F07-Incendio

Área de Mecánica de Fluidos

CURSO 2006-07

PR ÁCTICAS ÁCTICAS DE FLUIDODIN FL UIDODIN ÁMICA ÁM ICA COMPUTACIONAL COMPUT ACIONAL PRÁCTICA Nº 7 - FLUENT SIMULACIÓN DE UN INCENDIO EN UN TUNEL DE CARRETERA 1 . DESCRIP DESCRIP CIÓN DEL PROBLEMA 2 . GENERACIÓN DE LA GEOMET GEOMETRÍA RÍA EN GAMB IT 3 . GENERACIÓN DEL MALLADO EN EN GAM BIT 4 . CONDICI ONES DE CONTORN CONTORN O Y EXP EXP ORTACIÓN DESDE GAM BI T 5 . INI CIALIZACIÓN DEL CASO EN FLUENT FLUE NT 6 . RESOLUCIÓN 7 . ANÁLI SIS DE RESULTADOS 8 . EFECTO EFECTO DE LA PENDI ENTE Y DEL GRADIENTE DE PRESIONES

PRÁCTICA No. 7 - FLUENT SIMULACI ÓN DE UN INCENDIO EN UN TUNEL DE CARRETERA CARRETERA


1.1.- DESCRIPCIÓN DEL DEL PROBLEM A El objetivo de esta práctica es ilustrar la resolución de un flujo no estacionario multi-especie en un dominio tridimensional. Se pretende analizar el fenómeno de dispersión y transporte del humo generado por un incendio que tiene lugar en el interior de un túnel de carretera. Se comenzará mostrando las estrategias más habituales empleadas para la generación de dominios tridimensionales en CFD. A continuación se darán las instrucciones necesarias para poner en marcha el modelo multiespecie. Será necesario emplear una simulación transitoria mientras se va alcanzando el estado asintótico para la dispersión del humo generado en el incendio. Se analizará la influencia de algunos parámetros en la evolución y composición de la distribución final de temperaturas y CO2 en el túnel, tales como la diferencia de presión entre las bocas del túnel o el efecto de la pendiente.     

En este ejemplo se va a mostrar cómo hacer las siguientes tareas en FLUENT: Crear una geometría tridimensional y mallarla en el programa de pretratamiento GAMBIT. Preparar un caso multiespecie, no estacionario para su resolución. Resolver una simulación dependiente del tiempo. Determinar las distribuciones finales de temperatura y CO2 en el interior del túnel. Analizar los resultados bajo criterios reales de seguridad en túneles y generar animaciones que describan el estado transitorio en el túnel.

Problema tipo. Consideramos un túnel típico de carretera, con una longitud total de 50 metros. Se creará una zona (centrada transversalmente en el túnel pero más cerca de una de las bocas) como localización de origen del incendio. Debido a la simetría transversal, se simulará únicamente la mitad del túnel, lo cual permitirá ahorrar un un número importante importante de celdas. La potencia calorífica que se liberar es de 5 MW, valor característico para el caso de deflagración de un turismo convencional.

L

Fig. 1. Geometría del túnel.

¡Buena suerte!

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1.1.- DESCRIPCIÓN DEL DEL PROBLEM A El objetivo de esta práctica es ilustrar la resolución de un flujo no estacionario multi-especie en un dominio tridimensional. Se pretende analizar el fenómeno de dispersión y transporte del humo generado por un incendio que tiene lugar en el interior de un túnel de carretera. Se comenzará mostrando las estrategias más habituales empleadas para la generación de dominios tridimensionales en CFD. A continuación se darán las instrucciones necesarias para poner en marcha el modelo multiespecie. Será necesario emplear una simulación transitoria mientras se va alcanzando el estado asintótico para la dispersión del humo generado en el incendio. Se analizará la influencia de algunos parámetros en la evolución y composición de la distribución final de temperaturas y CO2 en el túnel, tales como la diferencia de presión entre las bocas del túnel o el efecto de la pendiente.     

En este ejemplo se va a mostrar cómo hacer las siguientes tareas en FLUENT: Crear una geometría tridimensional y mallarla en el programa de pretratamiento GAMBIT. Preparar un caso multiespecie, no estacionario para su resolución. Resolver una simulación dependiente del tiempo. Determinar las distribuciones finales de temperatura y CO2 en el interior del túnel. Analizar los resultados bajo criterios reales de seguridad en túneles y generar animaciones que describan el estado transitorio en el túnel.

Problema tipo. Consideramos un túnel típico de carretera, con una longitud total de 50 metros. Se creará una zona (centrada transversalmente en el túnel pero más cerca de una de las bocas) como localización de origen del incendio. Debido a la simetría transversal, se simulará únicamente la mitad del túnel, lo cual permitirá ahorrar un un número importante importante de celdas. La potencia calorífica que se liberar es de 5 MW, valor característico para el caso de deflagración de un turismo convencional.

L

Fig. 1. Geometría del túnel.

¡Buena suerte!

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2.- GENERACIÓN DE LA GEOMETRÍA GEOMETRÍA EN GAMBI T Estrategia a seguir para crear la geometría. Se comenzará creando la sección transversal del túnel. A continuación, se extruirá longitudinalmente dicha sección para obtener el dominio tridimensional. En ese punto, habrá que introducir la sección plana que simulará la localización del incendio. Acto seguido, será necesario incluir un par de postizos a la salida de ambas bocas del túnel con el objetivo de no imponer condiciones de contorno ficticias en dichas bocas. Para facilitar la creación de la geometría tridimensional, en lugar de seguir la filosofía jerárquica de GAMBIT, procuraremos utilizar todas las utilidades que incorpora el programa para generar volúmenes de forma rápida y sencilla.

