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Smoke Temperature Characteristics in Longitudinally ventilated mountain Tunnels featuring on Lateral-opening Vertical Shaft

Questo studio investiga sperimentalmente la distribuzione della temperatura del fumo in tunnel montani con ventilazione longitudinale e pozzi verticali con apertura laterale sotto diverse dimensioni dell'incendio e condizioni di ventilazione, sviluppando infine correlazioni empiriche per prevedere le temperature massime in eccesso e longitudinali per un migliore progettazione dei sistemi di sicurezza antincendio.

Autori originali: Zhisheng Li, Fengliang Wu

Pubblicato 2026-09-08

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CC BY 4.0

Autori originali: Zhisheng Li, Fengliang Wu

Articolo originale sotto licenza CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Questa è una spiegazione generata dall'IA dell'articolo qui sotto. Non è stata scritta né approvata dagli autori. Per precisione tecnica, consulta l'articolo originale. Leggi il disclaimer completo

Quando un incendio scoppia nel profondo di un tunnel montano, il pericolo maggiore spesso non deriva dalle fiamme stesse, ma dal denso fumo surriscaldato che le segue. Questo fumo sale, colpisce il soffitto e si diffonde rapidamente lungo la lunghezza del tunnel, trasformando un incidente gestibile in una trappola mortale per chiunque cerchi di fuggire o per le squadre di soccorso che cercano di entrare. Per mantenere sicuri questi tunnel, gli ingegneri si affidano a sistemi di ventilazione che spingono aria fresca da un'estremità e prelevano il fumo dall'altra. Tuttavia, molti tunnel montani moderni sono troppo lunghi per essere ventilati da semplici ventilatori alle estremità. Invece, sono costruiti con alti pozzi verticali che raggiungono la superficie, collegati al tunnel principale da un condotto orizzontale. Questi pozzi agiscono come enormi camini, utilizzando l'ascesa naturale dell'aria calda per aiutare a estrarre il fumo. Ma quando un incendio inizia vicino a uno di questi pozzi, l'interazione tra il fumo che viene aspirato nel pozzo e l'aria che viene spinta lungo il tunnel crea un flusso complesso e imprevedibile. Comprendere esattamente quanto diventi caldo il fumo in queste specifiche condizioni è critico, perché la temperatura determina la velocità con cui i rilevatori attiveranno gli allarmi e quanto tempo la struttura potrà resistere al calore prima di cedere.

Ricercatori di università cinesi si sono posti l'obiettivo di mappare questo comportamento nascosto costruendo un modello preciso in scala un decimo di un tunnel montano dotato di un pozzo verticale. Nel loro laboratorio, hanno costruito un tunnel lungo 16,5 metri e hanno installato un pozzo verticale alto 4,2 metri, collegato da un condotto laterale. Hanno posizionato una sorgente di fuoco a monte di questo collegamento e hanno poi acceso combustibile diesel in vassoi quadrati di varie dimensioni per simulare diverse intensità di incendio. Per simulare le condizioni reali, hanno utilizzato potenti ventilatori per creare un flusso costante di aria che si muoveva attraverso il tunnel, mentre contemporaneamente utilizzavano un sistema meccanico per aspirare l'aria verso l'alto nel pozzo verticale a diverse velocità. Hanno posizionato decine di minuscoli sensori di temperatura appena sotto il soffitto del tunnel per registrare esattamente come il calore si muovesse e cambiasse man mano che regolavano la velocità dei ventilatori e la dimensione dell'incendio.

Gli esperimenti hanno rivelato un modello chiaro nel modo in cui il fumo si comporta quando queste due forze di ventilazione lavorano insieme. Quando i ventilatori meccanici che aspiravano il fumo verso l'alto nel pozzo venivano accesi, la temperatura del fumo direttamente sotto il soffitto diminuiva. Questo effetto di raffreddamento avveniva rapidamente all'inizio con l'aumento della velocità del ventilatore, ma poi il tasso di raffreddamento rallentava, suggerendo che esiste un limite a quanto la ventilazione può raffreddare ulteriormente il fumo. Anche la dimensione dell'incendio giocava un ruolo importante, ma solo in aree specifiche. Vicino all'incendio stesso, un incendio più grande causava un picco drammatico di temperatura. Tuttavia, man mano che il fumo si allontanava dalle fiamme, la differenza di temperatura tra un incendio piccolo e uno grande diventava molto meno evidente. Ciò accade perché la potente spinta di galleggiamento del fumo caldo è massima proprio sopra l'incendio, ma mentre il fumo viaggia lungo il tunnel, si mescola con l'aria più fresca e perde quella intensa energia termica.

