Estudio Numérico para el Confinamiento de Calor al Interior de Túneles Usando Código FDS

Abstract

El presente documento, se enmarca en el proyecto FONDECYT No1085015 y corresponde a un estudio numérico que propone a las cortinas de aire de Doble Jet-Doble Flujo (DJ-DF) planas y verticales, como elementos que provoquen el confinamiento celular de la mayor parte del calor producido por una fuente calórica al interior de un túnel. La modelación se realizó en base a la instalación experimental completa del Laboratorio de Estudios en Fluidodinámica (LEF), del Departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad de Chile, que contiene una fuente térmica localizada de calor y dos cortinas de DJ-DF entre las cuales se busca confinar el calor.

Las simulaciones numéricas fueron realizadas en base a un modelo computacional de fluidodinámica (CFD) en código Fire Dynamics Simulator (FDS), con tratamiento de la turbulencia mediante Large Eddy Simulation (LES), en el Centro de Modelación Matemática (CMM) de la Universidad de Chile, específicamente en el Cluster Levque, el cual permitió que dichas simulaciones se llevaran a cabo en procesadores múltiples.

Con la finalidad de validar el modelo numérico, los casos simulados se definieron en base a los estudiados experimentalmente por Cecchi [7], variando la velocidad de cada uno de los jets que componen el DJ-DF y la potencia de la fuente calórica; más aún se compararon los perfiles obtenidos experimentalmente y numéricamente, de velocidad y temperatura en torno al DJ-DF más cercano a la fuente térmica (en distintos niveles horizontales), obteniendo resultados satisfactorios en términos de orden de magnitud y forma de los perfiles para dos de los tres casos de estudio.

En relación a las características confinatorias del DJ-DF, se construyeron en torno al mismo: los campos de velocidad y temperatura, además de los perfiles de intensidad de turbulencia térmica y de transporte turbulento de cantidad de movimiento y calor. Para los tres casos de estudio se concluye que el confinamiento es efectivo exceptuando la zona de impacto, en donde se identificaron fugas de calor y masa mediante mecanismos turbulentos. También se estudié la formación de estructuras rotacionales en las capas de mezcla del lado frío y caliente y su relación (o implicancia) en la capacidad confinatoria del DJ-DF. En base a lo anterior, se concluye que el confinamiento de calor de la cortina es más efectivo en el caso de la configuración DJ-DF con el jet rápido correspondiente al lado frío o de aire fresco.

Para un trabajo futuro, se sugiere continuar con el estudio del fenómeno incluyendo la combustión real, para así determinar la concentración de humo o productos de la combustión, como otra característica indicativa del confinamiento de calor por parte de la cortina.