Una metodologia integrata per la modellazione di sistemi di ventilazione di gallerie stradali

Road and railway tunnels are widely spread around the world, and they have been largely employed for the latest century. Nonetheless, among the many kinds of civil infrastructures which are widely spread nowadays, they may be ones that expose the users to the highest risk in case of fire due the spread of toxic smoke within the tunnel. The ventilation systems of road tunnels have seen radical improvements within the years, in terms of both design and machinery, thus requiring more and more complex control systems. The availability of a fast and reliable model of the system is then a crucial asset for the design and tuning of control strategies and to obtain realistic, and possibly real-time predictions of the system behaviour in the case of a critical event. The present work addresses this instance, aiming at the definition of an integrated methodology for the analysis and modeling of road tunnel ventilation systems. A numerical approach is presented, based on the Finite Volume integration of the 1D flow and energy equations on a network of ducts, suitable for the representation of a road tunnel ventilation system. In order to be representative of real-world conditions, the model requires a calibration of transfer parameters (in this case, mainly, friction coefficients) against data from a real system. To this aim, a procedure for the gathering of reliable flow data from a real road tunnel is outlined. An optimization routine is then been developed in order to tune the parameters of the numerical model based on the response of the real system via an iterative procedure. The calibration tool is based on Differential Evolution strategy. The integrated methodology is then applied to the case of the 11.6 km long Mont Blanc Tunnel, which is modelled -- along with its ventilation system -- with a spatial resolution of 10 m, fine enough to represent all the essential parts of the ventilation system, but also light enough to allow for real-time transient simulations. A set of 12 friction loss coefficients is chosen for the calibration against a rich experimental dataset, collected throughout a dedicated set of in situ tests. Predictions of the flow field with the calibrated parameters are then compared with the experimental data, showing remarkable agreement. A further validation against a selection of field data recorded by the tunnel monitoring and control system, in both steady-state and transient condition is then brought forward, highlighting the robustness and potential general applicability of the proposed approach. Finally, an additional set of simulations on prototype events, and a series of experiments on a scaled-down tunnel model are presented, providing insights on some relevant global and local issues arising in smoke control systems, paving the way for future developments of the study.

Gallerie stradali e ferroviarie sono diffuse in tutto il mondo, e sono ampiamente utilizzate da almeno un secolo. Tuttavia, tra le molte tipologie di infrastrutture civili oggi ampiamente diffuse, sono sicuramente tra quelle che espongono gli utenti al maggior rischio in caso di incendio, a causa della facilità di diffusione dei fumi all'interno della galleria. I sistemi di ventilazione delle gallerie stradali sono stati oggetto negli anni di miglioramenti radicali, sia in termini di layout che di macchinari, che impongono però sistemi di controllo sempre più complessi. La disponibilità di un modello veloce e affidabile del sistema diviene così una risorsa cruciale per la progettazione e la messa a punto delle strategie di controllo, oltre che per ottenere previsioni affidabili e possibilmente in tempo reale circa comportamento del sistema in caso di evento critico. Il presente lavoro affronta questa necessità, mirando alla definizione di una metodologia integrata per l'analisi e la modellazione dei sistemi di ventilazione delle gallerie stradali. Un approccio numerico è illustrato, sulla base dell'integrazione ai Volumi Finiti delle equazioni di flusso ed energia 1D su una rete di condotti idonea alla rappresentazione di un sistema di ventilazione di una galleria stradale. Per essere valida rappresentazione della galleria reale, il modello richiede una calibrazione dei parametri concentrati (in questo caso, principalmente, coefficienti di attrito) basata su dati provenienti dal sistema reale. A tal fine, viene delineata una procedura per la misura di dati sul flusso in gallerie stradali. E' stata quindi sviluppata una routine di ottimizzazione per regolare i parametri del modello numerico sulla base alla risposta del sistema reale tramite una procedura iterativa. Lo strumento di calibrazione si basa su un algoritmo genetico denominato Evoluzione Differenziale. La metodologia integrata è poi applicata al caso del Traforo del Monte Bianco (lungo 11,6 km), modellato - insieme al suo sistema di ventilazione - con una risoluzione spaziale di 10 m, abbastanza fine da rappresentare tutte le parti essenziali del sistema di ventilazione, ma abbastanza snello da consentire simulazioni transitorie in tempo reale. Un set di 12 coefficienti di perdita di attrito è quindi scelto per la calibrazione, che impiega un set di dati sperimentali raccolti in situ. Le previsioni del campo di moto, effettuate dal modello con i parametri calibrati, sono infine confrontate con i dati sperimentali, mostrando un notevole accordo. E' quindi presentata un'ulteriore validazione, rispetto a una selezione di dati sul campo registrati dal sistema di monitoraggio e controllo della galleria, sia in condizioni stazionarie che transitorie. I risultati evidenziano la robustezza e la potenziale applicabilità generale dell'approccio proposto. Infine, viene presentata un'ulteriore serie di simulazioni su eventi prototipo e una serie di esperimenti su un modello di tunnel in scala ridotta, che forniscono approfondimenti su alcune questioni, sia globali che locali, frequenti nei sistemi di confinamento del fumo.