Kwantificeren van de inmenging van lucht in rookpluimen doorheen rechthoekige openingen in een tussenliggende vloer

Transcriptie

1 Kwantificeren van de inmenging van lucht in rookpluimen doorheen rechthoekige openingen in een tussenliggende vloer Pieter Poppe Promotoren: prof. dr. ir. Bart Merci, ir. Christian Gryspeert Masterproef ingediend tot het behalen van de academische graad van Postgraduaat Fire Safety Engineering Vakgroep Mechanica van Stroming, Warmte en Verbranding Voorzitter: prof. dr. ir. Jan Vierendeels Faculteit Ingenieurswetenschappen en Architectuur Academiejaar

2

3 Kwantificeren van de inmenging van lucht in rookpluimen doorheen rechthoekige openingen in een tussenliggende vloer Pieter Poppe Promotoren: prof. dr. ir. Bart Merci, ir. Christian Gryspeert Masterproef ingediend tot het behalen van de academische graad van Postgraduaat Fire Safety Engineering Vakgroep Mechanica van Stroming, Warmte en Verbranding Voorzitter: prof. dr. ir. Jan Vierendeels Faculteit Ingenieurswetenschappen en Architectuur Academiejaar

4 VOORWOORD De aanvaarding van je eigen zwaktes, is je grootste sterkte Het willen combineren van de opleiding Fire Safety Engineering, een drukke (maar leuke) job bij het Instituut voor Brandveiligheid (ISIB) en een gezin met puberende peuters, was geen evidente keuze. Nu ik aan het einde van de opleiding gekomen ben, heb ik er wel geen seconde spijt van gehad, maar ik ben toch blij dat het voorbij is. Een thesis maak je nooit alleen. Ik wil graag onderstaande personen bedanken die elk op hun manier bijgedragen hebben aan deze thesis. In de eerste plaats zou ik graag mijn oude en nieuwe directeur, prof. dr. ir. Paul Vandevelde en dr. ir. Bart Sette, willen bedanken voor de kans die ze mij gegeven hebben om deze opleiding te volgen. Vervolgens bedank ik graag mijn promotor, prof. dr. ir. Bart Merci, voor de interessante lessen en aangename gesprekken. In het bijzonder zou ik mijn co-promotor, ir. Christian wandelende encyclopedie Gryspeert, willen bedanken voor de enorm leerrijke vergaderingen. Tijdens onze gesprekken heb ik meermaals moeten vaststellen dat ik niks als vanzelfsprekend mag aannemen. Christian, je hebt gelijk : er zit inderdaad merite in gewoon hard nadenken, maar het is wel niet zo goed voor mijn nachtrust. Ook dank aan dr. ir. Tarek Beji voor de tip in verband met de bepaling van de rookvrije hoogte. Tevens zou ik ook al mijn medestudenten willen bedanken voor de leuke momenten die we samen hadden tijdens de lessen (en daarbuiten). Het is altijd interessant om bepaalde zaken vanuit een ander standpunt te bekijken. Enkele collega s van op het werk mogen hier zeker niet ontbreken. Joris, bedankt voor de ó zo belangrijke IT-ondersteuning. Liesbeth en Laurence, zonder jullie had ik deze thesis nooit tot een goed einde kunnen brengen. Nen dikke merci hiervoor. Ik wil zeker ook mijn ouders, oma Sylva en opa André, evenals mijn schoonouders, mémé Titine en opa Paul, bedanken voor de talrijke keren dat ik de kids bij jullie heb mogen afzetten, zodat ik kon studeren of werken aan deze thesis. Maar de grootste dank u wel gaat uit naar mijn gezin. Lukas en Juul Piet Piraat, jullie hebben papa de laatste maanden veel moeten missen, maar ik beloof jullie dat ik vanaf nu weer tijd zal hebben om samen met jullie zotjes te doen. Evie, zonder je begrip en geduld zou het me nooit gelukt zijn om dit alles te kunnen bolwerken. Je hebt jezelf de laatste jaren weggecijferd zodat ik mij ten volle kon concentreren op mijn opleiding. Bedankt! i

5 De toelating tot bruikleen De auteur geeft de toelating deze masterproef voor consultatie beschikbaar te stellen en delen van de masterproef te kopiëren voor persoonlijk gebruik. Elk ander gebruik valt onder de beperkingen van het auteursrecht, in het bijzonder met betrekking tot de verplichting de bron uitdrukkelijk te vermelden bij het aanhalen van resultaten uit deze masterproef. The author gives the permission to make this master dissertation available for consultation and to copy parts of this master dissertation for personal use. In the case of any other use, the limitations of the copyright have to be respected, in particular with regard to the obligation to state expressly the source when quoting results from this master dissertation. Pieter Poppe Juni 2013 ii

