Simulação Computacional do Escoamento Induzido por um Incêndio num Parque de Estacionamento Coberto

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1 Simulação Computacional do Escoamento Induzido por um Incêndio num Parque de Estacionamento Coberto Neidy Galvão da Veiga Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Mecânica Júri Presidente: Prof. Mário Manuel Gonçalves da Costa Orientador: Prof. Pedro Jorge Martins Coelho Co-orientador: Dr. João Carlos Godinho Viegas Vogal: Prof. João Luís Toste Azevedo Abril de 9

2 Simulação Computacional do Escoamento Induzido por um Incêndio Num Parque de Estacionamento Coberto Neidy Galvão da Veiga

3 Resumo Os parques de estacionamento cobertos são locais nos quais a ocorrência de um incêndio é particularmente grave dada a libertação de um elevado caudal de fumo que pode rapidamente contaminar todo o local, dificultando ou inviabilizando a evacuação dos ocupantes e a intervenção dos serviços de urgência. Recentemente têm sido utilizados em parques de estacionamento cobertos ventiladores de impulso suspensos, sob o tecto, que se destinam a remover os poluentes libertados pelos motores de veículos que frequentam o recinto ou a forçar o escoamento do fumo, em caso de incêndio, para as aberturas de exaustão (mecânicas ou naturais). Esta solução construtiva tem sido aplicada ao longo anos no controlo do fumo e da poluição em túneis rodoviários com bons resultados e pretende-se com o seu uso evitar a compartimentação dos parques e a utilização de uma rede de condutas. Todavia, devido à forma geral dos parques de estacionamento, o escoamento pode ser demasiado complexo e a disposição, orientação e velocidade dos ventiladores têm de ser cuidadosamente seleccionadas. De facto, a recirculação na esteira dos obstáculos e a forte diluição da camada de fumo, devido à turbulência do jacto, podem gerar ocorrências perigosas no decurso de um incêndio. Actualmente, ainda não estão definidas regras de projecto da ventilação de impulso, quer para controlo da poluição quer para controlo do fumo. O trabalho aqui descrito foi desenvolvido na fase inicial de um projecto, ainda em curso, que se destina a estudar esse problema e a elaborar recomendações técnicas que conduzam os projectistas e engenheiros à concepção de sistemas de ventilação mais eficientes e seguros, bem como à obtenção de dados de referência adequados à validação de resultados experimentais ou numéricos fornecidos por programas de CFD que são utilizados na realização de um projecto de ventilação. Assim, o objectivo deste trabalho é a simulação numérica do escoamento induzido por um ventilador de impulso, isolado ou na vizinhança de uma superfície sólida (na prática, o tecto de um parque de estacionamento coberto), bem como do escoamento resultante da interacção entre uma pluma térmica (devido a um foco de incêndio) com o jacto originado pelos ventiladores. Para o efeito foi utilizado um software comercial, Fluent, tendo-se começado por simular o jacto turbulento isotérmico, livre ou na presença de uma parede, induzido por um ventilador de impulso. O jacto é redireccionado à saída do bocal por meio de deflectores de forma a apontar para o local desejado. Os resultados obtidos encontram-se em bom acordo com expressões teóricas para jactos turbulentos, na ausência de deflectores e de rotação (componente tangencial da velocidade média, induzida pelo ventilador), bem como com dados experimentais. Estas simulações foram efectuadas com uma malha bastante refinada, de outra forma os deflectores não surtiam efeito e o jacto não seria deflectido. No entanto este procedimento é incomportável quando o domínio de cálculo tem de ser suficientemente amplo para simular a propagação do fumo no parque de estacionamento. Assim os ventiladores foram substituídos por uma fonte de quantidade de movimento que permite, com uma malha bastante mais grosseira, reproduzir de forma satisfatória a inclinação, o caudal deslocado e a taxa de dispersão do jacto. Seguidamente foi estudado o escoamento resultante da interacção de uma pluma térmica com o jacto parietal proveniente do ventilador. Esta configuração pretende reproduzir o comportamento do escoamento no interior do parque aquando de um incêndio de um veículo estacionado. E com isso estudar a campo de velocidade, de temperatura e a propagação de fumo. No decurso do projecto serão obtidos dados experimentais que permitirão a análise da qualidade das previsões apresentadas. I

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5 Abstract The risk of fire is a serious problem in covered car parks given the release of a high smoke flow which can quickly contaminate the entire place, hindering or preventing the evacuation of occupants and the intervention of emergency services. Pulse fans from the ceiling hanging have recently been used in covered car parks. These fans are designed to remove the pollutants released by motor vehicles that attend the venue or to force the flow of smoke in case of fire, for openings exhaustion (mechanical or natural). This constructive solution has been applied for many years in the control of smoke and pollution in road tunnels with good results and its application is expected to prevent the partitioning of the parks and to avoid pipeline network. However, given the general form of car parks, the flow can be very complex and layout, orientation and speed of the fans have to be carefully selected. In fact, the recirculation in the wake of obstacles and the strong dilution of the smoke layer, due to the jet turbulence, may generate dangerous events during a fire. Today, no rules are provided for the pulse ventilation, either for pollution control or for removal of smoke. This work was developed in the initial phase of a project, still ongoing, which aims at studying this problem and at developing technical recommendations for designers and engineers about the design of more efficient and safe ventilation systems. Another objective of that project is to obtain reference data, suitable for validation numerical simulations provided by CFD software that are used in the design of a draft ventilation system. Thus, the objective of this work is the numerical simulation of a flow induced by a pulse fan, alone or in the vicinity of a solid surface (in practice the roof of a car park) and of the flow resulting from the interaction between a thermal plume (caused by an outbreak of fire) and a jet impulsed by the fans. A commercial software, Fluent, has been used to simulate the turbulent isothermal jet, free or in the presence of a wall, driven by the pulse fan. The jet is redirected to the nozzle exit by means of flaps in order to point the desired location. The results are in good agreement with theoretical expressions for turbulent jets, in the absence of flaps and rotation (tangential component of average velocity, induced by the fan) and with experimental data. These simulations were made using a very fine mesh, in order to include the flap effects. Otherwise the jet would not be deflected. However, this is unacceptable when the domain of calculation must be broad enough to simulate the spread of smoke in the car park. Thus, the fans were replaced by a source of momentum which using a much coarse mesh, satisfactorily reproduce the slope, the mass flow rate and the rate of dispersion of the jet. Then it was studied the flow resulting from the interaction of a thermal plume with the wall jet from the fan. This configuration aims to reproduce the behavior of the flow inside the park during a fire on a vehicle in the park. The velocity and temperature fields and the spread of smoke were also studied. During the project, experimental data will be obtained for the analysis of the accuracy of the prediction. III

