CC BY
37
dr inz. Rafa! POROWSKI12 inz. Piotr LESIAK1 mgr inz. Wojciech RUDY3 mgr Martyna STRZYZEWSKA1
ZJAWISKO CI^GU WSTECZNEGO - BACKDRAFT
The backdraft phenomenon
Streszczenie
Zjawisko ci^gu wstecznego (ang. backdraft) jest zjawiskiem stosunkowo slabo poznanym i nadal badanym przez wiele osrodkow naukowych na swiecie. Aby wyst^pil backdraft, pozar musi miec miejsce w pomieszczeniu slabo wentylowanym i byc rozci^gni^ty w czasie. Zjawisko to zachodzi, gdy w powyzszych warunkach pozar zuzyje wi^kszosc tlenu, przygasnie i w pomieszczeniu zostanie utworzony otwor np. poprzez otwarcie drzwi czy wybicie okna. W otworze utworz^. si§ dwa grawitacyjne strumienie o przeciwnych kierunkach ruchu. Pierwszy z nich - gorny - to wyplywaj^cy strumien gor^cych gazow pozarowych, drugi - dolny - to doplywaj^cy strumien swiezego powietrza. Gdy swieze powietrze dotrze do zrodla zaplonu (najcz^sciej jest to pocz^tkowe miejsce pozaru), nast^puje zaplon i spalanie wytworzonej mieszaniny. Gwaltownosc i dlugotrwalosc procesu zalezy od ilosci wytworzonej mieszaniny w granicach palnosci i moze jej towarzyszyc kula ognia. Pierwsza wzmianka o backdraft wraz z prob^. wyjasnienia zjawiska pojawila si§ w 1914 r. Backdraft wyjasniono jako „zaplon dymu lub sadzy”. Do lat 70. praktycznie nie bylo zadnych badan ukierunkowanych na wyjasnienie tego zjawiska. Od lat 80. do chwili obecnej obserwowane jest wyrazne zainteresowanie badaniami eksperymentalnymi nad backdraft wraz z probami okreslenia warunkow granicznych do jego zaistnienia. Niew^tpliwie przyczynily si§ do tego pozary z backdraft, podczas ktorych niestety zgin^li strazacy. Badane s^. rozne materialy palne: ciala stale, ciecze i gazy. W zaleznosci od badanego materialu minimalne warunki do backdraft zmieniaj^. si§ od 2,5 do 10% udzialu obj^tosciowego paliwa w obj^tosci. W ostatnim 15-leciu poza zainteresowaniem badaniami eksperymentalnymi obserwuje si§ wyrazny wzrost wykorzystania nowoczesnych narz^dzi obliczeniowych do symulacji pozaru i backdraft. Ci^gle doskonalone modele obliczeniowe wraz z coraz szybszymi komputerami s^. w stanie odtworzyc skutki backdraft na ekranie domowego komputera.
Summary
Backdraft is not a very well known phenomenon and is still undergoing research by many science and research centres across the world. Backdraft takes place in poorly ventilated confinements and develops over an extended timescale. It occurs when the fire in a room has consumed most of the oxygen, partly burned itself out and a void is created within e.g. by opening a door or breaking a glass window. Two gravitational streams are created, each pulling in the opposite direction. The first, at the upper level, will consist of escaping hot gasses from the fire. The second, at lower level, will be incoming fresh air. When fresh air reaches the source of ignition (more often it is the starting point of the fire) the new mixture will ignite and burn. The ferocity and duration of the process depends on volume of the new mixture within the flammable range and it may be accompanied by a fireball. The first mention of backdraft, accompanied by an attempt to explain the phenomenon, appeared in 1914. Backdraft was explained as the “ignition of smoke and soot”. Until the 1970’s there was practically no research undertaken to explain this phenomenon. From the 1980’s until now one can see a clear interest in experimental research of backdraft, accompanied by tests to determine conditional parameters for it to occur. Undoubtedly, backdraft fires contributed to the deaths of fire fighters. Experimental studies were conducted on a range of flammable materials; solids, liquids and gasses. Depending on materials tested, minimal backdraft conditions vary from 2.5% to 10% of unburned fuel concentration by volume. During recent 15 years, apart from experimental research interest, one can detect a significant growth in the use of state of the art tools for backdraft fire simulation. Continuously improved sophisticated modelling programmes, accompanied by faster computers, are capable of reproducing consequences of backdraft on home computers.