6 OVERZICHT Kwantificeren van de inmenging van lucht in rookpluimen doorheen rechthoekige openingen in een tussenliggende vloer door ir. Pieter Poppe Masterproef ingediend tot het behalen van de academische graad van Postgraduaat Fire Safety Engineering Promotor : prof. dr. ir. Bart Merci Begeleider : ir. Christian Gryspeert Vakgroep Mechanica van Stroming, Warmte en Verbranding Voorzitter : prof. dr. ir. Jan Vierendeels Faculteit Ingenieurswetenschappen en Architectuur Academiejaar Samenvatting De inmenging van lucht in een rookpluim die doorheen een opening in een tussenvloer gaat, is anders dan in geval van bv. een axisymmetrische rookpluim of een spill plume. Experimenten of empirische formules om deze inmenging te kwantificeren zijn niet terug te vinden in de vakliteratuur. Een eerste aanzet werd gegeven in een recente thesis waar de klassieke formules voor de axisymmetrische rookpluim toegepast werden om het massadebiet van de rookpluim te bepalen. Goede resultaten werden vastgesteld voor vierkante openingen, maar niet voor rechthoekige openingen. In deze thesis wordt derhalve getracht om een empirische formule op te stellen die de inmenging van lucht in rookpluimen doorheen rechthoekige openingen in een tussenvloer kwantificeert. Niet één, maar twee empirische formules worden voorgesteld op basis van twee nieuwe soorten rookpluimen, i.e. de axisymmetrische lijnpluim en de perimeter plume. Voor de verificatie van de empirische formules wordt beroep gedaan op FDS-simulaties. Tijdens de simulaties wordt gebruik gemaakt van natuurlijke of mechanische RWA. De resultaten van deze simulaties worden tenslotte vergeleken met de waarden bekomen door middel van beide empirische formules. Trefwoorden Inmenging van lucht, rookpluim, rechthoekige opening, vloer, rook- en warmteafvoer, FDS iii

7 EXTENDED ABSTRACT Quantification of air entrainment in smoke plumes through rectangular openings in an intermediate floor ir. Pieter Poppe Supervisors : prof. dr. ir. Bart Merci, ir. Christian Gryspeert Abstract : Two empirical formulas are proposed to quantify the air entrainment in smoke plumes through rectangular openings in an intermediate floor. The CFD-model FDS is used to quantify the entrainment. The two empirical formulas showed good agreement with the results of de FDS-simulations. Keywords : air entrainment, smoke plume, rectangular opening, floor, smoke and heat exhaust ventilation system, FDS I. Introduction The quantification of air entrainment in smoke plumes has extensively been examined in case of an axisymmetric smoke plume or a spill plum. However no experiments have been carried out to investigate the behavior of a smoke plume passing through an opening in an intermediate floor. A very recent thesis has concluded that the air entrainment of such smoke plumes can be quantified using the formula from Heskestad for an axisymmetric plume. In the latter thesis, good results were obtained for square openings, but not for rectangular openings. The main objective of this thesis is to find an empirical formula to quantify the entrainment of air in smoke plumes through rectangular openings in an intermediate floor. II. Empirical formulas Not one, but two hypotheses for the air entrainment in smoke plumes through openings in an intermediate floor are formulated in this thesis. The plumes in question are called the axisymmetric line plume and the perimeter plume. Hypothesis axisymmetric line plume A rectangular opening is characterized by a long side (L) and a short side (B). The first hypothesis considers the plume as a combination of an axisymmetric plume at the short sides of the rectangular opening (with area A axis ) and a line plume (with area A line ) in between the axisymmetric plume. This is demonstrated by the following figure : B L W B/2 B/2 B + A axis = = Figure 1 : Ratio area axisymmetric plume and line plume at the opening in the floor (i.e. z=0) The above-mentioned figure refers to the location at the opening. Every line plume will eventually transform into an axisymmetric plume at a certain height. W B B B A line iv