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7 Palavras-chave Parques de Estacionamento Ventilação de Impulso Controlo de Fumo Pluma Térmica CFD Fluent Keywords Car parks Impulse Ventilation Smoke Control Thermal plume CFD Fluent V

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9 Agradecimentos Ao Professor Pedro Coelho pela sua permanente disponibilidade no esclarecimento de dúvidas e pela forma como dirigiu este projecto. Ao Dr. João Viegas, Investigador Principal do LNEC e Especialista em Ventilação, pela sua cooperação no fornecimento de informações e documentação, pelos vários conselhos e pela forma como acompanhou este projecto. Ao Eng. Hildbrando Cruz, pelo fornecimento dos dados experimentais e pelo auxílio na análise dos mesmos. A todos aqueles que me possibilitaram crescer: colegas, amigos, familiares e principalmente aos meus pais pelo apoio incondicional o meu sincero agradecimento. VII

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11 Índice RESUMO...I ABSTRACT...III PALAVRAS-CHAVE...V KEYWORDS...V AGRADECIMENTOS... VII ÍNDICE DE FIGURAS...XI ÍNDICE DE TABELAS...XIII NOMENCLATURA - ALFABETO LATINO...XV NOMENCLATURA - ALFABETO GREGO...XVII ACRÓNIMOS... XIX 1. INTRODUÇÃO MOTIVAÇÃO Sistemas de Ventilação por Impulso Ventiladores de Impulso OBJECTIVOS BENEFÍCIOS ESPERADOS ESTRUTURA DO PROJECTO ENQUADRAMENTO TEÓRICO EQUAÇÕES DE CONSERVAÇÃO PARA JACTO TURBULENTO Conservação de Massa Conservação de Quantidade Movimento Conservação de Energia Conservação de Espécies MODELO DE TURBULÊNCIA JACTO LIVRE AXI-SIMÉTRICO Descrição do Campo de Velocidades Análise Teórica Variação da Velocidade Axial INTERACÇÃO DE JACTOS AXI-SIMÉTRICOS COM SUPERFÍCIES PLANAS MÉTODO DOS VOLUMES FINITOS Discretização Numérica Método de Interpolação Linearização Forma Linearizada das Equações Discretizadas Factor de Relaxação Método de Cálculo Convergência Validação de Resultados SIMULAÇÃO COMPUTACIONAL JACTO LIVRE Jacto livre D Jacto livre 3D JACTO PARIETAL INTERACÇÃO JACTO PARIETAL E PLUMA TÉRMICA CONCLUSÃO TRABALHOS FUTUROS REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ANEXOS A1 CONSTANTE CARACTERÍSTICA DA FORMA DO JACTO (VENTILADOR A) IX

12 A CONSTANTE CARACTERÍSTICA DA FORMA DO JACTO (VENTILADOR B) X

13 Índice de Figuras Figura Modelos Típicos de Ventiladores de Impulso... 4 Figura 1. - Modelos Típicos de Ventiladores Axiais Figura.1 - Representação de um jacto circular axi-simétrico... 1 Figura. - Perfil radial da velocidade axial de um jacto circular turbulento, Re= Figura.3 - Velocidade Axial Vs distância radial num jacto circular turbulento: Figura.4 - Variação da velocidade axial com a distância longitudinal ao longo do eixo do jacto num escoamento axi-simétrico turbulento, Re=955: Símbolos, Dados experimentais (Hussein, 1994); Recta, Eq.-7 com x d = 4 e S = Figura.5 - Caracterização do jacto turbulento submerso (Blevins, 1984) Figura.6 - Perfis de velocidade no eixo do jacto axi-simétrico paralelo a uma superfície sólida (Xavier Viegas, 1981)... 1 Figura.7 Tipos de malha para o método dos volumes finitos... Figura.8 Algoritmo simplificado do Método Segregado Figura 3.1 Ventilador de impulso Figura 3. - Subdivisão da camada limite: ( y = yuτ ν ; uτ = τ ρ )... 3 Figura Modelo aproximado da camada limite Figura 3.4 Malha D para JL Figura Campo de velocidade Figura Perfil de velocidades Figura Velocidade axial para y=m Figura 3.8 Semi-espessura do jacto Figura Perfil adimensional de velocidade JLA (D) Figura Variação da velocidade ao longo do eixo do jacto. Resultados experimentais (pontos a negro); simulação numérica (linhas) Figura Resultado numérico da variação transversal da Energia Cinética Turbulência: (a) Ventilador A; (b) Ventilador B Figura Ângulo do jacto (JLD Ventilador A) Figura Ângulo do jacto (JLD Ventilador B)... 4 º º Figura Campo de Velocidade JLD Ventilador A θ =.5 Vs Ventilador B θ = Figura Perfil de Velocidade: Horizontal (azul) Vs Vertical (encarnado)... 4 Figura Perfil de Velocidade: Horizontal (azul) Vs Vertical (encarnado) Figura Perfil de Velocidade: Horizontal (azul) Vs Vertical (encarnado) Figura Perfil de Velocidade: Horizontal (azul) Vs Vertical (encarnado) Figura Determinação da Tacha de diminuição da Velocidade Máxima Figura 3. Semi-espessura do jacto: (a) ventilador A; (b)ventilador B Figura Perfis da componente x da velocidade ao longo do eixo do jacto: (a) Ventilador A; (b) Ventilador B Figura 3. - Constante característico da forma do perfil radial de velocidade Figura Velocidade Axial Vs distância radial num JLD Figura Perfil adimensional de velocidade Vs distância radial (Ventilador A) Figura Perfil adimensional de velocidade Vs distância radial (Ventilador B) Figura JLD Vs F-JLD (Ventilador A): θ =.5º ; Re = 3.41* Figura JLD Vs F-JLD (Ventilador B): θ = 5º ; Re = 5.34* Figura Malha utilizada na simulação de um jacto parietal (JTD) Figura Campo de Velocidade JTD Figura Jacto de incidência oblíqua... 6 XI

