Sprinklerpåverkad tunnelventilation

Transkript

1 Lars Jensen Avdelningen för installationsteknik Institutionen för bygg- och miljöteknologi Lunds tekniska högskola Lunds universitet, Rapport TVIT-/7

2 Lunds Universitet Lunds Universitet, med åtta fakulteter samt ett antal forskningscentra och specialhögskolor, är Skandinaviens största enhet för forskning och högre utbildning. Huvuddelen av universitetet ligger i Lund, som har invånare. En del forsknings- och utbildningsinstitutioner är dock belägna i Malmö, Helsingborg och Ljungbyhed. Lunds Universitet grundades 666 och har idag totalt 6 8 anställda och 7 studerande som deltar i ett 8 utbildningsprogram och ca fristående kurser. Avdelningen för installationsteknik Avdelningen för Installationsteknik tillhör institutionen för Bygg- och miljöteknologi på Lunds Tekniska Högskola, som utgör den tekniska fakulteten vid Lunds Universitet. Installationsteknik omfattar installationernas funktion vid påverkan av människor, verksamhet, byggnad och klimat. Forskningen har en systemanalytisk och metodutvecklande inriktning med syfte att utforma energieffektiva och funktionssäkra installationssystem och byggnader som ger bra inneklimat. Nuvarande forskning innefattar bl a utveckling av metoder för utveckling av beräkningsmetoder för godtyckliga flödessystem, konvertering av direktelvärmda hus till alternativa värmesystem, vädring och ventilation i skolor, system för brandsäkerhet, alternativa sätt att förhindra rökspridning vid brand, installationernas belastning på yttre miljön, att betrakta byggnad och installationer som ett byggnadstekniskt system, analysera och beräkna inneklimatet i olika typer av byggnader, effekter av brukarnas beteende för energianvändning, reglering av golvvärmesystem, bestämning av luftflöden i byggnader med hjälp av spårgasmetod. Vi utvecklar även användbara projekteringsverktyg för energi och inomhusklimat, system för individuell energimätning i flerbostadshus samt olika analysverktyg för optimering av ventilationsanläggningar hos industrin.

3 Lars Jensen

4 Lars Jensen ISRN LUTVDG/TVIT--/7--SE() Avdelningen för installationsteknik Institutionen för bygg- och miljöteknologi Lunds tekniska högskola Lunds universitet Box 8 LUND

5 Sprinklerpåverkad tunnelventilation Lars Jensen

6 Lars Jensen, ISRN LUTVDG/TVIT--/7 SE() Installationsteknik Institutionen för bygg- och miljöteknologi Lunds tekniska högskola Lunds universitet Box 8 LUND

7 Innehållsförteckning Inledning och problemställning Tunnelströmning med olika tvärsnitt 7 Modell av ventilerad och sprinklad tunnel 9 Inverkan av sprinkler Sprinklersektionering Sprinklerbredd med lika lufthastighet Sprinklerbredd med lika luftflöde Sprinklerbredd med lika luftimpuls Sprinklerhöjd Sprinklerorientering Sprinklerlufthastighet 6 Tunnelströmning med luftvattenbroms 7 6 Verkningsgrad för luftvattenbroms η 7 Tunnelströmning med riktade sprinkler 9 8 Sammanfattning och slutsatser

8 Sprinklerpåverkad tunnelventilation

9 Inledning och problemställning Syftet med denna arbetsrapport är att undersöka ett enkelt samband för hur tunnelventilation påverkas av utlösta sprinklergrupper. Ett sprinklersystem för en tunnel delas upp i sektioner i tunnels längdriktning, vilka kan utlösas manuellt eller instrumentellt. Sprinklermunstyckena är öppna utan utlösningsanordningar. En sprinklersektion kan ha längder på upptill m. Individuellt utlösningsbara sprinkler fungerar inte i en ventilerad tunnel, eftersom brandgaser till en del kyls ner och förs bort med tunnelventilationen, vilket medför att sprinkler närmast branden inte löser ut. Sprinkler nerströms branden löser ut när brandeffekten blivit tillräckligt stor. Ett överslag är att en tunnel med lufthastighet och ett tunneltvärsnitt m har en överföringsförmåga om W/ C eller. MW/ C. En temperaturhöjning med C fås med en konvektiv brandeffekt om 6 MW, vilket innebär att den totala brandeffekten är betydligt högre. Högre lufthastigheter fördröjer normal sprinklerutlösning för motsvarande högre brandeffekt. Trafikverket har genomfört fyra korta försök under en dag med Roslagtunneln en del av Norra Länken. Tunnellufthastighet utan och med utlösta sprinklersektioner om 7 och m samt ändring i tunnellufthastighet redovisas i Tabell. hämtat en artikel av Haukur Ingason och Peter Karlsson i Brandposten #. Tunnellufthastighetssiffrorna i Tabell. med en decimal visar att det finns en viss mindre påverkan av utlösta sprinkler. Tabell. Fullskaletest utan och med utlösta sprinklersektioner i Roslagstunneln test sprinklad längd tunnellufthastighet - m utan sprinkler med sprinkler skillnad Beräkningsuttrycket som redovisas i avsnitt anger tunnellufthastighetens kvot mellan en till en delvis sprinklad och en osprinklad tunnel. Indata är kvoten mellan sprinklad tunnellängd och total tunnellängd samt kvoten mellan genomströmningsyta för en sprinklad sektion och med en osprinklad sektion. Detta beräkningsuttryck bygger på att luftströmning genom en tunnel kan beskrivas som kanalströmning. En utlöst sprinklersektion försvårar genomströmningen, eftersom utlösta sprinkler skapar nedåtgående och tvärsgående luftström. En utlöst sprinklersektion beskrivs med en mindre diameter eller mindre tvärsnittsyta än för en outlöst sprinklersektion.

