Przepływ powietrza w tunelach wywołany może być poprzez czynniki klimatyczne, poruszające się w nich pojazdy, jak i pracę urządzeń wentylacyjnych. Wśród czynników klimatycznych istotną rolę odgrywa wiatr. Potwierdzają to badania in-situ funkcjonowania systemów wentylacji oraz rozprzestrzenia się dymu i ciepła w rzeczywistych tunelach drogowych i kolejowych przeprowadzone przez autora niniejszego artykułu. Dotyczy to w szczególności tuneli wentylowanych naturalnie oraz tuneli wyposażonych w system wentylacji wzdłużnej. Znajomość charakteru przepływu powietrza wewnątrz tunelu oraz warunków panujących w sąsiedztwie głowic wjazdowo/wyjazdowych decyduje o wyborze, a także o skuteczności działania zarówno systemu wentylacji bytowej, jaki i systemu wentylacji pożarowej.
Oddziaływania wiatru na obiekty budowlane o prostej geometrii jest dość dobrze opisane za pomocą modeli matematycznych. W przypadku obiektów budowlanych o złożonej geometrii wielkość obciążenia wiatrem określana jest na drodze badań modelowych w tunelach aerodynamicznych bądź obliczeń numerycznych.
Pomimo bogatej literatury z zakresu rozwoju i rozprzestrzeniania się pożaru w tunelach oraz oddziaływania wiatru na obiekty budowlane niewiele jest prac wyczerpująco opisujących jednocześnie oba zagadnienia. W tym artykule, stanowiącym część prowadzonej przez autora pracy badawczej, przedstawiono wyniki badań modelowych przeprowadzonych w tunelu aerodynamicznym Laboratorium Inżynierii Wiatrowej Politechniki Krakowskiej.
Opis tunelu aerodynamicznego
Tunel, w którym prowadzone były badania, jest tunelem aerodynamicznym o obiegu mieszanym: otwartym, gdy powietrze przepływające przez tunel pobierane jest z zewnątrz budynku poprzez czerpnię powietrza i odprowadzane na zewnątrz budynku poprzez wyrzutnię, a zamkniętym, gdy powietrze wypływające z tunelu transportowane jest kanałem powrotnym znajdującym się nad tunelem do wlotu. Badania, których wyniki prezentowane są w niniejszym artykule zostały wykonane przy obiegu zamkniętym.
Przestrzeń pomiarowa tunelu ma szerokość 2,20 m, wysokość od 1,40 m na początku do 1,60 m na końcu i długość 10 m. Formowanie profilu przepływu w tunelu w pierwszej części przestrzeni pomiarowej na odcinku o długości ponad 6,00 m i odbywa się przy pomocy odpowiednich siatek turbulizacyjnych, barier, iglic i klocków o odpowiedniej geometrii i rozstawie oraz regulowanej mechanicznie wysokości.
Przepływ powietrza w tunelu wywołany jest pracą wentylatora osiowego o średnicy zewnętrznej 2,72 m napędzanego silnikiem o mocy 200,00 kW, obrotach nominalnych 750 obr./min. i sterowanym przetwornikiem częstotliwości. Wentylator umieszczony jest za przestrzenią pomiarową w celu minimalizacji nieusuwalnej turbulencji napływu powietrza w obiegu zamkniętym. Maksymalna średnia prędkość przepływu w przestrzeni pomiarowej wynosi 40,0 m/s. Dokładniejszy opis budowy tunelu można znaleźć w pracach [1], [2], [3].
Model fizykalny badanego tunelu
Model fizykalny tunelu drogowego wykonany był w skali 1:50 i miał następujące wymiary wewnętrzne: 10 cm x 10 cm (szer. x wys.) oraz długość 100 cm. Na rys. 1. przedstawiono zamontowany w przestrzeni pomiarowej na stole obrotowym model badanego tunelu wraz z widocznymi w tle elementami turbulizującymi przepływ.
Model wykonany były z przezroczystych płyt pleksi o grubości 2,00 mm, łączonych ze sobą za pomocą specjalnego kleju zapewniającego połączeniom powietrznoszczelność. Wewnątrz, pomiędzy płytami stanowiącymi ściany zewnętrzne i wewnętrzne tunelu, znajdowała się pustka powietrzna, w której prowadzone były silikonowe przewody impulsowe o średnicy wewnętrznej 2,00 mm. Przewody te łączyły punkty pomiaru ciśnienia statycznego znajdujące się na ściankach tunelu ze skanerami ciśnienia. Od czoła tunelu zaślepione były za pomocą powietrznoszczelnej taśmy. Na rys. 2. przedstawiono widok oprzyrządowanego tunelu.
Struktura przepływu powietrza
W prezentowanych badaniach struktura przepływu powietrza kształtowana była poprzez zastosowanie barierki zębatej o wysokości 20 cm. Na rys. 3. przedstawiono widok wlotu do tunelu wraz z wykorzystywanym w badaniach elementem turbulizującym.
Uzyskany za pomocą turbulizatora profil prędkości przepływu opisany jest poniższą zależnością potęgową:
gdzie: z jest wysokością wyrażoną w metrach. Prędkość otrzymana z powyższego wzoru wyrażona jest w metrach na sekundę. Średnia prędkości napływu powietrza podczas badań wynosiła 16,71 m/s.
Intensywność turbulencji wiatru definiowana jest jako stosunek odchylenia standardowego prędkości chwilowej wiatru do wartości średniej i opisana poniższym wzorem:
gdzie: przekopiować symbole z tekstu jest średnią prędkością wiatru wyrażoną w metrach na sekundę, a ?(z) odchyleniem standardowym. Funkcja krzywej interpolującej profil intensywności wykorzystywany podczas badań została opisana wielomianem czwartego stopnia i ma poniższą postać [4]:
Na rys. 4. przedstawiono przyjęty w badaniach profil prędkości przepływu powietrza oraz profil intensywności turbulencji.
Grzegorz Sztarbała
Zakład Badań Ogniowych, Instytutu Techniki Budowlanej
Warszawa