8 This height (or transition height) is assumed here to be three times the length of the line plume at the opening (= L - B). This means that at a height lower than the transition height, the smoke plume can be regarded as follows : The constants A and B are derived from the FDS simulations as mentioned in the figure below : W B L = L - W B + W B Figure 3 : Determination of the constants A and B on the basis of the obtained results from the FDS simulations Figure 2 : Ratio area axisymmetric plume and line plume at a height lower than the transition height (i.e. 0 < z < 3 * (L-B) Therefore the length of the line plume and the convective power of the part of the line plume are a function of the height above the opening. The formula for the mass flow of the axisymmetric line plume ( m& ) is described as follows : 1) Height lower than 3 * (L - B) m& al = 0,16* W + 0,071* Q& 1/3 conv, axis + 0,00192* Q& 2/3 conv, axis al * Q& * 1/3 conv, line ( z z ) 2) Height higher than 3 * (L - B) m& al = 0,071* Q& + 0,00192* Q& 1/3 conv, axis conv, axis * 0 * z 5/3 ( z z ) 0 5/3 Hypothesis perimeter plume The second hypothesis considers the smoke plume as a line plume, where the length of the line plume is replaced by the perimeter of the opening. The formula for the mass flow of the perimeter plume ( m& ) has the following form : pp A axis 1/3 conv pp m & = A* P* Q& * z + B* Q& conv A line The formula for the mass flow of the perimeter plume ( m& ) can therefore be rewritten as follows : m & = 0,037* P* Q& * z 0,0005* Q& pp III. pp 1/3 conv FDS simulations conv Several simulations using the CFD model FDS [2] were performed. Both mechanical and natural SHEVS were used during these simulations. During the simulations with mechanical SHEVS, it appeared that the extraction rate, the position of the extraction area in the roof and the grid size have a major influence on the air entrainment in smoke plumes and the smoke-free height. Therefore the results obtained from the FDS simulations with mechanical SHEVS were not used for the verification of both empirical formulas. During the simulations with natural SHEVS, numerous variations in the configuration have been examined, i.e. length/width ratio of the opening, fire load, orientation to the fire of the opening, distance to the fire of the edge of the opening, etc. v

9 IV. Comparison V. Conclusions The difference in terms of percentage between the results of the FDS simulation and those obtained with the formula for the axisymmetric line plume and the perimeter plume for the smoke-free height are given in the figure below : Both empirical formulas show good agreement with the results obtained from the FDS simulations. The formula for the perimeter plume gave better results compared to the formula for the axisymmetric line plume. Acknowledgements Figure 4 : Difference in terms of percentage for the smokefree height (axisymmetric line plume perimeter plume) The difference in terms of percentage between the results of the FDS simulation and those obtained with the formula for the axisymmetric line plume and the perimeter plume for the mass flow are given in the figure below : The author wants to thank prof. dr. ir. Paul Vandevelde and dr. ir. Bart Sette for the provided funds. A most sincere appreciation is addressed to prof. dr. ir. Bart Merci and ir. Christian Gryspeert for their assistance to this thesis. References [1] C. Gryspeert, De invloed van rookverspreiding doorheen horizontale openingen op natuurlijke RWA in industriële gebouwen, 2012 [2] NIST, FDS (Fire Dynamics Simulator) version Figure 5 : Difference in terms of percentage for the mass flow (axisymmetric line plume perimeter plume) vi

10 INHOUD VOORWOORD... i OVERZICHT... iii EXTENDED ABSTRACT... iv 1 Inleiding Natuurlijke en mechanische RWA Openingen in een tussenvloer Onderwerp van deze thesis Kwantificeren van inmenging van lucht bij rechthoekige openingen Karakteristieken van een vuurhaard De vuurhaard Vlamlengte Rookpluim (buoyant plume) Ceiling jet Dimensieloos vermogen Soorten rookpluimen Axisymmetrische rookpluim Tweedimensionale rookpluim (lijnpluim) Vergelijking tussen axisymmetrische rookpluim en lijnpluim Rookpluim doorheen rechthoekige openingen Inleiding Hypothese axisymmetrische lijnpluim Hypothese perimeter plume Simulaties in FDS Aannames bij de simulaties Verificatie van de bekomen resultaten uit FDS Behoud van massa Dikte van de rooklaag Temperatuurprofiel Rookvrije hoogte Definitie van de rookvrije hoogte Berekenen van de rookvrije hoogte Vergelijking tussen de verschillende berekeningsmethodes Simulaties met mechanische RWA Simulaties met natuurlijke RWA vii

