CFD-studie van rookbeweging bij brand in atria - Interpretatie en correct gebruik van resultaten uit schaalmodellen

CFD-studie van rookbeweging bij brand in atria Interpretatie en correct gebruik van resultaten uit schaalmodellen Sophie Van de Vel

Promotor: prof. dr. ir. Bart Merci Begeleiders: Nele Tilley, Pieter Rauwoens Masterproef ingediend tot het behalen van de academische graad van Master in de ingenieurswetenschappen: werktuigkunde-elektrotechniek

Vakgroep Mechanica van stroming, warmte en verbranding Voorzitter: prof. dr. ir. Roger Sierens Faculteit Ingenieurswetenschappen Academiejaar 2009-2010

CFD-studie van rookbeweging bij brand in atria Interpretatie en correct gebruik van resultaten uit schaalmodellen Sophie Van de Vel

Promotor: prof. dr. ir. Bart Merci Begeleiders: Nele Tilley, Pieter Rauwoens Masterproef ingediend tot het behalen van de academische graad van Master in de ingenieurswetenschappen: werktuigkunde-elektrotechniek

Vakgroep Mechanica van stroming, warmte en verbranding Voorzitter: prof. dr. ir. Roger Sierens Faculteit Ingenieurswetenschappen Academiejaar 2009-2010

Voorwoord

In grote gebouwen zoals hotels en shopping centers, die vandaag als het ware wereldwijd uit de grond worden gestampt, worden vaak nog extractiesystemen ge¨ınstalleerd die achterhaald zijn. Deze systemen zijn gebaseerd op theorieën van tientallen jaren geleden en steunen dus niet op de verworven kennis over brandveiligheid van de afgelopen jaren. Verschillende wetenschappers trachten deze kennis nu om te vormen tot praktische richtlijnen voor grootschalige constructies. Hierin kruipt veel tijd maar gelukkig zijn de positieve effecten hiervan reeds merkbaar bv. het aantal slachtoffers veroorzaakt door een brand is niet meer toegenomen sinds de jaren ’70, terwijl de bevolking nu anderhalf keer groter is dan in de jaren ’70. Het percentage dodelijke slachtoffers door een brand op de totale bevolking neemt dus af. Omdat in de nabije toekomst de normen i.v.m. de extractiesystemen in atria opnieuw worden bekeken en deze dus kunnen worden aangepast, wou ik ook mijn steentje bijdragen tot het eventueel updaten van de wettelijke verplichtingen i.v.m. brandveiligheid. Aangezien er geen enkele cursus in mijn masteropleiding is die zich specifiek richt tot brandveiligheid, werd ik ondergedompeld in de - voor mij ongekende - wereld van brandfenomenen. Gelukkig heb ik me relatief snel kunnen inwerken door de hulp van mijn thesisbegeleidster Nele Tilley. Ik wil haar bedanken voor haar bereidheid me op elk moment te helpen, me op mijn fouten te duiden en het zorgvuldig nalezen van mijn teksten. Dit lijkt me ook het geschikte moment om mijn promotor Bart Merci te bedanken: het was een hele geruststelling dat ik bij hem terecht kon met al mijn vragen en bevindingen wanneer Nele op huwelijksreis was. Ook zou ik graag mijn ouders en vriend bedanken voor het detecteren van de spellingsfouten in mijn teksten. Ik denk met veel plezier terug aan de momenten waarop iemand uit mijn vriendenkring me vroeg hoe het ging met mijn thesis en ik daarop enthousiast reageerde met een te ingewikkelde uitleg over iets wat ik net had ontdekt. Kortom ik wil iedereen bedanken die ervoor heeft gezorgd dat ik mijn thesis tot een goed einde heb kunnen brengen.

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.”

Datum en handtekening

CFD-studie van rookbeweging bij brand in atria - Interpretatie en correct gebruik van resultaten uit schaalmodellen door Sophie Van de Vel Promotor: prof. dr. ir. Bart Merci Begeleiders: Nele Tilley, Pieter Rauwoens Masterproef ingediend tot het behalen van de academische graad van Master in de ingenieurswetenschappen: werktuigkunde-elektrotechniek Vakgroep Mechanica van stroming, warmte en verbranding Voorzitter: prof. dr. ir. Roger Sierens Faculteit Ingenieurswetenschappen Academiejaar 2009-2010

Samenvatting Vandaag de dag worden er bij de constructie van een groot gebouw, zoals een atrium, normen in rekening gebracht die een extractiesysteem vereisen om de brandveiligheid te garanderen. Deze normen zijn echter gebaseerd op theorieën van tientallen jaren geleden en niet op de hedendaagse kennis over brandfenomenen. Het doel van vele wetenschappers is het omvormen van deze theoretische kennis tot praktische richtlijnen die opgenomen kunnen worden in de normen waaraan gebouwen zoals atria moeten voldoen. Met dit doel voor ogen voeren wetenschappers - zoals Michael Poreh - reële experimenten uit op schaalmodellen, en stellen op basis hiervan vaak een empirische formule op. Deze thesis bestudeert en bevestigt de formule, die Poreh een 5-tal jaar geleden heeft opgesteld i.v.m. de rookvrije hoogte in atria, in een beperkt toepassingsgebied. De formule is toepasbaar op kleine en grote atriumgeometrieën waarbij de rooklaag in het atrium een ééndimensionaal karakter vertoont. De ééndimensionale rooklaag wordt omgevormd tot een multidimensionale rooklaag, door het dominant worden van een verticale wervel in het atrium, waardoor de formule van Poreh de rookvrije hoogte niet meer correct voorspelt. Een goede locatie van het extractiesysteem en de opening voor verse inlaatlucht kunnen de verticale wervel verzwakken, waardoor de rooklaag in elke situatie meer kenmerken van een ééndimensionaal karakter vertoont. Het plaatsen van een downstand of een balkon in het atrium, wat zeer frequent voorkomt bij de bouw van een atrium, beperkt voornamelijk het aantal dimensies van de multidimensionale rooklaag. Wanneer er meerdere balkons in het atrium worden geplaatst worden deze best voldoende dicht bij elkaar geplaatst, zodat niet elk balkon apart voor een inmenging van verse lucht zorgt waardoor de rooklaag dikker wordt en de rookvrije hoogte dus verkleint. Ten slotte bekijken en bevestigen we de mogelijkheid om de stroming in een grootschalig atrium te voorspellen door de stroming in een kleinschalig, similair atrium op te schalen waarbij het Froudegetal behouden wordt. Een voorwaarde waaraan moet voldaan zijn opdat deze schalingsmethode correcte resultaten geeft, is het feit dat de stroming, zowel in het kleine als in het grote atrium, turbulent is. Aangezien de stroming bij een brand zeer vaak een turbulent karakter vertoont, wordt de Froudeschaling zeer frequent toegepast, met succesvol resultaat. Trefwoorden : atria, rookvrije hoogte, kleinschalige simulaties, schaalmethode

CFD-study on smoke movement in atria: Interpretation and correct use of data from the scale models Sophie Van de Vel Supervisors: Nele Tilley, Bart Merci Abstract— This article studies the smoke free height during a fire in an atrium based on Computational Fluid Dynamics (CFD) simulations of small-scale models. The empirical formula of Poreh is investigated and confirmed within a limited field of scope. Keywords— atria, smoke free height, small-scale simulations, scale method

I. I NTRODUCTION HEN studying fire and smoke it has been proven to be impossible to simply describe these phenomena using general formulae: there are too many parameters that have to be taken into account. As a result a lot of empirical formulae are derived from data of real experiments and simulations. Nowadays, these formulae are being used to design extraction systems in order to ensure fire safety in shopping malls and other large buildings. One of many researchers is M. Poreh, who developed a formula that predicts the smoke free height zs in an atrium when an adhered smoke plume is present [1]. Mz and Mb represent the flow rate extracted from the atrium and the smoke flow rate from the chamber into the atrium. The other parameters are the thickness of the smoke layer in the chamber ˙ and the width of the atrium (W ). (Db ), the heat of the fire (Q)

W

˙ 1/3 (zs + Db ) Mz − Mb = 0.07(W 2 Q)

(1)

In this abstract, results obtained from CFD-simulations are used to confirm the formula that Poreh postulated. The applicability of the theory is examined and the effects of balconies and downstands on the equation are investigated. The formula for small- and large-scale models is discussed and an analysis is performed of the scale method that should be preferred to scale up the small-scale data. II. T HE MODEL The simulations are carried out in the software Fire Dynamics Simulator (FDS) version 5 developed by NIST [2]. This software uses the Smagorinsky turbulence model with a Cs-value of 0.2. It is necessary to start off by studying the different models for radiation, adiabatic walls,. . . Turning on the radiation model and making walls non-adiabatic may seem like the logical thing to do, since it will result in the most realistic image. Nevertheless, the radiation model will be switched off and an adiabatic character is assigned to the walls. S.Van de Vel is with the Combustion, Fire & Fire-Safety Department, Ghent University, Gent, Belgium. Email: [email protected]

This way the heat of the fire will mostly end up in the atrium, which is interesting because it is the flow behavior of the smoke in the atrium that is the object of this study. If the walls were non-adiabatic, a lot of the energy would disappear through the walls of the chamber that contains the fire. In this situation the atrium would be less charged with soot and heat. When comparing the simulation results with the experimental results of Poreh, the similarity appears to be the largest for the simulations with no radiation and adiabatic walls, thus supporting the choice for these models. III. R ESULTS A. Confirmation of the formula Simulations that are carried out with the geometry that Poreh used and with parameters within the range of values that Poreh tested, confirm the formula entirely. There is a one-dimensional smoke layer present in all these simulations and the formula predicts the position of this smoke layer almost perfectly. The formula is no longer accurate when the smoke layer develops a multi-dimensional character, which is typical for situations with a large, central extraction flow rate Mz : the vertical vortex that is present in the atrium by natural buoyancy will be intensified when the extraction flow rate is enlarged. This causes the spreading of soot and heat over the entire atrium, which lowers the visibility at the bottom of the atrium. This way the large smoke free height, predicted by the formula through a large extraction flow rate, will not be created. Because of the geometry used, the smoke layer does not have a constant thickness along the width of the atrium: the smoke layer will be thicker at the walls of the atrium. In situations with a large extraction flow rate, the smoke layer will be rather threedimensional than two-dimensional. Figure 1.a and 1.b show a one-dimensional and a multi-dimensional smoke layer.

(a)

(b)

˙ Fig. 1. A 3.6 m high atrium with a fire (Q=5.377 kW) and an extraction mass flow rate Mz of a) 0.25 kg/s and b) 0.45 kg/s.

B. Location of smoke extraction and fresh air intake The location of the extraction system in the ceiling of the atrium has no important effect on the flow behavior in the atrium. The situation will improve slightly when the extraction system is installed in a way that the extraction flow is able to break the vertical vortex instead of intensifying it. On the other hand the location of the opening for the fresh intake of air does have a significant effect on the smoke free height: when the opening is located inside the atrium, the intensity of the entrainment is limited. The larger the area of the opening, the lower the velocity of the fresh intake, resulting in a weakened vertical vortex.

It is impossible to take all the different heat transfers (radiation, convection, conduction) correctly into account using one scaling method. When the Froude-number is conserved during the scaling, the Reynolds-number is not. The value of the Reynolds-number is not important, but it should be large enough in both cases so that the flow is turbulent in the small geometry as well as in the large geometry. Figure 3 shows the difference between the scaled up data from a small-scale simulation (3.6 m ˙ atrium height and Q=5.377 kW) and the data from a large-scale ˙ simulation (32.4 m atrium height and Q=1306.611 kW).

C. Effect of downstand and balcony The effect of a downstand or balcony is a more constant thickness of the smoke layer along the width of the atrium. This causes the smoke layer to be two-dimensional rather than three-dimensional in a situation with a large extraction flow rate. The dimensions of the downstand or balcony are not critical parameters: changing the dimensions of these structures appears to have little impact on the entrainment. The entrainment is the largest in the case of a wide opening between the room and the atrium and a deep downstand. When several balconies are placed in the atrium, the vertical distance between them does seem to be a crucial parameter: when the smoke plume has enough space to adhere to the wall between two balconies, there will be much entrainment when it collides against the second balcony. This entrainment will result in a smoke layer that is thicker, thus reducing the smoke free height. The figures 2.a and 2.b show the smoke layer when two balconies are placed in the atrium with a small vertical distance and a large vertical distance.

Fig. 3. The difference between the scaled up data of the small-scale model (scale factor = 9) and the data of the large model.

IV. C ONCLUSION Numerical simulations confirm the formula of Poreh [1] when the smoke layer has a one-dimensional character. The smoke layer loses this character when the vertical vortex becomes dominant because this causes a spreading of soot in the entire atrium. On one hand there is a need for further research to develop a criterion for the dominance of the vertical vortex but on the other hand the flow in an atrium is very dependent on the atrium geometry, so it may be impossible to find such a criterion. If this is the case, it will be necessary to carry out experiments and simulations for each atrium geometry to ensure fire safety with well-designed extraction systems. R EFERENCES

(a)

(b)

˙ Fig. 2. A 3.6 m high atrium with a fire (Q=5.377 kW), Mz =0.35 kg/s and two balconies with a) a small distance (0.65 m) and b) a large distance (1.3 m).

D. The method of scaling When the formula of Poreh is applied on small-scale and large-scale models, the results of the simulations are similar. The conservation of the Froude-number is a well-known scaling method. When this method is applied on the data retrieved from the small-scale simulations, it is possible to predict the data of the large-scale simulations perfectly.

[1] M. Poreh, N.R. Marshall, and A. Regev., Entrainment by adhered twodimensional plumes., Fire Safety Journal, 43,(2008), 344-350. [2] NIST, Fire Dynamics Simulator and Smokeview, http://fire.nist.gov/fds/.

Inhoudsopgave Extended abstract

vi

Lijst van figuren

xiii

Lijst van tabellen

i

1 Inleiding

1

I

2

Literatuurstudie

2 Schaling en dimensieloze groepen 2.1 Inleiding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2 Vormen van dimensieloze groepen . . . . . . . . . . . . . 2.3 Dimensieloze groep gevormd uit de energievergelijking . 2.4 Effect van het warmtevermogen en de onvolmaaktheden 2.5 Froudeschaling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . .

3 3 3 5 6 8

3 Onderzoek op basis van re¨ ele experimenten 3.1 Inmengen van verse lucht bij 2D-hoekpluimen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2 Inmengen van verse lucht bij aangehechte rookpluimen . . . . . . . . . . . . .

9 9 13

4 Onderzoek op basis van numerieke experimenten 4.1 Gebruik van FDS voor aangehechte rookpluimen in atria . . . . . . . . . . . . 4.2 Numerieke studie van een aangehechte rookpluim in een atrium . . . . . . . .

17 17 21

II

26

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

Onderzoek op de atriumgeometrie m.b.v. numerieke simulaties

5 Simulaties van de stromingen in een atrium geometrie 5.1 Omgevingsparameters van de simulaties . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2 Onderzoek van de standaard geometrie van Poreh . . . . . . . . . . . 5.2.1 Stromingsbeweging bij de geometrie van Poreh . . . . . . . . 5.2.2 De eerste simulatieresultaten weergegeven in een grafiek . . . 5.2.3 Verklaring van het verloop van de rookvrije hoogte zs . . . . 5.2.4 Het verloop van zs over de breedte van het atrium . . . . . . 5.2.5 Een snellere manier om de hoogte van de rooklaag te bepalen 5.2.6 Een andere parameter (CO2 %) om zs te bepalen . . . . . . . 5.3 Onderzoek van de standaard geometrie a.d.h.v. FDS 5.2.5 . . . . . . 5.3.1 Andere stromingsbeweging in het atrium . . . . . . . . . . . . 5.3.2 Het verloop van zs in FDS 5.2.5 . . . . . . . . . . . . . . . . 5.3.3 Verschillende instellingen in FDS 5.2.5 . . . . . . . . . . . . .

ix

. . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . .

27 27 28 28 30 31 32 33 34 39 39 40 46

5.3.4 5.3.5

Het verloop van zs over de breedte van het atrium in FDS 5.2.5 . . . . Het zs -verloop bij verschillende warmtevermogens . . . . . . . . . . .

48 51

6 Het effect van de positie van de extractie en de inlaat voor de verse lucht 6.1 Effect van de positie van het ventilatiesysteem . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.2 Effect van de positie van de inlaatopening voor verse lucht . . . . . . . . . . . 6.2.1 Porehgeometrie met inlaat in de voorste en achterste atriumwand . . . 6.2.2 Porehgeometrie met inlaat in de kamer op x = 0 m . . . . . . . . . . . 7 Effect van een downstand en een balkon op het zs -verloop 7.1 Overzicht van reeds uitgevoerd onderzoek omtrent downstands en balkons 7.1.1 Kennis over het effect van downstands . . . . . . . . . . . . . . . . 7.1.2 Kennis over het effect van balkons . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.2 Simulaties van de Porehgeometrie met toegevoegde downstands . . . . . . 7.2.1 Het effect van de grootte van de downstand . . . . . . . . . . . . . 7.2.2 Het effect van de positie van de downstand . . . . . . . . . . . . . 7.3 Simulaties van de Porehgeometrie met toegevoegde balkons . . . . . . . . 7.3.1 Het effect van een balkon op de atriumstroming . . . . . . . . . . 7.3.2 Het effect van de balkonlengte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.3.3 Het effect van de balkonhoogte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.3.4 Het effect van de balkonbreedte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.3.5 Het effect van een extra opening ter hoogte van het balkon . . . . 7.3.6 Het effect van meerdere balkons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.3.7 Het effect van een downstand in combinatie met een balkon . . . .

58 58 64 64 67

. . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . .

71 71 71 73 74 74 78 82 82 86 89 92 95 99 103

8 Natuurlijke versus gedwongen extractie 8.1 Standaard Porehgeometrie met natuurlijke convectie . . . . . . . . . . . . . 8.1.1 De stromingen die optreden in deze geometrie . . . . . . . . . . . . . 8.1.2 Het verloop van zs bij een variërende lengte van de extractieopening 8.2 Effect van de positie van de extractieopening bij natuurlijke convectie . . . 8.2.1 Stromingen in de 2 beschouwde geometrieën . . . . . . . . . . . . . . 8.2.2 Het zs -verloop in de 2 beschouwde geometrieën . . . . . . . . . . . .

. . . . . .

108 108 109 110 112 112 114

III

Het gebruik van schalingswetten op de atriumgeometrie

117

9 Schalingswetten en grootschalige simulaties op de atriumgeometrie 118 9.1 Inleiding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118 9.2 Bespreking van schalingswetten uit de literatuur . . . . . . . . . . . . . . . . 118 9.3 Een eerste opschaling van de data uit de kleine Porehgeometrie . . . . . . . . 121 9.4 Een tweede opschaling van de data uit de kleine Porehgeometrie . . . . . . . 123 9.5 Een derde opschaling van de data uit de kleine Porehgeometrie . . . . . . . . 125 9.6 Een opschaling van de data uit de kleine Porehgeometrie met natuurlijk extractie127 10 Besluit

130

Bibliografie

133

x

Nomenclatuur m ˙

massadebiet

kg/s

Q˙

warmtevermogen

kW

q˙

warmteverliezen

kW

A

oppervlakte

m2

C

specifieke warmtecapaciteit

Cm

inmengingsfactor (entrainment coëfficiënt)

Db

dikte van de rooklaag in de kamer

m

H

hoogte van het atrium

m

hc

warmteoverdrachtscoëfficiënt bij convectie

hf g

verdampingswarmte van water

J/kg

k

thermische conductiecoëfficiënt

W/mK

L

lengte

m

l

lengte

m

M

massadebiet

m

massa

Mz

extractiedebiet in het atrium

P

perimeter van de brandstofbron

Qf

convectief warmtevermogen van de brand

T

temperatuur

t

tijd

u

horizontale snelheid in de lengterichting

V

volume

v

horizontale snelheid in de breedterichting

m/s

vn

extractiesnelheid

m/s

w

verticale snelheid

m/s

z0

de virtuele oorsprong van de rookpluim in het atrium

J/kgK

W/m2 K

kg/s kg kg/s m kW K s m/s m3

xi

m

z1

rookvrije hoogte in de kamer

m

zs

rookvrije hoogte in het atrium gerekend vanaf het plafond van de kamer

m

g

zwaartekrachtversnelling

m/s2

Griekse symbolen

m2 /s

α

thermische diffusiviteit

κ

absorptie coëffciënt

µ

dynamische viscositeit

kg/ms

ν

kinematische viscositeit

m2 /s

ρ

densiteit

σ

constante van Boltzmann

τij

spanningsvector

1/m

kg/m3 6, 67 10−8 W/m2 K 4 Pa

Superscript

00

per oppervlakte-eenheid

000

per volume-eenheid

·

per tijdseenheid

Subscript

∞

op oneindige afstand

f

eigenschap van de brandstof

f an

eigenschap van de extractieventilator

p

bij constante druk

w

water

wall

eigenschap van een wand

xii

Lijst van figuren 2.1 2.2 2.3

Een incompressibele stroming over een vlakke plaat . . . . . . . . . . . . . . Schema van de verschillende parameters bij energieoverdracht . . . . . . . . . Geometrisch similaire systemen: het model en het prototype . . . . . . . . .

3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6

Een typische beweging van een rookpluim in een winkelcentrum met atrium De verschillende parameters in het model van Poreh . . . . . . . . . . . . . Opstelling van de experimenten uitgevoerd door Poreh . . . . . . . . . . . . Resultaten van de experimenten uitgevoerd door Poreh . . . . . . . . . . . . Opstelling om het effect van het Froudegetal te bestuderen . . . . . . . . . Resultaten van de opstelling die het effect van het Froudegetal bestudeert .

. . . . . .

9 12 13 14 15 15

4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8 4.9

Geometrie die wordt gebruikt in de numerieke simulaties . . . . . . . . Model van Poreh getest op kleinschalige simulaties . . . . . . . . . . . De 2 mogelijke karakters van de rooklaag in de geometrie van Poreh . Model van Poreh getest op grootschalige simulaties . . . . . . . . . . . Temperatuursverloop langs een verticale lijn in het atrium . . . . . . . Een berekeningsmethode voor zs op basis van het temperatuurverloop Hoogte van de rooklaag gedefinieerd door de verschillende methodes . Experimentele en numerieke resultaten van de atria op kleine schaal . Numerieke resultaten van een atrium op grote schaal . . . . . . . . . .

. . . . . . . . .

17 18 19 20 21 22 23 24 25

5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 5.7 5.8 5.9 5.10 5.11 5.12 5.13 5.14 5.15 5.16 5.17 5.18 5.19 5.20

De Porehgeometrie die wordt gebruikt tijdens de simulaties . . . . . . . . . . De wervels aanwezig in de breedterichting van de kamer . . . . . . . . . . . . De rooklaag aan de overgangsopening is niet volledig 1D . . . . . . . . . . . . De aangehechte rookpluim in het atrium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . De stroming van de rooklucht in het atrium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . De vergelijking tussen de eerste simulatieresultaten en het model van Poreh . De rooklaag in het atrium bij kleine extractiedebieten . . . . . . . . . . . . . De rooklaag in het atrium bij normale extractiedebieten . . . . . . . . . . . . De rooklaag in het atrium bij grote extractiedebieten . . . . . . . . . . . . . . De rooklaag in het atrium bij zeer grote extractiedebieten . . . . . . . . . . . Het effect van een vergroot extractiedebiet op de atriumstroming . . . . . . . Het verschil in zs tussen het symmetrievlak en aan een atriumwand . . . . . . Het zs -verloop van de 2 berekeningsmethodes op basis van het temperatuursbeeld Het zs -verloop van de 2 berekeningsmethodes op basis van het CO2 -verloop . Resultaten waarbij het stralingsmodel in rekening is gebracht . . . . . . . . . Het effect van de straling op de temperatuur in het atrium . . . . . . . . . . Het effect van de straling op het CO2 -verloop in het atrium . . . . . . . . . . Het effect van de straling op de positie van de roetdeeltjes in het atrium . . . Het effect van de straling op de verticale wervel in het atrium . . . . . . . . . Het effect van de straling op de horizontale wervel in het atrium . . . . . . .

xiii

. . . . . . . . .

. . . . . . . . .

. . . . . . . . .

4 5 6

27 28 28 29 29 30 31 31 31 31 32 33 34 35 35 36 36 36 37 37

5.21 De vergelijking tussen de simulatieresultaten, de reële experimenten van Poreh en de numerieke simulaties van Tilley . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.22 De rooklaag aan de overgangsopening in FDS 5.2.5 . . . . . . . . . . . . . . . 5.23 De stroming in het atrium in FDS 5.2.5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.24 Het verschil in atriumstroming tussen FDS 5.4.1 en FDS 5.2.5 . . . . . . . . . 5.25 De 4 berekeningsmethodes toegepast op een stralingsvrij model . . . . . . . . 5.26 De 4 berekeningsmethodes op een stralingsvrij model onderling vergeleken . . 5.27 De resultaten van de gemiddelde methode bij een stralingsvrij model, de reële experimenten van Poreh en numerieke simulaties van Tilley . . . . . . . . . . 5.28 De 4 berekeningsmethodes toegepast op een model met stralingseffect . . . . 5.29 De 4 berekeningsmethodes op een model met stralingseffect onderling vergeleken 5.30 De resultaten van de gemiddelde methode bij een model met stralingseffect, de reële experimenten van Poreh en numerieke simulaties van Tilley . . . . . 5.31 De rooklaag in het atrium bij een zeer klein extractiedebiet . . . . . . . . . . 5.32 De rooklaag in het atrium bij een klein extractiedebiet . . . . . . . . . . . . . 5.33 De rooklaag in het atrium bij een gemiddeld extractiedebiet . . . . . . . . . . 5.34 De rooklaag in het atrium bij een relatief groot extractiedebiet . . . . . . . . 5.35 De rooklaag in het atrium bij een groot extractiedebiet . . . . . . . . . . . . . 5.36 De rooklaag in het atrium bij een zeer groot extractiedebiet . . . . . . . . . . 5.37 De verschillende warmteverliezen bij 4 instellingen in FDS 5.2.5 . . . . . . . . 5.38 Het effect van de instelling op de zs -waarden in het symmetrievlak en aan een atriumwand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.39 Het effect van de instelling op de dikte van de rooklaag langsheen de breedte van het atrium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.40 Het effect van de instelling op de verticale atriumwervel . . . . . . . . . . . . 5.41 De resultaten op basis van het temperatuursbeeld in het symmetrievlak (Q˙ 0 ) 5.42 De resultaten op basis van het temperatuursbeeld aan een atriumwand (Q˙ 0 ) . 5.43 De vergelijking van het zs -verloop tussen Q˙ 0 & Q˙ 1 . . . . . . . . . . . . . . . 5.44 De resultaten op basis van het temperatuursbeeld in het symmetrievlak (Q˙ 2 ) 5.45 De resultaten op basis van het temperatuursbeeld aan een atriumwand (Q˙ 2 ) . 5.46 De vergelijking van het zs -verloop tussen Q˙ 2 & Q˙ 1 . . . . . . . . . . . . . . . 5.47 De resultaten op basis van het temperatuursbeeld in het symmetrievlak (Q˙ 3 ) 5.48 De resultaten op basis van het temperatuursbeeld aan een atriumwand (Q˙ 3 ) . 5.49 De vergelijking van het zs -verloop tussen Q˙ 3 & Q˙ 1 . . . . . . . . . . . . . . . 5.50 Het zs -verloop vergeleken tussen de verschillende warmtevermogens . . . . . . 6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6 6.7 6.8 6.9 6.10 6.11 6.12

De 3 verschillende posities van de extractieventilator . . . . . . . . . . . . . . Het zs -verloop in het symmetrievlak bij de 3 ventilatorposities . . . . . . . . Het effect van de ventilatorpositie op de positie van de roetdeeltjes bij kleine vn Het effect van de ventilatorpositie op de verticale atriumwervel bij kleine vn . Het effect van de ventilatorpositie op de horizontale atriumwervel bij kleine vn Het effect van de ventilatorpositie op de positie van de roetdeeltjes bij grote vn Het effect van de ventilatorpositie op de verticale atriumwervel bij grote vn . Het effect van de ventilatorpositie op de horizontale atriumwervel bij grote vn Het zs -verloop aan een atriumwand voor de 3 ventilatorposities . . . . . . . . Het effect van de ventilatorpositie op de verticale wervel aan de atriumwand . Het effect van de ventilatorpositie op de horizontale wervel aan de atriumwand De atriumwervel in de geometrie met een inlaat in de voorste en achterste atriumwand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.13 Het zs -verloop bij de geometrie met openingen in voorste en achterste atriumwand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

xiv

38 39 39 40 41 42 42 43 44 44 45 45 45 45 46 46 47 48 49 50 51 52 53 53 54 54 55 55 56 57 58 59 59 60 60 61 61 61 62 63 63 64 65

6.14 Het verloop van zs bij de Porehgeometrie met openingen in voorste en achterste ˙ atriumwand vergeleken met de standaard Porehgeometrie bij Q=5,377 kW . 6.15 Het zs -verloop bij de geometrie met openingen in voorste en achterste atriumwand op basis van het CO2 -verloop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.16 De atriumwervel in de geometrie met een inlaat in de linkerwand van de kamer 6.17 Het verloop van de rookvrije hoogte bij de geometrie met een opening in de kamer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.18 De rooklaag in de geometrie met een opening in de kamer bij een normale en grote vn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.19 Het zs -verloop in de geometrie met een opening in de kamer op basis van het CO2 -verloop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.20 De verticale wervel over het atrium bij een grote vn . . . . . . . . . . . . . . . 7.1 7.2 7.3 7.4 7.5 7.6 7.7 7.8 7.9 7.10 7.11 7.12 7.13 7.14 7.15 7.16 7.17 7.18 7.19 7.20 7.21 7.22 7.23 7.24 7.25 7.26 7.27 7.28 7.29 7.30 7.31 7.32 7.33 7.34 7.35

Verschillende posities van de downstand in de kamer met brandhaard . . . . Gebruikte geometrie in de simulaties van Harrison . . . . . . . . . . . . . . . De 4 geometrieën met een verschillende grootte van downstand . . . . . . . . Het zs -verloop in het symmetrievlak bij de 4 downstand-geometrieën . . . . Het zs -verloop aan een atriumwand bij de 4 downstand-geometrieën . . . . . De rooklaag aan de overgangsopening bij 3 downstand-geometrieën . . . . . Het temperatuursbeeld in de kamer bij 3 downstand-geometrieën . . . . . . . De 3 geometrieën met een verschillende positie van downstand (hd =0,1 m) . . Het zs -verloop in de 3 downstand-posities (hd =0,1 m) . . . . . . . . . . . . . De 3 geometrieën met een verschillende positie van downstand (hd =0,2 m) . . Het zs -verloop in de 3 downstand-posities (hd =0,2 m) . . . . . . . . . . . . . De positie van het balkon in het atrium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Het zs -verloop in het symmetrievlak van een geometrie voorzien van een balkon Het verschil in zs tussen de standaard geometrie en de geometrie met een balkon De rooklaag in de standaard geometrie en de geometrie met een balkon . . . Het zs -verloop aan een atriumwand van een geometrie voorzien van een balkon Het effect van een balkon op het zs -verloop aan een atriumwand . . . . . . . Het zs -verloop in het symmetrievlak van een geometrie voorzien van een lang balkon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . De correcte zs in het symmetrievlak van een geometrie voorzien van een lang balkon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Het effect van de balkonlengte op de zs in het symmetrievlak . . . . . . . . . De rooklaag en verticale wervel in de geometrie met een lang balkon . . . . . Het effect van de balkonlengte op de zs aan een atriumwand . . . . . . . . . . De 2 bestudeerde geometrieën met een verschillende balkonhoogte . . . . . . Het zs -verloop in het symmetrievlak van een geometrie voorzien van een hoog balkon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Het effect van de balkonhoogte op de zs in het symmetrievlak . . . . . . . . . De rooklaag en verticale wervel in de geometrie met een hoog balkon . . . . . Het effect van de balkonhoogte op de zs aan een atriumwand . . . . . . . . . De 2 bestudeerde geometrieën met een verschillende balkonbreedte . . . . . . Het zs -verloop in het symmetrievlak van een geometrie voorzien van een smal balkon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . De rooklaag en verticale wervel in de geometrie met een smal balkon . . . . . Het effect van de balkonbreedte op de zs aan een atriumwand . . . . . . . . . De geometrie met 2 openingen voor de inlaat van verse lucht . . . . . . . . . Het zs -verloop in het symmetrievlak van de geometrie met 2 inlaten . . . . . De positie van de roetdeeltjes in de geometrie met 2 inlaten . . . . . . . . . . De verticale atriumwervel in de geometrie met 2 inlaten . . . . . . . . . . . . xv

65 66 67 68 69 69 70 72 73 75 76 77 77 78 79 79 80 81 82 83 83 84 85 85 86 87 87 88 89 89 90 90 91 92 92 93 94 94 95 96 96 97

7.36 7.37 7.38 7.39 7.40 7.41 7.42 7.43 7.44 7.45 7.46

Het zs -verloop aan een atriumwand van de geometrie met 2 inlaten . . . . . . De positie van de roetdeeltjes in de geometrie met 2 inlaten en een grote vn . De 2 beschouwde geometrieën met een verschillende afstand tussen de balkons De rooklaag en de verticale wervel in de geometrieën met 2 balkons . . . . . . Het zs -verloop in het symmetrievlak in de geometrieën met 2 balkons . . . . . Het effect van de positie van het 2de balkon op het zs -verloop . . . . . . . . . Het zs -verloop aan een atriumwand in de geometrieën met 2 balkons . . . . . De 2 beschouwde geometrieën met een downstand-balkon combinatie . . . . . Het zs -verloop in het symmetrievlak van de 2 downstand-balkon geometrieën Het effect van een downstand-balkon combinatie op het zs -verloop . . . . . . De rooklaag in de 2 downstand-balkon geometrieën vergeleken met de standaard geometrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.47 De verhouding Mb /Mw vergeleken met de formule van Harrison . . . . . . . . 7.48 Het zs -verloop aan een atriumwand van de 2 downstand-balkon geometrieën .

98 98 99 100 101 101 102 103 104 104 105 106 107

8.1 8.2 8.3 8.4 8.5 8.6 8.7

De geometrie van de eerste simulaties met natuurlijke convectie . . . . . . . . 108 De rooklaag aan de overgangsopening bij natuurlijke extractie in het atrium . 109 De rooklaag en verticale wervel in het atrium bij natuurlijke extractie . . . . 110 Het zs -verloop in het symmetrievlak van de geometrie met natuurlijke extractie110 Het verschil in zs tussen natuurlijke en gedwongen extractie . . . . . . . . . . 111 Het zs -verloop aan een atriumwand van de geometrie met natuurlijke extractie 112 De beschouwde geometrieën met 2 kleinere openingen voor de natuurlijke extractie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 8.8 De atriumwervel in de geometrieën met 2 kleinere extractieopeningen . . . . . 113 8.9 De rooklaag in de geometrieën met 2 kleinere extractieopeningen . . . . . . . 114 8.10 Het zs -verloop in de symmetrievlakken van de geometrieën met 2 kleinere extractieopeningen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 8.11 Het zs -verloop aan de atriumwanden van de geometrieën met 2 kleinere extractieopeningen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 8.12 Het effect op zs van 2 kleinere extractieopeningen i.p.v. 1 grote extractieopening116 9.1 9.2

Het zs -verloop in het symmetrievlak van een groot atrium (instelling 1) . . . 121 Het verschil in zs tussen data van het grote model en opgeschaalde data van het kleine model (instelling 1) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122 9.3 Het zs -verloop aan een atriumwand van een groot atrium (instelling 1) . . . . 123 9.4 Het zs -verloop in het symmetrievlak van een groot atrium met Q˙ 2 (instelling 1)124 9.5 Het verschil in zs van een groot atrium tussen Q˙ 1 en Q˙ 2 . . . . . . . . . . . . 124 9.6 Het zs -verloop aan een atriumwand van een groot atrium met Q˙ 2 (instelling 1) 125 9.7 Het zs -verloop in het symmetrievlak van een groot atrium (instelling 3) . . . 126 9.8 Het verschil in zs tussen data van het grote model en opgeschaalde data van het kleine model (instelling 3) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 9.9 Het zs -verloop in het symmetrievlak van een groot atrium met natuurlijke extractie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128 9.10 Het verschil in zs tussen data van het grote model en opgeschaalde data van het kleine model met natuurlijke extractie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 9.11 Het verschil in zs tussen natuurlijke en gedwongen extractie in een groot atrium129

xvi

Lijst van tabellen 2.1

Buckingham pi -methode toegepast . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4

3.1

De verschillende massadebieten bij de vrije 2D-rookpluim . . . . . . . . . . .

