Contenido Tunnel Fire Dynamics

This updated, second edition unveils the mystery of the tunnel fires, covering most of the issues in fire safety engineering in tunnels, clearly describes the phenomena related to tunnel fire safety, presents state-of-the-art research, and gives detailed solutions to these major issues.  The book retains its chapters on fuel and ventilation control, combustion products, gas temperatures, heat fluxes, smoke stratification, visibility, tenability, design fire curves, heat release, fire suppression and detection, CFD modelling, and scaling techniques allowing readers to create their own fire safety plans for tunnels. It gives detailed solutions to the major issues in fire safety engineering in tunnels and provides example calculations. A new chapter on Alternative Fuel Vehicle (AFV) safety has been introduced as well as updated information related to AFVs in respective chapters.

3.3.4Zwenberg 1975 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .58
3.3.5P.W.R.I. 1980 . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .63
3.3.6TUB-VTT Tests 1986 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .66
3.3.7EUREKA EU499 Tests 1990–1992 . . . . . . . . . . . . .67
3.3.8Memorial Tunnel Tests 1993–1995 . .. . . . . . . . . . .69
3.3.9Shimizu No. 3 2001 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .73
3.3.10Second Benelux Tests 2002 . . . . . . . . . . . . . . . . . . .75
3.3.11Runehamar 2003 . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .77
3.3.12METRO Tests 2011 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .80
3.3.13Carleton University Laboratory Train Tests 2011 . . .81
3.3.14Singapore Tests 2011 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .82
3.3.15Runehamar Test 2013 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .83
3.4Model-Scale Fire Tests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .83
3.4.1The TNO Tests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .83
3.4.2Automatic Water Spray System Tests . . . . . . . . . . . .83
3.4.3Longitudinal Ventilation Tests . . . . . . . . . . . . . . . . .84
3.4.4Point Extraction Ventilation Tests . . . . . . . . . . . . . .85
3.4.5Tunnel Cross Section Tests . . . . . . . . . . . . . . . . . . .85
3.5Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .85
References . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .86
 

4Heat Release Rates in Tunnels. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .91
4.1Introduction . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .91
4.2Measured HRR in Different Vehicles . . . . . . . . . . . . . . . . . . .93
4.2.1Road Vehicles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .93
4.2.2Railway Rolling Stock . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .117
4.3Parameters In?uencing the HRR . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .119
4.3.1Heat Feedback . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .119
4.3.2Effects of Tunnel Geometry . . .. . . . . . . . . . . . . . .122
4.3.3Effects of Ventilation on Peak HRR . . . . . . . . . . . . .123
4.3.4Fuel-Controlled Fires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .125
4.3.5Ventilation-Controlled Fires . . . . . . . . . . . . . . . . . .128
4.4HRR per Exposed Fuel Surface Area . . . . .. . . . . . . . . . . . . .130
4.4.1Liquids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .132
4.4.2Solid Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .132
4.4.3Vehicle Fires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .134
4.5Jet Fires .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .136
4.6Spilled Liquid Fires . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .137
4.7HRR for Alternative Fuel Vehicles . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . .139
4.8Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .141
References . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .142

5 Fire Growth Rates in Tunnels. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .147
 

5.1Introduction . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .147
5.2Theory of Fire Growth Rate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .150
5.2.1Wind-Aided Spread . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .151
5.2.2Relationship Between FGR and Flame
Spread Rate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .153
5.2.3Fuels Consisting of Several Parts . .. . . . . . . . . . . . .154
5.3Correlations for Fire Growth Rate .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .155
5.3.1Comparison with Model-Scale Tests . . . . . . . . . . . .156
5.3.2Comparison with Full-Scale Tests . . . . . . . . . . . . . .158
5.4The Effects of Windbreaks on Fire Growth Rates . . . . . . . . . .159
5.5Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .161
References . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .162
6Design Fire Curves. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .165
6.1Introduction . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .165
6.2Design Fire Methods . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . .167
6.2.1Constant Values for Design Fires . . . . . . . . . . . . . . .167
6.2.2Time-Dependent Methods for Design Fires . .. . . ..170
6.3Exponential Design Fire Curve Method with Superposition . . .174
6.3.1Determination of Design Fire Scenarios . . . . . . . . . .175
6.3.2Maximum Heat Release Rate . . . . . . . . . . . . . . . . . .176
6.3.3Time to Maximum Heat Release Rate . . . . . . . . . . .178
6.3.4Energy Content . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .179
6.3.5Reconstruction of a Large-Scale Test . . . . . . . . . . . .180
6.3.6Design Fire for a Tram Carriage . . . . . . . . . . . . . . .180
6.3.7Design Fire for a Road Vehicle . . . . . . . . . . . . . . . .182
6.4New Concept for Design Curves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .183
6.4.1Theoretical Aspects .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .184
6.4.2Calculation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .185
6.5Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .188
References . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .188
7Combustion Products from Fires. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .191
7.1Introduction . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .191
7.2Combustion and Fire Chemistry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .192
7.3Yields . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .195
7.4Emissions from Fires in Vehicles and Tunnels . . . . . . . .. . . .198
7.5Emissions from Batteries and Electrical Vehicles . . . . . . . . . . .204
7.6Contribution from Tunnel Asphalt Pavement . . .. . . . . . . . . . .207
7.7Effect of Ventilation Condition . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .208
7.8Effect of Fire Suppression . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .218
7.9Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .219
References . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .220