Crear un directorio de trabajo. Ha de crear una carpeta “Tunel” dentro del subdirectorio que sea conveniente. Utilizaremos esa carpeta de trabajo para almacenar los archivos y resultados que se vayan generando a lo largo de esta sesión.

Inicie GAMBIT. Inicio > Ejecutar.

Escriba cmd y presione al enter. Se abre una ventada de MS2 en la que debe escribir: gambit –id tunel y luego ejecute pulsando intro. Si esto no funciona, escriba en la ventana el path completo: c:\fluent.inc\ntbin\ntx86\ c:\fluent.inc\ntbin\ntx86\gambit gambit –id tunel

Todas estas órdenes sirven para abrir el programa. Además, al indicarle como identificador (-id) el nombre “tunel”, le estamos indicando al GAMBIT que utilice ese nombre como prefijo del archivo que vamos a construir a lo largo de esta sesión.

Interfaz del GAMBIT. La interfaz de GAMBIT se compone de las siguientes partes: •

Barra principal. Observe que el nombre cilindro aparece tras el ID en la barra.

•

Barra de herarramientas. A lo largo de este caso vamos a emplear muchas veces este panel. Fíjese que cada uno de los botones superiores, al ser seleccionados, dan paso a diferentes “sub-botones”. Por ejemplo, los “sub-controles” de Geometría son los que aparecen en la captura de pantalla:

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PRÁCTICA No. 7 - FLUENT SIMULACI ÓN DE UN INCENDIO EN UN TUNEL DE CARRETERA

•

Controles globales. Controlan la apariencia del modelo, las vistas o el zoom:

En este menú aparecen controles tales como Fit to Screen (ajustar a pantalla) (deshacer) •


o Undo

que son de gran utilidad mientras se crea la geometría y la malla.

Pantalla gráfica. Es la ventana en la cual vamos a ver los progresos de nuestro modelo.

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•

Panel de descripción de GAMBIT. Este panel contiene la descripción de los botones y objetos que está señalando el ratón en todo momento. Mueve el ratón sobre distintos botones para observar el texto descriptivo correspondiente.

•

Ventana de trascripción de GAMBIT. Es la ventana en la que van quedando reflejados los sucesivos comandos que son ejecutados por el usuario. Si se hace clic sobre la pequeña flecha de la derecha, arriba se puede minimizar y maximizar esta ventana.

Selección del SOLVER. Especifique que la malla que va a crear es para ser utilizada con FLUENT 6.0 Main Menu > Solver > FLUENT 5/6

Verifique que ha quedado correctamente registrado a través de la ventana de trascripción, en la cual puede leer: Command> solver select “FLUENT 5/6” NOTA: Los tipos de condiciones de contorno que pueden elegirse en el siguiente paso, dependen del solver que se haya seleccionado en esta opción. El flujo es TRIDIMENSIONAL. Vamos a colocar el origen de coordenadas (0,0) justo en uno de los vértices de la superficie del incendio. Veremos que el dominio del problema quedará comprendido entre: 0 ≤ x ≤ 5, 0 ≤ y ≤ 6, − 20 ≤ z ≤ 50 donde x e y definen las coordenadas transversales y z define el eje del túnel.

Origen de coordenadas. Se colocará el origen del sistema de coordenadas en una de las esquinas de la sección del túnel, justo como un vértice de la superficie del incendio. Se va a crear la sección del túnel a partir de un arco de circunferencia que representa la bóveda. El centro de dicho arco se encuentra sobre el plano de simetría del modelo:

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C


A (0,0,0) B (5,0,0) C (0,6,0) O (0,1.2,0)

O A

B

NOTA: El punto O sólo se crea por ser el centro del arco de circunferencia. Por tanto, la línea AC será una línea única (no es necesario que el punto O divida esa línea en dos trozos).

Creando vértices. Encuentre los botones que se indican a continuación, señalando cada uno de ellos con el ratón y observando la descripción que se hace de ellos en la ventana de descripción. Operation Toolpad > Geometry Command Button

> Vertex Command Button

> Create

Vertex

NOTA: Como puede comprobar, el botón de “Create Vertex” ya está seleccionado por defecto. Se crea el vértice que representa la esquina inferior izquierda del rectángulo. Para ello, junto a x: introduzca el valor 0; junto a y: introduzca el valor 0 y junto a z: introduzca el valor 0. Clic Apply para aplicar. Con esto, se crea el vértice (0,0,0).

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En la ventana de transcripción, GAMBIT indica que ha creado el vértice “vertex.1” . Los vértices (si no se les dan nombre en el campo label) son creados de forma correlativa en el orden en que son creados. Repita el proceso para crear los 3 vértices restantes (puntos B,C y O). Como puede ver, como aún estamos definiendo una sección bidimensional, la coordenada z se deja siempre con el valor 0 por defecto. Operation Toolpad > Global Control > Fit to Window Button

Este comando ajusta los 3 vértices más exteriores de la sección en la ventana gráfica para que podamos ver todos los puntos en pantalla (se muestra la pantalla en la captura siguiente):

Creando lados. Ahora han de conectarse entre sí los tres vértices de la sección del túnel. IMPORTANTE: Para seleccionar cualquier objeto en GAMBIT, presione la tecla MAYÚSCULAS (Shift) y a la vez haga clic en el objeto que quiera seleccionar. Cuando un objeto queda seleccionado, aparece en rojo en la pantalla gráfica. Luego, suelte el botón de MAYÚSCULAS. Se pueden chequear los vértices que han sido seleccionados si se hace clic sobre la flechita junto al campo Vertices:

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Haciendo esto, se abre una ventana desplegable donde aparece una relación de todos los objetos que han sido seleccionados. Además, los vértices se pueden poner y quitar de la lista utilizando los campos Available (disponibles) y Picked (seleccionados) y las flechas de izquierda y derecha para llevarlos de una lista a otra y viceversa.

Una vez que se haya seleccionado la pareja correcta de vértices, es el momento de hacer clic en Apply para generar el lado. Repita el proceso hasta que disponga de los lados rectos. Ahora vamos a crear el arco de circunferencia. Para ello, haciendo clic con el botón de la derecha sobre el icono de crear lado, descubrirá un panel desplegable. Seleccione la opción de Arc.

Especifique el centro del arco en el puntoO y seleccione como End Points los puntos B y C. Debe tener activo el método de Center y End-Points. Especifique en cada casilla los vértices apropiados y asegúrese de tener en la opción Arc la de arco de menos de 180º. Finalmente haga clic en Apply.

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Si todo se ha hecho correctamente, el resultado que obtendrá será:

NOTA: Como puede observar, el vértice situado en el punto O sigue de color blanco, puesto que no pertenece a ninguna entidad de jerarquía superior. El resto de vértices sí pertenecen ahora a algún tipo de línea y por esa razón el programa los colorea de amarillo.

Crear la cara. Operation Toolpad > Geometry Command Button

> Face Command Button

>

Form Face

Para crear las caras que represente la sección del túnel es preciso seleccionar los 3 lados y que éstos formen un lazo cerrado. Si no es así, el programa es incapaz de generar la superficie. Para seleccionar los lados puede presionar la tecla MAYÚSCULAS y a la vez ir haciendo clic sobre cada línea y al final soltar la tecla una vez queden seleccionadas las 3 líneas en rojo. También es posible seleccionar utilizando la ventana desplegable que aparece junto a la flechita de la derecha:

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Con esto, se activa la ventana de lista de lados. Haciendo clic sobre el botón All seleccionan todos los lados. Haga clic en Close.

, se

Extrusión de la cara. En primer lugar vamos a extruir la cara recién creado según la dirección del eje z. La vamos a extruir exactamente la longitud que ocupará la zona del incendio a lo largo: 1 metro. Operation Toolpad > Geometry Command Button Stitch Faces

> Volume Command Button

>

. Haciendo clic con el botón derecho del ratón, desplegamos varias opciones y

seleccionamos de entre todas ellas la de extruir: Sweep Face: En el menú desplegable que nos aparece seleccionamos la cara que tenemos para extruir y elegimos en el campo Path la opción vector. Por defecto nos fija el vector unitario en la dirección z. Si quisiésemos otra dirección u otro valor de longitud a extruir, se haría clic en Define y se especificaría ahí lo necesario. Para hacer la extrusión hacemos clic en Apply.

NOTA: Como podrá observar, las líneas son ahora verdes, lo cual significa que pertenecen a una entidad jerárquica superior: un volumen. Para ver una perspectiva del volumen, haga clic sobre la ventana gráfica con el botón izquierdo del ratón y muévase a izquierda o derecha con el ratón, manteniendo pulsado dicho botón izquierdo.

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Al hacer modelos tridimensionales, las utilidades que implementa el ratón son muy útiles para centrar o hacer zoom. Practique las siguientes opciones: • • • •

Manteniendo pulsado el BOTÓN IZQUIERDO del ratón y arrastrando el puntero por la pantalla gráfica podrá hacer giros tridimensionales de las vistas. Manteniendo pulsado el BOTÓN CENTRAL del ratón y arrastrando el puntero por la pantalla gráfica podrá hacer centrar la geometría en la ventana gráfica. Manteniendo pulsado el BOTÓN DERECHO del ratón y arrastrando el puntero por la pantalla gráfica podrá hacer zoom dinámico de la vista. Manteniendo pulsada la tecla de CTRL, se hace clic y se arrastra el ratón sobre una determinada zona (la zona que quiero ver ampliada) y continuación se suelta el botón de CTRL, conseguirá hacer zoom ventana.

Generación de la zona de incendio. Para marcar la superficie desde la cual se van a liberar los humos del incendio, es preciso crear la cara del incendio y “restársela” al volumen recién creado. Operation Toolpad > Geometry Command Button Form Face


>

. Haciendo clic con el botón derecho del ratón, desplegamos varias opciones y

seleccionamos de entre todas ellas la de extruir: Sweep Edges: . Elegimos el eje del túnel y lo extruimos en la dirección de x positiva con una magnitud de 1 metro. (Ver capturas siguientes):

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Hacemos clic en Apply y así conseguimos crear una cara que está “encima” del suelo del volumen. Simplemente, nos basta con restar esa cara al volumen. Para ello, utilizamos el comando Split: Operation Toolpad > Geometry Command Button


>

. Elegimos el volumen que tenemos creado y bajo la opción Split With elegimos Split Volume Face(Real) y ejecutamos haciendo clic en Apply

Al hacer esta operación, la cara inferior del volumen nos aparece partida en dos trozos.

Extrusión del resto de túnel. Se procede a continuación a extruir cada una de las dos caras transversales hacia cada lado. La posterior la extruiremos 10 metros en el sentido de z negativo, mientras que la cara anterior la extruiremos 39 metros en el sentido de z positivo. Empleando el comando extrusión ( Sweep Faces) de forma similar a como se mostró antes, se obtiene finalmente:

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Inclusión de postizos en ambas bocas. Vamos a crear dos caras adicionales en las dos bocas del túnel recién creado. Para ello definiremos 3 puntos en cada una de las caras adicionales que luego habrá que unir mediante líneas. Finalmente, crearemos las dos caras a partir del lazo cerrado que conformarán los lados. Los nuevos puntos que es necesario crear son: D (0,11,40) ; E (10,11,40) ; F (10,0,40) G (0,11,-10) ; H (10,11,-10) ; I (10,0,-10) Uniendo esos puntos y creando las caras, debería obtener:

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Para terminar, haga una extrusión de las dos caras recién creadas así como de las dos bocas del túnel de valor 10 metros en cada uno de los sentidos. Esto es:

3.- GENERACIÓN DEL MALLADO EN GAMBI T A continuación se detallan los pasos para crear las mallas de todos los volúmenes. Iremos mallando desde la sección transversal en la zona de incendio y lo extruiremos ( cooper ) longitudinalmente hasta llegar a los postizos. Se utilizará un patrón progresivo con el objeto de optimizar la malla en la zona próxima al incendio. A continuación se mallarán los postizos, empleando también técnicas de extrusión de malla.

Mallado de la zona túnel. Operation Toolpad > Mesh Command Button

> Edge Command Button

> Mesh

Edges

Haga MAYÚSCULAS + clic como antes o utilice la ventana desplegable asociada a la lista de lados para seleccionar los cuatro lados de la sección transversal. Para acceder más fácilmente a los lados, se puede hacer un zoom ventana de la zona de interés. Para ello, manteniendo pulsada la tecla de CTRL, se hace clic y se arrastra el ratón sobre una determinada zona (la zona que quiero ver ampliada) y continuación se suelta el botón de CTRL. Para retornar a la vista completa del modelo, basta con volver a clicar en: Control Toolpad > Fit to Window Button En la tabla adjunta se muestra el número de nodos ( Interval Count) que debe fijar para cada uno de los lados:

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Lado

Interval Count

A-Punto Punto-B B-C A-C

6 12 18 18


Respecto a los lados longitudinales, vamos a definir tres patrones diferentes, en función de que pertenezcan al volumen del incendio (central) o a los volúmenes de 39 y 10 metros de largo respectivamente. De esa manera: Lados longitudinales del volumen del incendio: equiespaciados con Interval Count=5 • Lados longitudinales del volumen de 39 m: Interval Count=39 con Sucessive Ratio=1.064 • Lados longitudinales del volumen de 10 m: Interval Count=15 con Sucessive Ratio=1.112 •

Procedemos a mallar los tres volúmenes. Haciendo sucesivas extrusiones de la malla de la sección transversal, evitamos tener que mallar todas las caras de los volúmenes. Comenzamos mallando la sección transversal: Operation Toolpad > Mesh Command Button


> Mesh

Faces

Haga MAYÚSCULAS + clic en la sección. Se emplearán Elements de tipo Quad y el campo Type se seleccionará la opción Pave. Esta opción me devuelve malla estructurada. Haga clic en Apply para mallar A continuación, vamos a mallar el volumen central: Operation Toolpad > Mesh Command Button

Mesh Volume


>

Seleccione el volumen central. Por defecto, el programa selecciona la opción más adecuada: Cooper. En esta opción hará una extrusión de la malla desde una cara fuente (Sources) hasta su opuesta. Como le hemos dicho que tenga 5 celdas en longitudinal, ignora el Spacing que fija por defecto.

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Repetimos con los dos volúmenes adyacentes de 39 y 10 metros de longitud una vez que se ha mallado el volumen central. Finalmente, la malla del túnel debería tener el siguiente aspecto:

Mallado de los postizos. Para mallar los postizos vamos a seguir empleando una estrategia de extrusión. Para ello, es necesario mallar en primer lugar las dos caras adyacentes a las bocas del túnel. Se seleccionan ambas caras y se mallan directamente, empleando un Interval Size de 1 y una malla de tipo Quad – Pave. Esto es:

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Finalmente se mallan los 4 volúmenes que restan empleando directamente un Cooper, fijando como valor de Spacing: 2 metros en Interval Size.

4.- CONDICION ES DE CONTORNO Y EXP ORTACIÓN DESDE GAMBIT Crear los tipos de condiciones de contorno. El esquema adjunto nos muestra qué tipo de condición de contorno hemos de fijar en el modelo. La zona del incendio será la entrada de velocidad para los gases, el techo de los postizos serán condiciones de salida, el plano de simetría de la geometría se definirá como tal y el resto de superficies serán paredes.

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Symmetry


Outlet (north-portal)

Outlet (south-portal) Wall

Velocity-inlet (inlet-fire) Operation Toolpad > Zones Command Button

> Specify Boundary Types Command

Button

Con esto se activará el panel de especificación de condiciones de contorno. Para empezar, vamos a fijar que la zona del incendio es la entrada de humos. Para ello, en Entity: seleccionamos la opción Faces para que GAMBIT sepa que queremos seleccionar una superfice (ya por defecto trae activo Face).

Ahora seleccionamos la superficie como siempre, haciendo MAYÚSCULAS + clic sobre ella. El área seleccionada aparece en el recuadro amarillo que está bajo el botón de Entity. Además, podemos darle nombre dentro del campo Name:, por ejemplo inlet-fire. Para fijar el Type:, seleccionamos VELOCITY_INLET. Hacemos clic en Apply. Con eso, la condición de contorno queda carga dentro del recuadro Name/Type, tal como se ve en la captura:

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A continuación se repite el proceso con el resto de superficies que se muestran en el dibujo anterior. Agrupándose por condiciones de contorno, si se ha hecho todo correctamente, la lista final de condiciones de contorno debería figurar de la siguiente manera en el programa:

Salvar y exportar. Especifique el directorio donde quiere guardar el fichero de GAMBIT. Note que la extensión es *.dbs Main Menu > File > Save As…

Con esta instrucción se exporta el fichero para que pueda ser interpretado por Fluent a continuación. Escriba tunel.msh como nombre de archivo (File Name). Desactive la opción Export 2D Mesh, ya que efectivamente el caso es tridimensional. Haga clic en Accept. Compruebe que un archivo tunel.msh ha sido creado en su directorio de trabajo. Cierre el programa GAMBIT y pase a abrir el programa FLUENT. Main Menu > File > Export > Mesh…

5.- INI CIALIZACIÓN DEL CASO EN FLUENT. Ejecutar el programa FLUENT. Start > Programs > Fluent Inc > FLUENT 6.0 o bien ejecute el icono que debe aparecer en el escritorio del PC. Seleccione la opción 3ddp dentro de la lista de opciones y luego haga clic en Run. La opción 3ddp se utiliza para seleccionar el solver tridimensional de doble precisión. En el

solver de doble-precisión, cada número decimal está representado por 64 bits, en vez de los 32 bits que se emplean en el solver de precisión sencilla. La opción de doble precisión no aumenta sólo la precisión sino también el rango máximo y mínimo que pueden alcanzar las magnitudes que se van a representar. Obviamente, esta opción requiere de más memoria de cálculo.

Importar la m alla. Main Menu > File > Read > Case…

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Utilice el explorer que nos aparece para acceder a su directorio de trabajo y seleccionar el fichero tunel.msh. Obviamente, ese es el fichero que fue creado con el programa anterior GAMBIT. Al cargarlo, FLUENT nos da información sobre las características del mallado. Compruebe el número de nodos, caras (de los distintos tipos) y celdas. Hay 13586 celdas hexagonales (hexahedral cells ). NOTA: Debido al algoritmo que emplea GAMBIT para la generación de la malla, puesto que ésta no fue definida perfectamente ortogonal, puede haber discrepancias en el número de celdas de unos casos a otros. Por otro lado, es interesante ver las zonas que se han cargado. Podemos comprobar cómo aparecen las cuatro condiciones de contorno que definimos con anterioridad: inlet-fire, north-portal y south-portal y symmetry. Además, por defecto, ha creado una pared wall que engloba todo el resto de superficies exteriores del modelo.

Validar y dibujar la malla. En primer lugar, hemos de chequear el mallado para asegurarnos que no ha habido errores ni en la generación, ni en la exportación ni en la importación. Main Menu > Grid > Check

En caso de que hubiesen errores, deberían ser detectados por FLUENT en esta operación. Compruebe el resultado del chequeo. Si todo esta correcto, proceda a comprobar el tamaño del mallado: Main Menu > Grid > Info > Size

Los siguientes resultados deberían ser proporcionados por el programa:

A continuación dibuje la malla: Main Menu > Display > Grid …

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Asegúrese que los 5 objetos que aparecen bajo el epígrafe Surfaces están seleccionados (todos menos el default-interior). A continuación haga clic en Display. Una ventana gráfica se abre y la malla aparece dibujada en ella. Ya puede hacer clic en el botón Close de la ventana Grid Display para ganar espacio en el escritorio. Como puede comprobar, la ventana gráfica no se cierra y permanece visible. Las más importantes operaciones que se pueden hacer dentro de la ventana gráfica se resumen a continuación: Traslación. El mallado se puede mover en cualquier dirección (centrar el dibujo completo o • solo una zona determinada) si se mantiene pulsado el botón izquierdo del ratón y a la vez se mueve el ratón en la dirección que se quiera. Zoom In. Mantenga pulsado el botón central del ratón y arrastre una ventana desde la • esquina superior izquierda a la esquina inferior derecha de la zona que quiere observar. Luego suelte y se ejecutará el zoom de esa zona, ajustándolo al tamaño máximo de la ventana gráfica. Zoom Out. Mantenga pulsado el botón central del ratón y arrastre una ventana en • cualquier lado desde la esquina inferior derecha a la esquina superior izquierda (inverso al anterior). Luego suelte. Practique estas operaciones para obtener una vista en el interior del túnel tal y como se muestra en la figura siguiente:

Obviamente, puede mostrar sólo aquellas partes del mallado que le interese. Para ello, basta con seleccionar sólo las superficies que quiere mostrar:

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Por comodidad, el botón que está junto a Surfaces selecciona todos los objetos, mientras que el botón deselecciona todas a la vez. Cierre la ventana gráfica para continuar.

Definición del SOLVER. Main Menu > Define > Models > Solver Elija la opción de Unsteady bajo el cuadro Time. Se emplearán las otras opciones que por defecto indica el programa, como el tipo segregated , implicit formulation, space-3D y absolute velocity formulation . Haga clic en Ok.

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Main Menu > Define > Models > Energy

En caso de flujo incompresible, la ecuación de la energía queda desacoplada de las ecuaciones de continuidad y del momento. Es preciso resolver la ecuación de la energía únicamente si estamos interesados en conocer la distribución de temperatura. En este caso, sí nos interesa. Por tanto, se activa la ecuación de la energía y salimos haciendo clic en Ok

. Main Menu > Define > Models > Viscous

El flujo en el interior del túnel será turbulento. Seleccionamos como modelo de turbulencia la opción k-épsilon. Ya que la malla es muy gruesa, seleccionamos también la opción de Standard Wall Functions, con el objeto de que introduzca en el tratamiento cercano a los contornos sólidos la ley logarítmica de pared . Haga clic en Ok.

Definición del modelo m ultiespecie. Main Menu > Define > Models > Species > Transport & Reaction Active la opción Species Transport. A continuación seleccione Material la combinación carbon-monoxide-air. Finalizamos haciendo clic en Ok.

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en el campo Mixture



Definición de las propiedades del fluido. Main Menu > Define > Materials

Vamos a editar este “fluido” multiespecie. Para ello, hacemos clic en Edit…, botón que se encuentra junto al campo names en Misture Species. Aparece un nuevo cuadro de diálogo que nos permite añadir y eliminar componentes de la mezcla multiespecie que tenemos por defecto. Añadimos el aire a la mezcla y eliminamos el O2, el CO, el H2O y el N 2, de forma que el panel original se transforma en el final:

c Haga clic en Ok. Nuevamente sobre el panel de Materials, seleccione en Density la opción ideal-gas. Termine haciendo clic en Change/Create para validar todos los cambios.

Definición de Condiciones de Operación. Main Menu > Define > Operating Conditions …

Para todo tipo de flujos, FLUENT utiliza internamente presión manométrica (relativa a la atmosférica). De todos modos, este modo de proceder exige que en algún momento se fije el valor absoluto de la presión a la cual quedan referidos todos los cálculos a partir de ese momento. Se empleará el valor por defecto de 1 atm (101325 Pa) como Operating Pressure. Además, es preciso definir el valor de la gravedad para tener en cuenta el efecto chimenea, por lo que hay que activar la casilla Gravity. Vamos a empezar suponiendo que el túnel no tiene pendiente. Por tanto:

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Además, se ha fijado un valor de 300K como valor de referencia para la temperatura. Así mismo, la densidad de referencia que use el modelo ha de corresponder con la del fluido a dicha temperatura. Vamos a tomar el valor de 1.225 kg/m 3 como válido. Haga clic en Ok para terminar.

Definición de Condiciones de Contorno. A continuación se fijarán los valores de velocidad a la entrada y presión a la salida. Main Menu > Define > Boundary Conditions …

Obsérvese que en este panel aparecen las 5 condiciones de contorno que definimos en GAMBIT como zonas en la izquierda de la ventana de boundary conditions . La condición symmetry debería estar seleccionada por defecto. Si no es así, claque en ella. Compruebe que el tipo seleccionado es symmetry. Después haga clic en Set… Fíjese cómo no hay nada que especificar para este tipo de condición. A continuación, haga clic en Ok. Muévase a lo largo de la lista y seleccione ahora la condición inlet-fire. FLUENT indica que el tipo de esta condición de contorno es velocity-inlet. Recuerde que el tipo de condición fue ya fijada en GAMBIT. De todas formas, es posible cambiar aquí el tipo de condición que se fijó en GAMBIT si es necesario. Basta con seleccionar otro tipo de condición en esta ventana y validar la selección. Haga clic en Set…

Velocidad de los hum os Para determinar la velocidad a la que entran los humos por esa superficie, hemos de realizar unos pequeños cálculos preliminares. Se fijan unas condiciones estándar para el incendio que queremos modelizar. En este caso (deflagración de un vehículo), dichas condiciones son: Potencia calorífica del incendio: 5 MW. • Temperatura de los gases calientes: 400ºC. • Concentración de CO2 de los gases de combustión: 0.05 •

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Este modelo multiespecie no resuelve ecuaciones de combustión. Lo que hace es estudiar la evolución de los gases de combustión que son emitidos desde la superficie del incendio. Con los datos anteriores es posible determinar el caudal másicos de los gases calientes. Para ello, imponemos que: W&comb

=

& g C p ΔT m

& & donde W comb es la potencia liberada en la combustión (los 5 MW), mg es el caudal másico de gases que queremos determinar, C p es la capacidad calorífica del aire (1005 kJ/KgK) y ΔT es la diferencia de temperatura entre los gases calientes y la temperatura local. (673 K – 300 K). Por tanto:

5 ⋅106 &g = ≈ 13.3 kg / s m 1005 ⋅ ( 673 − 300 ) La densidad de los gases calientes la estimamos mediante la ley de gas ideal:

P ρ

= RT

.

Luego: ρ g

101300 3 ≈ 0.52 kg / m 287 ⋅ 673

=

Por tanto, el caudal volumétrico de gas que entra en el dominio será: Q& g

=

&g m ρ g

=

13.3 3 = 25.6 m / s 0.52

Ahora bien, como el modelo es simétrico, todo es caudal entrará tanto por la superficie de entrada del modelo como por su “imagen” simétrica. Por tanto, para definir la velocidad de entrada, hay que dividir ese caudal de gases entre dos veces la sección de entrada y así: Vg

=

25.6 m3 / s = = 12.8 m / s 2 x1 m2 Sg

Qg

Introduzca el valor de velocidad 12.8 m/s en el campo Velocity Magnitude. Los valores de las variables turbulentas se dejan por defecto. Finalmente, no olvide cambiar el valor de la temperatura de los gases a la entrada al valor 673 K. Asimismo, ha de fijar el valor 0.05 para el CO 2 dentro del apartado Species Mass Fractions Una vez haya introducido todos estos valores, haga clic en Ok.

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La presión (absoluta) que se tiene a la salida es 1 atm. Puesto que la presión de operación se ha dejado fijada en 1 atmósfera, la presión manométrica a la salida ( outlet gauge pressire ) ha de ser cero. Seleccione outlet bajo el campo Zone. El Type de esta condición de contorno es pressure outlet. Haga clic en Cancel para mantener el valor por defecto. Haga clic en Close para cerrar el menú de Boundary Conditions.

6.- RESOLUCIÓN Para la resolución se empleará un esquema de discretización de segundo orden. Main Menu > Solve > Controls > Solution…

En el campo Discretization, cambie la opción de Pressure a Body Force Weighted, puesto que ofrece mejor convergencia que el resto de posibilidades. Cambie el resto de parámetros (6) de Discretization a Second Order Upwind . Además, utilice como Pressure-Velocity Coupling el método SIMPLEC .

Haga clic en Ok.

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Inicialización de la solución. Hay que inicializar el campo de velocidades y presiones para llevar a cabo el método iterativo de resolución. En este caso, vamos a fijarle a todo el dominio valores nulos para todas las variables. Main Menu > Solve > Initialize > Initialize… Haga clic en Init. Con esto, se completa la inicialización del modelo.

Fijar criterios de convergencia. Mientras resuelve las ecuaciones de forma iterativa, FLUENT va mostrando en pantalla un valor de residuo asociado a cada ecuación de gobierno del flujo que está resolviendo. El residuo es una medida de lo bien que la solución actual cumple las ecuaciones de gobierno discretizadas. En nuestro caso, vamos a iterar la solución hasta que los valores del residuo se sitúen por debajo del valor umbral de 10 -3. Main Menu > Solve > Monitors > Residual… Mantenga el valor de residuo bajo el campo Convergence Criterion al valor 1e-03 tanto para la ecuación de continuidad ( continuity) como para las componentes de la ecuación del momento ( x-momentum, y-momentum). Además, bajo el cuadro Options, seleccione la opción Plot. Con esto, conseguirá que

FLUENT muestre los residuos en pantalla mientras va resolviendo el modelo. Mantenga también activa la opción Print (irá escribiendo los valores en pantalla). En el campo Plotting especifique que los muestre en la Window 1 (por defecto trae la 0).

Haga clic en Ok.

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Monitorización del flujo de hum os en las salidas del dominio. Mientras va iterando, vamos viendo la evolución del flujo de humo en las salidad. Es de esperar que se observe un comportamiento asintótico que prediga que tras un cierto tiempo de estabilidad, la cantidad de humo que sale por ambos portales ha de ser igual al que entra desde l posición del incendio. Main Menu > Solve > Monitors > Surface… Hacemos clic tanto en Plot como en Print y definimos al programa que queremos ver los resultados cada Time Step (Every). A continuación hacemos clic en el botón Define. Seleccionamos en Report Type: Mass-flow Rate y le decimos al programa que nos los muestre en todas las superficies externas: inlet-fire, north-portal y south-portal en la ventana 2 ( Plot Window)

.

Visualización del proceso de difusión de hum os. FLUENT permite la visualización de contornos o gráficas de las variables mientras está iterando. De esta forma, podemos almacenar una animación del flujo durante el transitorio de simulación. Para ello, hay que definir una animación de la siguiente forma: Main Menu > Solve > Animate > Define…

Indicamos que queremos realizar una secuencia: Animation Sequences se fija a 1. A continuación, se decimos que la actualiza cada paso temporal: Every: 1 y When: Time Step. A continuación se hace clic en el botón Define.

En el nuevo panel elegimos como Window la 0 y en Display Type seleccionamos la opción Contours. A continuación pulsamos en Properties…

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Seleccionamos en categoría la opción Species… y en la subcategoría la opción Mass fraction of CO 2. En la opción Levels introducimos el valor 64. Y dejamos sin seleccionar la opción Filled . Hacemos clic en Draw grid para ver el dominio y buscamos una vista como la anterior. Hacemos clic en Display y ajustamos el zoom para ver con detalle el túnel. Ya que el túnel es largo, podemos estirar la ventana a lo ancho para mejorar la vista Como paso final, hacemos Ok en el panel de Animation Sequence y terminamos.

NOTA: Para dar renderizado al grid hay que ir a Main Menu > Display > Options y activar la opción Lights On. Dejamos por defecto el renderizado de tipo Gouraud . Si todo está correcto, deberíamos poder ver:

Como aún no ha comenzado el incendio, no vemos contornos de CO 2 por el dominio (únicamente se intuye en la entrada de humos debido al valor fijado por la condición de contorno. Con esto se termina todo el proceso de inicialización y definición del modelo a resolver. Ahora, salve el trabajo: Main Menu > File > Write > Case&Data … Escriba el nombre tunel.cas como Case File.

Haga clic en Ok. Compruebe que efectivamente FLUENT crea dicho archivo en su directorio de trabajo. Si por cualquier razón, cierra el programa FLUENT, podrá recuperar todo su trabajo simplemente leyendo el archivo tunel.cas.

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Proceso iterativo para la convergencia. Main Menu > Solve > Iterate. En

la ventana desplegable hemos de imponer un paso temporal del orden de 1 segundo. Se fijarán 50 iteraciones como número máximo por paso temporal y 60 pasos temporales para completar 1 minuto completo de simulación de estado transitorio. Le indicaremos también que refresque los valores de los residuos cada 10 iteraciones.

Una vez que todos los parámetros están fijados, haga clic en Iterate. Espere un rato a que el programa ejecute los 60 pasos temporales. Al final, habrá obtenido un resultado como el siguiente:

En la evolución del flujo por todas las superficies podemos apreciar el primer instante en que el humo comienza a salir por la boca más cercana así como el instante final en que también alcanza la otra boca. Al final, el resultado asintótico tiende a cero, pues obviamente estamos evaluando en la gráfica el flujo neto de todos los caudales que entran y salen del dominio.

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7.- ANÁLI SIS DE RESULTADOS. Animación del movim iento del humo. Vamos a crear un archivo *.mpeg con la animación que hemos ido realizando mientras convergía el caso. Para ello: Main Menu > Solve > Animate > Playback… Seleccione la opción MPEG dentro del campo Write/Record Format.

Haga clic en Write y cierre el panel. Con esta operación, se creará una animación en formato MPEG en el directorio de trabajo que podrá ser visualizada usando, por ejemplo, el Windows Media Placer u otro reproductor cualquiera.

En la animación vemos que el penacho de humo sobre la superficie de gases se establece de forma instantánea. Esto se debe a que hemos fijado un valor de velocidad (12.8 m/s) muy grande desde el principio. En las situaciones reales se suele fijar una rampa de forma que pasemos de velocidad nula a los 12.8 m/s de forma progresiva en un determinado período de tiempo (esto es, el coche no deflagra de forma instantánea…se va calentando y aumentando de potencia). La animación es muy interesante porque nos muestra cómo se va estratificando el humo desde la bóveda hacia abajo y cómo se escapa por las dos bocas del túnel.

Distribución de temperaturas. Se muestra a continuación la distribución de temperaturas en la bóveda del túnel y en la pared de simetría. Es interesante conocer la temperatura máxima que puede llegar a tenerse en la cúpula para saber si se verán comprometidas las resistencias térmicas de los materiales de construcción. Así mismo, una distribución de temperaturas permite saber los umbrales de resistencia que personas atrapadas en el incendio podrían tolerar. Main Menu > Display > Contours. Elegimos la categoría Temperatures (subcategoría Static Temeprature) y seleccionamos que nos los muestre en primer lugar en la superficie de symmetry. A continuación, desactivamos ésta y se lo pedimos sobre las paredes, wall. Hacemos clic en la opción Filled y desactivamos que dibuje el grid (Draw grid). Si previamente hemos desactivado el renderizado Gouraud del panel Options, obtendríamos como resultado:

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Vamos a determinar las zonas peligrosas para las personas que pudiesen quedar atrapadas en el interior. Vamos a fijar como máxima temperatura admisible el valor de 60ºC. Por encima de esos valores, se considerará que no se puede sobrevivir. Vamos a definir la iso-superficie de 60ºC dentro del modelo. Para ello: Main Menu > Surface > Iso-surface… Elegimos una superficie de temperatura constante dentro del plano de simetría: Surface of Constant Temperature (Static Temperature) From Surface symmetry. También se podría coger la envolvente tridimensional de toda la zona fluid pero es suficientemente representativo observarlo en el plano central. Le fijamos el valor de 333K (60ºC) y la llamamos límite. Finalmente, hacemos clic en Apply.

A continuación vamos a representar una gráfica XY con esa curva: Main Menu > Plot > XYPlot… Siguiendo la dirección z del plano de simetría (Plot Direction), representamos la coordenada Y de esa curva de isotemperatura a 60ºC. (Y Axis Function: Grid… Y-Coordinate… en Surfaces “limite”)

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Variando los límites de los ejes y cambiando el aspecto de la curva, obtenemos un gráfico como el siguiente:

Como vemos, ronda los 3.5 metros de alto, así que en la mayor parte del túnel (salvo la zona próxima al fuego), la gente podría transitar buscando la salida sin riesgo elevado de quemaduras (otro cantar es por asfixia).

Distribución de velocidades. Vamos a mostrar por último patrones de flujo en la sección transversal del túnel. Para ello, crearemos una sección transversal justo en el centro del túnel (posición z=13 m). Acudimos nuevamente a Main Menu > Surface > Iso-surface… Elegimos la zona de fluido Fluid y especificamos que se cree una superficie de valor constante de coordenada z: Surface of Grid… ZCoordinate From Zones Fluid. Le fijamos el valor de 2 m y la llamamos z01. Finalmente, hacemos clic en Apply.

Repetimos el proceso para los valores de z, 6m, 10m y 20m, renombrando cada uno de ellos como z02, z03 y z04 respectivamente. Ahora vamos a representar la componente z de la velocidad sobre esos 4 planos. Como ya sabemos:

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Main Menu > Display > Contours… Se elige la opción de Contours of… Velocity tomando como subcategoría Z-velocity. Dejamos desactivada la opción Filled y ponemos un total de 15 Levels. Seleccionamos las 4 superficies (z01,…,z04) que acabamos de crear. Desactivamos la opción Global Range y dejamos activa la de AutoRange. Dibujamos el grid para apreciar mejor la perspectiva y hacemos clic en Apply.

Con este tipo de representaciones gráficas podemos entender mejor los patrones de flujo y el comportamiento del humo al pasar por la bóveda del túnel. Si repetimos el mismo gráfico de antes pero seleccionando además la superficie de simetría, los contornos cambian completamente: observamos el flujo de gases con valor negativo de componente z de velocidad que se mueve hacia la boca más cercana al fuego.

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8.- EFECTO DE LA PENDIENTE Y DEL GRADIENTE DE PR ESIONES A continuación vamos a repetir el ejemplo de antes pero variando primero la pendiente del túnel y luego introduciendo una diferencia de presiones entre las bocas.

Efecto de la pendiente. Para introducir este efecto, vamos a modificar las componentes de la aceleración (es más fácil esto que rehacer la geometría con inclinación). Vamos a darle al túnel una pendiente del 7.5% en el sentido hacia la boca más cercana al túnel (north portal). Para ello: North Portal

South Portal gz = 0.735 m/s2

7.5% 4.3º gy = -9.782 m/s2

g = 9.81 m/s2

Vamos al panel de Main Menu > Define > Operating Conditions y en Gravity introducimos los valores que aparecen en el esquema:

A continuación, inicializamos desde cero el caso y volvemos a ejecutar el modelo durante 60s. Mostramos los flujos a la salida mientras itera así como la animación de la fracción de CO2 en el plano de simetría. Para evitar problemas, renombramos la nueva animación como sequence-2. En este caso la solución asintótica se alcanza aproximadamente a los dos minutos. Se aprecia perfectamente el efecto del tiro del túnel debido a la pendiente. Incluso el penacho de humo

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es claramente desviado hacia la boca norte. En un principio el humo inunda todo el túnel pero con la estratificación establecida, el humo tiende a ir todo por la boca norte.

Puede comprobar cómo las distribuciones de velocidad son completamente distintas al caso anterior. La zona de afección del incendio (en cuanto a temperaturas por encima de 60ºC y zonas de gran concentración de dióxido de carbono) también cambia sustancialmente.

Efecto de la diferencia de presiones entre bocas. Imaginemos que a los dos minutos de la situación anterior cambian bruscamente las condiciones atmosféricas externas. Basta con se produzca una diferencia de 1 milibar entre los extremos del túnel, para que se genere un importante depresión. Imaginemos que esa depresión de 100 Pa aparece en la boca sur. Introduzca esa variación en el modelo en las condiciones de contorno de South Portal: Main Menu > Define > Boudary Conditions… Seleccione south portal y haga clic en Set… Fije como Gauge Pressure el valor -100 Pa (una depresión respecto al otro extremo del túnel

de 1 mbar).

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F07-Incendio

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