10

4.1

Afmetingen van de geometrie op kleine schaal . . . . . . . . . . . . . . . . . .

18

5.1 5.2 5.3

De afmetingen van de Porehgeometrie die gebruikt worden in de simulaties . De verschillende instellingen bij FDS 5.2.5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . De waarden van de verschillende warmtevermogens . . . . . . . . . . . . . . .

27 46 51

6.1

De verschillende posities van het ventilatiesysteem . . . . . . . . . . . . . . .

58

7.1 7.2

De 4 situaties met een verschillende grootte van downstand . . . . . . . . . . De 3 bestudeerde posities van de downstand in de kamer . . . . . . . . . . . .

74 78

9.1

De afmetingen en het warmtevermogen bij het kleine en het grote model . . . 121

i

Hoofdstuk 1

Inleiding Het idee om een grootschalig fenomeen te bestuderen aan de hand van een kleinschalige kopie ervan, is al eeuwen oud. Toch wordt er momenteel nog veel onderzoek gedaan naar methodes die aanleiding geven tot een correcte schaling tussen het kleine en het grote model. Bij fenomenen zoals brand en rookvorming is er een groot aantal parameters die een invloed hebben op de situatie. Het is dit groot aantal parameters dat het moelijk maakt om alle invloeden correct op te schalen. Hedendaags gebruiken onderzoekers reële en numerieke experimenten op kleinschalige atria om brand en rookbeweging te voorspellen in grootschalige atria. De noodzaak van deze experimenten is de brandveiligheid die men moet kunnen vrijwaren en die men wil garanderen d.m.v. een goed ontworpen extractiesysteem. De data uit de experimenten worden gebruikt voor het ontwerp van een extractiesysteem dat gebaseerd is op natuurlijke of gedwongen convectie. De extractie van rookgassen is nodig om een minimale rookvrije hoogte te creëeren in het atrium, zodat de mensen in het atrium op een normale manier via de nooduitgang het atrium kunnen verlaten in een brandscenario. Indien men geen extractiesysteem zou voorzien, kunnen de rookgassen zorgen voor een vermindering van de zichtbaarheid in het atrium waardoor mensen in het atrium de nooduitgang niet vinden en eventueel ingesloten geraken door de brand of bevangen geraken door de rook. De meeste rookgassen bevatten ook giftige componenten, zoals koolstofmonoxide (CO), die dus moeten verwijderd worden uit het atrium om verstikking te voorkomen. Op basis van deze argumenten is het logisch dat er wettelijke verplichtingen zijn voor de installatie van een extractiesysteem in ieder atrium. Hoewel het invoeren van een wettelijke verplichting een tiental jaar geleden - een goede zaak was voor de veiligheid in atria, is het jammer dat deze wettelijke normen nog steeds gebaseerd zijn op de gedateerde theorieën van brand en rookbeweging uit die tijd. Zoals reeds vermeld is er de afgelopen jaren wereldwijd heel wat onderzoek gedaan naar brand en rookbeweging voornamelijk aan de hand van experimenten. Hierdoor zijn er heel wat empirische formules opgesteld die een verband geven tussen verschillende parameters in een bepaalde geometrie. Michael Poreh is er onder andere in geslaagd een formule op te stellen op basis van reële kleinschalige experimenten, die het verband weergeeft tussen de rookvrije hoogte en het extractiedebiet van rookgassen in een typische atriumgeometrie. Het is deze formule die het vertrekpunt vormt van dit thesisonderzoek. We zullen onderzoeken of numerieke simulaties dit verband bevestigen en nagaan in welke mate de parameters gemanipuleerd mogen worden opdat het verband nog steeds van toepassing is. We zullen ook onderzoeken wat het effect is van de positie van het extractiesysteem en de positie van openingen voor verse lucht. We zullen balkons en downstands plaatsen in de atriumgeometrie en bestuderen wat hun effect is. Ten slotte controleren we of een kleinschalige simulatie de situatie in een grootschalige simulatie kan voorspellen.

1

Deel I

Literatuurstudie

2

Hoofdstuk 2

Schaling en dimensieloze groepen 2.1

Inleiding

Doorheen de geschiedenis heeft men vaak geprobeerd een klein model te testen met als doel het verkrijgen van nuttige informatie over het grote model. Ook de gebroeders Wright hebben eerst gebruik gemaakt van kleine vleugelprofielen en een windtunnel om een goede geometrie te ontwikkelen voor de vleugels van hun eerste vliegtuig. Sommige fenomenen, zoals brand, eisen het behoud van te veel dimensieloze groepen om een goede similariteit te verkrijgen tussen het grote en het kleine model. Maar dit betekent niet dat schaling geen nut heeft voor deze fenomenen. Op basis van schaalmodellen en bepaalde voorwaarden op de omgeving, kunnen er soms wel conclusies getrokken worden voor het grote realistische model. Op deze manier zijn er reeds verschillende empirische formules ontdekt voor verschillende brandscenario’s. We zullen de algemeen gekende methodes [1] voor een correcte schaling bespreken in volgende paragrafen.

2.2

Vormen van dimensieloze groepen

Er zijn 3 bekende manieren om dimensieloze groepen te vormen. De eerste is het Buckingham pi -theorema. Dit theorema gaat uit van een set veranderlijken die relevant zijn voor de beschouwde geometrie, stroming of het beschouwde model. Het aantal dimensieloze groepen (pi-groepen) is gelijk aan dit aantal variabelen verminderd met het aantal dimensies van het model. De tweede manier steunt op het identificeren van de fundamentele partiële vergelijkingen die betrekking hebben op het beschouwd model en het dimensieloos maken van de variabelen door middel van goed gekozen parameters. De derde manier maakt gebruik van een dimensionale analyse. De aanwezige fysische krachten worden ge¨ıdentificeerd op een eenvoudige, maar volledig correcte manier. In de meeste gevallen heeft men een voorkeur voor deze laatste methode. Aan de hand van een eenvoudig voorbeeld, nl. een incompressibele stroming over een vlakke plaat, zullen de 3 verschillende methodes ge¨ıllustreerd worden. De stroming wordt stationair en tweedimensionaal verondersteld met een constante aanstroomsnelheid u∞ . Volgende figuur (Figuur 2.1) schetst deze situatie.

Buckingham pi methode In de eerste stap worden de variabelen ge¨ıdentificeerd. De stroomsnelheid u is op elk moment afhankelijk van de positie op de plaat (x,y), de omgeving (lengte plaat l, aanstroomsnelheid u∞ ) en het gebruikte flu¨ıdum (dichtheid ρ, dynamische viscositeit µ). Het model vertoont 3 dimensies: massa M , tijd t en lengte L . Samengevat zijn er 7 variabelen aanwezig en 3 dimensies. Dit geeft aanleiding tot 4 dimensieloze groepen: Π1 , Π2 , Π3 , Π4 . De 3 variabelen u∞ , l en µ worden gekozen om de overige variabelen dimensieloos te maken. 3

Figuur 2.1: Een incompressibele stroming over een vlakke plaat

De werkwijze bestaat uit een eerste stap waarbij er verschillende groepen met onbekende exponenten worden gevormd en een tweede stap waarbij deze groepen dimensieloos gemaakt worden door de exponenten goed te kiezen. Tabel 2.1: Buckingham pi -methode toegepast

Π1 = Π2 = Π3 = Π4 =

ua∞ lb µc ρ ua∞ lb µc u ua∞ lb µc x ua∞ lb µc y

vgl voor M 0=c+1 0=c 0=c 0=c

vgl voor T 0=-a-c 0=-a-c-1 0=-a-c 0=-a-c

vgl voor L 0=a+b-c-3 0=a+b-c+1 0=a+b-c+1 0=a+b-c+1

a a a a

= = = =

exponenten 1, b = 1, c = -1 -1, b = 0, c = 0 0, b = -1, c = 0 0, b = -1, c = 0

Het resultaat hiervan: Π1 =

u∞ lρ u = Re Π2 = µ u∞

Π3 =

x l

Π4 =

y l

(2.1)

Methode op basis van een parti¨ ele differentievergelijking Deze methode gaat uit van de differentievergelijking die de heersende krachten bij de bestudeerde stroming weergeeft. In dit geval wordt de impulsvergelijking voor een stationaire, tweedimensionale stroming zonder drukgradiënt gebruikt. ρ(u

∂u ∂u ∂2u +v )=µ 2 ∂x ∂y ∂ y

(2.2)

Hierbij gelden de volgende randvoorwaarden: op y = 0 zal u = v = 0, op x = 0 zal u = u∞ en voor y gaande naar ∞ zal u = u∞ . Hierna kunnen de componenten dimensieloos gemaakt worden: u∗ = uu∞ , v ∗ = uv∞ , x∗ = xl en y ∗ = yl . Na substitutie in de impulsvergelijking, bekom je deze vergelijking waarin de Re-groep herkenbaar is: ρ(u∗

∗ ∂ 2 u∗ ∂u∗ µ ∗ ∂u + v ) = ( ) ∂x∗ ∂y ∗ ρ l u∞ ∂ 2 y ∗

(2.3)

Alle dimensieloze groepen die bekomen zijn met het Buckingham pi -theorema zijn ook terug te vinden in deze laatste vergelijking.

4

Methode op basis van dimensionale analyse Neem een controlevolume rond het flu¨ıdum in de grenslaag en pas de viscositeitswet van Newton toe. Wanneer er gradiënten of afgeleiden in de toegepaste wet voorkomen, gebruikt men enkel de dimensionale vorm. De wet wordt nu uitgeschreven voor een eenheidsdiepte in de z-richting. u ρu2 (x × 1) ∼ µ (x × 1) (2.4) y Wanneer de componenten opnieuw dimensieloos worden gemaakt, verschijnt de Re-groep opnieuw in de vergelijking. ρ(

2.3

u 2 x µ u/u∞ x ) ( )∼( ) ( ) u∞ l u∞ l y/l l

(2.5)

Dimensieloze groep gevormd uit de energievergelijking

Voor een verbrandingsproces zijn er verschillende dimensieloze groepen ge¨ınduceerd voor de energievergelijking door het effect van de verbranding zelf, verdamping, warmteoverdracht,... De situatie die we beschouwen heeft een massastroom die brandstof F , zuurstof O2 , water en gedwongen stromen (bv. door een fan) omvat. We gebruiken Q˙ als de warmte gegenereerd door het vuur en q˙ voor alle warmteverliezen. Onderstaande figuur (Figuur 2.2) stelt deze situatie voor.

Figuur 2.2: Schema van de verschillende parameters bij energieoverdracht

De energievergelijking (afleidbaar uit de basiswetten van stromingsmechanica [2], [3]) krijgt dan de volgende vorm: ρCp V

dT + mC ˙ p (T − T∞ ) ∼ Q˙ − q˙ − m ˙ w hf g dt

(2.6)

De laatste term in deze vergelijking stelt het verdampen van waterdruppels voor. Voor de verschillende situaties die we later zullen beschouwen zal de warmte gegenereerd door het vuur Q˙ steeds bepaald zijn door de brandstof. Deze waarde wordt dimensieloos gemaakt en wordt het Zukoski-nummer genoemd naar Professor Edward Zukoski die deze term ge¨ıntroduceerd heeft. Π2 ≡ Q∗1 =

Q˙

p ∼ ρ∞ Cp T∞ gl5

warmtevermogen van het vuur enthalpie van de stroming 5

(2.7)

Deze dimensieloze groep geeft dus een inherente lengteschaal aan een brand met natuurlijke convectie. Deze lengteschaal kan dan geassocieerd worden met vlamhoogte en eventueel aanwezige eddies in de rookpluim. l∗ = (

2.4

Q˙ √ )2/5 ρ∞ Cp T∞ g

(2.8)

Effect van het warmtevermogen en de onvolmaaktheden

Stel dat er een schaling moet gebeuren van een geometrisch model waarbij l een fysische dimensie is van het systeem. Wanneer er een geometrisch gelijkend systeem wordt gezocht, moet er getracht worden om dezelfde temperatuur te verkrijgen op homologe punten (ˆ x, yˆ, zˆ) p ˆ en op hetzelfde tijdstip t = t g/l . Onderstaande figuur (Figuur 2.3) toont een voorbeeld van een model en zijn prototype.

Figuur 2.3: Geometrisch similaire systemen: het model en het prototype

Wanneer behoud van het Zukoski-nummer (vgl 2.7) gewenst is, zal aan de volgende vergelijking moeten voldaan zijn. lm Q˙m = Q˙ p ( )5/2 lp

(2.9)

Wanneer alle warmteverliezen ook variëren volgens deze vergelijking, zal de temperatuur invariant zijn met de schaalfactor. Maar uiteindelijk blijkt dat niet alle soorten van warmteoverdracht simultaan kunnen behouden worden tijdens een schaling. • Behoud van straling van een gas: Π3 = κl =

• Behoud van conductie:

• Behoud van convectie:

emissie door straling ideale emissie

(2.10)

1/2

Π5 =

(kρc)wall conductie = 3/4 enthalpie ρ∞ cp gl

(2.11)

Π6 =

hc convectie √ = enthalpie ρ∞ cp gl

(2.12)

Π7 =

3 σT∞ straling √ = enthalpie ρ∞ cp gl

(2.13)

• Behoud van straling:

6

• Behoud van de dikte van de wanden: 1/2

(kρc)wall g 1/4 dikte van de wand Π8 = ( ) δwall = kwall l thermische lengte

(2.14)

• Behoud van Nusselt bij turbulentie: Π22 =

convectie hc l = k conductie

(2.15)

Wanneer men alle dimensieloze groepen wil behouden tijdens een schaling, komen een aantal tegenstrijdigheden boven water. Ten eerste geeft behoud van convectie een hc ∼ l1/2 terwijl behoud van het Nusseltgetal aanleiding geeft tot hc ∼ l1/5 . Ten tweede was het doel dat de temperaturen behouden bleven, maar behoud van straling geeft aanleiding tot T∞ ∼ l1/6 . De kunst van het schalen is het behouden van de noodzakelijke dimensieloze groepen zodat er een goede partiële schaling gecreëerd wordt.

Behoud van het warmtevermogen door conductie Wanneer voornamelijk de conductie door de muren moet behouden worden, zal er een schaling plaatsvinden met behoud van Π5 en Π8 . We veronderstellen cw constant omdat deze niet sterk afhankelijk is van het soort materiaal. Π5 : kwall ∼ ρwall ∼ l3/4

Π8 : δwall ∼ l1/4

(2.16)

Zodat het warmteverlies veroorzaakt door conductie het volgende wordt: warmteverlies door conductie = ql ˙2=

kwall (T − T∞ ) l2 = l1/2 l2 = l5/2 δwall

(2.17)

Het warmteverlies door conductie varieert inderdaad ook met de factor l5/2 .

Behoud van het warmtevermogen door convectie Wanneer men de convectieve stroming in de grenslaag wil behouden, dan probeert men het Nusseltgetal te behouden. warmteverlies door convectie = q 00 = hc (T − T∞ ) = l1/5 ∗ 1

(2.18)

Behoud van straling Wanneer Π3 behouden wordt, zal q 00 ∼ σκlT 4 ∼ κl ∼ l0 . De warmteverliezen veroorzaakt door conductie en convectie (q 00 ∼ l1/2 ) zijn meestal beduidend kleiner dan het warmteverlies veroorzaakt door straling (q 00 ∼ l0 ). Het is dus moeilijk om een goede schaling uit te voeren waarin alle warmteverliezen evenredig variëren.

7

2.5

Froudeschaling

Bij deze schaalmethode wordt Q∗ constant gehouden (Q˙ ∼ l5/2 ). Het constant houden van het Froudegetal zorgt ervoor dat de advectie en het kookverschijnsel similair blijven. Dit zorgt voor een variatie in snelheden u ∼ (gl)1/2 . Er zijn echter meerdere dimensieloze groepen die niet behouden blijven tijdens een Froudeschaling zoals Re, Π3 en Π8 . Deze termen zijn in het algemeen enkel terecht verwaarloosbaar wanneer hun effect klein is of wanneer hun exacte waarde geen belangrijke rol speelt maar gewoon voldoende hoog of laag moet zijn. Zo zal de exacte waarde van het Reynoldsgetal niet belangrijk zijn maar moet het voldoende hoog zijn zodat men zeker weet dat de stroming voldoende turbulent is.

8

Hoofdstuk 3

Onderzoek op basis van re¨ ele experimenten 3.1

Inmengen van verse lucht bij 2D-hoekpluimen

Inleiding Het onderzoek van M. Poreh is het uitgangspunt van deze thesis en zal daarom eerst uitvoerig besproken worden. We beginnen met de bespreking van zijn artikel over de stroming bij 2D-hoekpluimen [4]. De benaming 2D-hoekpluim betekent dat de eigenschappen van de rookpluim in de horizontale lengterichting (x) en verticale (z) richting kunnen variëren maar dat men aanneemt dat de eigenschappen van de rookpluim in de breedterichting (y) constant zijn. Men gaat uit van een typische rookbeweging in een winkelcentrum voorzien van een atrium. Een voorbeeld van dit soort beweging is geschetst in onderstaande figuur (Figuur 3.1).

Figuur 3.1: Een typische beweging van een rookpluim in een winkelcentrum met atrium

9

Men vertrekt van het scenario dat de vuurhaard gelokaliseerd is in één van de kamers op het gelijkvloers of op één van de laagste verdiepingen. De rook stapelt zich op in de kamer in de vorm van een horizontale rooklaag met een dikte Db . De warme rookgassen stromen naar het atrium en zullen draaien rond de hoek van het aanwezige balkon. In het atrium zelf wordt nu een 2de rooklaag gevormd. Wanneer er verondersteld wordt dat er verse lucht kan toestromen aan beide zijden van de 2de rookpluim (dit betekent dat de rookpluim niet hecht aan de linkse of rechtse atriumwand), kan men de rookpluim bekijken als een samenstelling van 2 rookbewegingen. De eerste beweging is deze van de kromming en de tweede beweging is deze van een verticale rookpluim. Om aan de brandveiligheid te voldoen zullen er steeds ventilatoren aanwezig zijn in het atrium die de giftige rookgassen verwijderen en zo zorgen voor een minimale rookvrije hoogte. Deze ventilatoren kunnen enerzijds van het natuurlijke type zijn en anderzijds van het mechanische type. Om deze systemen goed te kunnen dimensioneren moet men een idee hebben van het massadebiet Ma dat de rookpluim aanvoert. Er bestaan wettelijke voorschriften en normen [5] voor extractiesystemen in bepaalde grote gebouwen, maar deze steunen vaak op onderzoek (algemeen of voor specifieke gebouwen [6], [7]) of op een theorie van een tiental jaren geleden. De resultaten van recent onderzoek en nieuwe onderbouwde theorieën zouden de basis moeten vormen voor een aanpassing van deze voorschriften.

Bepaling van het massadebiet Ma Het uiteindelijke massadebiet van de rookpluim Ma wordt bepaald door alle massadebieten die de rookpluim meesleurt. Deze zijn zichtbaar in de figuur 3.1. Tabel 3.1: De verschillende massadebieten bij de vrije 2D-rookpluim

M1 M2 M3 M4 M5 M6 M7

massadebiet massadebiet massadebiet massadebiet massadebiet massadebiet massadebiet

van de verbrande brandstof dat mengt met de rookpluim boven de vuurhaard dat wordt meegesleurd bij de 1ste overgang rookpluim-rooklaag dat mengt met de 1ste rooklaag die naar het atrium stroomt dat wordt meegesleurd door de kromming van de rooklaag dat mengt met het verticale deel van de rookpluim in het atrium dat wordt meegesleurd bij de 2de overgang rookpluim-rooklaag

De waarden M1 , M2 en M3 worden voornamelijk bepaald door het convectieve warmtevermogen van de brand Qf , de perimeter van de brandstofbron P en de hoogte van de 1ste rooklaag boven de vuurhaard z1 . In de meeste gevallen zijn M1 en M3 verwaarloosbaar klein. Daarom is het toegestaan te stellen dat het massadebiet dat de eerste rooklaag binnentreedt ongeveer M2 is. De waarden van M2 en Db zijn te bepalen op basis van goed gedefinieerde modellen voor circulaire rookpluimen [8]. Door het stabiliserend effect van stratificatie zal ook M4 een verwaarloosbaar kleine waarde aannemen. Omwille hiervan zal het massadebiet dat van de kamer naar het atrium stroomt Mb nagenoeg gelijk zijn aan de waarde van M2 . Wanneer deze redenering wordt doorgetrokken naar de situatie in het atrium zal men kunnen stellen dat de waarde van M7 verwaarloosbaar is en de waarde van M6 wederom te bepalen is aan de hand van reeds ontwikkelde modellen (analoog als M2 ), op voorwaarde dat de virtuele oorsprong van de 2de rookpluim gekend is. Dit leidt tot het feit dat Ma bepaald wordt door de som van M2 , M5 en M6 waarbij de waarden van M2 en M6 reeds gekend zijn.

10

De resterende onbekenden zijn de waarde van M5 en de positie van de virtuele oorsprong van de 2de rookpluim. Deze onbekenden zullen bepaald worden op basis van een model dat volgend uitgangspunt heeft: het massadebiet dat een gebogen rookpluim meesleurt is ongeveer even groot als het debiet dat een similaire verticale rookpluim zou meesleuren. Daarom dat het ontwikkelde model niet toepasbaar is op een rookpluim die zich hecht aan een atriumwand.

Model van een vrije verticale rookpluim Het model dat wereldwijd gebruikt wordt voor ongebonden, 2D thermische rookpluimen werd ontwikkeld door Lee & Emmons [9]. Ma g Q / l 1/3 ) (z + z0 ) = Cm ρ( L ρ Cp T1

(3.1)

Het model voorspelt het massadebiet van de rookpluim in functie van de hoogte z. De formule maakt gebruik van een entrainment coëfficiënt Cm , die bepaald wordt in het model, maar ook van de laterale lengte van de rookpluim L, het warmtevermogen Q˙ dat constant wordt verondersteld, de gemiddelde dichtheid ρ van de rookgassen over de symmetrieas van de rookpluim en de omgevingstemperatuur T1 . Onafhankelijke experimenten zijn uitgevoerd door verschillende wetenschappers. Op basis van deze experimenten bleek dat Cm typisch in het gebied tussen 0,49 en 0,51 ligt. Er is een zeer gelijkaardige vergelijking (vgl 3.2) voorhanden die gemodelleerd werd op basis van een dimensionale analyse. Deze formule omvat in plaats van de onbekende dichtheid ρ, de dichtheid van de omgeving ρ1 en zal daarom meer gebruikt worden in ingenieurstoepassingen. Ma = 0, 3 Cm ρ1 L2/3 (z + z0 ) Q1/3

(3.2)

C = 0, 3 Cm ρ1 L2/3

(3.3)

Model van een hoekrookpluim In het model voor een hoekrookpluim zijn dezelfde variabelen terug te vinden als in het model voor een verticale rookpluim in combinatie met de densiteitsgradiënten normaal op de 2 grenzen van de gekromde rookpluim. Op de concave boog zal een onstabiele densiteitsgradiënt staan: deze zorgt ervoor dat er lucht in de pluim wordt gemengd langs de linkse kant van de pluim (de kant van de kamer). Op de convexe boog zal een stabiele drukgradiënt staan: deze zou inmenging van verse lucht moeten voorkomen langs de rechtse kant. Het model veronderstelt dat deze 2 effecten elkaar opheffen zodat het massadebiet M5 dat wordt ingemengd tijdens de buiging van de rookpluim hetzelfde is als het massadebiet dat wordt ingemengd bij een verticale rookpluim tussen de hoogte -Db en z 0 , waarbij z 0 de hoogte is vanaf waar de rookpluim volledig verticaal beweegt. Het is evident dat, als de rooklaag in het atrium even dik is als de rooklaag in de kamer, Ma dezelfde waarde zal hebben als Mb . Op basis van deze veronderstelling en de vergelijking van een vrije verticale rookpluim (vgl. 3.2), kan de virtuele oorsprong van de rookpluim in het atrium bepaald worden. Mb = C (−Db + z0 ) Q1/3 z0 = D b +

11

Mb CQ1/3

(3.4) (3.5)

Wanneer we dit verband (vgl. 3.4) gebruiken, kunnen we het massadebiet van de rookpluim op elke hoogte bepalen. Figuur 3.2 geeft de verschillende geometrische variabelen duidelijk weer. Ma Mb = C(z + Db + ) 1/3 Q CQ1/3

(3.6)

Figuur 3.2: Schematische voorstelling van alle parameters in het voorgestelde model

Na een aantal experimenten heeft men waargenomen dat de waarde van Cm voor dit soort pluimen in de buurt van 0,44 ligt (C=0,15). Deze waarde is lager dan deze die normaal voor een vrije verticale pluim wordt gebruikt. Er is geen direct sluitende verklaring voor deze lagere waarde. Men besluit na een groot aantal experimenten dat er voldoende gelijkenis bestaat tussen de voorspelling van het massadebiet op basis van het model van een hoekrookpluim en de experimenten: de correctheid van het model wordt hierdoor bevestigd. Afwijkingen van het model zijn mogelijk wanneer de verhouding van de breedte van de pluim d tot de breedte van atrium D niet meer klein is. In deze gevallen zal de rooklaag niet meer stationair en horizontaal zijn. Aangezien de breedte van de pluim d toeneemt met de hoogte z en de breedte van het atrium D constant is, zal het model niet accuraat zijn voor te grote waarden z van D . Maar dit eenvoudige model is dus wel voldoende accuraat om de stroming van een vrije, 2D rookpluim te voorspellen in brede atria. Er wordt nog steeds onderzoek gedaan (o.a. door R. Harrison [10]) naar een exacter model voor de inmenging van verse lucht in een vrije hoekrookpluim.

12

3.2

Inmengen van verse lucht bij aangehechte rookpluimen

Inleiding De meeste studies die reeds uitgevoerd zijn op brand- en rookvorming in een atrium, vestigen de aandacht op vrije verticale rookpluimen. Er zijn reeds modellen ontwikkeld die het massadebiet van deze pluimen geven op grotere hoogte. Bij het optreden van een brand, is het waarschijnlijker dat de brandhaard zich bevindt in een kamer grenzend aan het atrium dan in het atrium zelf. De rook zal zich opstapelen onder het plafond in de rookkamer en zich een weg banen naar het atrium. Ter hoogte van de overgang van de kamer naar het atrium zal de rooklaag zich rond de hoek buigen en plots stijgen. Men voelt intu¨ıtief aan dat de rookpluim zich aan de wand van het atrium zal hechten (adhered plume). Dit fenomeen heeft M. Poreh bestudeerd in een volgend artikel [11] dat ook hier besproken wordt. Een logisch gevolg van een aangehechte rookpluim zou zijn dat er minder verse lucht wordt aangetrokken om te mengen met de rookgassen in vergelijking met een vrije rookpluim. De moeilijkheid ligt in het bepalen van de karakteristieken van de horizontale rooklaag in de rookkamer. Deze karakteristieken zijn nodig om de virtuele oorsprong te berekenen van de stijgende rookpluim in het atrium. Op deze manier kan men toch de modellen voor vrije rookpluimen die reeds ontwikkeld zijn, gebruiken.

Experimenten op aangehechte rookpluimen De gebruikte geometrie (Figuur 3.3) voor deze experimenten is zeer eenvoudig. Er zijn 2 compartimenten nl. een kamer waar de brandhaard zich bevindt en een grote hal met een extractieventilator (variabel toerental). Beide kamers hebben een breedte van 0,9 m. Aan de andere kant van de hal is een opening voorzien die een verstelbare hoogte heeft. De hoogte van deze opening wordt ingesteld zodat de rooklaag in de hal zich net boven de opening bevindt. Op deze manier wordt er voldoende verse lucht aangezogen naar de aangehechte rookpluim.

Figuur 3.3: Opstelling van de experimenten uitgevoerd door Poreh

13

Het massadebiet, dat wordt verwijderd door de ventilator Ma , wordt berekend op basis van de gemiddelde temperatuur en de CO2 -concentratie van de gassen in de pijp net voor de ventilator. Het massadebiet rooklucht, afkomstig van de kamer Mb , wordt bepaald door het meten van de gemiddelde horizontale snelheid en de dichtheid van de gassen in de sectie onder het plafond van de kamer. De dikte van deze rooklaag Db werd visueel bepaald door rook te injecteren in de warme gassen. Op basis van experimenten heeft men geconcludeerd dat de horizontale stroming onder het plafond waarschijnlijk turbulent is, aangezien het Reynoldsgetal hier gemiddeld 4500 bedraagt. Onderstaande grafiek (Figuur 3.4) toont de meetpunten van de experimenten waarbij men de virtuele oorsprong van de rookpluim bepaald heeft aan de hand van het model dat bestudeerd is in de vorige paragraaf 3.1. Op basis van deze grafiek is het duidelijk dat het model van de verticale rookpluim ook hier mag gebruikt worden maar slechts met een entrainment coëfficiënt Cm = 0, 21 (C = 0, 07).

Figuur 3.4: Gemeten variatie van M/Q1/3 i.f.v z + z0 bij vrije en aangehechte rookpluimen

Effect van het Froudegetal Het Froudegetal, dat bepaald wordt op basis van een meting die wordt gedaan stroomopwaarts van de hoek van de kamer, was in alle experimenten kleiner dan 1. Fr = (

Mc ∆ρ 1/2 )/(gDc ) ρDc L ρ

(3.7)

De vraag is nu wat voor effect dit Froudegetal heeft op het al dan niet aanhechten van de rookpluim. Volgende figuur (Figuur 3.5) schetst de situatie van de uitgevoerde experimenten.

14

Figuur 3.5: Opstelling van de Froudegetal-experimenten uitgevoerd door Poreh (a: een warme gasgenerator; b: een grote kamer voor de distributie van de rook; c: meetpunt; d: afgeronde hoek in de 2de serie experimenten; e: exit)

Tijdens de eerste serie experimenten is er gebruik gemaakt van een rechte hoek ter hoogte van positie d. Tijdens de tweede serie is deze rechte hoek vervangen door een boog met een straal gelijk aan de dikte van de rooklaag ter hoogte van positie c. De resultaten van deze experimenten zijn zichtbaar in onderstaande grafiek (Figuur 3.6) waarbij een y-waarde gelijk aan 0 staat voor een rookpluim die meteen hecht aan de wand van de hal. Een y-waarde gelijk aan 1 staat voor een rookpluim die niet aanhechtte aan het laagste stuk van de wand. De resultaten van de 1ste serie experimenten zijn voorgesteld door bolletjes en deze van de 2de serie door driehoekjes.

Figuur 3.6: Verloop van de y-waarde i.f.v het Froudegetal met rechte hoek en afgeronde hoek

Het is hierbij duidelijk dat voor lage Froudegetallen ( < 1) de rookpluim meteen aanhecht terwijl de rookpluim niet meteen aanhecht voor hoge Froudegetallen ( > 1). De overgang van een aangehechte rookpluim naar een vrije rookpluim gebeurt iets sneller wanneer de hoek gekromd is.

15

Conclusie Op basis van dit onderzoek kan men besluiten dat het inmengen van lucht in een 2D rookpluim (aangehecht of vrij), gevormd door de buiging van een horizontale rooklaag rond een hoek, het eenvoudig model volgt van een vrije verticale rookpluim op voorwaarde dat de entrainment coëfficiënt Cm , die in dit model van toepassing is, proportioneel varieert met de vrije perimeter van de verticale rookpluim. Dit heeft tot gevolg dat de waarde van Cm bij een aangehechte rookpluim ongeveer de helft bedraagt van de waarde bij een vrije rookpluim. Het is onmogelijk de vorm van de rookpluim te voorspellen omdat er teveel parameters aanwezig zijn die de positie bepalen waar de rookpluim aanhecht. Hierdoor veronderstelt men dat de waarde van Cm , bij een 2D rookpluim in het atrium met de beschreven geometrie, ligt tussen 0,21 (aangehecht) en 0,44 (vrij). De moeilijkheid in dit model is het correct bepalen van Mb en Db van de horizontale rooklaag. Ook hiernaar is reeds onderzoek gedaan door o.a. P.H. Thomas [12]. De waarden van Mb en Db zijn afhankelijk van een groot aantal parameters (geometrie, temperatuur, snelheid,...) en daarom is het onmogelijk een algemene formule op te stellen voor deze waarden.

16

Hoofdstuk 4

Onderzoek op basis van numerieke experimenten 4.1

Gebruik van FDS voor aangehechte rookpluimen in atria

Inleiding Op basis van de experimenten die Poreh heeft uitgevoerd op kleine schaal, is er een model ontwikkeld voor aangehechte rookpluimen in een atrium met een vooraf bepaalde geometrie. N. Tilley heeft onderzocht of dezelfde resultaten kunnen bereikt worden met simulatiesoftware. Haar bevindingen zijn gebundeld in 2 artikels ([13] & [14]) die in dit hoofdstuk volledig zullen besproken worden.

Simulaties op kleine schaal Er wordt gebruik gemaakt van het simulatiepakket FDS, version 4.0.7. Het turbulentiemodel dat ingesteld wordt is het Smagorinsky LES met een Cs-waarde = 0,2. De gebruikte geometrie (Figuur 4.1) is deze die door Poreh bepaald werd nl. een afzuiging in het midden van het atriumplafond, een constant warmtevermogen en een inlaat aan de rechterkant van het atrium. Tabel 4.1 geeft de afmetingen weer van de opstelling die wordt gebruikt voor de simulaties.

Figuur 4.1: Geometrie die wordt gebruikt in de numerieke simulaties

De eerste experimenten zijn uitgevoerd met ongeveer 70 200 cellen. Elke cel is kubisch met een zijde van 5 cm. Experimenten met een fijnere mesh gaven geen andere resultaten, daarom zijn alle verdere kleinschalige simulaties met dit grid uitgevoerd.

17

Tabel 4.1: Afmetingen van de geometrie op kleine schaal

Lengte Breedte Hoogte

l1 = 1,25 m b1 = 0,9 m h1 = 0,6 m

l2 = 2,5 m b2 = 0,9 m h2 = 3,6 m

Er zijn simulaties uitgevoerd met 4 verschillende waarden voor het warmtevermogen Q˙ met een variatie in extractiesnelheid bij elk warmtevermogen. Wanneer deze simulaties werden verwerkt, bleek dat het Froudegetal van de horizontale rooklaag in de kamer steeds kleiner dan 1 was. Op basis van paragraaf 3.2 zal de rookpluim in het atrium dan meteen aanhechten aan de linkerwand van het atrium. Het model van Poreh zal daarom getest worden met een entrainment coëfficiënt gelijk aan 0,21 (C = 0, 07). Volgende grafiek (Figuur 4.2) geeft de simulatieresultaten weer waarbij de zwarte lijn het model van Poreh (C = 0, 07) voorstelt. Het is duidelijk dat de simulaties op kleine schaal voorgesteld door zwarte bolletjes, dezelfde resultaten geven als de uitgevoerde kleinschalige experimenten, voorgesteld door witte bolletjes. Op basis van deze resultaten vermoeden we dat ook simulaties op grote schaal een correct beeld zullen geven van grootschalige reële experimenten.

