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

Este estudo investiga experimentalmente a distribuição da temperatura da fumaça em túneis de montanha com ventilação longitudinal e poços verticais de abertura lateral sob variados tamanhos de incêndio e condições de ventilação, desenvolvendo, por fim, correlações empíricas para prever as temperaturas máxima de excesso e longitudinal para o aprimoramento do projeto de sistemas de segurança contra incêndio.

Autores originais: Zhisheng Li, Fengliang Wu

Publicado 2026-09-08

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CC BY 4.0

Autores originais: Zhisheng Li, Fengliang Wu

Artigo original sob licença CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Esta é uma explicação gerada por IA do artigo abaixo. Não foi escrita nem endossada pelos autores. Para precisão técnica, consulte o artigo original. Ler aviso legal completo

Quando um incêndio surge nas profundezas de um túnel de montanha, o maior perigo muitas vezes não vem das chamas em si, mas da fumaça espessa e superaquecida que as segue. Esta fumaça sobe, atinge o teto e se espalha rapidamente ao longo do comprimento do túnel, transformando um incidente gerenciável em uma armadida mortal para qualquer pessoa tentando escapar ou para equipes de resgate tentando entrar. Para manter esses túneis seguros, engenheiros dependem de sistemas de ventilação que empurram ar fresco de uma extremidade e retiram a fumaça pela outra. No entanto, muitos túneis de montanha modernos são longos demais para serem ventilados por simples ventiladores nas extremidades. Em vez disso, eles são construídos com altos poços verticais que chegam até a superfície, conectados ao túnel principal por um duto horizontal. Esses poços atuam como gigantescas chaminés, usando a ascensão natural do ar quente para ajudar a retirar a fumaça. Mas quando um incêndio começa perto de tal poço, a interação entre a fumaça sendo sugada pelo poço e o ar sendo empurrado ao longo do túnel cria um fluxo complexo e imprevisível. Compreender exatamente o quão quente a fumaça fica nessas condições específicas é crítico, porque a temperatura determina o quão rápido os detectores acionarão os alarmes e quanto tempo a estrutura poderá resistir ao calor antes de falhar.

Pesquisadores de universidades da China partiram para mapear esse comportamento oculto construindo um modelo preciso de um décimo da escala de um túnel de montanha equipado com um poço vertical. Em seu laboratório, eles construíram um túnel de 16,5 metros de comprimento e instalaram um poço vertical que subia 4,2 metros, conectado por um duto lateral. Eles colocaram uma fonte de fogo a montante desta conexão e, em seguida, incendiaram combustível diesel em bandejas quadradas de tamanhos variados para simular diferentes intensidades de incêndio. Para mimetizar as condições do mundo real, eles usaram ventiladores potentes para criar um fluxo constante de ar movendo-se através do túnel, enquanto simultaneamente usavam um sistema mecânico para puxar o ar pelo poço vertical em diferentes velocidades. Eles colocaram dezenas de minúsculos sensores de temperatura logo abaixo do teto do túnel para registrar exatamente como o calor se movia e mudava conforme ajustavam a velocidade dos ventiladores e o tamanho do fogo.

Os experimentos revelaram um padrão claro em como a fumaça se comporta quando essas duas forças de ventilação trabalham juntas. Quando os ventiladores mecânicos puxando a fumaça para cima do poço eram ligados, a temperatura da fumaça diretamente sob o teto caía. Esse efeito de resfriamento acontecia rapidamente no início conforme a velocidade do ventilador aumentava, mas depois a taxa de resfriamento diminuía, sugerindo que existe um limite para o quanto uma ventilação mais rápida pode resfriar a fumaça. O tamanho do fogo também desempenhava um papel importante, mas apenas em áreas específicas. Perto do próprio fogo, um incêndio maior causava um pico dramático de temperatura. No entanto, à medida que a fumaça viajava para longe das chamas, a diferença de temperatura entre um fogo pequeno e um grande tornava-se muito menos perceptível. Isso acontece porque a poderosa flutuabilidade da fumaça quente é mais forte logo acima do fogo, mas, conforme a fumaça viaja pelo túnel, ela se mistura com o ar mais frio e perde essa energia de calor intensa.