xiiContents
8Gas Temperatures. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .225
8.1Introduction . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .225
8.2Interaction of Ventilation Flow with Fire Plume . . . . . . . . . . .227
8.3Maximum Ceiling Gas Temperature .. . . . . . . . . . . . . . . . . . .229
8.3.1Fire Plume Mass Flow Rate in a Ventilated Flow . . .229
8.3.2Maximum Ceiling Gas Temperature
in a Small Fire . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .231
8.3.3Maximum Ceiling Gas Temperature
in a Large Fire . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .233
8.4Position of Maximum Ceiling Gas Temperature . . . . . . . . . . .238
8.5Ceiling Gas Temperature Distribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . .241
8.5.1Analytical Solution for Buoyant Flows Under
Quiescent Conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .241
8.5.2Theoretical Analysis of Quasi-Steady
Strati?ed Smoke Flows in the Upper Layer . . . . . . .242
8.5.3Semiempirical Correlations for Applications . . . . . . .244
8.6One-Dimensional Simple Model .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .247
8.7Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .249
References . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .250
9Flame Length. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .253
9.1Introduction . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .253
9.2Overview of Flame Length in Open and Enclosure Fires . . . ..254
9.3Overview of Flame Length in Tunnel Fires . . . . . . . . . . . . . . .256
9.4Flame Lengths in Tunnel Fires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .257
9.4.1Transition Between Low and High Ventilation
Rate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .257
9.4.2Model of Flame Length in Tunnel Fires . .. . . . . . . .259
9.4.3Flame Length with High Ventilation Rate .. . . . . ..261
9.4.4Flame Length Under Low Ventilation Rate . . . . . . .264
9.5Flame Lengths of Jet Fires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .266
9.5.1Heskestad’s Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .267
9.5.2Delichatsios’Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .268
9.5.3Lowesmith et al.’s Model . .. . . . . . . . . . . . . . . . . .268
9.5.4Findings Related to Various Alternative Fuel
Tanks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .269
9.6Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .270
References . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .271
10Heat Flux and Thermal Resistance. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .273
10.1Introduction . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .273
10.2Convective Heat Transfer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .273
10.2.1Boundary Layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .274
10.2.2Reynolds-Colburn Analogy . .. . . . . . . . . . . . . . . . .276
10.2.3Forced Convection . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .278

Contentsxiii
10.2.4Natural Convection . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .279
10.2.5Gas Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .280
10.3Radiative Heat Transfer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .281
10.3.1Simpli?cation in Engineering Application . .. . . . ..281
10.3.2View Factor . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .282
10.3.3Radiation Among Multiple Surfaces . . . . . . . . . . . .283
10.3.4Absorbing, Emitting and Scattering Gas .. . . . . . . . .284
10.4Heat Conduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .287
10.4.1Thermally Thin Materials . .. . . . . . . . . . . . . . . . . .289
10.4.2Thermally Thick Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . .290
10.5Thermal Resistance .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .293
10.6Heat Flux Measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .296
10.7Calculation of Heat Fluxes in Tunnel Fires . . . . . . . . . . . . . . .297
10.7.1Exposed Tunnel Ceiling and Walls at Upper
Layer . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .297
10.7.2Heat Flux in Lower Layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .299
10.7.3Flame Radiation in Small Tunnel Fires . . . . . . . . . . .310
10.7.4Jet Flame Radiation . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .314
10.8Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .316
References . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .317
11Fire Spread. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .319
11.1Introduction . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .319
11.2Introduction to the Theory of Ignition . . . . . . . . . . . . . . . . . . .320
11.2.1Solids .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .320
11.2.2Liquids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .327
11.3Fire Spread in Tunnels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .334
11.4Modelling of Fire Spread . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .341
11.5Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .347
References . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .347
12Smoke Strati?cation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .351
12.1Introduction . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .351
12.2Phenomenon of Smoke Strati?cation . . . . . . . . . . . . . . . . . . .351
12.3Mechanism of Smoke Strati?cation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .354
12.3.1Entrainment . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .354
12.3.2Smoke Layer Height . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .357
12.4Smoke Strati?cation in Tunnels with Natural or Low
Ventilation . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .358
12.4.1Early-Stage Smoke Spread Before Smoke
Descends to Floor . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .359
12.4.2Smoke Descent Along the Tunnel . . . . . . . . . . . . . .359
12.5Smoke Strati?cation in Tunnels with Longitudinal
Ventilation . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .361
12.6Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .364
References . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .364