S!owa kluczowe: ci^g wsteczny, zagrozenie pozarem, modelowanie pozaru;
Keywords: backdraft, fire hazard, fire modelling;
1 Zespol Laboratoriow Procesow Spalania i Wybuchowosci, Centrum Naukowo-Badawcze Ochrony Przeciwpozarowej
- Panstwowy Instytut Badawczy, ul. Nadwislanska 213, 05-420 Jozefow k. Otwocka, Polska; kazdy ze wspolautorow wniosl rowny wklad w powstanie artykulu (po 25%);
2 rporowski@cnbop.pl
3 Instytut Techniki Cieplnej Wydzial MEiL Politechniki Warszawskiej, ul. Nowowiejska 21/25, 00-665 Warszawa, Polska;
Wprowadzenie
W ostatnich latach powstala znaczna liczba pu-blikacji naukowych w literaturze swiatowej (glow-nie w USA) traktuj^cych o zjawisku ci^gu wstecz-nego lub ognistego podmuchu (ang. backdraft) [1]. Niew^tpliwie wplyn^ly na to tragiczne zdarzenia, ja-kie mialy miejsce w USA w przeci^gu ostatnich kil-kunastu lat. W Polsce zjawisko to nie jest tak po-wszechnie znane i badane. Backdraft okreslany jest jako spalanie plomieniowe maj^ce miejsce w wy-niku wejscia utleniacza (najcz^sciej powietrza) do pomieszczenia wypelnionego zgromadzonymi pro-duktami niezupelnego i niecalkowitego spalania oraz rozkladu termicznego (pirolizy). Schematycz-nie zjawisko to przedstawiono na Ryc. 1 [1]. W po-mieszczeniu zamkni^tym wybucha pozar. Pomiesz-czenie jest na tyle szczelne, ze nie pozwala na do-plyw swiezego powietrza z zewn^trz w duzych ilo-sciach, i na tyle nieszczelne, ze nie zachodzi znaczny wzrost cisnienia w pomieszczeniu na skutek wzrostu ilosci produktow spalania. Temperatura w pomieszczeniu stopniowo rosnie, pozar zuzywa tlen nagro-madzony w pomieszczeniu, powoduj^c stopniowy spadek jego st^zenia. Na skutek spadku ilosci tlenu pozar stopniowo zanika, jednoczesnie nie pozwala-j^c na zupelne spalenie si^ plon^cych przedmiotow
- dominuj^cym zjawiskiem zaczyna bye piroliza. Pomieszczenie wypelnia si^ wi^c produktami niezu-
pelnego i niecalkowitego spalania o stosunkowo wy-sokiej temperaturze <200-300oC (Ryc. 1-1). Na sku-tek naglego otwarcia pomieszczenia (wybicie szyby, otwarcie drzwi) w powstalym otworze pojawiaj^. si^ dwa strumienie gazow o przeciwnych kierunkach ru-chu: pierwszy - swiezego powietrza poruszaj^cy si^ w dolnej cz^sci powstalego otworu w kierunku „do pomieszczenia” i drugi - produktow niezupelnego spalania nagromadzonych w gornej cz^sci pomieszczenia, wyplywaj^cy „z pomieszczenia” przez gorn^. cz^se otworu (Ryc. 1-2). Naplywaj^ce dolem swie-ze powietrze miesza si^ z produktami niezupelnego spalania (Ryc. 1-3). W momencie, gdy bogata w tlen mieszanina gazow dotrze do zrodla zaplonu - naj-cz^sciej zrodlem jest pozar, ktory stopniowo zanikl
- nast^puje zaplon znacznej obj^tosci wymiesza-nych z powietrzem gazow (Ryc. 1-4). Powstale plo-mienie dodatkowo powoduj^. powstanie przeplywu turbulentnego w pomieszczeniu, zwi^kszaj^c szyb-kose mieszania si^ pozostalych gazow ze swiezym powietrzem (Ryc. 1-5). Nast^puje przyspieszenie plomieni, nagly wzrost obj^tosci i cisnienia gazow. Z otworu wyplywa struga gor^cych produktow spalania, ktorej moze towarzyszye rowniez fala uderze-niowa (Ryc. 1-6). Plon^ce, wyplywaj^ce gazy prze-ksztalcaj^. si^ nast^pnie w kul^ ognia.
Zjawisko backdraft jest szczegolnie niebezpiecz-ne dla strazakow w momencie wchodzenia do po-
Ryc. 1. Schemat powstania backdraft [1]
Fig. 1. The backdraft development mechanism [1]
mieszczen, w ktorych stwierdzono obecnose pozaru. Czas trwania powstalej strugi jest uzalezniony glow-nie od obj^tosci pomieszczenia (ilosci nagromadzo-nych gazow) i wielkosci otworu, w jakim struga po-wstaje. W ostatnich latach powstalo wiele prac na-ukowych, ktore mialy glownie na celu okreslenie granicznych warunkow powstania backdraft. Znajo-mose tych warunkow jest kluczowe dla zapewnienia bezpieczenstwa sluzbom pozarniczym prowadz^-cym akcje gasnicze.
Celem niniejszej pracy jest przyblizenie zjawi-ska backdraft oraz okreslenie warunkow koniecz-nych do jego zaistnienia na podstawie najnowszych publikacji naukowych w literaturze swiatowej. Poza pracami czysto eksperymentalnymi przytoczono najnowsze badania numeryczne opisuj^ce zjawi-sko ci^gu wstecznego. Badania numeryczne dzi^-ki wci^z doskonalonym modelom matematycznym, jak rowniez wzrostowi mozliwosci obliczeniowych komputerow, staj^. si^ coraz bardziej uzytecznymi narz^dziami do symulacji rozwoju pozarow i towa-rzysz^cych im zjawisk.