Figuur 4.2: Model van Poreh getest op kleinschalige simulaties

Simulaties op grote schaal Wanneer de kleinschalige geometrie wordt opgeschaald met een factor 4,44 en 8, zal de breedte van de grote geometrie respectievelijk 4 m en 7,2 m bedragen. Voor de geometrie met een breedte van 4 m werden kubische cellen gebruikt met een zijde van 10 cm. Voor de geometrie met een breedte van 7,2 m werden kubische cellen gebruikt met een zijde van 20 cm. Er wordt een schaling uitgevoerd waarbij het dimensieloze warmtevermogen Q∗ behouden blijft. Q∗ =

Q˙ ρ∞ Cp T∞

18

p gD5

(4.1)

Deze manier van schalen leunt dicht aan bij de methode van het Froudeschalen. Aangezien het Froudegetal kleiner was dan 1 bij de kleinschalige simulaties, zal door deze schalingsmethode toe te passen dit ook het geval zijn in de grootschalige simulaties. De rookpluim bij de grote geometrie hecht dus ook meteen aan de linkerwand in het atrium. Deze schaling geeft aanleiding tot een warmtevermogen dat evenredig is met de opschaalfactor tot de macht 5/2. De hoogte van de rooklaag wordt op volgende manier berekend.

z = h2 − h1 − Ds = h2 − h1 −

Rh2 (T − T∞ ) dh 0

Tav − T∞

(4.2)

In deze vergelijking (vgl 4.2) staat Ds voor de dikte van de rooklaag in het atrium en Tav voor de gemiddelde temperatuur in de rooklaag. Wanneer de rooklaag 1D is, is de waarde van Ds makkelijk te bepalen maar wanneer dit niet het geval is, zal Ds verschillend zijn afhankelijk van de positie in het atrium. Daarom wordt er uitgegaan van een worst-case-scenario en wordt de kleinste waarde van z genomen die voorkomt. Deze 2 situaties worden voorgesteld in onderstaande figuur (Figuur 4.3). In het geval van een multidimensionale rooklaag kan de zichtbaarheid op zekere hoogte sterk verminderen zonder dat de temperatuur daar sterk varieert.

Figuur 4.3: Verschil tussen een 1D rooklaag (links) en een multidimensionale rooklaag (rechts)

Volgende grafieken (Figuur 4.4) geven de z-waarden weer (wanneer deze op de bovenvermelde manier worden verwerkt). Deze gegevens worden vergeleken met het model van Poreh voor een grote geometrie met een breedte van 7,2 m (C = 0, 28) respectievelijk 4 m (C = 0, 19). De witte bolletjes geven de situaties weer met een 1D rooklaag en de zwarte bolletjes deze met een multidimensionale rooklaag. Het is duidelijk dat, zolang de rooklaag 1D blijft, er een grote gelijkenis is tussen het model en de simulatiegegevens. Wanneer de rooklaag niet meer als 1D beschouwd kan worden, is de hoogte van de rooklaag lager dan voorspeld door het model van Poreh.

19

(a)

(b)

Figuur 4.4: Model van Poreh getest op een geometrie met een breedte van 4 m (links) en een breedte van 7,2 m (rechts)

Conclusie Hoewel de simulaties een grote similariteit vertonen met het model van Poreh voor kleinschalige geometrieën, is er een duidelijke afwijking op te merken bij grote geometrieën wanneer de rooklaag niet meer 1D is. Als er een multidimensionale rooklaag aanwezig is, zal het model van Poreh een grotere rookvrije hoogte voorspellen dan de minimale rookvrije hoogte die wordt gedetecteerd in het atrium. In dit geval is het model van Poreh niet meer betrouwbaar voor de ontwikkeling van extractieventilatoren. Er zal verder onderzoek moeten gebeuren naar een criterium dat uitsluitsel geeft over het al dan niet ééndimensionaal karakter van een rooklaag. Verschillende wetenschappers, waaronder S. Kerber [15], hebben reeds getracht een criterium of geometrie te ontdekken waar de rooklaag steeds een 1D karakter vertoont. De conclusie luidde steeds dat er teveel verschillende parameters aanwezig zijn om een eenduidig criterium vast te leggen.

20

4.2

Numerieke studie van een aangehechte rookpluim in een atrium

Inleiding Op basis van numerieke simulaties wordt er getracht het model van Poreh meer uit te diepen en het toepassingsgebied te bepalen. Een voorwaarde hiervoor is dat er berekeningstechnieken worden ontwikkeld om de parameters van het model van Poreh correct te bepalen. De simulaties zijn nu uitgevoerd in het softwareprogramma FDS, versie 5. De simulatieresultaten verschillen praktisch niet van deze waarbij de simulaties zijn uitgevoerd in FDS, versie 4.0.7.

Bepaling van de hoogte van de rooklaag in het atrium De reeds gekende geometrie op kleine schaal wordt hier opnieuw gebruikt. Onderstaande figuur (Figuur 4.5) toont het verloop van de temperatuur langs een verticale lijn in het atrium dichtbij de opening in de rechterwand van het atrium.

Figuur 4.5: Temperatuursverloop langs een verticale lijn in het atrium

De temperatuur bedraagt 20◦ C (de omgevingstemperatuur) over de volledige hoogte van de opening. Een eerste toename in temperatuur is te zien op een hoogte van 0,6 m maar deze is klein, en is volledig toe te schrijven aan het feit dat er nu geen direct contact meer is met de verse luchtstroom door de opening. Een tweede grotere toename in temperatuur is zichtbaar op een hoogte van ongeveer 1,2 m: deze temperatuurstoename is wel toe te schrijven aan de aanwezige rooklaag. Een goede berekeningsmethode moet in staat zijn de eerste temperatuurstoename te negeren en op zoek gaan naar de juiste hoogte van de rooklaag. Berekeningsmethode 1 : formule van Thomas Deze formule maakt gebruik van de gemiddelde temperatuur in de rooklaag Tav,s . Aangezien deze nog niet gekend is, moet er een schatting gebeuren van deze temperatuur. Nadat de hoogte van de rooklaag bepaald is met behulp van de formule (Formule 4.3) en een gepaste integratiemethode, kan deze temperatuur gecorrigeerd worden wanneer dit nodig is. De formule is dus enkel bruikbaar op een iteratieve manier. RH T −T0 H − zint =

0

21

T

dz

Tav,s −T0 Tav,s

(4.3)

Berekeningsmethode 2: methode van He De berekening van de hoogte van de rooklaag wordt gedaan op basis van 2 parameters I1 en I2 . H

Z I1 =

T dz

(4.4)

1 dz T

(4.5)

0

Z

H

I2 = 0

zint =

Tl (I1 I2 − H 2 ) I1 + I2 Tl2 − 2HTl

(4.6)

De waarde van Tl wordt gelijk genomen aan de laagste temperatuur die voorkomt op de verticale lijn die je beschouwt in het atrium. Hoewel deze methode niet iteratief is, moeten de integralen nog op een correcte manier worden berekend. Berekeningsmethode 3: 2de afgeleide van het temperatuursverloop De hoogte van de rooklaag kan in feite bepaald worden op basis van het temperatuurverloop zelf. Het maximum van de 2de afgeleide van het temperatuurverloop geeft de rooklaaghoogte aan. Voor deze methode wordt er gebruik gemaakt van een discrete formule om de 2de afgeleide te bepalen. ∂2T Ti−1 − 2Ti + Ti+1 ≈ 2 ∂z ∆T (∆h)2 (Ti − T0 )

(4.7)

Onderstaande figuur (Figuur 4.6) geeft weer dat er een lokaal maximum van de 2de afgeleide ligt ter hoogte van 22◦ C wat aanleiding geeft tot een rooklaaghoogte van 1,2 m. Dit punt is echter niet het globale maximum van de 2de afgeleide wat de selectie van het maximum veroorzaakt door de rooklaag moeilijk maakt. Daarom krijgt deze methode zeker niet de voorkeur.

Figuur 4.6: Temperatuurprofiel en zijn 2de afgeleleide

22

Berekeningsmethode 4: N-percent regel Deze methode bepaalt de temperatuur van de rooklaaghoogte als een percentage van het maximale temperatuurverschil dat er per verticale lijn aanwezig is. N (4.8) 100 Deze methode geeft aanleiding tot een temperatuur voor de rooklaaghoogte per verticale lijn in het atrium. Daarom is het verantwoord om 1 temperatuur te nemen voor alle verticale lijnen in het atrium: deze kan de minimale of gemiddelde waarde zijn van al deze rooklaagtemperaturen. In het worst-case-scenario wordt het minimum genomen. De onbekende parameter is de N-waarde: voor de grote schaal atria zal een N-waarde van 15 of 20 resulteren in de eerste temperatuurstoename in plaats van de temperatuurtoename veroorzaakt door de rooklaag. Daarom wordt een N-waarde van 30 genomen voor alle simulaties. Tint = T0 + (Tmax − T0 )

Keuze van de berekeningsmethode Om de meest correcte methode te ontdekken, worden de 4 methodes toegepast op dezelfde simulatieresultaten. Het model van Poreh voorspelt een rooklaaghoogte van 1.37 m. Op basis van volgende figuur (Figuur 4.7) wordt er geconcludeerd dat de N-percent regel de meest correcte rooklaaghoogte geeft. Daarom wordt vanaf nu deze methode gebruikt voor de bepaling van de rooklaaghoogte.

Figuur 4.7: Hoogte van de rooklaag gedefinieerd door de verschillende methodes

23

Simulaties op kleine schaal Opnieuw zullen er nu simulaties gebruikt worden om het verband, dat Poreh experimenteel heeft ontdekt, aan te tonen. Hieronder ziet u de meermaals aangehaalde formule (Formule 4.9) waarbij er een Cm -waarde van 0,07 gebruikt is, aangezien de rookpluim steeds meteen aanhecht aan de wand van het atrium (Fr < 1). M (zs ) − Mb = 0, 07(W 2 Q)1/3 (zs + Db )

(4.9)

De waarde van Mb en Db kunnen bepaald worden op basis van modellen voor brand in een gesloten ruimte. Ze kunnen ook berekend worden op basis van de simulatiedata. Er zal geopteerd worden voor de laatste manier omdat deze de meest exacte waarde zal geven in deze situatie. Er zullen numerieke simulaties gedaan worden met een waarde voor het warmtevermogen Q˙ en de extractiesnelheid vn (Mf an = ρ vn Af an ) binnen de range van de experimenten van Poreh om het model te verifiëren. Er zullen ook numerieke simulaties gedaan worden buiten deze range om de toepasbaarheidsgrenzen van het model te ontdekken. Volgende grafiek (Figuur 4.8) toont het verband dat Poreh experimenteel heeft opgesteld, de experimenten van Poreh en de simulatiegegevens.

Figuur 4.8: Experimentele en numerieke resultaten van de atria op kleine schaal

De numerieke simulaties bevestigen het vooropgestelde model van Poreh zolang het warmtevermogen en de extractiesnelheid binnen bepaalde grenzen blijven. Wanneer deze buiten de range van Poreh worden genomen, wijken de simulatieresultaten van het model af. Dit houdt waarschijnlijk verband met het ontstaan van een multidimensionale rooklaag.

Simulaties op grote schaal Opnieuw worden er atria op grote schaal gesimuleerd. Er wordt weer een Froudeschaling toegepast met opschaalfactoren van 4,44 en 8. Deze geven aanleiding tot 2 atria met een breedte van respectievelijk 4 m en 7,2 m. Volgende grafiek (Figuur 4.9) geeft de simulatieresultaten weer van het 4 m brede atrium waarbij de witte bolletjes de situaties met 1D rooklaag voorstellen en de zwarte bolletjes de situaties met een multidimensionale rooklaag.

24

Figuur 4.9: Simulatiegegevens van het 4 m brede atrium

Hier wordt bevestigd dat de numerieke simulaties met een ééndimensionale rooklaag het model van Poreh volgen. De numerieke simulaties met een multidimensionale rooklaag wijken af van dit model: bij deze simulaties zal de rooklaag op bepaalde posities lager zijn dan voorspeld door het model. Daarom moet er voorzichtig omgegaan worden met resultaten die door het model van Poreh voorspeld worden voor het ontwerp van extractiesystemen.

25

Deel II

Onderzoek op de atriumgeometrie m.b.v. numerieke simulaties

26

Hoofdstuk 5

Simulaties van de stromingen in een atrium geometrie 5.1

Omgevingsparameters van de simulaties

Alle numerieke simulaties die in dit onderdeel gebeuren, worden uitgevoerd in het softwarepakket FDS 5.4.1 met een omgevingstemperatuur van 20◦ C bij atmosfeerdruk, de resultaten van deze simulaties bekijken we in Smokeview . Het effect van straling wordt in eerste instantie niet in rekening gebracht. De simulaties worden uitgevoerd over een tijdsinterval van 0 tot 300 seconden waarbij de toestand in het interval [240, 300] als regimetoestand wordt genomen. We zullen niet ingaan op het overgangsverschijnsel (de manier waarop de rook het atrium vult en de bijhorende tijdschaal). Dit overgangsverschijnsel werd o.a. onderzocht door W.K. Chow([16] & [17]). Volgende figuur (Figuur 5.1) en tabel (Tabel 5.1) geven de geometrie en zijn afmetingen weer die we gebruiken in de volgende simulaties. Tabel 5.1: De afmetingen van de Porehgeometrie die gebruikt worden in de simulaties

Kamer Atrium Brandhaard Opening verse lucht Opening ventilator

x-coördinaat (m) 0 tot 1,25 1,25 tot 3,75 0,5 tot 0,75 3,75 2 tot 3

y-coördinaat (m) 0 tot 0,9 0 tot 0,9 0,35 tot 0,6 0 tot 0,9 0 tot 0,9

z-coördinaat (m) 0 tot 0,6 0 tot 3,6 0 0 tot 0,6 3,6

Figuur 5.1: De Porehgeometrie die wordt gebruikt tijdens de simulaties

27

5.2 5.2.1

Onderzoek van de standaard geometrie van Poreh Stromingsbeweging bij de geometrie van Poreh

De verse lucht stroomt in het atrium door de aanwezige onderdruk. Ongeveer de helft van deze verse lucht zal meteen mengen met rooklucht, de densiteit van dit mengsel is lager dan deze van de verse lucht en zal daarom stijgen in het atrium. De andere helft van de verse lucht zal naar de kamer met de vuurhaard doorstromen. Daar zal ze de rookpluim tegen het plafond verder de kamer in duwen. Hierdoor ontstaan er wervels in de breedterichting, deze zijn zichtbaar op volgende figuur (Figuur 5.2).

Figuur 5.2: De wervels aanwezig in de breedterichting van de kamer

Deze wervels duwen de rooklucht meer naar de zijwanden van de kamer. Op basis hiervan zou het massadebiet rooklucht in de bovenste hoeken van de kamer dus groter kunnen zijn dan in het symmetrievlak van de kamer. Dit wordt bevestigd door het temperatuursbeeld, het densiteitsbeeld en het snelheidsbeeld in de lengterichting bij de overgang van de kamer naar het atrium.

(a)

(b)

(c)

Figuur 5.3: Het temperatuursbeeld (a), densiteitsbeeld (b) en snelheidsbeeld (c) bij de overgang van de kamer naar het atrium

Op basis van de lage densiteit in de bovenste hoeken van de kamer weten we zeker dat het om rooklucht gaat ook al zijn de densiteitsverschillen niet groot.

28

Aangezien de snelheid van de stroming op deze posities het grootst is, kunnen we met zekerheid zeggen dat een aanzienlijk deel van het massadebiet rooklucht de kamer via de hoeken verlaat. Dit zou ervoor kunnen zorgen dat de rookvrije hoogte in het atrium langs de wanden kleiner is dan in het symmetrievlak van de opstelling. Dit onderzoeken we later in paragraaf 5.2.4. De positie van de inlaatopening zorgt ervoor dat een groot deel van de warmte, veroorzaakt door de brand, wordt opgeslagen in de kamer. De temperatuur op de linkerwand van de kamer (wand op x = 0 m) varieert van 20◦ C tot 92◦ C terwijl de temperatuur in het atrium slechts varieert tussen 20◦ C en 45◦ C. Deze geometrie zorgt dus voor een warmteopslag in de kamer en veroorzaakt hierdoor relatief lage temperaturen in het atrium. Wanneer de rooklucht van de kamer in het atrium stroomt, zal deze een grote wervel in de verticale richting beschrijven. Door de lagere dichtheid zal de rooklucht stijgen en een aangehechte rookpluim vormen. Deze rookpluim is zichtbaar in het onderstaande temperatuursbeeld (Figuur 5.4).

Figuur 5.4: De aangehechte rookpluim in het atrium

Een deel van de rooklucht wordt afgezogen door de aangebrachte fan, een deel blijft in het atrium en botst tegen de rechtse atriumwand (x = 3, 75 m). De botsing wordt veroorzaakt door de relatief grote horizontale snelheid (u-snelheid) van de rooklucht. Deze stroming wordt omgebogen tot een neerwaartse stroming waar er een verdere menging met de verse intredelucht zal optreden. Deze menging geeft uiteindelijk een 1D rooklaag. Onderstaande figuren (Figuur 5.5) geven de botsing van de stroming en de wervel duidelijk weer.

(a)

(b)

Figuur 5.5: De botsing (a) en wervel (b) van de stroming in het atrium

29

5.2.2

De eerste simulatieresultaten weergegeven in een grafiek

De eerste simulaties zijn gebeurd bij een brandhaard met een warmtevermogen Q˙ van 5,377 kW. De zs -berekening is deze die we hebben beschreven in paragraaf 4.2 toegepast op het symmetrievlak in het atrium. De temperatuur, die wordt gebruikt voor de bepaling van de positie van de rooklaaggrens, wordt hier echter berekend als het gemiddelde in plaats van het minimum van de rooklaagtemperaturen op de verschillende verticale lijnen. Deze zs -berekeningsmethode vertoont minder afwijking op het model van Poreh dan wanneer er gewerkt wordt met het minimum dat de worst-case situatie voorstelt. Onderstaande grafieken geven de data weer van de simulaties die gedaan zijn bij een variërende extractiesnelheid tussen 0,15 m/s en 0,4 m/s. De linkse grafiek (Figuur 5.6.a) geeft het verschil weer tussen de simulatieresultaten en de formule van Poreh. De rechtse grafiek (Figuur 5.6.b) geeft dezelfde resultaten weer maar hier wordt de variatie van de rookvrije hoogte zs weergegeven in functie van de extractiesnelheid vn .

(a)

(b)

Figuur 5.6: De vergelijking tussen de eerste simulatieresultaten en het model van Poreh

Het is duidelijk dat de numerieke simulaties het model van Poreh volgen zolang het extractiedebiet relatief klein is. Wanneer de extractiesnelheid een waarde aanneemt in de buurt van 0,25 m/s is er een duidelijke afwijking zichtbaar van de experimenten op het model van Poreh. Dit zou verklaard kunnen worden door het feit dat de rooklaag neiging heeft tot het ontwikkelen van een multidimensionaal karakter. Bij een extractiesnelheid van 0,3 m/s is er een zeer duidelijke dip zichtbaar op de beide grafieken. De reden hiervoor is nog onbekend. We zullen deze trachten te ontdekken door de stroming in het atrium bij vn = 0, 2 m/s en vn = 0, 3 m/s te vergelijken. De rookvrije hoogte bij een extractiesnelheid van 0,3 m/s is 0,6 m lager (!) dan bij een extractiesnelheid van 0,2 m/s. Het is opmerkelijk dat het intu¨ıtief evenredig verband tussen het extractiedebiet Mz en de rookvrije hoogte zs hier wordt verbroken. Voor extractiesnelheden groter dan 0,3 m/s neemt de rookvrije ruimte opnieuw even toe, maar bij een extractiesnelheid van 0,4 m/s is er opnieuw een dip zichtbaar. M. Poreh heeft tijdens zijn reële experimenten bij een warmtevermogen Q˙ van 5,377 kW gewerkt met een maximaal extractiedebiet van 0,22 kg/s (vn ' 0, 22 m/s). De numerieke simulaties bevestigen het verband voor extractiesnelheden kleiner dan 0,22 m/s maar ze geven ook aan dat het verband een beperkt toepassingsgebied heeft. Er zijn eigenlijk extra reële experimenten nodig om de resultaten van de simulaties bij grotere extractiedebieten te ondersteunen en om dus de afwijking op het model van Poreh bij grote Mz te bevestigen.

30

5.2.3

Verklaring van het verloop van de rookvrije hoogte zs

Volgende figuren zijn gemaakt in Smokeview 5.4.3. Ze tonen telkens de verdeling van de roetdeeltjes en de temperatuur die varieert tussen 20◦ C en 40◦ C in het atrium bij verschillende extractiesnelheden.

(a)

(b)

(c)

(d)

Figuur 5.7: De roetlaag (a; c) en het temperatuursbeeld (b; d) bij vn = 0, 15 m/s; 0, 20 m/s

(a)

(b)

(c)

(d)


(a)

(b)

(c)

(d)


(a)

(b)

(c)

(d)


31

Op basis van de figuren met een lage extractiesnelheid (vn = 0, 15 m/s en 0, 20 m/s) wordt de aanwezigheid van een 1D rooklaag bevestigd. Voor iets grotere extractiesnelheden zal de rooklaag lager zijn aan de rechtse atriumwand (wand met intrede van verse lucht). Er is een sterkere menging tussen de verse lucht en de rooklucht, maar de grens van de multidimensionale rooklaag is nog duidelijk zichtbaar. Wanneer de extractiesnelheid vn de waarde 0,3 m/s aanneemt, wordt de mengwervel dominant. De temperatuur en de roetdeeltjes worden door de wervel meer homogeen verspreid over het atrium dan bij de lagere extractiesnelheden, waardoor er geen duidelijke rooklaaggrens meer aanwezig is. De wervelbeweging blijft dominant voor extractiesnelheden groter dan 0,3 m/s. Volgende figuren (Figuur 5.11) geven het verschil in de dominantie van de wervel weer bij een extractiesnelheid vn van 0,2 m/s en 0,3 m/s.

(a)

(b)

(c)

(d)

Figuur 5.11: De vergelijking tussen de u-snelheid (horizontaal) en w-snelheid (verticaal) bij vn = 0, 2 m/s (a en c) & 0, 3 m/s (b en d)

De wervel wint dus aan dominantie bij een extractiesnelheid van 0,3 m/s. Het is nog niet duidelijk waarom dit net gebeurt bij deze waarde.

5.2.4

Het verloop van de rookvrije hoogte over de breedterichting van het atrium

Zoals we reeds hadden opgemerkt bij de bespreking van de stroming, bestaat er een kans dat de rookvrije hoogte kleiner is aan de wanden van het atrium dan in het symmetrievlak, omdat een relatief groot deel van Mb van de kamer naar het atrium stroomt via de hoeken van de overgangsopening. Tot nu toe hebben we enkel gebruik gemaakt van de data uit het symmetrievlak (y = 0, 45 m) in het atrium.

32

We zullen nu ook data gebruiken van een vlak dichtbij één van de atriumwanden (y = 0, 85 m) om daar de rookvrije hoogte te berekenen en deze te vergelijken met de rookvrije hoogte in het symmetrievlak. Volgende grafieken (Figuur 5.12) geven deze resultaten weer.

(a)

(b)

Figuur 5.12: Het verschil in rookvrije hoogte tussen het symmetrievlak (y = 0, 45) en aan een wand (y = 0, 85) van het atrium

Zoals verwacht is de rookvrije hoogte, voor elke vn -waarde, kleiner op een positie dichtbij een atriumwand dan in het centrum van het atrium. Voordat de wervel in het atrium dominant wordt, blijft het verschil tussen de 2 hoogtes beperkt tot 30%. Wanneer de wervel dominant geworden is, blijft de rooklaag aan de wand van het atrium laag hangen. Omdat het verschil in rooklaaghoogte beperkt blijft voor een vn -waarde lager dan 0,3 m/s en de lagere rooklaaghoogte aan de wand slechts een lokaal fenomeen is, is het gerechtvaardigd om in de eerste plaats te kijken naar de data van het symmetrievlak. Deze data zullen een goede voorspelling geven van de rooklaaghoogte in het centrale gedeelte van het atrium. Wanneer de data gebruikt worden om een ventilatiesysteem te ontwerpen voor een minimale rookvrije hoogte over het volledige atrium, moet er rekening worden gehouden met het feit dat de rookvrije hoogte aan de atriumwanden kleiner is dan de berekende zs -waarde op basis van de data uit het symmetrievlak.

5.2.5

Een snellere manier om de hoogte van de rooklaag te bepalen

Het verwerken van alle datagegevens uit de simulaties vergt heel wat tijd. De methode die we nu gebruiken om zs te bepalen, zal bij verschillende extractiedebieten telkens resulteren in een andere temperatuur die de rooklaaggrens bepaalt. Op deze manier kunnen we de temperatuur van de rooklaaggrens niet op een absolute manier vergelijken tussen situaties met een andere vn -waarde. Wanneer we de verschillende rooklaagtemperaturen van de verticale lijnen in het atrium vergelijken, liggen deze allemaal relatief dicht bij de waarde van 23,5◦ C. We verwerken ˙ nu de data van de eerste simulaties (Q=5,377 kW) opnieuw, waarbij de rooklaaghoogte nu bepaald wordt door de posities van de cellen die een temperatuur hebben van 23,5◦ C. Het voordeel is dat de rooklaaggrens, wanneer deze op deze manier bepaald wordt, direct zichtbaar is op de temperatuursbeelden van Smokeview. Volgende grafiek (Figuur 5.13) vergelijkt de rookvrije hoogte berekend op basis van een gemiddelde rooklaagtemperatuur met deze bij een constante rooklaagtemperatuur van 23,5◦ C.

33

(a)

(b)

Figuur 5.13: Het zs -verloop van de 2 berekeningsmethodes op basis van het temperatuursbeeld

Op basis van de grafieken kunnen we besluiten dat de methode met de vaste rooklaagtemperatuur voldoende nauwkeurige resultaten geeft in deze situatie. Om geen foute conclusies te trekken zullen we vanaf nu op basis van beide methodes simulatiedata verwerken. Het is ook nuttig om vanaf nu in Smokeview de positie van de roetdeeltjes te vergelijken met de posities van de simulatiecellen met een temperatuur van 23,5◦ C.

5.2.6

Het gebruik van het percentage CO2 i.p.v. de temperatuur voor de bepaling van zs

De numerieke simulaties zijn tot nu toe steeds uitgevoerd zonder het effect van straling in rekening te brengen. De simulaties zijn dus eigenlijk geen correcte weergave van de realiteit, maar ze bevestigen wel het model dat Poreh heeft ontdekt op basis van reële experimenten op een schaalmodel. De rookvrije hoogte is tot nu toe berekend op basis van het temperatuursbeeld in het atrium, waarbij het model van de straling uitgeschakeld is. We zijn op zoek gegaan naar een andere parameter waarmee we de rookvrije hoogte kunnen berekenen, één die liefst niet te afhankelijk is van straling. We zijn gekomen tot het percentage CO2 dat varieert over heel het atrium. In principe zal het CO2 % van lucht die een menging heeft ondergaan met rooklucht een hoger CO2 % hebben dan de gewone verse lucht. Op deze manier zouden we in staat moeten zijn om de positie van de rooklaag te bepalen. We zullen eerst data verzamelen en verwerken van de simulaties met de standaard Porehgeometrie, waarbij het model van de straling nog steeds uitgeschakeld is, om onze redenering te onderbouwen. We hebben goede hoop dat de methode met het CO2 % en het temperatuursbeeld dezelfde resultaten zullen geven aangezien een flu¨ıdum enkel kan opwarmen in een stralingsvrije omgeving door in contact te komen met warme rookgassen, waardoor dan ook het CO2 % zal toenemen van dat flu¨ıdum. De berekening van de rookvrije hoogte zs op basis van het CO2 -verloop kan ook hier op 2 manieren gebeuren analoog aan de verwerking van het temperatuursbeeld (paragraaf 5.2.5). We kunnen zs berekenen door op zoek te gaan naar het gemiddelde CO2 % van de rooklaaggrens of we kunnen een vast CO2 % instellen en zo de rooklaaggrens bepalen. Volgende grafieken (Figuur 5.14) geven de 2 methodes weer voor de berekening van de rookvrije hoogte zs op basis van het CO2 -verloop in het atrium en vergelijkt deze met de grafieken op basis van het temperatuursbeeld.

34

(a)

(b)

Figuur 5.14: a) De berekeningsresultaten waarbij het CO2 -verloop nu wordt gebruikt en b) de vergelijking met de resultaten waar het temperatuurverloop werd gebruikt

De constante en gemiddelde berekeningsmethode geven praktisch hetzelfde resultaat voor een constant CO2 % van 0, 2.10−3 mol/mol. Dit resultaat was te verwachten aangezien de 2 methodes ook similaire resultaten gaven bij het temperatuursverloop (vaste temp= 23,5◦ C). Op basis van de rechtse grafiek is het duidelijk dat beide methodes, toegepast op zowel het temperatuursbeeld als het CO2 -verloop, praktisch volledig dezelfde zs -waarden geven en het dus inderdaad toegestaan is om de rooklaaghoogte te bepalen op basis van het CO2 -verloop in het atrium. We zullen nu onderzoeken of de rooklaaghoogte nog steeds correct bepaald wordt op basis van het CO2 -verloop wanneer ook het model van de straling in rekening wordt gebracht. Wanneer het model van de straling enkel effect heeft op het temperatuursbeeld en weinig tot geen effect heeft op de stroming, zal dit het geval zijn. In dit geval kunnen we de kritische punten voor een maximum temperatuur bepalen op basis van het temperatuursbeeld en de rooklaaghoogte bepalen op basis van het CO2 -verloop. Als het model van de straling echter de stroming be¨ınvloedt en hierdoor de simulatieresultaten het model van Poreh niet meer volgen, zal het stralingsmodel een foutief beeld van de realiteit geven en zal dit model bij elke simulatie moeten uitgeschakeld worden. Volgende grafiek (Figuur 5.15) geeft de ˙ simulatieresultaten van de Porehgeometrie met Q=5,377 kW waarbij het stralingsmodel in rekening gebracht is en zs berekend is m.b.v. het CO2 -verloop.

Figuur 5.15: Resultaten waarbij het stralingsmodel in rekening is gebracht

35

Het is duidelijk dat de simulatieresultaten het model van Poreh niet volgen, zelfs niet voor kleine extractiedebieten. De rookvrije hoogte is steeds beduidend lager dan voorspeld door het model van Poreh. Dit kan eventueel veroorzaakt worden door een intensere menging van de rooklucht met de verse lucht. Volgende figuren geven het verschil in temperatuur, positie van de roetdeeltjes, dominantie van de wervel en CO2 % weer voor een extractiesnelheid vn = 0, 2 m/s.

(a)

(b)

Figuur 5.16: Temperatuursbeelden bij de simulatie zonder straling (a) en met straling (b)

(a)

(b)

Figuur 5.17: CO2 -verloop bij de simulatie zonder straling (a) en met straling (b)

(a)

(b)

Figuur 5.18: Verdeling van de roetdeeltjes over het atrium bij de simulatie zonder straling (a) en met straling (b)

36

(a)

(b)

Figuur 5.19: Het verloop van de w-snelheid (langs de z-as) bij de simulatie zonder straling (a) en met straling (b)

(a)

(b)

Figuur 5.20: Het verloop van de u-snelheid (langs de x-as) bij de simulatie zonder straling (a) en met straling (b)

Op basis van deze figuren is het duidelijk dat het model van straling zorgt dat de wervel in het atrium dominanter is en zo een sterkere menging veroorzaakt. Deze menging heeft tot gevolg dat de temperatuur, roetdeeltjes en het CO2 % homogener verspreid zijn over heel het atrium en dit voor alle extractiedebieten. Dit is de verklaring voor de zeer kleine rookvrije hoogte die berekend werd. We concluderen dat het stralingsmodel zorgt voor een onrealistische stroming in de opstelling van Poreh aangezien de simulatieresultaten voor geen enkele simulatie overeenstemmen met de reële experimenten van Poreh. We mogen niet te licht omgaan met deze uitspraak want als het stralingsmodel een foutief stromingsbeeld geeft, is er een kans dat ook het stralingsvrije model aanleiding geeft tot een foutief stromingsbeeld.

37

Volgende grafieken (Figuur 5.21) tonen de simulatieresultaten uit FDS 5.4.1, de resultaten van de reële experimenten uitgevoerd door Poreh [11] en de resultaten van de numerieke simulaties uitgevoerd N. Tilley [13].

(a)

(b)

Figuur 5.21: De vergelijking tussen de simulatieresultaten, de reële experimenten van Poreh en de numerieke simulaties van Tilley

Alle experimenten geven hetzelfde resultaat voor kleine extractiedebieten. Vanaf dat de extractiesnelheid vn de waarde 0,3 m/s bereikt, ontstaan er verschillen tussen onze simulaties en de numerieke simulaties van Tilley. Voor deze vn -waarden is er geen referentie meer naar de reële experimenten van Poreh. De numerieke simulaties van Tilley zijn uitgevoerd in de versie 5.2.5 van FDS en vertonen geen dip in het zs -verloop. Wij werken met de versie 5.4.1 van FDS en hebben net opgemerkt dat het stralingsmodel in deze versie een onrealistische stroming genereert voor alle extractiedebieten. Op basis hiervan is het logisch te besluiten dat de versie 5.4.1 van FDS geen correcte simulaties heeft uitgevoerd in de voorgaande paragrafen. We zullen in de komende paragrafen de reeds besproken onderwerpen opnieuw onderzoeken met nieuwe simulatiedata uit de versie 5.2.5 van FDS. Het is wel mogelijk dat bepaalde fenomenen die we reeds hebben besproken ook voorkomen in de simulaties van FDS 5.2.5, daarom zullen we soms nog wel verwijzen naar de bovenstaande paragrafen.

38

5.3 5.3.1

Onderzoek van de standaard geometrie a.d.h.v. FDS 5.2.5 Andere stromingsbeweging in het atrium

De beweging van de stromingen verse lucht en rooklucht in de kamer met de brandhaard, blijven hetzelfde als besproken in paragraaf 5.2.1. De wervels in de breedterichting zorgen er ook hier voor dat er een relatief groot deel van het rookluchtdebiet via de hoeken van de overgangsopening naar het atrium stroomt. Volgende figuren (Figuur 5.22) tonen opnieuw het temperatuursbeeld, densiteitsbeeld en het beeld van de snelheid in de lengterichting (usnelheid) bij vn = 0, 2 m/s.

(a)

(b)

(c)

Figuur 5.22: Het temperatuursbeeld (a), densiteitsbeeld (b) en snelheidsbeeld (c) bij de overgang van de kamer naar het atrium in FDS 5.2.5

Het verschil met de stromingsbeweging uit FDS 5.4.1 is de stroming in het atrium. Er zal ook in deze situatie een 1D-rooklaag worden gevormd maar de wervel in de verticale richting is van karakter veranderd. De aangehechte rookpluim trekt verse lucht mee en zorgt voor inmenging, maar de neerwaartse beweging is minder uitgesproken dan deze die we zagen in de figuren van FDS 5.4.1. Volgende figuur (Figuur 5.23.c) geeft zelfs 2 kleine verticale wervels weer: er is er één zichtbaar wanneer de aangehechte rookpluim het plafond bereikt en een deel van de verticale stroming meteen wordt omgedraaid door deze botsing. De andere wervel is diegene die ook zichtbaar was op het stromingsbeeld van FDS 5.4.1 nl. de horizontale stroming onder het atriumplafond die niet wordt afgezogen, botst tegen de wand op x = 3, 75 m en wordt gedwongen tot een neerwaartse beweging.

