3870

янным значение половины угла раскрытия конвективной колонки начинает уменьшаться, стремясь к нулю, кг/с.

При заданных исходных параметрах

z 1,5м; z* 1,0м; Qпож 1кВт

величина относительного расхода составит G= 1,97.

В соответствии с формулой (7) приращение температуры обратно пропорционально величине массового расхода:

T T0 Qпож (1 ) .

G cp

Следовательно, рассчитанное с помощью равенства (7) приращение осредненной по сечению конвективной колонки температуры у потолка помещения будет примерно в два раза больше значения, которое получено с использованием формул расчета расхода газовой смеси G, например, из работ [4, 15, 16].

Выводы

1.Анализ представленных результатов показывает, что приближение колонки над очагом возгорания при пожаре в помещении свободно конвективной неограниченной струей корректно для той части колонки, которая расположена ниже половины высоты помещения.

2.В начальной стадии развития пожара, когда нижняя граница задымленного припотолочного слоя находится в верхней части помещения, такое приближение приводит к существенному завышению массового расхода газовой смеси и температуры в зоне припотолочного слоя. В свою очередь, массовый расход газовой смеси определяет расход вентилятора в механической системе дымоудаления. Увеличенный расход приводит к возникновению явления plug-holing, при котором холодный воздух поступает в дымоудаляющее отверстие, значительно уменьшая (в примере работы [9] в 2 раза) массовый расход удаляемого дыма.

3.Следовательно, приведенные в известных источниках [4, 13,15, 18, 19 и др.] и используемые многими авторами формулы для расчета массового расхода газовой смеси вдоль вертикальной оси конвективной колонки требуют уточнения.

Библиографический список

1.Астапенко, В. М. Термогазодинамика пожаров в помещениях / В. М. Астапенко, Ю. А. Кошмаров, И. С. Молчадский, А. Н. Шевляков; под ред. Ю. А. Кошмарова. — М.: Стройиздат, 1988. — 448 с.

2.Карькин, И. Н. СИТИС 2-09 (Редакция 5). Методические рекомендации по использованию программы CFAST / И. Н. Карькин, Н. А. Контарь, В. Ю. Грачев. — М.: ООО «СИТИС», 2009. — 64 с.

3.Корн, Г. Справочник по математике для научных работников и инженеров / Г. Корн, Т. Корн. — М.: Наука, 1968. — 720 с.

4.Кошмаров, Ю. А. Прогнозирование опасных факторов пожара в помещении / Ю. А. Кошмаров. — М.: Академия ГПС МВД России, 2000. — 118 с.

5.Петрикеева, Н. А. Зависимость концентрации оксидов азота от величины теплопотерь с уходящими дымовыми газами теплогенерирующих установок / Н. А. Петрикеева, Л. В. Березкина, А. И. Колосов // Научный вестник Воронежского ГАСУ. Строительство и архитектура. — 2010. — № 2. — С. 121—125.

6.Пузач, С. В. Методы расчета тепломассообмена при пожаре в помещении и их применение при ре-

шении практических задач пожаровзрывобезопасности / С. В. Пузач. М.: Академия ГПС МЧС России, 2005. 336 с.

7.Пузач, С. В. Модифицированная зонная модель расчета термогазодинамики пожара в атриуме / С. В. Пузач, Е. С. Абакумов // Инженерно-физический журнал. — 2007. — Т. 80, № 2. — С. 84—89.

8.Пузач, С. В. Некоторые особенности термогазодинамической картины пожара в высоких помещениях / С. В. Пузач, Е. С. Абакумов // Пожаровзрывобезопасность. — 2010. —Т. 19, № 2. — С. 28—33.

141

Научный журнал строительства и архитектуры

9.Пузач, С. В. Снижение эффективности системы дымоудаления с искусственным побуждением при возникновении «поддува» / С. В. Пузач, До Тхань Тунг, Нгуен Тхань Хай // Пожаровзрывобезопасность. — 2015. — Т. 24, № 5. — С. 54—61.

10.Пузач, С. В. К определению формы конвективной колонки над очагом пожара в помещении [Электронный ресурс] / С. В. Пузач, С. А. Колодяжный, Н. В. Колосова // Технологии техносферной безопасности. — 2015. — Вып. 6 (64). // Интернет-журнал «Технологии техносферной безопасности»: официал. сайт. — Режим доступа: http://agps-2006.narod.ru/ttb/2015-6/20-06-15.ttb.pdf.