I ricercatori hanno scoperto che la velocità dell'aria che si muove lungo il tunnel era il fattore dominante nel controllare la temperatura del fumo. Quando l'aria si muoveva lentamente, il fumo tendeva a ristagnare e a rimanere caldo. Man mano che la velocità dell'aria aumentava, il fumo veniva allontanato più efficacemente e la temperatura scendeva significativamente. Tuttavia, se l'aria si muoveva troppo velocemente, il fumo poteva essere spinto oltre il pozzo di scarico, sfuggendo al controllo del sistema di ventilazione e diffondendosi più avanti nel tunnel. Questa scoperta evidenzia un delicato equilibrio: il sistema di ventilazione deve essere abbastanza forte da eliminare il fumo, ma non così forte da soffiare il fumo oltre il punto di uscita.

Per rendere utili queste scoperte per la sicurezza reale, il team ha sviluppato un nuovo modo per prevedere la temperatura massima che un incendio potrebbe raggiungere in questo specifico tipo di tunnel. Hanno combinato i dati dei loro esperimenti con i principi fisici del movimento del calore e dell'aria per creare una formula che tenga conto delle dimensioni dell'incendio, della velocità dell'aria che si muove lungo il tunnel e della velocità dell'aria aspirata verso l'alto nel pozzo. Questa formula consente agli ingegneri di stimare il punto più caldo che un incendio potrebbe raggiungere senza la necessità di costruire un nuovo modello per ogni singolo design di tunnel. I risultati suggeriscono che, per i tunnel con questi pozzi verticali, il posizionamento dei rilevatori di incendio e la progettazione del sistema di ventilazione devono essere calibrati attentamente sulle velocità specifiche dei ventilatori e sulla dimensione prevista di un potenziale incendio. Comprendendo esattamente come il calore decade man mano che si allontana dall'incendio, i sistemi di sicurezza possono essere progettati per avvertire le persone prima e mantenere libere le vie di fuga dal calore letale.

Sintesi Tecnica: Caratteristiche della Temperatura del Fumo in Tunnel Montani con Ventilazione Longitudinale e Pozzi Verticali con Apertura Laterale

Problematica
I tunnel montani richiedono spesso pozzi verticali collegati tramite condotti di estrazione del fumo laterali per facilitare la ventilazione e l'evacuazione di emergenza. In caso di incendio, l'interazione tra la ventilazione longitudinale e l'estrazione meccanica del fumo attraverso queste aperture laterali crea comportamenti complessi di migrazione del fumo che differiscono significativamente dai sistemi standard di estrazione puntiforme orizzontale o dai sistemi puramente longitudinali. Sebbene esistano estese ricerche sulla distribuzione della temperatura del fumo nei tunnel con ventilazione longitudinale, esiste una lacuna significativa nella comprensione delle specifiche caratteristiche termiche e dei meccanismi di decadimento della temperatura nei tunnel montani dotati di pozzi verticali con apertura laterale, in particolare quando la sorgente di incendio si trova a monte del condotto di estrazione. Questa complessità pone sfide per la progettazione efficace dei sistemi di controllo del fumo e per il posizionamento dei sistemi di rilevamento incendi e di allerta precoce.

Metodologia
Lo studio ha impiegato un approccio sperimentale basato su un modello in scala ridotta 1/10, basato sulle regole di similitudine di Froude, per investigare i profili di temperatura del fumo. L'allestimento sperimentale consisteva in un tunnel lungo 16,5 m con un pozzo verticale (alto 4,2 m) collegato tramite un canale di estrazione del fumo laterale di 2 m.

