Ingeniería de Seguridad contra Incendios: Aplicaciones para el Control de Incendios a Base de Agua y Modelos de Extinción

Abstract

En la actualidad, muchas de las aplicaciones de ciencia computacional para la ingeniería de seguridad contra incendios (FSE, por sus siglas en inglés) están dirigidas a la propagación del calor y del humo en edificios, y a las tensiones térmicas en las estructuras, así como al control de estos mediante sistemas específicos de protección contra incendios (sistemas de control de humos, barreras cortafuegos, cortinas sectorizadoras de humo, etc.). Hay dos razones para ello: en primer lugar, tanto los modelos de propagación de gases calientes como los modelos de estabilidad de estructuras sólidas son suficientemente fiables y se pueden resolver con suficiente precisión como para ser usados en aplicaciones de ingeniería; en segundo lugar, la capacidad de cálculo tanto de las computadoras científicas como de las computadoras personales ha aumentado drásticamente en los últimos 20 años. A consecuencia de ello, las computadoras ordinarias pueden manejar satisfactoriamente cálculos de fenómenos hidráulicos o de estabilidad de estructuras para edificios de tamaño estándar.

Además, la protección contra incendios en los edificios también incluye sistemas activos, como rociadores o agua nebulizada, que están diseñados para extinguir o controlar la propagación de los incendios, y para enfriar los gases calientes y el humo. Dado que se conoce que los sistemas de protección a bse de agua tienen un fuerte impacto en la propagación del humo y en las tensiones térmicas de las estructuras, está justificado que tanto los contratistas como las autoridades civiles exijan evaluaciones de la eficiencia de estos sistemas en proyectos de FSE.

Fenómenos de control y extinción de incendios

Este es un campo mucho más desafiante, ya que modelizar la interacción entre el fuego y el agua implica un medio polifásico compuesto por gases calientes, hollín, gotas de agua y vapor de agua, que interactúa con superficies sólidas ardientes, combustibles o inertes. Una de las cuestiones más importantes es la modelización del comportamiento del fuego bajo aspersión, que implica varios fenómenos:

·       Absorción de calor por vaporización (incluyendo el enfriamiento de los gases calientes y de las superficies sólidas y la prehumectación);

·       Inertización por dilución de oxígeno;

·       Atenuación del flujo de calor radiante.

Considerados de manera independiente, estos fenómenos físicos ya han sido modelizados con éxito.  Pero incendios a escala real con protección a base de agua implican la interacción de estos fenómenos en su conjunto, y debido a esto, su modelización todavía requiere grandes esfuerzos de investigación.

Modelos de control y extinción de incendios 

Se pueden distinguir tres familias de modelos que ya han sido utilizados para evaluar las interacciones entre los incendios y la aspersión de agua:

1)     códigos comerciales de multifísica, provistos con modelos de aspersión y enfriamiento, no desarrollados específicamente para aplicaciones de FSE, pero utilizados para tales fines;

2)     códigs computacionales muy avanzados, con herramientas específicamente diseñadas para la modelización del fuego y la combustión, pero cuyo costo computacional en tamaño y tiempo lo hace casi inutilizable para aplicaciones de ingeniería;

3)    códigos muy rápidos, específicamente desarrollados para FSE, pero ajustados mediante hipótesis y parámetros numéricos que no se pueden definir de forma predictiva. 

La primera familia de modelos podría llegar a ser adecuada para aplicaciones con poco o ninguna interacción entre el agua y el fuego. Ya que no están diseñados para FSE, generalmente carecen de verificación y validación. Los códigos de la segunda familia no son adecuados para estudios de FSE debido a que son muy exigentes en cuanto a recursos computacionales en términos de tamaño y tiempo, y, como tal, es mejor utilizarlos como potentes herramientas de investigación para la construcción de modelos intermedios. 

Entre los códigos de la tercera familia, el Fire Dynamics Simulator (FDS) del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología de EE. UU. (NIST) es utilizado en todo el mundo por la comunidad de FSE. Hace varios años se añadieron modelos de aspersión de agua, pero solo aquellos que utilizan parámetros empíricos, los cuales no se pueden predecir. Para usuarios inexpertos, usar los valores predeterminados para estos parámetros puede producir un resultado convincente, pero estaría sujeto a importantes niveles de error. 

