Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физико-химические основы развития и тушения пожаров. Практикум для СПО
.pdf
Рис. 1.4. Зависимость плотности продуктов горения от температуры.
Время,
с
л
v
,
м/с
Sп,
м
2
Скорость выгорания
Tп,
°С
qп,
кВт
Iп,
кг/с*м
2
m
v
,
кг/с
уд
m
v
прив
m
v
Результаты обработки данных заносятся в табл. 1.3.
Результаты обработки данных
Таблица 1.3
По данным табл. 1.3 строятся графики зависимостей приведенных в ней
параметров от времени. На каждом графике приводятся соответствующие
зависимости для двух опытов.
24
21
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Какая стадия (или стадии) пожара исследуются в данных опытах?
2. Дать определение, объяснить физический смысл основных параметров
внутреннего пожара.
3. Как зависит скорость распространения пламени от концентрации
кислорода в газовой среде?
4. Что такое общая вспышка? При каких условиях она происходит?
5. Что такое объемная вспышка? При каких условиях она происходит?
6. Как зависит теплота пожара от массовой скорости выгорания?
7. Как зависит продолжительность начальной стадии пожара от массовой
скорости выгорания? Чем объясняется эта зависимость?
8. Что такое плоскость равных давлений? Какие параметры влияют на ее
положение относительно пола помещения?
9. Что означает "пожар, регулируемый нагрузкой"?
10. Что означает "пожар, регулируемый вентиляцией"?
11. Определить режим пожара на момент времени, указанный
преподавателем?
12. Какие возможны последствия изменения условий газообмена?
25
22
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2. ИЗУЧЕНИЕ ОПАСНЫХ ФАКТОРОВ
ПОЖАРОВ В ПОМЕЩЕНИИ
ПОСРЕДСТВОМ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ
ЦЕЛЬ РАБОТЫ:
Определить время наступления опасных факторов пожара в модели помещения.
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
Метод моделирования как метод научного познания имеет историю,
исчисляемую тысячелетиями. Однако только в середине XX в. само моделирование
стало предметом специальных исследований. Объясняется это развитием теории
подобия, теории вероятности, кибернетики и электронной вычислительной
техники.
Это позволило специалистам приступить к созданию и активному
использованию в научных исследованиях и на практике различных моделей
возникновения и развития пожаров.
В области пожарной науки автором теории физического моделирования
процессов теплопередачи и тепловых устройств явился наш соотечественник М.В.
Кирпичев (1879—1955 гг.). Теория подобия в целом и его работы в частности
послужили импульсом в использовании методов физического моделирования при
изучении закономерностей динамики пожаров.
Модель — это объект любой природы, который заменяет реальный
исследуемый объект так, что его изучение дает новую информацию о реальном
объекте.
В зависимости от средств, с помощью которых реализованы модели,
различают материальное (предметное) и идеальное (абстрактное) моделирование.
Материальным называется моделирование, в котором исследование ведется
на основе модели, воспроизводящей основные геометрические, физические,
динамические и функциональные характеристики изучаемого объекта.
Частным случаем материального моделирования является физическое
моделирование, при котором моделируемый объект и модель имеют одну и ту же
физическую природу. Идеальные модели связаны с использованием каких-либо
символических схем (графических, логических, математических и др.).
26
23
1. Интегральные математические модели пожаров
В нашей стране создателем интегрального метода термодинамического
анализа пожара в помещении, позволившего прогнозировать динамику опасных
факторов пожара является Ю.А. Кошмаров. Им предложено рассматривать пожар в
помещении как квазиравновесный процесс изменения состояния открытой
термодинамической системы, которую представляет собой среда внутри
помещения, взаимодействующая одновременно тремя способами обмена энергией
с внешней средой, состоящей из ограждений и наружной атмосферы. Интегральная
математическая модель пожара была им полностью разработана в середине 70-х гг.
прошлого столетия и опубликована в 1976г (труды ВНИИПО, научные отчеты
ВИПТШ).
Позже, интегральная модель пожара была дополнена дифференциальным
уравнением, описывающим изменение оптической концентрации дыма в
помещении при пожаре (Зотов Ю.С., 1988).
Интегральная модель пожара позволяет получить информацию, т.е. сделать
прогноз о средних значениях параметров состояния среды в помещении для
любого момента развития пожара. При этом для того, чтобы сопоставлять
(соотносить) средние (т.е. среднеобъемные) параметры среды с их предельными
значениями в рабочей зоне, используются формулы, полученные на основе
экспериментальных исследований пространственного распределения температур,
концентраций продуктов горения, оптической плотности дыма и т. д.
Метод применяется:
для зданий, содержащих развитую систему помещений малого объема
простой геометрической конфигурации;
для помещений, где характерный размер очага пожара соизмерим с
характерными размерами помещения и размеры помещения соизмеримы между
собой (линейные размеры помещения отличаются не более чем в 5 раз);
для предварительных расчетов с целью выявления наиболее опасного
сценария пожара.
Особенности интегральных методов расчета состоят в том, что с их помощью
вычисляются среднеобъемные величины температуры, плотности, массовых
концентраций кислорода, токсичных продуктов горения и оптической
концентрации дыма, а также средние температуры ограждающих конструкций и
усредненные характеристики тепло газообмена через проемы.
Принят ряд допущений:
газовая смесь состоит из идеальных газов;
27
24
состояние газовой среды помещения и параметры тепломассообмена в
каждый момент времени однозначно определяются среднеобъемными значениями
параметров состояния газовой среды;
поверхности равных давлений внутри и снаружи помещения, а также
скоростей, равных нулю, в области проема являются плоскостями и совпадают
друг с другом;
геометрическое положение пожарной нагрузки в помещении не влияет на
параметры тепломассообмена через открытые проемы с окружающей средой и
теплоотвода в ограждающие конструкции.
Преимущество интегральных методов – относительно быстрый и низко
трудоёмкий инженерный расчет динамики опасных факторов пожара.
Основные недостатки:
область корректного применения интегральной модели (по объемам и
геометрии помещений, расположению горючего материала и т.д.) является
нерешенной проблемой;
необходимость использования дополнительной экспериментальной
информации или моделей более высокого уровня (зонных или полевых) для
получения распределения параметров тепломассообмена по объему помещения;
величины ОФП на уровне рабочей зоны не зависят от вида, свойств, места
расположения горючего материала и геометрии помещения.
Область применения интегрального метода, в которой предсказанные
моделью параметры пожара можно интерпретировать как реальные, практически
ограничивается объемными пожарами, когда из-за интенсивного перемешивания
газовой среды локальные значения параметров в любой точке близки к средне
объемным. За пределами возможностей интегрального метода оказывается
моделирование пожаров, не достигших стадии объемного горения, и особенно
моделирование процессов, определяющих пожарную опасность при локальном
пожаре. Наконец, в ряде случаев даже при объемном пожаре распределением
локальных значений параметров пренебрегать нельзя.
2. Зональные модели развития пожаров
Более детально развитие пожара можно описать с помощью зонных
(зональных) моделей, основанных на предположении о формировании в
помещении двух слоев: верхнего слоя продуктов горения (задымленная зона) и
28
25
нижнего слоя невозмущенного воздуха (свободная зона). Дополнительными
контрольными объемами в помещении пожара являются дымовая и припотолочная
струя дыма, так называемая конвективная колонка. Состояние газовой среды в
зональных моделях оценивается через осредненные термодинамические параметры
не одной, а нескольких зон, причем межзонные границы обычно считаются
подвижными.
Рис. 2.1. Принцип зонального моделирования пожара в помещении
Зональные методы расчетов несколько сложнее, чем интегральные, при этом
они лишены части недостатков первых, имеют большие возможности и более
точные.
В практике используются двух зонные модели. Двух зонная модель
тепломассопереноса при пожаре предполагает разделение каждого расчетного
помещения на два контрольных объема – верхний (дымовой) слой и нижний слой.
Дополнительными контрольными объемами в помещении пожара являются
дымовая и припотолочная струя дыма, так называемая конвективная колонка.
Первая зонная модель пожара была предложена в диссертации польского
инженера Е. Воланина, выполненной под руководством проф. Ю.А. Кошмарова
(Воланин Е., 1982).
29
26
Зонная модель позволяет получить информацию о размерах характерных
пространственных зон, возникающих при пожаре в помещении, и средних
параметров состояния среды в этих зонах. В качестве характерных
пространственных зон, как упоминалось выше, можно выделить, например, в
начальной стадии пожара припотолочную область пространства, область
восходящего над очагом горения потока нагретых газов и область не задымленной
холодной части пространства.
Основу зонной модели пожара в общем случае составляет совокупность
нескольких систем обыкновенных дифференциальных уравнений. Параметры
состояния среды в каждой зоне являются искомыми функциями, а независимым
аргументом является время τ. Искомыми функциями являются также координаты,
определяющие положение границ характерных зон.
Многочисленные натурные испытания подтвердили, что двухзонные модели
демонстрируют довольно достоверную картину пожара – горячие дымовые газы
скапливаются под потолком, образуя дымовой слой, параметры внутри слоя
отличаются незначительно, по сравнению с различием параметров между верхним
и нижним слоем.
Как и интегральная, зональная модель имеет ряд допущений:
газовая смесь состоит из идеальных газов;
припотолочный слой является плоскопараллельным потолку, равномерно
прогретым и задымленным;
состояние газовой среды помещения и параметры тепломассообмена в
каждый момент времени однозначно определяются средне зонными значениями
параметров состояния газовой среды;
геометрическое положение пожарной нагрузки в помещении не влияет на
параметры тепломассообмена через открытые проемы с окружающей средой и
теплоотвода в ограждающие конструкции.
Преимущества модели состоят в относительно быстром и низко трудоёмком
инженерном расчете динамики опасных факторов пожара, а также в использовании
закономерностей теплового и гидродинамического взаимодействия струйного
течения со строительными конструкциями с условным разбиением на характерные
области (критическая точка, область ускоренного течения, переходная область и
область автомодельного течения).
30
27
Основные недостатки зонной модели:
область корректного применения зонной модели (по объемам и геометрии
помещений, расположению горючего материала и т.д.) является нерешенной
проблемой;
необходимость использования дополнительной экспериментальной
информации или модели более высокого уровня (полевой) для получения
распределения параметров тепломассообмена по объемам зон помещения;
в случае сложной термогазодинамической картины пожара основные
допущения зонной модели (равномерно прогретый припотолочный слой и т.д.) не
соответствуют реальным условиям.
Интегральная и зональная модели в большинстве случаев с достаточной
точностью могут применяться для расчета времени наступления ОФП на путях
эвакуации. Существуют как зарубежные, так и отечественные программные
продукты для таких расчетов. В ряде случаев отечественные программные
продукты основаны на зарубежных разработках. То есть используют
математический аппарат таких программ как CFAST (единая модель развития
пожара и перемещения дыма). Эта программа начала разрабатываться еще с 1990
года в США. Программа распространяется бесплатно и имеет открытый код,
который может быть свободно модифицирован любым пользователем. При
использовании таких программ необходима некоторая адаптация в части величин и
их размерностей.
При создании зонных моделей необходимо делать большое количество
упрощений и допущений, основанных на априорных предположениях о структуре
потока. Такая методика не применима в тех случаях, когда отсутствует полученная
из пожарных экспериментов информация об этой структуре и, следовательно, нет
основы для зонного моделирования. Кроме того, часто требуется более подробная
информация о пожаре, чем осредненные по слою (зоне) значения параметров.
3. Полевые модели развития пожара
Полевые модели, обозначаемые в зарубежной литературе аббревиатурой CFD
(computational fluid dynamics), являются более мощным и универсальным
инструментом, чем зональные; они основываются на совершенно ином принципе.
Вместо одной или нескольких больших зон в полевых моделях выделяется
большое количество (обычно тысячи или десятки тысяч) маленьких контрольных
объемов, никак не связанных с предполагаемой структурой потока. Для каждого из
31
28
этих объемов с помощью численных методов решается система уравнений в
частных производных, выражающих принципы локального сохранения массы,
импульса, энергии и масс компонентов. Таким образом, динамика развития
процессов определяется не априорными предположениями, а исключительно
результатами расчета.
Полевая дифференциальная модель позволяет рассчитать для любого момента
развития пожара значения всех локальных параметров состояния во всех точках
пространства внутри помещения.
Полевая модель пожара впервые в законченном виде (для ограниченных
условий) была реализована в диссертации A.M. Рыжова, выполненной в 1982-1985
гг. под руководством проф. Ю.А. Кошмарова. Эта модель разрабатывалась в
последующие годы И.Ф. Астаховой и рядом иностранных исследователей.
Существенный вклад в развитие метода прогнозирования параметров пожара на
основе полевой модели внес также за последние годы A.M. Рыжов, продолживший
работу, начатую еще в кандидатской диссертации, а также проф. В.Л. Страхов и С.
В. Пузач.
Полевая модель в математическом отношении является наиболее сложной. Ее
основу составляет система уравнений в частных производных, описывающих
пространственно-временное распределение температур и скоростей газовой среды
в помещении, концентраций компонентов этой среды (кислород, оксид и диоксид
углерода и т.д.), давлений и плотностей. Эти уравнения включают реологический
закон Стокса, закон теплопроводности Фурье, закон диффузии, закон
радиационного переноса и т.п. В более общем случае к этой системе уравнений
добавляется дифференциальное уравнение теплопроводности, описывающее
процесс нагревания ограждающих конструкций. Искомыми функциями в этой
модели являются плотность и температура среды, скорость движения газа,
концентрации компонентов газовой среды, оптическая плотность дыма
(натуральный показатель ослабления света в дисперсной среде) и т.д.
Независимыми аргументами являются координаты х,γ,z и время τ.
Полевые модели используют в своей работе различные модели и методы
математического описания протекающих при пожаре процессов:
Моделирование турбулентности;
Модели горения;
Радиационный теплоперенос;
Потоковые методы;
Метод дискретного радиационного переноса.
32
29
При этом используются:
уравнение неразрывности;
три уравнения сохранения импульса вдоль каждой из координат;
уравнение сохранения энергии;
уравнение переноса для массы паров топлива и функции смешения;
уравнение модели турбулентности с поправкой на влияние
естественной конвекции;
уравнения модели горения.
Полевой метод может использоваться:
для проведения научных исследований в целях выявления
закономерностей развития пожара;
проведения сравнительных расчетов в целях апробации и
совершенствования менее универсальных зональных и интегральных моделей,
проверки обоснованности их применения;
выбора рационального варианта противопожарной защиты конкретных
объектов.
В своей основе полевой метод не содержит никаких априорных допущений о
структуре течения, и в связи с этим принципиально применим для рассмотрения
любого сценария развития пожара.
Однако на основе проведенных исследований можно утверждать, что
поскольку априорные допущения зонных моделей могут приводить к
существенным ошибкам при оценке пожарной опасности объекта,
предпочтительно использовать полевой метод моделирования в следующих
случаях:
для помещений сложной геометрической конфигурации, а также
помещений с большим количеством внутренних преград;
помещений, в которых один из геометрических размеров гораздо
больше остальных;
помещений, где существует вероятность образования рециркулярных
течений без формирования верхнего прогретого слоя (что является основным
допущением классических зонных моделей);
в иных случаях, когда зонные и интегральные модели являются
недостаточно информативными для решения поставленной задачи, либо есть
основания считать, что развитие пожара может существенно отличаться от
априорных допущений зональных и интегральных моделей.
33
30
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]