11 4 Analyse van de resultaten bekomen tijdens de FDS-simulaties Mechanische RWA Invloed van de grid size Invloed van het opgelegde massadebiet Conclusies mechanische RWA Natuurlijke RWA Invloed van de grid size Oriëntatie van de opening ten opzichte van de vuurhaard Invloed van de lengte/breedte-verhouding van de opening Positie inlaatopening en vuurhaard Opening in tussenvloer tegen de wand Temperatuur van de rooklaag in het onderste compartiment Conclusies simulaties natuurlijke RWA Vergelijking van de resultaten bekomen met de empirische formules Celgrootte 20 x 20 x 20 cm Celgrootte 15 x 15 x 15 cm Conclusie Toepasbaarheid in de praktijk gebruik van een manuele berekening Inleiding Manuele berekening Stap 1 onderste compartiment Stap 2 bovenste compartiment Uitgewerkt voorbeeld Inleiding Geometrie van het gebouw Manuele berekening Vergelijking met resultaten uit FDS Conclusie Besluit BIJLAGE A BIJLAGE B BIJLAGE C BIJLAGE D REFERENTIES viii

12 LIJST MET AFBEELDINGEN Figuur 1 : Schematische weergave van het principe van natuurlijke RWA [1]... 1 Figuur 2 : Schematische weergave van de reductie van de opening [3]... 2 Figuur 3 : Schematische weergave van het principe van mechanische RWA [2]... 3 Figuur 4 : Voorbeeld van een opening in een tussenvloer (trap)... 3 Figuur 5 : Schematische weergave van de verschillende zones boven een vol ontwikkelde brand [5]... 6 Figuur 6 : Schematische weergave van de oscillerende beweging van vlammen [5]... 6 Figuur 7 : Principe van een ceiling jet [6]... 7 Figuur 8 : Temperatuurs- en snelheidsverdeling van een ceiling jet [5]... 8 Figuur 9 : Maximale snelheid van de ceiling jet in geval van een compartimentshoogte van 3,8 m (linker grafiek) en 5,8 m (rechter grafiek)... 8 Figuur 10 : Axisymmetrische rookpluim [7] Figuur 11 : Axisymmetrische rookpluim doorheen een vierkante opening in een tussenvloer Figuur 12 : Vergelijking tussen een top-hat profiel (linker figuur) en een Gaussiaanse profiel (rechter figuur) [5] Figuur 13 : Principe van het concept virtuele punbron [5] Figuur 14 : Lijnpluim [7] Figuur 15 : Lijnpluim doorheen een (oneindig) lange rechthoekige opening in een tussenvloer Figuur 16 : Schematische weergave van een spill plume [10] Figuur 17 : Verhouding oppervlakte axisymmetrische en lijnpluim ter plaatse van de opening (i.e. z = 0) Figuur 18 : Verhouding oppervlakte axisymmetrische en lijnpluim op een hoogte boven de opening, maar lager dan de overgangshoogte, i.e. 0 < z < 3 * (L B) Figuur 19 : Bepaling van de empirische constanten A en B in de formule van de perimeter plume door middel van een lineaire best fitting curve Figuur 20 : Schematische weergave van de configuratie van de simulaties Figuur 21 : Typisch verloop van het massadebiet doorheen de inlaatopeningen in geval van de toegepaste configuraties Figuur 22 : Schematische weergave van het fenomeen plug-holing [16] Figuur 23 : Maximaal massadebiet doorheen een ventilatieopening in functie van de temperatuur van de rooklaag (omgevingstemperatuur : 20 C) Figuur 24 : Onstabiele rooklaag ter plaatse van een wand [19] Figuur 25 : Invloed van wand op rookvrije hoogte (verticale doorsnede - weergave van de temperatuur) Figuur 26 : Vooraanzicht gebouw (figuur links) Bovenaanzicht locaties temperatuurprofielen in het bovenste compartiment (figuur rechts) Figuur 27 : Schematische weergave van de rookvrije hoogte [20] Figuur 28 : Werkelijk temperatuurprofiel p(y) versus functie φ(y,h) toegepast bij de kleinste kwadraten methode (methode van He) [8] Figuur 29 : Voorbeelden van temperatuurprofielen voor dezelfde configuratie maar verschillende celgrootte van de FDS-simulatie Figuur 30 : Voorbeelden van temperatuurprofielen met dezelfde celgrootte van de FDS-simulatie, maar verschillende helling van de temperatuurgradiënt Figuur 31 : Schematische weergave van de configuratie van de simulaties met mechanische RWA ix

13 Figuur 32 : Weergave van de temperatuur - verticale doorsnede in het midden van de opening (linker figuur : gewone simulatie rechter figuur : fijne simulatie) Figuur 33 : Weergave van de verticale snelheid - verticale doorsnede in het midden van de opening (linker figuur : gewone simulatie rechter figuur : fijne simulatie) Figuur 34 : Vectorweergave van de temperatuur - verticale doorsnede in het midden van de opening ( gewone simulatie) Figuur 35 : Vectorweergave van de temperatuur - verticale doorsnede in het midden van de opening ( fijne simulatie) Figuur 36 : Weergave van de temperatuur - horizontale doorsnede op een hoogte van 0,7 m onder het dak (linker figuur : gewone simulatie rechter figuur : fijne simulatie) Figuur 37 : Weergave van de temperatuur horizontale doorsnede op een afstand van 0,7 m onder het dak (linker figuur : sim6b midden figuur : sim6c rechter figuur : sim6d) Figuur 38 : Schematische weergave van de configuratie van de simulaties met natuurlijke RWA.. 47 Figuur 39 : Weergave van de temperatuur - verticale doorsnede in het midden van de opening (linker figuur : gewone simulatie rechter figuur : fijne simulatie) Figuur 40 : Weergave van de verticale snelheid - verticale doorsnede in het midden van de opening (linker figuur : gewone simulatie rechter figuur : fijne simulatie) Figuur 41 : Vectorweergave van de temperatuur - verticale doorsnede in het midden van de opening ( gewone simulatie) Figuur 42 : Vectorweergave van de temperatuur - verticale doorsnede in het midden van de opening ( fijne simulatie) Figuur 43 : Weergave van de temperatuur horizontale doorsnede op een hoogte van 1,6 m boven de opening (linker figuur : gewone simulatie rechter figuur : fijne simulatie) Figuur 44 : Weergave van de temperatuur - verticale doorsnede in het midden van de opening (linker figuur : fijn9 rechter figuur : fijn9a) Figuur 45 Weergave van de verticale snelheid - verticale doorsnede in het midden van de opening (linker figuur : fijn9 rechter figuur : fijn9a) Figuur 46 : Weergave van de temperatuur horizontale doorsnede op een hoogte van 1,5 m boven de opening (linker figuur : fijn9 rechter figuur : fijn9a) Figuur 47 : Weergave van de temperatuur - verticale doorsnede in het midden van de opening (linker figuur : fijn5 rechter figuur : fijn5a) Figuur 48 : Weergave van de verticale snelheid - verticale doorsnede in het midden van de opening (linker figuur : fijn5 rechter figuur : fijn5a) Figuur 49 : Weergave van de temperatuur horizontale doorsnede op een hoogte van 1,5 m boven de opening (linker figuur : fijn5 rechter figuur : fijn5a) Figuur 50 : Vectorweergave van de temperatuur horizontale doorsnede op een hoogte van 1,7 m boven de opening (korte zijde van de opening dwars op de vuurhaard) Figuur 51 Weergave van de temperatuur horizontale doorsnede boven de opening (korte zijde van de opening dwars op de vuurhaard - linker figuur : op een hoogte van 1,7 m rechter figuur : op een hoogte van 2,7 m) Figuur 52 : Vectorweergave van de temperatuur horizontale doorsnede op een hoogte van 1,7 m boven de opening (lange zijde van de opening dwars op de vuurhaard) Figuur 53 : Weergave van de temperatuur horizontale doorsnede boven de opening (lange zijde van de opening dwars op de vuurhaard - linker figuur : op een hoogte van 1,7 m rechter figuur : op een hoogte van 2,7 m) x

