METRO TÜNELLERİNDE YANGIN SENARYOSU ANALİZLERİ Ahmet Açıkgöz, Mustafa Ö. Gelişli, Emre Öztürk ANOVA Mühendislik www.anova.com.tr 1. ÖNEMİ Tünel inşaatlarının ilk yıllarında, havalandırma mühendisleri normal çalışma durumu için tasarım yaparken son 10 yılda tasarım dışı (off-design) durumlar için de çalışmalar yapılmaktadır. Tasarım dışı operasyonun en önemli maddesi ise tünelde çıkacak olası yangındır. Mart 1999'da Mont Blanc tünelinde 39, Mayıs 1999'da Tauern tünelinde 12 ve Kasım 2000'de Kitzsteinhorn tünelinde 155 kişi yanarak ya da dumandan zehirlenerek hayatını kaybetmiştir. Bu trajik olayların sonucunda tünel güvenliği için değişik yangın senaryolarinda havalandırma performansının tasarım aşamasında incelenmesinin önemi anlaşılmıştır. 2. METODOLOJİ Yangın senaryolarının incelenmesi için iki yol izlenebilir. Bir tanesi küçük ölçekli bir model oluşturulup burada yangın çıkartılarak deneysel inceleme yapılır. Bu oldukça maliyetli ve zor bir tercihtir. Diğer bir yöntem ise Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) yazılımları ile senaryoların bilgisayar ortamında simulasyonudur. Hesaplamalı akışkanlar dinamiği çözümlerini ise iki başlık altında inceleyebiliriz. Bir tanesi göreli olarak daha eski bir yöntem olan, 1-boyutlu sistem modellemesi, diğer ise daha detayli inceleme yapılabilen ve daha kapsamlı bir yöntem olan 3-boyutlu modellemedir. Geçmiş yıllarda 1-boyutlu sistem simulasyon yazılımları tünel yangın senaryolarının incelenmesinde daha sık kullanılırken, bilgisayar hızlarının artması ile artık 3-boyutlu yazılımlara daha fazla önem verilmiştir. 3-boyutlu HAD yazılımlarının 1- boyutlu yazılımlara olan üstünlüğü gerçek geometrinin birebir modellenebilmesi, yani merdiven çıkışları, fan odası, damper, tren gibi geometrilerin aslına sadık olarak oluşturulması, akış denklemlerini sadeleştirmeden çözmesi ve bütün bunların sonucu olarak çok daha gerçekçi ve hassas sonuçların alınmasıdır. 1-boyutlu kodlar ise bütün yerlatı sisteminin makro boyutta incelenmesinde ön tasarım aşamasında halen değerli bilgiler vermektedir. Şekil 1'de 1-boyutlu bir model ile 3-boyutlu modelindeki detay gösterilmiştir.
