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

Resumo Técnico: Efeito da Exaustão de Fumaça Mecânica Lateral no Comportamento de Retrocesso de Fumaça e no Perfil de Temperatura em um Túnel de Montanha

Definição do Problema
Túneis de montanha frequentemente utilizam poços de abertura lateral conectados via canais transversais para facilitar a ventilação e a extração de fumaça, particularmente quando restrições geológicas ou estruturas existentes impedem a construção de poços verticais diretos. Embora existam extensas pesquisas sobre o movimento da fumaça em túneis de tubo único convencionais e naqueles com sistemas de exaustão centralizados montados no teto, há uma lacuna de conhecimento significativa em relação ao comportamento específico da fumaça em túneis com poços de abertura lateral. Estudos anteriores concentraram-se amplamente na ventilação longitudinal ou na extração pelo teto, deixando insuficientemente compreendidos os campos de fluxo assimétricos, a distribuição de temperatura e as características de retrocesso de camada (back-layering) de fumaça que são únicos às configurações de poços laterais. Este estudo aborda a necessidade de quantificar como a exaustão mecânica de fumaça em um poço de abertura lateral influencia a migração da fumaça, a atenuação da temperatura e o comprimento do retrocesso em comparação com os métodos tradicionais de extração pelo teto.

Metodologia
A pesquisa empregou uma investigação numérica utilizando o Fire Dynamics Simulator (FDS), desenvolvido pelo National Institute of Standards and Technology (NIST). O modelo computacional baseou-se em um levantamento de um túnel em Shenzhen, apresentando um túnel principal (165 m de comprimento, 12 m de largura, 6,6 m de altura) conectado a um canal transverso (12 m × 7,5 m × 4,2 m) e um poço vertical (42 m de altura).

Os principais parâmetros de simulação incluíram:

• Cenários de Incêndio: Cinco Taxas de Liberação de Calor (HRR) foram simuladas (3, 5, 10, 15 e 20 MW) para representar diferentes tamanhos de incêndios veiculares.
• Condições de Exaustão: As velocidades de exaustão de fumaça mecânica foram variadas entre 3 m/s e 5 m/s.
• Independência de Grade: Uma análise de sensibilidade de grade foi realizada, determinando um tamanho de grade de 0,25 m para equilibrar a eficiência computacional com a precisão da previsão de temperatura.
• Análise Comparativa: O estudo comparou o desempenho de um poço de abertura lateral contra um poço de abertura pelo teto hipotético com dimensões geométricas idênticas para isolar os efeitos da conexão lateral.

Principais Contribuições

1. Identificação da Assimetria: O estudo elucida a distinta assimetria no comportamento do fluxo de fumaça causada por poços de abertura lateral, contrastando com o fluxo axissimétrico observado em sistemas de extração pelo teto.
2. Modelagem Quantitativa: Dois modelos empíricos foram desenvolvidos para prever:
   • O decaimento longitudinal da temperatura a montante da fonte de incêndio.
   • O comprimento do retrocesso de camada de fumaça sob condições de exaustão mecânica lateral.
3. Elucidação de Mecanismos: A pesquisa esclarece o fenômeno de separação da camada limite dentro do canal transverso e seu impacto na distribuição de temperatura e acúmulo de fumaça.

Resultos e Análise

• Assimetria do Fluxo de Fumaça e Temperatura: Diferente da extração pelo teto, que produz perfis de temperatura simétricos, o poço de abertura lateral cria um campo de fluxo altamente assimétrico. O gradiente de temperatura próximo ao lado do poço é significativamente mais íngreme do que no lado oposto devido à maior energia cinética turbulenta. Dentro do canal transverso, ocorre a separação da camada limite, fazendo com que a fumaça se acumule em um lado do canal enquanto o outro permanece uma zona de baixa temperatura. O lado específico de acúmulo depende da interação entre a intensidade da combustão e a velocidade de exaustão; altas velocidades de exaustão com baixas taxas de liberação de calor tendem a concentrar altas temperaturas no lado esquerdo do canal, enquanto altas taxas de liberação de calor com baixas velocidades de exaustão deslocam a zona de alta temperatura para a direita.

• Decaimento Longitudinal da Temperatura: O estudo descobriu que o decaimento longitudinal da temperatura é governado principalmente pela velocidade de exaustão mecânica de fumaça, e não pela taxa de liberação de calor. A temperatura longitudinal adimensional segue uma função de decaimento exponencial. Os coeficientes de decaimento foram correlacionados com a velocidade de exaustão mecânica adimensional, revelando que a velocidade de exaustão possui uma relação linear com os parâmetros de atenuação. A ordem de significância para os coeficientes de decaimento foi determinada como sendo $t > A > y_0$. Um modelo empírico foi formulado para prever a distribuição de temperatura com base nessas descobertas.

• Comprimento do Retrocesso de Camada de Fumaça: O comprimento do retrocesso da camada de fumaça (a distância que a fumaça percorre a montante contra o vento longitudinal) diminui conforme a velocidade de exaustão mecânica aumenta. Isso é atribuído ao aumento da pressão dinâmica gerada pela maior velocidade de exaustão, que resiste à frente de fumaça impulsionada pela flutuabilidade. Inversamente, taxas de liberação de calor mais altas aumentam a flutuabilidade térmica, levando a um comprimento de retrocesso maior. O estudo introduziu uma velocidade longitudinal induzida para quantificar o impacto do poço lateral e derivou uma correlação preditiva modificada para o comprimento do retrocesso de camada de fumaça, incorporando um coeficiente de correção ($\lambda = 3,14$) para considerar a dinâmica específica da extração lateral.

Significância e Alegações
Os autores afirmam que este trabalho fornece uma referência crítica para o projeto de sistemas de ventilação e extração de fumaça em túneis de montanha que apresentam poços de abertura lateral. Ao demonstrar a disparidade na migração de fumaça entre os modos de extração lateral e pelo teto, o estudo destaca que sistemas laterais podem exigir capacidades de exaustão mecânica mais elevadas para superar a resistência aumentada de passagens horizontais e gerenciar os campos de temperatura assimétricos resultantes. Os modelos empíricos desenvolvidos para o decaimento da temperatura e o comprimento do retrocesso de camada oferecem ferramentas práticas para engenheiros avaliarem riscos de incêndio e otimizarem projetos de segurança. O estudo conclui que a compreensão desses comportamentos de fluxo específicos é essencial para a prevenção e o controle eficazes de incêndios na infraestrutura moderna de túneis de montanha.