Validation of computational fluid dynamics methodology for road tunnel fire scenarios

The severe consequences of road tunnel fires have led researchers, designers, operators, contractors, fire brigades to investigate the best safety design strategies for the entire tunnel’s life cycle (design, construction, operation and maintenance), taking also into consideration the current regulations, i.e European Union (EU) Directive (2004/54/EC) and looking for the minimum impact over the people, the environment and the loss of property. This thesis describes the analysis of the fire scenarios inside road tunnel environments using a computational fluid dynamics (CFD) methodology and comparing the obtained predictions from the model with the available experimental measurements of pool fires in small-scale road tunnel’s scenarios (from a previous research project: PRIN 2006 - An agreement between Padua and Trento Universities with the support of Venice Fire Brigade). The Fire Dynamics Simulator (FDS) is the used software to obtain the temperature profiles and the smoke behavior. The numerical model solves three-dimensional, time-dependent Navier–Stokes equations, coupled with submodels for soot formation and thermal radiation transfer. The smoke movement is modelled as an unsteady process, from the time of ignition until convergence to a quasi-steady state. Five different pool fire diameters have been simulated inside the model (40 mm, 50 mm, 62 mm, 80 mm, 100 mm) under natural ventilation conditions. The validation of the computational code has considered a sensitivity analysis where different parameters have been taking into account: the choice of the computational domain, the grid size, the ramp of the Heat Released Rate per unit of Area. Results from simulations evidence a good agreement between model predictions when were compared with the available data from the scale tunnel’s experimental measurements. This result supports the convenience of CFD methodology’s application in case of tunnel fire scenarios (having in mind that models must always to be validated with experimental data). Furthermore, it helps to carry out the evaluation of the associated risk with fires in road tunnels, as recommended by legislation.

Le gravi conseguenze rivelate durante e dopo gli incendi in gallerie stradali hanno portato ai progettisti, ricercatori, operatori, vigili del fuoco a studiare le migliori strategie di messa in sicurezza per tutte le fasi di ciclo di vita di una galleria (progettazione, costruzione, messa in opera, funzionamento e manutenzione), considerando come priorità il minimo impatto sulle persone, sulle strutture e sull'ambiente, nel pieno rispetto della normativa vigente, sia di carattere tecnico, sia di carattere legislativo, come ad esempio la direttiva 2004/54/EC dell’Unione Europea in materia di sicurezza. Il presente lavoro di tesi analizza diversi scenari di incendi localizzati all'interno di una galleria stradale sfruttando l’utilizzo dei modelli di Fluidodinamica Computazionale (CFD). La convalida del modello formulato prevede evidentemente il confronto con dei dati esperimentali, i cui sono resi disponibili da un progetto di ricerca effetuato in precedenza (PRIN 2006: Un convegno tra l’Università di Padova e l’Università di Trento, con l’aiuto dei Vigili del fuoco di Venezia). Il modello viene sviluppato con il software FDS (Fire Dynamics Simulator) con cui se ottengono i diversi profili di temperatura e gli andamenti dei fumi dentro la galleria per tutti i diversi scenari. Il modello matematico prevede la risoluzione delle equazioni di Navier-Stokes dipendenti del tempo e dello spazio tridimensionale, accoppiate con dei sotto-modelli che descrivono la formazione di fuliggine e dei fenomeni di trasferimento di radiazione termica. La modellazione del movimento del fumo è considerata come un processo non-stazionario proprio dal tempo di accensione della fiamma fino ad arrivare a convergenza (stato quasi-stazionario). Dentro il modello matematico sono stati considerati cinque diversi scenari di incendio, con diametri di pozza equivalenti a 40 mm, 50 mm, 62 mm, 80 mm e 100 mm, sotto condizioni di ventilazione naturale. La convalida del codice di calcolo ha previsto un’analisi di sensibilità in cui diversi parametri sono stati presi in considerazione: la scelta del dominio di calcolo, la raffinatezza della griglia intorno alla pozza, la rampa della potenza termica per unità di superficie considerata. I risultati ottenuti dalle simulazioni sono stati confrontati con dei dati esperimentali disponibili. In termini generali, i risultati riflettono in maniera molto adeguata i profili di temperatura e l’andamento del fumo. Questa conclusione serve come supporto per raffermare l’utilità e la convenienza sull'uso di metodologie CFD in casi di incendi in gallerie stradali, e come un primo approccio per studiare come si comporterebbe l’incendio quando deva effettuarsi la valutazione dei rischi associati come raccomandato dalla normativa (e non ci siano disponibili dati di riferimento). E’ importante sottolineare che i modelli CFD, in qualunque caso, non possono sostituire mai il lavoro esperimentale.