11SIMPOSIO DE TÚNELES. EXPLOTACiÓN,SEGURIDAD,CONSERVACiÓNy REPARACiÓNJACA,6 - 8 MAYO 1998

Sesión sobre Seguridad: MODELOS NUMÉRICOS PARA ESTUDIOS DEINCENDIO EN TÚNELES CON VENTILACiÓN LONGITUDINAL.

Por D. B. Martín'; D. M.P.Retana2;D.A. Frailes3;D. l. del Rey2;D. E. Alarcón3'Demarcación de Carreteras del Estado de Castilla-La Mancha. Ministerio de Fomento

'Centro de Modelado en Ingeniería Mecánica (CEMIM). Madrid.'ETS Ingenieros Industriales, Universidad Politécnica de Madrid.

RESUMEN: En caso de accidentes severos en túneles se requiere una adecuada estrate-gia para evitar pérdidas humanas. En túneles con ventilación longitudinal el recurso funda-mental es la actuación sobre los ventiladores de chorro para dirigir o concentrar la nube dehumo. Las situaciones más comprometidas se presentan en túneles con doble sentido de cir-culación. En este artículo se presentan varios modelos numéricos de distinta complejidad y cos-te que permiten el análisis e interpretación de accidentes con fuego. Finalmente se muestranejemplos de aplicación a casos reales, en particular los realizados para los túneles de ElNegrón 11y Los Yébenes.

La tendencia actual en sistemas de venti-

lación está encaminada a la implantación desistemas longitudinales incluso para grandeslongitudes. Esto es debido fundamentalmen-te al menor coste de construcción al no tener

que disponer conductos auxiliares y la facili-dad de ampliación si es necesario aumentarel empuje instalado. Sin embargo en caso deincendio, el humo no tiene posibilidad de serevacuado como ocurriría en un sistema de

extracción mediante trampillas u otros ele-mentos análogos. La actuación de salva-mento se basa entonces en el control de lamasa de contaminantes mediante actuación

sobre los ventiladores de chorro que la dirigi-rán conforme a la estrategia de salvamentoplaneada. Desde este punto de vista es defundamental importancia la flexibilidad de

actuación sobre ventiladores puesto que lossituados en las proximidades del foco pue-den quedar fuera de servicio debido a lasaltas temperaturas. En virtud de ello es acon-sejable un reparto de los equipos uniformesegún la longitud del túnel. Por otra parte elpapel clave que juegan los ventiladoresrequiere que estos sean reversibles auncuando el sentido de circulación sea único.

En estas circunstancias la situación de

túnel con doble sentido de circulación se pre-senta como especialmente dramática al nopoder impulsar el humo aguas abajo delincendio. En estos casos la actuación secentra en mantener el humo confinado el

tiempo suficiente para que los usuarios esca-pen, para lo cual se opera desde los ventila-dores más alejados al incendio. En efecto, la

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- - - ----

L

actuación desde aceleradores próximoscrearía turbulencias capaces de romper laestratificación de la capa caliente dando unasituación más desfavorable para el escapede las personas.

En túneles largos estas actuaciones secomplementan con vías de escape lateralesademás de las medidas de seguridad comu-nes: cordones detectores de incendio, cáma-ras de televisión, postes 808, corte de tráfi-co, anuncios por megafonía, etc.

8in embargo en una situación real dondehay vehículos circulando, ventiladoresconectados, unas determinadas condicionesatmosféricas exteriores, etc., no es fácilsaber cómo actuar para lograr confinar o diri-gir los humos; a esto se une que el equipo decontrol aun siendo personal especializadotiene que actuar en condiciones de emer-gencia por lo que las decisiones han de estarclaramente predeterminadas en función devariables que aporta la instrumentación ins-talada en el túnel (velocidad de! aire en elinterior, número de vehículos circulando,...).Es interesante contar con un sistema de con-trol informatizado que evite los errores huma-nos. Estas decisiones sólo pueden ser fija-das después de estudiar multitud de escena-rios de accidente para lo que es necesarioestablecer modelos numéricos que permitanla interpretación.