14 Figura Campo de Velocidade (Ventilador A)... 6 Figura Campo de Velocidade (Ventilador B) Figura JTD Vs F-JTD (Ventilador A)... 6 Figura JTD Vs F-JTD (Ventilador B) Figura JTD: Ventilador A Vs Ventilador B Figura Malha utilizada na simulação de JTD+PT Figura Perfil axial de Temperatura JTD+PT Vs F-JTD+PT (ventilador B) Figura Perfil axial de Velocidade JTD+PT Vs F-JTD+PT (ventilador B) Figura Evolução do campo de Temperatura no plano de simetria do escoamento para JTD+PT (ventilador B) Figura Evolução do campo de Temperatura para JTD+PT no plano horizontal y=-1m (ventilador B) Figura Campo de Velocidade para JTD+PT no plano de simetria do escoamento (ventilador B): t=reg. Estacionário... 7 Figura Fracção Mássica de Fumo no plano de simetria do escoamento: JTD+PT (ventilador B); t=reg. Estacionário Figura Evolução da Fracção Mássica do Fumo no plano horizontal: y=-1m, JTD+PT (ventilador B) XII

15 Índice de Tabelas Tabela.1 - Resultados experimentais da taxa de dispersão do Jacto, S, e da taxa de diminuição da velocidade no eixo do jacto, k Tabela Casos Estudados... 3 Tabela 3. - Ângulo do jacto (JLD Ventilador A) Tabela Ângulo do jacto (JLD Ventilador B)... 4 Tabela Caracterização do Jacto (resultados das simulações numéricas) Tabela Constante característica da forma do jacto Tabela Caudal mássico Tabela Caudal arrastado pelo jacto: x = 1m Tabela Valores de entrada para a modelação da pluma térmica XIII

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17 Nomenclatura - Alfabeto Latino a nb Coeficientes linearizados de φ nb a p Coeficientes linearizados de φ b Constante que representa a contribuição dos termos fonte b (x) Semi-espessura do jacto CO Monóxido de carbono c Calor específico à pressão constante p d Diâmetro do bocal do jacto ds Superfície infinitesimal dv Volume infinitesimal E Energia E Energia Total t e Energia interna; Energia por unidade de massa F Força actuante no volume de controlo F Força gravitacional b f r força volúmica g Aceleração gravítica h Entalpia K Constante característica da forma do jacto k Condutibilidade térmica k Energia cinética turbulenta k Taxa de diminuição da Velocidade Máxima Ma Número de Mach N Número de faces que delimitam da célula faces NO x n r P Q q r Re r r S S S ij S f Óxido de Azoto Vector unitário normal à superfície infinitesimal ds Pressão Taxa de calor libertado por unidade de volume devido a agentes externos Fluxo de calor através da superfície de controlo Número de Reynolds Coordenada radial Raio do bocal de saída do jacto/ventilador Taxa de dispersão do jacto Taxa de deformação Componentes do tensor da taxa de deformação Área da face f S φ Contribuição do termo fonte/poço da variável genérica φ s Distância do eixo do jacto à superfície sólida T Temperatura U Velocidade na direcção axial x U ( x) Velocidade axial no eixo do jacto max U Velocidade do perfil tampão u Velocidade axial média u Flutuação da velocidade axial XV

18 u Flutuação de velocidade na direcção m m u Velocidade de atrito τ V Velocidade na direcção radial r ; Volume da célula V r Vector velocidade em relação a um referencial inercial V r Vector velocidade em relação à superfície de controlo rel v Velocidade radial média v Flutuação da velocidade radial W Trabalho adicionado/subtraído ao/do volume de controlo; Velocidade na direcção tangencial θ X Fracção mássica x Coordenada axial x Coordenada espacial i x i v Origem virtual do jacto XVI

19 Nomenclatura - Alfabeto Grego α α Γ Γ h δ ij ε Difusividade Térmica; Factor de relaxação Semi-ângulo de abertura do cone da mistura Coeficiente de difusão Difusividade térmica Delta da Kronecker Taxa de dissipação da energia cinética turbulenta ε Tensor das permutações ijk Θ θ Λ μ μ t ν ξ r Π π ij ρ σ τ Φ φ φ f Ω ij ω k Energia mecânica dissipada no processo de deformação do fluido Ângulo do Jacto com a horizontal; Coordenada tangencial Comprimento de transferência de quantidade de movimento Viscosidade dinâmica Viscosidade turbulenta Viscosidade cinemática Rugosidade Forças de superfície Forças de superfície Massa Volúmica Número de Prandalt Tensão de corte na parede Variável extensiva Genérica Variável intensive Genérica Fluxo de φ através da face f Velocidade média de rotação num referencial com velocidade angular igual à flutuação da vorticidade Vorticidade XVII

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21 Acrónimos AWA CFD E F-JLD F-JTD F-JTD+PT IST JL JLA JLD JTD JTD+PT LNEC MWA N PISO ppm RSCIPEC SIMPLE SIMPLEC SIMPLER Vent.A Vent.B D 3D Area Weighted Average Computational Fluid Dynamics Experimental Jacto Livre deflectido usando uma fonte de quantidade de movimento Jacto de Tecto deflectido usando uma fronte de quantidade de movimento Iteração Jacto de Tecto deflectido e Pluma Térmica usando uma fronte de quantidade de movimento Instituto Superior Técnico Jacto Livre Jacto Livre Axi-simétrico Jacto Livre Deflectido Jacto de Tecto deflectido Iteração Jacto de Tecto deflectido e Pluma Térmica Laboratório Nacional de Engenharia Civil Mass Weighted Average Numérico Pressure-Implicit with Splitting of Operators Partes Por Milhão Regulamento de Segurança Contra Incêndio em Parques de Estacionamento Cobertos Semi-Implicit Method for Pressure - Linked Equations SIMPLE Consistent SIMPLE Revised Ventilador A Ventilador B Duas dimensões Três dimensões XIX