Los autores creen que los centros técnicos especializados en la extinción de incendios deberían desempeñar un papel en comunicar las limitaciones de los códigos informáticos de ingeniería y en ayudar a los investigadores a desarrollar nuevos modelos de ingeniería basados en un amplio conocimiento experimental. Este es el propósito de las actividades de investigación (véase [1, 2]) financiadas por el Grupo CNPP con el Laboratorio LEMTA (UMR 7563).

Proyecto experimental y de modelado numérico 

Se ha realizado una exhaustiva campaña experimental con el objetivo de comprender mejor qué mecanismos impulsan las interacciones entre el fuego y el agua a escala de laboratorio, pero utilizando sistemas de aspersión convencionales. Además de grabar los experimentos en vídeo, se utilizó una serie de instrumentación para monitorizar la temperatura del gas, la temperatura de las superficies combustibles, el consumo de oxígeno, la tasa de pirólisis y el flujo térmico. Más de 80 experimentos de fuegos en charcos líquidos (liquid pool fires) se realizaron cambiando distintos parámetros de entrada, como por ejemplo el tipo de combustible, la tasa de liberación de calor, el número de boquillas activas y el tiempo desde el inicio del fuego hasta el inicio de la aspersión. 

El objetivo era identificar los mecanismos de extinción y distinguir los parámetros físicos que se podrían utilizar en un modelo predictivo. Se identificaron dos mecanismos: extinción por enfriamiento de combustible (a medida que la temperatura del combustible se reduce por debajo de su punto de ignición) y la extinción por inertización (ya que la vaporización del agua causa la dilución del oxígeno, produciendo extinción por falta de aire de combustión).

Figura 2. Izquierda: Configuración experimental. En el centro: Simulación numérica con el código FDS del NIST. A la derecha: Comparación gráfica de los resultados del experimento y de la simulación. (@CNPP)

Este proyecto se centró en encontrar una relación entre la tasa de liberación de calor y la temperatura de las superficies combustibles después de la aspersión de agua. La ley de Arrhenius, que generalmente se considera que describe la tasa de pirólisis antes de la aplicación de agua, fue modificada para proporcionar un nuevo modelo basado en la temperatura del combustible, la temperatura de ignición del combustible y dos parámetros numéricos. A diferencia del modelo actualmente implementado en el código FDS, se descubrió que los dos parámetros numéricos se pueden predecir si el comportamiento del combustible antes de la aplicación de agua es bien conocido. Por ello, los parámetros se pueden determinar mediante simulaciones de la fase de combustión libre. 

Se lograron resultados prometedores, ya que el nuevo modelo predijo todos los casos de extinción por enfriamiento de combustible. En un caso, el fuego no fue extinguido, pero esto también fue confirmado por la simulación. El tiempo de extinción se estimó dentro de un orden de magnitud aceptable considerando que las aplicaciones de FSE generalmente subestiman el tiempo de extinción debido a la sobreestimación del intercambio de calor las entre gotas de agua y las superficies sólidas. El objetivo actual es mejorar la predicción del tiempo de extinción y aplicar el modelo a diferentes escalas y configuraciones de combustible.

Otras cuestiones que todavía requieren I+D 

El proyecto de investigación ayudó a identificar problemas en el modelo que actualmente están implementados en FDS y otros códigos. El proyecto de investigación se ha centrado en el enfriamiento de combustible, pero también es cierto que la extinción local por inertización (al crearse condiciones de baja ventilación) necesita una mejora significativa (ver modelo de fracción de mezcla en FDS). El modelo de evaporación se considera bastante eficiente para el enfriamiento del humo, pero la absorción de calor todavía se sobrestima, con niveles de error que tienden a aumentar a medida que se produce absorción de calor en zonas con llamas.

Modelizaciones de experimentos a gran escala 

Con el objetivo de comprobar la madurez de los modelos actuales de extinción a base de agua para aplicaciones de FSE, se hicieron simulaciones de experimentos de fuego a gran escala que se habían realizado en el pasado.

