Kristóf Gergely, Lajos Tamás, Lohász Márton, Régert Tamás
Numerikus szimuláció alkalmazása a Budapest Sportcsarnok klímatechnikai és tûzvédelmi vizsgálatában
Általános célú, véges térfogatos numerikus áramlástani szoftver segítségével elemeztük az újjáépített Budapest Sportcsarnok klímatechnikai és tûzvédelmi rendszere által a belsõ légtérben keltett áramlást. Az áramlási teret téli és nyári üzemállapotban, többféle nézõszám esetén kiszámítottuk kétdimenziós és háromdimenziós modellek segítségével. Dinamikusan változó méretû hõ- és füstgázforrásként modelleztük több lehetséges helyen keletkezett tüzet. Megvizsgáltuk a füst elhelyezkedését a csarnok légterében az épület kiürítésének idõtartamában. A szimulációs eredmények lehetõvé tették a klíma komfort kritériumok ellenõrzését, elõsegítették a légtechnikai rendszer számos paraméterének optimális megválasztását és sporttechnikai követelményeknek betartását.
Internal flows in the Budapest Arena Sport Hall induced by the air-conditioning system or the smoke extraction system have been analyzed by using a general purpose CFD program. The flow fields have been determined for various amount of audience assuming summer or winter conditions with the help of two-dimensional and three-dimensional models. Fire cases at various locations in the arena have been modeled with increasing area and increasing intensity surface sources of heat and exhaust gas. Position of smoke have been identified during the time of evacuation of the building. Simulation results helped the optimization of various parameters of the heating and air-conditioning system and the fulfillment of sport technical criteria.
1. Bevezetés
Az általános célú numerikus áramlástani szoftverek alkalmazása új távlatokat nyit az épületgépészeti tervezésben. Az áramlástani elemzés lehetõséget ad a komfort kritériumok (pl. PPD) térbeli megoszlásának számszerû kiértékelésére, a huzathatás és a kellemetlen meleg érzet elkerülésére a klímarendszer elemeinek optimális elhelyezésével. A klímarendszer által keltett áramláson kívül figyelembe vehetõ a helységben tartózkodó emberek és gépek által bevitt hõ és az ennek következtében fellépõ természetes áramlások és meghatározhatók a levegõ olyan minõségi jellemzõi, mint nedvesség-, és oxigéntartalma elemezhetõk a belsõ tér hõsugárzási viszonyai. Szimulációval elemezhetõ a füst terjedése különbözõ helyeken keletkezett tûz esetén, így meghatározható az épület biztonságos kiürítésére rendelkezésre álló idõ.
Az épület körüli áramlás numerikus vizsgálata lehetõvé teszi többek között a szerkezeti elemek szélterhelésének meghatározását vagy egy újonnan létesített épület hatását a környezõ utcák szelõzésére, ezzel a gépjármûvek által kibocsátott füstgáz esetleges felhalmozódása elkerülhetõ.
Berendezések optimalizálásán túlmenõen – mérnöki szempontból – a numerikus szimuláció óriási jelentõsége, hogy átfogó képet ad és tervezési hibákat tesz elkerülhetõvé.
Tanszékünk még az épület tervezési stádiumában részletes áramlástani szimulációs vizsgálatot készített az újjáépített Budapest Sportcsarnokra vonatkozóan, a számítási eredmények támpontot adtak számos tervezési döntés meghozatalában és lehetõvé tették sporttechnikai és tûzvédelmi jellemzõk ellenõrzését. Az alábbiakban röviden bemutatjuk az alkalmazott vizsgálat módszereket, és azt, hogy milyen gyakorlati kérdések megoldására használható elõnyösen a numerikus áramlástani szimuláció eszköze.
2. Az alkalmazott szoftver
A szimulációs vizsgálathoz a jelenleg piacvezetõ Fluent általános célú numerikus áramlástani szoftvert használtuk, amely igen széleskörû alkalmazásra ad módot. Fluent rendszerben modellezhetõk egy vagy többfázisú, összenyomható és összenyomhatatlan lamináris és turbulens áramlások.