1. MODELOS

Modelo unidimensional

Este modelo mantiene un nivel de simpli-cidad que permite su uso para el análisisgeneral del fenómeno así como una interpre-tación de éste en términos de variablesmacroscópicas controlables y utilizablesincluso en términos de dimensionamiento. Elbajo coste operacional de este modelo per-mite realizar multitud de estudios. Ademássus resultados pueden ser utilizados paraimponer condiciones de contorno en modeli-zaciones más complejas.

114

.,

Este método supone que toda la seccióntransversal se encuentra en las mismas con-

diciones, lo que es claramente irreal en lasproximidades del foco donde los gasescalientes por flotación tienden a situarse bajola bóveda o el falso techo del túnel permi-tiendo una zona con aire respirable a la altu-ra de las personas si se consigue mantenerla estratificación. En este sentido cabe consi-derar que los resultados serán conservado-res. Por otra parte, al perder los detalles enla sección transversal no se observan ciertos

fenómenos como por ejemplo las recircula-ciones de la capa caliente.

Una de las ventajas de este modelo esque permite acoplarlo fácilmente con el com-portamiento del tráfico. En la figura 1 semuestran las curvas características de un

proceso de frenado y las densidades devehículos resultante. Para simplificar se con-sidera que existen sólo dos regímenes: vehí-culos con densidad Pomoviéndose a la velo-cidad definida por la curva fundamental detráfico y vehículos parados con una densidadmáxima. La cola de vehículos parados crecea velocidad distinta de la llegada de cochespor lo que aparece una discontinuidad uonda de choque.

En el modelo se supone que los efectosde la compresibilidad del aire pueden des-preciarse y se combinan las ecuaciones delmovimiento para cada sección suponiendo lacontinuidad de la presión y el caudal. Así elmovimiento de la columna de aire se descri-

be mediante la ecuación de equilibrio:

dW(t) = F(t)M dt

donde M es la masa de aire en el túnel W(t)su velocidad en cada instante de tiempo yF(t) la fuerza total en cada instante que inclu-ye el efecto émbolo (variable con el tiemposegún van parando los coches), el empuje delos ventiladores, las fuerzas meteorológicasy la resistencia del tubo (variable con la velo-cidad W).

L

Pmax - Po

x x=O

x=O

Figura 1 Modelo de tráfico

En el método de cálculo las ecuaciones

de transferencia (velocidad, entalpía, con-centración, etc) están condicionadas por lostérminos fuente y por las condiciones de con-torno. En general se tiene

aq -+-+-(P1$) + div [pW$ + J($)] = q ($)at

donde:

<\>: propiedad genérica del fluido(magnitudes escalares transportadas)

p: densidad

W: vector velocidad

]<$):

q <$):

vector densidad de flujo

caudal de la fuente por unidad devolumen

Para la resolución del sistema se recurre

a un método de diferencias regresivas en eltiempo.

El modelo descrito contempla la propiaevolución de contaminantes del incendio, eltipo de ventilación y las distintas actuacionesllevadas desde control.

Modelos tridimensionales

El modelo unidimensional es apropiadopara realizar estudios a nivel global donde seacepta que la temperatura, composición delos gases y otras magnitudes son lo sufi-cientemente uniformes en secciones trans-versales al túnel. Obviamente esto no ocurre

cerca de un incendio. Un esquema del ilujoen esa región está esbozado en la figura 2.

-- ¡Iu!go + penac:h> !(anicicnes IriciaIes)

Figura 2. Región del incendio

En el suelo hay un vehículo u otro objetoque arde y del que se eleva una llama segui-da de un penacho de gases calientes. La lla-ma y posteriormente el penacho arrastran elaire necesario para la combustión. Los gasescalientes formados por el aire arrastrado ylos productos de la combustión, que general-mente será incompleta, se instalan en la par-te superior del túnel, formando una capacaliente con sustancias posiblemente tóxicasy con partículas de hollín que son repartidasa los ventiladores, a las paredes o a otrosvehículos o personas que se encuentren enel suelo. El aire caliente que se extiende pordebajo del techo se encuentra aguas arribacon el aire de la ventilación natural o forzada,formándose un punto de remanso y una zonade recirculación, que impide que dichos

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gases calientes penetren a una distancia sig-nificativa aguas arriba siempre que la veloci-dad de ventilación sea suficiente.