10 Svårigheten är att bestämma ändrad diameter och tvärsnittsyta för en utlöst sprinklersektion. Försök med en sprinklad och en osprinklad tunnel kan användas för att kalibrera beräkningsuttrycket och därmed bestämma tvärsnittsytans minskning. Tunnelventilation med utlösta sprinklersektioner beräknas här med FDS. En sprinklersektion beskrivs med en påtvingad lufthastighet för en yta parallell med tunnelgolvet. Ytans längd, bredd och höjd över golvet är givna indata. Hela tunnelmodellen med en sprinklersektion beskrivs i avsnitt. Tunnelmodellen har längden m, bredden m och höjden m. Beräkningsmodulen är. m. En sprinklersektion har längden m. Nerskalningen görs för att begränsa storleken och beräkningstiden. Tunnelmodellen genomräknas för ett stort antal fall med olika tunnelventilation och utlösta sprinklersektioner. Resultaten redovisas och kommenteras i avsnitt. I ett sent skede med arbetsrapporten kom ett uppslag att beräkna tunnellufthastigheten vid sprinklerpåverkan med effektsamband. Tunnelluften strömmar med samma hastighet genom tunneln och påverkas av sprinklerflödet jämt fördelat över hela tunnelns tvärsnitt. Sprinklervattnet får högst samma hastighet som tunnelluften. Denna rörelseeffekt förloras när sprinklervattnet träffar tunnelns ytor. Samma effekt tas upp från tunnelluften som ett tryckfall gånger tunnelluftflödet, vilket minskar tunnelhastigheten. Denna beräkningssätt beskrivs i avsnitt som en lösning av en andragradsekvation (.6) och en förenkling (.7). Hur fullständigt dropphastigheten i tunnelns längdriktning vid nedslag närmat sig tunnellufthastigheten undersöks i avsnitt 6. Principen demonstreras grafiskt med kombinationer av droppdiametrarna, dropphastigheterna, tunnellufthastigheterna och droppriktningar. En större undersökning visar att slutdropphastigheten kan sättas lika med tunnellufthastigheten. Tunnelventilationen påverkas av sprinkler riktade i tunnelns längdriktning. Tunnellufthastigheten och dess ändring undersöks i avsnitt 7 för olika vattenhastighet i tunnelns längdriktning och osprinklad tunnellufthastighet. En sammanfattning och slutsatser ges sist i avsnitt 8. 6

11 Tunnelströmning med olika tvärsnitt Lufthastighetskvoten mellan för en sprinklad och en osprinklad tunnel kan beräknas för samma yttre förutsättning, vilket innebär att de två fall skall ha samma friktionstryckfall för en sprinklad och en osprinklad tunnel. Friktionstryckfallet för en osprinklad tunneldel med längden l m, diametern d m och lufthastigheten v kan skrivas som: p = λ (l/d) ρv / (Pa) (.) Friktionstryckfallet för en sprinklad tunneldel med längden ls m, diametern ds m och lufthastigheten vs kan skrivas som: p = λ (ls / ds) ρ vs / (Pa) (.) Antag att den sprinklade strömningen sker med ett mindre tvärsnitt As än det osprinklade tvärsnittet A. Flödet är det samma genom en sprinklad del som genom en osprinklad del, vilket kan skrivas som: As vs = A v (m /s) (.) Inför den relativa tvärsnittsytan a för sprinklat/osprinklat som: a = A/As (-) (.) Lufthastigheten i en sprinklersektion vs kan skrivas som: vs = v/a () (.) Andel sprinklad tunnel beskrivs med parameter s på formen: s = ls / l (-) (.6) Friktionstryckfallet för en delvis sprinklad tunnel med andelen s kan skrivas som: p = (-s) λ (l / d) ρ v / + s λ (l / ds) ρ vs / (Pa) (.7) Friktionstryckfallet för en osprinklad tunnel med lufthastigheten vt kan beräknas med (.7) och s =. Den sökta hastighetskvoten v/vt mellan sprinklad och osprinklad tunnel under samma yttre förhållanden fås med användandet av (.7) som: v/vt = /( s + s d / ds a ). (-) (.8) 7

12 Uttrycket (.8) förenklas något genom att slopa diameterkvoten d / ds och låta den i fortsättningen ingå i en anpassad relativ tvärsnittsyta med samma beteckning a. v / vt = /( s + s / a ). (-) (.9) Sambandet (.9) redovisas i Figur.. Hastighetskvot sprinklad/osprinklad tunnel v/v t -.9 Relativ fri area för sprinklad tunnellängd a Relativ sprinklad tunnellängd s - Figur. Hastighetskvot v/vt som funktion av sprinklerandel s och relativ area a. 8

