An experimental and numerical study on the smoke layer growth and movement within large-volume spaces : atrium fires

Abstract

Esta tesis se centra en el estudio de incendios en atrios. Para ello, se presentan 27 nuevos ensayos experimentales de incendio en un atrio a escala real, así como una serie de modelos numéricos CFD (Computational Fluid Dynamics). Además, con el fin de reducir el alto coste computacional que requiere la simulación de estos grandes volúmenes, se propone una nueva metodología basada en el método de Diseño Factorial Fraccional (FFD) con el fin de predecir escenarios de incendios. Para finalizar, con el objetivo de verificar la normativa existente, se ha realizado un análisis de la influencia que tienen las entradas de aire en la producción de humo. La tesis comienza con una visión en conjunto del sistema de gestión de humos en atrios en el que se detallan los parámetros de riesgo en un incendio, además de las principales etapas de los mismos y los fenómenos que pueden tener lugar por la activación de dicho sistema. Posteriormente, se presenta una revisión del estado de la cuestión sobre incendios en atrios en relación a la producción de humo y a la extracción del mismo, complementándose con los escasos trabajos experimentales a escala real en atrios. Estas revisiones facilitan el marco en el que se encuentran las investigaciones desarrolladas a lo largo de la tesis. A continuación, se describen exhaustivamente los ensayos a escala real desarrollados en el “Atrio del Fuego”, que se encuentra emplazado en Murcia (España), y se detallan los diferentes sensores y aparatos de medida utilizados. Los resultados experimentales sirven tanto de referencia para los modelos numéricos, así como para profundizar en el conocimiento sobre la respuesta del humo ante diferentes condiciones de entrada de aire y caudales de extracción de humo variables en el tiempo. Se elaboran y ajustan los modelos numéricos en base al programa más utilizado en el campo de simulación de incendios, FDS (Fire Dynamics Simulator, versión 6), y de esta forma se valida dicha herramienta en el campo de la simulación del movimiento de humo en atrios, prestándose especial atención a la respuesta del humo ante variaciones temporales de la tasa de extracción. Además, se comprueba que cuando la tasa de liberación de calor medida experimentalmente se introduce en los modelos, éstos predicen correctamente los diferentes escenarios. Posteriormente, y como consecuencia del elevado coste computacional que conllevan las simulaciones de incendios en atrios, se presenta una innovadora metodología, basada en el método FFD, para resolver con precisión nuevos escenarios. En función de la variable de interés elegida, como por ejemplo el descenso de la capa de humos, esta metodología caracteriza la influencia de cada uno de los principales factores que definen el escenario de incendio, tales como la tasa de liberación de calor o la tasa de extracción, entre otros. Con el fin de validar la metodología aquí propuesta, se han contrastado los resultados con los ensayos a escala real anteriormente mencionados, además de con los modelos de FDS ajustados para esos experimentos. Se demuestra, por tanto, que esta metodología no sólo permite el desarrollo de análisis de sensibilidad específicos, sino que también predice el comportamiento de la temperatura y de la altura de la capa de humos con precisión. Asimismo, se aborda la influencia de la entrada de aire en la producción de humo. Por un lado, se muestra una comparación numérico-experimental de los efectos de una extensión del dominio en las entradas de aire en las simulaciones detallando los casos en los que se recomiendan. Por otro lado, se estudian numéricamente las perturbaciones en la llama y el penacho causados por los patrones de flujos inducidos por la entrada de aire en el escenario de incendio, centrándose en la velocidad de entrada de aire, la distribución de las entradas y la localización del incendio. De este estudio, se verifica la necesidad de tener en cuenta este parámetro en el control de humos. Para ello, se recomienda el uso de configuraciones simétricas, con velocidades de entrada por debajo del límite establecido en la normativa. Sin embargo, en casos asimétricos, se observa la aparición de grandes perturbaciones en la llama, que hace que este límite deba ser analizado más detalladamente.

This thesis aims to assess smoke behaviour in atrium fires. To this end, 27 new full-scale experimental fire tests in an atrium and a series of numerical Computational Fluid Dynamics (CFD) models are presented. Moreover, with the aim of reducing the excessive computational cost that the simulation of these large volume spaces require, a new methodology based on the Fractional Factorial Design (FFD) is proposed to predict fire scenarios. Finally, with the objective to verify the existing codes and standards, an analysis of the influence of the make-up air on smoke production is performed. The thesis starts with an overview of smoke management systems. This overview identifies smoke hazard parameters, and describes the main fire stages as well as the most important fire phenomena when this system is activated in atrium fires. Subsequently, a literature review of atrium fires involving smoke production and exhaust is provided, being complemented with a review of the few full-scale fire tests carried out in atria reported in the literature. These revisions provide the framework of the research hereinafter carried out. Next, the novel full-scale fire tests carried out in the ``Fire Atrium'', located in Murcia (Spain), are exhaustively described, including the different devices and sensors employed. The experimental results serve as a benchmark data for numerical modelling as well as for profound understanding of the smoke behaviour under both different make-up air conditions and steady and transient exhaust flow rates. The numerical models are elaborated and adjusted using Fire Dynamics Simulator (FDS, version 6), which is the main fire modelling software, in order to be validated as a tool to simulate the smoke behaviour in atrium fires. Particular emphasis is placed on the smoke response under different transient exhaust flow rates. The results show that, when the experimentally measured heat release rate (HRR) is introduced as an input to the models, fire scenarios are accurately reproduced. In order to mitigate the excessive computational cost of the atrium fire simulations, a novel methodology based on a set of short-listed simulations defined by the FFD method to predict atrium new fire scenarios is presented. Once a variable of interest in an atrium fire scenario is identified, such as the smoke layer drop, this methodology shows the influence on this variable of each of the main factors that define the fire scenario, such as the HRR or the exhaust flow rate, among others. Furthermore, in order to validate the proposed approach, a comparison with the aforementioned full-scale fire tests is performed, also considering the specific corresponding FDS models. The use of this methodology allows performing representative sensitivity analyses and also the precise prediction of smoke temperatures as well as the smoke layer position in case of atrium fires. Finally, the thesis addresses the make-up air influence on the smoke production by the flow patterns generated around the flame. On the one hand, a numerical-experimental comparison shows the effects of the domain extensions at the openings in the simulations and the cases in which its use is strongly recommended. On the other hand, the fire plume and flame deflections caused by the flow patterns induced by the make-up air are evaluated numerically in detail focusing on the inlet velocity, opening distribution and the pan location. From this study, symmetric opening distributions are recommended, with inlet velocities below the prescribed limit by the codes and standards. However, in asymmetric inlet distributions, important flame perturbations are encountered implying that a further analysis of this prescribed limit is advisable.