Quando in una galleria a ventilazione longitudinale scoppia un incendio, la domanda di base è questa: il fumo resterà a valle rispetto alla direzione di esodo, o risalirà controcorrente? Lo strato che risale si chiama backlayering, e la minima velocità longitudinale che lo impedisce è la velocità critica.
Da che cosa dipende la velocità critica
La velocità critica non è un numero fisso; è funzione del rateo di rilascio termico (HRR), della sezione della galleria e della pendenza. Il lavoro di Wu e Bakar stabilisce la relazione fra rateo di rilascio termico adimensionale e velocità critica adimensionale usando esperimenti in scala reale e in scala ridotta, e propone formule semi-empiriche basate sulla similitudine di Froude [1].
Il dettaglio critico è questo: la relazione è non lineare e satura. A bassi HRR la velocità critica cresce con il rilascio termico, ma oltre una certa soglia diventa quasi costante. L'ipotesi «doppio incendio, doppia velocità» è quindi sbagliata e porta a sovradimensionare la scelta dei ventilatori.
La NFPA 502 definisce velocità critica e velocità di confinamento per le gallerie stradali; l'obiettivo è uno strato di fumo stabile e stratificato con un ambiente sostenibile al di sotto [2].
Anche troppa velocità è un errore
Andare sensibilmente oltre la velocità critica è dannoso: lo strato di fumo si mescola, la stratificazione si rompe, e visibilità e temperatura a valle dell'incendio peggiorano rapidamente. Inoltre alimenta il fuoco. L'obiettivo di un progetto di ventilazione non è la velocità massima ma una velocità controllata appena sopra la critica.
Decisioni di modellazione
Il problema è transitorio. La curva di crescita dell'incendio, l'avanzata del fronte di fumo, la sequenza di avvio dei ventilatori — tutto è funzione del tempo. Lo stazionario dà solo la condizione finale, non ciò che accade durante l'esodo. Si veda la nota su stazionario e transitorio.
Domina il galleggiamento. Ciò che tiene su lo strato di fumo è la differenza di densità; questo è un problema di convezione naturale, e qui l'approssimazione di Boussinesq è non valida — la differenza di temperatura è di parecchie centinaia di gradi, e la densità va risolta come vera funzione della temperatura.
L'irraggiamento non si può trascurare. Alle temperature d'incendio l'irraggiamento è il meccanismo dominante, e il fumo è un mezzo partecipante. Si veda la nota sull'irraggiamento.
I ventilatori a getto si modellano come spinta. Risolvere le pale è inutile; il ventilatore si rappresenta come un volume che eroga una spinta e una velocità di uscita definite. Ciò che conta è la distanza del ventilatore dalla volta e l'interasse fra ventilatori — ventilatori troppo ravvicinati si disturbano i getti a vicenda, e la spinta totale risulta minore della somma delle singole.
La densità del fumo varia con la temperatura. La scelta del ventilatore va fatta per la condizione calda; si veda la nota sul punto di funzionamento dei ventilatori.
Riferimenti
- 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
- National Fire Protection Association. NFPA 502 — Standard for Road Tunnels, Bridges, and Other Limited Access Highways. NFPA, Quincy, MA.