14 Figuur 54 : Temperatuurprofiel simulatie fijn5a (linker grafiek één opening in de tussenvloer) en fijn9a (rechter grafiek twee openingen in de tussenvloer) invloed van het aantal openingen in de tussenvloer Figuur 55 : Weergave van de temperatuur - verticale doorsnede in het midden van de opening (linker figuur : fijn7 rechter figuur : fijn7a) Figuur 56 : Weergave van de verticale snelheid - verticale doorsnede in het midden van de opening (linker figuur : fijn7 rechter figuur : fijn7a) Figuur 57 : Weergave van de temperatuur horizontale doorsnede op een hoogte van 1,5 m boven de opening (linker figuur : fijn7 rechter figuur : fijn7a) Figuur 58 : Weergave van de temperatuur - verticale doorsnede in het midden van de opening (linker figuur : fijn9 rechter figuur : fijn9a) Figuur 59 : Weergave van de verticale snelheid - verticale doorsnede in het midden van de opening (linker figuur : fijn9 rechter figuur : fijn9a) Figuur 60 : Weergave van de temperatuur horizontale doorsnede op een hoogte van 2,7 m boven de opening (linker figuur : fijn9 rechter figuur : fijn9a) Figuur 61 : Procentuele vergelijking tussen de empirische formules en de waarden uit FDS (celgrootte 20x20x20 cm) Figuur 62 : Procentuele vergelijking tussen de empirische formules en de waarden uit FDS (celgrootte 15x15x15 cm) Figuur 63 : Vooraanzicht gebouw uitgewerkt voorbeeld LIJST MET TABELLEN Tabel 1 : Vergelijking tussen een axisymmetrische pluim en een lijnpluim Tabel 2 : Berekenen van de rookvrije hoogte Vergelijking tussen de methode in FDS en de methode van He (invloed van de grid size van de simulatie) Tabel 3 : Berekenen van de rookvrije hoogte Vergelijking tussen de methode in FDS en de methode van He (invloed van de temperatuurgradiënt) Tabel 4 : Vergelijking tussen de resultaten van een FDS-simulatie met grid size 20x20x20 cm en 10x10x10 cm (mechanische RWA) Tabel 5 : Samenvatting van de simulaties met verschillend opgelegd massadebiet (mechanische RWA) Tabel 6 : Vergelijking tussen de resultaten van een FDS-simulatie met 20x20x20 cm en 10x10x10 cm (natuurlijke RWA) Tabel 7 : Configuratie van de simulaties (celgrootte : 20x20x20 cm) invloed van de oriëntatie van de opening Tabel 8 : Resultaten van de simulaties (celgrootte : 20x20x20 cm) invloed van de oriëntatie van de opening Tabel 9 : Configuratie van de simulaties (celgrootte : 15x15x15 cm) invloed van de oriëntatie van de opening Tabel 10 : Resultaten van de simulaties (celgrootte : 15x15x15 cm) invloed van de oriëntatie van de opening Tabel 11 : Configuratie van de simulaties (celgrootte : 15x15x15 cm) invloed van de lengte/breedte-verhouding van de opening Tabel 12 : Resultaten van de simulaties (celgrootte : 15x15x15 cm) invloed van de lengte/breedte-verhouding van de opening xi

15 Tabel 13 : Configuratie van de simulaties (celgrootte : 15x15x15 cm) invloed van de positie van de inlaatopening en de vuurhaard Tabel 14 : Resultaten van de simulaties (celgrootte : 15x15x15 cm) invloed van de positie van de inlaatopening en de vuurhaard Tabel 15 : Configuratie van de simulaties (celgrootte : 15x15x15 cm) opening in de tussenvloer tegen de wand Tabel 16 : Resultaten van de simulaties (celgrootte : 15x15x15 cm) invloed van de positie van de inlaatopening en de vuurhaard Tabel 17 : Procentuele afwijking van de empirische formule ten opzichte van de resultaten van de FDS-simulaties opening in de tussenvloer tegen de wand Tabel 18 : Configuratie van de simulaties (celgrootte : 15x15x15 cm) lagere temperatuur in de rooklaag van het onderste compartiment Tabel 19 : Resultaten van de simulaties (celgrootte : 15x15x15 cm) lagere temperatuur in de rooklaag van het onderste compartiment Tabel 20 : Resultaten bekomen met de empirische formules lagere temperatuur in de rooklaag van het onderste compartiment Tabel 21 : Samenvatting van de vastgelegde parameters bij het uitgewerkt voorbeeld Tabel 22 : Bepaling van het vermogen doorheen elke opening bij het uitgewerkt voorbeeld Tabel 23 : Vergelijking van de resultaten van de manuele berekening ten opzichte van de resultaten bekomen via FDS (met C v,fds = C i,fds = 0,75) Tabel 24 : Vergelijking van de bekomen waarde voor m 1 in geval van verschillende berekeningsmethodes (met C v,fds = C i,fds = 0,75) Tabel 25 : Invloed van m 1 op het m totaal bij het uitgewerkte voorbeeld (met C v,fds = C i,fds = 0,75) Tabel 26 : Invloed van de debietscoëfficiënten op het bepalen van m 1 (met C v,fds = C i,fds = 0,80) Tabel 27 : Invloed van de debietscoëfficiënten op m totaal (met C v,fds = C i,fds = 0,80) xii