0
5
xivContents
13Tunnel Fire Ventilation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .367
13.1Introduction . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .367
13.2Normal Ventilation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .367
13.2.1Longitudinal Ventilation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .368
13.2.2Transverse Ventilation . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . .369
13.2.3Semi-transverse Ventilation . .. . . . . . . . . . . . . . . . .370
13.3Longitudinal Fire Ventilation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .370
13.3.1Critical Velocity . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .372
13.3.2Backlayering Length . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .382
13.4Smoke Extraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .385
13.4.1Single-Point Extraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .387
13.4.2Two-Point Extraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .388
13.4.3Short Summary .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .389
13.5Natural Fire Ventilation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .390
13.5.1Short Sloped Tunnels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .390
13.5.2Natural Ventilation Using Short Vertical Shafts. . ..39
13.6Cross-Passages . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .391
13.7Rescue Station . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .394
13.7.1Con?guration and Function of Rescue Station. . . ..39
13.7.2Smoke Control . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .395
13.7.3Gas Temperature Beside the Door . . . . . . . . . . . . . .398
13.7.4Fireproof Door Height . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .399
13.8A Simple Model of Longitudinal Flows . . .. . . . . . . . . . . . . .400
13.9Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .404
References . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .405
14Visibility. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .409
14.1Introduction . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .409
14.2Different Methods of Predicting Visibility . . . . . . . . . . . . . . . .409
14.3The In?uence of Visibility on Egress . . . . . . . . . . . . . . . . . . .417
14.4Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .422
References . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .422
15Tenability. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .425
15.1Introduction . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .425
15.2Combustion Products Related to Toxicity . . . . . . . . . . . . . . . .426
15.3Toxicity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .427
15.3.1Asphyxiants .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .427
15.3.2Irritants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .428
15.4Fractional Effective Dose (FED) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .429
15.5Fractional Effective Dose for Incapacitation . . . . . . . . . . . . . .431
15.6Large-Scale Example of Fraction of an Incapacitation
Dose . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .436
15.7Irritant Gas Model . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .438
15.8Acceptance Criteria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .439

Contentsxv
15.9Toxicity and Tenability in Connection with Batteries
and Electric Vehicles . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .441
15.10Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .441
References . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .442
16Fire Suppression and Detection in Tunnels. . . . . . . . . . . . . . . . . . .445
16.1Introduction . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .445
16.2Basic Concepts of Fire Suppression Systems . .. . . . . . . . . . . .449
16.2.1Deluge Water Spray System . . . . . . . . . . . . . . . . . .450
16.2.2Water Mist Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .454
16.2.3Automatic Sprinkler Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . .455
16.2.4Foam Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .456
16.2.5Mode of Operation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .457
16.3Tunnel Fire Suppression Tests . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .458
16.3.1Second Benelux 2000–2001 . .. . . . . . . . . . . . . . . .458
16.3.2IF Tunnel, UPTUN 2002–2004 . . . . . . . . . . . . . . . .461
16.3.3IF Tunnel, Marioff, 2004 . . .. . . . . . . . . . . . . . . . .462
16.3.4VSH Hagerbach, Marioff, 2005 . . . . . . . . . . . . . . . .462
16.3.5San Pedro de Anes Tests, Marioff, 2006 . .. . . . . . . .463
16.3.6SINTEF Runehamar Tunnel 2007 . . . . . . . . . . . . . .464
16.3.7SOLIT 2008 and SOLIT2 2012 . .. . . . . . . . . . . . . .465
16.3.8Singapore Tests 2011–2012 . . . . . . . . . . . . . . . . . . .466
16.3.9SP Runehamar Tunnel Fire Suppression
Tests 2013 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .467
16.3.10RISE Runehamar Tunnel Fire Suppression
Tests 2016 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .467
16.3.1180 m Long Test Tunnel Fire Suppression
Tests 2017 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .468
16.3.12100 m Long Test Tunnel Fire Suppression
Tests 2019 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .469
16.3.13A Short Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .470
16.4Theory of Fire Suppression . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .470
16.4.1Extinguishment Mechanism . . . . . . . . . . . . . . . . . .470
16.4.2Critical Conditions for Extinction . . . . . . . . . . . . . .473
16.4.3Fire Suppression .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .476
16.4.4A Short Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .481
16.5Tunnel Fire Detection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .481
16.5.1Types of Fire Detection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .482
16.5.2Summary of Fire Detection Tests in Tunnels. . . . ..483
16.5.3A Short Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .489
16.6Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .489
References . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .490
17CFD Modelling of Tunnel Fires. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .493
17.1Introduction . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .493
17.2CFD Basics . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .493