(a)

(b)

(c)

Figuur 5.23: Het temperatuursbeeld (a), de horizontale snelheid (b) en de verticale snelheid (c) in het atrium

39

Onderstaande figuren (Figuur 5.24) vergelijken de atriumwervel in FDS 5.2.5 en FDS 5.4.1. Hieruit blijk dat de atriumwervel inderdaad veel explicieter aanwezig is in het stromingsbeeld van FDS 5.4.1. We kunnen op basis hiervan reeds vermoeden dat het moment waarop de atriumwervel dominant wordt, later zal optreden (bij een grotere extractiesnelheid dan vn ' 0, 3 m/s) of zelfs misschien niet voorkomt.

(a)

(b)

(c)

(d)

Figuur 5.24: De vergelijking tussen de u-snelheid (a & b) en w-snelheid (c & d) bij vn = 0, 3 m/s in FDS 5.4.1 & FDS 5.2.5

5.3.2

Het verloop van de rookvrije hoogte zs in FDS 5.2.5 i.f.v. van het extractiedebiet

We zullen in deze paragraaf het verloop van de rookvrije hoogte zs enerzijds bekijken in het stralingsvrije model en anderzijds in het model waarbij de straling in rekening is gebracht. We maken ook gebruik van de 2 mogelijke methodes (gemiddelde & constante methode) en van de 2 parameters (temperatuur & CO2 %) om zs op verschillende manieren te berekenen. Deze 4 verschillende berekeningsmethodes zullen dan tegenover elkaar gelegd worden en vergeleken worden met de reële experimenten van Poreh en numerieke simulaties van Tilley. Daarna wordt de zs -berekeningsmethode, die de grootste overeenkomst vertoont met de resultaten van Poreh en Tilley, getoetst aan de positie van de roetdeeltjes in Smokeview.

40

Het stralingsvrije model We bekijken eerst de 4 berekeningsmethodes van zs toegepast op data uit het symmetrievlak (y = 0, 45 m) in een model zonder straling en waarbij de wanden adiabaat verondersteld zijn. De eerste grafieken (Figuur 5.25) tonen de 4 berekeningsmethodes waarbij de extractiesnelheid vn varieert tussen 0,15 m/s en 0,7 m/s.

(a)

(b)

(c)

(d)

Figuur 5.25: De 4 berekeningsmethodes toegepast op een stralingsvrij model waarbij vn varieert van 0,15 m/s tot 0,7 m/s

De constante methode toegepast op de 2 parameters (temperatuur en CO2 %) vertoont een plotse toename in zs ter hoogte van vn = 0, 5 m/s terwijl de gemiddelde methode dit niet doet. Dit kan verklaard worden door het feit dat een groot extractiedebiet zorgt voor de evacuatie van het overgrote deel van de rookgassen, waardoor de algemene temperatuur en het algemeen CO2 % in het atrium sterkt daalt. De gemiddelde methode brengt dit in rekening, terwijl de constante methode dit niet doet. De constante methode zal een rooklaagpositie aanduiden waarbij de rooklaag enkel de posities zal omvatten met de relatief hoge concentraties aan roetdeeltjes. De gemiddelde methode duidt een rooklaagpositie aan waarbij ook posities met een relatief lage concentratie aan roetdeeltjes mee worden opgenomen in de rooklaag. Deze posities zijn inderdaad slechts heel licht zwart in Smokeview (zie paragraaf 5.3.2 p.45). Volgende grafieken (Figuur 5.26) vergelijken de 4 berekeningsmethodes. Deze geven duidelijk aan dat de 2 gebruikte parameters voor de constante of gemiddelde methode dezelfde resultaten geven.

41

(a)

(b)

Figuur 5.26: De 4 berekeningsmethodes op 1 grafiek bij een vn van 0,15 m/s tot 0,7 m/s

Nu zullen we de resultaten van de gemiddelde methode toepassen op de 2 parameters en vergelijken met de reële experimenten van Poreh en numerieke simulaties van Tilley. We tonen hier (Figuur 5.27) enkel de gemiddelde methode omdat deze methode de posities met lagere concentratie roetdeeltjes opneemt in de rooklaag.

(a)

(b)

Figuur 5.27: De resultaten van de gemiddelde methode bij een stralingsvrij model, de reële experimenten van Poreh en numerieke simulaties van Tilley

De resultaten van de reële experimenten en numerieke simulaties bevestigen elkaar tot vn = 0, 25 m/s, daarna voorspellen de simulatieresultaten van FDS 5.2.5 een hogere zs -waarde dan de numerieke simulaties van Tilley. De oorzaak kan eventueel liggen in de afwezigheid van de straling. Volgende paragraaf zal ons hierover uitsluitsel geven. Het model met straling In deze paragraaf zullen we ook het verloop van zs bekijken afhankelijk van de berekeningsmethode, maar zal het effect van straling nu wel in rekening worden gebracht. De wanden worden niet meer adiabatisch verondersteld en zullen dus bijdragen tot het conductie- en convectieverlies. Volgende grafieken (Figuur 5.28) geven de 4 zs -berekeningsmethodes weer i.f.v. de extractiesnelheid vn .

42

(a)

(b)

(c)

(d)

Figuur 5.28: De 4 berekeningsmethodes toegepast op een model met stralingseffect waarbij vn varieert van 0,15 m/s tot 0,7 m/s

De constante methode geeft ook bij het model met stralingseffect een plotse toename in zs bij een vn = 0, 45 m/s voor het temperatuursbeeld en een vn = 0, 6 m/s voor het CO2 -verloop. Dit kan op dezelfde manier verklaard worden als bij het stralingsvrije model nl. de algemene temperatuur en het CO2 % nemen af in het atrium en de constante methode houdt hier geen rekening mee. Het is wel opmerkelijk dat dit niet bij dezelfde vn -waarde gebeurt, terwijl dit wel het geval was bij het stralingsvrije model. We vergelijken de 4 berekeningsmethodes op volgende grafieken (Figuur 5.29). De constante berekeningsmethode op het CO2 % volgt de gemiddelde methode langer dan de constante methode op het temperatuursbeeld. De gemiddelde methode zal ook hier een rooklaagpositie aanduiden die ook de posities met een relatief lage concentratie roetdeeltjes omvat. De constante methode zal een rooklaagpositie aanduiden waarbij enkel de posities met een relatief hoge concentratie roetdeeltjes in de rooklaag worden opgenomen.

43

(a)

(b)

Figuur 5.29: De 4 berekeningsmethodes op 1 grafiek bij een vn van 0,15 m/s tot 0,7 m/s in het model met stralingseffect

Nu maken we opnieuw een vergelijking (Figuur 5.30) tussen de resultaten van de gemiddelde methode, de reële experimenten van Poreh en numerieke simulaties van Tilley. Hieruit blijkt dat de gemiddelde methode op het CO2 -verloop een zeer goede benadering geeft van de numerieke simulaties van Tilley, en de reële experimenten van Poreh ook volgt voor de kleine extractiedebieten.

(a)

(b)

Figuur 5.30: De resultaten van de gemiddelde methode bij een model met stralingseffect, de reële experimenten van Poreh en numerieke simulaties van Tilley

Grafiek van het gemiddeld CO2 -verloop getoetst aan de beelden uit Smokeview We kunnen op basis van de grafiek (Figuur 5.30) reeds opmerken dat zs in het algemeen al een hogere waarde zal aannemen dan eerst voorspeld op basis van de simulaties uit FDS 5.4.1, en dat het model van Poreh nu langer (voor hogere vn ) wordt gevolgd. De oorzaak hiervan is dat de verticale wervel in het atrium minder uitgesproken is in de simulaties van FDS 5.2.5. dan in de simulaties van FDS 5.4.1. We zullen nu telkens de positie van de roetdeeltjes, het verticale snelheidsbeeld (w-snelheid) en het CO2 -beeld tonen in het symmetrievlak (y = 0, 45 m), waarbij vn varieert van 0,15 m/s tot 0,7 m/s.

44

(a)

(b)

(c)

Figuur 5.31: De roetlaag (a), verticale snelheid (b) en het CO2 -verloop (c) bij vn = 0, 15 m/s

(a)

(b)

(c)


(a)

(b)

(c)


(a)

(b)

(c)


Voor de kleine extractiesnelheden zal een toename in extractiedebiet zorgen voor een lagere temperatuur en een lager CO2 % in de rooklaag en een grotere rookvrije hoogte zs . Voor een extractiesnelheid vn van 0,35 m/s of groter, zorgt de aangehechte rookpluim voor een iets grotere onderdruk zodat er een groter debiet verse lucht wordt ingemengd. W.K. Chow had dit ook opgemerkt in zijn onderzoek ([18] & [19]), waar hij dieper ingaat op een extra debiet dat uitgewisseld wordt tussen de rooklaag en de luchtlaag gebaseerd op het 2-zonemodel.

45

(a)

(b)

(c)


(a)

(b)

(c)


Door dit groter debiet, dat wordt meegesleurd, wint de verticale wervel aan sterkte en zal de rookvrije hoogte zs praktisch niet toenemen. De rooklaag heeft zijn 1D-karakter verloren en wordt dikker naarmate we dichter bij de wand x = 3, 75 m komen doordat de rooklaag hier homogeen mengt met de verse lucht (deze wervel/menging was ook zichtbaar bij de simulaties van FDS 5.4.1). Door het grote extractiedebiet wordt de rookpluim meer naar het centrum van het atrium getrokken en zal de inmenging groter zijn ter hoogte van de aangehechte rookpluim. De opwaartse stroming van de aangehechte rookpluim begint een duidelijke horizontale component te ontwikkelen naarmate vn toeneemt.

5.3.3

Verschillende instellingen in FDS 5.2.5

In de vorige paragraaf hebben we ons gefocust op 2 situaties nl. het stralingsvrije model en het model met stralingseffect. Deze 2 situaties bepalen in FDS 5.4.1 meteen of de wanden al dan niet adiabatisch zijn. In de versie 5.2.5 van FDS is dit een aparte variabele onafhankelijk van het stralingseffect. Onderstaande tabel (Tabel 5.2) geeft de verschillende mogelijkheden weer. In FDS 5.4.1 zijn enkel situatie 1 (stralingsvrij) en 3 (met stralingseffect) mogelijk. Tabel 5.2: De verschillende instellingen bij FDS 5.2.5

instelling instelling instelling instelling

1 2 3 4

geen stralingseffect en adiabate wanden geen stralingseffect en geen adiabate wanden stralingseffect en geen adiabate wanden stralingseffect en adiabate wanden

46

Deze 4 verschillende instellingen geven in FDS 5.2.5 andere waarden aan het warmteverlies door conductie, convectie en straling. Volgende grafiek (Figuur 5.37) geeft deze verschillende waarden weer voor de standaard Porehgeometrie met een extractiesnelheid van 0,4 m/s .

Figuur 5.37: De waarden van de verschillende warmteverliezen bij de 4 instellingen

Op basis van deze grafiek is het duidelijk dat het energieverlies door straling voor de 4 verschillende instellingen steeds hetzelfde is. Dit percentage kan door de gebruiker ingesteld worden in FDS maar het standaard percentage stralingsverlies bedraagt 35%. Zelfs wanneer het stralingsmodel wordt uitgeschakeld, gaat er een deel van de warmte van het vuur verloren aan straling. Het percentage convectieverlies ligt rond de 30% wanneer er aangenomen wordt dat de wanden niet adiabatisch zijn terwijl bij een toepassing van de 1ste instelling ongeveer 70% van de warmte-input verloren zal gaan door convectie. We moeten zeker opmerken dat de grafiek fouten bevat nl. enkel bij de 2de instelling is de som van de verliespercentages gelijk aan de 100% van de warmte-input. Bij de 3 andere instellingen is de som van de verliezen steeds groter dan de warmte-input wat in principe niet zou mogen. Dit probleem wordt opgelost in de versie 5.4.1 van FDS, maar zoals reeds gezien, geeft deze versie geen realistisch beeld van de stroming in de Porehgeometrie. Wanneer de instelling 2 of 3 wordt aangeschakeld m.a.w. wanneer de wanden niet gezien worden als adiabatisch, zal er slechts 30% van de warmte-input als convectievermogen terecht komen in het atrium. Het stralingsverlies en conductieverlies situeren zich vooral in de kamer met de brandhaard omdat de hoogste temperaturen zich daar bevinden, en het zijn deze hoge temperaturen die energieoverdrachten zoals straling en conductie bevorderen. M. Poreh berekent in zijn experimentele opstelling het warmtevermogen aan de overgang van de kamer naar het atrium, daarom kiezen we best voor de instelling die een groot percentage convectieverlies heeft, wanneer we de simulatieresultaten willen vergelijken met de reële experimenten van Poreh. Dit geeft ons de keuze tussen instelling 1 en 4. Op de grafiek zien we bij instelling 4 dat het convectieverlies groter is dan de warmte-input van de brand wat in principe onmogelijk is. Op basis van deze redenering besluiten we om vanaf nu simulaties in de eerste instantie uit te voeren met instelling 1. Wanneer we later de geometrie zullen opschalen is het onmogelijk om de verliezen door conductie, convectie en straling ook correct om te schalen (paragraaf 2.4). Het is dus ook niet nodig om nu veel tijd te spenderen aan het zoeken naar een zo realistisch mogelijke instelling zodat de verliezen door conductie, convectie en straling correct worden berekend. We zullen in de komende paragrafen de resultaten bekomen met instelling 1 (stralingsvrij & adiabaat) vergelijken met de resultaten bekomen met instelling 3 (straling & niet adiabaat) omdat de derde instelling de situatie voorstelt waarin alle effecten in rekening worden gebracht, ook al zijn we niet zeker dat alle effecten correct in rekening worden gebracht.

47

Ten slotte kunnen we nog opmerken dat de simulaties van N. Tilley zijn gebeurd met de instelling 2 (stralingsvrij & niet adiabaat) wat aanleiding geeft tot een laag percentage convectieverlies. Er zal dus minder vermogen in het atrium terecht komen, wat aanleiding geeft tot een algemene lagere temperatuur in het atrium. De temperatuur in het atrium varieert trager dan bij de adiabatische instelling voor de wanden en de maximum temperatuur per verticale lijn in het atrium is nu ook lager. Hierdoor zakt ook de rooklaaggrenstemperatuur waardoor de rooklaagpositie lager wordt ingeschat dan bij de adiabatische instelling van de wanden. Dit geeft een verklaring voor het verschil tussen de numerieke simulaties van N.Tilley en de resultaten bekomen met het stralingsvrije model (paragraaf 5.3.2 p.42).

5.3.4

Het verloop van de rookvrije hoogte over de breedterichting van het atrium opnieuw bekeken

Zoals reeds gezegd zal een relatief groot deel van het rookluchtdebiet de kamer verlaten via de hoeken van de overgangsopening. Dit zou kunnen leiden tot een lagere rookvrije hoogte aan de wanden van het atrium. We laten de extractiesnelheid variëren tussen 0,15 m/s en 0,7 m/s in een model met en zonder stralingseffect, en bekijken telkens de rookvrije hoogte zs in het symmetrievlak (y = 0, 45 m) en in een vlak aan een atriumwand (y = 0, 85 m). De berekeningen gebeuren op basis van de gemiddelde methode toegepast op het temperatuursbeeld. Volgende grafieken (Figuur 5.38) geven deze resultaten weer bij de instellingen 1 en 3.

(a)

(b)

(c)

(d)

Figuur 5.38: De zs -resultaten van de gemiddelde methode op het temperatuursbeeld van het symmetrievlak (y = 0, 45) en de atriumwand (y = 0, 85) met instelling 1 (a & b) en instelling 3 (c & d)

48

De rookvrije hoogte zs heeft een gelijkaardig verloop voor de 2 instellingen. De eerste instelling geeft iets grotere zs -waarden dan de derde zoals te verwachten was, omdat het convectief vermogen naar het atrium groter is bij instelling 1 dan bij instelling 3. De verdere bespreking zal nu gaan over het kwalitatief verloop van de zs -data. Voor de kleine extractiedebieten is de rookvrije hoogte aan de atriumwand slechts een paar cm lager dan deze in het symmetrievlak. Voor een extractiesnelheid groter dan 0,3 m/s zal zs aan een atriumwand steeds een 10-tal cm kleiner zijn dan de zs in het symmetrievlak en dit is zeker niet meer te verwaarlozen. De 2 rookvrije hoogtes verschillen het meest bij een extractiesnelheid van 0,5 m/s. Volgende grafieken (Figuur 5.39) geven het verloop weer van de rookvrije hoogte bij deze vn -waarde over de breedte (0,9 m) van het atrium. Om de 5 cm is het temperatuursbeeld en CO2 -verloop bekeken in het atrium en de rookvrije hoogte berekend op basis van de 4 mogelijke berekeningsmethodes.

(a)

(b)

(c)

(d)

Figuur 5.39: De zs -resultaten over de breedte van het atrium bij instelling 1 (a & b) en ˙ instelling 3 (c & d) in de Porehgeometrie met Q=5,377 kW en vn =0,5 m/s

Opnieuw geeft de 1ste instelling een algemeen hogere rooklaagpositie dan de 3de instelling. Wanneer de 1ste instelling wordt toegepast geven de 2 constante methodes praktisch hetzelfde resultaat, en de 2 gemiddelde methodes ook. Het verschil in zs tussen constante en gemiddelde methode blijft beperkt tot 0,5 m. Wanneer de 3de instelling wordt toegepast is het opvallend dat de zs -waarden op basis van de constante temperatuursmethode nu groter zijn dan deze waar instelling 1 was toegepast. Het is nu duidelijk zichtbaar dat de algemene temperatuur in het atrium inderdaad sterk afhankelijk is van het al dan niet aanschakelen van het stralingsmodel, terwijl deze afhankelijkheid niet zo uitgesproken aanwezig is voor de constante methode toegepast op het CO2 -verloop. Als we de 3de instelling inschakelen geven de 3 overige berekeningsmethodes zeer gelijkaardige resultaten weer, waarbij we reeds hebben gezien in de paragraaf 5.3.2 dat het gemiddeld CO2 -verloop de meest correcte berekeningsmethode is. 49

Het verloop van zs vertoont een symmetrisch parabolisch karakter met een maximum ter hoogte van y = 0, 45 m. Er is wel een plotse afname in zs te zien wanneer we erg dicht bij de atriumwanden gaan kijken. Hiervoor hebben we niet meteen een verklaring voorhanden maar het zou eventueel kunnen veroorzaakt worden door hogere wrijvingskrachten e.d. De data uit het symmetrievlak geven dus aanleiding tot een zeer optimistisch beeld van de rookvrije hoogte zs . We zullen daarom in de verdere simulaties ook de data uit een vlak dichtbij een atriumwand in rekening brengen voor de berekening van zs . Onderstaande figuren (Figuur 5.40) vergelijken de verticale wervel bij een extractiesnelheid van 0,5 m/s aan de atriumwand en in het symmetrievlak, en geven een mogelijke verklaring voor de kleine zs aan de atriumwand. De 2 instellingen geven een gelijkaardig beeld van de wervel in het symmetrievlak en aan de atriumwand. Bij de 1ste instelling heeft de verticale wervel een iets meer uitgesproken stijgende component dan bij de 3de instelling. Dit houdt verband met de hogere zs -waarden die we hebben gezien in alle grafieken waar de 1ste instelling was toegepast t.o.v. de grafieken met de 3de instelling. De wervel is meer uitgesproken aan de wand dan in het symmetrievlak. Aangezien een relatief groot deel van het rookluchtdebiet via de hoeken van de overgangsopening het atrium instroomt, zal ook op deze posities de grootste onderdruk worden gegenereerd. Hier wordt dus meer verse lucht meegesleurd waardoor de wervel meer uitgesproken is t.o.v. de wervel in het symmetrievlak. Het is dus de grotere inmenging ter hoogte van de hoeken die de plotse afname in zs veroorzaakt aan de wand. Het is ons nog niet volledig duidelijk of dit de enige reden is.

(a)

(b)

(c)

(d)

Figuur 5.40: De vergelijking van de verticale wervel in het symmetrievlak (a & c) en aan de atriumwand (b & d) bij de 1ste en 3de instelling

50

5.3.5

Het verloop van de rookvrije hoogte zs bij verschillende warmtevermogens

Tot nu toe zijn alle simulaties uitgevoerd bij een warmtevermogen Q˙ van 5,377 kW. We ˙ Onderstaande bekijken nu hoe het verloop van zs varieert i.f.v. het warmtevermogen Q. tabel (Tabel 5.3) geeft de 4 waarden van Q˙ weer die worden bekeken. Poreh heeft deze 4 verschillende waarden gebruikt in zijn reële testexperimenten en besloten dat de waarde van het warmtevermogen de grootte van de entrainment coëfficiënt mee bepaalt. Alle simulaties zijn uitgevoerd met instelling 1 (stralingsvrij & adiabaat). Tabel 5.3: De waarden van de verschillende warmtevermogens

warmtevermogen Q˙ 0 Q˙ 1 Q˙ 2 Q˙ 3

waarde (kW) 2,887 5,377 8,792 11,901

Het verloop van zs bij Q˙ 0 We simuleren nu met een warmtevermogen van 2,887 kW en laten de extractiesnelheid variëren tussen 0,1 m/s en 0,6 m/s. Onderstaande grafieken (Figuur 5.41) geven enkel de resultaten weer van de constante en gemiddelde methode toegepast op het temperatuursbeeld, aangezien de resultaten op basis van het CO2 -verloop exact dezelfde waarden geven.

(a)

(b)

Figuur 5.41: De resultaten van de gemiddelde en constante (23,5◦ C) methode toegepast op het temperatuursbeeld bij Q˙ 0

De 2 methodes geven dezelfde zs -waarde voor kleine extractiedebieten. Van zodra de extractiesnelheid de waarde 0,3 m/s aanneemt, geven beide methodes een lagere zs -waarde dan de voorspelling op basis van het model van Poreh. Tot nu toe is het verloop analoog aan het zs -verloop bij Q˙ 1 . De gemiddelde methode toont vanaf vn =0,3 m/s een praktisch constante zs van 1,7 m tot vn = 0, 4 m/s. Wanneer de extractiesnelheid groter is dan 0,4 m/s, zal zs ongeveer 1,3 m bedragen.

51

De reden voor deze praktisch constante rookvrije hoogte is de menging die optreedt in het atrium. De rooklaag wordt dunner aan de wand met de aangehechte rookpluim wanneer vn toeneemt, maar ze zal dikker worden naarmate we dichter bij de wand x = 3, 75 m komen door de aanwezigheid van de verticale wervel. Gemiddeld gezien geeft dit aanleiding tot een tijdelijk constante zs i.f.v. vn . Het zs -verloop bij een warmtevermogen van Q˙ 0 is heel gelijkaardig aan het zs -verloop bij een warmtevermogen van Q˙ 1 : de twee zs -verlopen vallen bijna samen. Onderstaande figuren (Figuur 5.42) geven het verloop van zs weer in het symmetrievlak en aan een atriumwand. We tonen enkel de resultaten van de gemiddelde methode toegepast op de temperatuursbeelden en CO2 -verlopen.

(a)

(b)

Figuur 5.42: De resultaten van de gemiddelde methodes in het symmetrievlak en aan een atriumwand bij Q˙ 0

De gemiddelde waarde van zs in het symmetrievlak i.f.v. het extractiedebiet is 1,5 m terwijl het zs -verloop langs de atriumwand een duidelijk dip (zs = 0, 25 m) vertoont ter hoogte van vn = 0, 4 m/s en een gemiddelde waarde van 0,8 m heeft. Het verschil tussen de rookvrije hoogte in het symmetrievlak en aan de atriumwand is maximaal ter hoogte van vn = 0, 35 m/s. Er zijn kleine verschillen met het verloop bij een warmtevermogen van Q˙ 1 o.a. de dip in het zs -verloop aan de atriumwand treedt op bij Q˙ 1 ter hoogte van vn = 0, 47 m/s, terwijl het verschil in zs tussen het symmetrievlak en een atriumwand bij Q˙ 1 maximaal is ter hoogte van vn = 0, 4 m/s. Volgende grafieken (Figuur 5.43) vergelijken het zs -verloop in het symmetrievlak en aan een atriumwand bij Q˙ 0 en Q˙ 1 . Deze grafieken bevestigen inderdaad dat het verloop zeer gelijkaardig is. Het zs -verloop bij Q˙ 1 valt praktisch samen met het zs -verloop van Q˙ 0 horizontaal naar rechts verschoven over ongeveer 0,05 m/s.

52

(a)

(b)

Figuur 5.43: De vergelijking van het zs -verloop tussen Q˙ 0 & Q˙ 1

Het verloop van zs bij Q˙ 2 We simuleren nu met een warmtevermogen van 8,792 kW en laten de extractiesnelheid variëren tussen 0,1 m/s en 0,7 m/s. Onderstaande grafieken (Figuur 5.44) geven ook hier enkel de resultaten weer van de constante en gemiddelde methode toegepast op het temperatuursbeeld, aangezien de resultaten op basis van het CO2 -verloop exact dezelfde waarden geven. De constante methode geeft in het algemeen een iets lagere zs -waarde dan de gemiddelde methode. Doordat het warmtevermogen dat in het atrium terecht komt nu hoger is, zal ook de algemene temperatuur in het atrium groter zijn. Zoals reeds aangehaald houdt de gemiddelde methode hier rekening mee en de constante methode niet. De resultaten van de 2 methodes vallen bijna volledig samen wanneer er een temperatuur van 25◦ C i.p.v. 23,5◦ C voor de constante methode wordt gebruikt.

(a)

(b)


De 2 methodes geven dezelfde zs -waarde voor kleine extractiedebieten. Van zodra de extractiesnelheid de waarde 0,35 m/s aanneemt, geven beide methodes een lagere zs -waarde dan de voorspelling op basis van het model van Poreh. Tot nu toe is het verloop ook analoog aan het zs -verloop bij Q˙ 1 . De gemiddelde methode toont vanaf vn ' 0, 35 m/s een praktisch constante zs van 1,6 m.

53

Volgende figuren (Figuur 5.45) geven het verloop van zs weer in het symmetrievlak en aan een atriumwand. We tonen enkel de resultaten van de gemiddelde methode toegepast op de temperatuursbeelden en CO2 -verlopen.

(a)

(b)


De gemiddelde waarde van zs in het symmetrievlak i.f.v. het extractiedebiet is 1,5 m terwijl het zs -verloop langs de atriumwand een duidelijke dip (zs = 0, 25 m) vertoont ter hoogte van vn = 0, 6 m/s en een gemiddelde waarde van 1 m heeft. Het verschil tussen de rookvrije hoogte in het symmetrievlak en aan de atriumwand is maximaal ter hoogte van vn = 0, 55 m/s. Er zijn ook hier kleine verschillen met het verloop bij een warmtevermogen van Q˙ 1 : zo zal o.a. de dip in het zs -verloop aan de atriumwand reeds optreden bij vn = 0, 47 m/s in het geval van een warmtevermogen gelijk aan Q˙ 1 . Onderstaande grafieken (Figuur 5.46) vergelijken het zs -verloop in het symmetrievlak en aan een atriumwand bij Q˙ 2 en Q˙ 1 . Deze grafieken tonen inderdaad dat het verloop zeer gelijkaardig is. Het zs -verloop bij Q˙ 2 valt bijna samen met het zs -verloop van Q˙ 1 horizontaal naar rechts verschoven over ongeveer 0,05 m/s.

(a)

(b)


54

Het verloop van zs bij Q˙ 3 We simuleren ten slotte met een warmtevermogen van 11,901 kW en laten de extractiesnelheid variëren tussen 0,1 m/s en 0,7 m/s. Onderstaande grafieken (Figuur 5.47) geven opnieuw enkel de resultaten weer van de constante en gemiddelde methode toegepast op temperatuursbeeld. Ook hier zal de constante methode volledig dezelfde resultaten geven als de gemiddelde methode wanneer er een waarde van 27◦ C i.p.v. 23,5◦ C wordt gebruikt voor de constante methode.

(a)

(b)


In de situatie met een groot warmtevermogen is de sprong in het zs -verloop op basis van de constante methode verplaatst naar een vn -waarde groter dan 0,7 m/s. Beide methodes (constant en gemiddeld) geven dus praktisch dezelfde zs -waarde voor alle extractiedebieten. Voor een vn -waarde van 0,45 m/s of groter geven de methodes een lagere zs -waarde dan voorspeld door het model van Poreh. Het zs -verloop voor deze grote vn -waarde benadert een constant verloop met een waarde van 1,5 m. Onderstaande figuren (Figuur 5.48) geven het verloop van zs weer in het symmetrievlak en aan een atriumwand. We tonen enkel de resultaten van de gemiddelde methode toegepast op de temperatuursbeelden en CO2 verlopen.

(a)

(b)


55

Zoals reeds vermeld is de gemiddelde waarde van zs in het symmetrievlak 1,5 m terwijl het zs -verloop langs de atriumwand ook hier een duidelijk dip (zs = 0, 3 m) vertoont ter hoogte van vn = 0, 6 m/s. Het grootste verschil tussen het zs -verloop bij een warmtevermogen van Q˙ 3 en het zs -verloop bij een warmtevermogen van Q˙ 1 is dat de dip in het zs -verloop aan de atriumwand optreedt bij een grotere vn -waarde. Volgende grafieken (Figuur 5.49) vergelijken het zs -verloop in het symmetrievlak en aan een atriumwand bij Q˙ 3 en Q˙ 1 . Deze grafieken vertonen ook hier een zeer gelijkaardig verloop. Het zs -verloop bij Q˙ 3 valt praktisch samen met het zs -verloop van Q˙ 1 horizontaal naar rechts verschoven over ongeveer 0,1 m/s.

(a)

(b)


56

Conclusie over het zs -verloop bij verschillende warmtevermogens Wanneer het warmtevermogen toeneemt zal het zs -verloop zijn kwalitatieve vorm behouden, maar horizontaal naar rechts verschuiven. Dit is logisch, want bij een hoger warmtevermogen is een hoger extractiedebiet nodig om dezelfde rookvrije hoogte te genereren. Maar het is opvallend dat het zs -verloop zo gelijkaardig is. Op basis van de volgende grafieken (Figuur 5.50) kunnen we zien dat een toename in warmtevermogen van ongeveer 3 kW een horizontale verschuiving naar rechts in vn geeft over +/- 0,05 m/s.

(a)

(b)

(c)

Figuur 5.50: Het zs -verloop van Q˙ 0 horizontaal naar rechts verschoven over a) 0,05 m/s en vergeleken met Q˙ 1 b) 0,1 m/s en vergeleken met Q˙ 2 c) 0,15 m/s en vergeleken met Q˙ 3

57

Hoofdstuk 6

Het effect van de positie van de extractie en de inlaat voor de verse lucht 6.1

Effect van de positie van het ventilatiesysteem

In deze paragraaf gaan we na of de positie van het ventilatiesysteem effect heeft op de geometrie van de rooklaag. Tot nu toe zijn alle numerieke simulaties uitgevoerd met een afzuigopening centraal in het atriumplafond. We zullen de opening nu enerzijds verplaatsen naar links zodat de opening begint vlak boven de wand waar de rookpluim aanhecht. Anderzijds verplaatsen we de opening volledig naar rechts zodat de opening aan de andere kant van het atrium zit dan de aangehechte rookpluim. Onderstaande tabel (Tabel 6.1) en figuur (Figuur 6.1) geven de 3 verschillende posities weer. Tabel 6.1: De verschillende posities van het ventilatiesysteem

Links Midden Rechts

x-co¨ ordinaat (m) 1,25 tot 2,25 2 tot 3 2,75 tot 3,75

y-coördinaat (m) 0 tot 0,9 0 tot 0,9 0 tot 0,9

z-coördinaat (m) 3,6 3,6 3,6

Figuur 6.1: De 3 verschillende posities (links, midden en rechts) van de extractieventilator

58

Opnieuw laten we de extractiesnelheid variëren en bekijken we het verloop van de rookvrije hoogte voor de 3 posities van de extractieventilator. De gebruikte berekeningsmethode voor zs is deze met de gemiddelde rooklaagtemperatuur. Opnieuw wordt de 1ste instelling (stralingsvrij en adiabatische wanden) toegepast in de verschillende simulaties. Onderstaande grafieken (Figuur 6.2) geven dit resultaat weer op basis van het temperatuursbeeld in het ˙ symmetrievlak (y = 0, 45 m) bij Q=5,377 kW.

(a)

(b)

Figuur 6.2: De simulatieresultaten uit y = 0, 45 m voor de 3 posities van het ventilatiesysteem

De verschillende posities geven aanleiding tot dezelfde rookvrije hoogte zs voor kleine extractiedebieten. Het verloop van de rookvrije hoogte verschilt voor de verschillende posities vanaf de extractiesnelheid vn = 0, 4 m/s. Voor grotere extractiesnelheden dan 0,4 m/s zal de linkse positie van de ventilator steeds aanleiding geven tot de laagste rookvrije hoogte zs (gemiddeld een 0,5 m lager t.o.v. de middenste positie van de ventilator). Wanneer er een extractiesnelheid van 0,55 m/s of groter wordt opgelegd, vertonen de data van de rechtse positie van de ventilator een plotse toename in zs . We vermoeden dat de positie van de ventilator een effect heeft op het karakter van de verticale wervel. We zullen nu op basis van beelden uit Smokeview de oorzaak van het verloop van deze grafieken trachten te bepalen. We focussen ons op de verschillen in de stromingen voor de 3 verschillende ventilatorposities bij een extractiesnelheid van 0,4 m/s en 0,6 m/s. Volgende figuren tonen de positie van de roetdeeltjes (Figuur 6.3), de verticale en horizontale wervel (Figuren 6.4 & 6.5) voor de 3 ventilatorposities bij vn = 0, 4 m/s.

(a)

(b)

(c)

Figuur 6.3: De positie van de roetdeeltjes voor linkse (a), middenste (b) en rechtse (c) positie van het ventilatiesysteem bij vn = 0, 4 m/s

59

(a)

(b)

(c)

Figuur 6.4: Het w-snelheidsverloop (langs de z-as) voor linkse (a), middenste (b) en rechtse (c) positie van het ventilatiesysteem bij vn = 0, 4 m/s

(a)

(b)

(c)

Figuur 6.5: Het u-snelheidsverloop (langs de x-as) voor linkse (a), middenste (b) en rechtse (c) positie van het ventilatiesysteem bij vn = 0, 4 m/s

Op basis van de beelden die de verticale wervel weergeven kunnen we zien dat de de verticale wervel een verschillend karakter heeft voor de linkse positie t.o.v. de middenste en rechtse positie van de ventilator. In de situatie met de linkse ventilatorpositie is er duidelijk één grote verticale wervel aanwezig waarvan het opwaartse been meer uitgesproken is dan het neerwaartse been. Het is dit neerwaartse been dat aanleiding geeft tot een homogene menging tussen de verse lucht en rooklucht, en die menging veroorzaakt de homogene verspreiding van de roetdeeltjes. In de situaties met de middenste en rechtse ventilatorpositie is de wervel opgedeeld in 2 kleinere wervels nl. een eerste kleine wervel die ontstaat wanneer de aangehechte rookpluim tegen het plafond botst en een tweede grotere wervel wanneer het deel van de rooklucht, dat niet wordt afgezogen, botst tegen de rechter atriumwand en zo neerwaarts wordt gedwongen. Bij deze ventilatorposities is er ook een duidelijke horizontale wervel aanwezig die als het ware de 2 verticale wervels verbindt, terwijl dit niet het geval is bij de linkse ventilatorpositie.

