In een Spaanse discotheek woedde twee jaar geleden een klein brandje. Een brandje van niks eigenlijk, maar alle bezoekers overleden door verstikking.
,,Als men had geweten hoe de rook zich zou verspreiden en hoe men deze met behulp van schotten en ventilatiesystemen had kunnen verdrijven, dan had de ramp misschien niet een dergelijke omvang hoeven hebben”, zegt dr.ir. Marcel Mossel, die onderzoek deed naar turbulente luchtstromingen van verschillende temperaturen.
,,Het gebeurt bij brand in gebouwen wel vaker dat mensen al overlijden voordat het vuur hen bereikt. Dat komt doordat de rook zich door de hele ruimte verspreidt zodat de bewoners niets meer kunnen zien. Ook bevat de rook vaak gifgassen doordat steeds meer kunststof gebruikt wordt in de bouw”, zegt Mossel, die 9 mei promoveerde.
Mossel: ,,De modellen voor rookverspreiding vertonen gebreken”
Van nature wil warme lucht opstijgen. Rook zal dan ook in eerste instantie naar het plafond stijgen en daar als een warme deken op de koudere onderlaag blijven liggen. Het grensvlak tussen de warme rook en de koude onderlaag heet een stratificatievlak. ,,Karakteristiek voor een stratificatievlak is dat er aan dit grensvlak nauwelijks menging optreedt”, aldus Mossel. ,,In geval van rookontwikkeling bij brand wil je dat ook graag. Op die manier hebben de mensen zo lang mogelijk de tijd om onder de rook door te vluchten. In de praktijk blijkt dat de rook vrij snel daalt, onder andere door afkoeling.”
Daar is met behulp van schotten aan het plafond wel wat aan te doen. De schotten zorgen ervoor dat de rook weer terugkeert naar de vuurkant, waardoor daar een dichtere rooklaag aan het plafond ontstaat. ,,Uit de praktijk blijkt dat als de rook toch langs het schot glipt, achter het schot een nieuwe dunnere rooklaag aan het plafond ontstaat. Deze schotten moeten dan natuurlijk wel strategisch geplaatst worden, omdat de rook dicht bij het vuur zal toenemen”, aldus Mossel.
Smoglaag
Mossel: ,,In de natuur zie je ook stratificatievlakken. Bij stabiel weer is boven de stad soms een vrij scherpe lijn waarneembaar tussen vieze gekleurde lucht en de atmosfeer. In de zuidelijke landen zie je iedere zomer wel zo’n smoglaag. Die laag houdt abrupt op, alsof de opstijgende luchtverontreiniging op een onzichtbare muur stuit waar het niet verder omhoog kan. Daarboven bevindt zich dus een warmere, lichtere luchtlaag.”
Stratificatie treedt dus op tussen een lichtere bovenlaag en een zwaardere onderlaag. Het is een verschijnsel dat wordt veroorzaakt door de zwaartekracht. De gravitatiekracht trekt harder aan de zwaardere en minder aan de lichtere laag. Het hoeft niet altijd om lucht te gaan, maar kan ook voorkomen in de monding van een rivier.
,,Rivierwater voert allerlei slibdeeltjes met zich mee. Als het zoete water het zeewater bereikt, kan in bepaalde omstandigheden de rivierwaterlaag met de slibdeeltjes over hetzoute water stromen. Aan de grenslaag treedt nauwelijks menging op door het verschil in concentratie zout. Dit stratificatie-effect heeft samen met de stroomsnelheid invloed op de plaats waar het slib neerdaalt.
,,Bij de Oosterscheldedam heeft men zich daarin vergist”, stelt Mossel. ,,Ze hadden gedacht dat de stroomsnelheid groot genoeg zou zijn om het slib mee te voeren door de dam. Maar dat blijkt dus niet zo te zijn. Het slib valt op de mosselbanken waardoor de mosselen stikken. Stratificatie is hier dus niet de enige factor maar speelt wel een rol.”
Het is dus belangrijk van tevoren te weten hoe stromingen van lucht of water zich in bepaalde situaties gedragen. Praktijkexperimenten zijn duur en tijdrovend, dus maakt men computermodellen. Mossel: ,,Er zijn nog steeds geen modellen die deze berekeningen exact kunnen maken. Daar zijn de berekeningen te ingewikkeld voor. De huidige vereenvoudigde modellen vergen al een aanzienlijke rekencapaciteit. Maar na een nacht rekenen kan een computer van zestig megabytes ook met de complexere, niet-exacte modellen wel uit de voeten.”
