السرعة الحرجة في حرائق الأنفاق: كيف تُختار المروحة النفاثة؟

حين يندلع حريق في نفق ذي تهوية طولية، يكون السؤال الأساسي: هل يبقى الدخان في اتجاه المصبّ بعيداً عن مسار الإخلاء، أم يرتد عكس التيار؟ الطبقة المرتدة تُسمى الارتداد الطبقي، وأدنى سرعة طولية تمنعها هي السرعة الحرجة.

على ماذا تتوقف السرعة الحرجة

السرعة الحرجة ليست رقماً ثابتاً؛ بل دالة لمعدل إطلاق الحرارة (HRR)، ومقطع النفق، والميل. وعمل وو وبكر يقيم العلاقة بين معدل إطلاق الحرارة اللابعدي والسرعة الحرجة اللابعدية بالاستناد إلى تجارب بالحجم الكامل وبمقياس مصغّر، ويقترح صيغاً شبه تجريبية قائمة على تحجيم فرود [1].

والتفصيل الحاسم هو: العلاقة لاخطية وتتشبّع. فعند قيم HRR المنخفضة ترتفع السرعة الحرجة مع إطلاق الحرارة، لكنها فوق عتبة معينة تصبح شبه ثابتة. ولذلك فافتراض «ضعف الحريق يعني ضعف السرعة» خاطئ ويؤدي إلى اختيار مراوح مفرطة الحجم.

وتعرّف المواصفة NFPA 502 السرعة الحرجة وسرعة الاحتواء لأنفاق الطرق؛ والغاية طبقة دخان مستقرة ومطبّقة تحتها بيئة صالحة للبقاء [2].

الإفراط في السرعة خطأ أيضاً

تجاوز السرعة الحرجة بقدر كبير ضار: إذ تمتزج طبقة الدخان، وينهار التطبّق، وتتدهور الرؤية وظروف الحرارة في مصبّ الحريق سريعاً. كما أنه يغذّي النار. فهدف تصميم التهوية ليس السرعة القصوى بل سرعة مضبوطة أعلى بقليل من الحرجة.

قرارات النمذجة

المسألة عابرة. منحنى نمو الحريق، وتقدم جبهة الدخان، وترتيب تشغيل المراوح — كلها دوال للزمن. والحالة المستقرة لا تعطي إلا الوضع النهائي، لا ما يجري أثناء الإخلاء. انظروا ملاحظة المستقر والعابر.

الطفو هو المسيطر. فما يُبقي طبقة الدخان مرتفعةً هو فرق الكثافة؛ وهذه مسألة حمل طبيعي، وتقريب بوسينسك غير صالح هنا — إذ يبلغ فرق الحرارة مئات الدرجات، ويجب حلّ الكثافة بوصفها دالة حقيقية للحرارة.

لا يجوز إهمال الإشعاع. فعند حرارات الحريق يكون الإشعاع الآلية المسيطرة، والدخان وسط مشارِك. انظروا ملاحظة الإشعاع.

المراوح النفاثة تُنمذج بوصفها دفعاً. فحلّ الريش غير لازم؛ وتُمثَّل المروحة حجماً يعطي دفعاً وسرعة خروج محددين. والمهم هو بُعد المروحة عن السقف والتباعد بين المراوح — فالمراوح الموضوعة متقاربة أكثر مما ينبغي تشوّش نفثات بعضها بعضاً، فيخرج الدفع الكلي أقل من مجموع الدفوع المفردة.

كثافة الدخان تتغير مع الحرارة. ويجب أن يجري اختيار المروحة للحالة الساخنة؛ انظروا ملاحظة نقطة تشغيل المراوح.

المراجع

1. Wu, Y. & Bakar, M. Z. A. (2000). Control of smoke flow in tunnel fires using longitudinal ventilation systems — a study of the critical velocity. Fire Safety Journal, 35(4), 363–390. DOI: 10.1016/S0379-7112(00)00031-X
2. National Fire Protection Association. NFPA 502 — Standard for Road Tunnels, Bridges, and Other Limited Access Highways. NFPA, Quincy, MA.