13 Modell av ventilerad och sprinklad tunnel Beräkningar görs med FDS och enligt en modellbeskrivning för ett basfall nedan. Tunnelens längd är m och dess tvärsnitt är kvadratiskt med sidan m. Beräkningsmodulen är. m. Ventilationen av tunneln görs med en ejektor med given hastighet och en mittplacerad kvadratisk yta med sidan.8 m och en randzon med bredden.6 m med möjlighet för fri inströmning. Inverkan av utlösta sprinkler fås med en mittplacerad horisontell yta. m över golv och med bredden. m. Alla beräkningsvärden loggas för, och 6 s. &HEAD CHID='stv_bas', TITLE=' : sprinklersektion -8 m ' / &GRID IBAR=6, JBAR=7, KBAR=7 / &PDIM XBAR=, YBAR=., ZBAR=. / &PLD WRITE_XYZ=.TRUE., DTSAM=/ &TIME TWFIN=6/ &MISC DATABASE='e:\nist\fds\database\database.data', RADIATION=.FALSE., SURF_DEFAULT='CONCRETE'/ &OBST XB=.,.,.,.,.,., SURF_ID='CONCRETE' / vägg &OBST XB=.,.,.,.,.,., SURF_ID='CONCRETE' / vägg &OBST XB=.,.,.,.,.,., SURF_ID='CONCRETE' / golv &OBST XB=.,.,.,.,.,., SURF_ID='CONCRETE' / tak &VENT XB=.,.,.,.8,.,., SURF_ID='OPEN' / vänster randzon &VENT XB=.,.,.6,.,.,., SURF_ID='OPEN' / vänster randzon &VENT XB=.,.,.,.,.,.8, SURF_ID='OPEN' / vänster randzon &VENT XB=.,.,.,.,.6,., SURF_ID='OPEN' / vänster randzon &VENT XB=.,.,.,.,.,., SURF_ID='OPEN' / höger &VENT XB=.,.,.8,.6,.8,.6, SURF_ID='ejektor' / &SURF ID='ejektor', VEL=-., TMPWAL=. / &VENT XB=.,.,.,.,.6,.6, SURF_ID='sprinkler' / &SURF ID='sprinkler', VEL=-., TMPWAL=. / &TAIL / Lösningen med en ejektor gör att olika strömningsmotstånd för tunneln på grund av aktiva sprinklersektioner resulterar i olika tunnelhastighet. Samma lufthastighet över hela tvärsnittet hade alltid resulterar i samma tunnelhastighet. Ejektorlufthastigheten har använts genomgående för ett större antal beräkningsfall och har tillsammans med sprinklerlufthastigheten bildat ett basfall. En sprinklersektion har längden m och bredden m samt är mittplacerad på höjden. över golv. En nedåtriktad lufthastighet beskriver sprinklernas ejektorverkan med som ett genomgående värde. Tunneln har sex sprinklersektioner och sprinklersektionsfall - redovisas i Figur.. 9

14 Fall aktiva sprinklersektioner nr typ m m m 6 m 8 m m m Figur. Beräkningsfall - för - sprinklersektioner. Tunnellufthastigheten för en osprinklad tunnel kan beräknas med omvandling av ejektors impuls till en tunnelluftens impuls och en tryckskillnad lika med summan av tunnelströmningen friktionstryckfall och utströmningsförlust. Impulsomvandlingen med en verkningsgrad ηe ger den drivande tryckskillnaden p och dito tryckförlust som: p = ηe ρ Aeve / At (Pa) (.) p = ( λ (l/d) + ) ρvt / (Pa) (.) Uttrycken (.-) visar att tunnelhastigheten är en linjär funktion av ejektorlufthastigheten och kan med (.-) lösas ut som: vt = ( ηe Ae / At ( λ (l/d) + )). ve () (.) Insättning av längden m, den hydrauliska diameter m för kvadratiskt tvärsnitt med sidan m och ett rimligt friktionstal om. ger sambandet: vt =.6 ηe. ve () (.)

15 En osprinklad tunnel har beräknats för ejektorhastigheterna -. Tunnelhastigheten vt redovisas som funktion av ejektorhastigheten ve i Figur.. Sambandet mellan de två hastigheterna vt och ve är enligt (.) linjärt. Linjär regression ger värdet.8, vilket också fås för impulsverkningsgraden.68. Det anpassade linjära sambandet redovisas också i Figur.. De enskilda värdena avviker något från den räta linjen. En förklaring är att de enskilda värdena bygger på extrapolation med tre olika tidsvärden från, och 6 s och att tunneln hinner inte genomströmmas för tunnelhastigheter under. 6 test : : Tunnellufthastighet v t Ejektorlufthastighet v e Figur. Tunnellufthastighet för en osprinklad tunnel som funktion av ejektorlufthastighet.

16 Tunnellufthastigheten har för basfallet beräknats för alla kombinationer mellan ejektorlufthastighet och sprinklerlufthastighet för värdena,,, 6, 8 och. Resultatet redovisas i Figur.. Isolinjer för tunnellufthastigheten visar att höga sprinklerlufthastigheter påverkar tunnelhastigheten för en tunnel sprinklad från till m jämfört med en osprinklad tunnel vars tunnellufthastighet kan läsas intill på x-axeln. Tunnellufthastighet v t Sprinklerlufthastighet v s Ejektorlufthastighet v e Figur. Tunnellufthastighet som funktion av ejektorlufthastighet och sprinklerlufthastighet.

