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

जब किसी इमारत के भीतर आग लगती है, तो धुआं अक्सर लपटों की तुलना में अधिक खतरनाक होता है। यह गलियारों और कमरों को भर देता है, दृष्टि को बाधित करता है और लोगों के निकलने या अग्निशमन कर्मियों के आगे बढ़ने को असंभव बना देता है। इससे निपटने के लिए, दल एक रणनीति का उपयोग करते हैं जिसे 'पॉजिटिव-प्रेशर वेंटिलेशन' (धनात्मक दबाव वेंटिलेशन) कहा जाता है। कल्पना कीजिए कि एक गलियारे के प्रवेश द्वार पर एक शक्तिशाली औद्योगिक पंखा रखा है, जो इतनी शक्ति के साथ ताजी हवा अंदर धकेलता है कि एक उच्च-दबाव क्षेत्र बन जाता है। यह दबाव एक पिस्टन की तरह कार्य करता है, जो जहरीले धुएं को अपने आगे धकेलता है और इमारत के दूसरे छोर पर स्थित एक खुले स्थान से बाहर निकाल देता है। इसका लक्ष्य निकासी और बचाव के लिए एक रास्ता साफ करना है। हालाँकि, पंखे से आने वाली हवा केवल एक सीधी, उबाऊ रेखा में नहीं चलती है। यह हवा की एक जटिल, घूमती हुई नदी की तरह व्यवहार करती है जो इस बात पर निर्भर करती है कि पंखे को कैसे दिशा दी गई है और आसपास की दीवारें इसे कैसे निर्देशित करती हैं, जिससे इसका आकार, गति और दिशा बदल जाती है। यदि पंखे को बहुत ऊपर की ओर रखा जाए, तो हवा छत से टकरा सकती है और बहुत जल्दी फैल सकती है, जिससे गलियारे का निचला हिस्सा धुएं से भरा रह जाएगा। यदि इसे बहुत नीचे की ओर रखा जाए, तो यह फर्श से टकराकर अपनी शक्ति खो सकती है। इस अदृश्य हवा की नदी के सटीक व्यवहार को समझना जीवन बचाने के लिए महत्वपूर्ण है, फिर भी हाल तक संकीर्ण गलियारों में इन पंखों का सटीक व्यवहार एक रहस्य बना हुआ था।

शोधकर्ताओं की एक टीम ने एक नए तटरेखा का मानचित्र बनाने वाले मानचित्रकार की सटीकता के साथ इस अदृश्य प्रवाह का मानचित्रण करने का लक्ष्य रखा। उन्होंने अग्निशमन कर्मियों द्वारा उपयोग किए जाने वाले एक विशिष्ट प्रकार के मोबाइल पंखे पर ध्यान केंद्रित किया, और यह परीक्षण किया कि हवा कैसे व्यवहार करती है जब पंखे को विभिन्न कोणों पर ऊपर की ओर झुकाया जाता है। इसके लिए, उन्होंने दो दृष्टिकोणों को मिलाया: उन्होंने प्रयोगशाला में एक गलियारे का पूर्ण-स्तरीय प्रतिरूप बनाया और एक भौतिक पंखे के साथ वास्तविक प्रयोग किए, और उन्होंने आग और धुएं का अनुकरण करने के लिए डिज़ाइन किए गए एक परिष्कृत कंप्यूटर प्रोग्राम का उपयोग करके उसी सेटअप का एक विस्तृत 'डिजिटल ट्विन' (डिजिटल प्रतिरूप) बनाया। अपने भौतिक परीक्षणों में, उन्होंने एक लंबे, संकीर्ण गलियारे के फर्श पर पंखा रखा और उसे पंद्रह डिग्री ऊपर की ओर झुकाया। फिर उन्होंने फर्श, दीवारों और छत के विभिन्न बिंदुओं पर हवा की गति को मापने के लिए संवेदनशील उपकरणों का उपयोग किया, जिससे हवा की यात्रा का एक संपूर्ण चित्र तैयार हुआ। उन्होंने इस प्रक्रिया को कंप्यूटर सिमुलेशन में दोहराया, वर्चुअल पंखे को वास्तविक पंखे के अनुरूप समायोजित किया, और यह सुनिश्चित करने के लिए कि कंप्यूटर सच बोल रहा है, डिजिटल परिणामों की भौतिक माप के विरुद्ध तुलना की।

