Modelo zonal para la simulación del movimiento de humos y gases calientes en incendios: aplicación a túneles de carretera

El objetivo de la presente Tesis Doctoral es el desarrollo de un modelo que permita la simulación y análisis de situaciones accidentales con fuego dentro de túneles con ventilación longitudinal. Se trata de predecir las condiciones ambientales que se darán en el interior del túnel, principalmente desde el punto de vista de la seguridad de los usuarios y de los equipos de rescate y extinción, permitiendo tener un método del que se puedan extraer recomendaciones de actuación y planes de evacuación eficientes. Con él se puede conseguir mejorar el diseño del sistema de ventilación para que no sea insuficiente para garantizar la seguridad ni se sobredimensione. En este último caso, sería más caro pero sobre todo podría dar lugar a que se amplificase el efecto de la llama mediante una mayor aportación de oxígeno o a que se propague a obstáculos o vehículos detenidos aguas abajo. El modelo presentado permitirá controlar los humos de forma tal que se cumpla su contención aguas abajo del incendio y, ó, se preserven las rutas de escape en función de la concentración de substancias nocivas, temperatura y visibilidad que permitan la huida. Un sistema como el que se propondrá permitiría realizar estudios paramétricos rápidos y con bajo costo para definir pautas de comportamiento que, en caso de accidente, podrían ser incorporadas al control automático o a los manuales de operación de los túneles. El modelo presentado, sí bien esta dentro de los zonales, más simples y aplicables a casos particulares, refleja la realidad con mayor exactitud que los existentes hasta el momento. Se trata de un modelo aproximado basado en la división del túnel en dos zonas: el penacho, aguas arriba del punto en que los humos impactan con el techo, y una segunda zona de difusión, aguas abajo de dicho punto. La zona del penacho se trata, mediante un modelo unidimensional pero no unidireccional, resolviendo las ecuaciones de conservación para el caso turbulento con combustión y radiación. La difusión se estudia como un problema unidireccional incompresible, resolviendo la correspondiente ecuación de conservación de la energía. El problema así tratado puede incorporar ciertos fenómenos, como la radiación o la transmisión de calor a paredes, tratados solamente de forma indirecta por otros modelos. También, se propone un método de cálculo de la radiación incidente, desde la llama, humos y paredes, sobre una superficie que represente a una persona u objeto atrapado aguas abajo del incendio. El programa zonal se ha validado con resultados experimentales procedentes de los ensayos del túnel de la carretera M-111 a su paso bajo el aeropuerto de Madrid-Barajas. Además, el modelo presentado se ha comparado con resultados numéricos obtenidos de simulaciones tridimensionales con los códigos FLUENT, PHOENICS y SOLVENT. Las comparaciones muestran una muy buena aproximación tanto con los valores experimentales como con los numéricos. No se llega a conseguir reproducir fenómenos locales pero si se alcanza una muy aceptable aproximación a los valores globales necesarios para los estudios de seguridad planteados. En la actualidad, a la hora de realizar una simulación precisa sobre este campo, hay que acudir a códigos comerciales cerrados y usar diferentes modelos para simular flujos turbulentos con combustión, utilizando técnicas de dinámica de fluidos computacional. El empleo de estos programas puede precisar de potentes estaciones de trabajo, las cuales no están a disposición de ciertos usuarios, y consumir un gran tiempo de cálculo (varias semanas para alcanzar en un solo caso a estudio resultados aplicables). El modelo presentado se concreta en un programa que permite, con un coste computacional y de tiempo reducido, estudiar el régimen estacionario, y dar una aproximación para el transitorio, de las variables más importantes desde el punto de vista de la seguridad

Study of the dispersion of natural gas issuing from compressor stations through silencers with upper cover

The aim of the present study is the simulation of the dispersion of natural gas issuing from the silencer of compressor stations during vent operations. The objective is to analyze the dispersion of the gas emitted under different conditions of mass flow rate at the exit and ambient cross-flow velocity. We have considered a silencer with an upper cover to protect it from the rain and the fall of objects. The influence of the upper cover of the silencer on the dispersion of natural gas has also been studied, and non-dimensional approaches of the model have been proposed to simplify the problem. Seven different cases have been solved, using two models: a 3D model based on the commercial code FLUENT, and a simplified quasi-one-dimensional model. The results obtained in both cases have been compared, and the range of validity of the one-dimensional model in non-dimensional form has been discussed

Determination of the heat release rate inside operational road tunnels by comparison with CFD calculations

Usually, during a fire inside a tunnel, the average heat release rate (HRR) is estimated according to the type of vehicle. Frequently, the overall HRR is considered, however it is also necessary to know its time evolution to design real time systems, particularly ventilation, which respond to fire events or signals as fast as possible. Nowadays, there is not a well established and generally accepted procedure to know the power liberated at each instant of time inside an operational tunnel. That procedure could help in taking the correct actions to adapt the tunnel ventilation in order to diminish the effects of the fire and the smoke. This work shows a method to calculate the heat release rate using sensors that can be installed inside an operational road tunnel. Besides, the location of the fire could also be calculated accurately and quickly. To achieve the previous purposes, a stationary database that depends on HRR, its location, and the ventilation speed is calculated with CFD programs; the data are compared with temperatures measured by the sensors located inside the tunnel. The program used to generate the database is the simplified model UPMTUNNEL. The predictions of the model are compared with the results of calculations carried out using the general purpose code FLUENT, and with measurements done in a tunnel with a real fire, produced with a fuel tray

Efectos topográficos en el recurso eólico.