Os pesquisadores descobriram que a velocidade do ar movendo-se ao longo do túnel era o fator mais dominante no controle da temperatura da fumaça. Quando o ar se movia lentamente, a fumaça tendia a permanecer e manter-se quente. À medida que a velocidade do ar aumentava, a fumaça era empurrada para longe de forma mais eficaz, e a temperatura caía significamente. No entanto, se o ar se movesse rápido demais, a fumaça poderia ser empurrada para além do poço de exaustão, escapando do controle do sistema de ventilação e espalhando-se mais adiante pelo túnel. Essa descoberta destaca um equilíbrio delicado: o sistema de ventilação deve ser forte o suficiente para limpar a fumaça, mas não tão forte que sopre a fumaça para além do ponto de saída.

Para tornar essas descobertas úteis para a segurança no mundo real, a equipe desenvolveu uma nova maneira de prever a temperatura máxima que um incêndio poderia atingir neste tipo específico de túnel. Eles combinaram os dados de seus experimentos com os princípios físicos de como o calor e o ar se movem para criar uma fórmula que leva em conta o tamanho do fogo, a velocidade do ar movendo-se ao longo do túnel e a velocidade do ar sendo puxado para cima pelo poço. Essa fórmula permite que engenheiros estimem o ponto mais quente que um fogo poderia atingir sem a necessidade de construir um novo modelo para cada design de túnel. Os resultados sugerem que, para túneis com esses poços verticais, o posicionamento dos detectores de incêndio e o design do sistema de ventilação devem ser cuidadosamente ajustados às velocidades específicas dos ventiladores e ao tamanho esperado de um potencial incêndio. Ao compreender exatamente como o calor decai conforme se afasta do fogo, os sistemas de segurança podem ser projetados para alertar as pessoas mais cedo e manter as rotas de fuga livres de calor letal.

Resumo Técnico: Características da Temperatura da Fumaça em Túneis de Montanha com Ventilação Longitudinal e Poços Verticais de Abertura Lateral

Definição do Problema
Túneis de montanha frequentemente requerem poços verticais conectados via dutos laterais de exaustão de fumaça para facilitar a ventilação e a saída de emergência. No caso de um incêndio, a interação entre a ventilação longitudinal e a extração mecânica de fumaça através dessas aberturas laterais cria comportamentos complexos de migração de fumaça que diferem significativamente da extração horizontal pontual padrão ou de sistemas puramente longitudinais. Embora existam extensas pesquisas sobre a distribuição de temperatura da fumaça em túneis com ventilação longitudinal, há uma lacuna notável na compreensão das características térmicas específicas e dos mecanismos de decaimento de temperatura em túneis de montanha que possuem poços verticais de abertura lateral, particularmente quando a fonte de incêndio está localizada a montante do duto de exaustão. Essa complexidade impõe desafios para o projeto eficaz de sistemas de controle de fumaça e para o posicionamento de sistemas de detecção de incêndio e alerta precoce.

Metodologia
O estudo empregou uma abordagem experimental de modelo reduzido em escala 1/10 baseada em regras de similaridade de Froude para investigar os perfis de temperatura da fumaça. A configuração experimental consistiu em um túnel de 16,5 m de comprimento com um poço vertical (4,2 m de altura) conectado via um canal lateral de exaustão de fumaça de 2 m.