परिणामों ने यह खुलासा किया कि हवा कैसे चलती है, इसकी एक स्पष्ट और अनुमानित कहानी है। जब पंखे को पंद्रह डिग्री ऊपर की ओर झुकाया गया, तो हवा की धारा बाहर निकली और बदलने से पहले एक महत्वपूर्ण दूरी तक यात्रा की। पहले कुछ मीटर के लिए, हवा एक केंद्रित, तेज़ गति वाले कोर (केंद्र) के रूप में चली। जैसे-जैसे यह आगे बढ़ी, यह ऊपर उठने लगी और अंततः छत से टकरा गई। एक बार जब यह छत से टकराई, तो हवा उससे टकराकर वापस नहीं उछली; इसके बजाय, यह सतह से चिपक गई और क्षैतिज रूप से फैल गई, जिससे गलियारे के ऊपरी हिस्से में हवा की एक तेज़ गति वाली परत बन गई। यह "सीलिंग जेट" (छत की जेट धारा) महत्वपूर्ण था क्योंकि इसने धुएं को बाहर धकेला जबकि लोगों के सांस लेने के लिए गलियारे के निचले हिस्से को साफ रखा। शोधकर्ताओं ने पाया कि पंद्रह डिग्री के इस कोण पर, हवा ने अपनी शक्ति को सबसे लंबे समय तक बनाए रखा, जो गलियारे के छह मीटर तक एक स्थिर, समान प्रवाह के साथ पहुँचा और गलियारे की पूरी चौड़ाई को कवर कर लिया।

इसके बाद टीम ने यह परीक्षण किया कि क्या होता है जब वे पंखे को अधिक तीव्रता से तीस डिग्री और फिर पैंतालीस डिग्री पर झुकाते हैं। कंप्यूटर सिमुलेशन ने दिखाया कि जैसे-जैसे कोण बढ़ता है, हवा बहुत पहले ही छत से टकरा जाती है। तीस डिग्री पर, हवा पंखे से तीन मीटर की दूरी पर छत से टकराती है, और पैंतालीस डिग्री पर, यह केवल दो मीटर की दूरी पर छत से जा टकराती है। हालांकि छत से जल्दी टकराना मददगार लग सकता है, लेकिन शोधकर्ताओं ने पाया कि इससे वास्तव में पंखे के प्रदर्शन को नुकसान पहुँचता है। जब हवा बहुत जल्दी छत से टकराती है, तो यह अपनी अधिकांश आगे बढ़ने की गति (मोमेंटम) खो देती है। यह गलियारे के ऊपरी हिस्से में फैल तो जाती है, लेकिन कमजोर और पतली हो जाती है, जिससे यह गलियारे के दूर के छोर तक प्रभावी ढंग से धकेलने में विफल रहती है। सबसे तीव्र परीक्षण में, गलियारे का निचला हिस्सा बहुत कम वायु प्रवाह के साथ रह गया, जिसका अर्थ था कि धुआं संभवतः फर्श के पास ही फंसा रहेगा जहाँ लोग बचने के लिए रेंगकर निकल रहे होंगे। डेटा ने दिखाया कि कोण बढ़ने के साथ हवा की चरम गति गिर जाती है, और शक्ति खोने से पहले हवा द्वारा तय की जाने वाली दूरी काफी कम हो जाती है।

अध्ययन ने पुष्टि की कि कंप्यूटर मॉडल अत्यधिक सटीक था, जो बहुत कम त्रुटि मार्जिन के साथ वास्तविक दुनिया के मापों से मेल खाता है। इसका अर्थ है कि अग्निशमन कर्मी और इंजीनियर अब हर बार भौतिक परीक्षण गलियारा बनाए बिना विभिन्न स्थितियों में पंखे के व्यवहार की भविष्यवाणी करने के लिए इन डिजिटल सिमुलेशन पर भरोसा कर सकते हैं। सबसे महत्वपूर्ण निष्कर्ष यह है कि इन पंखों को दिशा देने के लिए एक "स्वीट स्पॉट" (उपयुक्ततम बिंदु) होता है। पंखे को पंद्रह से तीस डिग्री ऊपर की ओर झुकाने से हवा इतनी दूर तक जाती है कि वह धुएं को साफ कर सके और पूरे गलियारे को कवर करने के लिए पर्याप्त गति बनाए रख सके। इसे इससे अधिक झुकाने से उसकी ऊर्जा बहुत जल्दी नष्ट हो जाती है। यह खोज अग्निशमन कर्मियों के लिए एक स्पष्ट, व्यावहारिक नियम प्रदान करती है: गलियारे को प्रभावी ढंग से साफ करने के लिए, उन्हें पंखे को थोड़ा ऊपर की ओर लक्ष्य करना चाहिए, लेकिन बहुत अधिक तीव्रता से नहीं, यह सुनिश्चित करते हुए कि हवा फैलने से पहले पूरे गलियारे की लंबाई तक पहुंचे। वायु प्रवाह के इन सरल नियमों को समझकर, जलती हुई इमारतों में प्रवेश करने वाले लोग अधिक आत्मविश्वास के साथ प्रवेश कर सकते हैं, यह जानते हुए कि उनके द्वारा धकेली जा रही हवा धुएं तक पहुँचेगी और उन लोगों के लिए रास्ता साफ करेगी जिन्हें निकलने की आवश्यकता है।