Mossel heeft aan de hand van experimentele data, die hij verkreeg door middel van laboratorium-experimenten, gekeken of de modellen hun werk goed deden en realistische uitkomsten gaven. Ook bestudeerde hij de resultaten van proeven die in het verleden zijn gedaan in verkeerstunnels. ,,Die moesten daar speciaal voor worden afgezet. En in bij onderzoek in Engeland hebben ze oude huizen in brand gezet en gekeken hoe snel de rookontwikkeling gaat en hoe snel de brand overslaat. Kortom, nogal dure en tijdrovende experimenten, vandaar dat dat het type data niet overvloedig is en vaak ook niet erg nauwkeurig. Die kon ik dan ook niet gebruiken voor het testen van de modellen.”
Chaotisch
De twee modellen die Mossel testte zijn relatief eenvoudige modellen. ,,Ze bestaan al vrij lang, maar er was nog niet helemaal bekend of ze ook bruikbaar zijn om te rekenen aan stratificatie bij turbulente luchtstromingen. Uit mijn onderzoek blijkt dat ze voor ingenieursdoeleinden prima bruikbaar zijn, maar dat de modellen vanuit wetenschappelijke oogpunt wel wat gebreken vertonen. De veronderstellingen kloppen namelijk niet helemaal met de werkelijkheid.”
Uiteindelijk hopen de onderzoekers ooit tot een model te komen dat alle stromingen kan beschrijven, maar dat zal nog wel even op zich laten wachten. Mossel: ,,Het beschrijven van turbulentie is geen exacte wetenschap. Turbulentie is namelijk een chaotisch proces en het valt niet mee een chaotisch proces exact te berekenen. Maar daar wordt aan gewerkt.”
Voorlopig is Mossel nog wel even zoet met zijn onderzoek. Naast zijn nieuwe baan probeert hij de onderzoeksdata goed gedocumenteerd en met opgave van betrouwbaarheid in een benchmark op het Internet te zetten waardoor ze wereldwijd beschikbaar worden. (J.O.)
In een Spaanse discotheek woedde twee jaar geleden een klein brandje. Een brandje van niks eigenlijk, maar alle bezoekers overleden door verstikking. ,,Als men had geweten hoe de rook zich zou verspreiden en hoe men deze met behulp van schotten en ventilatiesystemen had kunnen verdrijven, dan had de ramp misschien niet een dergelijke omvang hoeven hebben”, zegt dr.ir. Marcel Mossel, die onderzoek deed naar turbulente luchtstromingen van verschillende temperaturen.
,,Het gebeurt bij brand in gebouwen wel vaker dat mensen al overlijden voordat het vuur hen bereikt. Dat komt doordat de rook zich door de hele ruimte verspreidt zodat de bewoners niets meer kunnen zien. Ook bevat de rook vaak gifgassen doordat steeds meer kunststof gebruikt wordt in de bouw”, zegt Mossel, die 9 mei promoveerde.
Mossel: ,,De modellen voor rookverspreiding vertonen gebreken”
Van nature wil warme lucht opstijgen. Rook zal dan ook in eerste instantie naar het plafond stijgen en daar als een warme deken op de koudere onderlaag blijven liggen. Het grensvlak tussen de warme rook en de koude onderlaag heet een stratificatievlak. ,,Karakteristiek voor een stratificatievlak is dat er aan dit grensvlak nauwelijks menging optreedt”, aldus Mossel. ,,In geval van rookontwikkeling bij brand wil je dat ook graag. Op die manier hebben de mensen zo lang mogelijk de tijd om onder de rook door te vluchten. In de praktijk blijkt dat de rook vrij snel daalt, onder andere door afkoeling.”
Daar is met behulp van schotten aan het plafond wel wat aan te doen. De schotten zorgen ervoor dat de rook weer terugkeert naar de vuurkant, waardoor daar een dichtere rooklaag aan het plafond ontstaat. ,,Uit de praktijk blijkt dat als de rook toch langs het schot glipt, achter het schot een nieuwe dunnere rooklaag aan het plafond ontstaat. Deze schotten moeten dan natuurlijk wel strategisch geplaatst worden, omdat de rook dicht bij het vuur zal toenemen”, aldus Mossel.