1. Badania eksperymentalne
Po raz pierwszy wzmianka o zjawisku backdraft pojawila si^ w roku 1914 [2]. Zjawisko to nie bylo jeszcze prawidlowo zidentyfikowane i nazwano je „wybuchem dymu”. Nast^pne proby wyjasnienia backdraft doprowadzily do tego, ze nazwano je za-plonem gazow albo zaplonem cz^stek sadzy w tem-peraturach nizszych niz 500°C [3]. Do pocz^tku lat 80. istniala tylko jedna publikacja opisuj^ca wy-st^powanie zjawiska ci^gu wstecznego. Badania te przeprowadzono w 1976 r. w skali laboratoryjnej [4] i byly wynikiem pozaru, jaki wyst^pil w roku 1975 w hali, w ktorej skladowano piankowe materace
[5]. W pomieszczeniu o obj^tosci 1,4 m3 skladowa-no piank^ uzywan^. do wypelniania materacy. Po jej podpaleniu, kiedy znaczna cz^se tlenu zostala zuzy-ta, spalanie plomieniowe pianki ustalo i nast^powa-la jej powolna piroliza. Po uchyleniu jednej ze scian i przylozeniu plomienia przy podlodze, nast^powal wybuch zgromadzonych gazow.
Analiza danych zebranych w latach 1972-1976
[6] obejmuj^cych 127 pozarow z eksplozjami ma-j^cymi miejsce w Wielkiej Brytanii, Stanach Zjed-noczonych i Kanadzie wykazala, ze az w 109 z nich wyst^pil backdraft. Znaczne zainteresowanie zjawi-skiem nast^pilo w latach 90. w USA po kilku spek-takularnych pozarach, w ktorych zgin^li strazacy. Chociaz pozary z udzialem backdraft zdarzaly si^ duzo wczesniej [5-8], dopiero naglosniona w pra-sie smiere trzech strazakow podczas pozaru hotelu w Nowym Jorku w 1994 r. [9] sklonila swiat nauki do gl^bszej analizy tego zjawiska. W roku 1993 zjawisko ci^gu wstecznego eksperymentalnie i nume-rycznie przebadal Fleischmann [10]. Raport z badan obejmowal:
• badania wst^pne maj^ce na celu opisae podstawo-we cechy zjawiska,
• badania z wykorzystaniem slonej wody w malej skali,
• badania koncowe w ilosci 28 z wykorzystaniem palnika metanowego.
\_NiMzcz*lnoic (leakage vent)
Ryc. 2. Schemat stanowiska do badania backdraft [10] Fig. 2. Experimental facility for backdraft research [10]
Badania wst^pne obejmowaly 23 eksperymen-ty. Oprzyrz^dowanie pozwalalo na pomiar tempera-tury na roznych wysokosciach obj^tosci, przeplywu masowego paliwa, cisnienia w pomieszczeniu, jak rowniez wielosci kuli ognia wytworzonej podczas zjawiska backdraft. Modyfikowanymi parametra-mi byly: przeplyw masowy metanu, czas wl^czenia palnika, moment otwarcia i liczba otworow. Jedynie 8 eksperymentow doprowadzilo do zjawiska bac-kdraft. Przykladowe wskazania temperatur na roz-nych wysokosciach w pomieszczeniu pokazano na Ryc. 3. Po pocz^tkowym wzroscie temperatury na-st^puje jej spadek na skutek obnizania si^ zawartosci tlenu w pomieszczeniu, po ok. 120 s plomien odry-wal si^ od palnika i zaczynal rozprzestrzeniae si^ tuz przy powierzchni podlogi. Zjawisko to jest prawdo-podobnie spowodowane nierownomiernym st^ze-niem tlenu w warstwie podlogowej, do ktorej tlen w niewielkiej ilosci docieral z nieszczelnosci stano-wiska. Otwarcie pomieszczenia nast^pilo w 180 s i po ok. 5 s dalo si^ zaobserwowae backdraft z kul^. ognia (pik temperatury od ok. 190 s). Czas od mo-mentu otwarcia klapy do wyst^pienia backdraft wy-nosil od 4,1 do 6,4 s. Zaobserwowano rowniez, ze im wi^kszy byl czas opoznienia zaplonu, tym backdraft przebiegal w sposob bardziej dynamiczny. Wyjasnieniem jest tutaj dluzszy czas mieszania si^ powietrza z gazami a tym samym wi^ksza obj^tose mieszaniny w granicach palnosci.
Cras (time) [s]
Ryc. 3. Pomiar temperatury na roznych wysokosciach w pomieszczeniu. Od gory: h=1,02 m, h=0,72 m, h=0,42 m, h=0,12 m [10]
Fig. 3. Temperature profiles at different heights. From the top: h=1,02 m, h=0,72 m, h=0,42 m, h=0,12 m [10]
Kolejny etap badan obejmowal badania z wyko-rzystaniem slonej wody. Badania tego typu przepro-wadza si^ w malej skali i polegaj^. one na obserwa-cji rozprzestrzeniania si^ plynu o wi^kszej g^stosci (slona woda) w plynie o mniejszej g^stosci (czysta woda). Dzi^ki wprowadzeniu wspolczynnika wypo-ru, odpowiednich liczb podobienstwa i bezwymia-rowych pr^dkosci mozliwe jest okreslenie w spo-sob ilosciowy procesu mieszania si^ dwoch strumie-ni plynu o roznych g^stosciach, podobnie jak ma to miejsce w przypadku tworzenia backdraft. Anali-za wynikow pokazala, ze bezwymiarowa pr^dkosc obu strumieni (wlotowego - g^stego i wylotowego
- rzadszego) jest niezalezna od wspolczynnika wy-poru, a zalezy jedynie od polozenia i ksztaltu otworu.