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23 1. Introdução 1.1. Motivação Num sistema de ventilação por impulso de um parque de estacionamento coberto existe um conjunto de ventiladores utilizados para transmitir quantidade de movimento ao fluido contido no interior de cada piso de modo a promover a admissão de ar novo e/ou a exaustão de fumo para o exterior. Estes ventiladores podem ser utilizados tanto para controlo de poluentes emitidos pelos motores dos veículos que circulam no parque, quer em situação de incêndio para o controlo e escoamento do fumo e do calor. Geralmente os ventiladores são suspensos no tecto de cada piso, sendo o número e a disposição no parque parâmetros a optimizar que dependem principalmente da intensidade do tráfego, da geometria do parque e da potência de cada ventilador. É de salientar que a ventilação de impulso é aplicada há algum tempo em túneis rodoviários, mas a sua utilização em parques de estacionamento cobertos é relativamente recente, e só na última década começou a ganhar importância neste sector. Tem no entanto a mesma finalidade que o sistema de ventilação tradicional, isto é, assegurar a qualidade do ar interior e promover o escoamento do fumo no caso de incêndio. Os parques de estacionamento cobertos e os túneis rodoviários têm características muito diferentes pelo que o conhecimento que se adquiriu com os últimos não pode ser aplicado directamente e sem uma análise cuidada aos primeiros. Em geral, os parques de estacionamento cobertos apresentam um reduzido pé-direito e ocupam grandes áreas, condições propícias à rápida propagação do fumo que contamina locais relativamente distantes do foco de incêndio, comprometendo as condições de habitabilidade destes, enquanto os túneis rodoviários são geralmente longos e estreitos (comparativamente), com um tipo de ocupação que é obviamente diferente, assim como o padrão e a frequência do tráfego de veículos. É também de salientar que, em geral, os parques de estacionamento cobertos encontram-se nos pisos inferiores e/ou subterrâneos, quer seja dos edifícios, super-mercados, aeroportos e todas as grandes superfícies em geral, de modo que um incêndio não controlado pode comprometer não só a integridade estrutural do parque, como também a integridade estrutural de todo o edifício e dado o tipo de ocupação de tais construções, geralmente densamente ocupados, os padrões de segurança são cada vez mais elevados. O Regulamento Técnico de Segurança Contra Incêndio (Portaria 153/8, de 9 de Dezembro), no âmbito da ocupação tipo II (estacionamentos) obriga a que sejam cumpridas certas exigências, nomeadamente a compartimentação corta-fogo do espaço. Isso implica o enceramento de aberturas de comunicação entre as diferentes zonas do parque, que por sua vez obriga a que o sistema de condutas de insuflação e de exaustão seja mais complexo e ocupe muito espaço. Espaço esse que de outra forma poderia ser utilizado para o aumento da capacidade do parque. Por outro lado a compartimentação encarece o sistema de vigilância por ser necessário a monitorização de um maior número de divisões. No entanto este regulamento não abrange a ventilação de impulso e as regras de concepção e de dimensionamento deste tipo de sistemas não estão ainda claramente definidas. Daí a necessidade de estudo nessa área, de modo a se criar um conjunto de regras que sejam reconhecidas pela comunidade científica e possam ser utilizadas pelos projectistas e donos-de-obra. O Laboratório Nacional de Engenharia Civil tem desenvolvido trabalho nesta área (Godinho Viegas, 7), encontrando-se actualmente em curso um projecto que se destina a investigar este assunto e a elaborar recomendações técnicas que conduzam a um projecto mais eficiente e seguro deste sistema de ventilação, bem como à obtenção de dados de referência adequados à validação de programas de dinâmica dos fluidos computacional (CFD) que sejam usados na avaliação do projecto da ventilação de impulso. Participam neste projecto o Instituto Superior Técnico e várias empresas cujos ramos de actividade estão de algum modo relacionados com o assunto em estudo. Á priori, o recurso a este tipo de sistemas apresenta uma série de vantagens relativamente ao sistema de ventilação tradicional. É, contudo, imprescindível uma avaliação dos riscos e das vantagens da utilização da ventilação de impulso em detrimento do sistema tradicional, por forma a não comprometer a qualidade do ar interior e a proporcionar aos utentes o mesmo nível de segurança. Verifica-se que as vantagens económicas, relativamente ao sistema tradicional, estão directamente relacionadas com a necessidade ou não de meios para a mitigação do risco de incêndio. Poderá, por exemplo, ser possível criar condições para prescindir da compartimentação entre os vários cantões de cada piso e explorar todas as vantagens que disso resulta. Como por exemplo a utilização de caudais mais elevados para a desenfumagem, uma vez que podem ser mobilizados caudais de outros ventiladores de insuflação e de exaustão que ficariam inacessíveis caso existisse a compartimentação. Mas se a utilização da ventilação por impulso obrigar a utilização de meios dispendiosos de prevenção e combate contra incêndio o sistema deixa de ser economicamente interessante. 1