Tünel Merdivenler Tren Makas bölgesi Fan odası İstasyon Şekil 1. 1-boyutlu ve 3 boyutlu modeller
Fan odası ve damper detayı Şekil 2. Istasyonda detay 3. HESAPLAMALI AKIŞKANLAR DİNAMİĞİ HAD yaklaşımı temel olarak, oluşturulan modelde, modelin binlerce bazen milyonlarca küçük parçaya bölünmesi ve bölünen her parça için Navier-Stokes ya da basitleştirilmiş formlarının- gerçeğe en yakın çözümününün sanal ortamda yapılmasıdır. HAD modellerinde genellikle model büyüklüğü konusunda herhangi bir kısıtlama olmamasına rağmen, model büyüdükçe gerek çözüm zamanlari gerekse hesaplama gücü ihtiyaci artmaktadır. Örnegin günümüz PC leri ile iki istasyon ve aradaki tünel analiz edilebilir ancak daha fazla sayıda tunel aynı anda incelenmek istenirse o zaman küme ya da paylaşımlı bellek bilgisayar altyapısına ihtiyaç duyulur. Bunun sebebi oluşturulan modellerden doğru sonuç alabilmek için modelin yeterli sayıda parçaya bolunmesi gerekliligidir. Sayısal ağ olarak tabir edilen bu bölme işlemi sonucunda aşağıda gösterilene benzer gridli yapılar ortaya çıkar. Uygun fiziksel modellerin ve sınır koşullarının seçilmesi ile yangın senaryosu tanımlanmış olur. Senaryoda oluşturulan modele göre, yangının nerede çıkacağı, kaç MW lık bir yangın olduğu, fanların hangi yonde çalışacağı, varsa damperlerin açısı
belirlenir. Genelde en kötü durum için senrayo oluşturulur. Bu durum trenin iki istasyona da, haliyle istasyonlardaki fanlara en uzak olduğu durum için, ya da tünel eğitiminin en fazla olduğu durum için, ya da varsa makas bölgelerinde yangının çıkması durumu için tanımlanır. Yapılan analizler ile oluşturululan her grid noktasında hız, sıcaklık, basınç ve duman yoğunluğu değerleri öğrenilebilir. Bu değerler incelenirken yolcuların tahliyesi esnasında yolcularin sıcak dumana maruz kalıp kalmadıkları ve tunel içerisindeki hız buyuklukleri bakılan en önemli parametrelerdir. Yangın sonucu oluşan duman, yüksek sıcaklığının etkisi ile hafifler ve tünel tavanına yukselir. Fanların çalışma yönü ve varsa tünelin eğimi, dumanın hangi yone doğru gidecegini belirler. Tahliye yonunun aksi yönde çalıştırılan fanlar yeterince güçlü değillerse, tünel içindeki toplam basınç kaybını yenemezler ve oluşturdukarı debi sıcak dumanı tahliye etmeyi başaramaz. Ya da tünel içerisindeki hız büyüklükleri kritik değerlerin altında veya üstünde olabilir. Hızların kritik değerlerin altında kalması duman difuzyonuna neden olurken, üstüne çıkması ise özellikle çocukların yüksek bir dirence karşı ilerlemeleri gibi olumsuz bir durum doğurur. Aşağıdaki resimlerde 15 MW lik bir yanginda yaklaşık 800 metrelik bir tünel için 4 adet jetfan ile yapılan havalandırm sonucu kararlı rejime ulaşmış sıcaklık dağılımı ve akış çizgileri gösterilmiştir. Sıcaklık konturları ile fanların sıcak havayı nasıl emdiği açık bir şekilde görülmektedir. Istasyon tavanına yakın olan fan, hafif olduğu için yükselen sıcak havayı daha iyi emerken, alçakta duran fan aynı verimlilikte emememektedir. Bu da dumanın bir kısmının istasyona kaçmasına sebep olmaktadır, çünkü fan odası tunel ile istasyon arasına konumlandırılmıştır. Akış çizgileri ise damperlerin akışı nasıl yönlendirdiğini, varsa tunele gitmesi gerekirken istasyona kaçış yapan havanın görüntülenmesinde kullanılır.