11.Пузач, С. В. Модифицированная зонная модель расчета термогазодинамики пожара в помещении, учитывающая форму конвективной колонки / С. В. Пузач, С. А. Колодяжный, Н. В. Колосова // Пожаровзрывобезопасность. — 2015. — Т. 24, № 12. — С. 33—39.

12.Рекомендации АВОК. Расчет параметров систем противодымной защиты жилых и общественных зданий / Табунщиков Ю. А. [и др.] // АВОК. — 2010. — № 8. — С. 218.

13.Kumar, S. Mathematical modeling of fires in road tunnels / S. Kumar, G. Cox // 5 the Int. Symp. on the aerodynamics and ventilation of venicle tunnels. — Lille (France), 1985. — P. 61—68.

14.Nam, S. Development of a computational model simulating the interaction between a fire plume and a sprinkler spray/ S. Nam // Fire SafetyJornal. — 1996. — Vol. 26, № 3. — P. 157—163.

15.NFPA 72. National Fire Alarm and Signaling Code. 2013 Edition. National Fire Protection Association, 2013. JOBNAME: No Job Name PAGE: 16 SESS: 2 OUTPUT: Mon Aug 22 14:07:34 20.

16.NFPA 92B. 1990 NFPA Technical Committee Reports — Technical Guide for Smoke Management Systems in Malls, Atria and Large Areas. 2000 Edition. — National Fire Protection Association, Quincy, MA, 2000. n (NFPA), 1 Batterymarch Park, Quincy, MA 02.

17.Park, S. K. Random Number Generators: Good ones are hard to find / S. K. Park, K. W. Miller // Comm. ACM, 1988. — № 10. Vol. 32. — P. 1192—1201.

18.Ruegg, H. Fire safety engineering concerning evacuation from buildings / H. Ruegg, T. Arvidsson // CFPA-E Guidelines. — Stockholm, 2009. — № 19. — P. 45.

19.Spalding, D. B. Mixing and chemical reaction in steady-state confined turbulent flames / D. B. Spalding // 13 the Symp. (Int.) Combust. — The Combust. Institute, Pittsburg, PA. — P. 649—657.

20.Welch, S. SOFIE: Simulation of Fires in Enclosures / S. Welch, P. Rubini // User Guide. — United Kingdom: Cranfield University. — 1996. — 340 p.

References

1.Astapenko, V. M. Termogazodinamika pozharov v pomeshcheniyakh / V. M. Astapenko, Yu. A. Koshmarov, I. S. Molchadskii, A. N. Shevlyakov; pod red. Yu. A. Koshmarova. — M.: Stroiizdat, 1988. — 448 s.

2.Kar'kin, I. N. SITIS 2-09 (Redaktsiya 5). Metodicheskie rekomendatsii po ispol'zovaniyu programmy CFAST / I. N. Kar'kin, N. A. Kontar', V. Yu. Grachev. — M.: OOO «SITIS», 2009. — 64 s.

3.Korn, G. Spravochnik po matematike dlya nauchnykh rabotnikov i inzhenerov / G. Korn, T. Korn. — M.: Nauka, 1968. — 720 s.

4.Koshmarov, Yu. A. Prognozirovanie opasnykh faktorov pozhara v pomeshchenii / Yu. A. Koshmarov. — M.: Akademiya GPS MVD Rossii, 2000. — 118 s.

5.Petrikeeva, N. A. Zavisimost' kontsentratsii oksidov azota ot velichiny teplopoter' s ukhodyashchimi dymovymi gazami teplogeneriruyushchikh ustanovok / N. A. Petrikeeva, L. V. Berezkina, A. I. Kolosov // Nauchnyi vestnik Voronezhskogo GASU. Stroitel'stvo i arkhitektura. — 2010. — № 2. — S. 121—125.

6.Puzach, S. V. Metody rascheta teplomassoobmena pri pozhare v pomeshchenii i ikh primenenie pri reshenii prakticheskikh zadach pozharovzryvobezopasnosti / S. V. Puzach. — M.: Akademiya GPS MChS Rossii, 2005. — 336 s.

