3. При определении скорости выгорания гм материала следует иметь ввиду два обстоятельства геометрического происхождения.

Первое обстоятельство возникает когда в месте начала горения весь ГМ прогорает. Это происходит в момент времени:

(15)

- плотность горючего материала, ; - толщина ГМ, м; - скорость выгорания, .

После того как произошло прогорание материала, из места образования прогара распространяется эта зона, что уменьшает площадь горения, и её можно определить по формуле:

(16)

В случае когда горючий материал расположен на прямоугольной площадке, а горение начинается в центре этой площадки, то формула (16), в том числе и при , применима до момента времени:

(17)

Массовая скорость выгорания зависит не только от свойств горючего материала. Скорость выгорания вещества в помещении может отличаться от его скорости выгорания и тепловыделения на открытом пространстве. Возможны два предельных режима горения материала в помещении. Первый режим выгорания горючих материалов характеризуется наличием достаточного количества кислорода (воздуха). Режим пожара в этом случае называют пожаром, регулируемым нагрузкой (ПРН). Второй предельно возможный режим выгорания горючего материала характеризуется тем, что кислорода в помещении мало, и скорость тепловыделения лимитируется поступающим количеством воздуха в зону горения. Режим пожара в этом случае называют пожаром, регулируемым вентиляцией (ПРВ). В реальных условиях в процессе развития пожара один режим выгорания может сменяться на другой, то есть вслед за ПРН наступает ПРВ и наоборот. Между предельными режимами существуют промежуточные режимы.

В случае, когда кислорода не хватает, а точнее когда горение лимитируется нагрузкой, скорость выгорания определяется выражением:

(18)

В другом крайнем случае, когда весь кислород (с воздухом), поступающий извне, участвует в горении, скорость выгорания определяется выражением:

(19)

где - расход воздуха, поступающего в помещение через проемы, кг/с;

- концентрация кислорода в поступающем воздухе, кг/кг;

- стехиометрический коэффициент, то есть количество кислорода, необходимое для сгорания одного кг ГМ.

Формула (19) не учитывает возможность догорания некоторого количества продуктов пиролиза за пределами помещения.

Для определения скорости выгорания при промежуточных режимах используется «сконструированная» формула.

(20)

где К- функция, зависящая от среднеобъемной концентрации кислорода в помещении. На рис.2 представлено графическое изображение этой функции.

Рис.2 Функция режима пожара:

- начало перехода от ПРН к режиму ПРВ;

- конец этого перехода;

- концентрация кислорода во внешней атмосфере.

В качестве интерполяционной зависимости, описывающей функцию К, можно использовать выражения:

(21)

(22)

Коэффициент , учитывающий полноту сгорания, обладает свойством и также зависит от режима пожара: при ПРН он больше, при ПРВ-меньше, и определяется экспериментально также как и величины и . Формулы (21)-(22) могут применяться на стадиях пожара, следующих за начальной, и в зонной модели после первой фазы.

Лекция №5.

1. Зонная модель пожара в помещении. Постановка задачи для зонной модели.

2. Вывод уравнения движения припотолочной зоны.

3. Определение параметров состояния и ОФП в припотолочной зоне.

1. Зонные математические модели в основном используются для исследования динамики опасных факторов пожара в начальной стадии пожара. На этой стадии распределение параметров состояния газовой среды по объему помещения характеризуется большой неоднородностью (неравномерностью). В этот период времени пространство внутри помещения можно условно поделить на ряд характерных зон с существенно различающимися температурами и составами газовых сред. Границы этих зон по мере развития пожара не остаются неподвижными. В течение времени геометрическая конфигурация зон меняется и сглаживается контрастное различие параметров состояния газа в этих зонах. В принципе, пространство внутри помещения можно разбить на любое число зон. Мы рассмотрим простейшую модель, которая применима, когда размер очага горения значительно меньше размеров помещения, то есть при локализованном на ограниченной площади горючем материале или для начальной стадии развития пожара.

Процесс развития пожара можно представить следующим образом. После воспламенения горючего материала, образующиеся газообразные продукты устремляются вверх, формируя над очагом горения конвективную колонку (струю). Достигнув потолка помещения, эта струя растекается, образуя припотолочный слой задымленного газа. Со временем толщина этого слоя увеличивается. В соответствии со сказанным, в объеме помещения можно выделить три характерные зоны: конвективную колонку над очагом пожара (Рис.1), припотолочный слой нагретого газа и воздушную зону с неизменными параметрами состояния, равными своим начальным значениям. Таким образом получается трехзонная модель пожара.

I- зона конвективной струи (конвективная колонка).

II- зона припотолочного нагретого газа.

III- зона холодного воздуха.

IV- зона наружного воздуха (атмосфера).

Рис.1 Схема трехзонной модели пожара.

На схеме использованы обозначения:

- координата нижней границы припотолочной зоны (она уменьшается), отсчитываемая от поверхности горения; - высота проема, через который вытесняется наружу газ (чаще всего это дверной проем); - эквивалентный диаметр очага горения; - высота помещения; - поток газа, поступающего из конвективной колонки в припотолочную зону, ; - поток воздуха, поступающего в колонку из зоны III, ; - поток вытесняемого газа из помещения, ; - скорость выгорания, ; - расстояние от пола до поверхности горения, м.

Рассмотрим сначала первую фазу развития пожара. Под первой фазой подразумевается отрезок времени, в течение которого нагретые газы только накапливаются в припотолочной зоне, а вытесняется лишь холодный воздух, в момент времени, когда координата нижней границы припотолочной зоны сравняется с первая фаза заканчивается.

Прежде всего рассмотрим зону. Теория свободной конвективной струи к настоящему времени детально разработана. Воспользуемся результатами этой теории:

(1)

где ; - скорость тепловыделения, Вт; - теплота сгорания, ; - удельная скорость выгорания, ; - площадь горения, м²;

- температура окружающего воздуха; Т- средняя температура по сечению колонки на высоте y; - изобарная теплоемкость газа, ; – доля тепловой энергии, поступающей в ограждающие конструкции, от выделившейся в очаге горения; - расход газов через сечение струи, отстоящее от поверхности горения на расстояние y, . Этот расход выражается через параметры пожара:

(2)

y- координата сечения колонки, отсчитываемая от поверхности горения, м; g- ускорение свободного падения, ; - плотность окружающего воздуха из зоны III; - расстояние от фиктивного источника тепла до поверхности горения, м:

(3)

С помощью формул (1-3) можно рассчитать расход газа из I зоны, поступающего во II зону, и его температуру. Для этого следует координату в формулах (1-2) положить равной координате нижней границы припотолочной зоны , где соответственно , а .