17 Inverkan av sprinkler I detta avsnitt redovisas olika beräkningsresultat i delstudier på sidor enligt nedan och med rubrikerna: sprinklersektionering sprinklerbredd med lika luftlufthastighet sprinklerbredd med lika luftflöde sprinklerbredd med lika luftimpuls sprinklerhöjd sprinklerorientering sprinklerlufthastighet 6 Ett basfall ingår i samtliga delstudier med en mittplacerad sprinkleryta med längden 8 m, bredden m, höjden. m över golv och tunnellufthastigheten tillsammans med ejektorluft-hastigheten. Sprinklersektionering Sprinklersektionering undersöks med ett osprinklat fall, sprinklade fall - enligt Figur. samt fall - med sprinklersektionslängderna (,), (,), (,) och (,) m. Tunnellufthastighetskvoten sprinklat/osprinklat efter 6 s, fall - / fall, redovisas i Figur. och. som funktion av antal sprinklersektioner respektive sprinklerandel. Sambandet (.9) har kalibrerats med fall sprinklat och fall osprinklat och redovisas i Figur.-. Fall - med upptill fyra sprinklersektioner stämmer bra överens med den kalibrerade kurvan enligt (.9). Fall - med fem eller fler sprinklsersektioner avviker, vilket beror på att ejektorns övergångszon blir sprinklad för fall och. En liknande förklaring är övergångszonen efter sprinklersektionen fall och ligger utanför tunneln. Fall med fem förskjutna sprinklersektioner får med dessa övergångszoner och stämmer bättre. Hur tunnellufthastigheten i tunnelns riktning påverkas av ejektorn och utlösta sprinklersektioner kan redovisas med medelvärdet och standardavvikelsen som funktion av tunnelläget - m. Medelvärdet skall vara lika för alla tunnellägen, men det finns dock mindre variationer. Standardavvikelsen anger hur jämn och ostörd genomströmningen är. Redovisning görs med medelvärdet och dito plus/minus standardavvikelsen för alla tvärsnitt i tunnelns längdriktning för fall - med - utlösta sprinklersektioner enligt Figur. efter tiden 6 s. Gränserna för aktiva sprinklersektioner anges med vertikala linjer. Fallen - redovisas i Figur.- i en mer logisk ordning med fallföljden,,,, 6, 7,, 8-, vilket ger ökande sprinklersektionslängd och placering allt längre in i tunneln för samma antal sprinklersektioner.

18 test : : :6 sektioner.9 Hastighetskvot sprinklat/osprinklat Antal sprinkler sektioner Figur. Tunnelluftshastighetskvot sprinklat/osprinklat för fall -. test : :6 sektioner.9 Hastighetskvot sprinklat/osprinklat Utlöst sprinklerandel Figur. Tunnelluftshastighetskvot sprinklat/osprinklat för fall -.

19 fall tid 6 s -u std +u std x m Figur. Lufthastighetens medelvärde och standardavvikelse för fall osprinklat. fall tid 6 s -u std +u std x m Figur. Lufthastighetens medelvärde och standardavvikelse för fall sprinklat - m.

20 fall tid 6 s -u std +u std x m Figur. Lufthastighetens medelvärde och standardavvikelse för fall sprinklat -6 m. fall tid 6 s -u std +u std x m Figur.6 Lufthastighetens medelvärde och standardavvikelse för fall sprinklat 6-8 m. 6

21 fall 6 tid 6 s -u std +u std x m Figur.7 Lufthastighetens medelvärde och standardavvikelse för fall 6 sprinklat 8- m. fall 7 tid 6 s -u std +u std x m Figur.8 Lufthastighetens medelvärde och standardavvikelse för fall 7 sprinklat - m. 7

22 fall tid 6 s -u std +u std x m Figur.9 Lufthastighetens medelvärde och standardavvikelse för fall sprinklat -8 m. fall 8 tid 6 s -u std +u std x m Figur. Lufthastighetens medelvärde och standardavvikelse för fall 8 sprinklat 6- m. 8

23 fall 9 tid 6 s -u std +u std x m Figur. Lufthastighetens medelvärde och standardavvikelse för fall 9 sprinklat -8 m. fall tid 6 s -u std +u std x m Figur. Lufthastighetens medelvärde och standardavvikelse för fall sprinklat - m. 9

24 fall tid 6 s -u std +u std x m Figur. Lufthastighetens medelvärde och standardavvikelse för fall sprinklat - m.

25 Sprinklerbredd med lika lufthastighet Hastighetskvoten redovisas i Figur. som funktion av sprinklerytans bredd med bibehållen sprinklerlufthastighet. Hastighetskvoten mot basfallet med bredden m ökar som förväntat med avtagande bredd. Det störande sprinklerluftflödet avtar med bredden. test :.-. m bredd.8.6 Tunnellufthastighet v t Sprinklerbredd b m Figur. Tunnellufthastighet som funktion av sprinklerytans bredd för samma hastighet.

26 Sprinklerbredd med lika luftflöde En naturlig uppföljning av föregående resultat i Figur. är att testa ett samma sprinklerluftflöde på m /s. Resultatet för tunnellufthastigheten redovisas i Figur. som funktion av anpassad sprinklerlufthastighet som är,, 6 /, och för breddena.,.8,.6,. respektive. m. Resultatet är att samma luftflöde kan ge olika stor påverkan. test =q.:.:. m.8.6 Tunnellufthastighet v t Sprinklerlufthastighet v s Figur. Tunnellufthastighet som funktion av sprinklerytans bredd för samma flöde.

27 Sprinklerbredd med lika luftimpuls En naturlig uppföljning av föregående resultat i Figur. är att testa ett sprinklerluftflöde med samma impuls 8 m /s. Resultatet för tunnellufthastigheten redovisas i Figur.6 som funktion av anpassad sprinklerlufthastighet som är.,.6, 6. och 9.9 för bredderna.,.8,.6,. respektive. m. Lika impuls ger lägre sprinklerlufthastighet än lika flöde. Resultatet är att samma impuls för sprinklerluftflödet verkar ge samma påverkan. Slutsatsen är därför att olika impuls för sprinklerluftflödet ger olika påverkan på tunnellufthastigheten och omvänt att samma impuls ger samma påverkan. test =qv.:.:. m.8.6 Tunnellufthastighet v t Sprinklerlufthastighet v s Figur.6 Tunnellufthastighet som funktion av sprinklerytans bredd för samma impuls.

