuzu bölgesinden tepkimesi sonucu ortaya çıkan yangın kaynaklı dumanın tanımlanması ile sağlanmaktadır (Karaaslan ve diğerleri, 2011). EUREKA EU:499 FIRETUN, 1995 projesi ve PIARC and Committee on Road Tunnels (1999) projelerinin deneysel sonuçları Species Transport modelinin kullanılması sırasında kaynaklık teşkil etmişlerdir. Yakıt havuzundan karbondioksit/hava karışımı tünel ortamına yayılmıştır. Karışım gaz debileri Eş. 8.3 ve 8.4 kullanılarak hesaplanmıştır (EUREKA- Project Report, 1995; Vega ve diğerleri, 2008).

62 42 Karayolu tünelinin 5 farklı bölgesine konumlandırılmış olan yangın havuzu için çözüm alanında giriş hızı sınır şartları tanımlanmıştır. Her bir basma fanı için hava giriş hızı 5 m/s, 1/20 ölçekli olarak 1,12 m/s dir. Hava giriş sıcaklığı 293 Kelvindir. 10 MW HRR lik yangın için toplam kirli gaz kütlesel debisi 0,01244 kg/s ve giriş sıcaklığı 573 Kelvin dir. Şekil 8.1. Yangın kaynağındaki kütle dengesi m air Mavi ok: Temiz hava fanının bulunduğu menfezlerden ve tünel boyunca yangına doğru hareket eden temiz havayı göstermektedir. m gas etmektedir. m mix Kırmızı ok: Yangından meydana gelen kirli duman ve sıcak gazları ifade Turuncu ok: Yangından meydana gelen kirli gaz ile menfez ve tünel boyunca hareket eden temiz havanın karışımının tahliye (emme) fanı tarafındaki menfezlere akışını ifade etmektedir. Model içerisinde tanımlanması gereken kütle oranı ve çıkış sıcaklık değerleri için MEMORIAL TUNNEL üzerinde gerçekleştirilmiş olan 10 MW ısı salınım oranı (HRR) yangınındaki CO 2 -hava karışım oranı ve PIARC çıkış sıcaklık değerleri kullanılarak adapte edilmiştir (EUREKA-Project Report, 1995 ASHRAE, 1999). 10 MW'lık (HRR) ısı yayılım oranı, bir otomobilin yanmasını temsil ederken, bu değer 50 MW olsaydı akaryakıt tankerinin yanmasıni temsil edecekti. Yanan ürünlerin kütle oranları EUREKA-Project

63 43 Report, 1995 tarafından sağlanan datalara dayanmaktadır. Bu datalara göre, CO 2 ve havanın kütle oranları 10 MW için sırasıyla %95 ve % 5 alınmıştır.50 MW için bu değerler sırasıyla %91 ve % 9'dir. Kütle oranlarına ek olarak, 10 MW lık yangın senaryosu için giriş sıcaklık parametresi 573,15 K alınmıştır. 50 MW için bu değer 950 K değerindedir (PIARC Report, 1999) (8.4) (8.5) Tünel hacmine enjekte edilen gaz miktarı Eş. 8.4 kullanılarak hesaplanmaktadır. Burada (λ) alev radyasyon oranı olarak tanımlanmaktadır. Bu oran literatürde %50 ye kadar alınabilmektedir. Bu çalışmada da simülasyonlarda alevin ışınım oranı %35 olarak alınmıştır. 10 MW için gaz karışımı giriş sıcaklığı 300 ºC (573 K) ve hava 0,95, CO 2 0,05 kütle oranları (mass fraction) kullanılmıştır (Karaaslan ve diğerleri, 2011). Problemde kullanılacak temiz havanın basma fanından tünele giriş hızı değeri 5 m/s dir. Bu hız değerinin scale edilmiş hali şöyledir: olarak bulunur. Çözüm için FLUENT programında bu girdi kullanılmıştır. (8.6) HRR (Isı yayılım oranı) =10 MW (8.7) Scale factor = 0,05

64 44 = =5590,17 W Karışım 573 ºK deki değerleri (10 MW)=0,01244 kg/s olarak alınmıştır. Çizelge /20 ölçeklendirilmiş tünelde yangın karakteristikleri ve analizde kullanılan türbülans modeli sabitleri Tünelin, Yangının Özellikleri ve Sınır Şartları Tunnel Length (Tünel uzunluğu) 5000 mm Cross-Section Area (Kesit alanı) 0,29*1.0=0,29 Inlet Velocity (Tünele giriş hızı) 1,12 m/s (10 MW) 0,01244 kg/s (10 MW) 0, kg/s (10 MW) 0, kg/s HRR (10 MW) 5590,17 W Analizlerde kullanılan standard k- model sabitleri Cµ 0,09 C1-Epsilon 1,44 C2-Epsilon 1,92 TKE Prandtl Number 1 TDR Prandtl Number 1,3 Energy Prandtl Number 0,85 Wall Prandtl Number 0,85

65 45 L K Şekil 8.2. Tünelin şematik gösterimi Çizelge /20 ölçekli tünelin HAD analizlerinde kullanılan sınır şartları Özellik Tünelin K yüzeyi Tünelin L yüzeyi Katı duvarlar Basma fanı Emme fanı tahliye oranı Yangın havuzu (10 MW) Hız u,v=0 P=P atm u,v,w=0 v=1,12 - m/s Sıcaklık 293 K - =0 293 K 573 K Kütlesel debi k(x, y, z,t) ε (x, y, z,t) /1 : 0,01244 kg/s k(x, y,0,t) = - ω(x, y, z,t) (3/2)(I.U 0 ) 2 = 0 ε (x, y, 0,t)= - k(x, y, z,t) = 0 Enine havalandırma yöntemi, boyuna havalandırma metodundan farklı olarak, tünel dışındaki rüzgardan veya tünel içindeki trafiğin piston efektinden çok az etkilenir. Enine havalandırmada, karayolu giriş ve çıkışındaki doğal havalandırmadan kaynaklı rüzgar hızı her iki yönlü içeri, dışarı yada tek yönlü olabileceğinden ve tünelin merkezindeki (yangın C konumundayken) bölgeye gelene kadar, tünelin giriş ve çıkışındaki diğer fanlar tarafından etkisinin azaltılıp emme fanları tarafından çekilip yok olacağından, bu hız değeri analizlerde ihmal edilmiştir. Çalışan fan gruplarının yangına etkisi incelenmiştir. Tünelin iç hacmi FLUENT programında hava olarak seçilmiştir.