24 1.1.1 Sistemas de Ventilação por Impulso A configuração dos parques de estacionamento cobertos requer muitas vezes que o recinto seja ventilado mecanicamente, isso porque a ventilação natural pode não ser suficiente para garantir as condições de segurança e de habitabilidade do espaço. Os sistemas de ventilação por impulso em parques de estacionamento cobertos constituem assim uma alternativa atractiva e cada vez mais utilizada pelos projectistas, engenheiros e donos de obra. Contudo, por ser um modelo relativamente recente é preciso levar em consideração alguns factores aquando da adopção desta configuração em detrimento do sistema tradicional. A qualidade ar interior é um factor importante no projecto e o regulamento limita o teor máximo do monóxido de carbono (CO ) admissível, que é função do período de amostragem considerado. Valor médio de: 5 ppm em períodos de 8 horas, 1 ppm em períodos de minutos e valor instantâneo de ppm. Para além dos limites da percentagem do CO presente no ar, podem também ser impostos limites quanto à concentração de outros poluentes como por exemplo os óxidos de azoto ( NO x ). Pode ainda ser necessária a instalação de sensores capazes de detectar outras substâncias prejudiciais á saúde humana, principalmente quando se prevê que a concentração de veículos a gasóleo seja superior a 3 % do total da área bruta de cada piso. O método de avaliação do desempenho da ventilação por impulso para o controlo da qualidade do ar interior e da desenfumagem foi desenvolvido pelo LNEC e tem sido aplicado pela mesma entidade aos parques de estacionamento onde foi implementado esse tipo de sistema. Dado que os dados experimentais disponíveis sobre esse tipo de escoamentos é reduzido, a iniciativa do LNEC no desenvolvimento deste projecto é de grande importância uma vez que a melhor compreensão do comportamento do fogo e do escoamento pode ajudar as autoridades competentes a estabelecerem melhores normas de regulamentação. A metodologia de avaliação do desempenho da ventilação por impulso para o controlo da qualidade do ar interior é aplicada aos casos em que se pretende prescindir da compartimentação corta-fogo, regulamentarmente exigido no caso do sistema tradicional de ventilação, tirando partido de todas as vantagens que daí podem resultar. Por outro lado a não compartimentação requer que o desempenho da ventilação por impulso tenha de ser tal que não comprometa as condições de segurança do parque. Em condições normais de funcionamento, o sistema tem como objectivo evitar que a acumulação dos gases tóxicos emitidos pelos automóveis atinja níveis demasiadamente elevados e perigosos para a saúde humana. Para que essa diluição se processe é injectado no parque ar novo que se mistura com os gases emitidos pelos motores de combustão interna. Em condições de incêndio é insuflado um maior caudal de ar novo e os ventiladores de impulso devem funcionar na sua velocidade máxima. Não obstante, nem sempre uma maior velocidade de escoamento implica melhores condições de operação. Deve-se levar em linha de conta que o fornecimento de mais ar pode levar a um aumento das dimensões do fogo (S.M. Li, J.;Chow, W.K, 3), por outro lado se a velocidade longitudinal do ar for inferior à velocidade crítica existe o risco de propagação do fumo para a montante do ventilador, e a temperatura do/dos ar/gases na proximidade do tecto aumenta perigosamente com o decorrer do tempo e à medida que o incêndio aumenta de proporções (M. Li, 3; K. Chow, 3). No caso dos túneis rodoviários, o valor da velocidade crítica depende da taxa de libertação de calor e da geometria (M. Li, 3; K. Chow, 3). Como foi dito anteriormente, os ventiladores podem ser activados individualmente de forma a que a resposta seja rápida e o mais eficaz possível. Para assegurar que os ventiladores certos são activados, a identificação do local de incêndio é de extrema importância. Isso pode ser conseguido instalando no parque, para alem dos sensores de poluentes presentes nos gases de escape, detectores de calor e/ou de fumo que podem funcionar em paralelo com um circuito fechado de câmaras de vigilância. A eficácia do sistema depende de vários outros factores. É necessário, por exemplo: Particular atenção com as potenciais zonas de estagnação e recirculação do fluido causados pela interacção dos jactos dos vários ventiladores com os obstáculos existentes no parque e/ou a interacção com uma pluma térmica resultante de um foco de incêndio; Adoptar soluções construtivas que permitam desenfumar a zona sinistrada com caudais significativamente maiores do que os exigidos para a ventilação de despoluição; Evitar a existência de jactos que criem pressões positivas significativas nas paredes periféricas do parque de estacionamento, sendo por vezes necessário manter inactivos os ventiladores de impulso mais próximos destas. Estas pressões positivas podem sobrepor-se às depressões geradas pelos ventiladores de exaustão, reduzindo assim a sua eficácia;

25 Que a disposição dos ventiladores seja cuidadosamente estudada de forma que a acção de impulso sobre a massa de ar não tenha tendência por si só de gerar vórtices, que em caso de incêndio promovem o escoamento desorganizado e imprevisível do fumo contaminando tanto as zonas a montante como as zonas a jusante do ventilador; Escoar o fumo tanto quanto possível para o ponto de exaustão mais próximo. No que diz respeito às equipas de prestação de serviços de emergência e de prestação de socorro existem algumas directrizes a seguir que podem melhorar consideravelmente a sua actuação: A evacuação dos ocupantes deve ser preferencialmente realizada de jusante para montante ou perpendicularmente ao escoamento, de modo a reduzir a distância percorrida pelos ocupantes para sair da zona afectada pelo fumo e mantendo-se o mais longe possível desta; Contrariamente, os bombeiros devem intervir de montante para jusante do escoamento, de forma a desenvolverem a operação de combate ao incêndio tanto quanto possível fora da zona contaminada pelo fumo, desta forma têm melhores condições ambientais para operarem principalmente no que diz respeito á visibilidade e á sujeição a temperaturas extremas. 3

26 1.1. Ventiladores de Impulso O princípio de funcionamento dum ventilador de impulso é bastante simples. Um motor eléctrico faz rodar um cubo no qual se encontra montada uma coroa de pás. Nas extremidades desse conjunto são montados dois silenciadores que servem também de conduta através da qual o ar é impulsionado. A finalidade é promover o escoamento ar não movimentando através deles próprios todo o fluido existente no espaço, mas sim induzindo o seu movimento por arrasto. Isso é conseguido injectando no parque um caudal de ar a altas velocidades. Esse tipo de sistemas é de fácil implantação e ocupa um reduzido espaço comparativamente com os modelos clássicos baseados em redes de condutas. A ordem de arranque e de paragem pode ser dada individualmente a cada ventilador conforme as necessidades do momento e do espaço, servindo para isso um conjunto de sensores de CO e/ou de fumo e/ou de calor posicionados estrategicamente no parque, isto é, o sistema só funciona nos momentos e nas zonas onde tal se justifique, o que lhe confere uma elevada flexibilidade. Isso, juntamente com o facto de ser dispensada a utilização de condutas, fonte de grandes perdas de carga, contribui para uma considerável redução no consumo de energia. Por outro lado, permitem uma rápida resposta em caso de incêndio, direccionando o fumo para as grelhas de exaustão e limitando deste modo a contaminação do espaço. Os ventiladores de impulso 1 também designados de ventiladores de desenfumagem são testados para resistir a altas temperaturas durante um certo período de tempo. São constituídos essencialmente por: Um corpo fabricado geralmente em chapa de aço ao carbono de forma rectangular, octogonal, circular ou oval, no interior do qual são soldados braços de fixação do motor eléctrico (o conjunto pode levar um tratamento térmico anti-corrosivo); Um ventilador axial cujas pás podem ser de ângulo ajustável em repouso, equilibrados estática e dinamicamente, podendo assim ser total ou parcialmente reversíveis; Silenciadores, colocados em ambos os lados do ventilador axial formam a conduta através da qual o ar é impulsionado. Em geral munidas de uma grelha protectora á entrada e deflectores á saída se o ventilador for unidireccional e deflectores de ambos os lados caso for reversível; Um motor eléctrico de uma ou duas velocidades. Figura Modelos Típicos de Ventiladores de Impulso Figura 1. - Modelos Típicos de Ventiladores Axiais. 1 O termo ventilador de impulso ou ventilador ou ainda ventilador de desenfumagem será utilizado para se referir ao conjunto formado pelo ventilador axial, silenciadores, deflectores, grelha protectora, motor eléctrico e todos os acessórios de montagem e instalação. 4