28 Sprinklerhöjd Hur tunnellufthastigheten påverkas av sprinklerytans höjdläge redovisas med resultat i Figur.7. Påverkan av olika höjdläge för sprinklerytan är liten med både en ökad och minskad tunnellufthastighet. test.8.6 Tunnellufthastighet v t Sprinklerhöjd h m Figur.7 Tunnellufthastighetskvot som funktion av sprinklerytans bredd för samma impuls för sprinklerluftflödet.

29 Sprinklerorientering Tunnellufthastigheten för sex olika orienteringar sprinklerytan redovisas i Figur.8. Förväntat resultat för fall och -6 är att det skall inte vara någon skillnad, eftersom de är rotationer av varandra. Det skiljer dock något mellan paren vänster-höger och paren upp-ner. Sidoplaceringsfallen med orientering och är lika, men påverkar tunnellufthastigheten betydligt. En förklaring kan vara att en väggluftstråle får egenskaper som motsvarar en dubbelt så stor luftstråle i ett dubblerat och speglat problem, vilket därför påverkan tunnellufthastigheten mer. test. Tunnellufthastighet v t Sprinklerorientering Figur.8 Tunnellufthastighet som funktion av sprinklerytans orientering enligt delfigurer.

30 Sprinklerlufthastighet Hur sprinklerlufthastigheten påverkar tunnellufthastigheten redovisas i Figur.9. Ett förväntat resultatet är att tunnellufthastigheten ökar men avtagande sprinklerlufthastighet.. test : : sektioner Tunnellufthastighet v t Sprinklerhastighet v s Figur.9 Tunnellufthastighet som funktion av sprinklerytans lufthastighet. 6

31 Tunnelströmning med luftvattenbroms I ett sent skede med arbetsrapporten kom ett uppslag att beräkna tunnellufthastigheten vid sprinklerpåverkan med effektsamband. Tunnelluften strömmar med samma hastighet genom hela tunneln och påverkas av sprinklerflödet jämt fördelat över hela tunnelns tvärsnitt. Sprinklervattnet får högst samma hastighet som tunnelluften. Denna rörelseeffekt förloras när sprinklervattnet träffar tunnelns ytor. Samma effekt tas upp från tunnelluften som ett tryckfall gånger tunnelluftflödet, vilket minskar tunnellufthastigheten. Sprinklervattnets upptag av rörelseeffekt P W/m till andelen η av sprinklad tunnellufthastighet vs kan för en m medelsprinklad tunnel med sprinklerandelen s och vattentätheten qrus mm/min ändrad till qrus/6 kg/sm beräknas som: P = s d qrus η vs / (W/m) (.) Tunnelluftens effektförlust ges av ett tryckfallet ps gånger tunnelluftflödet d vs, vilket blir: P = ps d vs (W/m) (.) Sprinklervattnets tryckfallspåverkan kan lösas ut med (.-) till följande: ps = s qrus η vs / d (Pa/m) (.) Med lika yttre tryckförhållanden är friktionstryckfallet för en osprinklad tunnel med tunnellufthastigheten v lika med dito för en sprinklad tunnel utökat med (.), vilket ger: ( λ/d) ρv / = ( λ/d) ρvs / + s qrus η vs / d (Pa/m) (.) För att öka läsbarheten och förenkla införs hjälpparametern b m min/kgs på formen: b = η / 6 λ ρ (m min/kgs) (.) Värdet b =. m min/kgs fås med η =.9, friktionstal λ =. och densitet ρ =. kg/m. Införandet av hjälpparametern b i (.) och förenkling ger en andragradsekvation: i vs: v = vs + b s qrus vs (m /s ) (.6) Sambandet (.6) har genomräknats till isodiagram för den sprinklade tunnelluft-hastigheten och hastighetsminskningen med osprinklad tunnellufthastigheter v som x-axel och medelvattentäthet som s qrus som y-axel för värdena b =.,. och.7 m min/kgs i Figur.- 6. Maximum för y-axel för s qrus är satt till mm/min, vilket räcker till för höga vattentätheter och mindre sprinklerandelar och inte helsprinklade tunnlar. 7

32 Sprinklad tunnellufthastighet v s b =. m min/kgs Tunnelmedelvattentäthet s q RUS mm/min Osprinklad tunnellufthastighet v Figur. Sprinklad tunnellufthastighet vs för v och s qrus för b =. m min/kgs. Minskad tunnellufthastighet v 9 b =. m min/kgs Tunnelmedelvattentäthet s q RUS mm/min Osprinklad tunnellufthastighet v Figur. Minskad tunnellufthastighet v-vs för v och s qrus för b =. m min/kgs. 8

33 Sprinklad tunnellufthastighet v s b =. m min/kgs Tunnelmedelvattentäthet s q RUS mm/min Osprinklad tunnellufthastighet v Figur. Sprinklad tunnellufthastighet vs för v och s qrus för b =. m min/kgs.... Tunnelmedelvattentäthet s q RUS mm/min Minskad tunnellufthastighet v b =. m min/kgs Osprinklad tunnellufthastighet v Figur. Minskad tunnellufthastighet v-vs för v och s qrus för b =. m min/kgs. 9

34 Sprinklad tunnellufthastighet v s b =.7 m min/kgs Tunnelmedelvattentäthet s q RUS mm/min Osprinklad tunnellufthastighet v Figur. Sprinklad tunnellufthastighet vs för v och s qrus för b =.7 m min/kgs.... Tunnelmedelvattentäthet s q RUS mm/min Minskad tunnellufthastighet v 9 b =.7 m min/kgs Osprinklad tunnellufthastighet v Figur.6 Minskad tunnellufthastighet v-vs för v och s qrus för b =.7 m min/kgs.

