Smoke Temperature Characteristics in Longitudinally ventilated mountain Tunnels featuring on Lateral-opening Vertical Shaft
यह अध्ययन विभिन्न अग्नि आकारों और वेंटिलेशन स्थितियों के तहत पार्श्व-खुले ऊर्ध्वाधर शाफ्ट वाले अनुदैर्ध्य रूप से वेंटिलेटेड पर्वतीय सुरंगों में धुएं के तापमान वितरण की प्रयोगात्मक जांच करता है, और अंततः बेहतर अग्नि सुरक्षा प्रणाली डिजाइन के लिए अधिकतम अतिरिक्त और अनुदैर्ध्य तापमानों की भविष्यवाणी करने के लिए अनुभवजन्य सहसंबंध विकसित करता है।
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जब किसी ऊंचे पहाड़ के भीतर स्थित सुरंग में आग लगती है, तो सबसे बड़ा खतरा अक्सर लपटों से नहीं, बल्कि उसके पीछे आने वाले घने, अत्यधिक गर्म धुएं से होता है। यह धुआं ऊपर उठता है, छत से टकराता है, और सुरंग की पूरी लंबाई में तेजी से फैलता है, जिससे एक प्रबंधनीय घटना भी उन लोगों के लिए घातक जाल बन जाती है जो बाहर निकलने की कोशिश कर रहे हों या बचाव दल जो अंदर प्रवेश करने की कोशिश कर रहे हों। इन सुरंगों को सुरक्षित रखने के लिए, इंजीनियर वेंटिलेशन सिस्टम (वातन प्रणाली) पर भरोसा करते हैं जो एक छोर से ताजी हवा अंदर धकेलता है और दूसरे छोर से धुएं को बाहर खींच लेता है। हालांकि, कई आधुनिक पहाड़ी सुरंगें इतनी लंबी होती हैं कि उन्हें सिरों पर लगे साधारण पंखों द्वारा वेंटिलेट नहीं किया जा सकता। इसके बजाय, उन्हें ऊर्ध्वाधर शाफ्ट (vertical shafts) के साथ बनाया जाता है जो सतह तक ऊपर जाते हैं, और एक क्षैतिज डक्ट (horizontal duct) के माध्यम से मुख्य सुरंग से जुड़े होते हैं। ये शाफ्ट विशाल चिमनियों की तरह कार्य करते हैं, जो गर्म हवा के प्राकृतिक उत्थान का उपयोग करके धुएं को बाहर खींचने में मदद करते हैं। लेकिन जब किसी ऐसे शाफ्ट के पास आग लगती है, तो शाफ्ट में ऊपर खींचे जा रहे धुएं और सुरंग के साथ आगे बढ़ रही हवा के बीच की अंतःक्रिया एक जटिल और अप्रत्याशहार्य प्रवाह पैदा करती है। इन विशिष्ट परिस्थितियों में धुआं कितना गर्म होगा, इसे सटीक रूप से समझना महत्वपूर्ण है, क्योंकि तापमान ही यह निर्धारित करता है कि डिटेक्टर कितनी जल्दी अलार्म बजाएंगे और संरचना अपने विफल होने से पहले कितनी देर तक गर्मी को सहन कर सकती है।
चीन के विश्वविद्यालयों के शोधकर्ताओं ने एक ऊर्ध्वाधर शाफ्ट से सुसज्जित एक पहाड़ी सुरंग का सटीक, एक-दशांश (one-tenth) स्केल का मॉडल बनाकर इस छिपे हुए व्यवहार का मानचित्रण करने का निर्णय लिया। अपने प्रयोगशाला में, उन्होंने 16.5 मीटर लंबी एक सुरंग बनाई और एक 4.2 मीटर ऊंचा ऊर्ध्वाधर शाफ्ट स्थापित किया, जो एक पार्श्व डक्ट (side duct) से जुड़ा था। उन्होंने अलग-अलग आग की तीव्रता का अनुकरण करने के लिए विभिन्न आकारों की वर्गाकार ट्रे में डीजल ईंधन जलाकर आग के स्रोत को इस कनेक्शन के ऊपरी प्रवाह (upstream) में रखा। वास्तविक दुनिया की स्थितियों की नकल करने के लिए, उन्होंने सुरंग के माध्यम से हवा की एक स्थिर धारा बनाने के लिए शक्तिशाली पंखों का उपयोग किया, और साथ ही, अलग-अलग गति से ऊर्ध्वाधर शाफ्ट से हवा को ऊपर खींचने के लिए एक यांत्रिक प्रणाली का उपयोग किया। उन्होंने छत के ठीक नीचे दर्जनों छोटे तापमान सेंसर लगाए ताकि वे यह रिकॉर्ड कर सकें कि पंखों की गति और आग के आकार को समायोजित करने पर गर्मी कैसे चलती और बदलती है।