La capa caliente prosigue su movimientofundamentalmente hacia aguas abajo, for-mando un chorro parietal, cuyo espesor cre-ce por arrastre de aire limpio de la parte infe-rior del túnel, hasta que, a una distancia sufi-cientemente grande, el aire caliente ocupatoda la sección del túnel. Aguas abajo deesta distancia yaguas arriba de la posicióndel punto de remanso, podría suponerse queel modelo unidimensional es válido. En la

región intermedia restante, que es esencial-mente tridimensional, ocurren fenómenosmuy complejos y difíciles de modelar. Hayintercambios de masa, cantidad de movi-miento y energía, tanto por convección comoradiación entre el aire, el objeto, los gasesemitidos por éste y las paredes del túnel; lasecuaciones que rigen el fenómeno son las 5ecuaciones de conservación de la Mecánicade Fluidos: masa, 3 de cantidad de movi-miento y de la energía, además de las nece-sarias para modelar la combustión, la pro-ducción de hollín y la radiación.

Al ser las ecuaciones de conservación en

derivadas parciales, (siendo las variablesindependientes las coordenadas de cadapunto y el tiempo) es necesario fijar, ademásde condiciones iniciales, condiciones de con-torno apropiadas en la pared del túnel, en lasparedes del objeto que arde (o alternativa-mente una simulación de cómo se consume

el material combustible de dicho objeto ovehículo), y en la zona de entrada aguas arri-ba y de salida aguas abajo. La resolución delanterior sistema de ecuaciones en derivadas

parciales, junto con las condiciones inicialesy de contorno se realiza numéricamente,mediante discretización apropiada del cam-po de fluido y del intervalo temporal de inte-rés.

Este tipo de modelización tridimensional,que trata de dar distribuciones de las distin-tas magnitudes (temperatura, presión, velo-cidad, composición, etc) en todo instante yen todo el campo del incendio, es complejo ydifícil de implementar con carácter general, y

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requiere una capacidad de cálculo y tiempode ordenador descomunal; por ello se tiendea desarrollar modelos más simples del deno-minado tipo compartimental o zonal, que hasido aplicado a la simulación de fuegos enhabitaciones o edificios, aunque muy esca-samente en túneles.

Modelo zonal o de compartimentación

Los modelos zonales en lugar de dar eldetalle de lo que ocurre en cada punto, divi-den el dominio en diferentes zonas o com-

partimentos, y dan propiedades medias delas magnitudes en cada una de ellas, o pre-suponen variaciones de acuerdo con reglasfijadas a priori, basadas en la experimenta-ción o en argumentos físicos.

Cada uno de los elementos antes men-

cionados: objeto que arde, llama, penacho,capa caliente, paredes del túnel, capa fríainferior, zona de recirculación y regiones deentrada y salida, se supone que son laszonas o módulos en que se divide el fuego,la variación de cuyas propiedades está rela-cionada con los intercambios de masa, can-tidad de movimiento y energía con las zonascircundantes. Las propiedades de cadazona, por ejemplo la temperatura de la capacaliente, se suponen uniformes o que varíancon arreglo a una ley sencilla. Los intercam-bios entre zonas se describen mediante

leyes fenomenológicas directas. Las ecua-ciones de conservación de masa y energíapueden plantearse reteniendo el término devariación temporal para algunas de laszonas, con lo que resulta un sistema deecuaciones diferenciales ordinarias acopla-das para describir la evolución temporal delfuego, lo que es útil para simular los proce-sos inicial y de extinción del fuego; en etapasintermedias es suficiente una suposición detipo cuasiestacionario, que requiere única-mente la resolución de un sistema de ecua-

ciones de tipo algebraico.

Aunque el modelo zonal es mucho mássencillo que el tridimensional, el número deecuaciones a resolver puede ser muy eleva-do, dependiendo del número de zonas y de

magnitudes que describen cada una de ellas.Como ejemplo, la capa espacial aguas aba-jo, estaría descrita por las siguientes magni-tudes que determinan las condiciones en suzona de entrada desde el penacho: espesor,temperatura, velocidad y composición de losgases.

