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Ch. Segalla:
"Modellierung des Brandfalls im Straßentunnel mittels CFD";
Supervisor: E. Pucher; E 315 Institut für Verbrennungskraftmaschinen und Kraftfahrzeugbau, 2002.

CFD-simulation of smoke propagation and ventilation efficiency of tunnel fire incidents.
The objective of this project was the development of a prediction method for the propagation of smoke and the temperature distribution in a tunnel during a fire
.incident. The goal was to generate deeper understanding of the fiow phenome- na during a tunnel fire and to provide constructors with an instrument to support ventilation design. The 3D-simulations were carried out using the commercial CFD-code FLUENT to benefit from weIl established programs and models. For special physical phenomena, like soot-radiation interaction, special models were implemented. A large number of calculations was performed to investigate grid resolution sensitivity, infiuence ofturbulence models and different means ofmo- deling the fire. During the investigations three main points turned out to have predominant impact on the quality of simulation results: the modeling of the fire by means of heat and volumetric source, gas and soot radiation and heat transfer to the tunnel walls. In order to limit computer effort the fire was substituted by an energy source for the required heat release and a mass source which produced the combustion products. The correct smoke quantity and composition were of crucial importance because they are directly related to convective and radiative heat transfer. The combustion products (largely carbon dioxide and water vapor as weIl as soot particles) are optically dense, which implies that there is a strong interaction with the radiation emitted from the fire. In order to correctly regard these effects a new 'Weighted Sum of Grey Gases Model' (WSGGM) was deve- loped, which combines the effect on absorption coefficient by gaseous and soot components. Test cases from the Memorial Tunnel Project were used to verify the newly developed methods and showed significant improvement of simulation accuracy.

Ziel dieser Diplomarbeit war es, ein Modell zur Vorhersage der Rauchgas- und Temperaturverteilung in einem Tunnel während eines Brandes zu entwickeln. Dadurch sollte ein besseres Verständnis der Vorgänge, die bei Tunnelbränden ablaufen, geschaffen und ein Hilfsmittel zur Auslegung von Lüftungssystemen bereitgestellt werden.
Die 3-D Simulation wurde mit dem kommerziellen CFD-Code FLUENT durchgeführt, um auf ausgereifte Programme und Modelle zurückgreifen zu können.
Zur Modellierung spezieller physikalischer Phänomene, wie etwa der Strahlungseffekte von Ruß und Gasen wurden zusätzliche Modelle implementiert. Zahlreiche Rechnungen wurden durchgeführt, um die Einflüsse von Netzdichte, Turbulenzmodellen und unterschiedlichen Brandherdkonfigurationenen zu untersuchen.
Im Laufe der Arbeiten haben sich drei Aspekte als maßgeblich herausgestellt: Die Modellierung des Feuers als Wärme- und Massenquelle, die Gas- und Rußstrahlung und der Wärmeübergang an die Tunnelwände.
Um die Rechenzeiten zu begrenzen, wurde das Feuer mit Hilfe einer Wärme und Massenquelle modelliert, die die Brandlast und die Verbrennungsprodukte im Berechnungsgebiet initialisiert. Die Modellierung der richtigen Rauchgasmenge und -zusammensetzung war von besonderer Bedeutung, da sie direkt mit dem Wärmetransport durch Konvektion und Strahlung in Zusammenhang steht. Die Verbrennungsprodukte bestehen großteils aus Kohlendioxyd und Wasserdampf sowie Ruß-Partikeln. Wegen ihrer hohen optischen Dicke ist ihr Einfluss auf den Strahlungsaustausch bedeutsam. Zur richtigen Erfassung dieser Effekte wurde, beruhend auf dem "Weighted Sum of Gray Gases (WSGGM)"-Prinzip, ein Strahlungsmodell entwickelt, dass die Einflüsse von Ruß und gasförmigen Verbrennungsprodukten auf den Absorptionskoeffizienten berücksichtigt.
Mit diesem Modell wurden einige Realbrandversuche nachgerechnet und mit Messergebnissen verglichen. Die Simulationsergebnisse stimmen mit den Messwerten insgesamt gut überein, wobei der Grad an Übereinstimmung je nach verwendetem Lüftungssystem unterschiedlich ist. In jedem Fall aber konnte die Simulationsrechnung die Trends eindeutig wiedergeben.