Numerical simulations of fires in road and rail tunnels with structural and fluid dynamic analysis

The present works investigates with numerical methods the performance of longitudinal ventilation system and the structural response of a tunnel in case of fire. Computational fluid dynamics allows to simulate the flow field in a generic domain solving the equations of Navier Stokes. Several codes have been developed for the purpose and due to its specific development the code Fire Dynamic Simulator has been chosen, FDS. FDS is used to evaluate the flow field induced by a fire and by jet fans in order to evaluate the capability of the devices to confine the smoke. Jet fans in tunnel have been modelled and validated against different experiments in cold flow, in order to compare pressure and velocities. The fire has been later added and an entire tunnel has been simulated with jet fan activated, the results have been compared with experimental measurements for temperatures, velocities and volume flows. The simulations assessed the capabitity of FDS to simulate jet fans and fire predicting the pressure rise, velocity decay of the jet and the smoke confinement. FDS is also capable to correctly predict the throttling effect inside a tunnel considering the reduction of the volume flow rate across the tunnel due to the fire. FDS has been later used also to predict the thermal loads on a concrete structure exposed to fire. A structural code developed at the University of Padua, Comes-HTC, has been used to simulate the response of concrete at high temperature. The code has been coupled with FDS in order to use a realistic set of boundary conditions for the structural calculation. To couple the two codes an interpolation approach has been proposed and verified for the interfacing of Cartesian grids and structured grids. The coupled approach has been applied to study a concrete slab exposed to different fire scenarios, evaluating the influence of the fire growth rate and the HRR per unit of area. The coupled analysis has been applied to study a rail coach on fire in a tunnel, the study focused both on the modelling of the fire scenario and on the response of the vault. The coupled approach has been developed to transfer the results from FDS to Comes-HTC, however in order to study the influence of the structure on the fluid a two way coupling has been tested for the slab exposed to fire. Another coupled approach has been proposed embedding the Comes-HTC model in FDS. The different approaches showed similar results, therefore the one way coupling is considered the most usable, due to its capability to coupled also non-corresponding geometries.

Nel presente lavoro di tesi vengono studiati, mediante metodi numerici, le prestazioni di sistemi di ventilazione longitudinale e la risposta strutturale di gallerie esposte ad incendio. Fluidodinamica computazionale consente di simulate il campo di moto fluido in un generico dominio risolvendo le equazioni di Navier Stokes. Numerosi codici numerici sono stati sviluppati per la risoluzione di tali equazioni, ma dato il suo specifico sviluppo il codice Fire Dynamic Simulator è stato scelto, FDS. FDS è usato per simulare il campo di moto indotto da un incendio e dai ventilatori assili al fine di valutare la capacità di questi sistemi nel confinare il fumo. I ventilatori assiali installati in galleria sono stati modellati e validati usando dati sperimentali in un flusso freddo, senza incendio, al fine di confrontare i profili di velocità e di pressione. Successivamente un'intera galleria è stata simulata con un incendio e ventilatori attivi, i risultati sono stati confrontati con dati sperimentali usando le temperature le velocità e i flussi volumetrici. Le simulazioni hanno mostrato la capacità di FDS nel simulare ventilatori assili e scenari di incendio, stimando l'incremento di pressione, i profili di velocità e il confinamento dei fumi. Inoltre FDS è in grado di predire correttamente l'effetto di throttling in una galleria considerando la riduzione del flusso volumetrico attraverso una galleria indotto da un incendio. FDS è stato successivamente usato per stimare i carichi termici su una struttura in calcestruzzo esposta ad incendio. Un codice strutturale sviluppato presso l'Università di Padova, Comes-HTC, è stato usato per simulare la risposta del calcestruzzo ad alte temperature. Questo codice è stato accoppiato con FDS al fine di usare delle condizioni al contorno maggiormente realistiche per la verifica strutturale. Per accoppiare i due codici un metodo di interpolazione dei risultati è stato proposto e verificato per interfacciare griglie Cartesiane con griglie strutturate. L'analisi accoppiata è stata poi applicata per studiare una trave in calcestruzzo esposta a differenti scenari di incendio, valutando l'influenza della velocità di crescita dell'incendio e della potenza per unità d'area. L'analisi accoppiata è stata usata per studiare l'incendio di una carrozza ferroviaria in una galleria, lo studio si è concentrato sulla modellazione dell'incendio e sulla risposta della volta. L'analisi accoppiata è stata sviluppata per trasferire i risultati di FDS a Comes-HTC, tuttavia al fine di studiare l'influenza della struttura sul campo fluido un accoppiamento tipo two ways è stato sviluppato per la trave esposta ad incendio. Un'altra analisi accoppiata è stata proposta integrando il modello di Comes-HTC in FDS. In differenti approcci al problema hanno mostrato risultati simili, per cui l'accoppiamento tipo one way è stato considerato come il più fruibile data la sua capacità di accoppiare geometrie non coincidenti.