Smoglaag
Mossel: ,,In de natuur zie je ook stratificatievlakken. Bij stabiel weer is boven de stad soms een vrij scherpe lijn waarneembaar tussen vieze gekleurde lucht en de atmosfeer. In de zuidelijke landen zie je iedere zomer wel zo’n smoglaag. Die laag houdt abrupt op, alsof de opstijgende luchtverontreiniging op een onzichtbare muur stuit waar het niet verder omhoog kan. Daarboven bevindt zich dus een warmere, lichtere luchtlaag.”
Stratificatie treedt dus op tussen een lichtere bovenlaag en een zwaardere onderlaag. Het is een verschijnsel dat wordt veroorzaakt door de zwaartekracht. De gravitatiekracht trekt harder aan de zwaardere en minder aan de lichtere laag. Het hoeft niet altijd om lucht te gaan, maar kan ook voorkomen in de monding van een rivier.
,,Rivierwater voert allerlei slibdeeltjes met zich mee. Als het zoete water het zeewater bereikt, kan in bepaalde omstandigheden de rivierwaterlaag met de slibdeeltjes over hetzoute water stromen. Aan de grenslaag treedt nauwelijks menging op door het verschil in concentratie zout. Dit stratificatie-effect heeft samen met de stroomsnelheid invloed op de plaats waar het slib neerdaalt.
,,Bij de Oosterscheldedam heeft men zich daarin vergist”, stelt Mossel. ,,Ze hadden gedacht dat de stroomsnelheid groot genoeg zou zijn om het slib mee te voeren door de dam. Maar dat blijkt dus niet zo te zijn. Het slib valt op de mosselbanken waardoor de mosselen stikken. Stratificatie is hier dus niet de enige factor maar speelt wel een rol.”
Het is dus belangrijk van tevoren te weten hoe stromingen van lucht of water zich in bepaalde situaties gedragen. Praktijkexperimenten zijn duur en tijdrovend, dus maakt men computermodellen. Mossel: ,,Er zijn nog steeds geen modellen die deze berekeningen exact kunnen maken. Daar zijn de berekeningen te ingewikkeld voor. De huidige vereenvoudigde modellen vergen al een aanzienlijke rekencapaciteit. Maar na een nacht rekenen kan een computer van zestig megabytes ook met de complexere, niet-exacte modellen wel uit de voeten.”
Mossel heeft aan de hand van experimentele data, die hij verkreeg door middel van laboratorium-experimenten, gekeken of de modellen hun werk goed deden en realistische uitkomsten gaven. Ook bestudeerde hij de resultaten van proeven die in het verleden zijn gedaan in verkeerstunnels. ,,Die moesten daar speciaal voor worden afgezet. En in bij onderzoek in Engeland hebben ze oude huizen in brand gezet en gekeken hoe snel de rookontwikkeling gaat en hoe snel de brand overslaat. Kortom, nogal dure en tijdrovende experimenten, vandaar dat dat het type data niet overvloedig is en vaak ook niet erg nauwkeurig. Die kon ik dan ook niet gebruiken voor het testen van de modellen.”
Chaotisch
De twee modellen die Mossel testte zijn relatief eenvoudige modellen. ,,Ze bestaan al vrij lang, maar er was nog niet helemaal bekend of ze ook bruikbaar zijn om te rekenen aan stratificatie bij turbulente luchtstromingen. Uit mijn onderzoek blijkt dat ze voor ingenieursdoeleinden prima bruikbaar zijn, maar dat de modellen vanuit wetenschappelijke oogpunt wel wat gebreken vertonen. De veronderstellingen kloppen namelijk niet helemaal met de werkelijkheid.”
Uiteindelijk hopen de onderzoekers ooit tot een model te komen dat alle stromingen kan beschrijven, maar dat zal nog wel even op zich laten wachten. Mossel: ,,Het beschrijven van turbulentie is geen exacte wetenschap. Turbulentie is namelijk een chaotisch proces en het valt niet mee een chaotisch proces exact te berekenen. Maar daar wordt aan gewerkt.”
Voorlopig is Mossel nog wel even zoet met zijn onderzoek. Naast zijn nieuwe baan probeert hij de onderzoeksdata goed gedocumenteerd en met opgave van betrouwbaarheid in een benchmark op het Internet te zetten waardoor ze wereldwijd beschikbaar worden. (J.O.)
Comments are closed.