Fuego de charco (pool fire) de 1,7 MW en una sala de máquinas con aplicación de agua nebulizada. 

Se observó extinción en los experimentos y en las simulaciones. Como se indicó anteriormente, existe una tendencia considerable a subestimar el tiempo de extinción debido a la sobreestimación de los intercambios de calor entre las gotas de agua y las superficies sólidas.

Figura 3. Izquierda: Simulación del experimento. Derecha: Evolución de la tasa de liberación de calor en el experimento.

Fuego de charco de 0,4 MW y luego de 5 MW en un hangar de aeronaves con aplicación de agua nebulizada. 

No se observó extinción en los experimentos, pero sí una muy lenta extinción en la simulación. Una vez más, esto se atribuyó a la sobreestimación del intercambio de calor entre gotas de agua y superficies. Sin embargo, un alto nivel de incertidumbre respecto al tipo de boquilla y las condiciones de pulverización han mostrado que estos parámetros tienen un impacto considerable en la sensibilidad de la simulación.

Figura 4. Izquierda: Simulación del incendio de 0,4 MW. Derecha: Simulación del incendio de 5 MW.

Incendio de 0,8 MW en habitación de hotel con aplicación de agua nebulizada. 

Se observó extinción en los experimentos y en las simulaciones en rangos de tiempo comparables. También se observó en las simulaciones que la combustión persistía en superficies protegidas (debajo de la cama).

Figura 5. Simulación del incendio de 0,8 MW en una habitación de hotel.

Los resultados en configuraciones a gran escala son cualitativamente aceptables cuando se usan e interpretan junto con datos experimentales. Sin embargo, no fue posible obtener concordancia cuantitativa por varias razones:

1)     Los modelos de enfriamiento de gas y de superficies sólidas todavía necesitan mejoras;

2)     La metrología de los experimentos con configuraciones a gran escala no fue diseñada teniendo en cuenta las necesidades de las simulaciones (temperatura de la superficie del combustible);

3)     Algunos datos de estos experimentos solo eran parciales (tamaño de partículas, distribución de boquillas, presión en redes de tuberías, etc.), lo cual tuvo un impacto considerable en las simulaciones.

Perspectivas de aplicación a FSE 

Esta sección trata de describir qué aplicaciones de la modelización de la aspersión del agua podrían esperarse para FSE en el futuro cercano. Nuestra investigación reveló que modelar un sistema de aspersión de agua con poco o ningún fondo experimental específico produce grandes niveles de error. 

Sin embargo, las aplicaciones para FSE pueden admitir un cierto nivel de error dependiendo de la metodología seleccionada. El enfoque de dimensionamiento, por ejemplo, predice el tiempo de extinción, o la no extinción, con una precisión determinada. Un enfoque orientado a la seguridad podría consistir en evaluar si un sistema de protección a base de agua es capaz de controlar un incendio en desarrollo. Independientemente del tiempo que se tarda en alcanzar el objetivo, la respuesta a esa pregunta podría ser potencialmente concluyente desde una perspectiva de ingeniería. Un enfoque relativo o comparativo podría consistir en indicar qué sistema de protección a base de agua es el más adecuado para una determinada aplicación. Si se tienen en cuenta todos los fenómenos físicos relevantes, el enfoque comparativo es fiable. Por lo tanto, las perspectivas de aplicación dependen de una de las siguientes tres condiciones:

1)     la configuración física en la que se aplica el código tiene poco o ningún uso de los modelos más débiles;

2)     los modelos más débiles son mejorados o remplazados por otros más eficientes;

3)     el modelo numérico es validado sistemáticamente por una configuración experimental con una metrología adecuada. En la siguiente tabla se resume qué aplicación y metodología podrían utilizarse conjuntamente teniendo en cuenta los actuales modelos de control y extinción basados en agua. Para algunas combinaciones se requiere atención específica, lo que significa que la modelización numérica debe ir acompañada de verificación, validación y análisis de sensibilidad específicos, junto con una base importante de experimentos de extinción.