Диссертация (Экспериментально-теоретический подход к расчету времени блокирования путей эвакуации токсичными продуктами горения при пожаре в производственных зданиях гидроэлектростанций), страница 7

Вследствие этого, при определении необходимого времениэвакуации людей из машинного зала значение h находится с учетом наиболееудаленных и высоко расположенных потенциальных мест нахождения людей.Значения А и n определяют:– для горения жидкости с установившейся скоростью:А = ψF F , n = 1,где ψF – удельная массовая скорость выгорания жидкости, кг ⋅ м-2 ⋅ с-1;– для кругового распространения пожара:46A = 1, 05ψ F v 2 , n = 2 ,где v – линейная скорость распространения пламени, м⋅с-1;– для вертикальной или горизонтальной поверхности горения в формепрямоугольника,сувеличивающейсястороной(из-зараспространенияпламени) в двух направлениях:A = ψ F vb, n = 2,где b – размер зоны горения перпендикулярный к направлению движенияпламени, м.В случае если специально не оговорены значения α и Е.

При этомtпр= 20 м, α = 0,3, Е = 50 лк.Для проведения расчетов исходные данные берутся из справочнойлитературы.Изполученныхврезультатерасчетовзначенийкритическойпродолжительности пожара выбирается минимальное:{}(1.5.7)тп.в О 2т.гtкр = min tкр, tкр, tкр , tкр.Необходимоевремяэвакуациилюдей(tнб,мин)рассчитываетсяпо формулеtнб =0,8tкр60(1.5.8).В случае возможного нахождения людей на различных отметкахпо высоте (площадки) необходимое время эвакуации людей определяется длякаждой отметки (площадки) отдельно.Разница геометрического объема и объема оборудования, котороенаходитсявнутрипомещения,определяетсвободныйобъемданногопомещения. При невозможности определения свободного объема принимаетсяравным 80 % геометрического объема.Приведенныевыражения(1.5.1)–(1.5.4)являютсяаналитическимрешением интегральной модели [23, 26]. При этом допущены следующиесущественные упрощения термогазодинамики пожара [26]:47– проемы помещения оказывают работу только на «выброс» наружугазовой смеси;– коэффициент теплопотерь постоянен в течение времени пожара;– удельный выход газов неизменен в течение времени пожара и независит от изменения концентрации кислорода.1.6 Методы расчета динамики распространенияопасных факторов пожараРаспространение ОФП, в частности токсичных газов, может быть вызваномножествомпараметров:естественнойконвекцией,наличиемсистемдымоудаления, приточной вентиляции и пожаротушения.

Кроме того, данныйпроцесс протекает в сложных термогазодинамических условиях с воздействиемразличныхфакторов:сжимаемость,неизотермичность,излучение,турбулентность, химические реакции, продольный и поперечный градиентыдавления, вдув-отсос на стенке, шероховатость стенки, кривизна поверхности,а также переход ламинарного режима течения в турбулентный [26].Математическоемоделированиеконвективноготурбулентноготепломассообмена при пожаре в помещении, которое позволит находить поляконцентраций токсичных продуктов горения, требует подробного выборамодели расчета.В настоящий момент существуют три группы моделей расчетатепломассообмена при пожаре в помещении [23, 26]: интегральные, зонныеи полевые (дифференциальные). Основные различия данных моделей связаныс различными уровнями детализации физико-математической картины пожара.Наиболее простыми в математическом описании являются интегральныематематические модели [23, 26].