Otra complicación adicional es que exis-ten regiones, como la pared del túnel, en lasque el cálculo de la distribución de tempera-turas requiere la resolución de una ecuaciónadicional, aunque ésta puede simplificarsetomando como única variable espacial la dis-tancia a su superficie intema.

Estos dos últimos métodos trabajan conun gran número de variables, lo que generaun volumen inmenso de resultados y dificultala realización de estudios paramétricos, porlo que sólo se utiliza en regiones locales deespecial interés. Así mismo, los detalles pue-den resultar irreales debido a la incertidum-

bre de las variables que participan en elfenómeno.

2. EJEMPLOS

A continuación se presentan distintosejemplos desarrollados en los que se em-plean los modelos expuestos anteriormente.

Para los modelos unidimensionales se

muestran distintos tipos de resultados obte-nidos (gráficas de velocidades y concentra-ción de humos) pero se hace especial hinca-pié en los beneficios de este tipo de estudiosa la hora de establecer las pautas de actua-ción que regirán el comportamiento del equi-po de control en las situaciones de interrup-ción de calzada con fuego. Los análisis reali-zados para los modelos tridimensionalespermiten comprender mejor el comporta-miento local del incendio mostrando las limi-

taciones del modelo unidimensional yhaciendo posible un uso más eficiente delmismo.

Ya se ha comentado la dificultad existen-te para confinar la nube de contaminantes enlos túneles de doble sentido de circulación.

Los modelos presentados corresponden alos túneles de LOS YÉBENES y ElNEGRON 11.

Ambos son túneles carreteros localiza-

dos en Toledo y León respectivamente. Elprimero es un túnel de dos carriles con doblesentido de circulación con una longitud de882 m. El segundo también de dos carrilesestá proyectado para un único sentido de cir-culación aunque se ha previsto una situaciónde emergencia en la que los vehículos circu-lan en los dos sentidos por cierre del túnelparalelo (accidente, mantenimiento, etc). Sulongitud aproximada es de 4200 m.

Para los dos ejemplos se muestran dostipos de gráficas. Las primeras presentan laevolución de la velocidad del aire de ventila-ción en el interior del túnel una vez realizada

la actuación correspondiente. Las segundasrecogen la peligrosidad de la situación paraun pasajero en gráficos de isolíneas de nive-les de concentración de CO y humos. Enellas, el eje horizontal es la variable espaciala lo largo de la longitud del túnel y el verticales la escala de tiempo. Las isolíneas dibuja-das permiten establecer para cualquier ins-tante la concentración de humos o CO a lo

largo del túnel. Es posible apreciar tambiénlas trayectorias de escape de los pasajerosbien hacia las bocas o hacia las salidas decomunicación laterales en el caso de El

Negrón.

Las figuras 3 y 4 corresponden al túnel deLos Yébenes. La contrapresión es en estecaso de 50 Pa, el tráfico se reparte equilibra-damente en los dos sentidos y el incendio seproduce a 1/3 de la boca norte. Inicialmentese tienen dos ventiladores soplando de Nor-te a Sur favoreciendo el tiro natural. Laactuación ha consistido en conectar seisventiladores en sentido Sur-Norte a la vez

que se desconectan los iniciales.

Como se puede ver en la Figura 3 la velo-cidad (positiva en el sentido Norte-Sur)comienza a aumentar debido a la parada delos vehículos que inicialmente se oponen a laventilación, para después caer al conectarlos equipos de ventilación longitudinal, hasta

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_c-~.

:Loe....

1.50

f

v..T

1.00T1EnPO (.)

Figura 3. Velocidad aire de ventilación.

estabilizarse en un valor de 0.8 mIs. Elcam-bio de signo en la figura representa la inver-sión en el sentido de la masa de aire en elinteriordel túnel.

En la Figura 4 se pueden apreciar losniveles de concentración de humos y easufridos en la trayectoria hasta el escape. Latrayectoria representa una velocidad 1.4 mIslo que en el tramo más largo supone que unapersona situada en el punto donde se produ-ce el incendio tardaría en salir del túnel 3.5minutos. Durante este tiempo la trayectoriano corta la isolínea de coeficiente de extin-ción admisible de valor 0.4 m-1(línea engro-sada en la figura) por lo que se consideraque la actuación es suficiente.

