Uzun bir karayolu tünelinde havalandırma sistemi tasarımı ve yangın simülasyonu
Ventilation system design and fire simulation in a long roadway tunnel
Yazar: ÖZKAN KAÇAN
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ NUREDDİN DİNLER
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences

Özet:
Ülkemizde karayolu taşımacılığında tüneller önemini her geçen gün arttırmaktadır. Karayolu tünel yangınlarıyla ilgili; kritik hız kavramı, geri katmanlaşma, maksimum duman sıcaklığı, tünel içerisindeki araçların blokaj etkileri, tünel kesitinin etkileri (en, boy, hidrolik çap, kavis vb.), yanan araç türünün etkileri, atmosferik koşulların etkisi ve son zamanlarda da yangın önleme sistemlerinin etkinliği (su sisi ve sulu yangın önleme sistemleri vb.) üzerine bir çok çalışma yapılmıştır. Bu çalışmada, literatür çalışmalarından faydalanılarak, karma havalandırma sisteminin uygulandığı 14,5 km uzunluğunda, çift tüpten oluşan, 3 adet tahliye şaftı bulunan, eğimli gerçek bir karayolu tünelinin havalandırma sistemi tasarımı yapılmıştır. Havalandırma sisteminin seçiminde etkili olan tüm parametreler kullanılarak normal ve acil durum işletme koşulları tasarlanmıştır. Yangın durumuna göre en kritik bölge seçilerek Ansys/Fluent yazılımıyla analiz edilmiştir. Yangın düzeneği kurarak tünel içerisindeki duman gelişimine bağlı fiziksel ve kimyasal süreçleri (türbülans, yanma, radyasyon vb.) incelemek ve analiz etmek hem çok uzun süre hem de oldukça yüksek maliyetler getirmektedir. Ansys/Fluent yazılımı ile temel enerji denklemleri (enerji, momentum, kütle, tür) çözülerek türbülans, yüzdürme, yanma gibi karmaşık süreçler tanımlanmıştır. Yangın durumunda kararlı ve kararsız analizler yapılarak gaz sıcaklıkları, hava akış hızı, görüş mesafesi, zehirli gaz konsantrasyonları ve insanların tahliye işlemleri gibi süreçleri etkin bir şekilde değerlendirilmiştir. Bu çalışma ile gerçek bir karayolu tünelinde; havalandırma sistemi nasıl tasarlanır, etkili parametreler nelerdir, normal ve acil durum havalandırma hesapları nasıl yapılır, fan yerleşimi nasıl olur, yangın yükü nasıl tespit edilir, tünel içerisindeki en kritik bölgenin tespiti nasıl yapılır, sıcak gazların yayılması ve tünel boyunca duman tahliyesi ne şekilde olur, havalandırma sistemi ekipmanları nasıl seçilmelidir, tünel yangını analiz programlarında nasıl modellenmelidir ve sınır değerler nasıl seçilmelidir sorularına yanıt verebilecek bir kaynak oluşturulması hedeflenmiştir. Bulunan analitik ve nümerik sonuçların birbirine uyumlu olduğu görülmüştür.

Abstract:
The importance of tunnels in roadway transport increases day by day in our country. Related to highway tunnel fires; critical speed concept, back-layering, maximum smoke temperature, blockages effects of vehicles in tunnel, effects of tunnel cross section, effects of burning vehicle type, effects of atmospheric conditions and, more recently, the effectiveness of fire prevention systems have been carried out. In this study, based on the literature studies, the results of the fire ventilation system was designed and numerically one dimensional in case of a tilted real road tunnel with 3 ventilation shafts of 14.5 km long, double tubes, in which mixed ventilation system is applied, were compared with the three dimensional results obtained by using Ansys/Fluent software. Surveying and analyzing  physical and chemical processes (turbulence, combustion, radiation etc.) depending the development of smoke in tunnel within the by establishing a real-sized fire mechanism can provide the most accurate data. However, the installation of these mechanisms requires both a very long time and a very high cost. On a small scale, experimental setups may generally not reproduce full-scale features. Today, computer simulations are more widely applied to demonstrate fluid behavior and to measure its effects. With the help of computational fluid dynamics (CFD) programs, results are evaluated more effectively by using many detailed data that can not be accessed with any of the other two approaches, compared to full-scale and small-scale studies. In this study, basic energy equations (energy, momentum, mass, species) were solved with Ansys/Fluent software and complex processes such as turbulence, flotation, combustion were defined. The relationship between the gas temperatures of the smoke resulting from the fire, air flow rate, visibility distance in the tunnel, toxic gas concentrations and evacuation procedures of people were evaluated. In a real highway tunnel; It is aimed to establish a resource on fire load detection, selection of critical zone, dissemination of hot gases and smoke evacuation through tunnel and use of scale model in CFD software. The analytical and numerical results were found to be compatible with each other.