Ostatnim etapem badan byly eksperymenty okre-slaj^ce warunki brzegowe konieczne do zaistnienia zjawiska backdraft. Wykorzystano w tych ekspery-mentach termopary, analizatory gazow, czujniki ci-snienia, szybk^. kamer^ cyfrow^. oraz przeplywomie-rze. Przeprowadzone badania doswiadczalne wyka-zaly, ze do zaistnienia backdraft powinny byc spel-nione nast^puj^ce warunki:
• st^zenie paliwa w pomieszczeniu musi byc >10%, dla st^zen paliwa >15% pojawia si^ duza kula ognia, ktorej srednica rosnie wraz ze wzrostem
st^zenia paliwa, podobny trend wykazuj^. reje-strowane wartosci nadcisnienia,
• zrodlo ognia musi byc relatywnie male (zastoso-wano palnik 70 kW) tak, zeby st^zenie tlenu malalo w sposob ustabilizowany.
Bodzcem do kolejnych badan okazal si^ pozar
1. pi^tra w trzykondygnacyjnym hotelu w Nowym Jorku przy ulicy Watts zgin^lo wtedy 3 strazakow [9]. Podczas zdarzenia wyst^pil backdraft o niespo-tykanie dlugim czasie trwania - ok. 6,5 min, a plo-mienie obj^ly praktycznie cal^. klatk^ schodow^. bu-dynku, odcinaj^c strazakow od wyjscia. Jak poka-zaly pozniejsze ogl^dziny miejsca zdarzenia, pozar strawil jedynie okolo polow^ powierzchni pierwsze-go pi^tra i drewniane schody na klatce schodowej. Reszta pomieszczen w budynku pozostala praktycznie nietkni^ta.
Dalsze badania wykazaly, ze zrodlem zaplo-nu byl palnik pilotowy w piecyku gazowym, ktory zapalil polozon^. na nim plastikow^. torb^ na smie-ci. Plomienie obj^ly kolejne elementy znajduj^ce si^ w poblizu oraz drewnian^ podlog^. Do momen-tu wejscia strazakow do pomieszczenia pozar trwal ok. 60 min. Domownicy potwierdzili, ze wszystkie okna oraz drzwi byly pozamykane. Kanal wentyla-cyjny okapu zapewnil pocz^tkowo stale cisnienie w pomieszczeniu, a po obnizeniu si^ warstwy spalin ponizej jego poziomu zapewnil wentylaj dymu. Pozar zgloszono w momencie, gdy jeden z s^siadow zauwazyl dym wydostaj^cy si^ z komina budynku.
Kolejne badania w zakresie zjawiska ci^gu wstecznego przeprowadzili Weng i Fan [11]. Eksperymenty mialy na celu okreslenie warunkow gra-nicznych, dla ktorych backdraft moze zaistniec oraz jesli do niego dojdzie, to o jakiej b^dzie intensyw-nosci. Stanowisko badawcze skladalo si^ z pomieszczenia o wymiarach 1,2 x 0,6 x 0,6 m z zamykanym otworem o wymiarach 0,2 x 0,6 m, polozonym cen-tralnie na jednym z bokow. Podczas kazdego eks-perymentu rejestrowano temperatury na roznych po-ziomach w badanej obj^tosci, udzialy obj^tosciowe paliwa, CO i CO2 w badanej obj^tosci oraz nadci-
Ryc. 4. Schemat 3-kondygnacyjnego hotelu i 1. pi^tra z pozarem przy ulicy 62 Watts w Nowym Jorku, w ktorym mial
miejsce 6,5-min backdraft [9]
Fig. 4. 62 Watts Street hotel in New York: 3 floors building where the 6,5 min backdraft took place [9]
snienie generowane przez backdraft. Znaczna ilosc przeprowadzonych eksperymentow pozwolila na okreslenie istotnych dla wyst^pienia zjawiska para-metrow oraz ich granicznych wartosci. Najwazniej-szym parametrem determinuj^cym backdraft oka-zal si^ udzial niespalonego paliwa w mieszaninie (w tym przypadku byl to metan). Dla udzialow me-tanu w mieszaninie w ilosci przewyzszaj^cej 9,8% backdraft mial miejsce (Ryc. 5). Zawartosc tlenku w^gla byla praktycznie stala (ok. 0,5%) we wszyst-kich przeprowadzonych eksperymentach (Ryc. 6), sk^d mozna wyci^gn^c wniosek o jego niskim wplywie na backdraft. Zawartosc tlenu w zakresie l3,5-l4,5% rowniez nie wykazala trendu mog^ce-go miec jakikolwiek wplyw na wyst^powanie tego zjawiska. Wyst^puj^ce nadcisnienia scisle zalezy od zawartosci niespalonego paliwa w mieszaninie. W trakcie eksperymentow rejestrowano takze wiel-kosc wytworzonej w trakcie backdraft kuli ognia. Jej zasi^g w poziomie wykazal rowniez zaleznosc wprost proporcjonaln^. do zawartosci paliwa.
nosci, ktore mog^. opisywac pozary cial stalych i cie-klych, mog^ce doprowadzic do zjawiska backdraft. Zauwazono, ze wyst^powanie ci^gu wstecznego jest zalezne od udzialu paliwa w powietrzu. Jednocze-snie wartosc graniczna udzialu paliwa jest rozna dla roznych materialow palnych. Przebadane pozary drewna i n-heptanu wykazaly, ze krytyczne warto-sci udzialow niespalonych gazow dla tych substancji wynosz^. odpowiednio 8,7% oraz 2,5%. Aby zapalic dowolny gaz w powietrzu, musi si^ on znajdowac w zakresie st^zeniowym granic palnosci. Zapropo-nowano wprowadzenie parametru p odpowiadaj^ce-go stosunkowi udzialu niespalonych gazow w obj^-tosci do dolnej granicy palnosci danej mieszaniny. Z przeprowadzonej analizy wynika, ze niezaleznie od zastosowanego materialu, wartosc wspolczynnika P jest bardzo zblizona i rowna ok. l,4, co ozna-cza, ze st^zenie gazow palnych w obj^tosci musi byc co najmniej l,4 razy wi^ksze niz dolna granica palnosci takiej mieszaniny. Zaleznosc t£ dla drewna i n-heptanu przedstawiono na Ryc. S.
Ryc. 5. Wplyw zawartosci niespalonego paliwa na wyst^powanie backdraft [ll]
Fig. 5. The unburned fuel mass fraction influence on backdraft occurrence [ll]
Ryc. 6. Wplyw zawartosci O2, CO i CO2 na wyst^powanie backdraft [ll]
Fig. 6. O2, CO, and CO2 mass fraction influence on backdraft occurrence [ll]
Ryc. Т. Wplyw zawartosci niespalonego paliwa na wyst^puj^ce nadcisnienia i backdraft [ll]
Fig. Т. The unburned fuel mass fraction influence on backdraft occurrence and overpressures [ll]
Wprowadzony parametr p pozwolil rowniez na okreslenie jego granicznej wartosci dla wyst^powa-nia kuli ognia (P = l,84), tuz po zjawisku backdraft, jak rowniez zasi^gu (w tym wypadku dlugosci) kuli. Zaleznosc na zasi^g (L’) kuli ognia wygl^da zatem nast^puj^co:
L’ = 0,42 в - 0,74 (l)
Zaleznosc ta jest wynikiem aproksymacji wyni-kow badan doswiadczalnych, co przedstawiono na Ryc. 9.
Najnowsze badania eksperymentalne i teoretycz-ne [l2] ukierunkowano na poznanie ogolnych zalez-
Ryc. 8. Wplyw parametru p na wyst^powanie backdraft dla drewna (lewy) i n-heptanu (prawy) [12] Fig. 8. Thep parameter influence on backdraft occurrence in wood (left) and n-heptane (right) fire [12]
ft
Ryc. 9. Zaleznosc na zasi^g kuli ognia w funkcji parametru P [12]
Fig. 9. The fire ball range in a function of p parameter [12]
2. Symulacje numeryczne
W ostatnich latach coraz cz^sciej w projekto-waniu inzynierskim wykorzystuje si^ nowoczesne narz^dzia obliczeniowe. Narz^dzia te umozliwia-
j^. prowadzenie obliczen wytrzymalosci materialow i konstrukcji, wymiany ciepla, rozkladu przeplywow homo- i heterogenicznych, mieszania i spalania oraz wielu innych. Coraz szersze zastosowanie spowodo-wane jest wzrostem mocy obliczeniowych kompute-row oraz powstaniem bardziej efektywnych metod numerycznych. Ponadto, prowadzenie obliczen jest zdecydowanie tansze niz dlugotrwale badania eks-perymentalne i dostarcza znacznie wi^cej danych
o badanym zjawisku. Obliczenia numeryczne znacznie skracaj^. rowniez czas projektowania i przygoto-wania do produkcji nowych elementow i urz^dzen. Jednym z wielu zastosowan obliczen numerycznych jest symulacja rozwoju pozarow. Istniej^. w tym zakresie dwa podejscia: symulacja przy pomocy mo-delu strefowego i symulacja typu CFD (ang. Computational Fluid Dynamics - obliczeniowa dynami-ka plynow).
Jedne z pierwszych obliczen numerycznych przeprowadzil Fleischmann [10] w 1994 r. Symulacje przeprowadzono w geometrii o wymiarach
0,3x0,15 m dla przeplywu slonej wody. Na Ryc. 10 przedstawiono przykladowe wyniki uzyskane na
Ryc. 10. Symulacja numeryczna (lewy) i eksperyment (prawy) przeplywu slonej wody [9] Fig. 10. Numerical simulation (left) and experiment (right) of salt water flow [9]
Wysokosd (height) [m]
podstawie symulacji przeplywu slonej wody oraz zdj^cia z badan doswiadczalnych. W eksperymencie ze wzgl^du na zastosowanie fenolaftalenu w komo-rze (pH ~6,8) i wodorotlenku sodu (pH ~11.7) w ko-morze zewn^trznej, strefa mieszania si^ dwoch stru-mieni przybierala barw^ czerwon^, co na przytoczo-nych czarno-bialych zdj^ciach odpowiada barwie czarnej. Na Ryc. 11 znajduje si^ porownanie profi-li pr^dkosci w otworze, uzyskane za pomoc^. symulacji i badan eksperymentalnych. Jak wykazaly po-rownania profili pr^dkosci oraz dalsze obliczenia za-warte w tej pracy, symulacje wykazuj^. prawidlowe odwzorowanie przeplywu strumieni w komorze, za-rowno pod wzgl^dem jakosciowym, jak i iloscio-wym.