Şekil 3. HAD sonuçları, sıcaklık (üstte) ve akış çizgileri
Sıcaklık Görüş Mesafesi (K) (m) Hesaplamalı akışkanlar dinamiğinin tünel analizlerinde kullanılabileceği bir başka alan da görüş mesafesinin hesaplanmasıdır. Yangın esansında oluşan dumanın kaçış yönünün aksi yönde tahliyesi sırasında kaçış yönüne difüze olan duman görüş mesafesini düşüreceği için tahliyeyi de zora sokabilir. Bu amaçla yapılan bir çalışmada havalandırmanin soldan sağa olduğu durum için sıcaklık ve görüş mesafesi konturları aşağıda gösterilmiştir. Şekil 4. Görüş mesafesi ve duman yoğunluğu
Eğer ilk analizler sonrasında olumsuz koşullar ile karşılaşılırısa, alınacak tedbirler ile inşaat aşamasına geçmeden güvenli bir havalandırma sistemi oluşturulabilir. Bu amaçla; daha güçlü jetfan seçimi daha fazla sayıda jetfan kullanımı mimari projede değişiklik fanların farklı kombinasyonlarda çalıştırılması gibi çözümler geliştirilebilir. Bu çözümlerin en kolayı ise daha güçlü bir fan kullanmaktır. Bu şekilde yapılan bir değişiklik oluşturulan HAD modelini de değiştirmeyeceği için fazladan bir modelleme yükü getirmez. Aşağıdaki fan eğrileri grafiğinden görüldüğü gibi debisi daha yüksek bir fan ile istenilen tünel içi sıcaklık ve hız profili aralğınıda değerler elde edilebilir. Eğer fanları güçlendirmek yetmez ise o zaman fan sayısının arttırılması, ya da daha radikal bir önlem olan mimari projenin değiştirilmesi düşünülebilir. Toplam Basınç Hacimsel Debi Şekil 6. Fan eğrileri
4. ANALİZLERİN DOĞRULUĞU Yapılan analizlerin doğruluğu ve hassasiyeti tamamen kullanıcının girdilerine, kullanilan modellere, yapılan yaklaşımlara ve çözücünün gücüne bağlı olarak değişir. Kullanıcının yanlış parameterler ya da fiziksel modeller ile yaptığı analiz gerçek değerlerden çok uzak olabilir. Ideal olarak, oluşturulan HAD modellerinin en az bir tanesi deneysel sonuçlar ile doğrulanmalıdır. Elde deneysel veri yoksa, daha önceden yapılmış deneyler için doğrulama yapılabilir. Bir doğrulama çalışmasi FLUENT firmasından Dr. Walter Schwarz tarafından Memorial Tunnel Fire Ventilation Test Program çerçevisinde yapılan deneylerin simulasyonu ile gerçekleştirilmiştir. Yandaki resimde tünelde 50 MW lik bir yangının oluşturuldugu hacimsel bölge gösterilmiştir. Bu bölge içerisinde oluşan ısı terimi, oksijen tüketim miktarı ve duman oluşum miktari sınır koşulu olarak tanımlanmıştır. Yangın analizi zamana bağlı olarak çözülmüş ve belirli aralıklarda oluşan hız profilleri ve sıcaklık dağılımları deneysel verilerle karşılaştırılmıştır. Oluşturulan HAD modellerinin deney sonuçları ile örtüştüğü gözlenmiştir. Aşağıdaki resimde yangının başlamasından 180 saniye sonra sıcaklık ve hız dağılımı FLUENT den alınan sonuçlar ile karşılaştırılmıştır.
Şekil 7. Sayısal sonuçların (üstte) deneysel sonuçlar ile karşılşatırılması 5. SONUÇ 3-boyutlu hesaplamalı akışkanlar dinamiği metodları, tünel havalandırma sistemlerinin yangın gibi kaza senaryolarının oluşması durumunda nasıl çalışacağı ve sıkıntılı çalışan bölgelerin tespitinde ve iyileştirilmesinde kullanılabilir. Detaylı modelleme olanağı, akış denklemlerini en doğru şekilde çözmesi ve deneysel çalışmalara göre ucuz olması gibi avantajları sayesinde daha geniş bir kullanım alanı bulmaktadır. KAYNAKLAR: FLUENT v6.2 User s Guide, 2005 (www.fluent.com) Dr. Walter Schwarz, CFD Validation for Ventilation Systems with Strong Bouyancy, Issues of CFD Applications in Tunnels, ASHRAE Winter Meeting, 2000. Fathi Tarada, Fire Hazard Calculations in Tunnels Using CFD, Dr. Marco Bettelini, CFD for Tunnel Safety, FLUENT Users Group Meeting, 2001 Zitron Fan Catalogue