xviContents
17.2.1Controlling Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .494
17.2.2Equation of State . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .496
17.2.3Turbulence . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .497
17.2.4Discretization Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .504
17.2.5Solution Algorithms .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .506
17.3Sub-Models Related to Tunnel Fires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .507
17.3.1Gas Phase Combustion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .507
17.3.2Condensed Phase Pyrolysis . .. . . . . . . . . . . . . . . . .509
17.3.3Fire Suppression .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .510
17.3.4Wall Function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .512
17.3.5Heat Transfer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .513
17.4Recommendations for CFD Users . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .516
17.4.1Computation Domain and Boundary Conditions . . ..516
17.4.2Fire Source . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .517
17.4.3Grid Size . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .518
17.4.4Veri?cation of Modelling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .519
17.5Limitations of CFD Modelling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .519
17.6Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .520
References . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .520
18Scaling Technique. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .523
18.1Introduction . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .523
18.2Methods of Obtaining Scaling Correlations . . . . . . . . . . . . . . .524
18.3Classi?cation of Scaling Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .525
18.3.1Froude Scaling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .525
18.3.2Pressure Scaling .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .525
18.3.3Analog Scaling (Cold Gas, Saltwater) . . . . . . . . . . .526
18.4General Froude Scaling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .526
18.5Scaling of Heat Fluxes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .530
18.5.1Scaling of Convective Heat Transfer .. . . . . . . . . . .530
18.5.2Scaling of Radiative Heat Transfer . . .. . . . . . . . . . .532
18.5.3Scaling of Heat Conduction . .. . . . . . . . . . . . . . . . .535
18.5.4Scaling of Heat Balance in an Enclosure . . . . . . . . .538
18.6Scaling of Water Sprays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .541
18.6.1Single Droplet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .541
18.6.2Water Sprays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .544
18.6.3Radiation Absorbed by Water Sprays .. . . . . . . . . . .545
18.6.4Droplet Diameter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .546
18.6.5Surface Cooling . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .546
18.6.6Automatic Sprinkler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .547
18.7Scaling of Combustible Materials . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . .549
18.8Scaling of Wood Pallet Fires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .549
18.9An Example of Scaling Application in Fire Safety
Engineering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .550
18.10Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .553
References . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .554

Contentsxvii
19Fire and Explosion Safety of Alternative Fuel Vehicles. . . . . . . . . .557
19.1Introduction . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .557
19.2Fire Incidents Related to Alternative Fuel Vehicles . . . . . . . . .559
19.2.1CNG Vehicles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .559
19.2.2LPG Vehicles . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .561
19.2.3Battery Electric Vehicles . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . .561
19.3Fire Safety Aspects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .563
19.3.1Heat Release Rates and Design Fires . . .. . . . . . . . .563
19.3.2Fireball . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .564
19.4Explosion Safety Aspects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .565
19.4.1Explosion in the Open . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .566
19.4.2Difference Between Explosion in the Open and
Explosion in a Tunnel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .568
19.4.3General Knowledge About Explosions
in Tunnels . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .569
19.4.4Compressed Gas Tank Rupture in a Tunnel . . .. . ..571
19.4.5Lique?ed Gas Tank Rupture in a Tunnel . . . . . . . . .572
19.4.6Gas Cloud Explosion in a Tunnel . . . . . . . . . . . . . .573
19.5Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .575
References . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .575
Index. . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .57