MODELAGEM DE COMBUSTÃO E COMPORTAMENTO DA FUMAÇA EM AMBIENTES CONFINADOS E SALAS DE CONTROLE Prof. Dr. Guenther Krieger Escola Politécnica da USP Depto. de Engenharia Mecânica Laboratório de Engenharia Térmica e Energia – LETE GSI/NUTAU-USP

Objetivo Apresentar técnicas de modelagem e o uso de programas computacionais para análise do escoamento da fumaça em ambientes confinados.

Por que estudar o movimento da fumaça ? Fumaça mata mais que o fogo; Otimização do sistema de exaustão; Distribuição de velocidades, pressão, temperatura e concentrações no ambiente simulado; Código Prescritivo x Código de Desempenho

Modelos Disponíveis Modelo de Zonas Modelo de Campos

Modelo de Zonas Ambiente é dividido em três a cinco zonas de propriedades constantes; As equações do problema são integradas para estes volumes ou zonas; Mais simples, porém menos preciso, que o Modelo de Campos; Alguns softwares: CFAST, FPETOOL, WPI/FIRE.

Modelo de Campos Ambiente - malha computacional; Equações de conservação de massa, quantidade de movimento, energia e espécies são integradas na malha. Uso de métodos numéricos de mecânica dos fluidos computacional (CFD). Mais preciso, porém de maior custo computacional que o método de zonas.

SUB-MODELOS COMBUSTÃO RADIAÇÃO TURBULÊNCIA

Modelo Matemático Equação de Conservação Genérica: Massa; Quantidade de Movimento; Energia; Transporte de Espécies.

Equações de Conservação: Massa: Momento: Energia: Espécies: Equação de estado:

Modelo Físico Turbulência. Combustão. Radiação.

Turbulência Escoamento laminar versus turbulento. Flutuação das variáveis de interesse: velocidade, pressão, temperatura e concentrações. Largo espectro de escalas de tempo e comprimento: Grandes Escalas – Geometria; Pequenas escalas – Ação molecular Abordagens: estatística versus instantânea

Turbulência Instantânea: Resolução de todas as escalas de tempo Simulação de Grandes Escalas: Filtragem espacial das equações de transporte

Turbulência

Modelo de Combustão Fração de Mistura Conservação da Fração de Mistura Consumo de O2 Taxa de Calor Liberado

Modelo de Radiação Térmica Equação de Transporte da Intensidade de Radiação Intensidade Total de Radiação Fluxo de Calor de Radiação

Simulação Numérica Dinâmica de Fluidos Computacional. ( Computational Fluid Dynamics – CFD ) Simulação versus Experimentos. Simulador FDS – Fire Dynamics Simulator. ( National Institute of Standards and Technology – NIST )

Verificação do Simulador FDS Dados experimentais de velocidade e temperatura para uma dada geometria . Medições feitas por Viegas – LNEC – Lisboa, (1999).

Caso Viegas - Geometria

Caso - Viegas Ambiente - 3.65m x 3.65m Corredor – 1,34m x 10,95m Potência do fogo: 200 kW Tempo de simulação real: 20 s

FDS x Viegas - Velocidades

FDS x Viegas - Temperaturas

Movimentação da fumaça

Aplicações do Modelo de Campos FDS Duto Simples/Duplo para proteção de escada de incêndio com ventilação natural. Influência de aberturas laterais em um átrio.

Duto Simples/Duplo para proteção de escada de incêndio Incêndios em Edifícios. Segurança de Edifícios contra Incêndio. NBR 9077/1993 : ABNT. (Duplo) Código de Obras e Edificações do Município de São Paulo : DLM- 11228 de 25.06.1992. (Simples)

Problema estudado Edifício básico Âmbito do estudo Casos analisados

Casos Estudados Caso 1 – Edifício de 12 pavimentos com um duto de exaustão de fumaça. Caso 2 – Edifício de 12 pavimentos com dois dutos insuflamento/exaustão.

Casos Estudados Caso 1 -Duto único de 0,7m x 1,5m; -Uma grelha de 0,70 m2 por andar; -Duto aberto para a atmosfera na base e no topo – grelhas de 0,25 m2.

Casos Estudados Caso 2 -Duto geminados de 0,7m x 1,5m; -Por andar: uma grelha de insuflamento (inferior) e uma de exaustão (superior); -Duto de insuflamento aberto para a atmosfera na base e fechado no topo; -Duto de exaustão aberto para a atmosfera no topo e fechado na base.

Casos Estudados Foco do incêndio: ambiente Potência do fogo: 5MW Paredes adiabáticas Tempo de simulação do movimento da fumaça: 120s

Resultados - Temperaturas Caso 1 – 24 e 70 segundos

Resultados - Fumaça Caso 1 – 25 e 70 segundos

Resultados - Temperaturas Caso 2 – 24 e 70 segundos

Resultados - Fumaça Caso 2 – 24 e 72 segundos

Movimentação da fumaça -1 Duto

Movimentação da fumaça -2 Dutos

Conclusões Temperatura nas antecâmaras Um duto – temperaturas menores nos ambientes superiores. Fumaça Um duto – contaminação significativamente menor para mesmo intervalo de tempo.

Influência de aberturas laterais num átrio Átrio de 15.0m x 15.0m x 48m. Carga de Incêndio: 14 MW Foco do Incêndio: área de 8 m2 no centro do apartamento contíguo ao átrio. Influência do vento nas aberturas laterais ainda não considerada.

Átrio

Resultados - Temperaturas Átrio – 12 e 30 segundos

Resultados - Fumaça Átrio– 12 e 30 segundos

Movimentação da fumaça

Conclusões Janelas dos andares não influenciam significativamente; Aberturas de exaustão no topo (área total 60 m2 ) não é suficiente para evitar contaminação de fumaça em todo o átrio. Há que se encontrar outra solução – compartimentação, ventilação forçada etc.

O Que é Detecção de Fumaça de Alta Sensibilidade ? Estágios do Incêndio

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HSSD Detecção de Fumaça de Alta Sensibilidade

Identificação do Risco

Comentários Finais Métodos Computacionais (CFD) são já disponíveis e podem auxiliar no projeto de sistemas de segurança contra incêndios. Métodos Computacionais podem substituir ensaios caros em laboratórios. Métodos são constantemente melhorados. Necessidade de ensaios para validação ou decisão final. Detecção: sistemas eficientes já disponíveis

Contato Prof. Guenther C. Krieger Filho Escola Politécnica da USP Depto. de Engenharia Mecânica guenther@usp