27 1.. Objectivos O presente trabalho foi realizado no âmbito do projecto PTDC/ECM/6864/6 intitulado Ventilação de impulso em parques de estacionamento cobertos e compreendeu as seguintes fases: 1. Familiarização com o projecto e o trabalho a desenvolver. Nesta primeira fase foi efectuada uma revisão bibliográfica sobre o assunto em estudo e foram definidas as geometrias, objecto de simulação, bem como as condições de funcionamento. Estas condições foram definidas com base no estudo experimental efectuado no âmbito de outras tarefas do projecto.. Familiarização com o programa computacional, o Fluent, com o método de cálculo utilizado pelo programa e com a modelação física subjacente. Esta fase requer o estudo do método numérico e dos modelos físicos necessários à solução numérica das equações que descrevem um escoamento turbulento incompressível, com ou sem impulsão e transmissão de calor. 3. Simulações numéricas de crescente grau de complexidade, fazendo o uso do programa computacional para estudo das seguintes condições: Simulação numérica de um jacto livre isotérmico, não confinado, induzido por um ventilador de impulso, sem deflectores. Simulação numérica de um jacto isotérmico, na vizinhança de uma superfície sólida, induzido por um ventilador de impulso, sem deflectores. Simulação numérica de um jacto isotérmico, na vizinhança de uma superfície sólida, induzido por um ventilador de impulso, com deflectores. Simulação numérica do escoamento não estacionário resultante da interacção de um jacto, na vizinhança de uma superfície sólida (tecto de um parque de estacionamento coberto), induzido por um ventilador de impulso (com deflectores), com uma pluma térmica resultante de um foco de incêndio. Aspectos relevantes da simulação são a região onde a fumo se encontra, a concentração do fumo e a sua velocidade de propagação. 4. Comparação das previsões com os dados experimentais disponíveis até à altura e análise crítica dos resultados. 5. Escrita de um relatório do trabalho efectuado Benefícios Esperados Da realização deste projecto espera-se que sejam obtidos os seguintes benefícios: Validação do software para a previsão do escoamento no interior do parque de estacionamento coberto; Estabelecimento de directrizes que posam contribuir para eliminar eventuais situações de insegurança aquando da utilização deste sistema de ventilação; Avaliação do impacto da emissão de fumo proveniente de um foco de incêndio. Será possível prever com maior detalhe eventuais situações de risco para os ocupantes. Análise das simplificações que eventualmente possam ser feitas de forma o optimizar as simulações numéricas realizadas; No geral o que se pretende é a optimização em termos de engenharia da aplicação da ventilação de impulso na limitação do escoamento de fumo e aumento da confiança na segurança desta solução. O que é extremamente importante pois constitui uma forma de assegurar a exigência de estanquidade ao fumo sem ter de se proceder à interposição de barreiras físicas que dificultem a evacuação dos ocupantes e a intervenção dos serviços de emergência. 5

28 1.4. Estrutura do Projecto No primeiro capítulo, é feito uma pequena abordagem sobre os sistemas de ventilação por impulso em parques de estacionamento coberto, com especial atenção para os ventiladores de impulso e comparação com o sistema de ventilação tradicional. No mesmo capítulo é ainda apresentado o âmbito do projecto, os objectivos e os benefícios que se esperam atingir. O capítulo é dedicado ao enquadramento teórico e está dividido em cinco secções. Na primeira secção apresenta-se as equações da mecânica dos fluidos que regem o escoamento turbulento. Na secção. é apresentado o modelo de turbulência que será utilizado para os escoamentos estudos, ao passo que em.3 e.4 apresenta-se as bases teóricas que permitem analisar o campo de velocidade típico gerado por um ventilador de impulso e o escoamento no interior de um parque de estacionamento coberto, respectivamente. No capítulo 3, os resultados da simulação numérica são apresentados e analisados. Este capítulo contém fundamentalmente três secções. O jacto gerado pelos ventiladores de impulso é analisado na secção 3.1, considerando tanto o caso bidimensional como o tridimensional. É ainda efectuada a comparação dos resultados da simulação numérica com os resultados teóricos e com os resultados experimentais até então disponíveis. Na secção 3. são apresentados os resultados obtidos da simulação do escoamento no interior de um parque de estacionamento coberto e é ainda analisado o desempenho dos ventiladores de impulso em condições normais de funcionamento. Em 3.3 é feito uma análise similar, mas agora em condições de incêndio através da imposição de uma fonte de calor. Finalmente apresenta-se as conclusões no capítulo 4. Os resultados experimentais foram obtidos no âmbito de outras tarefas do projecto Ventilação de Impulso em Parques de Estacionamento Cobertos, tendo sido cedidos por um parceiro externo: Laboratório Nacional de Engenharia Civil (LNEC). 6

29 . Enquadramento Teórico.1. Equações de Conservação Para Jacto Turbulento O estudo do escoamento num parque de estacionamento e a simulação da interacção da pluma térmica com o jacto parietal envolve um escoamento tridimensional, trocas de calor, propagação de fumo e vários outros processos físicos. É um escoamento complexo e as grandezas relevantes podem ser descritas através das equações de transporte que descrevem a conservação de massa, quantidade de movimento e energia. O teorema de transporte de Reynolds é utilizado na formulação das leis conservação de massa, de quantidade de movimento e de energia. Na Física e na Engenharia, estas leis são conhecidas, respectivamente, como: lei da conservação da massa, segunda lei de Newton e leis da Termodinâmica. O teorema permite exprimir a lei de conservação de uma variável φ através da seguinte equação geral, aplicada a um volume de controlo fixo arbitrário: dφ = dt d dt r r ( dv) + ρφ( V n)ds ρφ Eq. -1 vc sc Na Eq. -1 Φ é uma grandeza extensiva, φ é a correspondente grandeza intensiva ( φ = dφ dm ou ρφ dv ), ρ é a massa volúmica, V r é a velocidade do escoamento na superfície s, dv é um volume vc de controle elementar e n r é o vector unitário normal à superfície elementar ds. Os subscritos vc e sv significam volume de controlo e superfície de controlo, respectivamente. Salienta-se o facto da variável Φ poder tomar o valor de qualquer grandeza vectorial ou escalar do fluido. O teorema enuncia então que a variação temporal da variável extensiva Φ num sistema equivale à soma da taxa de variação da correspondente variável intensiva φ no interior do volume de controlo mais o fluxo de φ através da superfície de controlo. Substituindo a variável Φ por massa, quantidade de movimento linear/angular ou energia podemos reescrever todas as leis básicas da mecânica dos fluidos em forma de volume de controlo. Do mesmo modo para obter a equação de conservação de substâncias basta substituir a variável Φ pela fracção mássica da substância na mistura. Φ =.1.1 Conservação de Massa A equação de conservação de massa ou equação da continuidade é definida por: dm dt r r ( ρdv) + ρ( V n)ds d = = dt vc Eq. - sc ( Φ = m, φ = 1) Exprime a continuidade da distribuição espacial e temporal da massa para um volume de controlo genérico. 7

30 .1. Conservação de Quantidade Movimento Se substituir na equação de transporte de Reynolds a grandeza extensiva, Φ, por mv r e a correspondente grandeza intensiva, φ, por V r resulta a Eq. -3, que é nada mais que a segunda lei de Newton aplicada a um volume de controlo em movimento. A equação relaciona assim a aceleração de um elemento de fluido com as forças a que esta está sujeito. r dmv = dt F = d dt r r r r ( Vdv) + ρv ( Vrel n)ds vc ( Φ = mv r, φ = V r ) ρ Eq. -3 A variável V r é a velocidade do fluido em relação a um referencial inercial e V r rel a velocidade do fluido relativamente à superfície de controlo. O termo F corresponde à soma vectorial de todas as forças actuantes no volume de controlo: as forças de superfície, as forças de campo e as forças externas aplicadas. A equação pode assim ser decomposta em três equações escalares cada uma correspondendo às coordenadas x, y e z, se considerarmos um referencial cartesiano. No nosso caso a única força de campo (também denominada de força volúmica) de interesse é a força gravitacional definida por F b = gy, onde g é a aceleração gravítica e y a coordenada vertical. A força externa a considerar aplicada ao escoamento é o impulso do ventilador e as forças de superfície podem ser representadas pelo tensor π que para um fluido Newtoniano, caso do ar, toma o valor de (Anderson, 1985): ij sc π ij Vi Pδij + μ x j V j + x V 3 x δ k = ij i k Eq. -4 Onde P é a pressão, μ a viscosidade dinâmica do fluido e δ ij o delta de Kronecker. Procedendo à substituição das forças F b e τ ij, levando em consideração que g e μ são uniformes e que para um escoamento incompressível V =, obtemos as equações de Navier Stokes. ( ρvi ) ( ρv jvi ) P + = t x x j i + x j Vi μ x j V j + x i 3 V x k k δ ij ρg i Eq Conservação de Energia A aplicação do teorema de Reynolds à primeira lei da termodinâmica permite-nos formular a equação de conservação de energia. As variáveis Φ e φ tomam valores de energia, E, e energia por unidade de massa, e, respectivamente. A equação pode ser escrita para um volume de controlo da forma como se segue: de dt = dq dt dw dt = d dt r r ( edv) + ρe( V n)ds ρ Eq. -6 vc sc 8

31 Ou pode ser escrita como (Godinho Viegas, 7): Et t r r Q r r + + r r + ( ue = q + f u Π u t ) ρ Eq. -7 t onde a parcela correspondente aos fluxos difusivos é constituída pelo fluxo de calor q r conduzido através da superfície do volume de controlo e as restantes parcelas do segundo membro são a taxa de calor libertado por unidade de volume devido a agentes externos Q, o trabalho realizado no volume de controlo pelas forças volúmicas f r r e o trabalho realizado no volume de controlo pelas forças superficiais Π A Eq. -7 pode ser simplificada para a forma seguinte (Anderson, 1985): em que h é a entalpia, t ( h) + ( ρu h) = + Γ + + Θ, respectivamente. p h Q ρ i h Eq. -8 xi t xi xi t Γ h a difusividade térmica, i x a coordenada espacial i, ui a componente i da velocidade, p a pressão e Θ o calor equivalente à energia mecânica dissipada no processo de deformação do fluido. A Eq. -8 foi obtida tendo em conta as seguintes considerações: 1. Admite-se que a energia total é constituída apenas pela energia interna, e, e pela energia cinética, de acordo com a expressão: 1 E + t = ρ e uiui Eq. -9. O fluxo de calor conduzido através da superfície do volume de controlo é expresso através da Lei de Fourrier: r q = k T Eq. -1 Sendo k a condutibilidade térmica e T a temperatura: 3. A grandeza de referência utilizada como incógnita na equação de transporte é a entalpia específica, h, definida da seguinte forma, em que c é o calor específico a pressão constante: p p h = e + = c pt Eq. -11 ρ 4. Admite-se que a difusibilidade térmica é directamente proporcional à viscosidade cinemática e estão relacionadas através do número de Prandalt, σ, que aqui se considera constante, de acordo com a expressão: Γ h = k c p μ = σ Eq Nos escoamentos com altas velocidades é necessário considerar a parcela indicada por Θ, que é correntemente designada por função de dissipação e representa o calor equivalente à energia mecânica dissipada, devido à viscosidade, no processo de deformação do fluido: u Θ = μ x i j u j + x i δ ij 3 u x k k u x i j Eq