Condições Experimentais: Um total de 54 experimentos de combustão foram conduzidos utilizando incêndios de poço de diesel com três tamanhos diferentes de fonte (comprimentos de lado de 0,15 m, 0,20 m e 0,23 m), correspondendo a taxas de liberação de calor (HRR) em escala real variando de 2,29 MW a 9,89 MW.
Variáveis: O estudo variou três parâmetros principais:
1. Tamanho da Fonte de Incêndio: Três dimensões distintas de poço.
2. Velocidade de Exaustão Mecânica de Fumaça ( $V_s$ ): Três níveis (2,03, 2,79 e 3,53 m/s na escala do modelo; 6,42–11,17 m/s em escala real).
3. Velocidade de Ventilação Longitudinal ( $V_l$ ): Sete níveis variando de 0,18 m/s a 1,23 m/s (escala do modelo).
Instrumentação: Os dados de temperatura foram coletados utilizando 71 termopares do tipo K posicionados a 0,1 m abaixo do teto do túnel, com densidades de espaçamento variáveis próximo à interseção do poço e mais a jusante. As velocidades do ar foram medidas com anemômetros de fio quente.

Principais Resultados

Distribuição Longitudinal de Temperatura:
- À medida que a velocidade da ventilação mecânica aumenta, a temperatura da fumaça sob o teto exibe um declínio inicial rápido seguido por uma diminuição mais gradual.
- Em velocidades longitudinais baixas, as condições de ventilação são o fator dominante que influencia o desenvolvimento da fumaça. Em velocidades longitudinais mais altas, as propriedades da fonte de combustível tornam-se o fator dominante, e o gradiente de temperatura reduz significativamente.
- O desvio de temperatura causado pela variação nos tamanhos da fonte de incêndio é substancial próximo à fonte de incêndio, mas torna-se negligenciável no campo distante, indicando que os efeitos de flutuabilidade enfraquecem com a distância.
- A distribuição de temperatura longitudinal adimensional é minimamente afetada pela magnitude da fonte de incêndio, sugerindo que o comportamento de decaimento da fumaça de refluxo é independente do tamanho do fogo neste contexto.
Coeficiente de Decaimento de Temperatura:
- Observou-se que o coeficiente de decaimento longitudinal da temperatura da fumaça ( $k$ ) diminui conforme a velocidade longitudinal aumenta.
- Uma relação linear foi estabelecida entre o coeficiente de decaimento e um número de Froude modificado ( $Fr'$ ), que considera os efeitos combinados da exaustão mecânica e da ventilação longitudinal: $k = 0,394 Fr' + 0,08$ .
Temperatura Excessiva Máxima:
- A temperatura excessiva máxima sob o teto aumenta rapidamente com o tamanho da fonte de incêndio.
- Uma correlação empírica global foi desenvolvida para prever a temperatura excessiva máxima. A temperatura excessiva máxima adimensional ( $\Delta T_{max}/T_{\infty}$ ) correlaciona-se com a taxa de liberação de calor adimensional ( $Q^*$ ) e o número de Froude modificado ( $Fr'$ ) de acordo com a relação: $\frac{\Delta T_{max}}{T_{\infty}} = a(Q^*)^{2/3} + b(Fr')^{-1/3} + c$ .
- Os coeficientes ajustados para este modelo foram determinados como $a = -2,34$ , $b = 0,53$ e $c = 1,37$ .

Significância e Alegações
Os autores afirmam que esta pesquisa fornece insights críticos sobre o comportamento térmico da fumaça em túneis de montanha com poços verticais de abertura lateral, um cenário previamente subinvestigado. As principais contribuições incluem:

Correlações Empíricas: O desenvolvimento de correlações específicas para prever tanto a temperatura excessiva máxima quanto o decaimento de temperatura longitudinal sob a influência combinada de extração concentrada de fumaça lateral e ventilação longitudinal.
Orientação de Projeto: Os resultados oferecem dados valiosos para otimizar o arranjo de detectores de incêndio e sistemas de alerta precoce em configurações de túneis de montanha semelhantes.
Esclarecimento de Mecanismos: O estudo esclarece a transição nos fatores dominantes (da ventilação para as propriedades do combustível) conforme as velocidades do vento longitudinal aumentam e quantifica o impacto do "efeito chaminé" inerente aos altos poços verticais no controle de fumaça.

O artigo conclui que a compreensão dessas características de temperatura específicas é essencial para melhorar as estratégias de gestão de fumaça e garantir a segurança das operações de evacuação de emergência e resgate de incêndio em ambientes de túneis de montanha complexos.

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