66 46 Fan grupları: 1) tünelin girişine (A konumu), 2) tünelin merkezine (C konumu) ve 3) tünelin çıkışına olmak üzere (E konumu) olmak üzere yerleştirilmiştir. 10 MW'lık yangının tünel içinde 5 farklı konumda oluştuğu göz önüne alınarak simülasyonlar yapılmıştır. Yangın konumları: 1) tünel girişi (A konumu), 2) tünel girişi ile merkezininin ortası (B konumu), 3) tünelin merkezi (C konumu) 4) tünel merkezi ile çıkışının ortası (D konumu) 5) tünelin çıkışı (E konumu). Her bir konumda oluşan 10 MW'lık yangın için ve 3. konumlarında bulunan fan grupları farklı sıralarda çalıştırılarak, belirli kesitlerdeki sıcaklık dağılımları elde edilmiş ve irdelenmiştir. Fluent programında, Standart k- yanma türbülans modeli kullanılmıştır. Fan grupları, çalışma sıraları ve yangın konumları Çizelge 8.2'de verilmiştir. Çizelge 8.3. Yapılan analizlerde HRR, çalışan fan grupları ve yangının konumlarına göre senaryoların kombinasyonu HRR (MW) Çalışan Fan Grupları Yangının Konumu 10 1 A-B-C-D-E A-B-C-D-E A-B-C-D-E

67 47 9. SAYISAL ÇÖZÜM Yangın üzerinden 1 metre yükseklikten (tünel tabanından 3,5 metre) alınan referans düzlemden geçen kütle akısına göre mesh hassasiyeti incelemesi yapılmıştır. Farklı mesh yapıları için yapılan çözümlerde hesaplanan kütle debileri karşılaştırılmıştır. Çözümün grid yapısından bağımsızlığını sağlayan mesh sayısını bulmak için en hassas mesh yapısına sahip simülasyon sonucundan meydana gelen sapma miktarları Çizelge 9.1. de verilmiştir. Optimum mesh yapısının elde edilmesi için gerçekleştirilen çalışmada 1,12 m/s lik her fandan basan tünel giriş hava hızı, giriş sınır şartı olarak kullanılmıştır. En hassas mesh yapısının verdiği değerden sapmanın % 1 olduğu mesh sayısına sahip durum olan Mesh-4 optimum mesh yapısı olarak tercih edilmiş ve tüm simülasyon çözümlerinde kullanılmıştır. Yakınsama kriteri olarak 10-4 kabul edilmiştir. Çizelge 9.1. Çözümün grid yapısından bağımsızlığı için Mesh hassasiyeti tablosu Mesh Hassasiyeti Mesh.1- En Kaba Mesh.2- Kaba Mesh.3- Orta Hassas Mesh.4- Hassas Mesh.5- En Hassas Toplam Eleman Sayısı Referans Çizgi Üzerinde Hesaplanan Kütle Debisi (kg/s) Referans Çizgi Üzerinde Hesaplanan Kütle Debisi (g/s) En Hassas Mesh Çözümünden Sapma Miktarı (%) , ,3715 % 15, , ,4048 % , ,5741 % 1, , ,5372 % , , Analizler, çizelge 8.2 de belirtildiği gibi, 5 farklı yangın konumunda ve 3 fan grubunun farklı çalışma sıralarıyla bu bölümde zamandan bağımsız olarak, 11. bölümde ise yangın havuzu C konumundayken ve 1, 2, 3 numaralı fan grupları birlikte çalıştırılarak zamana bağlı şekilde yapılmış ve sonuçları değerlendirilmiştir.

68 A Konumundaki Yangın Yangının konumu 1. sıradaki fan gurubuyla eş konumdadır. A Şekil 9.1. Yangın A konumunda Yangın A konumundayken tünelin mesh yapısı A konumunda mesh yapısı çözümü daha detaylı ve gerçeğe en yakın sonuç elde etmek için sıklaştırılmıştır. Şekil 9.2. Yangın A konumundayken tünelin mesh yapısı

69 Yangın A konumundayken yalnızca 1 numaralı fan grubunun çalıştırılması durumunun analizi Şekil 9.4. e göre yangın ısısı tünelin tavan kısmına doğru yönelmektedir. Isınan havanın yükselmesi prensibine ek olarak, sol taraftaki temiz hava basan fanlar tünelin tabanındaki ısıyı sağ taraftaki kirli havayı tahliye eden fana doğru yöneltmektedir. 1 Şekil 9.3. A konumundaki yangının 1 numaralı fan grubu ile gösterimi A Şekil 9.4. A konumundaki yangının 1 numaralı fan grubu çalıştırıldığında, A konumunda tünel eksenine dik kesitteki sıcaklık dağılımı

70 50 Şekil 9.5. e göre yangının sıcaklık dağılımı tünelin ¼ lük kısmına yayılmıştır. Şekil 9.5. te ölçekli tünel tabanından 0,175 m (gerçek boyutlarda bu yükseklik 0,175*20= 3,5 m) yükseklikteki yatay kesitte sıcaklık dağılımı gösterilmiştir. Buradan görüldüğü gibi ısının tünelin bütününe yayılması engellenmiştir. Şekil 9.4 ve Şekil 9.5.'ten anlaşılacağı üzere, 1 numaralı fan gurubu çalıştığında tünel boyunca sıcaklık dağılımı görece engellenmesine karşın tünelin tabanında biriken ısı tam olarak tahliye edilememektedir. Şekil 9.5. A konumundaki yangının 1 numaralı fan grubu çalıştırıldığında, yerden 0,175 m yükseklikte tünel eksenine paralel yatay kesitteki sıcaklık dağılımı

71 Yangın A konumundayken 1 ve 2 numaralı fan gruplarının çalıştırılması durumunun analizi 2 1 A Şekil 9.6. A konumundaki yangının 1 ve 2 numaralı fan grubu ile gösterimi Şekil 9.7. A konumundaki yangının 1 ve 2 numaralı fan grupları çalıştırıldığında, A konumunda tünel eksenine dik kesitteki sıcaklık dağılımı

72 52 Burada tünel tabanına verilen temiz hava ve tahliye edilen kirli hava miktarı fazla olduğu için yalnızca 1 numaralı fan gurubunun çalıştığı senaryoya göre ısıyı daha iyi tahliye etmektedir. Şekil 9.8. A konumundaki yangının 1 ve 2 numaralı fan grupları çalıştırıldığında, yerden 0,175 m yükseklikte tünel eksenine paralel yatay kesitteki sıcaklık dağılımı Yangının ısıl dağılımı tünelin, 1 numaralı fan grubunun çalışması ile oluşan analiz sonucuna kıyasla, 2 nolu fan grubunun da senaryoya eklenmesiyle daha etkin bir tahliye sağlanmıştır. İnsanların yangından kaçışı için tünelin sol tarafında emniyetli bir kaçış şeridi yaratılabilmiştir.

73 Yangın A konumundayken 1, 2 ve 3 numaralı fan gruplarının çalıştırılması durumunun analizi A Şekil 9.9. A konumundaki yangının 1,2 ve 3 numaralı fan grubu ile gösterimi Şekil birlikte karşılaştırıldığında 1 ve 2 numaralı fanların aynı anda çalıştığı senaryodaki gibi 1, 2 ve 3 numaralı fanların aynı anda çalıştığı senaryo hemen hemen aynı sıcaklık dağılımı görülmektedir. Buradan, yangına 96 metre uzakta bulunan 3. fan gurubunun y yönündeki ısı dağılımına yeterli katkıyı veremediği görülmektedir. Yangının ısıl dağılımı tünelin, 1 ve 2 numaralı fan guruplarının aynı anda çalışması ile oluşan analiz sonucuna kıyasla x yönünde çok az bir miktar daha etkili olmuştur. Burada 3. fan gurubunun oluşturduğu temiz havanın 3. Fan gurubuna yakın menfezlerden çıkıp tünel içinden yangına doğru yönelmesi sebebiyle yangın ısısı bir miktar daha x yönünde yönelmesine sebep olmuştur. Tünel girişinde oluşan bir yangın için sadece 1 ve 2 numaralı fan gruplarının çalıştırılması insanların tahliyesi için yeterli olmaktadır.

74 54 Şekil A konumundaki yangının 1,2 ve 3 numaralı fan grupları çalıştırıldığında, A konumunda tünel eksenine dik kesitteki sıcaklık dağılımı Şekil A konumundaki yangının 1, 2 ve 3 numaralı fan grupları çalıştırıldığında, yer den 0,175 m yükseklikte tünel eksenine paralel yatay kesitteki sıcaklık dağılımı

75 B Konumundaki Yangın Yangının konumu 1 ve 2 numaralı fan guruplarına 24 er metre uzaklıktadır. B Şekil Yangın B konumunda Yangın B konumundayken tünelin Mesh yapısı Şekil Yangın B konumundayken tünelin mesh yapısı

76 Yangın B konumundayken yalnızca 1 numaralı fan grubunun çalıştırılması durumunun analizi 1 B Şekil B konumundaki yangının 1 numaralı fan grubu ile gösterimi Şekil te yangın konumundaki (B konumu) enine kesitte sıcaklık dağılımı gösterilmiştir. Yangın nedeniyle oluşan ısı tünelin tavan kısmına doğru yönelmektedir. Sol taraftaki temiz hava basan fanlar tünelin tabanındaki ısıyı sağ taraftaki kirli havayı tahliye eden fana doğru yöneltmektedir. Isının tünel tabanından uzaklaştırılması yeterli seviyededir.

77 57 Şekil B konumundaki yangının 1 numaralı fan grubu çalıştırıldığında, B konumunda tünel eksenine dik kesitteki sıcaklık dağılımı 1 nolu fan grubu çalıştığında yangının kirli havayı emiş tarafına doğru yönelterek tahliye edildiği gözlemlenmektedir. Burada yangında oluşan sıcaklık tünelin yaklaşık olarak ¼ lük kısmından biraz daha fazla bölgeye yayılmıştır. Fakat tek taraflı fan grubu çalıştığı için yangın ısısı kirli havayı tahliye eden fana doğru yayılmaktadır. Bu da yangına nispeten uzak olan +x/+y bölgesine de ısının yayılmasına neden olmaktadır.

78 58 Şekil B konumundaki yangının 1 numaralı fan grubu çalıştırıldığında, yerden 0,175 m yükseklikte tünel eksenine paralel yatay kesitteki sıcaklık dağılımı Yangın B konumundayken 1 ve 2 numaralı fan gruplarının çalıştırılması durumunun analizi 2 1 B Şekil B konumundaki yangının 1 ve 2 numaralı fan grubu ile gösterimi

79 59 Şekil B konumundaki yangının 1 ve 2 numaralı fan grupları çalıştırıldığında, B konumunda tünel eksenine dik kesitteki sıcaklık dağılımı Şekil B konumundaki yangının 1 ve 2 numaralı fan grupları çalıştırıldığında, yerden 0,175 m yükseklikte tünel eksenine paralel yatay kesitteki sıcaklık dağılımı

80 60 Şekil e göre yalnızca 1 numaralı fan gurubunun çalıştığı senaryodan farklı olarak yangın ısısının tahliyesi simetrik olarak gerçekleşmektedir. Bu durum yangın ısısının tünel boyunca yayılımın daha az olmasına sebep olmaktadır Yangın B konumundayken 1, 2 ve 3 numaralı fan gruplarının çalıştırılması durumunun analizi 3 B 2 1 Şekil B konumundaki yangının 1,2 ve 3 numaralı fan grubu ile gösterimi

81 61 Şekil B konumundaki yangının 1,2 ve 3 numaralı fan grupları çalıştırıldığında, B konumunda tünel eksenine dik kesitteki sıcaklık dağılımı 1 ve 2 numaralı fan guruplarının aynı anda çalıştığı senaryoyla benzer şekilde yangın ısısı yangının +y yönüne doğru biraz daha fazla yönelmektedir ve y yönünde bir miktar daha büyük bir soğuk bölge oluşmaktadır. Şekil ye göre 1 ve 2 numaralı fan guruplarının aynı anda çalıştığı senaryoya benzer olarak yangın ısısının tahliyesi simetrik olarak gerçekleşmektedir. Bu durum 3 numaralı fan gurubunun çok az etki ettiğini göstermektedir.

82 62 Şekil B konumundaki yangının 1, 2 ve 3 numaralı fan grupları çalıştırıldığında, yerden 0,175 m yükseklikte tünel eksenine paralel yatay kesitteki sıcaklık dağılımı 9.3. C Konumundaki Yangın Yangının konumu 2. sıradaki fan gurubuyla eş konumdadır. C Şekil Yangın C konumunda

83 Yangın C konumundayken tünelin mesh yapısı Şekil Yangın C konumundayken tünelin mesh yapısı Yangın C konumundayken 1 numaralı fan grubunun çalıştırılması durumunun analizi C 1 Şekil C konumundaki yangının 1 numaralı fan grubu ile gösterimi

84 64 Şekil incelendiğinde, yangında oluşan ısı tünelin tavan kısmına doğru yönelmektedir. y yönündeki temiz hava basan fanlar tünelin tabanındaki ısıyı sağ taraftaki kirli havayı tahliye eden fana doğru yöneltmektedir. Isının tünel tabanında yayılımı simetriye yakındır. Tünel merkezinde oluşan yangında sadece giriş fan gruplarını çalıştırarak, insanların kaçışı için emniyetli bir koridor yaratılamadığı görülmektedir. Şekil C konumundaki yangının 1 numaralı fan grubu çalıştırıldığında, C konumunda tünel eksenine dik kesitteki sıcaklık dağılımı Şekil 9.27 incelendiğinde, 1 nolu fan grubu çalıştığında yangının kirli havayı emiş tarafına doğru yönelterek tahliye edildiği gözlemlenmektedir. Burada yangında oluşan sıcaklık tünelin yaklaşık olarak ¼ den daha fazla bir bölgeye yayılmıştır. Bununla birlikte tek taraflı fan grubu çalıştığı için yangın ısısı kirli havayı tahliye eden fana doğru yayılmaktadır. Bu da yangına uzak olan +x/+y bölgesine de ısının yayılmasına neden olmaktadır.

85 65 Şekil C konumundaki yangının 1 numaralı fan grubu çalıştırıldığında, yerden 0,175 m yükseklikte tünel eksenine paralel yatay kesitteki sıcaklık dağılımı Yangın C konumundayken 1 ve 2 numaralı fan gruplarının çalıştırılması durumunun analizi 2 1 C Şekil C konumundaki yangının 1 ve 2 numaralı fan grubu ile gösterimi

86 66 Şekil incelendiğinde, yalnızca 1 numaralı fan gurubunun çalıştığı senaryoya kıyasla, 2 numaralı fan grubunun da eklenmesiyle y yönünde yani tünelin solunda, insanların emniyetli bir şekilde tahliyesi için serin bir bölge oluşmuştur. Tünel merkezinde oluşan bir yangında merkezdeki fanların çalıştırılması gerektiği öngörülebilecek bir durum olup, sayısal simülasyon sonuçları da bu düşünceyle uyumludur. Şekil C konumundaki yangının 1 ve 2 numaralı fan grupları çalıştırıldığında, C konumunda tünel eksenine dik kesitteki sıcaklık dağılımı Yalnızca 1 numaralı fan grubunun çalıştığı senaryodan farklı olarak yangın ısısının tahliyesi bir miktar simetrik olarak gerçekleşmektedir. Bu durum yangın ısısının tünel boyunca yayılımının daha az olmasına sebep olmaktadır. Burada görülen simetrideki ufak bozulmanın nedeni, simetrikliği sağlayan 2 numaralı fana ek olarak 1 numaralı fan da yangın ısısını kendine doğru çektiğinden ısı dağılımı bir miktar 1 numaralı fana da yönelmesi olarak yorumlanır.

87 67 Şekil C konumundaki yangının 1 ve 2 numaralı fan grupları çalıştırıldığında, yerden 0,175 m yükseklikte tünel eksenine paralel yatay kesitteki sıcaklık dağılımı Yangın C konumundayken 1, 2 ve 3 numaralı fan gruplarının çalıştırılması durumunun analizi C Şekil C konumundaki yangının 1,2 ve 3 numaralı fan grubu ile gösterimi

88 68 Şekil C konumundaki yangının 1,2 ve 3 numaralı fan grupları çalıştırıldığında, A konumunda tünel eksenine dik kesitteki sıcaklık dağılımı Burada 1 ve 2 numaralı fan gruplarının aynı anda çalışmasına ek olarak 3 numaralı fan gurubunun devreye girmesiyle, -y yönündeki serin hava (temiz hava) yangın ısısını + y yönüne göre daha çok yönlendirmiştir. Buna ek olarak yangın ısısının +z yönündeki etkinliği daha da azalmıştır. Yangının en yoğun olduğu kırmızı bölgeyi tünelin tavan kısmında azaltmıştır. Tünelin solunda oluşan yangından etkilenmemiş bölgenin büyüklüğü artmıştır. Bunun nedeni, yangın konumunun tünelin tam ortasında olması ve 2 numaralı fan gurubuna ek olarak 1 ve 3 numaralı fan guruplarının da yangın ısısını tahliye etmede etkili olduğu sonucuna varılmaktadır. 1 ve 2 numaralı fan guruplarının aynı anda çalıştığı senaryodan farklı olarak yangın ısısının tahliyesi tam simetrik olarak gerçekleşmektedir (Şekil 8.34). Bu durum yangın ısısının tünel boyunca yayılımının ¼ lük kısmından daha az olmasına sebep olmaktadır. Yangının yayılımı üç fanında etkisiyle tamamıyla kontrol altına alınmıştır.

89 69 Şekil C konumundaki yangının 1, 2 ve 3 numaralı fan grupları çalıştırıldığında, yer den 0,175 m yükseklikte tünel eksenine paralel yatay kesitteki sıcaklık dağılımı 9.4. D Konumundaki Yangın D Şekil Yangın D konumunda

90 Yangın D konumundayken tünelin Mesh yapısı Şekil Yangın D konumundayken tünelin mesh yapısı Yangın D konumundayken 1 numaralı fan grubunun çalıştırılması durumunun Analizi D 1 Şekil D konumundaki yangının 1 numaralı fan grubu ile gösterimi

91 71 Şekil incelendiğinde yangın ısısı tünelin tavan kısmına doğru yönelmektedir. Sol taraftaki temiz hava basan fanlar tünelin tabanındaki ısıyı sağ taraftaki kirli havayı tahliye eden fana doğru yöneltmektedir. 1 nolu fanlar, yangına uzak olduğu için, yangının olduğu kesitteki sıcaklık dağılımı simetriğe yakındır. Şekil D konumundaki yangının 1 numaralı fan grubu çalıştırıldığında, D konumunda tünel eksenine dik kesitteki sıcaklık dağılımı 1 nolu fan grubu çalıştığında yangının kirli havayı emiş tarafına doğru yönelterek tahliye edildiği gözlemlenmektedir (Şekil 9.38). Burada yangında oluşan sıcaklık tünelin yaklaşık olarak 1/2 si kadar bir bölgeye yayılmıştır. Bununla birlikte tek taraflı fan grubu çalıştığı için yangın ısısı kirli havayı tahliye eden fana doğru yayılmaktadır. Bu da yangına uzak olan +x/+y bölgesine de ısının yayılmasına neden olmaktadır. Tünelin sağ tarafı oldukça sıcaktır, tünelin sol tarafındaki sıcaklıklar da yüksek olup insanların emniyetli bir şekilde tahliye edilmesi mümkün değildir.

92 72 Şekil D konumundaki yangının 1 numaralı fan grubu çalıştırıldığında, yerden 0,175 m yükseklikte tünel eksenine paralel yatay kesitteki sıcaklık dağılımı Yangın D konumundayken 1 ve 2 numaralı fan gruplarının çalıştırılması durumunun analizi 2 D 1 Şekil D konumundaki yangının 1 ve 2 numaralı fan grubu ile gösterimi

93 73 Burada yalnızca 1 numaralı fan gurubunun çalıştığı senaryoya kıyasla, 2 numaralı fan grubunun da eklenmesiyle yangın ısısı +y yönüne biraz daha yönelmiştir. Ayrıca yangının en yoğun olduğu tünelin tavan kısmında kırmızı bölgede bir miktar azalma meydana gelmiştir (Şekil 9.40). 2 numaralı fanlar yangın bölgesine yakın olduğu için yangının olduğu bölgenin sol tarafında (-y yönünde) emniyetli tahliye için bir korudur oluşturulabilmiştir. Şekil D konumundaki yangının 1 ve 2 numaralı fan grupları çalıştırıldığında, D konumunda tünel eksenine dik kesitteki sıcaklık dağılımı 1 ve 2 nolu fan grupları aynı anda çalıştıklarında yangının kirli havayı emiş tarafına doğru yönelterek tahliye edildiği gözlemlenmektedir. Burada yangında oluşan sıcaklık tünelin yaklaşık olarak 1/4'ü kadar bir bölgeye yayılmıştır. Bununla birlikte +x yönündeki fan grupları çalıştığı için yangın ısısı kirli havayı tahliye eden fana doğru yayılmaktadır (Şekil 9.41). Bu da yangına nispeten uzak olan +x/+y bölgesine de ısının yayılmasına neden olmaktadır.

94 74 Şekil D konumundaki yangının 1 ve 2 numaralı fan grupları çalıştırıldığında, yerden 0,175 m yükseklikte tünel eksenine paralel yatay kesitteki sıcaklık dağılımı Yangın D konumundayken 1, 2 ve 3 numaralı fan gruplarının çalıştırılması durumunun analizi 3 2 D 1 Şekil D konumundaki yangının 1,2 ve 3 numaralı fan grubu ile gösterimi

95 75 D konumundaki yangının 1,2 ve 3 numaralı fan gruplarının aynı anda çalışması, yangının B konumundaki 1,2 ve 3 numaralı fan gruplarının aynı anda çalışmasıyla elde edilen simülasyon sonuçlarıyla aynıdır (Şekil 9.43 ve Şekil 9.44). Bunun nedeni, B ve D konumlarında 1,2 ve 3 numaralı fan guruplarının aynı anda çalıştırıldığı senaryolar birbirinin 2 numaralı fan kesitine göre ayna simetriğidir. Bu analiz kontrol amaçlı tekrarlanmıştır ve sonuçlar birbirini doğrulamaktadır. Şekil D konumundaki yangının 1,2 ve 3 numaralı fan grupları çalıştırıldığında, D konumunda tünel eksenine dik kesitteki sıcaklık dağılımı Şekil D konumundaki yangının 1, 2 ve 3 numaralı fan grupları çalıştırıldığında, yer den 0,175 m yükseklikte tünel eksenine paralel yatay kesitteki sıcaklık dağılımı

96 E Konumundaki Yangın E Şekil Yangın E konumunda Yangın E konumundayken tünelin Mesh yapısı Şekil Yangın E konumundayken tünelin mesh yapısı

97 Yangın E konumundayken 1 numaralı fan grubunun çalışması durumunun analizi E 1 Şekil E konumundaki yangının 1 numaralı fan grubu ile gösterimi Şekil göz önüne alındığında, yangın ısısı tünelin tavanında ve +y yönünde yoğun bir şekilde yayıldığı görülmektedir. Temiz havanın geldiği y yönünde bir miktar serin hava bölgesi oluşmaktadır. Fakat tünelin büyük bir bölümü ısıya maruz kaldığından 96 metre uzaklıktaki 1. fan grubunun oluşturduğu sistem ısıyı tahliye etmekte yetersizdir.

98 78 Şekil E konumundaki yangının 1 numaralı fan grubu çalıştırıldığında, E konumunda tünel eksenine dik kesitteki sıcaklık dağılımı Şekil E konumundaki yangının 1 numaralı fan grubu çalıştırıldığında, yerden 0,175 m yükseklikte tünel eksenine paralel yatay kesitteki sıcaklık dağılımı

99 79 1 nolu fan grubu çalıştığında yangının kirli havayı emiş tarafına doğru yönelterek tahliye edildiği gözlemlenmektedir. Burada yangında oluşan sıcaklık tünelin yaklaşık olarak 1/2 si kadar bir bölgeye yayılmıştır. Yangın ısısının +y yönünde tahliye edilemediği açıkça görülmekle birlikte +x/+y yönlerinde ısının azalarak yayıldığı görülmektedir Yangın E konumundayken 1 ve 2 numaralı fan gruplarının çalıştırılması durumunun analizi E 2 1 Şekil E konumundaki yangının 1 ve 2 numaralı fan grubu ile gösterimi 1 ve 2 numaralı fan gurubunun aynı anda çalıştığı senaryo 1 numaralı fan gurubunun çalıştığı senaryodaki sonuçlara benzer sonuçları vermektedir. Burada da görüldüğü gibi yangın ısısı tünel tavanında ve +y yönünde yoğun bir şekilde bulunmaktadır. Fanlar yangın konumuna uzak olduğu için bu senaryoda ısıyı tahliye etmekte yetersizdir (Şekil 9.51).

100 80 Şekil E konumundaki yangının 1 ve 2 numaralı fan grupları çalıştırıldığında, E konumunda tünel eksenine dik kesitteki sıcaklık dağılımı Şekil E konumundaki yangının 1 ve 2 numaralı fan grupları çalıştırıldığında, yerden 0,175 m yükseklikte tünel eksenine paralel yatay kesitteki sıcaklık dağılımı

101 81 1 ve 2 nolu fan grupları aynı anda çalıştıklarında yangının kirli havayı emiş tarafına doğru yönelterek tahliye edildiği açıkça görülmektedir. Burada yangında oluşan sıcaklık tünelin yaklaşık olarak 1/4 ü kadar bir bölgeye yayılmıştır. Buna ek olarak, + y yönünde ısının yoğunlaştığı fakat 2. fan grubunun da sisteme eklenmesiyle +x yönünde yangın yayılımının azaltıldığı görülmektedir. Bu da bize yangın ısısının yayılımının tünel genelinde engellendiği fakat lokal olarak engellenemediğini göstermektedir Yangın E konumundayken 1, 2 ve 3 numaralı fan gruplarının çalıştırılması durumunun analizi 3 E 2 1 Şekil E konumundaki yangının 1,2 ve 3 numaralı fan grubu ile gösterimi Şekil e göre yangının hemen üstündeki 3 numaralı fan gurubu çalıştırıldığında tünele yayılan yangın ısısı +y yönünde tahliye edilmiştir. Yangın ısısı tünel tavanında hakimdir. Bu senaryo A numaralı yangının 1, 2 ve 3 numaralı fanların aynı anda çalıştığı senaryo ile 2 numaralı fan kesitine göre ayna simetriktir.

102 82 Şekil E konumundaki yangının 1,2 ve 3 numaralı fan grupları çalıştırıldığında, E konumunda tünel eksenine dik kesitteki sıcaklık dağılımı 1 ve 2 numaralı fanlarla birlikte yangının hemen üstündeki 3 numaralı fan grubu da çalıştırıldığında tünele yayılan yangın ısısı +y ve +x yönünde tahliye edilmiştir. Yangın ısısı tünelin 1/ 4 ünden küçük bir alanda kontrol altına alınmıştır. Bu da, yangın ısısını tahliye etmede yangının hemen üstündeki fanın en fazla etkiye sahip olduğunu bir kez daha teyit etmektedir.

103 Şekil E konumundaki yangının 1, 2 ve 3 numaralı fan grupları çalıştırıldığında, yer den 0,175 m yükseklikte tünel eksenine paralel yatay kesitteki sıcaklık dağılımı 83

104 84

105 ZAMANDAN BAĞIMSIZ ANALİZLERİN SONUÇ VE ÖNERİLERİ Enine (tam dikine) havalandırma sisteminde tünel yönündeki sıcaklık dağılımı analizlerine göre en büyük kusur olarak yangın ısısının her durumda tünelin emme fanı olan tarafa doğru (+y yönü) yayıldığı bulgusudur. Bu durum +/-x yönünde tünel boyunca merkezdeki herhangi bir noktada yangın oluştuğunda +y yönünde kalan araçların y yönünde olan araçlara göre yüksek sıcaklığa maruz kalmasına neden olacaktır. Analiz sonuçları değerlendirmesi olarak B ve C konumlarındaki yangınların 1, 2 ve 3 numaralı fan gurupları ile aynı anda çalıştığı senaryolar başarılı bulunmuştur. Bu senaryolar ufak farklılıklarla birbirlerinden ayrılmakla birlikte çok yakın sonuçlar vermektedir. Tünel yönünde analiz sonuçlarını incelediğimizde tünele temiz hava basılan (basma) y yönünde ve tünelden kirli havanın tahliye edildiği (emme) +y yönlerinde sonuçlar birbirine benzerdir (Şekil 10.1). Bu kısımda temel farkın tünelin tavan kısmında biriken sıcak havanın C konumundaki yangın için daha etkili tahliye edildiğidir. Bunun temel nedeni, yangının hemen üstünde bulunan 2 numaralı fan grubunun yangını etkili tahliye etmesi olarak açıklanabilir. Buna ek olarak tünelin +z yönünde bulunan menfez kısmındaki farklılıklar tünel içinde bulunanlar için önemli olmadığından dikkate alınmaması gereken bir durumdur. B konumundaki yangın C konumundaki yangın Şekil B ve C konumundaki yangınların 1, 2 ve 3 numaralı fan gruplarının aynı anda çalıştırılmasıyla tünel eksenine dik kesitteki analiz sonuçlarının karşılaştırılması Yerden 0,175 m yükseklikte tünel eksenine paralel yatay kesitteki (tünele dik yönde) analiz sonuçlarını incelendiğinde her iki sistemde de yangın ısısı iyi bir şekilde kontrol altına

106 86 alınmıştır. Buna ek olarak yangın ısısının C konumundaki senaryoda tünel içerisinde az da olsa daha küçük bir hacme yayıldığı görülmektedir (Şekil 10.2). Yapılan analiz karşılaştırmaları sonucunda yangın ısısını en iyi tahliye eden senaryo olarak C konumundaki yangının 1,2 ve 3 numaralı fanlar ile çalıştırılması olarak belirlenmiştir. Bunun nedeni yangının hemen üstündeki fanın tahliyede büyük rol oynadığı, yangının çevresindeki fanların ise yangının yayılımını kontrol altına almada etkili olduğu sonucudur. Yangın ısısının tahliyesinde fanların yangına göre konumunun simetrik olması yangın yayılımının kontrol altına almakta büyük bir öneme sahiptir. Yangın konumuna en yakın fanların kirli havanın tahliyesinde etkili olduğu kesin olarak görülmektedir. Bundan sonraki adımda, en iyi tahliyenin sağlandığı tünelin merkezindeki C konumunda tüm fanların çalıştırılmasıyla zamana bağlı analizler gerçekleştirilmiştir. B konumundaki yangın C konumundaki yangın Şekil B ve C konumundaki yangınların 1, 2 ve 3 numaralı fan gruplarının aynı anda çalıştırılmasıyla yerden 0,175 m yükseklikte tünel eksenine paralel yatay kesitteki analiz sonuçlarının karşılaştırılması

107 ZAMANA BAĞLI ANALİZ SONUÇLARI Yangın havuzu C konumundayken; 1, 2 ve 3 nolu fan grupları aynı anda çalıştırılmış ve 1, 5, 10, 15, 25, 35, 40 ve 50. saniyelerde tünel eksenine dik kesitteki (tünel yönünde) ve 1/20 ölçekli şekilde yerden m yükseklikte tünel eksenine paralel yatay kesitteki (tünele dik yönde), seçilen saniyelerde izometrik kesitteki hız, sıcaklık dağılımları ve hız vektörleri incelenmiştir. En iyi sonuç veren tahliye senaryosu C konumunda tüm fanların çalıştırılması olduğu için, zamana bağlı tüm analizler buna göre yapılmıştır. 1. Saniye 5. Saniye 10. Saniye 15. Saniye Şekil C konumundaki yangının 1, 5, 10, 15, 25, 35, 40 ve 50. saniyelere göre C konumunda tünel eksenine dik kesitteki hız dağılımı

108 Saniye 35. Saniye 40. Saniye 50. Saniye Şekil (devam) C konumundaki yangının 1, 5, 10, 15, 25, 35, 40 ve 50. saniyelere göre C konumunda tünel eksenine dik kesitteki hız dağılımı

109 89 5. Saniye 15. Saniye 25. Saniye 35. Saniye 40. Saniye 50. Saniye Şekil C konumundaki yangının 5, 15, 25, 35, 40 ve 50. saniyelere göre C konumunda tünel eksenine dik kesitteki hız vektörlerinin karşılaştırılması

110 90 5. Saniye 15. Saniye 25. Saniye 35. Saniye 40. Saniye 50. Saniye Şekil C konumundaki yangının 5, 15, 25, 35, 40 ve 50. saniyelere göre yerden 0,175 m yükseklikte tünel eksenine paralel yatay kesitteki hız dağılımının karşılaştırılması

111 91 5. Saniye 15. Saniye 25. Saniye 35. Saniye 40. Saniye 50. Saniye Şekil C konumundaki yangının 5, 15, 25, 35, 40 ve 50. saniyelere izometrik kesitte hız dağılımının karşılaştırılması

112 92 5. Saniye 15. Saniye 25. Saniye 35. Saniye 40. Saniye 50. Saniye Şekil C konumundaki yangının 5, 15, 25, 35, 40 ve 50. saniyelere göre izometrik kesitte hız vektörlerinin karşılaştırılması

113 93 Hız dağılımları ve hız vektörleri incelendiğinde, basma fanı bölgesinden hızların yüksek olduğu, yaklaşık 2 m/s mertebesinde hızlara ulaşıldığı görülmektedir. Şekil e göre, 35, 40 ve 50. saniyelerde, akışkan hız dağılımının yangın çevresinde oluşturduğu profili benzer, 40 ve 50. saniyelerde aynı olduğundan, analiz sonuçlarının kararlı olduğu görülmektedir. 40. saniyeden sonra kararlı akış şartları geçerlidir ve bu saniye içerisinde akışın hidrodinamik olarak tam geliştiği görülmektedir. Başka bir deyişle bu saniyeden sonra analiz sonuçları birbirinin aynısıdır. Şekil Yangın C konumundayken 40. Saniyeye göre tünel eksenine dik kesitteki hız vektörlerinde gözlemlenen akış profilleri Yukarıdaki şekle göre, 40. saniyedeki hız vektörlerinin dağılımı göz önüne alındığında; tünel içerisindeki akışı incelediğimizde, temel olarak 3 temel akış profili görülmektedir. Birinci akış profili, vortex şeklindedir, temiz havanın verildiği menfez kısmında, akışkanla aynı yönde yani saat yönünde oluşan akış 1 girdabıdır. Akışkanın hızı arttıkça, çevresindeki basınç düşmektedir, bu basınç düşüşü çevredeki akışkanı, hızlı olan akışkanın yönünde hareket etmeye zorlar. Benzer şekilde, akış 2 girdabı, yangından meydana gelen akışkan kütlesinin hareketinden dolayı yangınla aynı yönde yani saat yönünün tersi

114 94 yönünde girdap oluşturmaktadır. Bu iki girdap arasında kalan bölgede akışkanın hızı, girdapların çevresel dönme vektörüyle aynı yönde olduğundan, temiz havayı yangına doğru etkili bir şekilde yönlendirmektedir. Bu da, o bölgede ısı transferinin daha hızlı olmasına yol açar. Bu nedenle, sol taraftan (basma) tünele giren temiz hava, yangından meydana gelen kirli havaya daha hızlı karışmaktadır ve sol tarafta daha etkili bir ısı transferi ve hızlı temiz hava akışı sağlanmaktadır. Akış 3 konumundaki türbülanslı akışı incelediğimizde, aynı prensip ışığında, yangının sağ tarafında kalan akışkanın yangın yönünde hareket etmesinden dolayı, tünelin tabanında bulunan akışkanı tünelin tavanına doğru yönlendirmektedir. Tünel tavanında biriken kirli hava karışımı, emme fanları yardımıyla tünel içerisine dağılmadan tahliye edilmektedir. 1. Saniye 5. Saniye 10. Saniye 15. Saniye Şekil C konumundaki yangının 1, 5, 10, 15, 25, 35, 40 ve 50. saniyelere göre tünel eksenine dik kesitteki sıcaklık dağılımının karşılaştırılması

115 Saniye 35. Saniye 40. Saniye 50. Saniye Şekil (devam) C konumundaki yangının 1, 5, 10, 15, 25, 35, 40 ve 50. saniyelere göre tünel eksenine dik kesitteki sıcaklık dağılımının karşılaştırılması 1. Saniye 5. Saniye Şekil C konumundaki yangının 1, 5, 10, 15, 25, 35, 40 ve 50. saniyelere göre yerden 0,175 m yükseklikte tünel eksenine paralel yatay kesitteki sıcaklık dağılımının karşılaştırılması

116 Saniye 15. Saniye 25. Saniye 35. Saniye 40. Saniye 50. Saniye Şekil (devam) C konumundaki yangının 1, 5, 10, 15, 25, 35, 40 ve 50. saniyelere göre yerden 0,175 m yükseklikte tünel eksenine paralel yatay kesitteki sıcaklık dağılımının karşılaştırılması

117 97 5. Saniye 15. Saniye 25. Saniye 35. Saniye 40. Saniye 50. Saniye Şekil C konumundaki yangının 5, 15, 25, 35, 40 ve 50. saniyelere göre izometrik kesitte sıcaklık dağılımının karşılaştırılması

118 98 Şekil Yangın C konumundayken insanların tahliye bölgeleri Yangına en yakın bölgede, tünel boyunca insanların tahliyesi yapılmak istendiğinde, temiz hava basan menfezlerin bulunduğu bölgede tünelin toplam yüksekliği kadar yani 5,8 m yükseklik ve yaklaşık 3 m genişliğinde bir bölgede tahliye yapılması uygun olacaktır. Bu nedenle, tünelin sol tarafından insan tahliyesi işlemi yapılması gerekmektedir C Konumundaki Yangının 40. Saniye İçin Eşit Fan Hızlı ve Basınç Farkına Göre Tahliye Sonuçları Tüneldeki toplam kütle girişi ve çıkışı arasındaki fark 1,739 x10-4 kg/s dir. Analizler yapılırken kullanılan yakınsama oranı de 1 yani (10-4 ) olarak yapılmıştır. Bu sonuca göre, aradaki kütle farkının da buna paralel olduğu görüldüğü için, analiz sonuçlarına bakıldığında yangındaki kirli havanın tamamen tahliye edildiği görülmektedir.

119 99 Çizelge C konumundaki yangının 40. Saniye için eşit fan hızlı sistemine göre tahliye sonuçları Kütle Girişi Kütle Çıkışı Fark (kg/s) (kg/s) 1 numaralı Fan 0, , ,2049x10-3 Grubu 2 numaralı Fan 0, , ,2049x10-3 Grubu 3 numaralı Fan 0, , ,2049x10-3 Grubu Yangının 0, Kütlesi Toplam 0, , ,747 x10-4 Çizelge C konumundaki yangının 40. saniye için basınç farkına göre tahliye sistemli sonuçları Kütle Girişi Kütle Fark (kg/s) Çıkışı(kg/s) 1 numaralı Fan 0, , ,7743x10-3 Grubu 2 numaralı Fan 0, , ,1471 x10-3 Grubu 3 numaralı Fan 0, , ,692 x10-3 Grubu Yangının 0, Kütlesi Toplam 0, , ,739 x10-4 Fanların eşit tahliye edildiği analiz sonucuna ek olarak, yangında oluşan kirli havanın basınç farkları göz önüne alınarak tekrar analiz edildiğinde kütle giriş ve çıkışı arasındaki toplam farkın oranı de 1 yani (10-4 ) olduğu tekrar görülmektedir. Bu durum bize, ilk yapılan analiz durumunun doğru olduğunu göstermektedir. Burada, 2 numaralı fan grubunun tahliyesindeki çıkış (emme) kütle debisindeki artışın sebebi, yangının konumunun 2 numaralı fan grubuna daha yakın olmasıdır. Fanların eşit hızla tahliye ettiği analiz sonucu ve fanların basınca duyarlı tahliye ettiği analiz sonuçları hemen hemen aynıdır.

120 100

121 SONUÇ VE ÖNERİLER Bu çalışmada uzunluğu 100 m, tünel içi genişliği 20 m, tünel içi yüksekliği 5,8 m, olan bir karayolu tünelinde, 10 MW ısı yayılım oranına sahip yangın havuzunun farklı şekilde konumlandırıldığı yangın senaryoları için, dikine havalandırma sistemi kullanılarak sayısal olarak incelenmiş olup, simülasyon sonuçlarından elde edilen sıcaklık dağılımları, hız vektörlerinin dağılımları, hız dağılımları tünel eksenine dik kesitte, yerden 3,5 m yükseklikte tünel eksenine paralel yatay kesitte ve izometrik kesitte gösterilmiştir. Yangın havuzunun eni 4 m, boyu 4 m ve yüksekliği 2,5 metredir. Tünelin, yangın havuzunun boyutları ve analizlerde kullanılan tüm sınır şartları 1/20 ölçeğe göre küçültülmüştür. Emme ve basma fan grupları tünelin girişine, merkezine ve çıkışına yerleştirilmiştir. 10 MW lık, PIARC tarafından kabul edilen araç tipleri ve yangın kapasiteleri (PIARC, 1999) tablosuna göre bir otomobilin tipik yangın gücünde yangın senaryoları, tünelin 5 farklı konumunda oluşturularak, yangın havuzunun konumunu, fan gruplarının çalışma sırasının sıcaklık ve hız dağılımlarına etkisi Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) ile incelenmiştir. Literatürde yapılan sayısal simülasyonlarda çoğunlukla yanma, elde edilmiş deneysel datalar baz alınarak yangın havuzu bölgesinden tepkimesi sonucu ortaya çıkan yangın kaynaklı dumanın tanımlanması ile sağlanmaktadır ve boyuna havalandırma sistemi kullanılmaktadır. Bu çalışma kapsamında Standart k- türbülans modeli ve dikine havalandırma sistemi kullanılmıştır. EUREKA EU:499 FIRETUN, 1995 projesi ve PIARC and Committee on Road Tunnels (1999) projelerinin deneysel sonuçları Species Transport modelinin kullanılmasında yarar sağlamıştır. Yangın havuzu bölgelerinden karbondioksit/hava karışımı tünel ortamına yayılmıştır. Karışım için giriş hız değeri 5 m/s olarak alınmıştır. Model içerisinde tanımlanması gereken kütle oranı ve çıkış sıcaklık değerleri için Memorıal Tunnel üzerinde gerçekleştirilmiş olan 10 MW ısı yayılım oranı (HRR) yangınındaki CO 2 -hava karışım oranı ve PIARC çıkış sıcaklık değerleri kullanılarak projeye entegre edilmiştir (EUREKA-Project Report, 1995 ASHRAE, 1999). Bu datalara göre, CO 2 ve havanın kütle oranları 10 MW için sırasıyla %95 ve % 5 alınmıştır. (PIARC Report, 1999). 10 MW için gaz karışımı giriş sıcaklığı 300 ºC (573 K) ve hava 0,95, CO 2 0,05 kütle oranları (mass fraction) kullanılmıştır (Karaaslan ve diğerleri, 2011).

122 102 Simülasyon için FLUENT programında optimum mesh sayısı seçilmiştir. Analizler tünelin 5 farklı konumunda ve farklı fan çalışma sıralarıyla yapılmış, karşılaştırılmış ve yangın C konumundayken 3 fan grubunun da aynı anda çalışması durumunda kirli havanın en iyi tahliye edildiği sonucuna varılmıştır. Daha sonra, bu senaryo için zamana bağlı 1, 5, 10, 15, 25, 35, 40 ve 50. saniyelere göre alınan kesitlerde analiz sonuçları karşılaştırılmıştır. Ayrıca, yangının 40. saniyesi için eşit fan hızlı ve basınç farkına göre tahliye sonuçları sayısal olarak değerlendirilmiştir. Buna göre, yangındaki kirli havanın tamamen tahliye edildiği görülmektedir. Bulunan analiz sonuçlarına göre, yangına en yakın bölgede, tünel boyunca insanların tahliyesi yapılmak istendiğinde, temiz hava basan menfezlerin bulunduğu bölgede tünelin toplam yüksekliği kadar yani 5,8 m yüksekliği ve yaklaşık 3 m genişliğinde bir bölgede tahliye yapılması uygun olacaktır. Hız dağılımları incelendiğinde, 40 ve 50. saniyelerde, akışkan hız dağılımının yangın çevresinde oluşturduğu profil tamamen aynı olduğundan, analiz sonuçlarının 40. saniye içerisinde akışın hidrodinamik olarak tam geliştiği ve kararlı olduğu görülmektedir. Hız vektörleri grafikleri incelendiğinde, Şekil da görüldüğü gibi, 40. saniyedeki akış profillerinde girdaplar dikkati çekmektedir. Bu girdaplar, temiz havayı yangına doğru etkili bir şekilde yönlendirmektedir. Bu da, o bölgede ısı transferinin daha hızlı olmasına yol açar. Bu nedenle, sol taraftan (basma) tünele giren temiz hava, yangından meydana gelen kirli havaya daha hızlı karışmaktadır ve sol tarafta daha etkili bir ısı transferi ve hızlı temiz hava akışı sağlanmaktadır. Tünel tavanında biriken kirli hava karışımı, emme fanları yardımıyla tünel içerisine dağılmadan kolayca tahliye edilmektedir. Elde edilen tüm sonuçlar, literatürdeki benzer geometri, havalandırma türü ve ısı yayılım oranına sahip çalışma sonuçları ile uyum içindedir.