32 .1.4 Conservação de Espécies Da mesma forma a equação de conservação de uma substância pode ser representada recorrendo à equação de Reynolds. Para isso basta substituir na equação a variável extensiva Φ pela fracção mássica da substância e φ pela correspondente variável intensiva. Do que resulta: dx dt = d dt r r ( xdv) ρ x( V. n)ds + ρ Eq. -14 vc sc.. Modelo de Turbulência No caso de escoamentos turbulentos, as equações de conservação para serem resolvidas numericamente passam por um processo de decomposição em que os valores instantâneos de cada variável são exprimidos como a soma de um valor médio e de uma flutuação. Essa abordagem leva o aparecimento de novas incógnitas (tensões de Reynolds e fluxos turbulentos) que têm de ser tratados em conformidade com um modelo de turbulência adequado. A turbulência foi modelada usando o modelo k-ε padrão e o modelo k-ε realizável. O modelo realizável é uma variante do modelo k-ε padrão, proposta por T.H. Shih (Shih, 1995) que apresenta algumas vantagens em relação ao modelo padrão. Em particular, é bem conhecido que o modelo padrão sobrestima a taxa de dispersão de um jacto de secção circular, enquanto o modelo realizável prevê a taxa de dispersão obtida experimentalmente. No modelo k-ε padrão, as tensões de Reynolds e os fluxos turbulentos são aproximados pelas seguintes expressões: r r ~r ρ v v = μ v Eq. -15 t μt ~ ρ v r φ = φ Eq. -16 σ ϕ em que o escalar φ pode representar y i ou T e μ t é a viscosidade turbulenta. No modelo k-ε padrão, a viscosidade turbulenta é dada por μt = Cμ ρ k ε, em que as médias de Favre da energia cinética turbulenta, k, e da sua taxa de dissipação, ε, são determinadas através das seguintes equações de transporte: ( ρ k ) r r r r + ( ρ v k ) = ( ρ v k ) + ρ μ v v ρ ε t t : Eq. -17 ( ρ ε ) r μt r r + ( ρ v ε ) = ρ ε + ( C1 ρ μt v : v C ρ ε ) ~ t σ k ε ~ ε Eq. -18 O símbolo : identifica a contracção de dois tensores e os valores padrão das constantes do modelo são C μ =.9, C 1 =1.44, C =1.9, σ k =1., σ ε =1.3. 1

33 O modelo realizável difere do modelo padrão em dois aspectos: C μ, que é uma constante no modelo padrão, é uma função das taxas de rotação e de deformação médias, da energia cinética turbulenta, k, e da sua taxa de dissipação, ε, no modelo realizável; a equação de transporte para a taxa de dissipação da energia cinética turbulenta é diferente nos dois modelos. Assim, C μ é dado por: C μ 1 = Eq. -19 ku * A + As ε ~ ~ ~ em que U* S ij S ij + ΩijΩij, Ω ij = Ωij ε ijkωk e Ω ij = Ωij ε ijkωk. Nestas equações ε ijk é o tensor das permutações, S ij é a taxa de deformação média e Ω ij é a velocidade média de rotação num referencial com velocidade angular igual à flutuação da vorticidade, ω k, definida como u m ω k = ε klm Eq. - xl em que u m é a flutuação de velocidade na direcção m. A constante A o é igual a 4,4 e o parâmetro A s é calculado do seguinte modo: s = 1 6 cos cos S ij S jk S ki A Eq. -1 ( ) 3 S ij Sij em que S ij, S jk e S ki são componentes do tensor da taxa de deformação dado por S = 1 r v + r T ( v ) Eq. - A equação de transporte da taxa de dissipação de energia cinética turbulenta tem a seguinte forma: ( ρ ε ) r + ( ρ v ε ) t = μ t ρ ε + ρ σ C S ε ρ C ~ ε 1 ε k + ν ε Eq. -3 em que ν é a viscosidade cinemática e C 1 é calculado como 1 η = max.43, η + 5 sendo η = S k ε e S = S ij Sij. Para além de C 1 e as constantes do modelo são C = 1, 9, σ = 1, e σ = 1,. C Eq. -4 k ε C μ, que foram definidos anteriormente, 11

34 .3. Jacto Livre Axi-Simétrico Um jacto livre axi-simétrico, por definição, implica que o escoamento se processe suficientemente distante de qualquer superfície sólida ou obstáculo de modo a que não haja influência de factores externos no desenvolvimento do jacto, possuindo este um eixo de revolução. A configuração experimental e o sistema de coordenadas a utilizar são os que se apresentam na Figura.1. Figura.1 - Representação de um jacto circular axi-simétrico. Um fluido Newtoniano escoa-se através de um bocal de diâmetro d, com um perfil à saída (aproximadamente) tampão de velocidade U. O jacto proveniente do bocal é descarregado num ambiente que contém o mesmo fluido em todo o seu domínio e o escoamento resultante é estacionário e axi-simétrico. Sendo assim, o escoamento no seio do fluido ambiente é inteiramente devido a fenómenos internos associados a transferência de quantidade de movimento e é função das coordenadas radial e axial, r e x, mas, sendo estacionário e axisimétrico, é independente do tempo e da coordenada tangencial, θ. As componentes do vector velocidade podem ser representadas por U, V e W, correspondendo à velocidade nas direcções x, r e θ respectivamente. O escoamento pode ser totalmente caracterizado pela velocidade à saída do bocal, U, pelo diâmetro do bocal, d, e pela viscosidade cinemática,ν, do fluido. Combinando estes três parâmetros pode-se obter o número de Reynolds, Re = U d ν, que define o escoamento. No entanto, de acordo com as análises feitas (Schneider, 1985; Hussein, 1994), verifica-se que na prática, as características do bocal e do ambiente envolvente têm alguma influência no escoamento. 1

35 .3.1 Descrição do Campo de Velocidades Análise Teórica O campo de velocidades de um jacto livre axi-simétrico é dominado pela componente axial. A componente tangencial, W, é em média nula enquanto que a componente radial é geralmente uma ordem de grandeza inferior à axial. A Figura. ilustra o tipo de perfil radial de velocidade axial característico desse género de escoamentos. Na figura apenas se encontram representados os perfis para x d 3, que corresponde à região onde o escoamento se encontra totalmente desenvolvido. Para a região compreendida entre x d = e x d = 5 o perfil passa de (aproximadamente) tampão para a forma arredondada que se mantém no resto do domínio. Figura. - Perfil radial da velocidade axial de um jacto circular turbulento, Re=955. Nota: As linhas verticais a tracejado indicam a coordenada radial tal que: U ( x, b( x),) = 1 U max ( x) 1/ U ( x,,), ou seja, (x) velocidade longitudinal é metade do valor que se verifica no eixo do jacto. b corresponde à coordenada radial onde a Uma das primeiras conclusões a retirar da Figura. é de que à medida que a distância axial aumenta, a velocidade central do jacto, U ( x), decai. O perfil torna-se sucessivamente mais achatado e b (x) aumenta. max No entanto o perfil adimensional não muda, isto é, para x d 3 as curvas / U max ( x) coincidentes qualquer que seja o valor de x e o perfil torna-se auto-semelhante. U Vs / b( x) r são 13