Rak-43.3510 Tulipalon dynamiikka 7. luento 14.10.2014 Simo Hostikka
Palopatsaat 1 Luonnollisten palojen liekki 2 Palopatsas 3 Liekin korkeus 4 Palopatsaan lämpötila ja virtausnopeus 5 Ideaalisen palopatsaan malli 6 Kokeelliset palopatsasmallit: Zukoski 7 Kokeelliset palopatsasmallit: McCaffrey 8 Kokeelliset palopatsasmallit: Heskestad 9 Kattosuihkun lämpötila 10 Palo seinän vieressä tai nurkassa 11 Lämpöilmaisimen dynamiikka 2
Luonnollisten palojen lieskat Liekit, jotka syntyvät nesteiden ja kiinteiden aineiden palaessa. Polttoaineen tuottonopeus on hyvin pieni (liekin säteilyn määräämä). Virtaus on nosteen hallitsemaa: nostevirtaus, nostepatsas. Polttoaine sekoittuu diffuusion ja ilman laahautumisen vaikutuksesta. Palaa siellä, missä konsentraatio on korkean lämpötilan syttymisrajojen sisällä. Palon halkaisija < 0.05 m laminaaria Palon halkaisija > 0.30 m turbulenttia 3
Laaduttomat luvut Frouden luku mittaa liikemäärän ja nosteen suhdetta 2 U Fr gd Laaduton paloteho Q D 2 c 5 Q * c T c Q p c gdd 2 Q c on konvektiivinen paloteho (kw) 4
Luonnolisten palojen liekkien (lieskojen) tutkimus Suurin osa tutkimuksista kaasupolttimilla. Tasapainotila, jatkuva liekki Huokoisilla polttimilla (esim. hiekkapoltin) vakiovirtausnopeus koko palavan alueen yli. 5
Liekkityypit Q * c T c Q p c gdd 2 D kasvaa 6
Palopatsasvirtauksen rooli palodynamiikassa PALO Fire LIEKEHTIVÄ Flaming KYTEVÄ Smouldering PALOPATSAS Fire plume KATTOSUIHKU Ceiling jet SAVULLA TÄYTTYMINEN Smoke filling Palopatsas = Liekit + Savupatsas Yleensä turbulenttia virtausta Sylinterisymmetria (?) Hyödyntäminen: savulla täyttyminen, paikalliset lämpötilat, paloilmaisimet 7
Palopatsaan osat Nostepatsas Hulmuava lieska Liekinkorkeus L Jatkuva lieska D L
Palopatsaita 9
Liekinkorkeus Ei yksiselitteistä määritelmää. Esim. näkyvän liekin esiintymistodennäköisyyden 50 % fraktiili. Dimensioanalyysi: 10
Liekinkorkeus Mittauksissa hajontaa Suurilla palotehoilla 11
Liekinkorkeus Useimmissa tulipaloissa 0.5 Q * c Tässä alueessa kokeiden perusteella pätee (Heskestad 1983) 7 Olettamalla tyypilliset arvot olosuhteille ja H c /r 3000 kj/kg saadaan 12
Palopatsaan keskilinjan lämpötila (kokeet metaanilla) 13
Palopatsaan keskilinjan virtausnopeus 14
Palopatsasmallit - pistelähdeoletus 15
Ideaalisen palopatsaan oletukset 1. Pistelähte 2. Ei säteilyhäviöitä palopatsaasta. 3. Tiheysvaihtelut pieniä: Vaihtelut huomioidaan vain termeissä () 4. Virtausprofiilit (T,u,...) vakioita, ns. top hat profiileja 5. Sivuvirtaus patsaan reunalla verrannollinen pystysuoraan virtaukseen: v = u ( = 0.15 top hatille) 16
Ideaalisen palopatsasmallin johto 17
Ideaalinen palopatsas: jatkuvuusyhtälö 18
