Introducción
En el campo de la ingeniería de incendios, el coeficiente de extinción (E_COEFFICIENT) juega un papel clave para simular adecuadamente la acción refrigerante y extintora de los rociadores automáticos cuando se incluye el agua descargada en herramientas de dinámica computacional de fluidos (CFD), como el FDS y la curva del fuego no se define «a priori» sino que el fuego se propaga por temperatura de ignición.
En este artículo, continuación del publicado como Parte 1, se comparan simulaciones con ensayos de fuego reales (FM Global) en almacenamiento en estanterías de 3 y 5 alturas, catalogado como «Categoría II» (cajas de cartón sobre palés de madera).
Además, se compara también la precisión de FDS frente a un modelo de dos zonas (CFAST) para evaluar el comportamiento del fuego en escenarios de almacenamiento con protección por rociadores.
El objetivo es demostrar la validez de incorporar el coeficiente de extinción en el modelado 3D, y cómo esto aproxima la evolución del incendio a los resultados reales: se obtiene la misma potencia calorífica máxima (en MW), el mismo número de rociadores activados y una curva de fuego con una fase de crecimiento, control y extinción muy similares a los ensayos.
Modelar la curva de fuego con rociadores y agua descargada
¿Por qué usar un coeficiente de extinción?
El coeficiente de extinción (E) modifica la potencia calorífica del incendio en función de la densidad de agua que llega a la superficie combustible. Estudios clásicos de Yu, Lee y Kung demuestran cómo la aportación de agua puede reducir la energía liberada durante el proceso de combustión en almacenamientos de alta densidad.
Concepto clave: El coeficiente de extinción permite simular la interacción entre el agua descargada por los rociadores y la superficie en combustión, reproduciendo fielmente la reducción de potencia observada en ensayos reales.
Características del escenario y densidades
Los ensayos se realizaron en instalaciones de FM Global para almacenamiento en 3 y 5 alturas con rociadores K160 (1,31 bar de presión, 183 L/min por rociador, equivalente a 20 mm/min). En los tests reales, sin agua, se alcanzaron potencias máximas de 25 MW (3 alturas) y 47 MW (5 alturas), mientras que con el aporte de los rociadores los valores se redujeron a 4 MW y 13 MW, respectivamente.
En las simulaciones FDS, se introdujo la propagación del fuego por temperatura de ignición (350 °C), asignando una potencia calorífica unitaria acorde a la mercancía (250 kW/m² para Categoría II). Y se incluyó el coeficiente de extinción basado en la superficie real expuesta de la carga.
Comparación de resultados
Efecto de la ventilación y contorno
Se simularon tres configuraciones diferentes para evaluar el impacto de las condiciones de contorno en la evolución del incendio:
- Recinto casi cerrado (solo un portón de entrada).
- Cortina perimetral de 1 m bajo el techo (salida parcial de humos).
- Sin restricciones (abertura total para la salida de humos).
Los resultados muestran que, cuanta mayor es la extracción de humos, menor es la acumulación de calor en el recinto y menos rociadores se activan. Con espacios muy cerrados, la curva de potencia presenta picos más altos y se activan más rociadores. Las mejores correlaciones con los ensayos reales se obtienen dejando salir los humos de forma uniforme, tal como ocurrió en FM (gran recinto con salida superior).
Importancia de la ventilación: La configuración de las aberturas y sistemas de evacuación de humos influye directamente en la temperatura ambiente del recinto, afectando al número de rociadores que se activan y a la evolución de la potencia del incendio.
Ajuste con ensayos de 3 y 5 alturas
La comparación entre las simulaciones y los ensayos experimentales arroja resultados notablemente precisos:
- Sin agua, la simulación alcanzó ~22-25 MW para 3 alturas y ~52 MW para 5 alturas, coincidiendo bien con la curva de los ensayos (25 MW y 47 MW).
- Con agua, la simulación arrojó ~6 MW (3 alturas) y ~15 MW (5 alturas), también muy próximo a los ensayos reales (4 MW y 13 MW).
- Número de rociadores activados: en el caso de 5 alturas, FDS predijo 15 rociadores abiertos, y en los experimentos fueron 13 y 15 en dos ensayos distintos.
Estos resultados demuestran que el modelado CFD con coeficiente de extinción calibrado reproduce con alta fidelidad tanto la potencia máxima alcanzada como el número de dispositivos activados, validando su aplicabilidad en proyectos de ingeniería de protección contra incendios.
Limitaciones del modelo de dos zonas (CFAST)
Para contrastar la precisión del modelado tridimensional, se utilizó CFAST aplicando la supresión con la densidad de agua en planta. En riesgos de almacenamiento alto, el modelo de dos zonas presenta limitaciones importantes:
- Tras el primer rociador, el fuego desciende bruscamente, sin seguir la fase de crecimiento adicional observada en la realidad.
- Se obtienen potencias máximas de 1-3 MW, muy inferiores a los 14 MW medidos en los ensayos experimentales.
Esto muestra que CFAST simplifica en exceso la acción progresiva de múltiples rociadores, subestimando la potencia de incendios en alturas. FDS, por su parte, con un coeficiente de extinción superficial y el modelado del fuego por propagación en superficies en 3D, sí refleja el comportamiento real de la combustión y la extinción.
Limitaciones de los modelos de zona: Los modelos simplificados como CFAST son útiles para evaluaciones preliminares en escenarios de riesgo ordinario, pero no capturan adecuadamente la complejidad de la supresión por rociadores en almacenamientos de gran altura donde la propagación vertical es crítica.
Conclusiones
- Confiabilidad del coeficiente de extinción: Aplicar los valores de Yu, Lee, Kung para la categoría de almacenamiento y densidad de agua (20 mm/min) permite replicar con notable exactitud la curva de fuego (potencia vs. tiempo) y el número de rociadores activados.
- Influencia de la ventilación: Un recinto muy cerrado tiende a elevar la potencia y el número de rociadores activados. Permitir la salida de humos (como en los ensayos FM) produce una correlación casi idéntica a las pruebas reales.
- Modelo de dos zonas: Es útil para escenarios de riesgo bajo u ordinario, pero no captura el crecimiento ni la supresión realistas en fuegos de gran altura o almacenamiento complejo.
- Aplicaciones prácticas: Estos resultados pueden extrapolarse al diseño prestacional de grandes almacenes, justificando el uso del coeficiente de extinción con FDS para demostrar la eficacia de los sistemas de rociadores automáticos.
En definitiva, las simulaciones CFD con agua y coeficiente de extinción, calibradas para la categoría de mercancía, se configuran como una herramienta fiable para pronosticar el control y la extinción de incendios en racks de 3 y 5 alturas, reforzando la validez de este enfoque frente a los ensayos a gran escala.
Bibliografía resumida
- «Validación del coeficiente de extinción al modelar el fuego con rociadores automáticos — Parte 1», 2024.
- Yu, Lee, Kung (1994). Suppression of Rack-Storage Fires by Water.
- Ren et al. (2017). «Large-Scale Fire Suppression Modeling of Corrugated Cardboard Boxes on Wood Pallets…» FM Global.
- Madrzykowski & Vettori (1992). A Sprinkler Fire Suppression Algorithm for the GSA Engineering Fire Assessment System. NISTIR 4833.
- Evans (1993). Sprinkler Fire Suppression Algorithm for HAZARD. NISTIR 5254.
- UNE EN 12845 (2021). Sistemas de rociadores automáticos.
- FM 8-9 (2022). Storage of Class 1, 2, 3, 4 and Plastic Commodities.
(Para más detalles y tablas, véase el documento completo.)