A modellezés kiindulási pontjául szolgálhat bármely CAD rendszerben felépített háromdimenziós geometriai modell is, amely az áramlástani elemzés céljára beolvasható, kiegészíthetõ és szükséges mértékben egyszerûsíthetõ. Az áramlást leíró megmaradási egyenletek megoldására a Fluent rendszer a véges térfogatok módszerét alkalmazza, amely a vizsgált tartományban numerikus háló létrehozását igényli. A numerikus háló celláinak mérete az áramlási térben tetszõlegesen sûríthetõ. Finom térbeli felbontás általában olyan helyeken szükséges, ahol az áramlási jellemzõk térben gyorsan változnak, ezért a felhasználónak nagy segítséget jelent, hogy a numerikus háló megoldás közben, az eredmények alapján finomítható.
A legtöbb épületgépészeti alkalmazás esetében néhány százezer cella felhasználásával a gyakorlat számára elfogadható részletességû eredmények nyerhetõk, amelyek kiértékelése PC kategóriájú számítógépeken néhány órás, vagy idõfüggõ modellek esetében akár egy-két napos számítási idõt igényel.
3. Geometriai modell, numerikus háló
A belsõ légtér szimulációja céljából elkészítettük az 1. ábrán látható háromdimenziós modellt. Gépészeti szempontból a csarnok egyik érdekessége, hogy a legalsó lelátók a falhoz betolható kivitelben készültek, ezért az elszívó nyílások nagy részét e lelátók mögött a falon volt célszerû kialakítani (ezeket az ábrán a lelátó felülete eltakarja). A geometriai modellben az alsó lelátók, mint porózus felületek vannak jelen, az elvezetett levegõ tehát áthalad ezeken a felületeken. A levegõ bevezetése 112 db., a padlószinttõl 22 m magasságban elhelyezett anemosztáton keresztül történik, amelyek a szükséges helyeken távvezérelt módon átállítható, függõleges sugaras vagy vízszintes irányú radiális befúvást tesznek lehetõvé.
A háromdimenziós modellen túlmenõen kétféle kétdimenziós geometriai modellt is készítettünk, amelyek lehetõséget adtak az egyes modell változatok tesztelésére, ellenõrzésére:
A háromdimenziós modellre készült 340.000 cellás numerikus háló a 2. ábrán látható, amely közelítõleg 2 m-es térbeli felbontást tett lehetõvé. A csarnok belsõ légmozgásait lényegesen nagyobb mértékben határozza meg az emberi hõforrások által keltett természetes áramlás, mint a klímarendszer által keltett kényszeráramlás, ezért a számítás pontossága szempontjából fontos volt az emberi hõforrások realisztikus modellezése, amelyet az adott területre jellemzõ nézõsûrûségnek megfelelõ nagyságú, a lelátók felületének közelében elhelyezett térfogati hõforrásokkal oldottunk meg (a 2. ábrán látható sötétebb cellák).
4. Klíma komfort vizsgálatok
A numerikus szimulációt a csarnok két szélsõséges üzemi állapotára végeztük el:
Nyári állapotra vonatkozó vizsgálatok elsõsorban a légbevezetés és légelvezetés alternatívái közötti döntés elõkészítését szolgálták, úgy, hogy a huzatra, hõmérsékletre és páratartalomra vonatkozó határértékek a nézõtér minden pontján betarthatók legyenek a klímarendszer megfelelõ üzemeltetése esetén.
Érdekes jelenség, hogy még hideg levegõ befúvása esetén is célszerû a küzdõtér fölött lefelé irányuló sugaras légbevezetést alkalmazni (3.a. ábra), mert ez javítja a nézõtér komfortját nagy hõterhelésû, nyári üzemállapot esetében. A nézõtér legmelegebb pontjai a legfelsõ sorokban alakulnak ki, mert levegõ a lelátók elõtt felfelé áramlik, miközben a nézõk által leadott hõteljesítmény felmelegíti.
A szimulációs vizsgálat kimutatta, hogy téli állapotban a csarnok rendkívül hatékonyan felfûthetõ. A légbevezetõ anemosztátokon vízszintes síkban beengedett meleg levegõ a 4.ábrán látható módon felülrõl lefelé haladva 25 perc alatt feltölti a csarnokot.
Érdekes mûszaki problémát jelent, hogy a mûjég felett 1 m magasságban, jégtánc rendezvények esetén legalább 20°C hõmérsékletet kell biztosítani annak ellenére, hogy a palánk a hideg levegõt a jég fölött igyekszik megtartani (5. ábra). A szimulációs vizsgálat megmutatta, hogy jég fölötti hideg légréteget megfelelõ számú, lefelé irányított meleg levegõ sugárral el lehet távolítani.