-1.20 -0.90 -0.60 -0.30 0.00 0.30 0.60 0.90 1.20
Pr^dKosc (velocity) [m/s]
Ryc. 11. Profil pr^dkosci wzdluz wysokosci otworu w pomieszczeniu po roznych czasach od otwarcia. Linie - symulacje numeryczne (linia ci^gla t = 4 s, linia punktowa t = 8 s), punkty - dane eksperymentalne (kwadraty t = 4 s, kola t = 8 s) [10]
Fig. 11. Velocity profiles along the orifice height at different time. Lines - numerical simulations (solid line t = 4 s, dot line t = 8 s), Points - experimental data (squares t = 4 s, circles t = 8 s) [10]
Kolejne symulacje przeprowadzono w progra-mie CFAST [9], wykorzystuj^cym do obliczen mo-dele strefowe. Symulacja, ktor^. przeprowadzono,
miala na celu odwzorowac warunki zaistniale w opi-sanym juz wczesniej pozarze w Nowym Jorku [9]. Symulacja ta obejmowala pomieszczenie obj^te po-zarem oraz klatk^ schodow^. z otworami wentyla-cyjnymi na gorze oraz otwartymi drzwiami na dole. Na potrzeby symulacji zalozono, ze drzwi zostaly otwarte po 37,5 min od momentu rozpocz^cia obliczen. Zarejestrowana szybkosc wydzielania ciepla (ang. HRR - Heat Release Rate) oraz srednie st£-zenie tlenu w pomieszczeniu i na klatce schodowej przedstawiono na Ryc. 12 [9]. Na podstawie prze-prowadzonych kalkulacji zauwazono nagly spadek st^zenia tlenu w pomieszczeniu do ok. 8%, a nast^p-nie pozar coraz wolniej zuzywal tlen, ktory osi^gn^l st^zenie ok. 5% po czasie 37,5 min. Po otwarciu drzwi nast^pil nagly doplyw tlenu do mieszkania, po wymieszaniu si^ z produktami niezupelnego spa-lania doszlo do zaplonu tej mieszaniny i wyplywu przez otwor drzwiowy. Zjawisko to przedstawiono na Ryc. 13, na ktorym widac wyrazny wzrost tempe-ratury na klatce schodowej do okolo 1200oC. Zmie-rzona moc pozaru w przekroju drzwi osi^gn^la war-tosc prawie 5 MW. Czas trwania przeplywu plomie-ni przez otwor drzwiowy wyniosl ok. 7 min, co wy-kazuje zgodnosc z zarejestrowanym rzeczywistym czasem trwania zjawiska backdraft (6,5 min.).
Mimo ze przytoczona symulacja numeryczna ba-zowala na pewnych zalozeniach pocz^tkowych, ktore mog^. miec wplyw na uzyskane wyniki, to jednak udo-wodnila, ze mozliwe jest trwanie zjawiska backdraft przez tak dlugi okres. Analiza wynikow wykazala row-niez, ze na dlugotrwalosc backdraft maj^. wplyw takie czynniki jak kubatura pomieszczenia, stopien szczel-nosci otworow okiennych i drzwiowych, polozenie otworow wentylacyjnych oraz moment otwarcia po-mieszczenia. Kolejnym bardzo waznym wnioskiem z analizowanego zdarzenia jest nieefektywnosc wypo-sazenia jednostek strazy pozarnej w przypadku zaist-nienia tak dlugotrwalego oraz dynamicznego zjawiska.
SzybkoiC uwolnlenla clepJa w mieszkaniu (HRR in the apartment)
szybkosc uwolnienio ciepla [kW]
(HRR)
(time)
Stezenie tlenu (Oxygen concentration)
[%i
Czas [min.] (time)
Ryc. 12. Szybkosc wydzielania ciepla (HRR) w mieszkaniu (lewy) i srednie st^zenie tlenu w mieszkaniu i na klatce schodowej (prawy) zarejestrowana podczas symulacji komputerowej [9]
Fig. 12. Heat Release Rate (left) and mean oxygen concentration in the apartment and on stairway [9]
Temperatura przysufitowa (Upper temperature)
20 30
С us [min.] (time)
Szybkosc uwolnienia ciepta z ptomieni , wydostajacych siq przez drzwi lkW' (HRR of door flames)
JXAAJ 4000
1
JKAJV 2000
1000 Л _ 1
U 0 10 20 30 40 50 Cut (тт.] (time)
Ryc. 13. Temperatury w warstwie podsufitowej w mieszkaniu i klatce schodowej (lewy) i szybkosc wydzielania ciepla
z przekroju drzwi wejsciowych do mieszkania (prawy) [9]
Fig. 13. Temperature history near the ceiling in the apartment and in the stairway (left) and Heat Release Rate
from the open door (right) [9]
Kolejne symulacje numeryczne zjawiska backdraft przeprowadzili Horvat i inni [13-14]. Modelo-wana geometria byla identyczna, jak w eksperymen-tach prowadzonych w Lund University w Szwecji w 2000 r. [15]. Do obliczen uzyto programu CFX-5 oraz modelowania typu DES (ang. Detached Eddy Simulation), czyli pewnego rodzaju hybrydy dwoch modeli turbulencji RANS (ang. Reynolds Averaged Navier-Stokes) i LES (ang. Large Eddy Simulation). Przykladowe kontury temperatury i st^zenia meta-nu uzyskane w symulacji przedstawiono na Ryc. 14. Symulacja pokazala, ze spalanie ma miejsce nie tyl-ko w samej obj^tosci, ale rowniez poza ni^, jesli po zaplonie cisnienie gazow rosnie wystarczaj^co szyb-ko. Mieszanina palna znajduj^ca si^ przy otworze zostaje wypchni^ta, a po zaplonie tworzy kul^ ognia. Zjawisko to zaobserwowali rowniez Chen і in. [12].