प्रयोगों से पता चला कि जब ये दो वेंटिलेशन बल मिलकर काम करते हैं, तो धुआं कैसे व्यवहार करता है, इसमें एक स्पष्ट पैटर्न है। जब शाफ्ट के माध्यम से धुआं ऊपर खींचने वाले यांत्रिक पंखे चालू किए गए, तो छत के ठीक नीचे धुएं का तापमान गिर गया। यह शीतलन प्रभाव शुरू में पंखे की गति बढ़ने के साथ तेजी से हुआ, लेकिन फिर शीतलन की दर धीमी हो गई, जिससे पता चलता है कि वेंटिलेशन द्वारा धुएं को ठंडा करने की एक सीमा होती है। आग का आकार भी एक प्रमुख भूमिका निभाता था, लेकिन केवल विशिष्ट क्षेत्रों में। आग के पास ही, एक बड़ी आग के कारण तापमान में भारी उछाल आया। हालांकि, जैसे-जैसे धुआं आग से दूर जाता है, एक छोटी आग और एक बड़ी आग के बीच तापमान का अंतर बहुत कम हो जाता है। ऐसा इसलिए होता है क्योंकि गर्म धुएं का शक्तिशाली उत्प्लावक बल (buoyancy) आग के ठीक ऊपर सबसे अधिक होता है, लेकिन जैसे-जैसे धुआं सुरंग में नीचे की ओर बढ़ता है, यह ठंडी हवा के साथ मिश्रित हो जाता है और अपनी तीव्र ऊष्मा ऊर्जा खो देता है।
शोधकर्ताओं ने पाया कि सुरंग के साथ चलने वाली हवा की गति धुएं के तापमान को नियंत्रित करने वाला सबसे प्रमुख कारक थी। जब हवा की गति धीमी थी, तो धुआं रुकने और गर्म रहने की प्रवृत्ति रखता था। जैसे-जैसे हवा की गति बढ़ी, धुआं अधिक प्रभावी ढंग से दूर धकेला गया, और तापमान में उल्लेखनीय गिरावट आई। हालांकि, यदि हवा बहुत तेज चलती, तो धुएं को निकास शाफ्ट (exhaust shaft) से आगे धकेला जा सकता था, जिससे वह वेंटिलेशन सिस्टम के नियंत्रण से बाहर होकर सुरंग में और आगे फैल जाता। यह निष्कर्ष एक नाजुक संतुलन को उजागर करता है: वेंटिलेशन सिस्टम इतना मजबूत होना चाहिए कि वह धुएं को साफ कर सके, लेकिन इतना भी नहीं कि वह धुएं को निकास बिंदु से आगे उड़ा दे।
इन निष्कर्षों को वास्तविक दुनिया की सुरक्षा के लिए उपयोगी बनाने के लिए, टीम ने इस प्रकार की सुरंग में आग कितनी अधिकतम तापमान तक पहुँच सकती है, इसका पूर्वानुमान लगाने का एक नया तरीका विकसित किया। उन्होंने अपने प्रयोगों के डेटा को गर्मी और हवा के संचलन के भौतिक सिद्धांतों के साथ जोड़कर एक ऐसा सूत्र (formula) बनाया जो आग के आकार, सुरंग में चलने वाली हवा की गति और शाफ्ट से ऊपर खींची जाने वाली हवा की गति को ध्यान में रखता है। यह सूत्र इंजीनियरों को प्रत्येक सुरंग के डिजाइन के लिए नया मॉडल बनाए बिना, यह अनुमान लगाने की अनुमति देता है कि आग का सबसे गर्म बिंदु क्या हो सकता है। परिणाम बताते हैं कि इन ऊर्ध्वाधर शाफ्ट वाली सुरंगों के लिए, फायर डिटेक्टरों का स्थान और वेंटिलेशन सिस्टम का डिजाइन पंखों की विशिष्ट गति और संभावित आग के अपेक्षित आकार के अनुसार सावधानीपूर्वक ट्यून किया जाना चाहिए। यह समझने से कि आग से दूर जाने पर गर्मी कैसे कम होती है, सुरक्षा प्रणालियों को लोगों को जल्दी चेतावनी देने और पलायन मार्गों को घातक गर्मी से मुक्त रखने के लिए डिज़ाइन किया जा सकता है।
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