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

Quando scoppia un incendio all'interno di un edificio, il fumo è spesso più pericoloso delle fiamme stesse. Esso riempie corridoi e stanze, oscurando la vista e rendendo impossibile la fuga per le persone o l'avanzamento dei vigili del fuoco. Per combattere questo fenomeno, le squadre utilizzano una tattica chiamata ventilazione a pressione positiva. Immaginate un potente ventilatore industriale posizionato all'ingresso di un corridoio, che spinge aria fresca con tale forza da creare una zona ad alta pressione. Questa pressione agisce come un pistone, spingendo il fumo tossico davanti a sé e verso un'apertura all'estremità opposta dell'edificio. L'obiettivo è liberare un percorso per l'evacuazione e il soccorso. Tuttavia, l'aria che esce dal ventilatore non viaggia solo in una linea dritta e noiosa. Si comporta come un complesso e vorticoso fiume d'aria che cambia forma, velocità e direzione a seconda di come il ventilatore è orientato e di come le pareti circostanti la guidano. Se il ventilatore è puntato troppo in alto, l'aria potrebbe colpire il soffitto e diffondersi troppo presto, lasciando la parte inferiore del corridoio piena di fumo. Se è puntato troppo in basso, l'aria potrebbe colpire il pavimento e perdere la sua forza. Comprendere esattamente come si muove questo fiume invisibile d'aria è fondamentale per salvare vite, eppure il comportamento preciso di questi ventilatori in corridoi stretti è rimasto in parte un mistero fino a tempi recenti.

Un team di ricercatori si è posto l'obiettivo di mappare questo flusso invisibile con la precisiona di un cartografo che traccia una nuova linea costiera. Si sono concentrati su un tipo specifico di ventilatore mobile utilizzato dai vigili del fuoco, testando come si comporta l'aria quando il ventilatore è inclinato verso l'alto a diverse angolazioni. Per farlo, hanno combinato due approcci: hanno costruito una replica in scala reale di un corridoio in un laboratorio ed eseguito esperimenti reali con un ventilatore fisico, e hanno creato un gemello digitale dettagliato di quella stessa configurazione utilizzando un sofisticato programma informatico progettato per simulare fuoco e fumo. Nei loro test fisici, hanno posizionato il ventilatore sul pavimento di un corridoo lungo e stretto e lo hanno inclinato verso l'alto di quindici gradi. Hanno poi utilizzato strumenti sensibili per misurare la velocità dell'aria in vari punti lungo il pavimento, le pareti e il soffitto, creando un quadro completo del viaggio del vento. Hanno ripetuto questo processo nella simulazione al computer, regolando il ventilatore virtuale affinché corrispondesse a quello reale, e hanno poi confrontato i risultati digitali con le misurazioni fisiche per assicurarsi che il computer dicesse la verità.

I risultati hanno rivelato una storia chiara e prevedibile su come si muove l'aria. Quando il ventilatore era inclinato verso l'alto di quindici gradi, il flusso d'aria si lanciava in avanti e viaggiava per una distanza significativa prima di iniziare a cambiare. Per i primi metri, l'aria si muoveva come un nucleo concentrato e veloce. Man mano che procedeva, iniziava a salire e infine toccava il soffitto. Una volta colpito il soffitto, l'aria non rimbalzava; invece, aderiva alla superficie e si diffondeva orizzontalmente, formando uno strato di aria veloce che accarezzava la parte superiore del corridoio. Questo "getto da soffitto" era cruciale perché spingeva fuori il fumo mantenendo libera la parte inferiore del corridoio per permettere alle persone di respirare. I ricercatori hanno scoperto che, a questa inclinazione di quindici gradi, l'aria manteneva la sua forza più a lungo, raggiungendo i sei metri di profondità nel corridoio con un flusso costante e uniforme che copriva l'intera larghezza del corridoio.

Il team ha poi testato cosa accadeva inclinando il ventilatore più ripido, a trenta e poi a quarantacinque gradi. Le simulazioni al computer hanno mostrato che, all'aumentare dell'angolo, l'aria colpiva il soffitto molto prima. A trenta gradi, l'aria toccava il soffitto intorno ai tre metri dal ventilatore e a quarantacinque gradi, si abbatteva sul soffitto a soli due metri di distanza. Sebbene colpire il soffitto precocemente possa sembrare utile, i ricercatori hanno scoperto che ciò in realtà danneggiava le prestazioni del ventilatore. Quando l'aria colpisce il soffitto troppo presto, perde gran parte della sua spinta in avanti. Si diffonde lungo la parte superiore del corridoio ma diventa debole e sottile, fallendo nell'espellere efficacemente il fumo verso l'estremità del corridoio. Nel test più ripido, la parte inferiore del corridoio rimaneva con pochissimo flusso d'aria, il che significava che il fumo sarebbe probabilmente rimasto intrappolato vicino al pavimento, dove le persone gattonano per fuggire. I dati hanno mostrato che la velocità massima dell'aria diminuiva all'aumentare dell'angolo e la distanza che l'aria poteva percorrere prima di perdere la sua potenza si accorciava significativamente.

Lo studio ha confermato che il modello informatico era altamente accurato, corrispondendo alle misurazioni del mondo reale con un margine di errore molto piccolo. Ciò significa che i vigili del fuoco e gli ingegneri possono ora fare affidamento su queste simulazioni digitali per prevedere come un ventilatore si comporterà in diverse situazioni senza dover costruire ogni volta un corridoio di prova fisico. La conclusione più importante è che esiste un "punto ottimale" per orientare questi ventilatori. Inclinare il ventilatore verso l'alto di quindici o trenta gradi permette all'aria di viaggiare abbastanza lontano da pulire il fumo, mantenendo al contempo una velocità sufficiente per coprire l'intero corridoio. Inclinarlo troppo ripido fa sì che l'aria sprechi la sua energia troppo presto. Questa scoperta fornisce una regola pratica e chiara per i vigili del fuoco: per liberare un corridoio efficacemente, devono puntare il ventilatore leggermente verso l'alto, ma non troppo ripido, assicurandosi che l'aria percorra l'intera lunghezza del corridoio prima di diffondersi. Comprendendo queste semplici regole del flusso d'aria, le persone che entrano negli edifici in fiamme possono farlo con maggiore fiducia, sapendo che l'aria che stanno spingendo raggiungerà il fumo e aprirà la via per chi ha bisogno di fuggire.