5. Tûzvédelmi vizsgálatok
A Fluent kód lehetõvé tette annak meghatározását, hogy a csarnok különbözõ helyein esetlegesen kitörõ tûz esetén a füst adott idõ eltelte után mennyire közelíti meg a nézõtér legfelsõ széksorait. Ennek számításánál egy tûzmodellt fejlesztettünk ki, amelyben a keletkezõ égéstermékek tömegáramát sztöchiometriai úton határoztuk meg az égõ anyag feltételezett összetételének ismeretében. A tüzet ilyen módon egy felületi hõ- és anyagforrásként modelleztük. A forrás felülete idõben lineárisan növekedõ sugarú kör volt. A füst határát az égéstermék egészségre ártalmas koncentrációja alapján definiáltuk. A 6. ábra az ártalmas koncentráció állandó értékének felületét mutatja színpadtûz esetén, a tûz kitörését követõen 2.5 perces bontásban. Esetünkben a tûz a hatóság által definiált „gyorsan terjedõ tûz” kategóriába esik, a keletkezõ hõteljesítmény az idõ négyzetével arányos.
Láthatóan a füstfáklyában függõleges irányban erõteljesen felfelé irányuló áramlás alakul ki. Feltételeztük, hogy a tûz keletkezéséig a klímarendszer normál üzemmódban dolgozik, majd a tûz kitörésekor leáll, megindulnak a füstelszívó rendszerek, egyidejûleg kinyílnak a külsõ levegõt bebocsátó ajtók. Így a füst terjedésének vizsgálatakor figyelembe vettük azt is, hogy a tûz kitörése elõtt meglévõ természetes áramlás elkeverheti a keletkezõ égéstermékeket.
6. Összefoglalás
Az elõadás egy általános célú numerikus áramlástani szimulációs eszköz néhány korszerû épületgépészeti és tûzvédelmi alkalmazását mutatja be. A numerikus áramlástani elemzés ma már kielégítõ pontosságú eszköze a tervezõ munkának, amely áttekintést ad az áramlási tér szerkezetérõl, ezzel javítja a tervezés hatékonyságát, megbízhatóságát.
Az Áramlástan Tanszéken végzett további numerikus szimulációink eredményei a www.fluent.hu honlapon láthatók. Szélcsatorna kísérleteirõl a www.ara.bme.hu honlap Referenciamunkáink oldala ad felvilágosítást. A Sportcsarnokra vonatkozó szimuláció néhány további részlete megtalálható korábbi épületgépészeti [1], biztonságtechnikai [2], és numerikus áramlástani [3] szaklapokban.
„A szerzõk köszönetüket fejezik ki a T037651 OTKA jelen cikk alapjául szolgáló kutatásokban nyújtott támogatásáért.”
Irodalom
[1] G. Kristóf, M. Lohász, T. Régert, T. Lajos: Numerikus áramlástan alkalmazása épületgépészetben, Magyar Épületgépészet, LI. évf. 2002/8. szám.
[2] G. Kristóf, M. Balczó, P. Juhász, T. Lajos: Mennyire tûzálló a Budapest Sportaréna, Biztonság, 2003/2.
[3] G. Kristóf, M. Lohász, T. Régert, P. Bodor: Fire scenarios in the Budapest Sports Arena, Fluent NEWS spring 2003.
1. ábra. A Sportcsarnok belsõ légterének háromdimenziós geometriai modellje
2. ábra. A belsõ légtér háromdimenziós modelljének
numerikus hálója
3. ábra. a) A sugarasan bevezetett levegõ áramvonalai,
b) hõmérsékletmegoszlás
a nézõtéren
nyári üzemállapot esetén.
4. ábra. A légtér hõmérséklete téli állapotban a felfûtés kezdetétõl számított 5, 10, 15, 25 percnél
5. ábra. Bevezetett levegõ áramvonalai
és hõmérsékletmezõ a mûjég felett
egysoros
a), c), és háromsoros
b), d) sugara légbevezetés esetén.
6. ábra. A füst elhelyezkedése (0,2%-os CO2
koncentrációemelkedés) különbözõ
idõpontokban 2,5 min, 5 min, 7,5 min, 9,5 min