Они оперируют среднеобъемными величинамитемпературы, плотности, массовых концентраций кислорода и токсичныхпродуктов горения, давления, оптической плотности дыма.48Интегральныедифференциальныхнестационарныхмоделисостоятуравнений.изсистемыОсновныедифференциальныхобыкновенныхуравненияуравнений,состоятоснованныхизнафундаментальных законах сохранения массы и энергии для газовой средыв помещении.Несмотря на относительную простоту интегральных моделей, ониобладаютинедостатками,существенноуменьшающимиихобластьиспользования [26]:– отсутствует учет локальности элементов и параметров задачи;– для определения локальных значений по длине и высоте помещениявеличин ОФП необходимы дополнительные соотношения, которые могут бытьполучены экспериментально или расчетным путем с использованием болеесложных моделей (зонной или полевой).Использование зонных моделей [23] предусматривает разбиваниепомещениянаотдельныезоны.Вцеляхвычисленияхарактеристиктепломассообмена в каждой из этих зон применяются, также как и прииспользовании интегральных моделей, уравнения законов сохранения массыи энергии.Число зон и их геометрические размеры выбираются, как правило,из условия, чтобы обеспечивалась однородность температурных и других полейпараметров газовой среды в помещении, а расхождения в рамках каждойиз выбранных зон были как можно минимальными [26].Основные недостатки зонных математических моделей [26]:– зонные модели более трудоемки, в математическом плане, чеминтегральные, так как требуют решения большего количества обыкновенныхдифференциальных уравнений;–привыделениивотдельнуюзонуконвективнойколонки,расположенной над очагом горения, требуется дополнительная информация исоответствующие допущения, так как она не является свободной струей,которая распространяется в неограниченной и неподвижной газовой среде;49– для каждой из зон, для задания распределения параметров газа вдольразличных направлений, требуются дополнительные экспериментальные илитеоретические данные, зависящие от геометрии (объемно-планировочныхрешений) помещения.Полевые(дифференциальные)математическиемоделинаиболееподробным образом описывают процессы тепломассообмена при пожарев помещении [23, 26].Существенным достоинством полевых (дифференциальных) моделейявляется то, что они оперируют такими параметрами, как поля температур,давлений, скоростей, концентраций компонентов газовой среды (кислорода,токсичных газов) и частиц дыма для всего объема помещения.Математическоенаиболеесложное,описаниетаккакполевыхвключает(дифференциальных)всебясистемумоделейтрехмерныхнестационарных дифференциальных уравнений в частных производных,состоящих из уравнений законов сохранения массы, импульса и энергии.Дополнительныесоотношенияиспользуютсядлязамыканиясистемыуравнений.Отметим основные недостатки полевых (дифференциальных) моделей [26]:–достаточнобольшаясложностьрешениязамкнутойсистемыдифференциальных уравнений в частных производных;– достаточно большая сложность в разработке программы для расчетана ЭВМ;– по причине ограниченных мощностных возможностей современныхЭВМ происходит уменьшение числа точек конечно-разностной сетки, чтоприводит к снижению возможности исследований течения в пристеночныхобластях и непосредственно в зоне горения;– трудоемки, требуют производительных ЭВМ и достаточно большогоколичества времени для проведения расчетов.В настоящий момент рассмотренные модели реализуются в программныхкомплексах для ЭВМ – PHOENICS [121], SOFIE [122], FDS [123] и др.501.7 Выводы по первой главеИз анализа литературных источников можно сделать следующиеосновные выводы:1.

При эксплуатации ГЭС проблемы безопасной эвакуации людей изпроизводственных зданий ГЭС при пожаре являются достаточно острыми,поэтому при проектировании или реконструкции необходимо проводить расчетдинамики опасных факторов пожара в вышеуказанных зданиях с цельюсоответствияихобъемно-планировочныхиконструктивныхрешенийтребованиям безопасности и условию возможности безопасной эвакуациилюдей.2.

Выявленные недостатки существующих экспериментальных методовоценки токсичности продуктов горения и теоретических методов расчетавремени блокирования путей эвакуации токсичными продуктами горения припожаре в зданиях и сооружениях свидетельствуют о необходимости ихсовершенствованиядляповышенияточностирасчетовконцентрацийтоксичных газов с учетом масштабного фактора при их образовании ираспространении в производственных зданиях ГЭС.51ГЛАВА 2 МЕТОДЫ РАСЧЕТА КОНЦЕНТРАЦИЙ ТОКСИЧНЫХ ГАЗОВНА ПУТЯХ ЭВАКУАЦИИ ПРИ ПОЖАРЕ В ПРОИЗВОДСТВЕННЫХЗДАНИЯХ ГЭС2.1 Интегральная модель пожара в помещенииИнтегральная математическая модель пожара описывает состояниегазовой среды в помещении при пожаре в каждый момент времени и изменениеее параметров во времени.

При использовании интегральной математическоймодели оперируют интегральными характеристиками термодинамическойсистемы.Термодинамикарассматриваетгазовоюсреду,заполняющуюпомещение с проемами (окна, двери и т. п.) при пожаре, как открытуютермодинамическую систему. Внешней средой по отношению к этойтермодинамической системе являются ограждающие конструкции, такие какпол, потолок, стены и наружный воздух.

