Untersuchungen zur Ausbreitung brennbarer Schwergase in längsdurchströmten Straßentunneln

Abstract

In Verbindung neuartiger Antriebstechnologien könnten in Zukunft vermehrt brennbare Gase in den Verkehrsraum „Straßentunnel“ eingebracht werden. Bei Unfällen dieser Fahrzeuge mit an- schließender Freisetzung der Gase ist die Möglichkeit gegeben, dass infolge der Bedingungen der Speicherung die in Frage kommenden Stoffe ein Schwergasverhalten zeigen. Aus sicherheitstech- nischer Sicht ist dieses Szenario hinsichtlich seiner Auswirkungen auf das Tunnelbauwerk und involvierte Personen zu beurteilen. Die in dieser Arbeit durchgeführten experimentellen Unter- suchungen haben zum Ziel, das Ausbreitungsverhalten, welches die Gase nach Freisetzung im Tunnel nehmen, zu ergründen sowie die Einflussnahme einzelner geometrischer wie betriebs- technischer Parameter hierbei zu bestimmen. Konkret liegt dieser Arbeit das Szenario einer kontinuierlichen, impulsfreien Freisetzung von Pro- pan innerhalb eines gewölbeförmigen Straßentunnels mit aktiver Längslüftung zugrunde. In einer theoretischen Betrachtung werden für dieses Szenario zunächst die ausbreitungsrelevanten, tun- nelspezifischen Randbedingungen herausgearbeitet. Die Grundlage des anschließenden experi- mentellen Teils bilden zwei im Rahmen der Arbeit errichtete Versuchsstände, die sich in den we- sentlichen Merkmalen ähneln, jedoch im Maßstab unterscheiden. In beiden Einrichtungen wurde basierend auf einem idealisierten Tunnelsegment das vorgenannte Freisetzungsszenario unter differierenden Randbedingungen nachgebildet. Das Ausbreitungsverhalten wird im Wesentlichen anhand der bodennahen über die Versuchsdauer gemittelten Konzentrationsverteilung beurteilt, die sich aus einer Vielzahl von im Versuchsgebiet angeordneten Detektoren ergibt. Die verwen- deten Detektoren arbeiten nach dem Prinzip der Schwächung von infrarotem Licht bei Anwesen- heit von Kohlenwasserstoffverbindungen. Messungen zu den Eigenschaften des Strömungsfeldes begleiteten jeweils die Konzentrationsmessungen. Die Konzeption des Versuchsstandes im Maßstab 1:12 beruht auf dimensionsanalytischen Be- trachtungen. Die eigentliche Freisetzungskampagne umfasst eine Vielzahl von Einzelversuchen, bei denen ausgewählte Parameter im tunnelrelevanten Bereich variiert wurden. In den Experi- menten trat das für Propan prognostizierte Schwergasverhalten deutlich hervor. In den Fällen, in denen die Wolke lateral beiderseits jeweils die Tunnelwand erreichte, fand eine Kanalisierung der Gase statt, die mit einer verminderten longitudinalen Verdünnung einherging. Es gelang die Frei- setzungsrate wie die Strömungsgeschwindigkeit als Faktoren, die den größten Einfluss nehmen, zu identifizieren. Dabei wirkt erstere grundsätzlich konzentrationsteigend, letztere konzentrati- onsmindernd. Alle weiteren getesteten Parameter hatten komplexere Ausbreitungssituationen zur Folge, die zu einer differenzierten Betrachtung der Einflussnahme zwingen. Ebenfalls kon- zentrationsmindernd wirkte das Anheben der Quelle vom Boden. Bei außermittig angeordneter Quelle sowie Querneigung der Fahrbahn beschränkte sich die Einflussnahme weitgehend auf die laterale Konzentrationsverteilung in unmittelbarer Quellnähe. Beide Parameter sowie eine mög- liche Längsneigung der Fahrbahn wirkten sich trotzdem nur geringfügig auf den quellferneren Bereich stromab aus. Bei starker Längsneigung konnte überdies das von der Brandrauchausbrei- tung im Tunnel bekannte Phänomen des Backlayering nachgewiesen werden. Hindernisse führten zu weiter komplexeren Strukturen. Während sich global die Verdünnung der Wolke anteilig inva- riant gegenüber Hindernissen zeigte, war auf lokaler Ebene unter gewissen Voraussetzungen so- wohl eine deutliche Konzentrationszunahme als auch -abnahme zu beobachten. Für den hinder- nisfreien Tunnel lässt sich schließlich ein dimensionsloser Parameter definieren, der den Verlauf der longitudinalen Verdünnung am Boden innerhalb der Schwergaswolke beschreibt. Darauf auf- bauend wurde im Anschluss ein einfaches grafisches Nomogramm für die kontinuierliche Freiset- zung schwerer Gase in hindernisfreier Tunnelumgebung abgeleitet, anhand dessen sich die Kon- zentration in Abhängigkeit von einer dimensionslosen Quellentfernung abschätzen lässt. Zum Zwecke der Exploration des realen, unverzerrten Verhaltens wurden darüber hinaus Versu- che im Originalmaßstab vorgenommen. Aufgrund der maßstäblichen Ähnlichkeit beider Ver- suchsstände wurde anhand der Versuchsergebnisse zudem die Skalierbarkeit der Ausbreitungs- situationen überprüft. Exemplarisch wurden hierfür zwei bereits im Kleinmaßstab untersuchte Konfigurationen ausgewählt. Als Einschränkung bei Versuchsdurchführung sowie als hinderlich für den Vergleich erwies sich indes die trotz ergriffener Gegenmaßnahmen weiterbestehende aus- geprägte Abhängigkeit der Strömungsbedingungen im Ausbreitungsgebiet von den äußeren Windbedingungen. Die Freisetzung im Großmaßstab war mit ausgeprägter Aerosolbildung ver- bunden. Die dem Schwergasverhalten entsprechende bodennahe Ausbreitung bestätigte sich. Im Detail zeigte sich die Ausbreitung aber weitaus instationärer. Bei Betrachtung der zeitgemittelten Konzentrationen bildeten sich die bereits aus dem Kleinversuch bekannten Verläufe qualitativ in guter Näherung ab. Verbleibende quantitative Differenzen veranlassen hingegen zu einer kriti- schen Betrachtung. Diese Diskrepanz ist aber mit hoher Wahrscheinlichkeit den im spezifischen Einzelfall einzugehenden versuchstechnischen Kompromissen geschuldet. Aus dem beobachteten Gasverhalten wird schließlich die Entstehung eines Flächenbrandes nach Entzündung der freigesetzten Gase als wahrscheinlichstes Folgeszenario der Freisetzung schwe- rer, brennbarer Gase in tunnelartigen Umschließungen erachtet. Mit Empfehlungen zum zukünf- tig zu favorisierenden methodischen Vorgehen schließt die Arbeit.