7.Puzach, S. V. Modifitsirovannaya zonnaya model' rascheta termogazodinamiki pozhara v atriume / S. V. Puzach, E. S. Abakumov // Inzhenerno-fizicheskii zhurnal. — 2007. — T. 80, № 2. — S. 84—89.

8.Puzach, S. V. Nekotorye osobennosti termogazodinamicheskoi kartinypozhara v vysokikh pomeshcheniyakh

/S. V. Puzach, E. S. Abakumov // Pozharovzryvobezopasnost'. — 2010. —T. 19, № 2. — S. 28—33.

9.Puzach, S. V. Snizhenie effektivnosti sistemy dymoudaleniya s iskusstvennym pobuzhdeniem pri vozniknovenii «podduva» / S. V. Puzach, Do Tkhan'Tung, Nguen Tkhan' Khai // Pozharovzryvobezopasnost'.— 2015. — T. 24, № 5. — S. 54—61.

10.Puzach, S. V. K opredeleniyu formy konvektivnoi kolonki nad ochagom pozhara v pomeshchenii [Elektronnyi resurs] / S. V. Puzach, S. A. Kolodyazhnyi, N. V. Kolosova // Tekhnologii tekhnosfernoi bezopasnosti. — 2015. — Vyp. 6 (64). // Internet-zhurnal «Tekhnologii tekhnosfernoi bezopasnosti»: ofitsial. sait. — Rezhim dostupa: http://agps-2006. narod. ru/ttb/2015-6/20-06-15. ttb. pdf.

11.Puzach, S. V. Modifitsirovannaya zonnaya model' rascheta termogazodinamiki pozhara v pomeshchenii,

uchityvayushchaya formu konvektivnoi kolonki / S. V. Puzach, S. A. Kolodyazhnyi, N. V. Kolosova // Pozharovzryvobezopasnost'. — 2015. — T. 24, № 12. — S. 33—39.

142

12.Rekomendatsii AVOK. Raschet parametrov sistem protivodymnoi zashchity zhilykh i obshchestvennykh zdanii / Tabunshchikov Yu. A. [i dr.] // AVOK. — 2010. —№ 8. — S. 218.

13.Kumar, S. Mathematical modeling of fires in road tunnels / S. Kumar, G. Cox // 5 the Int. Symp. on the aerodynamics and ventilation of venicle tunnels. — Lille (France), 1985. — P. 61—68.

14.Nam, S. Development of a computational model simulating the interaction between a fire plume and a sprinkler spray/ S. Nam // Fire SafetyJornal. — 1996. — Vol. 26, № 3. — P. 157—163.

15.NFPA 72. National Fire Alarm and Signaling Code. 2013 Edition. National Fire Protection Association, 2013. JOBNAME: No Job Name PAGE: 16 SESS: 2 OUTPUT: Mon Aug 22 14:07:34 20.

16.NFPA 92B. 1990 NFPA Technical Committee Reports — Technical Guide for Smoke Management Systems in Malls, Atria and Large Areas. 2000 Edition. — National Fire Protection Association, Quincy, MA, 2000. n (NFPA), 1 Batterymarch Park, Quincy, MA 02.

17.Park, S. K. Random Number Generators: Good ones are hard to find / S. K. Park, K. W. Miller // Comm. ACM, 1988. — № 10. Vol. 32. — P. 1192—1201.

18.Ruegg, H. Fire safety engineering concerning evacuation from buildings / H. Ruegg, T. Arvidsson // CFPA-E Guidelines. — Stockholm, 2009. — № 19. — P. 45.

19.Spalding, D. B. Mixing and chemical reaction in steady-state confined turbulent flames / D. B. Spalding // 13 the Symp. (Int.) Combust. — The Combust. Institute, Pittsburg, PA. — P. 649—657.

20.Welch, S. SOFIE: Simulation of Fires in Enclosures / S. Welch, P. Rubini // User Guide. — United Kingdom: Cranfield University. — 1996. — 340 p.

CALCULATION OF A MASS CONSUMPTION OF A GAS MIX DURING COMBUSTION TAKING INTO ACCOUNT THE FORM OF A CONVECTIVE COLUMN

S. A. Kolodyazhnyi, N. V. Kolosova, S. V. Puzach

Voronezh State Technical University

Russia, Voronezh, tel.: (473)271-53-21, e-mail: kolosnv@yandex.ru S. A. Kolodyazhnyi, PhD in Engineering, Assoc. Prof., Rector

N. V. Kolosova, Senior Lecturer of the Dept. of Heat and Gas Supply and Oil and Gas Business Academy of State Fire Service of the Ministry of Emergency Situations of Russia

Russia, Moscow, tel.: (495) 686-45-27, e-mail: info@academygps.ru

S. V. Puzach, D. Sc. in Engineering, Prof., Head of the Dept. of Engineering Thermal Physics and Hydraulics

Statement of the problem. Consumption of a mix of combustion products and air in a convective column which arrives to an area adjacent to a ceiling determines the speed of lowering of a smoke screen to the floor of a premises. In a zonal mathematical model of the calculation of thermal gas dynamic processes of fire one of the main assumptions is that the form of a convective column over a source of burning is taken in the form of an unrestricted free and convective stream. Nevertheless the conducted studies show that availability of the protecting construction elements, i. e. walls and overlappings has a significant effect on the form of a convective column. Therefore an urgent scientific and practical task is to further investigate the dependence of the form of a convective column on that of envelope structures of a premises, their geometryand arrangement in relation to the fire epicenter for the purpose of refining of a mass consumption of gas mix during combustion.

Results. In this work a specified zonal mathematical model has been proposed for the first time for the development of thermal gas dynamic processes in the event of a fire by means of the variable angle of semi-disclosure change of a form of a convective column along its height under the influence of enveloping elements of a premises and operation of system of anti-smoke exhaust and inflow ventilation is considered.

Conclusions. In the reviewed example in case of the angle of semi-disclosure stable along the entire height of a convective column, a lowered value of the medium-volume temperature in an area adjacent to a ceiling is obtained. Considering a change of the angle of semi-disclosure along the height of a column leads to an increase in the value of the medium-volume temperature in an area adjacent to a ceiling is twice as large as the one obtained bymeans of the traditional approach.

Keywords: mass consumption of a gas mix during combustion, medium-volume temperature in an area adjacent to a ceiling.

143

Научный журнал строительства и архитектуры

УДК 697.956

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ ПРИТОЧНО-ВЫТЯЖНОЙ ВЕНТИЛЯЦИИ НА ПРОЦЕСС РАСПРОСТРАНЕНИЯ ДЫМОВОЙ ЗАВЕСЫ В МАКЕТЕ ПОМЕЩЕНИЯ

С. А. Колодяжный, Н. В. Колосова, В. А. Козлов, К. А. Скляров

Воронежский государственный технический университет

Россия, г. Воронеж, тел.: (473) 271-53-21, e-mail: kolosnv@yandex.ru

С. А. Колодяжный, канд. техн. наук, доц., ректор Н. В. Колосова, ст. преп. кафедры теплогазоснабжения и нефтегазового дела

В. А. Козлов, д-р физ.-мат. наук, проф., зав. кафедрой теоретической и прикладной механики К. А. Скляров, канд. техн. наук, доц. кафедры пожарной и промышленной безопасности

Постановка задачи. Целью исследований является уточнение формы конвективной колонки при распространении задымленной газовой смеси из продуктов горения и воздуха в случае пожара в помещении при выключенной вытяжной и приточной противодымной вентиляции и при ее функционировании.

Результаты. С помощью выполненного из прозрачного материала макета модели помещения исследована форма конвективной колонки при различном расположении очага возгорания в нижней части экспериментального объема с регулируемой высотой с учетом работы противодымной вытяжной и приточной вентиляций, а также при ее отсутствии.

Выводы. Проведенные экспериментальные исследования показали существенное отличие формы конвективной колонки в помещении от принимаемой для нее в традиционных расчетах формы свободно-конвективной струи в неограниченном пространстве. Получено, что угол полураскрытия колонки остается приблизительно постоянным лишь до определенной высоты, а затем принимает нулевое значение, придавая конвективной струе цилиндрическую форму.

Ключевые слова: приточная и вытяжная вентиляция, распространение дыма в макете помещения, дымовая завеса, конвективная колонка.

Введение. В работах [12, 13] предложена уточненная зонная математическая модель пожара, в которой учитывается изменение формы конвективной колонки над очагом возгорания по ее высоте. Отмечено, что принимаемая форма колонки влияет на значения вычисляемых в последующих расчетах массового расхода продуктов горения и среднеобъемной температуры в зоне припотолочного слоя. Последние, в свою очередь, определяют объемный расход противодымной вентиляции и режим ее работы. Для изучения процесса изменения формы конвективной колонки в зависимости от некоторых исходных параметров необходимо проведение соответствующих экспериментальных исследований.

1. Схема экспериментальной установки и планирование эксперимента. Общая схема экспериментальной установки с дополнительным оборудованием, моделирующим работу как вытяжной, так и приточной противодымной вентиляции, представлена на рис. 1, где показано расположение горючего материала на полу в центре помещения. Фотографии выполненной физической модели помещения представлены на рис. 2.

Замкнутый прямоугольный экспериментальный объем с поперечным сечением 0,7 0,7 м и произвольно регулируемым по высоте до 1,5 м перекрытием считается условно герметичным, стенки выполнены из прозрачного материала, что позволяет с помощью фотокамеры фиксировать процесс распространения дымовой завесы по объему макета помещения в любой момент времени.

© Колодяжный С. А., Колосова Н. В., Козлов В. А., Скляров К. А., 2017

144

Макет выполнен из стеклопластика толщиной 4 мм. Работа системы вытяжной противодымной вентиляции имитировалась с помощью радиального вентилятора мощностью 1 кВт, который подсоединялся к отверстию в боковой стене или в потолке макета помещения с помощью гофрированной трубы диаметром 40 мм. Скорость потока удаляемой газовой смеси регулировалась с помощью подключенного непосредственно к вентилятору высокоточного частотного преобразователя фирмы Lenze. Все экспериментальные исследования проводились на базе Центра коллективного пользования Воронежского государственного технического университета.

При измерении использовалось следующее лабораторное оборудование. Электромагнитный расходомер серии МТ100Е с внутренним диаметром трубы 50 мм с точностью измерения ±1,0 % в диапазоне изменения скоростей газового потока от 0,3 до 15 м/с. Изменение массы горючего материала фиксировалось с помощью лабораторных электронных весов марки ANDDL-3000 высокого II класса точности и делением отсчета 0,1 гр, показания весов фиксировались через каждые 10 с.

1 — макет здания;

2 — перемещающийся вертикально потолок;

3 — шпилька с резьбой;

4 — гайка для регулирования высоты потолка;

5 — пылесос;

6 — регулятор расхода;

7 — расходомер;

8 — вытяжной воздуховод;

9 — приточный воздуховод;

10 — источник задымления;

11 — фотокамера;

12 — вытяжные отверстия;

13 — приточные отверстия;

14 — весы

Рис. 1. Схема экспериментальной установки при функционировании системы противодымной вентиляции

145

Научный журнал строительства и архитектуры

При подготовке к выполнению экспериментальных исследований проведено планирование эксперимента, которое сокращает объем проводимых исследований и позволяет при одном и том же количестве замеров получить большую точность результатов [1]. Планирование эксперимента осуществлялось по схеме полнофакторного эксперимента. Можно реализовать все возможные комбинации факторов на всех выбранных для исследования уровнях и определить необходимое количество опытовN по формуле [1]

где n — количество уровней; k — количество факторов.

В качестве входных параметров приняты ∆m — изменение массы горючего материала, кг, и отношение площади помещения к его высоте (F/h), следовательно, число факторов равно двум.

Рис. 2. Экспериментальная модель помещения без вентиляционной системы (а) и с оборудованием, моделирующим работувентиляционной системы (б)

Рассматриваемые факторы и принимаемые ими значения при проведении эксперимента с твердым горючим веществом представлены в табл. 1. Согласно данным таблицы, число уровней факторов, представляющих собой границы исследуемой области по каждому параметру также равно двум. В соответствии с принятым соотношением (1), необходимое количество опытов должно быть не менее 4 (22).

Матрица планирования представлена табл. 2.

146

2. Описание проведенных экспериментальных исследований. В ходе исследования распространения дымовой завесы в макете помещения при неработающей противодымной вентиляции процесс фиксировался с помощью стационарных фотокамер от начала горения до полного задымления экспериментального объема через равные интервалы времени в 2 секунды (рис. 3). В качестве горючего материала использовалась фенолформальдегидная смола с наполнителем из древесной муки, выделяющая при горении плотный дым, обеспечивающий хорошую визуализацию процесса распространения дымовой завесы при фотофиксации. Поддон с горючим веществом располагался в центре макета помещения, около стены в ее средней части со стеснением распространения дыма одной поверхностью и в углу со стеснением распространения дыма двумя поверхностями (рис. 4). Высота перекрытия принималась равной 1,0 и 1,5 м.

Рис. 3. Фото макета помещения от начальной стадии горения до задымления всего объема

3. Анализ экспериментальных результатов. В ходе выполнения экспериментальных исследований фиксировались изменение угла конвективной колонки по ее высоте, изменение в процессе горения массы горючего вещества, а также временной промежуток, в течение которого дымовая завеса опускалась до пола помещения.

Отмечено различие характера распространения задымленной газовой смеси в зависимости от места расположения очага возгорания. Так, если поддон с горючим веществом располагается у стены или в углу помещения (распространение дыма стеснено одной или двумя поверхностями), то наблюдается более быстрое опускание дымовой завесы на противоположной относительно очага возгорания стороне (рис. 5). Этот результат служит обосновани-

147

Научный журнал строительства и архитектуры

ем графических данных численных экспериментов, полученных с применением полевой мо-

дели пожара в работах [3 — 9, 11, 14, 16, 18 — 20] (рис. 6, 7).

Рис. 4. Расположение поддона с горючим веществом в макете

Рис. 5. Распространение дымовой завесы при расположении очага возгорания в углумакета помещения

На снимках (рис. 9—11), иллюстрирующих процесс распространения дымовой завесы в макете помещения на начальной стадии пожара, условные границы конвективной колонки обозначены прямыми линиями. Из рис. 9—11 следует, что при любом рассматриваемом варианте места расположения горючего вещества конвективная колонка приблизительно до середины высоты помещения распространяется с постоянным углом полураскрытия, а далее этот угол принимает нулевое значение. Следовательно, для определения массового расхода по высоте конвективной колонки при решении соответствующего дифференциального уравнения необходимо задать закон изменения угла полураскрытия в виде γ = f(z, Qпож) при

148

z z*, а при z > z* следует положить = 0, где z* — высота от пола помещения, при которой угол полураскрытия становится равным нулю.

Рис. 6. Поля температур в среднем продольном сечении модели помещения при горении в нем автомобиля [9]

Рис. 7. Поля температур в среднем продольном сечении модели помещения при горении в нем турбинного масла [11]

Вработе [2] указано, что в первом приближении при z z* можно принять = 11 град.

Сцелью более точного определения функциональной зависимости угла полураскрытия от высоты z конвективной колонки и мощности тепловыделения Qпож при пожаре необходимо верифицировать решение дифференциального уравнения для определения массового расхода по высоте конвективной колонки с помощью точных экспериментальных исследований. Именно такой подход представлен в работе [10]. На рис. 8 показана схема пламенной зоны конвективной колонки, принятая в работе [10]. В рассматриваемой работе величина угла по-

лураскрытия конвективной колонки определялась с помощью сравнения высоты пламенной зоны, полученной расчетным путем, с экспериментальными данными при диффузионном горении жидкости в поддоне. Аппроксимация результатов численного эксперимента представлена следующими зависимостями: = 0 при Qпож < 1 МВт; = 2,78 (Qпож - 1) при 1,0 МВт Qпож < 10,0 МВт с достоверностью аппроксимации 0,992.

149

Научный журнал строительства и архитектуры

Рис. 8. Схема пламенной зоны [10]: 1 — горючая жидкость;

2— конвективная колонка; 3 — пограничный слой; 4 — пламенная зона

Рис. 9. Характер распространения дыма внутри макета помещения

при расположении очага горения устены (h = 1,5 м)

Рис. 10. Характер распространения дыма внутри макета помещения при расположении очага горения в центре пола: а) h = 1,5 м; б) h = 1,0 м

150