16 LIJST VAN GEBRUIKTE SYMBOLEN Algemeen A Oppervlakte [m²] A i Oppervlakte inlaatopening [m²] A f Oppervlakte vuurhaard [m²] A v Oppervlakte ventilatieopening [m²] c p Warmtecapaciteit [kj/(kg*k)] C d Debietscoëfficiënt [-] C i Debietscoëfficiënt inlaatopening [-] C v Debietscoëfficiënt ventilatieopening [-] C m Dimensieloze entrainment coefficient [-] D Karakteristieke diameter vuurhaard [m] D h Hydraulische diameter [m] d b Dikte van de rooklaag (S )[m] F r Froude getal [-] g Gravitatieconstante [9,81 m/s²] H Compartimentshoogte [m] ' m& Massadebiet rookpluim per eenheidslengte [kg/(s*m)] m& Massadebiet rookpluim [kg/s] p m& al m& l f P P f Q& ' Q& " Q& pp Massadebiet axisymmetrische lijnpluim [kg/s] Massadebiet perimeter plume [kg/s] Vlamlengte [m] Omtrek [m] Omtrek warmtebron [m] Vermogen van de vuurhaard [kw] Vermogen van de vuurhaard per eenheidslengte [kw/m] Vermogen van de vuurhaard per oppervlakte eenheid [kw/m²] Q& conv Convectieve vermogen vuurhaard [kw] * Q& Dimensieloos warmtevermogen [-] T T u T 0 Y z z 0 Temperatuur [K] Temperatuur rooklaag [K] Temperatuur omgevingslucht [K] Rookvrije hoogte (S ) [m] Hoogte boven de vuurhaard [m] Virtueel punt [m] Griekse letters α Air entrainment coefficient [-] ρ Densiteit [kg/m³] ρ 0 Densiteit omgevingslucht [kg/m³] χ Verbrandingscoëfficiënt [-] χ r Stralingsverliezen [-] xiii

17 FDS T u,1 T u,2 Temperatuur rooklaag onderste compartiment [K] Temperatuur rooklaag bovenste compartiment [K] C i,1 Debietscoëfficiënt inlaatopening onderste compartiment [-] C i,2 Debietscoëfficiënt inlaatopening bovenste compartiment [-] C v,1 Debietscoëfficiënt ventilatieopening onderste compartiment [-] C v,2 Debietscoëfficiënt ventilatieopening bovenste compartiment [-] A i,1 A v,1 A i,2 A v,2 m& m& m& m& i,1 1 i,2 2 Oppervlakte inlaatopening onderste compartiment [m²] Oppervlakte ventilatieopening onderste compartiment [m²] Oppervlakte inlaatopening bovenste compartiment [m²] Oppervlakte ventilatieopening bovenste compartiment [m²] Massadebiet doorheen de inlaatopeningen van het onderste compartiment [kg/s] Massadebiet doorheen de openingen in de tussenvloer [kg/s] Massadebiet doorheen de inlaatopeningen van het bovenste compartiment [kg/s] Bijkomend massadebiet in het bovenste compartiment [kg/s] m& Massadebiet doorheen de openingen in het dak [kg/s] totaal xiv

18 1 Inleiding I can see clearly now Het kunnen de woorden zijn van zanger Johnny Nash, maar evengoed van een brandweerman tijdens een interventie of een persoon tijdens een brandevacuatie. Het belang van een voldoende rookvrije hoogte is onontbeerlijk in dergelijke situatie. Deze rookvrije hoogte kan gegarandeerd worden door toepassing van een RWA-systeem (RWA = Rook- en WarmteAfvoer). Bij brand in een gesloten compartiment kunnen de hete rookgassen van de vuurhaard de gehele ruimte in slechts enkele minuten volledig vullen. Het RWA-systeem zorgt voor de afvoer van de hete rookgassen waardoor een rookvrije vluchtweg kan gegarandeerd worden en de rook- en brandschade beperkt wordt. Het systeem houdt eveneens de temperatuur in het compartiment relatief laag waardoor de kans verkleint dat de constructie het begeeft en dat er flash-over plaatsvindt. Een RWA-systeem bestaat uit een natuurlijk (of een mechanisch) luchtafvoersysteem en een luchttoevoersysteem. Teneinde te weten hoe groot de openingen dienen te zijn in het dak (natuurlijke RWA) of welk extractiedebiet dient opgelegd te worden (mechanische RWA), is het noodzakelijk om te weten hoeveel het massadebiet van de rookpluim bedraagt op de gewenste rookvrije hoogte. 1.1 Natuurlijke en mechanische RWA Bij natuurlijke RWA worden er openingen in het dak voorzien waardoor de rook afgevoerd wordt. De rook gaat door de openingen in het dak omwille van het drukverschil tussen de warme rooklaag en de koude omgevingslucht. Dit drukverschil zorgt er dus voor dat er onderaan lucht wordt aangezogen en bovenaan lucht (rook) wordt afgevoerd. De rookafvoer gebeurt dus op een natuurlijke manier. Een schematische weergave van het principe van natuurlijke RWA wordt weergegeven in onderstaande figuur : Figuur 1 : Schematische weergave van het principe van natuurlijke RWA [1] 1

