Effect of lateral mechanical smoke exhaust on smoke backflow behavior and temperature profile in a mountain tunnel: A numerical investigation and analysis

Resumen Técnico: Efecto de la Extracción de Humos Mecánica Lateral en el Comportamiento del Retroceso de Humos y el Perfil de Temperatura en un Túnel de Montaña

Planteamiento del Problema
Los túneles de montaña suelen utilizar pozos de apertura lateral conectados mediante canales transversales para facilitar la ventilación y la extracción de humo, particularmente cuando las restricciones geológicas o las estructuras existentes impiden la construcción de pozos verticales directos. Si bien existe una investigación extensa sobre el movimiento del humo en túneles convencionales de un solo tubo y en aquellos con sistemas de extracción centralizados montados en el techo, existe una brecha de conocimiento significativa con respecto al comportamiento específico del humo en túneles con pozos de apertura lateral. Los estudios previos se han centrado principalmente en la ventilación longitudinal o la extracción en el techo, dejando insuficientemente comprendidos los campos de flujo asimétricos, la distribución de temperatura y las características de retroceso de capas de humo (back-layering) que son únicos de las configuraciones de pozos laterales. Este estudio aborda la necesidad de cuantificar cómo la extracción mecánica de humo en un pozo de apertura lateral influye en la migración del humo, la atenuación de la temperatura y la longitud del retroceso, en comparación con los métodos tradicionales de extracción en el techo.

Metodología
La investigación empleó una investigación numérica utilizando el Fire Dynamics Simulator (FDS) desarrollado por el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST). El modelo computacional se basó en un levantamiento de un túnel en Shenzhen, que presenta un túnel principal (165 m de largo, 12 m de ancho, 6.6 m de alto) conectado a un canal transversal (12 m × 7.5 m × 4.2 m) y un pozo vertical (42 m de alto).

Los parámetros clave de la simulación incluyeron:

• Escenarios de Incendio: Se simularon cinco Tasas de Liberación de Calor (HRR) (3, 5, 10, 15 y 20 MW) para representar diferentes tamaños de incendios vehiculares.
• Condiciones de Extracción: Las velocidades de extracción de humo mecánico se variaron entre 3 m/s y 5 m/s.
• Independencia de la Rejilla: Se realizó un análisis de sensibilidad de la rejilla, determinando un tamaño de rejilla de 0.25 m para equilibrar la eficiencia computacional con la precisión de la predicción de temperatura.
• Análisis Comparativo: El estudio comparó el rendimiento de un pozo de apertura lateral frente a un pozo de apertura en el techo hipotético con dimensiones geométricas idénticas para aislar los efectos de la conexión lateral.

Contribuciones Clave

1. Identificación de la Asimetría: El estudio elucida la distinta asía en el comportamiento del flujo de humo causada por los pozos de apertura lateral, contrastándola con el flujo axisimétrico observado en los sistemas de extracción en el techo.
2. Modelado Cuantitativo: Se desarrollaron dos modelos empíricos para predecir:
   • La caída de temperatura longitudinal aguas arriba de la fuente de incendio.
   • La longitud del retroceso de la capa de humo bajo condiciones de extracción mecánica lateral.
3. Elucidación del Mecanismo: La investigación aclara el fenómeno de la separación de la capa límite dentro del canal transversal y su impacto en la distribución de temperatura y la acumulación de humo.

Resultados y Análisis

• Asimetría del Flujo de Humo y Temperatura: A diferencia de la extracción en el techo, que produce perfiles de temperatura simétricos, el pozo de apertura lateral crea un campo de flujo altamente asimétrico. El gradiente de temperatura cerca del lado del pozo es significativamente más pronunciado que en el lado opuesto debido a una mayor energía cinética turbulenta. Dentro del canal transversal, ocurre una separación de la capa límite, lo que provoca que el humo se acumule en un lado del canal mientras que el otro permanece como una zona de baja temperatura. El lado específico de acumulación depende de la interacción entre la intensidad de la combustión y la velocidad de extracción; las velocidades de extracción altas con bajas tasas de liberación de calor tienden a concentrar altas temperaturas en el lado izquierdo del canal, mientras que las altas tasas de liberación de calor con bajas velocidades de extracción desplazan la zona de alta temperatura hacia la derecha.

• Decaimiento de Temperatura Longitudinal: El estudio encontró que el decaimiento de la temperatura longitudinal está gobernado primordialmente por la velocidad de extracción de humo mecánico en lugar de la tasa de liberación de calor. La temperatura longitudinal adimensional sigue una función de decaimiento exponencial. Los coeficientes de decaimiento se correlacionaron con la velocidad de extracción mecánica adimensional, revelando que la velocidad de extracción tiene una relación lineal con los parámetros de atenuación. El orden de significancia para los coeficientes de decaimiento se determinó como $t > A > y_0$. Se formuló un modelo empírico para predecir la distribución de temperatura basándose en estos hallazgos.

• Longitud del Retroceso de la Capa de Humo: La longitud del retroceso de la capa de humo (la distancia que el humo recorre aguas arriba contra el viento longitudinal) disminuye a medida que aumenta la velocidad de extracción mecánica. Esto se atribuye al aumento de la presión dinámica generada por la mayor velocidad de extracción, la cual resiste el frente de humo impulsado por la flotabilidad. Por el contrario, mayores tasas de liberación de calor aumentan la flotabilidad térmica, lo que conduce a una mayor longitud de retroceso. El estudio introdujo una velocidad longitudinal inducida para cuantificar el impacto del pozo lateral y derivó una correlación predictiva modificada para la longitud del retroceso de la capa de humo, incorporando un coeficiente de corrección ($\lambda = 3.14$) para dar cuenta de la dinámica específica de la extracción lateral.

Significancia y Reivindicaciones
Los autores afirman que este trabajo proporciona una referencia crítica para el diseño de sistemas de ventilación y extracción de humo en túneles de montaña que cuentan con pozos de apertura lateral. Al demostrar la disparidad en la migración del humo entre los modos de extracción lateral y de techo, el estudio destaca que los sistemas laterales pueden requerir capacidades de extracción mecánica más altas para superar la resistencia incrementada de los pasajes horizontales y gestionar los campos de temperatura asimétricos resultantes. Los modelos empíricos desarrollados para el decaimiento de la temperatura y la longitud del retroceso de la capa de humo ofrecen herramientas prácticas para que los ingenieros evalúen los riesgos de incendio y optimicen los diseños de seguridad en tales geometrías complejas de túneles. El estudio concluye que comprender estos comportamientos de flujo específicos es esencial para la prevención y el control de incendios efectivos en la infraestructura moderna de túneles de montaña.