Ulaşım yapılarında farklı yangın senaryolarının sayısal olarak incelenmesi
Numerical analysis of different fire scenarios in transportation structures
Yazar: UMUT BARIŞ YILMAZ
Danışman: PROF. DR. OĞUZ TURGUT
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Termodinamik ve Isı Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences ; Ulaşım = Transportation
Dizin: Kara yolları = Highways ; Metro istasyonu = Metro station ; Su sisi = Water mist ; Tüneller = Tunnels ; Yangın = Fire ; Yüksek basınç = High pressure

Özet:
Çalışmanın ilk aşamasında 1:100 ölçekli bir metro istasyonunda 10 ml n-heptan havuz yangını Fire Dynamics Simulator (FDS v6.7.7) yazılımı ile sayısal olarak incelenmiş, farklı tasarım eğrileri, türbülans ve radyasyon değişkenleri uygulanarak duman ve sıcaklık dağılımı araştırılmış, literatürdeki deneysel çalışmalar ile karşılaştırılmıştır. Eksponansiyel yangın tasarımı eğrisinin %5 fark ile deneysel verilere en yakın sonucu verdiği gözlemlenmiş ve küçük ölçekli hidrokarbon havuz yangınları için kullanılabileceği sonucuna varılmıştır. Ayrıca en uygun radyasyon ve türbülans değişkenleri saptanmıştır. Çalışmanın ikinci aşamasında dört şeritli NATM tünelde 6-200 MW arasındaki büyüklüklerde dizel havuz yangını simüle edilerek sonuçları aynı koşullar altında uluslararası mevzuatta yeralan acil durum havalandırma hesapları ile karşılaştırılmıştır. Elde edilen sıcaklık sonuçları doğrultusunda tünel yapısalına zarar verebileceği öngörülen 100 MW ve üstündeki yangın yüklerinde yüksek basınçlı su sisi (YBSS) ve baskın sulu söndürme sistemi simülasyonları yapılmış ve söndürme sistemlerinin ısı transferi üzerindeki etkisi incelenmiştir. YBSS sisteminin yangın yükünü ortalama %50, baskın sistemin ise ortalama %30 oranında azalttığı saptanmıştır. Ayrıca sulu söndürme sistemlerinin maliyetleri, havalandırma sistemi kapasitesi de dikkate alınarak hesaplanmış ve karşılaştırılmıştır. Buna göre su sisi yangın söndürme sisteminin baskın sistemden %30 daha pahalı olduğu tünel uzunluğu arttıkça %20'ye kadar düştüğü saptanmıştır. Bununla birlikte baskın sistemin 3 kat anlık debi ihtiyacı nedeni ile YBSS sisteminin drenaj altyapısında avantaj sağlayacağı anlaşılmıştır. Çalışmanın üçüncü ve son aşamasında ise NATM tünelden alınan hız ölçümleri ve nümerik analizlerden faydalanılarak, karayolu tünelleri boyuna havalandırma sistemleri test ve devreye alma işlemleri için prosedür geliştirilmiştir. NATM tünelden ölçülen ortalama hız değerleri ile sayısal analiz sonuçları arasındaki farkın %4,9 olduğu ve sonuçların uyumlu olduğu tespit edilmiştir. Buna göre, karayolu tüneli havalandırma sistemi test ve devreye alma sırasında bu tip bir prosedürün uygulanabileceği ortaya konmuştur.

Abstract:
In the first phase of the study, a 10 ml n-heptane pool fire in a 1:100 scale metro station was numerically analyzed with Fire Dynamics Simulator (FDS v6.7.7) software. Smoke and temperature distribution were investigated by applying different design curves, turbulence and radiation variables, and the results compared with experimental studies in the literature. It has been observed that the exponential fire design curve gives the closest result to the experimental data with 5% difference and it was concluded that it could be used for small scale hydrocarbon pool fires. In addition, the most suitable radiation and turbulence variables were determined. In the second phase of the study, a diesel pool fire between 6-200 MW fire load was simulated in a four-lane NATM tunnel and the results were compared with the emergency ventilation calculations in the international legislation under the same conditions. In line with the temperature results obtained, high pressure water mist (HPWM) and deluge water extinguishing system simulations were performed at fire loads of 100 MW and above, which are predicted to damage the tunnel structure, and the effect of extinguishing systems on heat transfer was examined. It has been determined that the HPWM and deluge systems reduces the fire load by 50% and 30% on average respectively. In addition, the costs of water extinguishing systems were calculated and compared by taking into account the reduced ventilation system capacity. Accordingly, it has been determined that the water mist fire extinguishing system is 30% more expensive than the deluge system, and it decreases up to 20% as the tunnel length increases. However, it has been understood that the HPWM system has an advantage in the drainage infrastructure due to the 3-fold instantaneous flow requirement of the deluge system. In the third and final phase of the study, a procedure has been developed for the testing and commissioning of longitudinal ventilation systems in highway tunnels by using numerical analyzes and speed measurements taken from the NATM tunnel. It was determined that the difference between the average speed values measured from the NATM tunnel and the numerical analysis results was 4.9% and the results were consistent. Accordingly, it has been observed that such a procedure could be used.