123 103 KAYNAKLAR ASHRAE Applications, A. (1999). Enclosed Vehicular Facilities, Chapter 12, 1791 Tullie Circle, GA N.E., Atlanta, USA. Arıkan, E. Ö., Çubuk, M. K., Hatipoğlu, S., & Sinoplu, M. Z. (2008). Türkiye deki Karayolu Tünellerinde Trafik Güvenliği. Teknik Dergi, 19(93). Berberoğlu, M. (2008). Yeraltı Raylı Taşıma Sistemi İstasyonu İçin Yangın Modellemesi ve Simülasyonu, Yüksek Lisans Tezi, Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Ankara. Carvel, O.R. (2004). Fire Size in Tunnels, PhD. Thesis, Heriot-Watt University School of the Built Environment Division of Civil Engineering Riccarton. Edinburgh: EH14 4AS, Chow, W.K. (1996). Simulation of Tunnel Fires Using a Zone Model, Tunneling and Underground Space Technology, 11, Chow, W.K. (1996). Application of Computational Fluid Dynamics in Building Services Engineering, Buildingand Environment, 31 (5), Cox, G. ve Kumar, S. (2002). Modellingen closure firesusing CFD. In: The SFPE Handbook For Fire Safety Engineering, 3rd edn. NFPA, Massachusetts International, Quincy. Çelik, A. (2011). Numerıcal And Experımental Study On Fire In Tunnels, Yüksek Lisans Tezi, Orta Doğu Teknik Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Ankara. Design Guidelines for Planning, Equipping and Operating Tunnels on Motorways and Other Trunk Roads; Departmental Advice Note BA-89, Department of Transport, London. (1990). EUREKA-Project EU 499: (1995).Firetun, Fires in Transport Tunnels: Report on Full- Scale Tests, Studiengesell schaft Stahlanwendunge.V., Düsseldorf Fan, C. G., Ji, J., Gao, Z. H., & Sun, J. H. (2013). Experimental study on transverse smoke temperature distribution in road tunnel fires. Tunnelling and Underground Space Technology, 37, Hu, L.H., Huo, R., Wang, H.B., Li, Y.z. ve Yang R.X. (2006). Experimental Studies on Fire-Induced Buoyant Smoke Temperature Distribution Along Tunnel Ceiling, Building and Environment, 42 (11), Hu, L.H., Huo, R., Peng, W., Chow, W.K. ve Yang, R.X. (2006). On the Maximum Smoke Temperature Under The Ceiling in Tunnel Fires, Tunnelling and Underground Space Technology, 21, İnternet:Gelecek için ulaşım sistemleri dergisi. URL:

124 104 Gelecek-icin-ulasim-sistemleri.html&date= , Son Erişim Tarihi: Karaaslan S., Dinler N., Berberoğlu İ. ve Yücel N. (2009), Yeraltı Raylı Taşıma Sistemi İstasyonu İçin Yangın Modellenmesi ve Simülasyonu, 106M370 kodlu Tübitak 1001 Araştırma Projesi Kesin Raporu. Karaaslan, S., Dinler, N. ve Yücel, N. (2011). Metro İstasyonunda Farklı Yanma Modelleri Kullanarak Yangın Simülasyonu. Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi, 26(3), Karaaslan, S., Hepkaya, E., Yucel, N. (2011). Ölçeklendirilmiş Bir Kısa Tünelde Boyuna Havalandırma Sisteminin CFD Simülasyonu. Isı Bilimi ve Tekniği Dergisi, 33(1), Karakaş, T. (2011). Tünellerin Havalandırma Sistemleri ve Bolu Tüneli Uygulaması, Yüksek Lisans Tezi, Marmara Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul. Kayılı, S., Köktürk, T., Eralp, C. (2010, Mayıs). Tünel yangınlarının ve yangın güvenliği için kullanılan havalandırma sistemlerinin özellikleri, Mühendis ve Makine 51,604 Krausmann, E., Mushtag, F. (2005). Analysis of tunnel-accident data and recommendations for data collection and accident investigation, D 4.5. Olivier, V. (2008). Experimental Simulation Of Fire- Induced Smoke Control in Tunnels Using An Air-Helium Reduced Scale Model: Principle, Limitations, Results and Future, Tunnelling and Underground Space Technology, 23 (2), ÖZBAKIR, E., & ODASI, M. M. (1995). Kent İçi Taşıt Tünellerinde Havalandırma ve Ulus Tüneli Örneği. II. Ulusal Tesisat Mühendisliği Kongresi ve Sergisi, PIARC (1987). Technical Committee on Road Tunnels Report; Congress Brussels, Belgium. XVIII World Road PIARC (1991). Technical Committee on Road Tunnels Report; XIX World Road Congress Marrakech, Morocco. PIARC (1999). World Road Association Fire and Smoke Control in Road Tunnels, PIARC Commitee on Road Tunnels, Paris, Roh, J.S.,Yang, S.S., Ryou, H.S., Yoon M.O. ve Jeong Y.T. (2007). An Experimental Study on the Effect of Ventilation Velocity on Burning Rate in Tunnel Fires-Heptane Pool Fire Case, Building and Environment, 43(7), Thomas, P. H. (1968). The movement of smoke in horizontal passages against an air flow, Fire Research Station Note No.723, Fire Research Station UK, September. United Nations Economic and Social Council (2001). Recommendations of the group of experts on safety in road tunnels final report, Trans/AC.7.9, 16, 32.

125 105 Vega, M.G., Diaz, K.M.A., Oro, J.M.F. (2008). Tajadura, R. B. ve Morros, C. S., Numerical 3D Simulation of a Longitudinal Ventilation System: MemorialTunnel Case, Tunnelling and Underground Space Technology, 23, Wu, Y. ve Bakar, M.Z.A. (2000). Control of Smoke Flow in Tunnel Fires Using Longitudinal Ventilation Systems A Study of Critical Velocity, Fire Safety Journal, 35, Xue, H., Ho, J.C., Cheng, Y.M. (2001). Comparison of Different Combustion Models in Enclosure Fire Simulation, Fire Safety Journal, 36,

126 106

127 107 ÖZGEÇMİŞ Kişisel Bilgiler Soyadı, adı : Alpgiray Burcu Uyruğu : T.C. Doğum tarihi ve yeri : , Üsküdar/İSTANBUL Medeni hali : Bekar Telefon : 0 (535) balpgiray90@gmail.com Eğitim Derece Eğitim Birimi Mezuniyet tarihi Lisans Gazi Üniversitesi / Makine Mühendisliği 2012 Lisans Anadolu Üniversitesi/Kamu Yönetimi 2013 Lise Çankaya Anadolu Lisesi 2007 İş Deneyimi Yıl Yer Görev 2013-Devam ediyor Türk Standardları Enstitüsü Uzman Yardımcısı Yabancı Dil İngilizce Hobiler Sinema ve tiyatroya gitmek, seyahat etmek, müzik dinlemek

128 GAZİ GELECEKTİR...