Downstream flow-field characteristics of a mobile positive-pressure ventilation smoke-exhaust fan in building corridors

عندما تندلع حريق داخل مبنى، غالبًا ما يكون الدخان أكثر خطورة من اللهب نفسه؛ فهو يملأ الممرات والغرف، مما يحجب الرؤية ويجعل من المستحيل على الناس الهروب أو على رجال الإطفاء التقدم للأمام. ولمواجهة ذلك، يستخدمت الفرق تكتيكًا يُسمى التهوية بالضغط الإيجابي. تخيل مروحة صناعية قوية وُضعت عند مدخل ممر، تدفع الهواء النقي للداخل بقوة تجعلها تخلق منطقة ضغط مرتفع. يعمل هذا الضغط مثل مكبس، يدفع الدخان السام أمامه وإلى الخارج عبر فتحة في الطرف البعيد من المبنى. والهدف هو تمهيد مسار للإخلاء والإنقاذ. ومع ذلك، فإن الهواء الخارج من المروحة لا يسير في خط مستقيم وممل فحسب، بل يتصرف مثل نهر هواء معقد ومتدفق، يتغير شكله وسرعته واتجاهه بناءً على كيفية توجيه المروحة وكيفية توجيه الجدران المحيطة به. فإذا وُجهت المروحة للأعلى كثيرًا، فقد يصطدم الهواء بالسقف وينتشر مبكرًا جدًا، مما يترك الجزء السفلي من الممر مليئًا بالدخان. وإذا وُجهت للأسفل كثيرًا، فقد يصطدم الهواء بالأرض ويفقد قوته. إن فهم كيفية تحرك "نهر الهواء" غير المرئي هذا بدقة أمر بالغ الأهمية لإنقاذ الأرواح، ومع ذلك، ظل السلوك الدقيق لهذه المراوح في الممرات الضيقة لغزًا إلى وقت قريب.

وضع فريق من الباحثين هدفًا يتمثل في رسم خريطة لهذا التدفق غير المرئي بدقة رسامي الخرائط الذين يرسمون خط ساحلي جديد. وقد ركزوا على نوع محدد من المراوح المتنقلة التي يستخدمها رجال الإطفاء، واختبروا كيفية تصرف الهواء عند إمالة المروحة للأعلى بزوايا مختلفة. ولتحقيق ذلك، جمعوا بين نهجين: بنوا نموذجًا كامل الحجم لممر في مختبر، وأجروا تجارب حقيقية باستخدام مروحة فعلية، كما أنشأوا "توأمًا رقميًا" مفصلاً لنفس هذا الإعداد باستخدام برنامج حاسوبي متطور مصمم لمحاكاة الحريق والدخان. وفي اختباراتهم الفيزيائية، وضعوا المروحة على أرضية ممر طويل وضيق، وأمالوها للأعلى بزاوية خمس عشرة درجة. ثم استخدموا أدوات حساسة لقياس سرعة الهواء عند نقاط مختلفة على الأرض والجدران والسقف، مما خلق صورة كاملة لرحلة الرياح. وكرروا هذه العملية في المحاكاة الحاسوبية، مع ضبط المروحة الافتراضية لتطابق المروحة الحقيقية، ثم قارنوا النتائج الرقمية بالقياسات الفيزيائية للتأكد من أن الحاسوب يقول الحقيقة.

كشفت النتائج عن قصة واضحة ومتوقعة حول كيفية تحرك الهواء. فعندما أُميلت المروحة للأعلى بزاوية خمس عشرة درجة، اندفع تيار الهواء وقطع مسافة كبيرة قبل أن يبدأ في التغير. ففي الأمتار القليلة الأولى، تحرك الهواء كقلب مركز وسريع الحركة. ومع تقدمه أكثر، بدأ يرتفع وتلامس في النهاية السقف. وبمجرد اصطدامه بالسقف، لم يرتد الهواء، بل التصق بالسطح وانتشر أفقيًا، مشكلًا طبقة من الهواء سريع الحركة تلتصق بسقف الممر. كان هذا "النفث السقفي" أمرًا حاسمًا لأنه دفع الدخان للخارج مع الحفاظ على الجزء السف "من الممر خاليًا ليتمكن الناس من التنفس. ووجد الباحثون أنه عند زاوية الخمس عشرة درجة هذه، حافظ الهواء على قوته لأطول فترة ممكنة، حيث وصل إلى ستة أمتار في الممر بتدفق ثابت ومنتظم غطى عرض الممر بأكمله.

ثم اختبر الفريق ما يحدث عند إمالة المروحة بشكل أكثر حدة، إلى ثلاثين درجة ثم إلى خمس وأربعين درجة. أظهرت عمليات المحاكاة الحاسوبية أنه مع زيادة الزاوية، يصطدم الهواء بالسقف في وقت أقرب. فعند زاوية ثلاثين درجة، لامس الهواء السقف عند حوالي ثلاثة أمتار من المروحة، وعند زاوية خمس وأربعين درجة، ارتطم بالسقف على بعد مترين فقط. وبينما قد يبدو الاصطدام بالسقف مبكرًا أمرًا مفيدًا، وجد الباحثون أنه يضر في الواقع بأداء المروحة. فعندما يصطدم الهواء بالسقف مبكرًا جدًا، يفقد الكثير من زخمه الأمامي؛ إذ ينتشر على طول الجزء العلوي من الممر ولكنه يصبح ضعيفًا ورقيقًا، ويفشل في الدفع بفعالية نحو الطرف البعيد من الممر. وفي الاختبار الأكثر حدة، بقي الجزء السفلي من الممر بدون تدفق هواء يُذكر، مما يعني أن الدخان سيظل عالقًا بالقرب من الأرض حيث يزحف الناس للهروب. وأظهرت البيانات أن السرعة القصوى للهواء تنخفض مع زيادة الزاوية، وأن المسافة التي يمكن للهواء قطعها قبل أن يفقد قوته تقصر بشكل كبير.

أكدت الدراسة أن النموذج الحاسوبي كان دقيقًا للغاية، حيث طابق القياسات الواقعية بهامش خطأ صغير جدًا. وهذا يعني أن رجال الإطفاء والمهندسين يمكنهم الآن الاعتماد على هذه المحاكاة الرقمية للتنبؤ بكيفية تصرف المروحة في مواقف مختلفة دون الحاجة لبناء ممر اختبار فيزيائي في كل مرة. وأهم استنتاج هو وجود "نقطة مثالية" لتوجيه هذه المراوح؛ إذ إن إمالة المروة للأعلى بزاوية تتراوح بين خمس عشرة إلى ثلاثين درجة يسمح للهواء بالانتقال لمسافة كافية لتطهير الدخان مع الحفاظ على سرعة كافية لتغطية الممر بأكره. أما إمالتها بأكثر من ذلك، فيجعل الهواء يهدر طاقته في وقت مبكر جدًا. يوفر هذا الاكتشاف قاعدة عملية واضحة لرجال الإطفاء: لتطهير ممر بفعالية، يجب عليهم توجيه المروحة للأعلى قليًا، ولكن ليس بشدة كبيرة، لضمان وصول الهواء إلى طول الممر بالكامل قبل أن ينتشر. ومن خلال فهم هذه القواعد البسيطة لتدفق الهواء، يمكن للأشخاص الذين يدخلون المباني المشتعلة القيام بذلك بثقة أكبر، مدركين أن الهواء الذي يدفعونه سيصل إلى الدخان ويمهد الطريق لمن يحتاجون للهروب.