60

Volgende figuren geven opnieuw de positie van de roetdeeltjes (Figuur 6.6), de verticale en horizontale wervel (Figuren 6.7 & 6.8) weer maar nu bij vn = 0, 6 m/s.

(a)

(b)

(c)

Figuur 6.6: De positie van de roetdeeltjes voor linkse (a), middenste (b) en rechtse (c) positie van het ventilatiesysteem bij vn = 0, 6 m/s

(a)

(b)

(c)

Figuur 6.7: Het w-snelheidsverloop (langs de z-as) voor linkse (a), middenste (b) en rechtse (c) positie van het ventilatiesysteem bij vn = 0, 6 m/s

(a)

(b)

(c)

Figuur 6.8: Het u-snelheidsverloop (langs de x-as) voor linkse (a), middenste (b) en rechtse (c) positie van het ventilatiesysteem bij vn = 0, 6 m/s

61

Op basis van de figuren, die de positie van de roetdeeltjes weergeven, kunnen we zien dat de rooklucht met een hoge concentratie roetdeeltjes steeds wordt verwijderd door de extractieventilator. Bij de rechtse ventilatorpositie moet deze rooklucht een langere weg in het atrium afleggen dan bij de linkse ventilatorpositie. De posities met een lagere concentratie roetdeeltjes zitten op gelijkaardige plaatsen bij de verschillende ventilatorposities. We zien kleine wervelbewegingen in de rooklaag bij de linkse en middenste ventilatorposities, hetgeen duidt op een sterkere turbulentie die een meer homogene verspreiding van de roetdeeltjes met zich meebrengt. De verticale wervel daarentegen is duidelijk aanwezig in alle 3 de situaties: nu zien we bij de middenste en rechtse ventilatorpositie slechts 1 grote verticale wervel i.p.v. 2 kleinere zoals bij vn = 0, 4 m/s. Bij de linkse ventilatorpositie deelt de wervel het atrium praktisch op in 2 delen nl. een links deel waar het opwaartse been zich bevindt en een rechts deel waar het neerwaartse been van de wervel zich bevindt. Dit is minder uitgesproken bij de middenste en rechtse ventilatorpositie. Bij de rechtse ventilatorpositie reikt het neerwaartse been van de wervel zelfs net niet tot aan de opening voor de verse lucht. Door de ventilator rechts te plaatsen in het atriumplafond doen we een poging om de aanwezige verticale wervel in het atrium te verbreken. Wanneer we de ventilator links plaatsen in het atrium, bevorderen we als het ware de ontwikkeling van de verticale wervel. Zoals we reeds hebben aangetoond geven de data uit het symmetrievlak van het atrium aanleiding tot zeer optimistische beelden. Aan de atriumwanden (y = 0, 85 m) is er een ander zs -verloop aanwezig dan in het symmetrievlak (y = 0, 45 m). Volgende grafieken (Figuur 6.9) geven het zs -verloop weer in een vlak nabij een atriumwand voor de verschillende ventilatorposities en voor een vn gaande van 0,15 m/s tot 0,7 m/s.

(a)

(b)

Figuur 6.9: De simulatieresultaten uit y = 0, 85 m voor de 3 posities van het ventilatiesysteem

Het zs -verloop is zeer gelijkaardig voor de verschillende ventilatorposities voor vn -waarden kleiner of gelijk aan 0,5 m/s. Het zs -verloop vertoont voor de 3 ventilatorposities de reeds gekende dip ter hoogte van vn ' 0, 5 m/s. Het is pas voor grotere extractiesnelheden dat het zs -verloop afhankelijk is van de ventilatorpositie. Volgende figuren (Figuren 6.10 & 6.11) geven de verticale en horizontale wervel in de nabijheid van een atriumwand weer bij de 3 verschillende ventilatorposities met een extractiesnelheid van 0,6 m/s.

62

(a)

(b)

(c)

Figuur 6.10: Het w-snelheidsverloop (langs de z-as) aan een atriumwand voor linkse (a), middenste (b) en rechtse (c) positie van het ventilatiesysteem bij vn = 0, 6 m/s

(a)

(b)

(c)

Figuur 6.11: Het u-snelheidsverloop (langs de x-as) aan een atriumwand voor linkse (a), middenste (b) en rechtse (c) positie van het ventilatiesysteem bij vn = 0, 6 m/s

Opnieuw zorgt de verticale wervel bij de linkse ventilatorpositie voor een duidelijke scheiding in de atriumstroming. De middenste ventilatorpositie trekt de aangehechte rookpluim los van de atriumwand, terwijl dit niet meer zichtbaar is bij de rechtse ventilatorpositie. In deze laatste situatie wordt de verticale rookpluim volledig horizontaal afgebogen tegen het atriumplafond voordat de extractieventilator wordt bereikt. We kunnen concluderen dat de positie van de extractieventilator geen groot effect heeft op het zs -verloop in het symmetrievlak en aan de atriumwanden voor kleine extractiedebieten (vn < 0,4 m/s). Voor de grotere extractiedebieten is het beter de ventilator te plaatsen op een positie waardoor de verticale wervel in het atrium niet versterkt wordt.

63

6.2

Effect van de positie van de inlaatopening voor verse lucht

In de voorgaande sectie hebben we het effect van de positie van het ventilatiesysteem besproken. Nu zullen we het effect van de positie van de inlaat voor verse lucht bekijken. Bij de standaard Porehgeometrie bevindt de inlaat voor verse lucht zich in de rechtse atriumwand (x = 3, 75 m). We zullen de stroming en het verloop van de rookvrije hoogte bestuderen waarbij enerzijds inlaatopeningen zijn voorzien in de voorste (y = 0, 9 m) en achterste (y = 0 m) wand van het atrium en anderzijds de inlaatopening zich bevindt in de linkerwand (x = 0 m) van de kamer.

6.2.1

Porehgeometrie met inlaat in de voorste en achterste atriumwand

Stromingsbeweging De standaard inlaat op x = 3, 75 m bij de Porehgeometrie wordt gesloten en er komen nu 2 openingen op de achterste (y = 0 m) en voorste (y = 0.9 m) wand van het atrium met een lengte van 2,5 m en een hoogte van 0,6 m. De hete rooklucht van de rookpluim in de kamer wordt tegen het plafond van de kamer geduwd en zo verder in de kamer geblazen door de verse buitenlucht. Wanneer deze rooklucht botst tegen de linkerwand in de kamer (x = 0 m) zullen er wervels zijn die de rooklucht naar de zijkanten van de kamer duwen. Dit zorgt voor een hoger rookdebiet in de hoeken van de opening analoog aan de situatie bij de standaard Porehgeometrie. De rooklaag in het atrium aan de zijkanten zal dus ook hier dikker zijn dan deze in het symmetrievlak. In het atrium zelf is er een wervel zichtbaar in de verticale richting: op basis van volgende figuren (Figuur 6.12) zien we dat deze wervel meer uitgesproken is aan de voorkant en achterkant van het atrium dan in het symmetrievlak. Dit kan eenvoudig verklaard worden door de aanwezigheid van de inlaat aan de voorkant en achterkant van het atrium aangezien de stroming door deze openingen meer impuls geeft aan de wervel in de directe nabijheid.

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

(f)

Figuur 6.12: De u-snelheid (a & d), w-snelheid (b & e) en het temperatuursbeeld (c & f) bij y = 0, 45 m resp. 0, 85 m bij vn = 0, 35 m/s

64

Er is heel wat similariteit met de stromingsbeweging van de Porehgeometrie. In de volgende paragraaf bekijken we het verschil in het zs -verloop tussen de standaard Porehgeometrie en de geometrie met inlaatopeningen in de voorste en achterste atriumwand. Grafieken met resultaten van de simulaties Onderstaande grafieken (Figuur 6.13) geven de resultaten weer van de rookvrije hoogte waarbij de constante en gemiddelde methode toegepast zijn op het temperatuursbeeld en ˙ het CO2 -verloop bij Q=5,377 kW.

(a)

(b)

Figuur 6.13: Het verloop van de rookvrije hoogte zs bij de Porehgeometrie met openingen in ˙ voorste en achterste atriumwand bij Q=5,377 kW

De 4 berekeningsmethodes geven bijna exact dezelfde resultaten weer. Het model van Poreh wordt gevolgd voor extractiesnelheden kleiner dan 0,4 m/s. Voor grotere extractiesnelheden is de variatie van de rookvrije hoogte zs i.f.v het extractiedebiet klein (zs = 2, 5 m voor vn > 0, 4 m/s). De volgende grafieken (Figuur 6.14) tonen het verschil in zs -verloop bij de standaard Porehgeometrie en de geometrie met inlaatopeningen in de voorste en achterste atriumwand.

(a)

(b)

Figuur 6.14: Het verloop van zs bij de Porehgeometrie met openingen in voorste en achterste ˙ atriumwand vergeleken met de standaard Porehgeometrie bij Q=5,377 kW

65

Op basis van deze grafieken kunnen we zien dat de algemene rookvrije hoogte groter is bij de geometrie met 2 inlaatopeningen dan bij de standaard Porehgeometrie. Wanneer we in beide geometrieën een extractiesnelheid opleggen van bv. 0,45 m/s, zal het extractiedebiet nagenoeg gelijk zijn in beide geometrieën. Aangezien er aan de wet van massabehoud moet voldaan zijn, zal dus ook het intrededebiet aan verse lucht zo goed als gelijk zijn in beide geometrieën. Wanneer we de oppervlakte van de openingen voor de verse intredelucht vergroten, zal de intredesnelheid van deze lucht verlagen. Doordat de intredelucht nu een lagere snelheid heeft, zal het inmengen van de verse lucht in de rookpluim nu veel moeizamer gaan. We zouden kunnen stellen dat de verticale wervel verzwakt wordt: het neerwaartse been van de verticale wervel is amper zichtbaar op de figuren 6.12.b en 6.12.e. Het verzwakken van de verticale wervel resulteert in een minder homogene verspreiding van roet en warmte in het atrium, en dus ook in een grotere rookvrije hoogte. Zoals we reeds hebben aangehaald zal de stroming in de kamer niet veranderen door een andere locatie van de openingen voor verse lucht in het atrium daarom zou de rookvrije hoogte aan de atriumwanden ook kleiner moeten zijn dan deze in het symmetrievlak. Volgende grafieken (Figuur 6.15) vergelijken het zs -verloop in het symmetrievlak met het zs -verloop dichtbij een atriumwand.

(a)

(b)

Figuur 6.15: Het verloop van zs bij de Porehgeometrie met 2 inlaatopeningen berekend op basis van de gemiddelde methode toegepast op het temperatuursbeeld en CO2 verloop

Zoals verwacht is de rookvrije hoogte steeds kleiner aan de atriumwanden dan in het symmetrievlak voor alle extractiedebieten. Het zs -verloop aan de atriumwand is echter verschillend van het zs -verloop bij de standaard Porehgeometrie: er is geen dip zichtbaar in het zs -verloop, wat wel het geval was bij de standaard Porehgeometrie. Het verzwakken van de verticale wervel geeft dus ook aanleiding tot een minder intense menging van de rookgassen met de verse lucht in de omgeving van de atriumwanden, waardoor de rookvrije hoogte aan de atriumwanden groter zal zijn dan deze in de situatie van de standaard Porehgeometrie.

66

6.2.2

Porehgeometrie met inlaat in de kamer op x = 0 m

Stromingsbeweging De opening voor verse lucht wordt nu verplaatst van de atriumwand x = 3, 75 m naar de wand van de kamer op x = 0 m. De opening is nog steeds 0,9 m breed en 0,6 m hoog. De lucht komt nu binnen in de kamer zonder het atrium te passeren, komt in contact met de brand en duwt het rookmengsel tegen het plafond. Doordat de brand zich centraal in de kamer bevindt, zullen nu ook de hoogste temperaturen bij de overgang naar het atrium zich centraal bevinden. De rooklaag net voor de overgang naar het atrium zal hier meer 1D zijn dan bij de geometrie van Poreh. Er zal op sommige momenten ook hier wat meer debiet langs de hoeken worden gestuurd maar niet continu. In het atrium zelf is er een grote wervel zichtbaar in de z-richting: het rookmengsel zal afgezogen worden of wordt horizontaal afgebogen en zal het neerwaartse been van de verticale wervel vormen. Doordat de stroming meer symmetrisch is aan de overgang van de kamer naar het atrium is het logisch te veronderstellen dat de beweging in het atrium nu ook meer symmetrisch is. Onderstaande figuren (Figuur 6.16) geven een beeld van de wervel, temperatuur en positie van de roetdeeltjes bij een extractiesnelheid vn = 0, 25 m/s.

(a)

(b)

(c)

(d)

Figuur 6.16: De u-snelheid (a), w-snelheid (b), het temperatuursbeeld (c) en de positie van de roetdeeltjes (d) bij de geometrie met inlaat op x = 0 m

67

Doordat de lucht rechtstreeks in contact komt met de brandhaard, is er een intensere menging tussen deze 2 stromen en is er geen duidelijke rooklaaggrens zichtbaar in het atrium. Grafieken met resultaten van de simulaties Onderstaande grafieken (Figuur 6.17) geven de resultaten weer van de rookvrije hoogte waarbij de 2 methodes (constant en gemiddeld) toegepast zijn op het temperatuursbeeld ˙ en het CO2 -verloop bij Q=5,377 kW.

(a)

(b)

Figuur 6.17: Het verloop van de rookvrije hoogte zs bij de Porehgeometrie met opening in ˙ de kamer op x = 0 m bij Q=5,377 kW

De 4 berekeningsmethodes geven niet exacte dezelfde resultaten weer. Hun verloop is echter kwalitatief wel zeer gelijkaardig nl. de rookvrije hoogte zs neemt toe met toenemend extractiedebiet maar vertoont een dip ter hoogte van vn = 0, 55 m/s. De dip is het minst groot voor de gemiddelde methodes en het grootst bij de constante methodes. Dit soort verloop doet ons meteen denken aan het zs -verloop dat we zagen bij de simulaties van de standaard Porehgeometrie in FDS 5.4.1: er waren heel wat verschillen tussen het zs -verloop in FDS 5.2.5 en FDS 5.4.1 bij de standaard Porehgeometrie. We zullen a.d.h.v. Smokeviewbeelden checken of de oorzaak van deze dip ook hier de dominantie van de verticale wervel is, wat het geval was in de simulaties van FDS 5.4.1. Volgende figuren (Figuur 6.18) tonen de horizontale snelheid (u-snelheid), verticale snelheid (w-snelheid) en de positie van de roetdeeltjes bij vn = 0, 4 m/s en vn = 0, 55 m/s. Op basis van deze figuren zien we een opvallend verschil in het karakter van de atriumwervel: voor kleine extractiesnelheden zal de rookpluim zich hechten aan de linkse atriumwand en is er een verticale wervel in wijzerzin aanwezig in het atrium. Wanneer de extractiesnelheid groter dan 0,55 m/s wordt, is de onderdruk in het atrium groter waardoor de stroming van het rookmengsel, uit de kamer, met een grotere horizontale snelheid het atrium instroomt. Dit is goed zichtbaar op Figuur 6.18.d waar de stroming van de kamer horizontaal in het atrium stroomt en beneden tegen de wand op x = 3, 75 m botst. De extractieventilator zorgt dat deze horizontale stroming naar boven wordt getrokken waardoor de rookpluim in het atrium zich centraal bevindt i.p.v. aangehecht aan de linkse atriumwand. De wervel in het atrium stroomt nu eigenlijk in tegenwijzerzin in tegenstelling tot de situatie bij vn kleiner dan 0,55 m/s. De sterkte van de verticale wervel is groter bij vn = 0, 55 m/s dan bij vn = 0, 4 m/s, wat een intensere menging geeft en een minder dense maar dikkere rooklaag. De rooklaag bij de grotere extractiedebieten heeft duidelijk geen 1D-karakter want ze is het dikst bij de linker atriumwand en het minst dik bij de rechtse atriumwand. De reden van de dip in het zs -verloop is dus niet de dominantie van de wervel maar de stromingszin van de wervel. 68

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

(f)

Figuur 6.18: De u-snelheid (a & d), w-snelheid (b & e) en de positie van de roetdeeltjes (c & f) bij vn = 0, 4 m/s & vn = 0, 55 m/s

We zijn ook in deze situatie ge¨ınteresseerd in het verloop van zs over de breedterichting van het atrium. In de situatie van de standaard Porehgeometrie en de situatie met de inlaatopeningen in de voorste en achterste atriumwand, was de rookvrije hoogte steeds kleiner nabij de atriumwanden en maximaal in het symmetrievlak. Volgende grafieken (Figuur 6.19) tonen het zs -verloop in het symmetrievlak en aan een atriumwand voor de geometrie met een opening in de kamer.

(a)

(b)

Figuur 6.19: Het verloop van zs bij de Porehgeometrie met inlaatopening op x = 0 m berekend op basis van de gemiddelde methode toegepast op het temperatuursbeeld en CO2 -verloop

Deze grafieken geven aan dat de rookvrije hoogte ongeveer even groot is aan de atriumwanden als in het symmetrievlak voor vn < 0, 55 m/s. Dit was enigszins te verwachten aangezien we in het stromingsbeeld reeds hadden opgemerkt dat de rooklaag aan de overgang van de kamer naar het atrium een groter 1D-karakter heeft dan bij de standaard Porehgeometrie.

69

Voor de zeer grote extractiedebieten is de rookvrije hoogte wel groter in het symmetrievlak dan aan de atriumwanden. We weten dat de wervel in deze situaties van rotatiezin is veranderd t.o.v. de situaties met kleine extractiedebieten. Het stromingsbeeld bij deze grote extractiedebieten is dus zeer verschillend van het stromingsbeeld bij de kleinere extractiedebieten. De grotere rookvrije hoogte in het symmetrievlak bij de grote extractiedebieten is te verklaren door de grotere opwaartse component van de verticale atriumwervel t.o.v. de verticale wervel aan de atriumwanden. Onderstaande figuren (Figuur 6.20) tonen het verschil in wervelkarakter.

(a)

(b)

Figuur 6.20: De verticale snelheid (w-snelheid) a) bij een atriumwand en b) in het symmetrievlak bij vn = 0, 65 m/s

We kunnen concluderen dat de positie van de inlaatopening voor de verse lucht meer effect heeft op het zs -verloop dan de positie van de extractieventilator. De inlaatopening kan het best in het atrium worden geplaatst zodat de rooklaag een 1D-karakter heeft en er een duidelijke rooklaaggrens zichtbaar is voor kleine extractiedebieten. Het plaatsen van de inlaatopeningen in de voorste en achterste atriumwand zorgt ervoor dat de variatie van de rookvrije hoogte over de atriumbreedte beperkt is voor alle extractiedebieten. De worst-case-waarde van zs , die bij de standaard Porehgeometrie steeds terug te vinden was in de buurt van een atriumwand en die beduidend lager was dan de zs -waarde in het symmetrievlak voor grote extractiedebieten, zal in de situatie met een opening in de voorste en achterste atriumwand nooit veel afwijken van de zs -waarde in het symmetrievlak. Ten slotte kunnen we nog opmerken dat grotere inlaatopeningen aanleiding geven tot een verzwakte verticale wervel en dus grotere rookvrije hoogtes.

70

Hoofdstuk 7

Effect van een downstand en een balkon op het zs-verloop 7.1 7.1.1

Overzicht van reeds uitgevoerd onderzoek omtrent downstands en balkons Kennis over het effect van downstands

M. Poreh heeft in zijn artikel [11] dat we hebben besproken in de literatuurstudie een beperkt onderzoek gedaan naar het effect van downstands in de geometrie die hij gebruikte. Volgende figuur (Figuur 7.1) toont verschillende posities van een downstand in de kamer met de brandhaard en het effect ervan op de rooklaag. Wanneer de rooklaag van de kamer rechtstreeks of via een hoek in het atrium kan stromen (situatie A), zal het massadebiet warme rookgassen Mb , dat op deze manier in het atrium terecht komt, praktisch gelijk zijn aan Mf , het massadebiet dat ingemengd is in de 1ste rookpluim. Dit debiet kan berekend worden a.d.h.v. reeds ontwikkelde modellen voor circulaire rookpluimen. Aan de dikte van de rooklaag Db in de kamer stroomopwaarts van de hoek wordt een waarde toegekend van 1,5 Dcrit . Onderstaande formule geeft deze berekening weer waarbij ∆ρ het densiteitsverschil voorstelt tussen de omgeving en de rooklucht en L de breedte van de geometrie weergeeft. Db = 1, 5Dcrit = 1, 5(

(Mb )2 1/3 ) ρ∆ρgL2

(7.1)

Wanneer er nu een downstand in de kamer wordt geplaatst (situatie B), zal de rooklaagdikte Db in de kamer gelijk zijn aan 1, 5 Dcrit + Dd waarbij Dd de verticale lengte is van de downstand. Dit heeft men nog niet kunnen bewijzen met een volledig onderbouwde theorie, maar heel wat experimentele studies hebben aangetoond dat de aanwezigheid van een downstand ter hoogte van de overgang van de kamer naar het atrium het rookgasmassadebiet, dat zo het atrium instroomt, significant kan doen toenemen. Deze toename in entrainment zou volgens Regev kunnen verklaard worden door variaties in het densiteitsbeeld maar ook dit is niet zeker. Wanneer de downstand ver in de kamer wordt geplaatst, zoals in situatie B en C, zal de stroming vlak na de downstand een superkritisch karakter (Fr > 1) vertonen en ter hoogte van de hoek nog steeds superkritisch (situatie C) of kritisch (situatie B) zijn.

71

Figuur 7.1: Verschillende posities van de downstand in de kamer met brandhaard

Hoe meer het superkritisch karakter van de rooklaag kan afnemen m.a.w. hoe groter de afstand tussen de downstand en de hoek, hoe lager het Froudegetal, hoe duidelijker de densiteitssprong en hoe meer kans op een aangehechte rookpluim in het atrium (Fr < 1). Wanneer er 2 downstands zouden geplaatst worden, zoals in situatie D, is er een densiteitssprong zichtbaar tussen de 2 downstands. Zoals reeds vermeld heeft o.a. Regev [20] zich verdiept in de densiteitssprongen die aanwezig kunnen zijn in een stroming onder een horizontaal plafond. Er kan een densiteitssprong ontstaan in een horizontale stroming na secties waar de stroming superkritisch is. Wanneer er een densiteitssprong optreedt, kan deze zorgen voor een toename in het debiet verse lucht dat inmengt met de horizontale rooklaag. Deze toename heeft echter een maximum dat bereikt wordt wanneer de stroming na de densiteitssprong kritisch is. Men weet echter niet of dit maximum in elke situatie die hieraan voldoet, zal bereikt worden. Als men een downstand plaatst stroomafwaarts van een densiteitssprong (situatie D) kan men de toegenomen inmenging van verse lucht echter beperken.

72

7.1.2

Kennis over het effect van balkons

De meeste atria in de praktijk zijn voorzien van balkons om een esthetische reden nl. omdat men een mooi uitzicht heeft over de grote ruimte vanaf deze balkons en het atrium dan meer de functie krijgt van centraal punt in een groot complex. Er zijn reeds verschillende experimenten gedaan om het effect van balkons te bestuderen. Zo heeft Law [21] getracht om een model op te stellen voor het rookdebiet onder en boven een balkon. Law heeft ondervonden dat het model waarmee we tot nu toe steeds hebben gewerkt (het model waar ook Poreh op heeft voortgebouwd) ook kan gebruikt worden voor de situatie met balkons in het atrium mits een aantal parameters aangepast worden. Onderstaande vergelijking geeft het verband weer dat zij heeft waargenomen in haar experimenten waarbij xv de hoogte van de rooklaag boven het balkon voorstelt, hb gelijk is aan de hoogte van het balkon boven de overgangsopening van de kamer naar het atrium en L staat voor de afstand tussen de schermen die de stroming geleiden onder het balkon. Mf an = 0, 31(QL2 )1/3 (xv + hb /4)

(7.2)

Verder onderzoek werd o.a. uitgevoerd door Harrison [22]. Ook hij heeft getracht het reeds gekende model van inmenging bij een hoekrookpluim aan te passen zodat het effect van balkons mee in rekening kan gebracht worden. Onderstaande vergelijking is deze waartoe hij gekomen is. Hij maakt wel de opmerking dat ze enkel van toepassing is op grote atria. M (z) = 0, 20(QW 2 )1/3 (z + Db ) + Mb

(7.3)

De entrainment coëfficiënt die werd waargenomen tijdens zijn experimenten was ongeveer 0,56. Deze waarde is opmerkelijk groter dan 0,44 die Poreh theoretisch had afgeleid voor een vrije 2D-rookpluim. Harrison heeft in de waarde van Cm ook de inmenging aan de vrije uiteinden van de pluim opgenomen wat de hoge waarde verklaart. Een jaar later heeft hij opnieuw een artikel [23] gepubliceerd dat dieper ingaat op het effect van een downstandbalkon combinatie. Hij heeft waargenomen dat het debiet verse lucht dat wordt ingemengd het grootst is bij diepe downstands en bij brede overgangsopeningen. Onderstaande vergelijking heeft hij empirisch afgeleid op basis van CFD-simulaties en onderstaande figuur (Figuur 7.2) geeft de gebruikte parameters weer. Hierin staat Mw voor het rookgasmassadebiet door de opening en Mb voor het rookgasmassadebiet aan de hoek waar de rookpluim draait. Mb = 0, 89(

h0 −0,92 hMw ) ( ) w0 w0

Figuur 7.2: Gebruikte geometrie in de simulaties van Harrison

73

(7.4)

Er zijn nog heel wat experimenten en simulaties uitgevoerd door verschillende wetenschappers zoals Mc Cartney, Lougheed, Thomas,... maar de meeste onder hen concludeerden dat het zeer moeilijk is om een model te ontwikkelen dat met alle parameters rekening houdt. Ze merkten ook op dat er te weinig experimenten op grote schaal worden uitgevoerd om de stromingsbeweging in deze grote geometrieën te bestuderen wat noodzakelijk is voor een goed en veilig ontwerp van ventilatiesystemen. T. Tousseyn heeft 2 jaar geleden in zijn masterproef [24] het effect van balkons in grootschalige atria bestudeerd a.d.h.v. CFD-simulaties. Hij heeft gebruik gemaakt van de BREberekeningsmethode en opgemerkt dat de verhouding Mb /Mw de waarde 2 niet overstijgt wanneer de balkonbreedte, de downstandgrootte of het warmtevermogen van de vuurhaard varieert. De waarde 2 werd reeds gebruikt als worst-case-waarde in richtlijnen voor het ontwerp van ventilatiesystemen en blijkt dus effectief een maximum te zijn. De verhouding Mb /Mw neemt wel een waarde groter dan 2 aan wanneer de breedte van de overgangsopening tussen de kamer en het atrium wordt verkleind.

7.2

Simulaties van de Porehgeometrie met toegevoegde downstands

We zullen bekijken wat het effect is van de grootte van de downstand en de positie ervan in de kamer t.o.v. de downstandvrije standaard Porehgeometrie. De eerste paragraaf bespreekt het effect van de grootte van de downstand. De tweede paragraaf gaat in op het effect van de positie van de downstand.

7.2.1

Het effect van de grootte van de downstand

We plaatsen een downstand ter hoogte van de overgang tussen de kamer en het atrium. De downstand heeft een lengte van 0,05 m en een breedte gelijk aan deze van de kamer en het atrium nl. 0,9 m. De parameter van de downstand die varieert is dus de hoogte hd . Onderstaande tabel (Tabel 7.1) geeft de 4 situaties weer die we bekijken. Volgende figuren (Figuur 7.3) tonen eveneens deze 4 situaties. Tabel 7.1: De 4 situaties die bestudeerd worden om het effect van de downstandgrootte te bepalen

situatie situatie situatie situatie

1 2 3 4

Porehgeometrie Porehgeometrie Porehgeometrie Porehgeometrie

zonder downstand met downstand waarbij hd = 0, 1 m met downstand waarbij hd = 0, 2 m met downstand waarbij hd = 0, 3 m

We zullen nu de extractiesnelheid van de ventilator laten variëren tussen 0,15 m/s en 0,7 m/s voor situatie 2, 3 & 4. We moeten dit niet opnieuw doen voor de 1ste situatie aangezien deze de standaard Porehgeometrie voorstelt en we daar de simulatieresultaten uit de vorige paragrafen voor zullen gebruiken.

74

(a)

(b)

(c)

(d)

Figuur 7.3: De geometrie van (a) situatie 1, (b) situatie 2, (c) situatie 3 en (d) situatie 4

Volgende grafieken (Figuur 7.4) tonen het zs -verloop in de verschillende situaties waarbij er gebruik gemaakt werd van de constante en gemiddelde methode toegepast op het temperatuursbeeld en het CO2 -verloop. We moeten hierbij wel opmerken dat de dikte van de rooklaag aan de overgangsopening Db nu wordt berekend vanaf de onderkant van de eventueel aanwezige downstand.

75

(a)

(b)

(c)

(d)

Figuur 7.4: Het zs -verloop bij (a) situatie 1, (b) situatie 2, (c) situatie 3 en (d) situatie 4

Op alle grafieken is het duidelijk dat de constante methode op basis van het temperatuursbeeld en het CO2 -verloop hetzelfde resultaat geeft en idem voor de gemiddelde methode. Het aanbrengen van een downstand zorgt ervoor dat het model van Poreh iets langer wordt gevolgd: hierdoor bereikt de zs -waarde op basis van de gemiddelde berekeningsmethode een waarde van 2 m terwijl dit niet het geval was bij de standaard Porehgeometrie. In situatie 3 & 4 geven de constante en gemiddelde berekeningsmethode ook voor iets grotere extractiedebieten dezelfde resultaten. Er is niet veel verschil zichtbaar tussen situatie 3 (hd = 0, 2 m) & 4 (hd = 0, 3 m) m.a.w. voor een downstand met een hoogte groter dan 0,2 m verandert er niet veel aan de stromingsbeweging. Wanneer we de dikte van de rooklaag Db in de kamer bekijken, zien we dat deze waarde steeds in de buurt van 0,15 m ligt. Wanneer we een downstand gebruiken met hd = 0, 1 m zal de downstand volledig verdwijnen in de rooklaag. Wanneer we een downstand gebruiken met hd = 0, 2 m of hd = 0, 3 m zal de downstand zich slechts deels bevinden in de rooklaag van de kamer. Op basis van de grafieken kunnen we besluiten dat een downstand met een hoogte hd > Db steeds aanleiding geeft tot een grotere zs -waarde dan de zs -waarde bij zowel de standaard Porehgeometrie als de geometrie met een downstand waarbij hd < Db . Opnieuw bekijken we het verschil in het zs -verloop tussen de data uit het symmetrievlak en uit een vlak vlakbij een atriumwand. We weten dat bij de standaard Porehgeometrie de maximale rookvrije hoogte wordt bereikt in het symmetrievlak en de minimale rookvrije hoogte aan de wanden van het atrium. Dit was te verklaren doordat een groot deel van het massadebiet rooklucht via de hoeken van de overgangsopening het atrium binnenstroomde. 76

Volgende grafieken (Figuur 7.5) tonen het zs -verloop in het symmetrievlak en aan een atriumwand op basis van de gemiddelde berekeningsmethode toegepast op het temperatuursbeeld voor de 4 verschillende situaties.

(a)

(b)

(c)

(d)

Figuur 7.5: Het zs -verloop aan een atriumwand bij (a) situatie 1, (b) situatie 2, (c) situatie ˙ 3 en (d) situatie 4 bij Q=5,377 kW

Zoals reeds opgemerkt is er weinig verschil tussen de grafieken van situatie 3 & 4. Het zs -verloop aan een atriumwand is kwalitatief en kwantitatief gelijkend op het zs -verloop in het symmetrievlak. Het is opvallend dat de aanwezigheid van een downstand een groter 1D-karakter geeft aan de rooklaag ter hoogte van de overgangsopening. De dip in het zs verloop aan de atriumwand is minder diep bij een downstand met hd = 0, 1 m dan in de downstandvrije situatie. Onderstaande figuren (Figuur 7.6) tonen het snelheidsbeeld in de lengterichting (u-snelheid) ter hoogte van de overgangsopening voor situatie 1, 2 & 3. Ze tonen inderdaad dat een downstand zorgt voor een groter 1D-karakter van deze stroming.

(a)

(b)

(c)

Figuur 7.6: De u-snelheid aan de overgangsopening bij (a) situatie 1, (b) situatie 2, (c) situatie 3 bij vn = 0, 5 m/s

77

Op basis van volgende temperatuursbeelden (Figuur 7.7) is het duidelijk dat een downstand met hd = 0, 1 m de stroming van de hoekrookpluim praktisch niet onderbreekt aangezien de rooklaagdikte Db groter is dan hd . De aanwezige downstand zorgt in deze situatie dat de rooklaag een wat meer uitgesproken 1D-karakter heeft in de kamer. Wanneer hd groter is dan Db is het duidelijk zichtbaar dat deze stroming wel onderbroken wordt, en dat de downstand ervoor zorgt dat de warmte en de roetdeeltjes grotendeels in de kamer met de brandhaard wordt gehouden. De algemene stroming in het atrium verandert niet door de aanwezigheid van een downstand, enkel de hoeveelheid warmte en roetdeeltjes die naar het atrium stromen is nu kleiner. Hierdoor vergroot de rookvrije hoogte en is de rooklaag minder dens in het atrium aangezien de kamer nu echt als opslag dient voor de warmte en het roet.

(a)

(b)

(c)

Figuur 7.7: Het temperatuursbeeld aan een atriumwand y = 0, 85 m bij (a) situatie 1, (b) situatie 2, (c) situatie 3 bij vn = 0, 5 m/s

7.2.2

Het effect van de positie van de downstand

Nu zullen we nagaan of de positie van de downstand een effect heeft op de stroming in het atrium. We richten ons eerst op het effect van een downstand met een hoogte hd = 0, 1 m en een breedte van 0,9 m die geplaatst wordt op 3 verschillende posities in de kamer. Volgende tabel (Tabel 7.2) en figuren (Figuur 7.8) geven deze 3 posities weer en de figuren geven ook de positie van de roetdeeltjes in de kamer weer bij vn = 0, 4 m/s. Tabel 7.2: De verschillende posities van de downstand (hd =0,1 m) in de kamer

positie downstand positie 1 positie 2 positie 3

x-coördinaten van de downstand 1,2 m tot 1,25 m 0,95 m tot 1 m 0,75 m tot 0,8 m

Op basis van deze figuren kunnen we reeds vermoeden dat de positie van de downstand niet veel effect zal hebben op het zs -verloop i.f.v. het extractiedebiet. De downstand is te klein t.o.v. de rooklaag in de kamer om een significant verschil te geven in de atriumstroming. Het enige duidelijk effect van de downstand is dat de wervels in de breedterichting, die zich normaal voordoen in de kamer, nu gebroken worden en de rooklaag aan de overgangsopening dus een groter 1D-karakter heeft. We kunnen dan eerder spreken van een 2D-rooklaag in het atrium dan van een 3D-rooklaag bij elke extractiesnelheid, aangezien de rookvrije hoogte nu praktisch constant is over de breedte van het atrium.

78

(a)

(b)

(c)

Figuur 7.8: De 3 posities van een downstand met hd = 0, 1 m en de positie van de roetdeeltjes bij (a) positie 1, (b) positie 2 en (c) positie 3

Volgende grafieken (Figuur 7.9) geven het verloop van de rookvrije hoogte voor de 3 downstandposities bij een variërende extractiesnelheid van 0,15 m/s tot 0,7 m/s.