Tempvratura [K] (wnprrMuni)
2200 0-1
280 К < r< 2200 К
2000 0 ІМ00 1600 01400 0-1 12000-j iooooh *000-1 600 0-j 400.0 J
1
0-0 < £ch4 <
Ryc. 14. Rozklad temperatury i st^zenia metanu w symulacji backdraft w programie CFX-5 [13] Fig. 14. Temperature (top) and methane concentration (bottom) contours of backdraft simulation in CFX-5 code [13]
Podczas badan eksperymentalnych zjawisko backdraft wyst^powalo po czasie opoznienia (od momentu otwarcia otworu do zauwazenia plomie-ni na zewn^trz) od 15 do 46 s. Czas opoznienia za-plonu uzyskany w symulacji wyniosl 11,4 s. Nale-zy jednak zauwazyc, ze jest to czas zaplonu w tylnej cz^sci obj^tosci, st^d wartosc ta jest nieznacznie za-nizona. Ponadto doswiadczalna wartosc czasu opoz-nienia wykazuje cechy stochastyczne, bez wyraznej zaleznosci od parametrow pocz^tkowych.
Wplyw wyst^powania przeszkod na rozwoj backdraft przebadali numerycznie Pёrez-Jimёnez i inni [16]. Odwzorowane stanowisko podobnie jak w pra-cach [13-14] zaczerpni^to z badan prowadzonych w Lund University [15]. Przeszkody mialy na celu modyfikaj przeplywu w momencie otwarcia okna. Wytwarzaj^cy si^ dolny strumien swiezego powie-trza mial przez to odmienny charakter. Symula-cje numeryczne wykazaly, ze przeszkody znacznie opozniaj^. (ok. 2-krotnie) wyst^pienie backdraft, jed-noczesnie wydluzaj^c czas trwania zjawiska po jego wyst^pieniu. Moze miec to istotny wplyw na prowa-dzenie dzialan ratowniczo-gasniczych w miejscach g^sto wypelnionych przeszkodami np. stolem, krze-slami, fotelami lub szafkami w budynkach z otwart^. powierzchni^. biurow^.
Inne symulacje odwzorowuj^ce badania do-swiadczalne z Lund University przeprowadzili Fer-raris i inni [17]. Do obliczen tych wykorzystano program FDS (ang. Fire Dynamics Simulator) [18]. Jest to darmowy program, powszechnie uzywany do ob-liczen rozprzestrzeniania si^ pozaru i dymu w obiek-tach budowlanych. Po pewnych modyfikacjach kodu zrodlowego, ktore wprowadzili autorzy pracy [17], mozliwe jest uzycie programu do obliczen zjawi-ska back draft (Ryc. 15.). Podobnie jak w innych pracach [13, 14], obliczenia wykazaly, ze spalanie gazow moze miec miejsce rowniez poza anali-zowan^. obj^tosci^, jesli sam proces spalania b^dzie
Ryc. 15. Symulacja zjawiska backdraft w programie FDS [17] Fig. 15. The FDS code backdraft simulation [17]
wystarczaj^co dynamiczny. Ponadto nie wszystkie gazy zawieraj^. si^ w granicach palnosci i osi^gaj^. j^. dopiero po wyjsciu z obj^tosci. Opoznienie zaplo-nu w symulacjach wynioslo 18 s, co stanowi war-tosc blizsz^. wynikom badan eksperymentalnych, niz uzyskane w poprzednich pracach.
3. Podsumowanie i wnioski
W powyzszej pracy przedstawiono przegl^d ba-dan doswiadczalnych i obliczen numerycznych od-nosz^cych si^ do zjawiska ci^gu wstecznego - backdraft. Zjawisko to jest nadal slabo poznane i wy-maga prowadzenia dalszych prac, w szczegolnosci nakierowanych na okreslenie ilosciowe parametrow granicznych jego wyst^powania. Znaczna ilosc ma-terialow, ktore bior^. zazwyczaj udzial w spalaniu prowadz^cym do backdraft, bardziej komplikuje to zadanie. Pierwsze kroki w tym kierunku zostaly jed-nak juz podj^te [12]. Backdraft to zlozone zjawisko
i zalezy od wielu czynnikow, w tym mi^dzy inny-mi od:
• rodzaju materialow (ciala stale, ciecze, gazy) bio-r^cych udzial w spalaniu,
• stopnia uszczelnienia pomieszczenia,
• czasu trwania pozaru,
• czasu otwarcia i wielkosci otworu.
Wszystkie te czynniki maj^. wplyw na ilosc wyge-nerowanych gazow palnych znajduj^cych si^ w roz-patrywanej obj^tosci, a jak pokazalo wiele prac [1016] udzial obj^tosciowy tych gazow ma kluczowe znaczenie. Symulacje numeryczne stanowi^. przy-datne narz^dzie, ale obecnie nie s^. jeszcze w stanie prawidlowo odwzorowac przebiegu pelnego zjawiska pozaru z backdraft. Problemem jest mi^dzy in-
nymi wlasciwy model spalania, ktory bylby w sta-nie odwzorowac prawidlowo proces zaniku plomie-ni i przejscie pozaru w tlenie. Dalszy przebieg zjawiska - wyrzut plomieni, kula ognia i fala nadcisnienia
- jest symulowany w sposob jakosciowo i iloscio-wo prawidlowy. Oprocz kilku wad, symulacje numeryczne posiadaj^. rowniez wiele zalet, ktore decyduj^. o ich wykorzystaniu w zagadnieniach zarowno na-ukowych, jak i inzynierskich. Ci^gly rozwoj metod numerycznych oraz sprz^tu komputerowego niew^t-pliwie doprowadzi do powstawania modeli rozwo-ju pozaru (w tym backdraft) i szacowania jego skut-kow.