Paralelamente pueden ser representadasisolíneas de concentración de contaminanteea en el interiordel túnel, introduciendotam-bién las mismas trayectorias de escape. Eneste caso el valor admisible es de una con-centración de ea de 400 ppm.

Es posible apreciar en la misma figura elproceso de inversión del sentido del aire, altener en cuenta que en el plano x-t la pen-diente de las isolíneas en las zonas dondeno existe generación de contaminante coinci-de con la velocidad del aire y, por tanto loscambios de signo de la pendiente coincidencon cambios de signo de la velocidad.

La experiencia acumulada al escoger unconjunto de escenarios de cálculo y particu-

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ESO::-;,\RIO c'o'" n'n;o. (lMDh=1250)

N ,\/, lO S.....--

I 1

,~ - - - - 8- - - - - - - - - - - -~-'.:...,. I2'3L-

2.00..3

Figura 4 Coeficiente de extinción.

larizar para cada uno de ellos una actuaciónsobre los equipos que asegure el salvamen-to de los usuarios del túnel, ha permitidodesarrollar una línea de actuación genérica,recogida para el estudio del túnel de losYébenes en la tabla 1.

En la tabla se aprecia la forma de actua-ción ante diferentes situaciones del tráfico

(equilibrado o con sentido preferente) quepuede ser medido mediante la colocación deespiras, de ventiladores (inicialmente conec-tados o túnel autoventilado) y, de velocidadinicial del aire dentro del túnel obtenidamediante la instalación de un anemómetrobidireccional. La actuación consiste en unavez detectado un incendio, automáticamentedesconectar todos los ventiladores en funcio-

namiento, para posteriormente encender losindicados. Será importante conectar ventila-dores distintos de los que inicialmente fun-

Tabla 1. Pautas de actuación.

cionaban con el fin de ahorrar tiempo de res-puesta.

Un segundo\ ejemplo se presenta con lasfiguras 5 y 6, se trata en este caso del túneldel Negrón 11,previsto para desdoblar el trá-fico que la autopista León - Oviedo que ini-cialmente se mantenía a través del túnel

paralelo Negrón 1, es por tanto un túnel pro-yectado para un único sentido de circulación,aunque se admite la posibilidad de que exis-ta doble circulación en situaciones extraordi-narias.

La elevada longitud del túnel 4200 m) y laexistencia del anterior paralelo aconsejan lautilización de galerías de comunicación quepuedan ser utilizadas como vías de escapeante situaciones de riesgo.

En este caso se representa un escenariopésimo de accidente con fuego, en el queexiste una situación extraordinaria con tráficobidireccional y además la posición del incen-dio bloquea una de las vías de escape con el

túnel adyacente. Los usuarios, por tanto, ten-drán que recorrer mayores distancias parahuir de la zona. Inicialmente existen dos ven-tiladores actuando en el sentido Sur-Norte

mientras que el tiro natural tiene sentido con-trario. Como medida urgente de actuación seinterrumpe la acción de los dos ventiladorespermitiendo que el propio tiro natural inviertael sentido en el del aire interior.

Rgura 5. Ventilación aire de ventilación

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TRAFICO SITUAC IÓN VELOCIDAD AIRE ACTUACiÓNP R E V lA VENTILACiÓN (VENTILADORES)

Con ventiladores N -+ S Desconectar

N S 6 N -+ S

N -+ S N -+ S V. < 2.5 2 N S

S in ventiladores V. > 2.5 6 N S

N S 6 N -+ S

Con ventiladores N -+ S Desconectar

N -+ S Desconectar

N ++ S N -+ S V. < 2 2 N S

Sin ventiladores V. > 2 6 N S

N S V. < 2 2 N -+ S

V. > 2 6 N -+ S

Con ventiladores N -+ S 6 N S

N S Desconectar

N S N -+ S 6 N S

S in ventiladores N S V. < 2.5 2 N -+ S

V. > 2.5 6 N -+ S

1350 .:... 750...!.. 640 J-_~__ 1460 _.~, I ,

s\ L :..'';''...'"'-'.'

Figura 6.Coeficientede extinción

La figura presenta la trayectoria de esca-pe pésimo donde se observa que no sealcanzan valores de coeficiente de extinciónsuperiores a los admisibles.