35 Lösningen av andragradsekvationen (.6) kan skrivas om genom att införa hastighetsändringen v på formen: v = b s qrus / () (.7) Detta ger omskrivningen med möjlighet för kvadratkomplettering med termen v : v = vs + v vs (m /s ) (.8) Om hastighetsändringen v i förhållande till v och vs är liten kan (.8) förenklas till: v = v - vs () (.9) Hastighetsändringen v enligt (.9) gäller bara för små hastighetsändringar relativt osprinklad och sprinklad tunnellufthastighet v och vs. Uttrycket (.7) kan användas som en övre gräns för hastighetsändringen v. Sambandet (.7) redovisas i Figur.7 för parametern b =.,. och.7 m min/kgs. Motsvarande friktiontal λ med kvadrerad hastighetsupptagning η =.9 och luftdensitet ρ =. kg/m är.,. och.7, vilka är rimliga friktionstal. Överslaget för hastighetsändringen enligt Figur.7 visar att en sprinklerandel på. och en vattentäthet på mm/min ger en tunnelmedelvattentäthet på mm/min och en hastighetsminskning på högst.6,. och.87 för hjälpparametern b =.,. respektive.7 m min/kgs. Minskad tunnellufthastighet v..... Överslag v < b s q RUS / b m min/kgs.7.. Tunnelmedelvattentäthet s q RUS mm/min Figur.7 Hastighetsändringen v enligt (.9) för tunnelmedelvattentäthet s qrus mm/min.

36 Tillämpning av (.6) och (.7) för beräkning av tunnellufthastigheten med utlösta sprinklersektioner har gjorts för de fyra försöksfallen i Tabell. för Roslagstunneln som en del i Norra Länken. En uppskattad längd för själva Roslagstunneln är 6 m mellan det fria och två anslutningstunnlar. Om de antas vara lika stora och långa som Roslagstunneln motsvarar de tillsammans m extra Roslagstunnel. Sprinklerandelen blir. och. för en respektive två sprinklersektioner om 7 m med totallängden 7 m. Vattentätheten är endast mm/min, vilket är normalriskklass och ganska måttligt jämfört med högriskklass. Hjälpparametern b har getts värdet. m min/kgs. Resultatet redovisas i Tabell.. Siffrorna med två decimaler visar att exakt beräkning med (.6) och förenklad med (.7) ger nästa samma resultat samt att de ligger nära de uppmätta tunnellufthastigheterna med utlösta sprinklersektioner. Jämförelserna skall inte drivas längre, eftersom försöksdata bara anges med en decimal. Slutsatsen är dock att de föreslagna beräkningsuttrycken (.6) och (.7) är effektiva i all sin enkelhet. Tabell. Beräknad tunnellufthastighet enligt (.6) och (.7) med indata från i Tabell. test s - vutan vmed v(.6) v(.7)

37 6 Verkningsgrad för luftvattenbroms η Tunnellufthastigheten skattas med uttryck (.6) där en parameter η är kvoten mellan dropphastigheten i tunnelns längdriktning vid nedslag och tunnellufthastigheten. Hur sprinklerdroppar rör sig genomräknas för åtta kombinationer av droppdiametrarna och mm, dropphastigheterna och och tunnellufthastigheterna och för med elva droppriktningar, vilka är upp, ner och nio kombinationer mellan vinkel till lodlinjen om, 9 och och vinkel till tunnelmittlinjen om, 9 och 8. Dessa vinkelval ger fall med olika droppspår. Resultatet redovisas med droppspår i Figur 6.-8 i tunnelns längdriktning med utgångspunkten är 8 m över golv.. Parallella hjälplinjer visar hur en droppe rör sig med frittfallhastighet och tunnellufthastighet. Droppspårsriktning sammanfaller med frittfallinjer något under utgångsnivån. Detta innebär att parametern η = för nivåer något under utgångsnivån. En mer omfattande beräkning har gjorts av parametern η med tusen droppriktningar jämt fördelade över en sfärs yta för hundra kombinationer av droppdiametrarna,,, och mm, dropphastigheterna,, och och tunnellufthastigheterna,,, och. Utgångspunkten är 8 m över golv. Resultat redovisas med parametern η som funktion av fall osorterat i Figur 6.9 och sorterat i Figur 6.. Högst värden över. fås för lägsta tunnellufthastighet, högsta nedslagsnivå 6 m och större droppdiametrar,, och mm. Parametern η ligger omkring., men avviker mest för nedslagsnivån 6 m endast m under utgångspunkten och minst för nedslagsnivå m och 8 m under utgångspunkten. Enkla statstiska värden redovisas i Tabell 6. för nedslagsnivåer till 6 m. Siffrorna i Tabell 6. visar att parametern η närmar sig. med avtagande nedslagsnivå. En rimlig tunnelhöjd är minst 6 m, vilket ger nedslagsnivåen m eller lägre. Slutsatsen blir därför att parametern η kan sättas till. för fall med droppdiametrarna,,, och mm, dropphastigheterna,, och och tunnellufthastigheterna,,, och. Tabell 6. Min-, medel-, standard- och maxvärde för η för olika nivå z. z m min(η) - med(η) - std(η) - max(η)

38 dd = mm v d = v t = v g = Droppspår z m Droppspår x m Figur 6. Droppspårsfall med diameter mm, hastighet och tunnelufthastighet. dd = mm v d = v t = v g = Droppspår z m Droppspår x m Figur 6. Droppspårsfall med diameter mm, hastighet och tunnelufthastighet.