Condizioni Sperimentali: Sono stati condotti un totale di 54 esperimenti di combustione utilizzando fuochi a pozza di diesel con tre diverse dimensioni della sorgente (lunghezze del lato di 0,15 m, 0,20 m e 0,23 m), corrispondenti a tassi di rilascio di calore (HRR) a scala reale compresi tra 2,29 MW e 9,89 MW.
Variabili: Lo studio ha variato tre parametri chiave:
1. Dimensione della Sorgente di Fuoco: Tre diverse dimensioni della pozza.
2. Velocità di Estrazione Meccanica del Fumo ( $V_s$ ): Tre livelli (2,03, 2,79 e 3,53 m/s nella scala del modello; 6,42–11,17 m/s a scala reale).
3. Velocità di Ventilazione Longitudinale ( $V_l$ ): Sette livelli compresi tra 0,18 m/s e 1,23 m/s (scala del modello).
Strumentazione: I dati di temperatura sono stati raccolti utilizzando 71 termocoppie di tipo K posizionate 0,1 m sotto il soffitto del tunnel, con densità di spaziatura variabile vicino all'intersezione del pozzo e più a valle. Le velocità dell'aria sono state misurate tramite anemometri a filo caldo.

Risultati Chiave

Distribuzione della Temperatura Longitudinale:
- All'aumentare della velocità di ventilazione meccanica, la temperatura del fumo sotto il soffitto mostra un declino iniziale rapido seguito da una diminuzione più graduale.
- Alle velocità longitudinali inferiori, le condizioni di ventilazione sono il fattore dominante che influenza lo sviluppo del fumo. Alle velocità longitudinali superiori, le proprietà della sorgente di combustibile diventano il fattore dominante e il gradiente di temperatura si riduce significativamente.
- La deviazione di temperatura causata dalle variazioni delle dimensioni della sorgente di fuoco è sostanziale vicino alla sorgente di incendio, ma diventa trascurabile nel campo lontano, indicando che gli effetti di galleggiamento si indeboliscono con la distanza.
- La distribuzione della temperatura longitudinale adimensionale è minimamente influenzata dall'entità della sorgente di fuoco, suggerendo che il comportamento di decadimento del fumo in controflusso sia indipendente dalla dimensione del fuoco in questo contesto.
Coefficiente di Decadimento della Temperatura:
- È stato riscontrato che il coefficiente di decadimento della temperatura del fumo longitudinale ( $k$ ) diminuisce all'aumentare della velocità longitudinale.
- È stata stabilita una relazione lineare tra il coefficiente di decadimento e un numero di Froude modificato ( $Fr'$ ), che tiene conto degli effetti combinati dell'estrazione meccanica e della ventilazione longitudinale: $k = 0,394 Fr' + 0,08$ .
Temperatura Eccedente Massima:
- La temperatura eccedente massima sotto il soffitto aumenta rapidamente con la dimensione della sorgente di fuoco.
- È stata sviluppata una correlazione empirica globale per prevedere la temperatura eccedente massima. La temperatura eccedente massima adimensionale ( $\Delta T_{max}/T_{\infty}$ ) correla con il tasso di rilascio di calore adimensionale ( $Q^*$ ) e il numero di Froude modificato ( $Fr'$ ) secondo la relazione: $\frac{\Delta T_{max}}{T_{\infty}} = a(Q^*)^{2/3} + b(Fr')^{-1/3} + c$ .
- I coefficienti di adattamento per questo modello sono stati determinati come $a = -2,34$ , $b = 0,53$ e $c = 1,37$ .

Significatività e Rivendicazioni
Gli autori affermano che questa ricerca fornisce approfondimenti critici sul comportamento termico del fumo nei tunnel montani con pozzi verticali ad apertura laterale, uno scenario precedentemente sotto-investigato. I principali contributi includono:

Correlazioni Empiriche: Lo sviluppo di correlazioni specifiche per prevedere sia la temperatura eccedente massima che il decadimento della temperatura longitudinale sotto l'influenza combinata dell'estrazione concentrata del fumo laterale e della ventilazione longitudinale.
Guida alla Progettazione: I risultati offrono dati preziosi per ottimizzare la disposizione dei rilevatori di incendio e dei sistemi di allerta precoce in configurazioni di tunnel montani simili.
Chiarimento dei Meccanismi: Lo studio chiarisce la transizione dei fattori dominanti (dalla ventilazione alle proprietà del combustibile) all'aumentare delle velocità del vento longitudinale e quantifica l'impatto dell' "effetto camino" intrinseco nei pozzi verticali alti sul controllo del fumo.

L'articolo conclude che la comprensione di queste specifiche caratteristiche di temperatura è essenziale per migliorare le strategie di gestione del fumo e garantire la sicurezza delle operazioni di evacuazione di emergenza e di soccorso antincendio in ambienti di tunnel montani complessi.

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