Para el diseño de parques eólicos es de interés conocer la producción de energía eléctrica de las turbinas eólicas, o aeroturbinas, así como las cargas que pueden sufrir las mismas limitando su vida útil. La producción de energía está ligada a la intensidad del viento incidente, y la vida útil de las aeroturbinas al grado de agitación turbulenta del viento. El grupo de Mecánica de Fluidos Aplicado a la Ingeniería Industrial de la UPM, ha desarrollado programas informáticos para estimar la magnitud del viento y la intensidad de la turbulencia, en función de las características del terreno y de la distribución de las turbinas en el parque eólico, utilizando para ello modelos numéricos que simulan el movimiento turbulento de los fluido

Efecto de las estelas en los parques eólicos

Para el diseño de parques eólicos es de interés conocer la producción de energía eléctrica de las turbinas eólicas, o aeroturbinas, así como las cargas que pueden sufrir las mismas limitando su vida útil. La producción de energía está ligada a la intensidad del viento incidente, y la vida útil de las aeroturbinas al grado de agitación turbulenta del viento. El grupo de Mecánica de Fluidos Aplicado a la Ingeniería Industrial de la UPM, ha desarrollado programas informáticos para estimar la magnitud del viento y la intensidad de la turbulencia, en función de las características del terreno y de la distribución de las turbinas en el parque eólico, utilizando para ello modelos numéricos que simulan el movimiento turbulento de los fluidos

Modelos numéricos para el estudio de incendios en túneles

Si se estudian los distintos métodos existentes actualmente para el estudio del comportamiento de los incendios en túneles no parece que se disponga de una solución única y definitiva. Tanto los métodos numéricos como los modelos fisicos a escala tienen sus limitaciones y ventajas. Por tanto, puede decirse que se trata de enfoques complementarios y que deben emplearse todos cuando la importancia de la obra así lo requiera.Desde el punto de vista del proyecto cabe indicar la necesidad de que los cálculos no se limiten al dimensionamiento del sistema de ventilación sino que incluyan pautas de actuación sencillas que puedan ser seguidas de forma refleja por los responsables del Centro de Control en los primeros momentos del incendio ya que ello es clave en el éxito del proceso de evacuación. En este sentido es perentorio el desarrollo de simuladores numéricos que puedan ser utilizados en el entrenamiento y formación de los operadores del Centro de Control

Study of isolated wakes and their superposition in wind farms, using different turbulence models

Different models to simulate wakes in wind farms are reviewed [1], [2]. Special emphasis is put in those elaborated by the authors. First, kinematic models, based on self-similar velocity deficit profiles and global momentum conservation, are briefly revisited. Then, field models of a different degree of complexity, which solve numerically the flow equations with several types of simplifications and turbulence closure models, are analyzed and compared. Models like Ainslie´s that uses a simple algebraic expression for the eddy viscosity, and are still widely used, are compared to other more complete models like UPMWAKE, which uses a k-ε turbulence closure. Ground effect, simulation of atmospheric conditions, atmospheric stability, simulation of turbulence characteristics, wake superposition and computer time consumed, will be used as terms of comparison. Results of an algebraic Reynolds Stress Model will also be presented, and compared with those of the k-ε turbulence closure. Then a comparison will follow of elliptic and parabolic models, and how boundary conditions at the disk are imposed. A discussion on the displacement of the wake origin for parabolic models will be made. The simplicity and computer time consumed to simulate wake superposition in whole large wind farms of the elliptic and parabolic models will be analyzed and compared. Results of a large eddy simulation model will also be presented and compared to those of previously mentioned models [3]. Wake meandering, and its role in wake turbulence generation when using simpler eddy viscosity models will be analyzed, and compared with other mechanisms of turbulence generation. The possibility and convenience of introducing unsteady terms in parabolic field models of wind farms, like UPMPARK, and thus simulate wake meandering will be discussed. Results of UPMPARK with and without meandering will be compared with available experimental data

Numerical Simulation of the Aerodynamic Behavior of High Velocity Trains under Synthetic Crosswinds of Different Shear and Turbulence Characteristics

A numerical simulation of the aerodynamic behavior of high-speed trains under synthetic crosswinds at a 90º yaw angle is presented. The train geometry is the aerodynamic train model (ATM). Flow description based on numerical simulations is obtained using large eddy simulation (LES) and the commercial code ANSYSFluent V14.5. A crosswind whose averaged velocity and turbulence characteristics change with distance to the ground is imposed. Turbulent fluctuations that vary temporally and spatially are simulated with TurbSim code. The crosswind boundary condition is calculated for the distance the train runs during a simulation period. The inlet streamwise velocity boundary condition is generated using Taylor?s frozen turbulence hypothesis. The model gives a time history of the force and moments acting on the train; this includes averaged values, standard deviations and extreme values. Of particular interest are the spectra of the forces and moments, and the admittance spectra. For comparison, results obtained with LES and a uniform wind velocity fluctuating in time, and results obtained with Reynolds averaged Navier Stokes equations (RANS), and the averaged wind conditions, are also presented