(a)

(b)

(c)

Figuur 7.9: Het zs -verloop op basis van de constante en gemiddelde methode toegepast op het temperatuursbeeld en CO2 -verloop bij (a) positie 1, (b) positie 2 en (c) positie 3 ˙ bij Q=5,377 kW

79

Zoals verwacht is het verschil tussen de 3 zs -verlopen relatief klein wat onze voorgaande redenering ondersteunt. We zijn er echter wel van overtuigd dat de positie van een downstand wel een invloed kan hebben op de stroming in het atrium wanneer deze groot is t.o.v. de rooklaag in de kamer met de brandhaard. We kijken nu opnieuw naar de 3 mogelijke posities maar nu plaatsen we telkens een downstand met een hoogte hd van 0,2 m i.p.v. 0,1 m. Volgende figuren (Figuur 7.10) tonen opnieuw de positie van de roetdeeltjes in de kamer maar nu met een downstand waarvan hd = 0,2 m.

(a)

(b)

(c)

Figuur 7.10: De 3 posities van een downstand met hd = 0, 2 m en de positie van de roetdeeltjes bij (a) positie 1, (b) positie 2 en (c) positie 3

Op basis van deze figuren is reeds duidelijk dat hoe verder de downstand in de kamer wordt geplaatst, hoe kleiner de opslagruimte voor warmte en roet in de kamer. Er zal dan meer warmte en roet in het atrium terecht komen zodat de situatie terug meer gaat lijken op de standaard downstandvrije Porehgeometrie. De downstand zal echter in alle situaties de wervels in de breedterichting breken zodat de rooklaag in de kamer een groter 1D-karakter heeft, en de rookvrije hoogte in het atrium bijna constant is over de breedterichting. Volgende grafieken (Figuur 7.11) tonen het zs -verloop op basis van de gemiddelde berekeningsmethode toegepast op het temperatuursbeeld t.o.v. het zs -verloop bij de standaard Porehgeometrie.

80

(a)

(b)

(c)

Figuur 7.11: Het zs -verloop op basis van het temperatuursbeeld in vgl. met het zs -verloop van de standaard Porehgeometrie bij (a) positie 1, (b) positie 2 en (c) positie 3

De grafieken tonen inderdaad het verloop dat we verwachtten nl. hoe verder de downstand in de kamer staat, hoe meer het zs -verloop lijkt op dit van de standaard downstandvrije Porehgeometrie. Voor een downstand op het einde van de kamer ligt het zs -verloop beduidend boven het zs -verloop van de standaard Porehgeometrie, omdat de kamer nu zo efficiënt mogelijk wordt gebruikt als opslag voor roet en warmte. Op basis van alle grafieken in deze paragraaf kunnen we concluderen dat een downstand het best vlak voor de overgangsopening wordt geplaatst. Op deze manier worden de meeste warmte en de meeste roetdeeltjes vast gehouden in de kamer met de brandhaard en niet naar het atrium gevoerd, wat resulteert in een grotere rookvrije hoogte in het atrium.

81

7.3

Simulaties van de Porehgeometrie met toegevoegde balkons

In de vorige paragraaf hebben we besloten dat de aanwezigheid van een downstand geen opmerkelijke verandering in de atriumstroming teweeg brengt. De downstand zorgt dat de warmte en het roet geconcentreerd blijven in de kamer met de brandhaard zodat er minder warmte en roet in het atrium terecht komen. We zullen in deze paragraaf eerst onderzoeken of de aanwezigheid van een balkon wel aanleiding geeft tot een andere atriumstroming. Daarna bestuderen we het effect van de lengte, de breedte en de hoogte van het balkon. Ten slotte bekijken we de atriumstroming wanneer er een extra opening voor verse lucht wordt aangebracht in het atrium of wanneer er meerdere balkons in het atrium worden geplaatst.

7.3.1

Het effect van een balkon op de atriumstroming

We plaatsen een balkon in het atrium net boven de overgangsopening tussen de kamer met de brandhaard en het atrium. We nemen een dikte van 0,05 m voor de platen waaruit het balkon is opgebouwd, deze waarde is gelijk aan de dikte van een cel uit het kubische grid. Het balkon heeft een lengte van 0,3 m, een breedte van 0,9 m en een hoogte van 0,15 m. Het balkon is dus even breed als het atrium en de kamer. Volgende figuur (Figuur 7.12) geeft de positie en de vorm weer van het balkon in het atrium.

Figuur 7.12: De positie van het balkon in het atrium

We zullen de extractiesnelheid van de ventilator opnieuw laten variëren en bij elke snelheid de rookvrije hoogte zs bepalen door de constante en gemiddelde methode toe te passen op het temperatuursbeeld en het CO2 -verloop. Volgende grafieken (Figuur 7.13) tonen de resultaten voor een extractiesnelheid gaande van 0,15 m/s tot 0,7 m/s. De resultaten van de 2 constante berekeningsmethodes geven dezelfde zs -waarden en idem voor de 2 gemiddelde berekeningsmethodes. De gemiddelde methode geeft een zs -waarde van 1,5 m voor grote extractiedebieten terwijl de constante methode de reeds gekende sprong vertoont in de buurt van vn = 0, 5 m/s. Deze sprong wordt veroorzaakt doordat de constante methode geen rekening houdt met de algemene temperatuur en het algemeen CO2 % in het atrium die variëren met vn . Op het eerste zicht is het verloop gelijkend op dit van de standaard Porehgeometrie.

82

(a)

(b)

Figuur 7.13: Het zs -verloop op basis van het temperatuursbeeld en CO2 -verloop in het ˙ symmetrievlak y = 0, 45 m bij Q=5,377 kW

Onderstaande grafieken (Figuur 7.14) vergelijken de zs -waarden van de constante en gemiddelde methode toegepast op het temperatuursbeeld tussen de geometrie voorzien van een balkon en de standaard Porehgeometrie.

(a)

(b)

Figuur 7.14: Het zs -verloop vergeleken in het symmetrievlak y = 0, 45 m tussen de geometrie met een balkon en de standaard Porehgeometrie

Deze grafieken tonen dat de constante methode iets vroeger een sprong vertoont in het zs verloop wanneer er een balkon aanwezig is in het atrium. De gemiddelde methode vertoont een hogere rookvrije hoogte voor een vn van ongeveer 0,3 m/s wanneer er een balkon aanwezig is in het atrium. De methodes geven echter wel dezelfde resultaten voor grote extractiesnelheden. Op basis hiervan kunnen we reeds zeggen dat de aanwezigheid van een balkon in het atrium geen belangrijke wijziging aanbrengt in de atriumstroming. Volgende figuren (Figuur 7.15) tonen de positie van de roetdeeltjes en de verticale wervel in de geometrie met een balkon en de standaard Porehgeometrie bij vn = 0, 35 m/s.

83

(a)

(b)

(c)

(d)

Figuur 7.15: De positie van de roetdeeltjes (a & b) en de verticale wervel (c & d) bij de standaard porehgeometrie & de geometrie met een balkon met vn = 0, 35 m/s

De figuren die de positie van de roetdeeltjes weergeven laten duidelijk zien dat de roetdeeltjes zich concentreren rond het balkon. De rookpluim zal zich ondanks het balkon toch hechten aan de linkse atriumwand: de vorming van een rooklaag in het atrium wordt dus niet verstoord door een balkon. In de beide situaties verliest de rooklaag zijn 1D-karakter in de buurt van vn = 0, 35 m/s. De figuren die de verticale wervel weergeven tonen dat de rooklucht over de rand van het balkon buigt en daar het volume, ingesloten door het balkon, vult. Doordat een deel van de rooklucht wordt omgebogen, ontstaat er een intensere menging tussen de rooklucht en de verse lucht ter hoogte van het balkon. Dit is ook zichtbaar op de figuren met de roetdeeltjes: de rookpluim is meer diffuus ter hoogte van het balkon. Een ander verschil dat zichtbaar is op de figuren van de verticale wervel is het feit dat de zone met de grootste verticale snelheid naar boven verschuift wanneer er een balkon aan de overgangsopening wordt geplaatst. Hierdoor is er slechts 1 verticale wervel zichtbaar in de geometrie met het balkon t.o.v. de 2 kleinere wervels die zichtbaar zijn in de standaard Porehgeometrie. We zullen nu bekijken of de aanwezigheid van een balkon een groter 1D-karakter geeft aan de rooklaag ter hoogte van de overgangsopening. Dit zou aanleiding geven tot een kleiner verschil in het zs -verloop in het symmetrievlak en aan een atriumwand. Volgende grafieken (Figuur 7.16) geven de resultaten van het zs -verloop in het symmetrievlak en aan een atriumwand op basis van het temperatuursbeeld. De resultaten van de gemiddelde methode toegepast op het CO2 -verloop geven exact dezelfde waarden.

84

(a)

(b)

Figuur 7.16: Het zs -verloop in het symmetrievlak en aan een atriumwand op basis van de gemiddelde methode toegepast op het temperatuursbeeld bij de geometrie met een balkon

Opnieuw komt het verloop ons bekend voor nl. de rookvrije hoogte in het symmetrievlak die praktisch constant is, terwijl de rookvrije hoogte aan de atriumwand duidelijk een dip vertoont bij een variërende vn . Volgende grafieken (Figuur 7.17) vergelijken het zs -verloop in het symmetrievlak en aan een atriumwand tussen de geometrie met een balkon en de standaard Porehgeometrie.

(a)

(b)

Figuur 7.17: Het zs -verloop vergeleken in het symmetrievlak en aan een atriumwand tussen de geometrie met een balkon en de standaard Porehgeometrie

Het zs -verloop in het symmetrievlak dat we reeds zagen in Figuur 7.14 is niet beduidend veranderd door de aanwezigheid van een balkon. Het zs -verloop aan een atriumwand zal een minder grote dip vertonen door de aanwezigheid van een balkon. Dit kunnen we verklaren doordat de stroming, die uit de kamer komt, nu langer gedwongen wordt om horizontaal te stromen waardoor het rookluchtmassadebiet meer tijd heeft om zich te herverdelen over de breedterichting, en de rooklaag hierdoor een groter 1D-karakter ontwikkelt.

85

7.3.2

Het effect van de balkonlengte

De eerste balkonparameter, die we laten variëren, is de lengte. In de vorige paragraaf hebben we gebruik gemaakt van een balkon met lengte van 0,3 m. Nu zullen we kijken naar de verschillen tussen deze balkongeometrie (l=0,3 m) en een geometrie voorzien van een balkon met een lengte van 0,6 m, een breedte van 0,9 m en een hoogte van 0,15 m. We weten dat deze lengte t.o.v. atriumlengte (2,5 m) relatief groot is en dat zulke balkons niet frequent in de realiteit zullen voorkomen. We zijn echter vooral ge¨ınteresseerd in het verschil in de stroming dat veroorzaakt wordt door het langere balkon. Wanneer de verschillen beperkt zijn, kunnen we besluiten dat de balkonlengte geen cruciale parameter is van de atriumstroming. Volgende grafieken (Figuur 7.18) tonen de zs -resultaten van de 2 berekeningsmethodes toegepast op het temperatuursbeeld en het CO2 -verloop in de geometrie met het lange balkon.

(a)

(b)

Figuur 7.18: Het zs -verloop in het symmetrievlak op basis van de 4 berekeningsmethodes in ˙ de geometrie met een lang balkon bij Q=5,377 kW

De 2 constante berekeningsmethodes geven wederom dezelfde zs -waarden en idem voor de 2 gemiddelde berekeningsmethodes. Wat we wel kunnen opmerken is dat de constante methode opvallend lagere zs -waarden voorspelt dan het model van Poreh voor kleine extractiedebieten. Aangezien dit in de vorige simulaties nooit het geval was, kan de oorzaak ervan kan liggen in de berekeningsmethode zelf. De constante methode gaat op zoek naar cellen die een bepaalde temperatuur of CO2 % hebben. De z-coördinaat van deze cellen wordt opgeslagen, en daarna wordt er een gemiddelde van deze coördinaten genomen. Door de aanwezigheid van het lange balkon zullen er meerdere cellen gevonden worden onder het balkon die een voldoende hoge temperatuur of CO2 % hebben. De z-coördinaat van deze cellen wordt mee opgenomen in de berekening en geven aanleiding tot een lagere gemiddelde rookvrije hoogte zs . Om deze reden zullen we de berekening van zs opnieuw uitvoeren waarbij de z-coördinaten van de cellen onder het balkon niet in rekening worden gebracht. We zijn niet genoodzaakt om ook de zs berekeningen van de geometrie met een balkonlengte van 0,3 m opnieuw te doen aangezien het aantal lage z-co¨ ordinaten hier voor de helft kleiner is, en deze waarden praktisch geen effect hebben op de gemiddelde waarde van de z-coördinaten. Volgende grafieken (Figuur 7.19) geven nu het correcte beeld van het zs -verloop op basis van de 4 berekeningsmethoden. Het verschil is zeer klein en daarom is het inderdaad niet nodig om de resultaten van de geometrie met een balkonlengte van 0,3 m te herberekenen.

86

(a)

(b)

Figuur 7.19: Het correcte zs -verloop in het symmetrievlak op basis van de 4 berekenings˙ methodes in de geometrie met een lang balkon bij Q=5,377 kW

Het kwalitatief verloop van de constante en de gemiddelde methode is niet veel verschillend van de geometrie met een balkonlengte van 0,3 m, en verschilt dus ook niet veel van de standaard Porehgeometrie. Volgende grafieken (Figuur 7.20) vergelijken het zs -verloop tussen de situatie met een balkonlengte van 0,3 m en de situatie met een balkonlengte van 0,6 m op basis van de constante en gemiddelde temperatuur. De resultaten van de constante en gemiddelde methode toegepast op het CO2 -verloop geven exact dezelfde zs -waarden.

(a)

(b)

Figuur 7.20: De vergelijking van het zs -verloop in het symmetrievlak tussen de geometrieën met een balkonlengte (l) van 0,3 m en 0,6 m

Deze figuren geven duidelijk aan dat er geen opmerkelijk verschil is in het zs -verloop tussen de geometriën met een verschillende balkonlengte. Op basis hiervan verwachten we dan ook geen grote verschillen te zien in de volgende beelden (Figuur 7.21) van de verticale wervel en de roetdeeltjes bij vn = 0, 35 m/s.

87

(a)

(b)

(c)

(d)

Figuur 7.21: De positie van de roetdeeltjes (a & b) en de verticale wervel (c & d) bij de geometrieën met een balkonlengte van 0,3 m & 0,6 m bij vn = 0, 35 m/s

Inderdaad, de verschillen zijn miniem: de wervel van de rooklucht rond de rand van het balkon is iets duidelijker aanwezig bij het langere balkon. De hoge concentraties aan roetdeeltjes zijn meer gelokaliseerd ter hoogte van het balkon bij het langere balkon dan bij het kortere balkon. Daardoor is de algemene temperatuur en CO2 % iets lager in de rooklaag bij de geometrie met het langste balkon. De gemiddelde methode houdt hier echter geen rekening mee terwijl de constante methode dit wel doet. De resultaten van de constante berekeningsmethodes zijn exact dezelfde voor de 2 balkonlengtes dus de algemene temperatuur in het atrium zal niet veel variëren. Op de figuur die de positie van de roetdeeltjes weergeeft in de geometrie met het lange balkon is het duidelijk zichtbaar dat de rookpluim turbulenter is, en er hier dus iets meer inmenging zal optreden. Volgende grafieken (Figuur 7.22) vergelijken het zs -verloop in het symmetrievlak en aan de atriumwand voor de 2 balkonlengtes. Deze grafieken geven een zeer gelijkaardig zs -verloop voor zowel het symmetrievlak als het vlak bij een atriumwand. De dip in het zs -verloop in een vlak bij de atriumwand blijft even diep bij elke balkonlengte, maar de dip is in beide gevallen minder diep dan bij de standaard Porehgeometrie.

88

(a)

(b)

Figuur 7.22: De vergelijking van het zs -verloop in het symmetrievlak en aan de atriumwand tussen de geometrieën met een balkonlengte (l) van 0,3 m en 0,6 m

7.3.3

Het effect van de balkonhoogte

In de vorige paragraaf hebben we gezien dat de lengte van het balkon geen cruciale parameter is voor de atriumstroming: de rookpluim kromt zich rond het balkon en zal zich toch hechten aan de linkse atriumwand. In deze paragraaf werken we met een balkonlengte van 0,3 m en een balkonbreedte van 0,9 m. We zullen 2 situaties met een verschillende balkonhoogte vergelijken (h1 = 0, 15 m en h2 = 0, 3 m). Opnieuw maken we hier de opmerking dat een balkonhoogte van 0,3 m niet erg realistisch is, maar als de verschillen tussen de 2 situaties klein zijn, weten we dat de balkonhoogte net als de balkonlengte geen groot effect heeft op de atriumstroming. Volgende figuren (Figuur 7.23) geven deze 2 situaties weer.

(a)

(b)

Figuur 7.23: De 2 bestudeerde situaties met de balkonhoogte als parameter a) h1 en b) h2

Volgende grafieken (Figuur 7.24) geven de zs -waarden weer bij de situatie met een balkonhoogte h2 waarbij we gebruik hebben gemaakt van de 4 berekeningsmethodes. De resultaten van de 4 berekeningsmethodes hebben ook in deze situatie het reeds gekende verloop. We zijn vooral benieuwd naar het verschil tussen de 2 situaties met een verschillende balkonhoogte, want op het eerste zicht zal dit verschil relatief klein zijn.

89

(a)

(b)

Figuur 7.24: Het zs -verloop in het symmetrievlak van de geometrie met een balkonhoogte h2 ˙ bij Q=5,377 kW

Volgende grafieken (Figuur 7.25) vergelijken het zs -verloop, bekomen op basis van de constante en gemiddelde methode toegepast op het temperatuursbeeld, tussen de 2 situaties. Zoals verwacht bevestigen deze grafieken ons vermoeden. Het verschil tussen het zs -verloop van de 2 situaties is miniem.

(a)

(b)

Figuur 7.25: Het zs -verloop in het symmetrievlak tussen de 2 situaties (h1 & h2 ) op basis van a) de constante methode en b) de gemiddelde methode

90

Volgende figuren (Figuur 7.26) tonen de positie van de roetdeeltjes en de verticale wervel bij vn = 0, 35 m/s.

(a)

(b)

(c)

(d)

Figuur 7.26: De positie van de roetdeeltjes (a & b) en de verticale wervel (c & d) bij de geometrieën met een balkonhoogte van h1 & h2 bij vn = 0, 35 m/s

Deze beelden bevestigen inderdaad een zeer gelijkaardige atriumstroming in de 2 beschouwde situaties. Het opwaartse en neerwaartse been van de kleine wervel rond het balkon is iets meer uitgesproken bij het hoger balkon, maar dit heeft geen effect op de hoofdstroming in het atrium. In beide situaties begint de rooklaag in het atrium rond een vn -waarde van 0,35 m/s zijn 1D-karakter te verliezen. Ten slotte bekijken we het verschil in het zs -verloop in het symmetrievlak en aan een atriumwand tussen de 2 situaties. Volgende grafieken (Figuur 7.27) tonen het zs -verloop in het symmetrievlak en aan een atriumwand waarbij we gebruik maken van de gemiddelde methode toegepast op het CO2 -verloop.

91

(a)

(b)

Figuur 7.27: Het verschil in zs -verloop in a) het symmetrievlak en b) aan een atriumwand tussen de 2 situaties (h1 & h2 ) op basis van het gemiddelde CO2 -verloop

Op basis van ook deze laatste grafieken kunnen we besluiten dat zowel de balkonlengte als de balkonhoogte geen vernoembaar effect hebben op de hoofdstroming in de beschouwde geometrie.

7.3.4

Het effect van de balkonbreedte

In de vorige simulaties hebben we steeds gebruik gemaakt van een balkon dat even breed is als het atrium en de overgangsopening. Wanneer de balkonbreedte kleiner is dan de atriumbreedte en het balkon centraal wordt geplaatst, zal het rookgasmengsel dat via de hoeken van de overgangsopening in het atrium stroomt naast het balkon stromen, terwijl de centrale stroming van het rookgasmengsel eerst onder het balkon door moet stromen voordat de rookgassen kunnen stijgen. In deze paragraaf maken we gebruik van een balkon met een lengte van 0,3 m, een breedte van 0,5 m en een hoogte van 0,15 m. De waarden van de balkonlengte en de balkonhoogte zijn gelijk aan deze van het eerste balkon dat we hebben bekeken. We zullen de stromingen bij deze 2 situaties vergelijken. Volgende figuren (Figuur 7.28) tonen de 2 geometrieën.

(a)

(b)

Figuur 7.28: De 2 situaties met een balkonbreedte van a) 0,9 m b) 0,5 m en dezelfde balkonlengte (0,3 m) en balkonhoogte (0,15 m)

92

We verwachten ook hier geen opvallende verschillen in het zs -verloop tussen de 2 situaties, aangezien de balkonlengte en de balkonhoogte geen aanleiding gaven tot significante verschillen. Deze verwachting sluit aan bij de bevindingen van Tousseyn: hij had reeds opgemerkt dat een variatie van de balkonbreedte geen duidelijk effect had op de inmenging met de rookpluim. Volgende grafieken (Figuur 7.29) geven de zs -waarden voor een variabele extractiesnelheid vn van 0,15 m/s tot 0,7 m/s op basis van de 4 berekeningsmethodes.

(a)

(b)

Figuur 7.29: Het zs -verloop in de geometrie voorzien van een smal balkon op basis van de 4 ˙ berekeningsmethodes in het symmetrievlak bij Q=5,377 kW

De 4 berekeningsmethodes geven dezelfde rookvrije hoogte weer voor extractiesnelheden tot 0,45 m/s. Voor grotere extractiesnelheden geven de constante en de gemiddelde methode aanleiding tot verschillende zs -waarden. Opvallend is de lokale toename in zs op basis van de gemiddelde methoden ter hoogte van vn = 0, 55 m/s, terwijl de constante methodes geen toename vertonen bij deze extractiesnelheid. Deze toename was niet te zien in de grafieken van de situatie met een balkonbreedte van 0,9 m. We bekijken a.d.h.v. volgende figuren (Figuur 7.30) de positie van de roetdeeltjes en de verticale wervel bij vn = 0,5 m/s en 0,55 m/s. De figuren tonen dat bij een vn = 0, 55 m/s de roetdeeltjes meer blijven hangen tegen het atriumplafond in plaats van deel te nemen aan de verticale wervel. Hierdoor zijn er minder roetdeeltjes die mengen met de verse lucht ter hoogte van de opening in de rechter atriumwand. Het neerwaartse been van de verticale wervel is minder uitgesproken bij een extractiesnelheid van 0,55 m/s, waardoor de rookvrije hoogte zs een grotere waarde aanneemt. Dit is de verklaring voor de lokale toename in zs ter hoogte van vn = 0, 55 m/s. Aangezien de toename enkel zichtbaar is voor één bepaalde vn -waarde zullen we er niet verder op ingaan.

93

(a)

(b)

(c)

(d)

Figuur 7.30: De positie van de roetdeeltjes (a & b) en de verticale wervel (c & d) in het symmetrievlak bij de geometrie met een balkonbreedte van 0,5 m bij vn = 0, 5 m/s & vn = 0, 55 m/s

We zullen nu a.d.h.v. volgende figuren (Figuur 7.31) bekijken of het zs -verloop veel verschilt in de situaties met een verschillende balkonbreedte in het symmetrievlak en in de buurt van een atriumwand, de lokale piek ter hoogte van vn = 0, 55 m/s buiten beschouwing gelaten.

(a)

(b)

Figuur 7.31: De vergelijking van het zs -verloop a) in het symmetrievlak en b) in de buurt van een atriumwand tussen de situaties met een verschillende balkonbreedte

94

Het zs -verloop in het symmetrievlak is zeer gelijkaardig op de lokale afwijking ter hoogte van vn = 0, 55 m/s na. Het zs -verloop in de buurt van een atriumwand is echter volledig verschillend bij de 2 situaties, wat te verwachten was. Wanneer het balkon een breedte heeft van 0,9 m zal de stroming in de buurt van een atriumwand ook langs het balkon moeten stromen, terwijl dit niet het geval is bij een balkon met een breedte van 0,5 m. In deze laatste situatie kan het rookmengsel meteen stijgen langs het balkon heen. We kunnen ons dus deels aansluiten bij de conclusie van Tousseyn nl. dat de balkonbreedte geen cruciale parameter is voor de stroming. We merken echter wel op dat de balkonbreedte wel degelijk een effect heeft op de stroming in de nabijheid van de atriumwanden, en dus ook op de rookvrije hoogte in de buurt van de atriumwanden.

7.3.5

Het effect van een extra opening ter hoogte van het balkon

In de literatuurstudie hebben we kort het onderzoek van M. Poreh besproken. Hij heeft eerst een model voor een vrije hoekrookpluim opgesteld en daarna een model voor een aangehechte hoekrookpluim. De rookpluim is in alle situaties die we tot nu toe hebben besproken aangehecht geweest aan de linkse atriumwand. Stel dat er in het atrium, dat voorzien is van een balkon, net boven de overgangsopening een extra opening voor verse lucht wordt gemaakt. De afmetingen van deze opening zijn dezelfde als de overgangsopening m.a.w. dezelfde breedte als de kamer en het atrium (0,9 m) en dezelfde hoogte als de kamer (0,6 m). Volgende figuur (Figuur 7.32) geeft de beschreven geometrie weer.

Figuur 7.32: De geometrie met 2 openingen voor de inlaat van verse lucht

We vermoeden dat de rooklaag zich rond de balkonhoek zal krommen maar in deze situatie niet zal aanhechten aan de linkse atriumwand, doordat er een instroom van verse lucht door de extra opening is. We vermoeden ook dat de kleine verticale wervel van de rooklucht rond de rand van het balkon nu niet meer zal optreden. Deze situatie lijkt op de opstelling die M. Poreh heeft gebruikt om het model van een vrije hoekrookpluim te bepalen. Toch is er een verschil tussen de opstelling van figuur 7.32 en de geometrie die Poreh gebruikte nl. in de opstelling van Poreh waren de 2 openingen niet even groot maar ze stopten wel op dezelfde z-co¨ ordinaat en ze waren beide van oppervlakte groter dan de openingen die wij gebruiken in onze simulaties. Intu¨ıtief is het makkelijk aan te voelen dat er meer inmenging van verse lucht zal optreden door het plaatsen van deze extra opening, en dat daardoor de rooklaag minder dens maar ook dikker zal zijn. Dit bleek ook uit het onderzoek van M. Poreh: het model van een vrije rookpluim is toepasbaar op een vrije resp. aangehechte hoekrookpluim, op voorwaarde dat de entrainment coëfficiënt wordt aangepast tot C=0,15 resp. C=0,07. We laten nu de extractiesnelheid van de ventilator variëren tussen 0,15 m/s en 0,75 m/s en berekenen telkens de rookvrije hoogte zs op basis van de 4 berekeningsmethodes. Volgende grafieken (Figuur 7.33) geven deze resultaten weer.

95

(a)

(b)

Figuur 7.33: Het zs -verloop in het symmetrievlak op basis van a) het temperatuursverloop ˙ en b) het CO2 -verloop bij Q=5,377 kW

Op basis van deze figuren kunnen we besluiten dat er niet veel meer inmenging zal optreden als gevolg van de instroom van de verse lucht door de extra opening. Het zs -verloop volgt beter de rechte waarbij C gelijk is aan 0,07 in het model van Poreh i.p.v. C=0,15 die typisch wordt gebruikt voor vrije hoekrookpluimen. Volgende figuren (Figuur 7.34) vergelijken de positie van de roetdeeltjes tussen de geometrie met een extra opening en de geometrie, die ook voorzien is van een balkon maar waar slechts 1 opening is aangebracht in het atrium, bij vn = 0, 35 m/s en vn = 0, 5 m/s.

(a)

(b)

(c)

(d)

Figuur 7.34: De positie van de roetdeeltjes bij de geometrie met 1 opening (a & c) en bij de geometrie met 2 openingen (b & d) met vn = 0, 35 m/s & vn = 0, 5 m/s

96

Het is duidelijk op deze figuren dat door de aanwezigheid van de 2de opening de rookpluim niet meer aanhecht aan de linkse atriumwand en we hier dus wel degelijk te maken hebben met een vrije hoekrookpluim. Opvallend is ook dat de rooklaag bij vn = 0, 35 m/s zijn 1D-karakter verliest wanneer er maar 1 opening is voorzien, en dit pas later gebeurt wanneer er 2 openingen zijn voorzien. Dit kan enerzijds verklaard worden door het feit dat de totale oppervlakte voor de intrede van de verse lucht nu verdubbeld is, waardoor de snelheid van de stroming verse lucht verlaagt en dus de verticale wervel verzwakt, en anderzijds doordat het balkon de stroming met een hoge concentratie aan roet niet meer hindert. Het is goed zichtbaar dat de stroming met een hoge concentratie aan roet blijft hangen ter hoogte van het balkon terwijl dit niet het geval is in de situatie met 2 openingen. Voor grotere extractiedebieten is de rooklaag zijn 1D-karakter verloren in beide situaties. De roetdeeltjes hebben de neiging om te blijven hangen in de linker bovenhoek van het atrium in de situatie met de 2 openingen. In deze hoek is er niet veel stroming en daarom worden de roetdeeltjes niet meer verspreid over het atrium wat wel het geval is bij de situatie met 1 opening. Volgende figuren (Figuur 7.35) tonen de verticale en horizontale wervel bij de situaties met 1 opening en 2 openingen bij vn = 0, 5 m/s.

(a)

(b)

(c)

(d)

Figuur 7.35: De verticale & horizontale snelheid in het symmetrievlak bij de situatie met 1 opening (a & c) en de situatie met 2 openingen (b & d) met vn = 0, 5 m/s

Op basis van deze figuren is het duidelijk dat de inmenging van 2 kanten komt wanneer er 2 openingen aanwezig zijn. Dit zorgt voor een lagere onderdruk beneden in het atrium waardoor het debiet dat door de rechtse opening wordt aangezogen iets kleiner is (lagere snelheden), maar dit wordt dan weer gecompenseerd door het debiet dat aangezogen wordt door de 2de opening. Zoals we reeds hadden aangehaald is er een dode hoek in de verticale stroming zichtbaar in de linker bovenhoek van het atrium. Daar maakt de stroming eigenlijk een wervel in tegenwijzerzin die de grote atriumwervel (in wijzerzin) tegen werkt. Dit verklaart waarom de roetdeeltjes in mindere mate verspreid zijn over het atrium wanneer er 2 openingen zijn voorzien. 97

Volgende grafieken (Figuur 7.36) vergelijken het zs -verloop in het symmetrievlak en in de buurt van een atriumwand voor een variërende extractiesnelheid tussen 0,15 m/s en 0,7 m/s.

(a)

(b)

Figuur 7.36: Het zs -verloop a) in het symmetrievlak en b) in de buurt van een atriumwand op basis van het gemiddelde temperatuurverloop

De zs -verlopen in het symmetrievlak van de situatie met 1 en 2 opening(en) zijn zeer gelijkaardig. Het verloop van de rookvrije hoogte in de buurt van een atriumwand is dit echter niet: beide zs -verlopen vertonen de verwachte dip maar niet bij dezelfde extractiesnelheid vn . De reden voor de dip is wel dezelfde in beide situaties nl. de verticale wervel die meer uitgesproken is in de buurt van de atriumwanden dan in het symmetrievlak en die zorgt voor een homogene verspreiding van de roetdeeltjes in het atrium. Aangezien het plaatsen van een extra opening in het atrium de verticale wervel verzwakt, hadden we wel verwacht dat de dip in het zs -verloop aan een atriumwand pas zou optreden bij een extractiesnelheid groter dan 0,5 m/s. We moeten nog opmerken dat bij een extractiesnelheid groter dan vn = 0, 5 m/s in de situatie met 2 openingen het opwaarste been van de verticale wervel meer uitgesproken wordt en zo de dode hoek van de stroming verkleint. Dit zorgt ervoor dat er toch wat meer roetdeeltjes verspreid worden over het atrium. Volgende figuur (Figuur 7.37) toont dit aan bij vn = 0.6 m/s.

Figuur 7.37: De positie van de roetdeeltjes in het atrium bij vn = 0, 6 m/s

98

7.3.6

Het effect van meerdere balkons

In de vorige paragrafen hebben we slechts 1 balkon in het atrium geplaatst. We zullen in de volgende simulaties telkens 2 balkons in het atrium plaatsen. Op deze manier zullen we het hechten van de rookpluim aan de linkse atriumwand meer hinderen. We maken gebruik van balkons met een lengte van 0, 3 m, een breedte van 0, 9 m en een hoogte van 0, 15 m aangezien deze de meest realistische afmetingen zijn voor een balkon relatief gezien t.o.v. de afmetingen van het atrium. Een bijkomende parameter is de afstand d tussen de 2 balkons. Het eerste balkon zullen we zoals in de vorige situaties vlak boven de overgangsopening plaatsen. We beschouwen 2 situaties waarbij het tweede balkon zich respectievelijk 0,65 m en 1,3 m boven het eerste balkon bevindt. Bij de 1ste situatie (d = 0, 65 m) zal de rookpluim nog niet aangehecht zijn voordat de rookpluim het tweede balkon bereikt. Bij de 2de situatie (d = 1, 3 m) zal de rookpluim reeds aan de linkse atriumwand gehecht zijn voordat ze het tweede balkon bereikt. Onderstaande figuren (Figuur 7.38) tonen de 2 beschouwde situaties.

(a)

(b)

Figuur 7.38: De bestudeerde situaties met de afstand tussen de 2 balkons als parameter a) d = 0, 65 m en b) d = 1, 3 m

Volgende figuren (Figuur 7.39) tonen de positie van de roetdeeltjes en de verticale wervel bij vn = 0, 35 m/s in de 2 situaties. Op basis van deze figuren is het reeds duidelijk dat de afstand d tussen de balkons een belangrijk effect heeft op de atriumstroming. Wanneer de balkons niet ver van elkaar verwijderd zijn in de verticale richting, kan het opwaartse been van de verticale wervel zich niet hechten aan de linkse atriumwand tussen de balkons. De stroming is wel voldoende groot om het rookmengsel met een grote concentratie aan roetdeeltjes over de rand van het balkon te laten stromen. De kleine wervel, die optreedt aan de rand van een balkon en die we reeds hebben gezien in de vorige paragrafen, treedt hier dus twee keer op. Het is zichtbaar dat het mengsel met een grote concentratie aan roetdeeltjes ter hoogte van de balkons blijft hangen. Dit zorgt voor een lagere algemene temperatuur en een lager algemeen CO2 % in de rooklaag.

99

(a)

(b)

(c)

(d)

Figuur 7.39: De positie van de roetdeeltjes (a & b) en de verticale wervel (c & d) bij de geometrieën met een afstand van 0,65 m & 1,3 m tussen de balkons bij vn = 0, 35 m/s

Wanneer de balkons op voldoende verticale afstand van elkaar worden geplaatst, zal de rookpluim zich hechten aan de linkse atriumwand voordat de stroming rond het tweede balkon krult. Het is vooral de verstoring van de aangehechte rookpluim door het tweede balkon dat zorgt voor een extra inmenging met verse lucht, waardoor de rooklaag dikker is. In deze situatie (d=1,3 m) zorgt het tweede balkon voor een extra inmenging en fungeert het dus niet als een extra barrière voor de stroming met een hoge concentratie aan roet. Wanneer we slechts 1 balkon zouden plaatsen net boven de overgangsopening zoals we hebben besproken in paragraaf 7.3.1, hecht de rookpluim zich aan de linkse atriumwand op een hoogte van ongeveer 1,6 m. Dus voor d kleiner dan 1 m zal de stroming die optreedt in het atrium analoog zijn aan de stroming in de 1ste situatie (d = 0, 65 m). Voor d groter dan 1 m zal de stroming die optreedt in het atrium analoog zijn aan de stroming in de 2de situatie (d = 1, 3 m).