In combination with new types of drive technologies, more and more flammable gases could be introduced into the traffic area “road tunnel” in future. If these vehicles have an accident and the gases are subsequently released, there is the possibility that the mentioned substances show a heavy gas behavior due to their storage conditions. From a safety point of view, this scenario has to be assessed with regard to its effects on the tunnel structure and the people involved. The aim of the experimental investigations carried out in this work is to create the basis for such an anal- ysis by investigating the spreading behavior of the gases after they have been released in the tun- nel and determining the influence of individual geometric and operational parameters on this be- havior. Specifically, this work is based on the scenario of a continuous, momentum-free release of pro- pane within a vaulted road tunnel with active longitudinal ventilation. The tunnel-specific bound- ary conditions that are relevant to this scenario are first worked out by a theoretical analysis. The basis of the subsequent experimental part is formed by two test rigs built as part of the work, which are similar in their essential features, but differ in scale. In both facilities, the aforemen- tioned release scenario was simulated under various boundary conditions based on an idealized tunnel segment. The dispersion behavior is primarily assessed by the averaged concentration dis- tribution near the ground, which results from a large number of detectors arranged in the exper- imental area. The detectors operate on the principle of weakening infrared light in the presence of hydrocarbons. Measurements of the flow field properties accompany the concentration meas- urements. The conception of the test rig on a scale of 1:12 is based on dimensional analysis. The actual re- lease campaign comprises a large number of individual experiments in which selected parameters were varied over the tunnel-relevant range. The predicted heavy gas behavior for propane emerged clearly in the experiments. In cases in which the cloud laterally reaches the tunnel walls, the gases are channeled, which is accompanied by reduced longitudinal dilution. It was possible to identify the release rate and the flow velocity as the factors that have the greatest influence. The former basically increased the concentration, while the latter decreased it. All other tested parameters resulted in more complex propagation situations, which force a differentiated consid- eration of the influence. Lifting the source from the ground also reduced the concentration. In the case of an eccentrically arranged source and a transverse slope of the roadway, the influence is largely limited to the lateral concentration distribution in the immediate vicinity of the source. Nevertheless, both parameters plus a possible longitudinal slope of the roadway only showed a slight effect on the area far-downstream from the source. In addition, the phenomenon of back- layering, which is known from the spreading of fire smoke in the tunnel, could be demonstrated with a steep longitudinal slope. Obstacles increased the complexity of the situation. While globally the dilution of the cloud is partly invariant to obstacles, locally an increase as well as a decrease in concentration can be observed under certain conditions. For the unobstructed tunnel, it was finally possible to define a dimensionless parameter that describes the curve of the longitudinal dilution on the ground within the heavy gas cloud. From this, a simple graphical nomogram is derived for the continuous release of heavy gases in an unobstructed tunnel environment, which can be used to estimate the concentration in relation of a dimensionless source distance. For exploring the real, undistorted behavior experiments were also carried out in original scale. Due to the similarity of both test rigs in terms of scale, the test results can also be used to check the scalability of the spreading situations. For that, two configurations that have already been ex- amined in small scale were selected. The main limitation for test execution and regarding the scalability comparison was the dependence of the flow conditions within the test rig from external wind conditions which occurred despite of taken countermeasures. The large-scale release was associated with pronounced fog formation. The near-ground spreading corresponding to the heavy gas behavior could be confirmed. However, in detail the spread was far more unsteady. Looking at the time-averaged concentrations, the processes already known from the small-scale test were qualitatively well approximated. Remaining quantitative differences, however, require critical consideration. This discrepancy is more likely a consequence of the experimental compro- mises have to be made in the specific case. From the observed gas behavior, the development of a surface fire initiated by ignition of the re- leased gases is considered to be the most likely subsequent scenario for the release of heavy, flam- mable gases in tunnel-like enclosures. The thesis concludes with recommendations on the meth- odological approach to be favored in the future.