CFD modeling of accidental fires in congested scenarios

Tunnel fires play a relevant and peculiar role in transportation safety: historical records have seen a number of accidents and near misses in tunnels, some of which characterized by catastrophic magnitude of the consequences and great public resonance, such as the Mont Blanc Tunnel fire (1999, 39 deaths). In the majority of cases mechanical or electrical failure in a vehicle or an accidental collision between two or more vehicles are at the origin of tunnel fires. Since vehicles have a role in the initiation phase, they will always be present close to the fire and could influence the evolution of the fire phenomenon. However, the effect of the presence of relevant obstacles on the tunnel fires evolution was not previously investigated. Therefore, the focus of this thesis has been the simulation with a computational fluid dynamics software - the Fire Dynamics Simulator (FDS) - of complex systems and congested fire scenarios, with particular attention to the study of tunnel fires and the analysis of the consequences of the evolution of fire effluents in presence of large obstacles. After the simulation of empty tunnel fire configurations, a systematic study of the effect of obstacles and their location on the critical ventilation velocity, a key design parameter, was performed using experimental data from the literature to validate the simulation procedure and to highlight the best strategy for the identification of the critical velocity from simulation results. Henceforth, several obstacles configurations were analyzed in order to identify meaningful trends and strategies in order to rationalize the congestion modeling. To account for the intrinsic complexity of the fire phenomenon, a thorough analysis should take into consideration the effect of thermal loads on structures, as well as of exposure to heat, toxic and irritating gases on the tunnel users’ capability to reach a safe place. A comprehensive methodology providing a synthesis of the information regarding various threats to survival in a tunnel fire scenario in a number of Key Hazard Indicators (KHIs) and in an overall Key Performance Indicator (KPI) was then proposed. Its application is not limited to the consequence analysis, as the methodology can be useful to compare different configurations and strategies of fire prevention and protection, therefore becoming a tool useful for design purposes. The effect of complex geometrical features on real scenarios - such as bypasses located in proximity to the fire - could also be relevant and has been addressed by analyzing and simulating in the experimental data obtained from full scale experimental tests. Finally, the performances of the CFD code used for the simulations, FDS, were compared with the ones obtained from a zone model, in order to evaluate the potential use of the more simplified approach as a screening tool for this kind of scenarios, as well as those obtained using a different CFD code, FLACS, to highlight how the different approximations of the codes influence their applicability and reliability. In summary, the underlying goal of the thesis has been to provide tools for a rational approach towards an effective and safe design, which could benefit from the results of predictive and reliable numerical simulations in order to shift from generic guidelines and prescriptive requirements towards the implementation of the conclusions obtained from the analysis of specific configurations and scenarios.

Gli incendi nei tunnel hanno un ruolo significativo nella sicurezza dei trasporti: dati storici mostrano un numero significativo di incidenti, alcuni dei quali caratterizzati da conseguenze catastrofiche e grande risonanza mediatica, come nel caso dell’incendio del traforo del Monte Bianco. Nella maggior parte dei casi, guasti meccanici o elettrici a veicoli o collisioni accidentali tra gli stessi sono all’origine dei fenomeni di incendio nei tunnel. Visto il ruolo dei veicoli nella fase di innesco dell’incendio, essi saranno presenti vicino al focolaio, ed andranno ad influenzare l’evoluzione dell’incendio stesso. Nonostante ciò, l’effetto della presenza di ostacoli di dimensioni rilevanti sull’evoluzione degli incendi nei tunnel non è stata investigate fino ad ora. Di conseguenza, il focus della tesi sarà la simulazione fluidodinamica –tramite il codice CFD Fire Dynamics Simulator – di sistemi complessi e scenari di incendio congestionati, con particolare attenzione allo studio di incendi nei tunnel e all’analisi delle conseguenze dell’evoluzione dei prodotti di combustione in presenza di ostacoli di dimensioni rilevanti. Ad una serie di simulazioni preliminari di incendi in ambienti confinati ma privi di ostacoli è seguito uno studio sistematico dell’effetto degli ostacoli e della relativa collocazione sulla velocità critica, un parametro critico dal punto di vista del design. Dati sperimentali reperiti in letteratura sono stati usati per convalidare le simulazioni e per identificare la strategia migliore per identificare la velocità critica a partire dai risultati delle simulazioni. In seguito si è proceduto all’analisi di numerose configurazioni di ostacoli con l’obiettivo di identificare andamenti significativi e strategie per razionalizzare la modellazione di gruppi di ostacoli. Per poter tenere in adeguata considerazione la complessità del fenomeno di incendio, un’analisi completa dovrebbe tenere in considerazione l’effetto del carico termico sulle strutture, così come l’esposizione al calore, alla carenza di ossigeno, ai prodotti di combustione tossici ed irritanti sulle capacità degli occupanti il tunnel stesso di raggiungere un’area sicura. È stata quindi sviluppata una metodologia comprensiva, in grado di sintetizzare le informazioni relative alle diverse minacce alla sopravvivenza in caso di incendio in un tunnel in una serie di Key Hazard Indicators (KHIs), a loro volta racchiudibili in un Key Performance Indicator (KPI). L’applicazione della metodologia non è limitata all’analisi delle conseguenze, dato che la stessa trova applicazione nell’analisi comparata di differenti configurazioni e strategie di prevenzione e protezione, divenendo così uno strumento utile con finalità progettuali. L’effetto di configurazioni complesse, geometrie non lineari e delle varie caratteristiche di uno scenario realistico ( ad esempio, i bypass di collegamento tra corsie) sono potenzialmente significativi ed il loro ruolo è stato indagato attraverso la riproduzione di dati sperimentali ottenuti durante una prova eseguita in un tunnel autostradale. In ultima analisi, le performances del codice CFD utilizzato per le simulazioni, FDS, sono state confrontate con quelle ottenute attraverso l’uso di modelli a zona, in modo da indagare la possibilità di utilizzare approcci più semplificati e rapidi con finalità di screening. Il confronto con un altro codice CFD, FLACS, ha permesso invece di apprezzare come le differenti assunzioni ed approssimazioni numeriche dei codici influenzino la relativa applicabilità ed affidabilità. In sintesi, l’obiettivo sotteso alla tesi è stato quello di produrre strumenti per un approccio razionale ad una progettazione al contempo sicura ed efficiente, in grado di beneficiare dei risultati di simulazioni predittive per muovere dall’adesione a linee guida e standard restrittivi verso l’implementazione delle conclusioni ottenute dallo studio delle specifiche configurazioni di interesse.