100

We laten nu voor de beide situaties de snelheid van de extractieventilator variëren. Volgende grafieken (Figuur 7.40) geven het zs -verloop weer voor de 2 situaties op basis van de 4 berekeningsmethodes.

(a)

(b)

Figuur 7.40: Het zs -verloop in a) situatie 1 (d = 0, 65 m) en b) situatie 2 (d = 1, 3 m) op ˙ basis van de 4 berekeningsmethodes bij Q=5,377 kW

Het zs -verloop van de 2 situaties is kwalitatief gelijkaardig maar kwantitatief niet. Bij de 2de situatie is de rookvrije hoogte duidelijk lager dan deze bij de 1ste situatie. Dit stemt overeen met de stromingsbeelden van de roetdeeltjes die we hiervoor hebben besproken. We zijn benieuwd hoe de zs -verlopen van de situaties met 2 balkons verschillen met de geometrie voorzien van 1 balkon. Volgende grafieken (Figuur 7.41) tonen dit verschil in zs -verloop op basis van de gemiddelde berekeningsmethode toegepast op het temperatuursbeeld.

(a)

(b)

Figuur 7.41: Het verschil in zs -verloop tussen de situatie met 1 balkon en a) situatie 1 (d = 0, 65 m) en b) situatie 2 (d = 1, 3 m) op basis van het gemiddelde temperatuursbeeld

101

Deze grafieken tonen duidelijk aan dat het verschil tussen 1 balkon en 2 balkons met kleine onderlinge verticale afstand beperkt is. Het verschil tussen 1 balkon en 2 balkons met een grote onderlinge verticale afstand is daarentegen relatief groot. De oorzaak hiervan zit in de functie van het 2de balkon. Ten slotte zijn we nog ge¨ınteresseerd in het zs -verloop aan de atriumwanden in de 2 beschouwde situaties. Volgende grafieken (Figuur 7.42) vergelijken het zs -verloop in het symmetrievlak en aan een atriumwand voor de 2 situaties met de geometrie voorzien van 1 balkon op basis van het gemiddeld CO2 -verloop.

(a)

(b)

(c)

(d)

Figuur 7.42: Het verschil in zs -verloop tussen de situatie met 1 balkon en situatie 1 (d = 0, 65 m) (a en b) en situatie 2 (d = 1, 3 m) (c en d) in y=0,45 m en y=0,85 m

Het zs -verloop in de buurt van een atriumwand verandert niet veel wanneer er meer dan 1 balkon wordt toegevoegd. Dit is logisch aangezien het karakter van de rooklaag aan de overgangsopening niet be¨ınvloed wordt door meerdere balkons in het atrium. Het is het 1ste balkon net boven de overgangsopening dat zorgt voor een groter 1D-karakter van deze rooklaag. In de 2de situatie (d=1,3 m) is de rookvrije hoogte dichtbij een atriumwand iets lager dan bij de geometrie met 1 balkon. Het grootste verschil in rookvrije hoogte zit echter in het symmetrievlak bij de 2de situatie.

102

7.3.7

Het effect van een downstand in combinatie met een balkon

Tot nu toe hebben we het effect van een downstand en van een balkon apart bekeken en besloten dat geen van beide een belangrijke invloed heeft op de atriumstroming. We zullen nu nagaan wat het effect is op de atriumstroming als beide in de geometrie worden geplaatst. We maken gebruik van een downstand met hoogte d geplaatst ter hoogte van de overgangsopening (x = 1, 25 m), en van een balkon net boven de overgangsopening met een lengte van 0,3 m, een breedte van 0,9 m en een hoogte van 0,15 m. In deze situatie staan het balkon en de downstand relatief dicht bij elkaar en is het mogelijk dat de stroming toch verandert t.o.v. de situatie waarin enkel een downstand of balkon was geplaatst. In het begin van dit hoofdstuk hebben we kort de onderzoeksresultaten van verschillende wetenschappers besproken. Hierin hebben we reeds vermeld dat er een maximale waarde van 2 wordt aangenomen voor de verhouding Mb /Mw . We hebben in de paragraaf 7.1.2 ook gesproken over Harrisons onderzoek [23] naar de inmenging van de lucht in de situatie waarin een downstand wordt gecombineerd met een balkon. Hij was tot volgende formule gekomen op basis van numerieke experimenten, waarbij de formule enkel geldt voor situaties waar de breedte van de opening (onder de downstand) gelijk is aan de breedte van het balkon, en de stroming tussen de downstand en het balkon geleid wordt. Hierin stelt Mb het massadebiet rooklucht voor ter hoogte van de balkonhoek en Mw het massadebiet rooklucht door de opening (onder de downstand). De hoogte van de ruimte onder het balkon wordt weergegeven door h en de hoogte van de ruimte onder downstand wordt weergegeven door h0 . De breedte van de ruimte ter hoogte van de downstand wordt weergegeven in w0 en b stelt de balkonlengte voor. Mb = 0, 89(

h0 −0,92 hMw ) ( ) w0 w0

(7.5)

Met volgende voorwaarden : 1, 16 < (

h0 −0,92 h ) ( ) < 2, 23 w0 w0

(7.6)

b h > 2, 5 (7.7) h0 h − h0 In de situatie die wij beschouwen is w0 = 0, 9 m, h = 0, 6 m, b = 0, 3 m en h0 = 0, 6 − d waarbij d de downstandhoogte voorstelt waar we in eerste instantie een waarde van 0,1 m en in tweede instantie een waarde van 0,2 m aan toekennen. Voor deze 2 mogelijke waarden van d is de 2de voorwaarde telkens voldaan maar de eerste voorwaarde is net niet voldaan voor d = 0, 1 m, wel voor d = 0, 2 m. Aangezien de breedte van de volledige geometrie nergens wordt verkleind, en dus de breedte van de opening gelijk is aan de balkonbreedte, moeten er geen speciale geleidingskanalen worden voorzien voor de stroming tussen de downstand en het balkon. Volgende figuren (Figuur 7.43) tonen de 2 situaties die we verder zullen bespreken.

(a)

(b)

Figuur 7.43: De geometrie van de 2 beschouwde situaties a) d = 0, 1 m en b) d = 0, 2 m

103

We zullen nu het verloop van de rookvrije hoogte bekijken bij een variërende snelheid van de extractieventilator in beide situaties en telkens Mw en Mb berekenen. Volgende grafieken (Figuur 7.44) tonen het zs -verloop op basis van de 4 berekeningsmethodes toegepast op data uit het symmetrievlak voor de 2 situaties bij een variërende vn van 0,15 m/s tot 0,7 m/s.

(a)

(b)

Figuur 7.44: Het zs -verloop bij a) situatie 1 met d = 0, 1 m en b) situatie 2 met d = 0, 2 m ˙ op basis van de 4 berekeningsmethodes bij Q=5,377 kW

De resultaten van de constante berekeningsmethodes bij de 2 situaties hebben een zeer gelijkaardig verloop. De resultaten van de gemiddelde berekeningsmethodes bij de 2 situaties vertonen toch kleine verschillen. Zo is de rookvrije hoogte iets groter bij de 1ste situatie (d = 0, 1 m) dan bij de 2de situatie (d = 0, 2 m) voor een extractiesnelheid van ongeveer 0,25 m/s. Voor de grote extractiesnelheden (vn > 0, 5 m/s) is het zs -verloop in beide situaties praktisch constant maar is deze constante iets groter bij de 2de situatie (zs = 1, 5 m) dan bij de 1ste situatie. We zullen nu in volgende grafieken (Figuur 7.45) telkens het zs -verloop van de gemiddelde methode vergelijken met het zs -verloop wanneer noch een balkon noch een downstand aanwezig is voor elke situatie.

(a)

(b)

Figuur 7.45: Het verschil in zs -verloop tussen de standaard Porehgeometrie en a) situatie 1 met d = 0, 1 m en b) situatie 2 met d = 0, 2 m op basis van de gemiddelde berekeningsmethode

104

Het zs -verloop van de 2 situaties verschilt het meest met het zs -verloop van de standaard porehgeometrie voor een extractiesnelheid van ongeveer 0,25 m/s. Voor de grote extractiesnelheden is de rookvrije hoogte iets groter bij de 2de situatie dan bij de standaard Porehgeometrie, maar we houden in ons achterhoofd dat de rooklaag bij deze grote extractiesnelheden zijn 1D-karakter reeds verloren is. Volgende figuren (Figuur 7.46) tonen de positie van de roetdeeltjes voor de standaard porehgeometrie en de 2 situaties die voorzien zijn van een balkon en een downstand bij vn = 0, 25 m/s en vn = 0, 55 m/s.

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

(f)

Figuur 7.46: De positie van de roetdeeltjes bij de standaard Porehgeometrie (a & d), de 1ste situatie met d = 0, 1 m (b & e) en de 2de situatie met d = 0, 2 m (c & f) bij vn = 0, 25 m/s & vn = 0, 55 m/s

Het is opvallend dat de roetvrije hoogte steeds het grootst is bij de 1ste situatie, zowel voor een kleine als een grote extractiesnelheid. We hadden een aantal paragrafen terug ontdekt dat hoe groter de downstand is, hoe meer roet en warmte er in de kamer wordt opgeslagen en hoe minder er in het atrium terecht komt. Op basis van de figuren zien we nu dat er bij een diepere downstand een groter debiet verse lucht wordt ingemengd, waardoor de rooklaag nu dikker wordt t.o.v. de situatie met een kleinere downstand. Deze vaststelling is in overeenstemming met de bevindingen van Harrison die namelijk had opgemerkt dat de inmenging het grootst is bij brede openingen met een diepe downstand. De aanwezigheid van een balkon zorgt er in de 2 situaties voor dat de stroming met een hoge concentratie aan roetdeeltjes wordt tegengehouden, zodat de algemene concentratie aan roetdeeltjes in de atriumrooklaag lager is. Door de grotere inmenging bij de diepere downstand is de rooklaag in deze situatie nu dikker dan in de situatie met een kleinere downstand, maar nog steeds iets dunner dan in de situatie van de standaard Porehgeometrie.

105

We zullen nu nagaan of de formule (Mb = f (Mw )) die Harrison heeft opgesteld wordt gevolgd voor de 2de situatie aangezien daar de 2 voorwaarden voldaan zijn. We zullen de formule ook toepassen op de 1ste situatie en kijken hoe groot de afwijking is op deze formule. Volgende grafieken (Figuur 7.47) tonen het verloop van Mw , Mb en de formule van Harrison voor een variërende extractiesnelheid.

(a)

(b)

(c)

(d)

Figuur 7.47: Het verloop van Mw en Mb in de eerste situatie (a & b) en de tweede situatie (c & d)

Voor de beide situaties is er voor geen enkel extractiedebiet een overstemming met de formule van Harrison. Voor de eerste situatie voorspelt de formule van Harrison een waarde van 1,02 voor de verhouding van Mb /Mw terwijl deze waarde voor de 2de situatie 1,25 bedraagt. De verhouding Mb /Mw die we berekenen op basis van de numerieke simulaties ligt steeds boven deze waarde. Er wordt zelfs 1 keer (vn = 0, 15 m/s) een verhouding bekomen net iets groter dan de maximale waarde 2 die in de literatuur wordt gebruikt. In het algemeen neemt de verhouding Mb /Mw grotere waarden aan in de 2de situatie dan in de 1ste situatie. Dit is in overeenstemming met de opmerking die we voordien hebben gemaakt nl. de inmenging van verse lucht is groter bij een diepere downstand. We besluiten op basis van deze grafiek dat we de formule van Harrison niet verder zullen toepassen, aangezien er nergens een overeenkomst met onze numerieke simulaties gevonden is.

106

Ten slotte bekijken we het zs -verloop in een vlak nabij een atriumwand voor de 2 situaties die voorzien zijn van een balkon en een downstand. Volgende grafieken (Figuur 7.48) tonen het verschil in zs -verloop tussen de 2 situaties en de standaard Porehgeometrie.

(a)

(b)

Figuur 7.48: Het verschil in zs -verloop nabij een atriumwand tussen de standaard Porehgeometrie en a) situatie 1 en b) situatie 2

Beide situaties geven een hogere rookvrije hoogte in de nabijheid van een atriumwand dan in de standaard Porehgeometrie. Dit kan verklaard worden door de aanwezigheid van een downstand die zorgt voor een groter 1D-karakter van de rooklaag in de kamer. De zs -verlopen van de situaties met downstand-balkon-combinatie zijn kwalitatief gelijkend op elkaar. De belangrijkste conclusie die we kunnen trekken is dat de aanwezigheid van een downstandbalkon-combinatie ervoor zorgt dat de grootte van de rookvrije hoogte in de nabijheid van een atriumwand niet meer behandeld moet worden als worst-case-waarde.

107

Hoofdstuk 8

Natuurlijke versus gedwongen extractie In dit hoofdstuk bekijken we opnieuw de geometrie van Poreh maar ditmaal zonder aanwezigheid van een extractieventilator. We zullen nu werken met een gewone opening op de plek waar de ventilator gepositioneerd was in de vorige hoofdstukken. In deze situatie is er dus sprake van natuurlijke convectie i.p.v. gedwongen convectie. De rooklucht heeft een lagere densiteit dan de omgevingslucht en zal daarom stijgen in het atrium, en zonder enige externe kracht door de opening in het atriumplafond verdwijnen. Het is nuttig om deze situatie te bekijken, aangezien de meeste gebouwen momenteel slechts voorzien zijn van een brandluik dat opengaat wanneer er brand gedetecteerd is, en niet voorzien zijn van extractieventilatoren door de aanzienlijke kost van deze installatie. We zullen verschillende situaties bekijken waarbij de opening in het atriumplafond een breedte heeft van 0,9 m en een variabele lengte heeft.

8.1

Standaard Porehgeometrie met natuurlijke convectie

We werken zoals gezegd in dit hoofdstuk met de Porehgeometrie die we in de vorige hoofdstukken ook hebben gebruikt. We kiezen ervoor om te werken met een extractieopening centraal in het atriumplafond die altijd een breedte heeft van 0,9 m en een lengte tussen 0,4 m en 2 m. Volgende figuur (Figuur 8.1) geeft de gebruikte geometrie weer waarbij de opening 0,8 m lang is.

Figuur 8.1: De geometrie van de eerste simulaties met natuurlijke convectie

108

8.1.1

De stromingen die optreden in deze geometrie

De stromingen die optreden in de kamer met de brandhaard in deze geometrie zijn dezelfde als deze in de Porehgeometrie met gedwongen convectie. De verse lucht stroomt binnen langs rechts in het atrium en zal deels mengen met de rooklucht in het atrium en deels horizontaal doorstromen naar de kamer. In de kamer duwt de verse lucht de rookpluim boven de brandhaard de kamer verder in, en zal de rooklucht botsen op de linkse wand van de kamer. Hierdoor worden er wervels ge¨ınduceerd in de breedterichting die ervoor zorgen dat de rooklaag aan de overgang van de kamer naar het atrium geen volledig 1D-karakter bezit. Er stroomt een relatief groot deel van het rookgasmassadebiet via de bovenste hoeken van de overgangsopening het atrium in. Volgende figuren (Figuur 8.2) tonen het densiteitsbeeld, de horizontale snelheid (u-snelheid) en het temperatuursbeeld aan de overgangsopening.

(a)

(b)

(c)

Figuur 8.2: Het temperatuursbeeld (a), densiteitsbeeld (b) en snelheidsbeeld (c) bij de overgang van de kamer naar het atrium bij een natuurlijke extractie

We bekijken nu de stroming die optreedt in het atrium zelf: de rooklucht die uit de kamer komt, hecht zich meteen aan de linker atriumwand en stijgt in het atrium totdat ze eindigt in een rooklaag. We zien zeer duidelijk op basis van volgende figuren (Figuur 8.3) dat de rookpluim in het atrium zich ook zal aanhechten over haar volledige lengte wanneer er een natuurlijke i.p.v. een gedwongen extractie wordt toegepast. De rooklaag zichtbaar in figuur 8.3.a vertoont kenmerken van een 1D-rooklaag (typisch voor kleine extractiedebieten) maar de rooklaag is niet meer volledig 1D, aangezien de beginselen van een multidimensionaalkarakter (typisch voor grote extractiedebieten) ook zichtbaar zijn. Op basis van de figuren die de verticale (fig c) en de horizontale (fig d) snelheid weergeven kunnen we zien dat er een duidelijke inmenging met verse lucht optreedt aan de linkse atriumwand door een onderdruk, en er een eerste verticale wervel zichtbaar is wanneer de aangehechte rookpluim tegen het atriumplafond botst. Daarna verdwijnt een deel van de rooklucht door de extractieopening en de rest van de rooklucht botst tegen de rechter atriumwand en creëert zo een neerwaartse stroming die deel uitmaakt van een tweede verticale wervel. Het is deze tweede wervel die ervoor zorgt dat de rooklaag zijn 1D-karakter verliest. In het algemeen vertoont ook de atriumstroming zeer veel similariteiten met de atriumstroming in de situatie van een gedwongen extractie.

109

(a)

(b)

(c)

(d)

Figuur 8.3: De positie van de roetdeeltjes (a), het temperatuursbeeld (b), de verticale (c) en horizontale (d) wervel in het atrium bij een natuurlijke extractie

8.1.2

Het verloop van zs bij een vari¨ erende lengte van de extractieopening

Op basis van de vorige paragraaf weten we dat de optredende stromingen in de geometrie dezelfde zijn als deze in de geometrie met een gedwongen convectie. Nu zullen we bekijken of het verloop van de rookvrije hoogte ook similariteiten vertoont met het zs -verloop bij gedwongen convectie. We laten de lengte van de extractieopening variëren tussen 0,4 m en 2 m. Opnieuw maken we gebruik van de 1ste instelling (stralingsvrij en adiabate wanden) voor de simulaties. De berekeningsmethodes voor Mb , Mz , Db en zs zijn dezelfde als deze die we toegepast hebben in de vorige hoofdstukken. Volgende grafieken (Figuur 8.4) tonen de resultaten van deze simulaties.

(a)

(b)

Figuur 8.4: De vergelijking tussen de simulatieresultaten (natuurlijke extractie bij ˙ Q=5,377kW) en het model van Poreh met data uit het symmetrievlak

110

De 4 berekeningsmethodes voor zs geven dezelfde resultaten voor kleine openingen (kleine extractiedebieten) maar niet meer voor grote openingen (grote extractiedebieten). Dit is volledig analoog met de situatie bij gedwongen convectie. De oorzaak voor het verschil in zs -waarde tussen de constante en gemiddelde methode is het feit dat de gemiddelde methode rekening houdt met de maximaal voorkomende temperatuur resp. CO2 % in het atrium, en de constante methode dit niet doet. We zien wel duidelijk dat ook hier de constante resp. gemiddelde methode dezelfde resultaten geven voor beide parameters (temperatuur en CO2 %). Volgende grafieken (Figuur 8.5) vergelijken het zs -verloop op basis van de constante en de gemiddelde methode toegepast op het temperatuursbeeld tussen de situaties van gedwongen en natuurlijke extractie. We vergelijken de rookvrije hoogte i.f.v. het extractiedebiet tussen de 2 situaties.

(a)

(b)

Figuur 8.5: De vergelijking in zs tussen natuurlijke en gedwongen extractie met data uit het ˙ symmetrievlak bij Q=5,377 kW

Het is opvallend dat het extractiedebiet Mz vanaf een bepaalde waarde niet meer toeneemt wanneer de extractieopening nog wel wordt vergroot. Dit is zichtbaar op beide grafieken nl. voor een extractiedebiet van ongeveer 0,5 kg/s varieert de rookvrije hoogte nog wel met de oppervlakte van de extractieopening maar blijft het debiet praktisch constant. Het is dus niet echt nuttig om de extractieopening te vergroten wanneer het extractiedebiet erdoor niet vergroot, want dan zal deze grotere opening gebruikt worden voor instroom van verse lucht, waardoor er een grotere menging en werveling optreedt in het atrium. Het is deze werveling die aanleiding geeft tot een kleinere gemiddelde zs -waarde i.f.v. een toenemende lengte van de extractieopening. Voor de kleine extractiedebieten (Mz < 0,45 kg/s) is de rookvrije hoogte even hoog voor de situaties van natuurlijke en gedwongen extractie. Rest ons nog enkel het zs -verloop aan een atriumwand te bekijken. Volgende grafieken (Figuur 8.6) tonen het zs -verloop in de nabijheid van een atriumwand i.f.v. het extractiedebiet.

111

(a)

(b)

Figuur 8.6: De vergelijking in zs tussen natuurlijke en gedwongen extractie in de buurt van ˙ atriumwand bij Q=5,377 kW

Opnieuw zijn de resultaten zeer gelijkaardig voor extractiedebieten kleiner dan 0,5 kg/s. Het zs -verloop toont een duidelijke dip ter hoogte van een bepaald extractiedebiet (Mz ' 0, 5 kg/s) veroorzaakt door de verticale wervel die meer uitgesproken is in de buurt van de atriumwanden dan in het symmetrievlak. Zowel bij gedwongen als natuurlijke extractie geeft een positie in de nabijheid van een atriumwand aanleiding tot een worst-case-waarde voor zs .

8.2

Effect van de positie van de extractieopening bij natuurlijke convectie

We hebben in de vorige paragraaf telkens de lengte van de extractieopening laten variëren, maar de positie van deze opening was steeds centraal in het atriumplafond. In de literatuur vinden we terug dat meerdere extractieplaatsen met een klein extractiedebiet een beter effect hebben op de rookvrije hoogte dan 1 extractieplaats met een groot extractiedebiet [25]. We zullen dit in deze paragraaf onderzoeken door nu gebruik te maken van 2 extractieopeningen waarvan de lengte samen varieert, de breedte constant is (0,9 m) en waarvan de totale oppervlakte steeds gelijk is aan de situatie met 1 extractieopening. Een extra vrijheidsgraad waarover we nu beschikken is de positie van deze 2 extractieopeningen.

8.2.1

Stromingen in de 2 beschouwde geometrie¨ en

We zullen 2 geometrieën beschouwen nl. de ene geometrie heeft 2 extractieopeningen in het atriumplafond (1 links en 1 rechts), de andere geometrie heeft 1 extractieopening centraal in het atriumplafond en 1 extractieopening bovenaan in de atriumwand op x = 3, 75 m. Volgende figuren (Figuur 8.7) tonen deze geometrieën waarbij alle extractieopeningen 0,5 m lang zijn. Het variëren in positie en grootte van de extractieopeningen zal geen effect hebben op de optredende stroming in de kamer. De rooklucht zal dus in beide geometrieën grotendeels via de hoeken van de overgangsopening het atrium instromen. We hebben reeds gezien dat een linkse extractie in het atriumplafond ervoor zorgt dat de verticale wervel het atrium praktisch in 2 delen deelt. De rechtse extractieopening in het atriumplafond zal waarschijnlijk niet in staat zijn deze sterke verticale wervel te onderbreken. Het is grotendeels de linkse extractieopening die zorgt voor de afvoer van de rookgassen.

112

(a)

(b)

Figuur 8.7: De 2 beschouwde geometrieën: a) geometrie met 2 openingen in het atriumplafond en b) geometrie met 1 opening in het atriumplafond en 1 in de rechtse atriumwand

Wanneer er echter maar 1 extractieopening centraal in het atriumplafond wordt geplaatst, zijn er typisch 2 kleinere verticale wervels zichtbaar in het atrium. Het plaatsen van een tweede opening in de rechtse atriumwand heeft tot doel om de resterende rooklucht, die niet door de extractieopening in het atriumplafond is gestroomd en die nu dus horizontaal stroomt, toch naar buiten te laten stromen in plaats van deze op de atriumwand te laten botsen. Op deze manier zou het kunnen dat het neerwaartse been van de verticale wervel minder uitgesproken is en er dus minder menging optreedt. Volgende figuren (Figuur 8.8) tonen de verticale en horizontale snelheidsbeelden in het atrium. Het is duidelijk dat de stroming voornamelijk verticaal is bij de geometrie met 2 extractieopeningen in het atriumplafond en er duidelijk een horizontale en verticale stroming zichtbaar is in de geometrie met 1 opening in het atriumplafond en 1 opening in de rechtse atriumwand.

(a)

(b)

(c)

(d)

Figuur 8.8: De wervels in de 2 beschouwde geometrieën: de verticale wervel (a & c) en de horizontale wervel (b & d)

113

Het is moeilijk te voorspellen welke van de 2 geometrieën aanleiding zal geven tot de grootste rookvrije hoogte. Een tweede vraag die we ons stellen is of beide geometrieën een grotere rookvrije hoogte creëeren dan in de situatie met 1 grote extractieopening. Volgende figuren (Figuur 8.9) tonen de positie van de roetdeeltjes bij de 2 beschouwde geometrieën. Het is duidelijk dat er meer gebieden zijn met een hogere concentratie roetdeeltjes in de geometrie met 1 centrale extractieopening in het atriumplafond, doordat de rooklucht nu een langere weg aflegt in het atrium voordat het in contact komt met de eerste extractieopening. Het is echter ook duidelijk dat de verticale wervel, die zorgt voor de homogene verdeling van de roetdeeltjes in het atrium, minder uitgesproken is bij de situatie met 1 centrale extractieopening in het atriumplafond.

(a)

(b)

Figuur 8.9: De positie van de roetdeeltjes bij a) geometrie met 2 openingen in het atriumplafond en b) geometrie met 1 opening in het atriumplafond en 1 in de rechtse atriumwand

8.2.2

Het zs -verloop bij een vari¨ erende lengte van de extractieopeningen in de 2 beschouwde geometrie¨ en

We zullen nu de lengte van de extractieopeningen laten variëren tussen 0,2 m en 1 m. Op deze manier is de som van de oppervlakken van de 2 extractieopeningen steeds gelijk aan de oppervlakte van de centrale, grote extractieopening in de basis Porehgeometrie. Dit geeft ons de mogelijkheid om onze resultaten te vergelijken met deze uit de paragraaf van de basis Porehgeometrie. De volgende grafieken (Figuur 8.10) tonen het zs -verloop in functie van de lengte van de extractieopeningen op basis van het constante en gemiddelde temperatuursbeeld. De resultaten op basis van het CO2 -verloop geven exact dezelfde waarden. Op basis van deze grafieken is er al een duidelijk verschil merkbaar in zs tussen de 2 geometrieën. Bij de 1ste geometrie (2 extractieopeningen in het atriumplafond) is er steeds een groot verschil tussen de constante en gemiddelde methode, en beide methodes geven duidelijk lagere zs -waarden dan voorspeld door de formule van Poreh. Deze opmerkingen zijn in overeenstemming met de stroming bij deze geometrie die we hebben besproken in de vorige paragraaf: de stroming met een hoge concentratie aan roetdeeltjes zal snel uit het atrium stromen door de linkse extractieopening. De rechtse extractieopening kan de sterke verticale wervel niet onderbreken waardoor de warmte en het roet homogeen verdeeld worden over het atrium. Dit geeft aanleiding tot een lage zs -waarde die we terugvinden in de resultaten van de gemiddelde methode.

114

(a)

(b)

Figuur 8.10: Het zs -verloop bij a) de situatie met 2 openingen in het atriumplafond en b) de situatie met 1 opening in het atriumplafond en 1 in de rechtse atriumwand bij ˙ Q=5,377 kW

Bij de 2de geometrie (1 extractieopening in het atriumplafond en 1 in de rechtse atriumwand) is het verschil tussen de constante en gemiddelde methode veel kleiner. Ook dit is in overeenstemming met de reeds besproken stroming. De stroming met een grote roetconcentratie legt een langere weg af in het atrium maar wordt ook minder homogeen verspreid over het atrium, wat het kleinere verschil tussen de constante en gemiddelde methode verklaart. We richten ons nu op het verschil in zs -verloop tussen het symmetrievlak en aan een atriumwand. Volgende grafieken (Figuur 8.11) tonen deze zs -verlopen op basis van het gemiddelde temperatuursbeeld voor beide geometrieën.

(a)

(b)

Figuur 8.11: Het zs -verloop in het symmetrievlak en in de nabijheid van een atriumwand bij a) de 1ste situatie en b) de 2de situatie

De zs -waarde in de nabijheid van een atriumwand is steeds lager dan de zs -waarde in het symmetrievlak voor beide geometrieën. Dit was te verwachten aangezien we reeds hadden opgemerkt dat de stroming in de kamer niet verandert door wijzigingen aan het extractiesysteem. Hierdoor stroomt er meer rooklucht via de hoeken van de overgangsopening in het atrium, waardoor het logisch is dat de rookvrije hoogte op deze plaatsen lager is dan de rookvrije hoogte in het symmetrievlak.

115

We bekijken nu voor de 2 geometrieën het verschil met de standaard Porehgeometrie (1 grote, centrale extractieopening). Volgende grafieken (Figuur 8.12) tonen het zs -verloop in functie van de som van alle lengtes van de extractieopeningen. De geometrieën met 2 extractieopeningen hebben 2 openingen met een zelfde lengte maar in de grafiek staat de som van deze lengtes op de abscis. Om deze reden laten we de totale lengte van de extractieopeningen variëren tussen 0,4 m en 2m.

(a)

(b)

Figuur 8.12: Het verschil in zs -verloop tussen de standaard Porehgeometrie en a) de 1ste situatie en b) de 2de situatie

Het is opvallend dat het vervangen van 1 grote, centrale extractieopening door 2 kleine extractieopeningen in het atriumplafond geen positief effect heeft op de rookvrije hoogte. De linkse extractieopening zorgt voor een grote afvoer van rooklucht maar versterkt op deze manier ook de verticale wervel in het atrium waardoor er een homogene menging plaatsvindt. Het vervangen van 1 grote, centrale extractieopening door 1 kleine extractieopening in het plafond en 1 extractieopening in de rechtse atriumwand geeft geen echte verbetering van de rookvrije hoogte voor kleine openingen, maar er is wel een positief effect zichtbaar voor grotere openingen. De reden hiervoor is dat het neerwaartse been van de verticale atriumwervel minder uitgesproken is in de 2de situatie, waardoor er minder menging optreedt. We merken nog wel op dat in de beide geometrieën met 2 extractieopeningen het totale extractiedebiet ook satureert (Mz,tot ' 0,5 kg/s). Het extra vergroten van de extractieopeningen in deze situatie leidt niet tot een toename van het extractiedebiet.

116

Deel III

Het gebruik van schalingswetten op de atriumgeometrie

117

Hoofdstuk 9

Schalingswetten en grootschalige simulaties op de atriumgeometrie 9.1

Inleiding

In dit hoofdstuk zullen we nagaan of het mogelijk is kennis te vergaren over een stroming in een grootschalige geometrie door de stroming in een kleinschalige similaire geometrie te bestuderen. Intu¨ıtief voelen we reeds aan dat er een aantal parameters van de geometrie moeten voldoen aan bepaalde wetten voordat de stromingen in de grootschalige en kleinschalige geometrieën gelijkaardig zijn. Anderzijds verwachten we ook dat niet alle krachten die de stroming bepalen volledig correct kunnen opgeschaald worden van de kleine naar de grote geometrie. Zo zal bv. de versnelling veroorzaakt door de zwaartekracht g even groot zijn in de kleine geometrie als in de grote geometrie wanneer er reële experimenten worden gedaan. We zullen in dit hoofdstuk eerst kort bespreken welke schalingswetten in de praktijk het meest gebruikt worden en of ze goede resultaten geven. Daarna zullen we deze schalingsmethodes toepassen op de geometrie van Poreh.

9.2

Bespreking van schalingswetten uit de literatuur

In de literatuurstudie (paragraaf 2.5) hebben we het schalen volgens het Froudegetal reeds kort besproken. Hier hebben we reeds de opmerking gegeven dat er dimensieloze groepen (o.a. Re) zijn die niet worden behouden tijdens een Froudeschaling. Toch wordt deze schalingsmethode heel vaak toegepast in de praktijk o.a. door Chow in zijn reële experimenten en in zijn artikel [25] over schalingsmethodes bij stromingsbewegingen in atria. We zullen nu eerst bekijken wat een Froudeschaling impliceert op de basiswetten van de stromingsmechanica. We steunen hier bij op een artikel [26] van N. Tilley. We bekijken eerst de wet die het behoud van massa voorstelt. ∂ρ 00 + ∇.ρ~u = m˙ b ∂t

118

(9.1)

Waarbij we weten dat t ∼ Lu . We werken steeds met de steady-state situatie van onze simulaties in de berekeningen. Wanneer we ge¨ınteresseerd zijn in de manier waarop de rook het atrium vult, zullen we wel rekening moeten houden met een dimensieloze tijdsparameter om verschijnselen op similaire tijdstippen te kunnen vergelijken. Nu bekijken we de wet die het behoud van moment verzekert waarbij τij de spanningsvector voorstelt. ∂(ρ~u) + ∇.ρ~u~u + ∇p = ρg + fb + ∇.τij ∂t

(9.2)

Voor de volledige definitie van de spanningsvector τij verwijzen we naar het artikel [26] van N.Tilley. Op basis van deze behoudswet kunnen we stellen dat : ρu ρu2 p u ∼ ∼ ∼ ρg ∼ f ∼ µ 2 (9.3) t L L L Hierin stelt µ de dynamische viscositeit van het flu¨ıdum voor. Het is deze viscositeit in combinatie met de snelheidsvector die aanleiding geeft tot de spanningsvector τij in de behoudswet. Op bais van bovenstaande similariteiten kunnen we 3 dimensieloze groepen afleiden. • Froudegetal:

• Reynoldsgetal:

• Eulergetal:

u inertiekrachten Fr = √ = zwaartekracht gL

(9.4)

Re =

uL inertiekrachten = ν viskeuze krachten

(9.5)

Eu =

∆p drukverschil = ρu2 kinetische energie

(9.6)

In onze situatie waar we werken met gedwongen convectie zijn vooral het Froudegetal en het Reynoldsgetal belangrijk. Het Eulergetal is hierbij minder belangrijk, aangezien het niet drukverschillen zijn die de stroming bepalen maar de extractieventilator die bepaalt hoeveel massadebiet rooklucht er wordt afgezogen. Als laatste bekijken we de wet die zorgt voor een behoud van energie. We maken hier gebruik van de energiewet in de vorm van een transportwet van enthalpie. ∂(ρhs ) Dp 000 000 00 + ∇.ρhs ~u = + q˙ − q˙b − ∇.q˙ + τij ∇~u ∂t Dt

(9.7)

00

Opnieuw verwijzen we naar het artikel voor uitgebreide formules voor q˙ . Op basis van deze transportwet kunnen we ook hier een aantal similariteiten bepalen. ρCp T u ρCp T ρCp T D p Q kT u2 ∼ ∼ ∼ 3 ∼ 2 ∼ ∼ µ t L t L L L2 L2 Ook hier kunnen we een aantal dimensieloze groepen uit vormen: • Eckertnummer:

Ec =

u2 kinetische energie = Cp ∆T temperatuurvariaties

119

(9.8)

(9.9)

• Prandtlnummer:

Pr =

ν kinematische viscositeit = α thermische dif f usiviteit

(9.10)

L3 ∆ρ Re2 P r = να ρ F r2

(9.11)

• Rayleighgetal: Ra = g

Het Eckertgetal wordt pas belangrijk wanneer de optredende stromingen hoge snelheden hebben, wat niet het geval is onze situatie. We moeten nog wel opmerken dat de formule die hier wordt gebruikt voor het getal van Rayleigh deze is voor natuurlijke convectie. Wanneer de stroming turbulent is kan er een turbulente kinematische viscositeit νT gedefinieerd worden. In het Smagorinsky turbulentiemodel dat gebruikt wordt in FDS, is νT evenredig met het kwadraat van de grootte van de cellen (∆) waaruit het grid is opgebouwd. ∆ 2 ) uL (9.12) L Wanneer bij de kleinschalige en grootschalige simulaties gebruik wordt gemaakt van hetzelfde aantal cellen, is νT enkel afhankelijk van u en L. We kunnen nu gebruik maken van een effectieve kinematische viscositeit die gedefinieerd wordt als de som van ν en νT . Wanneer de stroming turbulent is zal de moleculaire viscositeit ν verwaarloosbaar klein zijn t.o.v. de turbulente viscositeit νT . Op basis van de effectieve kinematische viscositeit kunnen we een effectief Reynoldsgetal opstellen : νT ∼ (

Reef f =

uL uL ≈ = ReT νef f νT

(9.13)

Op basis hiervan en de formule van νT kunnen we besluiten dat het effectief Reynoldsgetal, dat belangrijk is bij gedwongen convectie, automatisch wordt behouden tijdens het schalen wanneer we gebruik maken van een grid met een vast aantal cellen. Analoog aan het Reynoldsgetal kunnen we een effectief Raleighgetal opstellen. Op deze manier zien we dat bij een turbulente stroming ook het effectief Rayleighgetal automatisch wordt behouden. We kunnen besluiten dat schalen met behoud van het Froudegetal aanleiding geeft tot het automatisch behouden van het effectief Reynolsgetal (gedwongen convectie) en het effectief Rayleighgetal (natuurlijke convectie). Volgende formules geven de vergelijkingen weer waaraan voldaan moet zijn voor een Froudeschaling. Alle parameters met een subscript k resp. g zijn parameters van het kleinschalige resp. grootschalige model. Qk Lk = ( )5/2 Qg Lg

(9.14)

tk uk Lk 1/2 = ( ) tg ug Lg

(9.15)

Zoals reeds gezegd zal de Froudeschaling enkel een correcte schaling van de stroming zijn wanneer de stroming duidelijk turbulent is. Wanneer de stroming laminair zou zijn en er wordt een Froudeschaling toegepast, zal de grootschalige stroming slechts in zeer beperkte mate similair zijn met de kleinschalige stroming. We krijgen dus een ongewenst, vertekend beeld van de kleinschalige stroming. Andersom geldt deze voorwaarde dus ook: we moeten zeker zijn dat de stroming van de rooklucht in een grootschalig atrium turbulent zal zijn voordat we de experimentele data van het schaalmodel mogen gebruiken.