Literatura
1. Gottuk D.T., Peatross M.J., Farley J.P., Williams F.W., The development and mitigation of backdraft: a real-scale shipboard study, ‘Fire Safety Journal’, 33, 2009.
2. Steward P., Dust and smoke explosions, 'NFPA Quarterly’, 7, 1914.
3. Roblee C. L., Backdraft, Fire Chief, December 1977.
4. Pagni P. J., Shih T. M., Excess Pyrolyzates, 16th Symposium on Combustion, The Combustion Institute, Pittsburgh, PA, 1976.
5. Anon, Fatal Mattress Store Fire at Chatham Dockyard, ‘Fire’, 67, 1975.
6. Croft W. M., Fires involving Explosions - a literature review, ‘Fire Safety Journal’, 3, 1980.
7. Russel D., Seven Fire Fighters Caught in Explosion, ‘Fire Engineering’, 1983.
8. Backdraft: A Horrible Reality that Kills or Maims in Seconds, Fire Fighting in Canada, April--May, 1980.
9. Bukowski R. W., Modelling Backdraft: the fire at 62 watts street, ‘National Fire Protection Association Journal’, 89, 1995.
10. Fleischmann C. M., Backdraft Phenomena, National Institute of Standards and Technology, Report no. NIST-GCR-94-646, 1994.
11. Weng W.G., Fan W.C., Critical condition of bac-kdraft in compartment fires: a reduced-scale experimental study, ‘Journal od Loss Prevention in the Process Industries’, 16, 2003.
12. Chen A., Zhou L., Liu B., Chen W., Theoretical analysis and experimental study on critical conditions of backdraft, ‘Journal of Loss Prevention in the Process Industries’, 24, 201.
13. Horvat A., Sinai Y., Numerical simulation of backdraft phenomena, ‘Fire Safety Journal’, 42, 2007.
14. Horvat A., Sinai Y., Gojkovic D., Karlsson B.,
Numerical and experimental investigation of backdraft, ‘Combustion Science and Technology’, 180, 2008.
15. Gojkovic D., Initial backdraft experiments. Report 3121, Department of Fire Safety Engineering, Lund University, Sweden, 2000.
16. Pёrez-Jimёnez C., Guigay G.J., Horvat A., Sinai Y., Fransse J.-M., Influence of obstacles on the development of gravity current prior to bac-kdraft, ‘Fire Technology’, 45, 2009.
17. Ferraris S.A., Wen J.X., Demble S., Large eddy simulation of the backdraft phenomenon, ‘Fire Safety Journal’, 43, 2008.
18. http://code.google.com/p/fds-smv/
inz. Piotr Lesiak - absolwent Szkoly Glownej Sluz-
by Pozarniczej w Warszawie. Absolwent studiow in-
zynierskich na kierunku chemia w Wojskowej Aka-
demii Technicznej. Pelni sluzb^ w Centrum Nauko-wo-Badawczym Ochrony Przeciwpozarowej PIB w Jozefowie, na stanowisku starszego specjalisty w Zespole Laboratoriow Procesow Spalania i Wy-buchowosci.
dr inz. Rafal Porowski - absolwent Szkoly Glownej Sluzby Pozarniczej w Warszawie. W latach 20082009 byl uczestnikiem studiow podyplomowych z inzynierii bezpieczenstwa wodorowego w University of Ulster w Irlandii Polnocnej. W roku 2010 ukonczyl studia doktoranckie na Wydziale Mecha-nicznym, Energetyki i Lotnictwa Politechniki War-szawskiej. W latach 2009-2010 w ramach stypen-dium Fulbrighta pracowal w California Institute of Technology. Obecnie pelni funkj kierownika Zespolu Laboratoriow Procesow Spalania i Wybu-chowosci w Centrum Naukowo-Badawczym Ochro-ny Przeciwpozarowej - PIB w Jozefowie.
mgr inz. Wojciech Rudy - absolwent Wydzialu Mechanicznego, Energetyki i Lotnictwa Politechni-ki Warszawskiej. W latach 2008-2009 byl uczestni-kiem studiow podyplomowych z inzynierii bezpie-czenstwa wodorowego w University of Ulster w Irlandii Polnocnej. Obecnie jest doktorantem w Insty-tucie Techniki Cieplnej Wydzialu MEiL Politechni-ki Warszawskiej. Tematyka badawcza zwi^zana ze spalaniem i wybuchowosci^. mieszanin gazowych.
mgr Martyna Strzyzewska - absolwentka Wydzialu Zarz^dzania Uniwersytetu Warszawskiego. Pra-cuje na stanowisku mlodszego specjalisty w Zespole Laboratoriow Procesow Spalania i Wybuchowosci w Centrum Naukowo-Badawczym Ochrony Prze-ciwpozarowej - PIB w Jozefowie.