Данная система посредством теплои массообмена взаимодействует с внешней средой, а также с ограждающимиконструкциямипутемтеплообмена.Всистемусповерхноститерморазлогающегося материала поступают газообразные продукты горения.Привзаимодействиисокружающейсредойсостояниеданнойтермодинамической системы может изменяется. Для описания процессаразвитияпожараиспользуютуравненияпожара(обыкновенныедифференциальные уравнения), описывающие в самом общем виде изменениесреднеобъемных параметров состояния газовой среды в помещении в течениевремени. Эти уравнения были сформулированы в 1976 году профессоромЮ.А.Кошмаровым.Данныедифференциальныеуравненияоснованына фундаментальных законах природы (первого закона термодинамики дляоткрытой термодинамической системы и закона сохранения массы).Длярешенияпоставленныхзадачвработеиспользуетсямодифицированная интегральная модель [26], учитывающая более полнонеоднородность температурного поля по высоте помещения, отличающейсяот модели, представленной в учебном пособии [23] и реализуемой52сиспользованиемрешениядвухмерныхнестационарныхуравненийтеплопроводности.Уравнения законов сохранения массы и энергии для газовой средыв помещении, а также законов сохранения массы кислорода и i-го токсичногогаза имеют, соответственно, вид [27]:Vdρсрdτ= Ψ г − Gср ,(2.1.1)d  pсрV = Ψг ηQнр + cp.вTвGв − cp.срTср.прGср − Qs − Qпр ,dτ  kср − 1Vd ( X O2 срρср )dτV= − ηLO2 Ψ г + X O2 вGв − X O2 ср.прGср ,d ( X iсрρ ср )dτ(2.1.2)(2.1.3)= ηLi Ψ г − X iср.прGср ,(2.1.4)где V – объем помещения, τ – время, с; м3; Ψг – скорость газификации горючегоматериала, кг/с; Gв, Gср – массовые расходы поступающего воздухаи вытекающих наружу газов при естественном газообмене, кг/с; ρср –среднеобъемнаяплотностьгазовойсредыпомещения,кг/м3;pср–среднеобъемное давление, Па; kср – среднеобъемный показатель адиабатыгазовой среды помещения; Qнр – низшая рабочая теплота сгорания горючегоматериала, Дж/кг; Qs – суммарный тепловой поток, отводимый в ограждающиеконструкции, Вт; Qпр – тепловой поток, излучаемый через проемы, Вт;η – полнота сгорания; Tв – температура наружного воздуха, К; Tср.пр = aТ Tср –средняя температура газов, выходящих через проемы, К; aТ – коэффициент,учитывающийотличиесреднемассовойтемпературывыходящихгазовот среднеобъемной температуры газовой среды помещения; cp.в, cp.ср – удельныеизобарные теплоемкости воздуха и газовой среды, Дж/(кг∙К); Xiср –среднеобъемная массовая концентрация i-го токсичного газа в помещении;Xiср.пр – среднеобъемная массовая концентрация i-го токсичного газа в газах,выходящих через проемы; Li – удельный массовый коэффициент образования53i-го токсичного газа, кг/кг; X O ср – среднеобъемная массовая концентрация2кислорода в помещении; X O в – массовая концентрация кислорода в наружном2воздухе; X Oвыходящих2 ср.пр= аO X O ср – средняя массовая концентрация кислорода в газах,2черезсреднемассовой2проемы;аO2концентрации–коэффициент,кислородавучитывающийвыходящихгазахотличиеотегосреднеобъемной концентрации в газовой среде помещения; LO – потребление2кислорода, кг/кг.Скорость тепловыделения находится по формуле [23]:Qпож = ηψуд Qнр Fг,(2.1.5)где Qпож – скорость тепловыделения, Вт; Fг − площадь открытой поверхностигорючего материала, м2; ψуд – удельная скорость выгорания, кг/(м²·с).Полнота сгорания зависит от массовой концентрации кислорода [23]и определяется в первом приближении по формуле [26]()η = ηo 2 X − X 2 ,(2.1.6)где ηо – полнота сгорания на открытом воздухе; X – относительная массоваяконцентрация, X = ( X O2 m − X O2 min ) ( X O2 a − X O2 min ) ; X O2 min = 0,14 – массоваяконцентрация кислорода после прекращения горения.При высоте нейтральной плоскости zн < z* < zв (смешанный режимгазообмена), формула для массового расхода газов, выходящих через проемнаружу, имеет вид [28]:(Gср = 2 / 3 2 gρ ср (ρ в − ρ ср )ξbпр zв − z *)1,5.(2.1.7)где g – ускорение свободного падения, м/с²; ξ – коэффициент гидравлическогосопротивления проема; z – координата по высоте, отсчитываемая от уровняпола, м; zн, zв – координаты нижнего и верхнего краев открытого проема, м; z* –высота нейтральной плоскости, м; bпр – ширина проема, м.При других режимах газообмена на открытых проемах используютсяаналогичные формулы, приведенные в учебном пособии [23].54Условия однозначности рассматриваемой задачи можно разделитьнагеометрические,физические,граничныеусловия(таблицы2.1–2.4)и начальные [104].Таблица 2.1 – Геометрические условия№1.Параметры помещенияГеометрические параметрыРазмеры помещения (по внутреннимповерхностям ограждающих строительных Длина, ширина и высотаконструкций)2.Размеры открытых и вскрывающихся (под Высоты от уровня пола до нижнего zндействиемповышеннойтемпературы) и верхнего zв краев проема; ширинапроемовпроема bпр3.Размеры открытой поверхности горючего Площадь Fг (или длина lг и ширина bгматериалапри прямоугольной форме и т.