120

9.3

Een eerste opschaling van de data van de kleinschalige Porehgeometrie

Zoals we reeds hebben vermeld in de paragraaf 5.3.3 zijn er verschillende instellingen in FDS 5 mogelijk die verschillende resultaten geven. We hebben gekozen om te werken met instelling 1 d.w.z. een stralingsvrij model en adiabate wanden. We zullen nu simulaties met instelling 1 uitvoeren op een grootschalige geometrie. Daarna schalen we de data van de kleinschalige geometrie op via de Froudeschalingswetten, en vergelijken we ze met de data van de grootschalige simulaties. Zo krijgen we een goed beeld van de correctheid van een stromingsvoorspelling op basis van het kleinschalige model. We kiezen ervoor om te werken met een opschalingsfactor 9. Volgende tabel (Tabel 9.1) geeft de afmetingen van de geometrie en het warmtevermogen weer in het kleine en het grote model. Tabel 9.1: De afmetingen en het warmtevermogen bij het kleine en het grote model

Lengte kamer Lengte atrium Breedte geometrie Hoogte kamer Hoogte atrium Warmtevermogen

klein model 1,25 m 2,50 m 0,90 m 0,60 m 3,60 m 5,377 kW

groot model 11,25 m 22,50 m 8,10 m 5,40 m 32,40 m 1306,611 kW

De extractieventilator in de grote geometrie zal een rookluchtdebiet afzuigen dat ongeveer 243 (= 9*9*3) keer zo groot is als het rookluchtdebiet in de kleine geometrie. We nemen aan dat de oppervlakte waar de brand ontstaat ook vergroot met het kwadraat van de schalingsfactor, zodat het warmtevermogen per oppervlakte-eenheid slechts toeneemt met de vierkantswortel van de schalingsfactor. Zo is het warmtevermogen per oppervlakte-eenheid bij het kleine model gelijk aan 86,032 kW/m2 en bij het grote model gelijk aan 258,096 kW/m2 . Volgende grafieken tonen (Figuur 9.1) het zs -verloop van de grote geometrie bij een variërende extractiesnelheid vn van 0,45 m/s tot 2,1 m/s.

(a)

(b)

Figuur 9.1: Het zs -verloop op basis van de 4 berekeningsmethodes toegepast op de data van het symmetrievlak van de grote geometrie

121

Op het eerste zicht is er opvallend veel gelijkenis met het zs -verloop van het kleine model. De 2 verschillende methodes (constant & gemiddeld) geven dezelfde resultaten voor de 2 gebruikte parameters (temperatuur en CO2 %). De 2 methodes geven een andere rookvrije hoogte voor een extractiesnelheid groter dan 1,2 m/s. Deze waarde komt overeen met een vn -waarde van 0,4 m/s in de kleine geometrie waar hetzelfde fenomeen zichtbaar was. Het extractiedebiet van de ventilator varieert nu tussen 37 kg/s en 185 kg/s wat ongeveer overeenstemt met een variatie tussen 0,15 kg/s en 0,76 kg/s bij de kleine geometrie. De rookvrije hoogte in het grote model kan maximaal 27 m bedragen maar deze zs -waarde wordt zelfs nog niet bereikt in een situatie met een extractiesnelheid van 2,1 m/s. We schalen nu de data van de kleinschalige Porehgeometrie op met een factor 9 m.a.w. we vermenigvuldigen de massadebieten met een factor 243, de snelheden met een factor 3 en de rookvrije hoogte en rooklaagdiktes met een factor 9. De volgende grafieken (Figuur 9.2) vergelijken deze opgeschaalde waarden met de data van de grootschalige Porehgeometrie. We maken enkel gebruik van de gemiddelde berekeningsmethodes aangezien deze methodes de cellen met lage roetconcentraties mee opnemen in de rooklaag. De constante berekeningsmethodes doen dit niet en zijn daarom niet zo correct als de gemiddelde berekeningsmethodes.

(a)

(b)

Figuur 9.2: Het verschil in zs -verloop (in het symmetrievlak) tussen het grote en het kleine, opgeschaalde model op basis van het gemiddeld temperatuurverloop (a) en het gemiddeld CO2 -verloop (b)

Zoals we reeds hadden verwacht op basis van de vorige grafieken (Figuur 9.1) is het verschil tussen de data van het grote model en de opgeschaalde data van het kleine model zeer klein. Op basis van deze eerste bevindingen hebben we er goede hoop op dat het zs -verloop in de buurt van een atriumwand goed zal voorspeld worden door de opgeschaalde data van het klein model. Volgende grafiek (Figuur 9.3.b) geeft dit verloop weer en grafiek 9.3.a geeft het verschil in rookvrije hoogte weer in het symmetrievlak en dichtbij een atriumwand bij het grote model.

122

(a)

(b)

Figuur 9.3: Het verschil in zs -verloop tussen a) het symmetrievlak en in de buurt van een atriumwand in het grote model en b) het grote en het kleine, opgeschaalde model in de buurt van een atriumwand

Op basis van deze grafieken is het duidelijk dat de rookvrije hoogte over heel het atrium correct wordt voorspeld door de opgeschaalde data van het kleine model. We kunnen tot nu toe besluiten dat het mogelijk is kennis te verwerven over een groot model m.b.v. data van een klein similair model door gebruik te maken van een Froudeschaling. De schaling zou meer correct zijn moest ook het effect van de zwaartekracht correct geschaald worden, maar aangezien de schaling nu nagenoeg perfect is, zal deze aanpassing in het schalingsmodel niet resulteren in een merkzame verbetering. Dit was o.a. ook een besluit dat Tilley heeft getrokken in haar artikel [26]. De reële experimenten die nodig zijn voor deze schaling zouden in de praktijk ook zeer moeilijk uit te voeren zijn aangezien de zwaartekracht geen makkelijk te variëren parameter is. Om deze redenen zullen we geen schaling uitvoeren waarin het effect van de zwaartekracht correct in rekening wordt gebracht.

9.4

Een tweede opschaling van de data van de kleinschalige Porehgeometrie

Toen we de zs -verlopen hebben bekeken voor verschillende warmtevermogens in paragraaf 5.3.5, hebben we geconcludeerd dat het verloop kwalitatief similair is. De grafiek (vn ,zs ) verschuift telkens 0,05 m/s naar rechts wanneer het warmtevermogen toeneemt met ongeveer 3 kW. We zijn nu benieuwd of het zs -verloop bij een warmtevermogen van 2136,5 kW enerzijds overeenstemt met de opgeschaalde data van het klein model met een warmtevermogen 8,792 kW en anderzijds overeenstemt met zs -verloop van het grote model met een warmtevermogen van 1306,6 kW verschoven over 0,15 m/s naar rechts in de (vn ,zs )-grafiek. Eerst zullen we nagaan of de resultaten van de grootschalige simulaties overeenstemmen met de opgeschaalde data van het kleine model met een warmtevermogen van 8,792 kW. Volgende grafieken (Figuur 9.4) geven het verschil tussen de opgeschaalde data van het kleine model en de data van het grote model weer. De opgeschaalde data van het kleine model (Q=8,792 kW) voorspellen ook hier de rookvrije hoogte correct van het grote model (Q=2136,5 kW). Deze bevindingen bevestigen ons voorgaande besluit nl. een Froudeschaling op de data van een klein model kan de stroming in een groot model correct voorspellen.

123

(a)

(b)

Figuur 9.4: Het verschil in zs -verloop (in het symmetrievlak) tussen het grote en het kleine, opgeschaalde model op basis van het gemiddelde temperatuurverloop (a) en het gemiddelde CO2 -verloop (b) bij een ander warmtevermogen

Op basis van vorige grafieken vermoeden we dat er ook in het grote model een similair zs verloop is voor de verschillende warmtevermogens. Volgende grafieken (Figuur 9.5) tonen de data van de grote geometrie met een warmtevermogen van 2136,5 kW (Q2 ) en de data van de grote geometrie met een warmtevermogen van 1306,6 kW (Q1 ) verschoven over 0,15 m/s =(0,05 m/s *3).

(a)

(b)

Figuur 9.5: Het verschil in zs -verloop (in het symmetrievlak) tussen Q2 en de verschoven data van Q1 over 0,15 m/s op basis van het gemiddelde temperatuurverloop (a) en het gemiddelde CO2 -verloop (b)

Ook deze grafieken vertonen een grote overeenkomst. We kunnen dus eigenlijk de stroming in een groot model met een bepaald warmtevermogen bepalen op basis van enerzijds data van een kleinschalig similair model en anderzijds op basis van data van een grootschalig model met een ander warmtevermogen. Volgende grafieken (Figuur 9.6) vergelijken het zs -verloop aan een atriumwand bij een grootschalig model met Q2 op basis van de data van een klein model en op basis van de verschoven data van het grootschalige model met Q1 .

124

(a)

(b)

Figuur 9.6: Het verschil in zs -verloop (aan een atriumwand) tussen Q2 en a) de opgeschaalde data van het klein model en b) de verschoven data van Q1 over 0,15 m/s op basis van het gemiddelde temperatuurverloop

Deze 2 grafieken bevestigen dat beide methodes voldoende nauwkeurig zijn om de rookvrije hoogte over heel het atrium te voorspellen. Het onderzoek naar de stroming in een bepaalde grootschalige geometrie met een bepaald warmtevermogen kan perfect gebeuren door een kleinschalig, similair model te bestuderen.

9.5

Een derde opschaling van de data van de kleinschalige Porehgeometrie met een andere instelling

Alle data die we tot nu toe hebben gebruikt om de correctheid van een Froudeschaling te testen zijn afkomstig van simulaties die uitgevoerd zijn met de 1ste instelling (stralingsvrij en adiabate wanden). Deze instelling is echter niet de meest realistische want bij een reële brand is het effect van straling en het effect van de wanden niet verwaarloosbaar. Daarom hebben we ook simulaties uitgevoerd voor het kleine en het grote model met de 3de instelling. Deze instelling brengt wel het stralingseffect in rekening en rekent met wanden die niet adiabaat zijn. Het verschil tussen instelling 1 en 3 voor het kleine model hebben we reeds besproken in paragraaf 5.3.3: de 4 berekeningsmethodes geven allemaal dezelfde resultaten voor kleine Mz wanneer de 1ste instelling wordt ingesteld maar niet wanneer de 3de instelling wordt ingesteld. Vooral de resultaten van de constante methode bij de 3de instelling zijn afhankelijk van de parameter waar de methode op wordt toegepast. Volgende grafieken (Figuur 9.7) geven de resultaten weer van de grootschalige simulaties uitgevoerd met de 3de instelling.

125

(a)

(b)

Figuur 9.7: Het zs -verloop (in het symmetrievlak) op basis van de 4 berekeningsmethodes

Deze grafieken tonen dat de 4 berekeningsmethodes ook bij het grootschalig model niet meer aanleiding geven tot exact dezelfde rookvrije hoogte voor kleine Mz . De constante methode op basis van het temperatuurverloop springt vlugger naar een hogere waarde voor zs dan de constante methode op basis van het CO2 -verloop. Aangezien er in deze instelling rekening wordt gehouden met het effect van de wanden en straling, zal er hiervan een duidelijk effect terug te vinden zijn in het temperatuurverloop en minder in het CO2 -verloop en in de roetverdeling. Daarom vertrouwen we de resultaten op basis van het CO2 -verloop meer wanneer we gebruik maken van de 3de instelling. Volgende grafieken (Figuur 9.8) tonen het verschil tussen de opgeschaalde data van het kleine model en de data van het grote model. De simulaties van beide modellen zijn uitgevoerd met instelling 3 en we maken gebruik van een Froudeschaling. Er is geen enkele berekeningsmethode die een volledig correcte voorspelling doet van de rookvrije hoogte in het grote model bij een variërende extractiesnelheid. Zoals we reeds hebben opgemerkt in paragraaf 5.3.3, zijn we niet zeker dat de 3de instelling ervoor zorgt dat het stralingseffect en het effect van de wanden correct in rekening worden gebracht. We weten ook dat bij een Froudeschaling niet alle warmteoverdrachten correct worden opgeschaald. Wanneer we dus de data van een klein model, bekomen door simulaties met instelling 3, opschalen, zullen de effecten - waarvan we niet zeker zijn dat ze correct in rekening zijn gebracht - niet juist worden opgeschaald.

126

(a)

(b)

(c)

(d)

Figuur 9.8: Het verschil in zs -verloop (in het symmetrievlak) op basis van de 4 berekeningsmethodes tussen de opgeschaalde data van het kleine model en de data van het grote model

Daarom beslissen we om niet verder te bouwen op de resultaten van simulaties bekomen met de 3de instelling. We kiezen ervoor om steeds simulaties uit te voeren met de 1ste instelling. Deze instelling gaat ervan uit dat de wanden adiabatisch zijn en dat de warmte dus in het atrium blijft. In de realiteit wordt er praktisch geen gebruik gemaakt van adiabate wanden dus werken we eigenlijk in onze simulaties met een worst-case-scenario. Anderzijds moeten we in ons achterhoofd houden dat FDS 5 toch straling in rekening brengt bij stralingsvrije modellen.

9.6

Een opschaling van de data van de kleinschalige Porehgeometrie met natuurlijke extractie

We hebben de Porehgeometrie met natuurlijke extractie reeds besproken op kleine schaal. Hier waren we tot de conclusie gekomen dat het verloop van de rookvrije hoogte i.f.v. het extractiedebiet gelijkaardig was aan het zs -verloop van de geometrie met een gedwongen extractie voor extractiedebieten Mz < 0,5 kg/s. Wanneer we een Froudeschaling willen toepassen op de geometrie met natuurlijke extractie moeten we rekening houden met het feit dat de convectie die optreedt nu natuurlijk is i.p.v. gedwongen. Dit heeft tot gevolg dat niet enkel het Froudegetal (Fr) en het Reynoldsgetal (Re) van belang zijn tijdens een schaling maar ook het Eulergetal (Eu).

127

De reden hiervoor is dat het aanwezige drukverschil in het atrium nu wel bepaalt hoe groot het rookluchtdebiet is dat door de extractieopening verdwijnt. Dit in tegenstelling met de extractieventilator die dit bepaalt in de situatie met een gedwongen extractie. Opnieuw speelt het karakter van de stroming nu een belangrijke rol nl. wanneer de stroming turbulent is, zal het effectief/turbulent Reynoldsgetal (ReT ) en Rayleighgetal (RaT ) automatisch worden behouden wanneer er een Froudeschaling wordt toegepast. Het automatische behoud van het Rayleighgetal tijdens een Froudeschaling zou voldoende moeten zijn om een correcte schaling uit te voeren. We verwachten dus dat we opnieuw een even correcte voorspelling van het grootschalige zs -verloop kunnen doen op basis van de kleinschalige data als het geval was in de situaties met een gedwongen extractie. We passen nu een Froudeschaling toe waarbij de opschaalfactor opnieuw 9 is. We zullen eerst grootschalige simulaties uitvoeren met de 1ste instelling (stralingsvrij & adiabate wanden) en deze erna vergelijken met de opgeschaalde data van de kleinschalige simulaties. Volgende grafieken (Figuur 9.9) tonen het zs -verloop van grootschalige simulaties en het opgeschaalde zs -verloop van kleinschalige simulaties op basis van data uit het symmetrievlak.

(a)

(b)

Figuur 9.9: Het verschil in zs -verloop (in het symmetrievlak) tussen de grootschalige simulaties en de opgeschaalde kleinschalige simulaties

Het verschil tussen het zs -verloop van de grootschalige simulaties en het opgeschaalde zs verloop van de kleine simulaties is zeer klein. Enkel wanneer de extractieopening een lengte heeft van ongeveer 14 m, zal de rookvrije hoogte in het grote model iets groter zijn dan voorspeld door het kleinschalig model. Het verschil treedt slechts zeer lokaal op en het geeft een inherente veiligheid aan de Froudeschaling, want de situatie is in de realiteit (groot model) beter dan verwacht (opschaling van het klein model). We bekijken nu het verschil in zs -verloop in de nabijheid van een atriumwand tussen het grote en het kleine, opgeschaalde model. Volgende grafieken (Figuur 9.10) geven deze resultaten weer op basis van het constante en gemiddelde temperatuurverloop.

128

(a)

(b)

Figuur 9.10: Het verschil in zs -verloop (bij een atriumwand) tussen de grootschalige simulaties en de opgeschaalde kleinschalige simulaties

Opnieuw is het verschil zeer beperkt wat wijst op een voldoende correcte schaling. We zullen ten slotte bekijken wat het verschil is tussen de situaties met een gedwongen en een natuurlijke extractie in het grote model. Op basis van wat we tot nu toe weten over de correctheid van de Froudeschaling en het verschil tussen gedwongen en natuurlijke extractie bij het kleine model, vermoeden we dat het verschil tussen de 2 situaties op grote schaal ook zeer beperkt zal zijn. Volgende grafieken (Figuur 9.11) tonen het zs -verloop (in het symmetrievlak en aan een atriumwand) in de situatie van gedwongen en natuurlijke extractie.

(a)

(b)

Figuur 9.11: Het verschil in zs -verloop a) in het symmetrievlak en b) bij een het atriumwand tussen natuurlijke en gedwongen extractie

We maken weer gebruik van het extractiedebiet Mz als parameter voor de abscis. Het verloop is inderdaad voor kleine extractiedebieten zeer similair, zoals verwacht. In het grootschalige model met natuurlijke extractie neemt het extractiedebiet op een bepaald moment niet meer toe ook al vergroot de oppervlakte van de extractieopening. Dit was ook zichtbaar op de grafieken van het kleinschalige model met natuurlijk extractie. In het grootschalige model satureert Mz als het ware op een waarde van +/- 120 kg/s terwijl dit in het kleinschalige model 0,5 kg/s was. We hadden op basis van de saturatiewaarde in het kleine model de saturatiewaarde van het grote model goed kunnen voorspellen (= 243*0,5 kg/s = 121,5 kg/s).

129

Hoofdstuk 10

Besluit In dit laatste hoofdstuk trachten we al onze bevindingen te bundelen. Voor we onze resultaten bespreken moeten we opmerken dat het effect van instellingen en modellen, die gebruikt worden in de software, zeer goed moeten worden bestudeerd voordat men simulatieresultaten begint te interpreteren. We hebben gemerkt dat niet alle simulatiesoftware, die vandaag voorhanden is, betrouwbaar is. Daarom is het steeds noodzakelijk om de bekomen simulatieresultaten in 1ste instantie te vergelijken met data van reële experimenten. Indien deze echter niet voorhanden zijn, moeten we onze resultaten vergelijken met simulatieresultaten bekomen d.m.v. een ander softwarepakket. Dit is de enige mogelijkheid om de conclusies, die we trekken uit onze simulatieresultaten, te onderbouwen. We hebben gebruik gemaakt van de data uit de reële experimenten uitgevoerd door M. Poreh en van de numerieke simulaties uitgevoerd door N. Tilley om onze bevindingen te staven. Het vertrekpunt van deze thesis is de formule die M. Poreh had opgesteld op basis van zijn reële, kleinschalige experimenten. Nadat we beslist hebben om te werken met het softwarepakket FDS 5.2.5, het stralingsmodel in dit pakket uit te schakelen en een adiabatisch karakter toe te kennen aan de wanden van de gebruikte geometrie, hebben de eerste kleinschalige simulaties de formule bevestigd. Voor de eerste simulaties is er aan alle parameters (Mz , ˙ Q,...) een waarde toegekend binnen de range van waarden die Poreh had getest. De rooklaag is ééndimensionaal (1D) in al deze gevallen, en de formule voorspelt steeds voldoende nauwkeurig de rookvrije hoogte (zs ). Daarna hebben we de parameters laten variëren buiten de range van Poreh: we hebben simulaties uitgevoerd met grotere waarden voor Mz en verschillende waarden aan Q˙ toegekend, in de hoop de grotere rookvrije hoogte te creëeren die voorspeld wordt door de formule van Poreh. We hebben echter waargenomen dat de 1D rooklaag omgevormd wordt tot een multidimensionale rooklaag. Deze omvorming wordt veroorzaakt door de verticale wervel die in het atrium aanwezig is en die versterkt wanneer het extractiedebiet vergroot. Het opwaartse been van de wervel wordt gevormd door de aangehechte rookpluim die verse lucht meesleurt en het neerwaartse been door de rooklucht die niet wordt afgezogen door het extractiesysteem. De verticale wervel zorgt voornamelijk voor een verspreiding van roetdeeltjes over het atrium, waardoor de zichtbaarheid lokaal opvallend kan afnemen zonder dat de lokale temperatuur ook een grote variatie vertoont. De grote rookvrije hoogte die we willen creëeren d.m.v. een groot extractiedebiet Mz wordt dus verstoord door de verticale wervel die een homogene verspreiding van roet veroorzaakt. Er zouden in principe opnieuw reële experimenten moeten worden uitgevoerd met grotere extractiedebieten om aan te tonen dat de formule van Poreh enkel van toepassing is op situaties met een 1D rooklaag waarbij de verticale wervel nog niet sterk genoeg is om de roetdeeltjes te verspreiden over het atrium. Op basis van de waarnemingen die we tot nu toe hebben gedaan, zouden we kunnen stellen dat de rooklaag overgaat van een ééndimensionaal naar een tweedimensionaal (2D) karakter wanneer Mz vergroot. 130

De geometrie van het atrium met een aangehechte kamer geeft aanleiding tot een variërende rooklaagdikte langsheen de breedte van het atrium: de rooklaag is dikker aan de atriumwanden dan in het symmetrievlak van het atrium. De rooklaag gaat dus eerder over van een ééndimensionaal naar een driedimensionaal karakter wanneer Mz vergroot. De dikkere rooklaag aan de wanden wordt beschouwd als worst-case-positie in het atrium waarmee men rekening moet houden bij het ontwerp van een extractiesysteem, dat moet voorzien in een minimale rookvrije hoogte over het volledige atrium. Poreh heeft ervoor gekozen om het extractiesysteem centraal te plaatsen in het atrium. Het plaatsen van een extractiesysteem net boven de aangehechte rookpluim in het atrium, resulteert enerzijds in een zeer directe afvoer van het rookmengsel met hoge concentraties roet, maar anderzijds wordt de verticale wervel hierdoor versterkt waardoor de fractie roetdeeltjes, die niet is afgevoerd, homogeen verspreid wordt over het atrium, wat resulteert in een kleine zs -waarde. Er worden iets grotere zs -waarden bereikt door het extractiesysteem te plaatsen zodat de extractiestroom de verticale wervel tracht te breken i.p.v. te versterken. De positie van de opening voor de verse inlaatlucht heeft een groter effect op de rookvrije hoogte dan de locatie van het extractiesysteem: we opteren het best voor een inlaatopening in het atrium en niet in de kamer, wanneer we een duidelijke rooklaaggrens willen voor kleine Mz en een zo dun mogelijke rooklaag willen creëeren. Het vergroten van de inlaatopening resulteert in een lagere snelheid van de verse inlaatlucht, waardoor de verticale wervel verzwakt. We kunnen concluderen dat een grotere opening voor de verse inlaatlucht een minder homogene verspreiding van de roetdeeltjes over het atrium met zich meebrengt. In de realiteit zullen er steeds balkons en downstands terug te vinden zijn in een atriumgeometrie, daarom moeten we ook het effect van deze structuren op de rookvrije hoogte bestuderen. Het aanbrengen van een downstand aan de overgang van de kamer naar het atrium zorgt voor een meer constante rooklaagdikte langsheen de breedte van het atrium. Het verschil tussen de rookvrije hoogte centraal in het atrium en aan een atriumwand verkleint door het aanbrengen van een downstand. De rooklaag heeft dan een groter 2D-karakter in de situatie met een groot extractiedebiet t.o.v. de downstandvrije geometrie. Het aanbrengen van een balkon i.p.v. een downstand ter hoogte van de overgangsopening resulteert ook in een groter 2D-karakter van de rooklaag, maar het effect is minder groot dan in de geometrie voorzien van een downstand. De lengte, de hoogte en de breedte van het balkon hebben geen cruciale invloed op de atriumstroming: de rookpluim krult rond het balkon en zal zich steeds hechten aan de linkse atriumwand. Het aanbrengen van een extra opening voor verse inlaatlucht in de linkse atriumwand belet het aanhechten van de rookpluim, maar vergroot de entrainment niet. De enige cruciale parameter van de entrainment en de atriumstroming is de verticale afstand tussen de balkons wanneer er meerdere balkons in het atrium worden geplaatst. Wanneer de balkons voldoende dicht bij elkaar zijn geplaatst, zodat de rookpluim zich niet kan hechten aan de atriumwand tussen 2 balkons, zal de entrainment niet groter zijn dan in de balkonvrije geometrie. Wanneer de balkons op een voldoende verticale afstand van elkaar worden geplaatst, zodat de rookpluim zich wel kan hechten aan de atriumwand tussen 2 balkons, zal de entrainment beduidend groter zijn dan in de balkonvrije geometrie: wanneer de rookpluim zich hecht aan de atriumwand en daarna botst tegen een hoger gelegen balkon, zal de rookpluim zich rond dit balkon krullen en hierbij heel wat lucht meesleuren in zijn beweging. Deze vergrote entrainment resulteert in een dikkere rooklaag waardoor de rookvrije hoogte verkleint. Wanneer we zowel een downstand als een balkon ter hoogte van de overgangsopening plaatsen, zal de verhouding Mb /Mw de waarde 2, die men terugvindt als worst-case-waarde in de literatuur, niet overschrijden. De Mb /Mw -verhouding is het grootst bij brede openingen voorzien van diepe downstands aangezien de entrainment het grootst is in deze situatie.

131

Het plaatsen van een extractiesysteem dat zorgt voor een gedwongen extractie gaat vandaag de dag gepaard met een grote installatiekost. Om deze reden opteert men vaak voor een systeem met natuurlijke extractie: dit houdt in dat men i.p.v. een extractieventilator een brandluik plaatst in het atriumplafond. Dit is een goede oplossing wanneer de minimale rookvrije hoogte, opgelegd door de brandveiligheid, kan gerealiseerd worden door dit soort extractie. Zowel de stroming in de kamer met de brandhaard als de stroming in het atrium veranderen niet wanneer er een natuurlijke i.p.v. een gedwongen extractie plaatsvindt. Het vergroten van de extractieopening resulteert in een groter extractiedebiet en in een grotere rookvrije hoogte. Er is echter wel een limiet aan het extractiedebiet waardoor het extra vergroten van de extractieopening geen nut meer heeft in deze situatie. Wanneer de rookvrije hoogte - gecreëerd bij de saturatiewaarde van het extractiedebiet - niet voldoende groot is om de brandveiligheid te garanderen in het atrium, zal er toch gebruik moeten gemaakt worden van een goed geplaatste extractieventilator. Ten slotte passen we de formule van Poreh ook toe op grootschalige simulaties en bekijken we de mogelijkheid om het grootschalige gedrag te voorspellen d.m.v. een correcte opschaling van het kleinschalige gedrag. De rookvrije hoogte in een grootschalig atrium kan nagenoeg perfect voorspeld worden op basis van data uit een kleinschalig atrium wanneer er een Froudeschaling wordt toegepast. De fenomenen, die optreden in een kleinschalig atrium en die we reeds besproken hebben, treden dus ook op in een grootschalig atrium. Er is echter een voorwaarde waaraan moet voldaan zijn voordat de Froudeschaling aanleiding geeft tot een correcte opschaling nl. de stroming moet zowel in het kleine als in het grote atrium turbulent zijn. Indien niet voldaan is aan deze voorwaarde zal de Froudeschaling de stroming in het grootschalige atrium niet correct voorspellen op basis van de stroming in het kleinschalige atrium. Aangezien de stroming die optreedt bij een brand zeer vaak een turbulent karakter heeft, wordt de Froudeschaling zeer frequent toegepast in het onderzoek naar brandveiligheid, met succesvol resultaat. Het onderzoek in deze thesis bevestigt de formule van M. Poreh in de situatie van een ééndimensionale rooklaag. We hebben echter gezien dat de formule niet meer accuraat is wanneer de rooklaag een multidimensionaal karakter ontwikkelt. We hebben nog geen sluitend criterium kunnen ontwikkelen om het moment waarop deze omvorming plaatsvindt te karakteriseren. We hebben een sterk vermoeden dat de verticale atriumwervel een belangrijke rol speelt bij deze omvorming. Er is dus verder onderzoek nodig om een éénduidig criterium te bepalen. We zijn ons ook bewust van het feit dat een atriumstroming sterk afhankelijk is van de atriumgeometrie, waardoor het misschien onmogelijk is om een éénduidig criterium te ontwikkelen dat toepasbaar is op alle atriumgeometrieën. In dit geval zullen er steeds reële en/of numerieke experimenten vereist zijn voor elke specifieke atriumgeometrie wanneer men een goed extractiesysteem wil ontwerpen voor deze geometrie.

132

Bibliografie [1] James G. Quintiere. Fundamentals of fire phenomena, chapter Scaling and Dimensionless Groups. John Wiley & Sons, (2006). [2] James G. Quintiere. Fundamentals of fire phenomena. John Wiley & Sons, (2006), 1-75. [3] B. Karlsson and J. Quintiere. Enclosure Fire Dynamics. CRC Press LLC, (2000), 1-46. [4] M. Poreh, N.P. Morgan, N.R. Marshall, and R. Harrison. Entrainment by twodimensional spill plumes. Fire Safety Journal, 30, (1998), 1-19. [5] CEN. Smoke and heat control systems - part5: Guidelines on functional recommendations and calculation methods for smoke and heat exhaust ventilation systems. Technical report, European Committee for Standardization, (2000). [6] R.A. Waters. Stansted terminal building and early atrium studies. Journal of Fire Protection Engineering, 1, (1989), 63-76. [7] W.K. Chow and W.K. Wong. Application of the zone model first on the development of smoke layer and evaluation of smoke extraction design for atria in Hong Kong. Journal of Fire Sciences, 11, (1993), 329-349. [8] James G. Quintiere. Fundamentals of fire phenomena, chapter Fire Plumes. John Wiley & Sons, (2006). [9] L. Lee and H.W. Emmons. A study of natural convection above line fires. Journal of Fluid Mechanics, (1961), 353-368. [10] R. Harrison and M. Spearpoint. The balcony spill plume: Entrainment of air into a flow from a compartment opening to a higher projecting balcony. Fire Technology, 43, (2007), 21-46. [11] M. Poreh, N.R. Marshall, and A. Regev. Entrainment by adhered two-dimensional plumes. Fire Safety Journal, 43, (2008), 344-350. [12] P.H. Thomas, H.P. Morgan, and N. Marshall. The spill plume in smoke control design. Fire Safety Journal, 30, (1998), 21-46. [13] N. Tilley and B. Merci. Application of FDS to adhered spill plumes in atria. Fire Technology, 45, (2009), 179-188. [14] N. Tilley and B. Merci. Numerical study of the adhered smoke plume for fire in an atrium. ECM 2009, (2008). [15] S. Kerber and J. Milke. Using FDS to simulate smoke layer interface height in a simple atrium. Fire Technology, 43, (2007), 45-75. [16] W.K. Chow. A short note on the simulation of the atrium smoke filling process using fire zone models. Journal of Fire Sciences, 12, (1994), 516-528. 133

[17] W.K. Chow. Atrium smoke filling process in shopping malls of Hong Kong. Journal of Fire Protection Engineering, 9, (1998), 18-30. [18] W.K. Chow, L. Yi, C.L. Shi, Y.Z. Li, and R. Huo. Experimental studies on mechanical smoke exhaust system in an atrium. Journal of Fire Sciences, 23, (2005), 429-444. [19] W.K. Chow, L. Yi, C.L. Shi, Y.Z. Li, and R. Huo. Mass flow rates across layer interface in a two-layer zone model in an atrium with mechanical exhaust system. Building & Environment, (2005). [20] A. Regev, S. Hassid, and M. Poreh. Density jumps in smoke flow along horzintal ceilings. Fire Safety Journal, 39, (2004), 465-479. [21] M. Law. Measurements of balcony smoke flow. Fire Safety Journal, 24, (1995), 189-195. [22] R. Harrison and M. Spearpoint. Entrainment of air into a balcony spill plume. Journal of Fire Protection Engineering, 16, (2006), 211-245. [23] R. Harrison and M. Spearpoint. The balcony spill plume: Entrainment of air into a flow from a compartment opening to a higher projecting balcony. Fire technology, 43, (2007), 301-317. [24] T. Tousseyn. Numerieke studie van inmenging van lucht in rook bij stroming onder een balkon bij brand in atria, (2008). [25] W.K. Chow and A.C.W. Lo. Scale modelling studies on atrium smoke movement and the smoke filling process. Journal of Fire Protection Engineering, 7, (1995), 55-64. [26] N. Tilley, P. Rauwoens, and B. Merci. On the use of small-scale results for the design of ventilation systems in large-scale atria. UGent, Department of Flow, Heat and Combustion Mechanics, (2010).

134

CFD-studie van rookbeweging bij brand in atria - Interpretatie en correct gebruik van resultaten uit schaalmodellen

Recommend Documents