39 dd = mm v d = v t = v g = Droppspår z m Droppspår x m Figur 6. Droppspårsfall med diameter mm, hastighet och tunnelufthastighet. dd = mm v d = v t = v g = Droppspår z m Droppspår x m Figur 6. Droppspårsfall med diameter mm, hastighet och tunnelufthastighet.

40 dd = mm v d = v t = v g = Droppspår z m Droppspår x m Figur 6. Droppspårsfall med diameter mm, hastighet och tunnelufthastighet. dd = mm v d = v t = v g = Droppspår z m Droppspår x m Figur 6.6 Droppspårsfall med diameter mm, hastighet och tunnelufthastighet. 6

41 dd = mm v d = v t = v g = Droppspår z m Droppspår x m Figur 6.7 Droppspårsfall med diameter mm, hastighet och tunnelufthastighet. dd = mm v d = v t = v g = Droppspår z m Droppspår x m Figur 6.8 Droppspårsfall med diameter mm, hastighet och tunnelufthastighet. 7

42 osorterat η fall Figur 6.9 Verkningsgrad för luftvattenbroms för fall. sorterat η fall Figur 6. Verkningsgrad för luftvattenbroms för fall sorterat. 8

43 7 Tunnelströmning med riktade sprinkler Tunnelventilationen kan påverkas om utlösta sprinkler är riktade med verkan i tunnelns riktning. Avsikten med detta avsnitt är att undersöka hur stor effekten kan bli eller hur tunnellufthastigheten ändras som funktion av vattentäthet och riktad vattenhastighet. Sprinklervattnets ejektorpåverkan kan beräknas som en tryckökning lika med impuls per m tvärsnittsyta. Medeltryckskillnaden p Pa/m kan med vattenhastigheten i tunnelriktningen vd, sprinklerytaandelen är s, vattentätheten qrus mm/min och tunnelns kvadratiska tvärsnitt med sidan d m beräknas som: pe = s qrus vd / 6 d (Pa/m) (7.) Standardsorten för vattentäthet mm/min ändras till kg/sm med faktorn /6. Medeltryckförlusten för dropparnas sluthastighet vs skrivs som: pd = s qrus vs / 6 d (Pa/m) (7.) Med lika yttre tryckförhållanden är friktionstryckfallet för en osprinklad tunnel med tunnellufthastigheten v lika med dito för en sprinklad tunnel utökat med (7.-), vilket ger: ( λ/d) ρvt / = ( λ/d) ρvs / + s qrus ( vs vd ) / 6 d (Pa/m) (7.) För att öka läsbarheten och förenkla införs hjälpparametern v på formen: v = s qrus / 6 λ ρ () (7.) Värdet v =. fås med sprinklerandel s =.9, vattentäthet qrus = mm/min, friktionstal λ =. och densitet ρ =. kg/m. Införandet av hjälpparametern v i (7.) och förenkling ger en andragradsekvation: i vs: vt = vs + v vs - v vd (m /s ) (7.) Sprinklad tunnellufthastighet vs löst med (7.) och dess ändring vs - vt redovisas i Figur 7.-6 med isodiagram med sprinklervattenhastighet vd som x-axel (-,) och osprinklad tunnellufthastighet vt som y-axel (-,) för hjälpparametern v =.,. och.. Isokurvorna visar på symmetri kring linjen vt = vd där vattenhastigheten sammanfaller med tunnellufthastigheten samt att eckenbyte på en vatten- och två lufthastigheter ger samma lösning. Tunnellufthastigheten påverkas måttligt, men mest för låga tunnellufthastigheter. En avslutande slutsats är att alla sprinklers gemensamma ejektorverkan kan elimineras med ett riktningsoberoende montage i förhållande till tunnelns längdriktning. 9

44 Tunnellufthastighet v t Tunnellufthastighet v s v = Sprinklervattenhastighet v d Figur 7. Lufthastighet vs för vattenhastighet vd och lufthastighet vt för v =. Ändrad tunnellufthastighet v s -v t v =. Tunnellufthastighet v t Sprinklervattenhastighet v d Figur 7. Ändrad lufthastighet för vattenhastighet vd och lufthastighet vt för v =..

45 Tunnellufthastighet v s v =. 6 Tunnellufthastighet v t Sprinklervattenhastighet v d Figur 7. Lufthastighet vs för vattenhastighet vd och lufthastighet vt för v =. Ändrad tunnellufthastighet v s -v t v =. Tunnellufthastighet v t Sprinklervattenhastighet v d Figur 7. Ändrad lufthastighet för vattenhastighet vd och lufthastighet vt för v =..

46 Tunnellufthastighet v s v = 7 6 Tunnellufthastighet v t Sprinklervattenhastighet v d Figur 7. Lufthastighet vs för vattenhastighet vd och lufthastighet vt för v =. Ändrad tunnellufthastighet v s -v t v = Tunnellufthastighet v t Sprinklervattenhastighet v d Figur 7.6 Ändrad lufthastighet för vattenhastighet vd och lufthastighet vt för v =..