Utilizando el programa FIRE de AVL deacuerdo con el modelo tridimensional indica-do anteriormente se ha realizado el estudiotransitorio de los primeros minutos de unincendio.

El ejemplo reproduce la geometría deltúnel del Negrón del que se han discretiza-do una longitud de 1400 m mediante 67452celdas. El fuego se produce en el carril dere-cho y tiene un área de 4X12 m.

La figura 7 muestra una perspectiva y laFigura 8 una sección longitudinal de la evo-lución de las temperaturas en la zona próxi-ma a un fuego situado en uno de los carrilesal cabo de 7 minutos del inicio. En ellas seobserva el efecto de arrastre longitudinaldebido a la velocidad de 4 mIs y la rápida

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ascensión a la bóveda de las zonas máscalientes. La combinación de estos movi-

mientos junto con la posición del incendio yforma curva de la bóveda provoca una curio-sa asimetría del movimiento hacia el ladocontrario de aquél en el que se produce elincendio.

La asimetría muestra la existencia detemperaturas elevadas en zonas bajas de lasección transversal del tUñello que es perju-dicial para la seguridad en caso de incendio.Sin embargo se corrige al alejarse de la fuen-te consiguiéndose la estratificación del aire.

La gran sección del túnel (88.5 m2) favo-rece la citada estratificación, encontrándosea 50 m de la fuente zonas bajas con incre-mento de temperatura de 21°C a 1 minutodel comienzo del incendio y 47°C, 6 minutosmás tarde.

3. CONCLUSIONES

En túneles con ventilación longitudinal laactuación sobre los ventiladores es funda-

mental para evitar una catástrofe en caso deaccidente con fuego. Se han presentado tresmodelos de cálculo que permiten el estudiode estas situaciones.

El modelo unidimensional aparece comoel de mayor simplicidad, las variables sonintroducidas de forma macroscópica permi-tiendo un análisis global del problema. Entresus ventajas se cuentan el bajo coste opera-cionallo que posibilita el análisis de multitudde casos y el acoplamiento con la acción deltráfico. La realización de análisis locales

requiere el uso de otros métodos de elevadocoste como son los modelos zonales y tridi-mensionales. Estos manejan un gran núme-ro de variables, se genera gran volumen deresultados y la interpretación de los casosresulta difícil, por lo que la elección de lashipótesis ha de ser especialmente cuidado-sa. En general su uso es adecuado para con-trastar ensayos in-situ en secciones de espe-cial interés. La principal limitación de estosmodelos radica en la dificultad de definir el

modelo, en particular pueden presentar pro-

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Figura 7. Perspectiva de las temperaturas en la zona del incendio 7 minutos tras su comienzo.

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Figura 8. Sección longitudinal de las temperaturas en la zona del incendio 7 minutos tras el comienzo.

L

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----

blemas la fijación de condiciones de contor-no o la simulación del tráfico. Por otra partela incertidumbre de los valores de las varia-

bles participantes pueden falsear los resulta-dos.

Se han presentado en los ejemplos laactuación realizada ante una situación de

incendio y tráfico bidireccional. Estos esce-narios son especialmente peligrosos puestoen ambas partes del incendio existen perso-nas cuya seguridad puede verse afectada.Los modelos numéricos permiten el estudiode dicha seguridad con el fin de obtener pau-tas genéricas de actuación sobre los equiposde control. Las actuaciones además de

impedir la entrada de nuevos vehículos en elinterior del túnel al mismo tiempo de avisar alos atrapados de las vías de escape se cen-tran en la ventilación longitudinal con el fin dedar el mayor tiempo posible al usuarios en suhuida. De forma genérica se persigue frenarel aire interior del túnel manteniendo la nubede contaminantes concentrada en la zonadel incendio. La forma más inmediata de

conseguirlo es provocar la inversión en elsentido del avance de la masa de aire, lo quese ve dificultado por la gran cantidad de con-diciones iniciales que pueden presentarse.

122

...

En este sentido los modelos monodimen-

sionales son especialmente útiles mostrán-dose del lado de la seguridad al representarla sección con un mismo nivel de contami-nantes.

4. BIBLlOGRAFIA

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