Ideaalinen palopatsas: liikemäärä 19
Ideaalisen palopatsaan ratkaisuyrite 20
Ideaalisen palopatsasmallin ratkaisu 21
Kokeelliset palopatsasmallit: Zukoski 22
Kokeelliset palopatsasmallit: McCaffrey 23
Kokeelliset palopatsasmallit: Thomas Edellä esitetyt kokeelliset korrelaatiot oli kehitetty paloille, joissa liekki on korkea palolähteen halkaisijaan verrattuna: l > D Thomas: Kokeita joissa liekinkorkeus selvästi matalampi m p 0.188 P z 3/ 2 missä P on polttoaineen ympärysmitta. 24
Kokeelliset palopatsasmallit: Heskestad 25
Kokeelliset palopatsasmallit: Heskestad 26
Kokeelliset palopatsasmallit: Heskestad 27
Kokeelliset palopatsasmallit: Heskestad 28
Kattosuihkun lämpötila ja nopeus Alpert (1972): Factory Mutual Test Centre Q = 500 kw 100 MW. Tasainen katto H > liekin korkeus L f Suihkun maksimi etäisyydellä 0.01H. (Y > 0.125H ambient) T T u u max max max max 2 /3 16.9Q T, 5/3 H 5.38Q / r T H 1/3 Q 0.96, H 1/3 1/ 2 0.195Q H, 5/6 r 2/3, r H r H r H r H 0.18 0.18 29 0.15 0.15
Palo seinän vieressä tai nurkassa Palo avoimessa tilassa: käytetään kattosuihkujenlaskennassa kokonaispalotehoa Q laskenta Q Palo seinän vieressä: Sama energia jakautuu puoleen avaruudesta. Kerrotaan paloteho kahdella laskukaavoissa: Q 2Q laskenta Palo nurkassa: Q 4Q laskenta 30
Lämpöilmaisimen dynamiikka (1) Kattosuihkujen tuntemusta hyödynnetään lämpöilmaisimien ja sprinklerien suunnittelussa. Johdetaan malli lämpöilmaisimen laukeamisajalle, kun tunnetaan kattosuihkun lämpötila T g ja virtausnopeus u. Oletukset Lämpö siirtyy ilmaisimeen vain konvektiolla. Lämpöhäviöt johtumalla ovat pieniä. Ilmaisin on termisesti ohut Massa m, ominaislämpökapasiteetti c, karakteristinen läpimitta D. u, T g q tot q conv T d q rad q cond 0 0 31
Lämpöilmaisimen dynamiikka (2) Ilmaisimeen siirtyy lämpövirta (W) A on ilmaisimen pinta-ala. h on konvektiokerroin Ilmaisin lämpenee dt dt d q tot 1 q mc tot Ah ( Tg Td Ah mc ( T g ) T d ) 1 ( T g T d ) Ilmaisimen aikavakio [] = s = (m,c,a,h) mc ha 32
Lämpöilmaisimen dynamiikka (3) Alkuehto T d (t=0) = T 0 Reunaehto eli heräte vakiolämpötila (askelvaste) T g = T g (t>0) Ratkaisu T d ( t) T t / T T e 0 g d 1 Hälytysaika, eli aika jolloin saavutetaan hälytyslämpötila T h t h T ln 1 T h g T T 0 0 33
Lämpöilmaisimen dynamiikka (4) Yllä aikavakio riippuu h:sta ja sen kautta virtausnopeudesta u. Se ei siis ole ilmaisimen ominaisuus. mc u h ud mc ha Määritellään Response Time Index RTI Re u mc A D "laitevakio" dt dt d mc ha u u u ( T RTI g T u d ) D A u mc A D u Nopea sprinkleri: RTI = 22 (ms) 1/2 Hidas sprinkleri: RTI = 375 (ms) 1/2 Termoelementti (1 mm): 1 (ms) 1/2 Lämpöilmaisimet: 40 150 (ms) 1/2 34