Simulación numérica de incendios en túneles inclinados

Abstract

En las últimas décadas, el aumento de túneles ha elevado el riesgo de incendios, siendo el humo y los gases liberados altamente peligrosos. Para mejorar la seguridad, se investigan el comportamiento del humo y las temperaturas, empleando sistemas de ventilación natural o mecánica. Sin embargo, la experimentación resulta costosa y contaminante, lo que impulsa el uso de simulaciones numéricas con herramientas CFD como FDS o ANSYS FLUENT. Este proyecto analiza cómo la inclinación del túnel influye en las temperaturas, ventilación y propagación del humo mediante FDS. Como referencia se han simulado tres ensayos de incendio realizados en el Memorial Tunnel (Tests 606A, 610 y 615B) se han evaluado los puntos fuertes y limitaciones de FDS, comparando los resultados con simulaciones de Beyer et al. (2024) en FLUENT. El Memorial Tunnel tiene 853 metros de longitud y 3,2% de pendiente decreciente que ha sido modelada modificando artificialmente el vector gravedad. Se han analizado diferentes configuraciones geométricas y resoluciones de malla, decidiéndose finalmente usar malla de 0.4 por su equilibrio entre precisión, tiempo de simulación y coste computacional. Los resultados revelan que FDS tiende a sobreestimar la capa de retroceso de humo, reafirmando las conclusiones a las que se llegó en la investigación de Beyer et al. y en la investigación de Kevin McGrattan y Matthew Bilson. No obstante, FDS ofrece mayor precisión aguas abajo del incendio, logrando incluso superar a FLUENT en simulaciones con mayor tiempo de simulación. Los resultados también muestran que la pendiente influye sobre todo cerca del fuego, perdiendo relevancia aguas abajo. Se concluye que FDS es eficaz como herramienta predictiva, pese a sus limitaciones geométricas. Para futuros estudios se recomienda explorar modelos híbridos FDS-FLUENT y mejorar la representación geométrica en FDS para reducir errores en la estimación del humo.

In recent decades, the increase in tunnels has raised the risk of fires, with smoke and released gases being highly dangerous. To improve safety, the behavior of smoke and temperatures is investigated, using natural or mechanical ventilation systems. However, experimentation is costly and polluting, which drives the use of numerical simulations with CFD tools such as FDS or ANSYS FLUENT. This project analyzes how the tunnel slope influences temperatures, ventilation, and smoke propagation using FDS. As a reference, three fire tests conducted in the Memorial Tunnel (Tests 606A, 610, and 615B) have been simulated, evaluating the strengths and limitations of FDS and comparing the results with simulations by Beyer et al. (2024) in FLUENT. The Memorial Tunnel is 853 meters long and has a decreasing slope of 3.2%, which has been modeled by artificially modifying the gravity vector. Different geometric configurations and mesh resolutions have been analyzed, finally deciding to use a 0.4 mesh for its balance between precision, simulation time, and computational cost. The results reveal that FDS tends to overestimate the backlayering of smoke, confirming the conclusions reached in the research by Beyer et al. and by Kevin McGrattan and Matthew Bilson. However, FDS offers greater accuracy downstream of the fire, even surpassing FLUENT in simulations with longer simulation times. The results also show that the slope mainly influences the areas close to the fire, losing relevance further downstream. It is concluded that FDS is effective as a predictive tool, despite its geometric limitations. For future studies, it is recommended to explore hybrid FDS-FLUENT models and to improve the geometric representation in FDS to reduce errors in smoke estimation.