47 8 Sammanfattning och slutsatser Tunnelventilation försämras av utlösta sprinkler, vilket fullskaleförsök visar. Sprinklersystem i tunnlar utformas med långa sprinklersektioner i tunnelns längdriktning som utlöses manuellt eller instrumentellt, eftersom normala enskilda sprinklerutlösningar ger osäkert resultat. Tunnelventilationen begränsar temperaturen betydligt för även större brandeffekter. Det går att förenklat beräkna tunnellufthastighetens kvot mellan sprinklad och osprinklad tunnel enligt (.9) och redovisas som isodiagram i Figur. där indata är andelen sprinklad tunnel och andelen genomströmmat tunneltvärsnitt för en utlöst sprinklersektion. En mindre tunnelmodell för FDS med längden m och kvadratiskt tvärsnitt med sidan m används där en sprinklersektion beskrivs som en mittplacerad yta parallellt med tunnelgolvet med en given längd, bredd, höjd och nedåtgående sprinklerluftlastighet. Tunnelventilationen skapas med en ejektor i tunnelns ena öppning med en given ejektorhastighet riktad inåt tunneln. Ejektorns utloppsyta är något mindre än tunnelns tvärsnittsyta. Tunnellufthastigheten för ett osprinklat fall är direkt proportionellt mot ejektorhastigheten. Detta drivsätt är känsligt för störningar från utlösta sprinklersektioner med stora tvärflöden. Tunnelluftens sluthastighet har extrapolerats fram med tidsvärdena för, och 6 s. Över åttio fall har genomräknats med olika geometri, ejektor- och sprinklerlufthastigheter. Resultatet från femton olika sprinklersektionsgeometrier visar att det föreslagna beräkningsuttrycket för tunnellufthastighetens kvot mellan sprinklad och osprinklad tunnel stämmer bra efter kalibrering med ett sprinklat och osprinklat fall. Resultat med olika bredd och samma sprinklerlufthastighet, dito flöde eller impuls för alla bredder visar att samma impuls ger samma tunnellufthastighet oberoende av bredd. Samma flöde ger starkt ökande sprinklerlufthastighet med avtagande bredd och även avtagande tunnellufthastighet. Samma hastighet ger med avtagande bredd avtagande sprinklerluftflöde och ökande tunnellufthastighet. Sprinklerytans höjdläge har liten inverkan på tunnellufthastigheten. En sprinklerytan intill en tunnelvägg ger en lägre tunnellufthastighet än för en mittplacerad sprinkleryta. Sprinklerytans orientering genom rotation av modellen ger marginella skillnader för tunnellufthastigheten. En sprinklad tunnellufthastighet och hastighetsändring vid sprinkling kan beräknas med en effektmodell för en given osprinklad tunnellufthastighet och en medelsprinklervattentäthet med (.6) och för mindre hastighetsändringar med (.7). Överensstämmelsen med försöksdata är god. Sprinklervattnets upptag av rörelseeffekt från tunnelluften till dess lufthastigheten anges med en parameter η. En detaljerad undersökning görs av denna parameter i avsnitt 6 för tusen jämt fördelade sfäriska sprinklerdroppsriktningar kombinerat med hundra fall för olika droppdiameter, dropputgångshastighet och tunnellufthastighet. Slutsatsen av resultaten är att dropphastigheten vid nedslag är lika med tunnellufthastigheten och att parametern η =.

48 Sammanfattande slutsatser och synpunkter är följande: Beräknade och redovisade ändringar i tunnellufthastighet överskattas något, eftersom tryckskillnad antas vara konstant och oberoende av tunnelflödet. En tryckskillnad som ökar med avtagande tunnelflöde minskar ändringarna i tunnellufthastighet. Uttrycket (.9) för tunnellufthastighetens kvot mellan sprinklad och osprinklad tunnel är enkelt och ger bra resultat efter kalibrering med ett sprinklat och osprinklat fall. Det saknas samband mellan verklig sprinkleryta och FDS-beskrivning av den samma. FDS-beräkningar visar att sprinklerytans placering och orientering ger en i stort sett samma påverkan samt att sprinklerytor med samma impuls ger samma påverkan. Tunnellufthastigheten kan beräknas med (.6) och dess ändring för liten sprinklerpåverkan med (.7) proportionell mot sprinklermedelvattentätheten. Beräkning med (.6) och (.7) stämmer bra med försöksvärden. Dito särskilt för beräkningsuttryck (.6) för sprinklad tunnellufthastighet bygger på att tunnelluftströmningen är den samma i hela tunneln med fullt tunneltvärsnitt och att sprinklervattnet skapar ett medeltryckfall som beror på medelvattentätheten. är ytterst enkelt och effektivt med enkla indata som vattentäthet, sprinklerandel och osprinklad tunnellufthastighet som indata. kan användas för att beräkna den undre gränsen för sprinklad tunnellufthastighet med η = där alla vattendropparnas hastighet för hela sprinklerflödet är lika med tunnellufthastigheten. har en viktig hjälpparameter b = η / 6 λ ρ omkring. m min/kgs där η anger sprinklervattnets medelhastighet relativt tunnellufthastigheten, λ tunnelströmningens friktionstal i storleksordningen. och ρ tunnelluftens densitet. kg/m för C. kan användas med antagandet att dropphastigheten i tunnelns längdriktning är lika med tunnellufthastigheten, vilket görs med parametern η =. En avslutande anmärkning är att själva sprinklerfunktionen i FDS inte har testats. Det är okänt om luftströmningen påverkas av en utlöst sprinkler. Beräkningsuttrycken (.6) och (.7) kan ersätta alla CFD-beräkningar och därför är beräkningar med sprinklerfunktioner med FDS av mindre intresse just nu.