19 De vergelijking weergegeven in bovenvermelde figuur is eveneens opgenomen in de Belgische norm NBN S [2] onder de volgende vorm (noot : de gebruikte afkortingen in onderstaande vergelijking worden toegelicht in 6.2): 2* g* 2 u,1 ( H Y )* ( T T ) 1 1 u,1 0 0 & 1 = ρ0 * Cv,1 * Av, m T Beide vergelijkingen zijn dezelfde, doch bij deze opgenomen in de Belgische norm NBN S [2] wordt gerekend met de densiteit van de omgevingslucht in plaats van met de densiteit van de rooklaag. Bij natuurlijke RWA zijn de oppervlakte van de opening en bijhorende debietscoëfficiënt (C d ) enorm belangrijk voor de efficiëntie van het RWA-systeem. De rook, die beschouwd wordt als een warme luchtlaag, zal immers nooit door de volledige oppervlakte van de opening stromen. De oppervlakte van de opening wordt aldus gereduceerd tot een effectieve opening waardoor de rooklaag gaat. Deze reductie wordt beschreven aan de hand van de debietscoëfficiënt C d (C v in geval van een ventilatieopening en C i in geval van een inlaatopening zie vergelijking 1-1). Deze coëfficiënt is dus de verhouding van de effectieve oppervlakte ten opzichte van de werkelijke oppervlakte van de opening waardoor de rook zal gaan. Dit wordt verduidelijkt aan de hand van onderstaande figuur (noot : onderstaande figuur heeft betrekking op een stroming door een wand, maar kan evengoed toegepast worden voor een stroming door een vloer): + T 0 * T u,1 C C v,1 i,1 A A v,1 i,1 * T Figuur 2 : Schematische weergave van de reductie van de opening [3] Een typische waarde voor C d is 0,6 in geval van een stromingspatroon zoals weergegeven in de bovenste afbeelding van bovenstaande figuur. Wanneer de hoeken van de opening meer afgerond zijn, zal de effectieve oppervlakte verhogen, waardoor de waarde van Cd eveneens vergroot (zie onderste afbeelding in bovenstaande figuur). Indien het niet mogelijk is om gebruik te maken van natuurlijke RWA (bv. door beperkingen eigen aan het gebouw), kan beroep gedaan worden op mechanische RWA. 2

20 Een schematische weergave van het principe van mechanische RWA wordt weergegeven in onderstaande figuur : Figuur 3 : Schematische weergave van het principe van mechanische RWA [2] Bij mechanische RWA zal de rook dus afgevoerd worden door een mechanisch luchtafvoersysteem. In tegenstelling tot natuurlijke RWA, waar de afmetingen van de openingen (en bijhorende debietscoëfficiënt) een belangrijke rol spelen bij de efficiëntie van de rookafvoer, is hier het extractiedebiet de belangrijkste parameter. De invloed van het opgelegde af te voeren rookmassadebiet op de rookvrije hoogte zal verder in deze thesis besproken worden. 1.2 Openingen in een tussenvloer Er bestaan verschillende empirische formules om het massadebiet van de rookpluim te bepalen in functie van de gewenste rookvrije hoogte. Veel toegepaste formules zijn deze voor de axisymmetrische rookpluim en de spill plume. In de praktijk kan het echter voorkomen dat er een tussenvloer aanwezig is in het compartiment. Omwille van verschillende redenen kunnen deze tussenvloeren voorzien zijn van openingen, zoals bv. voor het transport van goederen, voor leidingen of buizen, voor een trap, etc. Figuur 4 : Voorbeeld van een opening in een tussenvloer (trap) 3