Диссертация (Экспериментально-теоретический подход к расчету времени блокирования путей эвакуации токсичными продуктами горения при пожаре в производственных зданиях гидроэлектростанций), страница 8

п.)4.Толщиныограждающихконструкцийстроительных В том числе каждого слоя примногослойных конструкцияхТаблица 2.2 – Физические условия№Параметры и свойства1.Теплофизические свойства газовой среды впомещении, воздуха и огнетушащеговещества2.Теплофизические свойства материаловограждающих конструкций (для каждогослоя при многослойных конструкциях)Коэффициентыи постоянные величиныУдельныемассовыеизобарныетеплоемкости cp.ср, cp.в, cp.ов, газовыепостоянные Rср, RвПлотности,теплоемкостиикоэффициентытеплопроводности(средние или в зависимости оттемпературы) ρw, cw, λw, ρc, cc, λc, ρf, cfи λfУдельнаямассоваяскоростьгазификации Ψуд, низшая рабочаятеплота сгорания Qнр , удельный выход3.Параметры горючего материала4.Разрушение(потерястеклянных проемов подповышенной температурыпродуктов горения Li, удельноепотребление кислорода LO2 , линейнаяскорость распространения пламени wгв случае твердого горючего материалаили время стабилизации горения τстдля горючей жидкости, удельноедымовыделение Ds.целостности)воздействием Задается температурой вскрытия Tвп55Таблица 2.3 – Граничные условия (на границах открытой термодинамическойсистемы, совпадающих с внутренними поверхностями ограждающих конструкцийи открытой поверхностью горючего материала)№1.Размерность физическойвеличиныОпределяемые физической величиныМассовая скорость газификации горючего веществакг с-1Ψг2.Величина суммарного теплового потока Qs,отводимого в ограждающие конструкции от газовойсредыВт3.Температура наружного воздуха TвК4.Массовый расход подачи огнетушащего веществаGов5.Температура Тов огнетушащего веществакг/сКТаблица 2.4 – Граничные условия (на границах открытой термодинамическойсистемы, совпадающих с внутренними поверхностями открытых проемов)№Определяемые (задаваемые) физической величиныРазмерность физическойвеличины1.Величины массовых расходов вытекающей наружугазовой смеси Gср и притока наружного воздуха Gвкг/с2.Величина теплового потока Qпр, излучаемого черезпроемы наружуВт3.Температура наружного воздуха TвКДля системы уравнений (2.1.1)–(2.1.4) начальные условия (при τ = 0):Tср0 = T0; pср = p0; X O ср = X O в = 0,23; X N ср = X N в = 0,77;2222Xiср = 0; М = М0,где T0, p0 – значения температуры и давления в помещении в начальный моментвремени (перед пожаром), К, Па; М0 – начальная масса горючего материала, кг;X O2 ср , X N2ср , Xiср – соответственно, среднеобъемные массовые концентрациикислорода, азота, i-го токсичного газа в помещении; X O ср , X N ср – массовые22концентрации кислорода и азота в атмосферном воздухе.Для решения замкнутой системы уравнений интегральной модели методчисленного решения рассмотрен в [26].562.2 Интегральная модель развития пожарав условно герметичном помещенииВ настоящее время математические модели расчета динамики ОФП(в том числе и концентраций токсичных продуктов горения) в помещениидостаточно развиты для решения практических задач пожарной безопасности,в частности, расчета пожарных рисков (работы [10, 11]).В данной исследовательской работе была поставлена задача на созданнойопытной маломасштабной установке провести эксперименты и их анализпо определению изменения величин удельных коэффициентов выделения СОот времени с начала горения и зависимостей средних величин этихкоэффициентов от периода осреднения по времени.Рассмотрим математические модели расчета плотности токсичного газаи кислорода.

Схема тепломассообмена в замкнутом объеме представленана рисунке 2.1 [104].12Ψ3Рисунок 2.1 – Схема тепломассообмена в маломасштабной камере в замкнутом объеме [104]:1 – стенки камеры (помещения); 2 – смесь продуктов горения и воздуха;3 – горючий материалЗаконы сохранения массы и энергии газовой среды, а также массытоксичного газа и кислорода внутри герметичного объема рассчитываютсяпо формулам [23]:57Vρ ср cvVdρсрdTсрdτdρO2ср(2.2.2)= ηΨг L ,(2.2.3)= − ηΨг LO2 ,(2.2.4)dτdτ(2.2.1)= ηΨ г Qнр (1 − φ) ,dρг.срVV= Ψг ,dτгде Tср – среднеобъемная температура газовой среды, К; V – объем помещения, м3;τ – время, с; сv – удельная изохорная теплоемкость газа, Дж/(кг⋅К);ρср – среднеобъемная плотность газовой среды, кг/м3; ρг.ср – среднеобъемнаяплотность токсичного газа, кг/м3; ρO .ср – среднеобъемная плотность кислорода, кг/м3;2Ψг – скорость газификации горючего материала, кг/с; LO2– удельныйкоэффициент потребления кислорода; Qнр – низшая рабочая теплота сгораниягорючего материала, Дж/кг; η – полнота сгорания; ϕ − коэффициенттеплопотерь,равныйдолетеплоты,выделившейсявочагегоренияи поступающей в ограждающие конструкции помещения из всего объемапомещения.Удельную изохорную теплоемкость принимаем одинаковой для газовойсмеси и воздуха [23, 26]: сv = 714 Дж/(кг⋅К).Среднеобъемная плотность токсичного газа через промежуток времени τот начала горения, полученная после интегрирования уравнения (2.2.3),составляет:τηLρг.ср = ρг.в + ∫ Ψd τ ,V 0(2.2.5)где ρг.в – среднеобъемная плотность токсичного газа в чистом воздухе, кг/м3.Токсичный газ в воздухе перед пожаром отсутствует: ρг.в = 0 .582.3 Зонная модель пожара в помещении2.3.1 Особенности и упрощения термогазодинамическойкартины пожараЗонные математические модели расчета динамики ОФП [23, 25, 26]основаныназаконахсохранениямассы,импульсаиэнергии,т.

е. на фундаментальных законах природы, и используются для исследованиядинамики распространения ОФП на начальной стадии пожара. Начальнаястадияпожарахарактеризуетсядостаточнобольшойнеоднородностьюраспределения параметров состояния газовой среды по объему помещения.При использовании зонной математической модели пространство внутрипомещения (газовый объем) разбивается на характерные зоны с существенноотличающимися температурами и составами газовых сред.

Границы зонпо мере развития пожара также изменяются. Геометрические размерыи количество зон выбираются исходя из принципа однородности параметровгазовой среды в рамках границ каждой из выбранных зон, а также какими-либодругими предположениями (задачами исследований, расположением горючегоматериала) [23].Газоваясредапомещениярассматриваетсякакоткрытаятермодинамической система. Через открытые проемы и ограждающиеконструкции она осуществляет обмен массой и энергией с внешней средой.Данная среда, состоящая из смеси газов, таких как кислород, азот,продуктов горения и газификации горючих материалов, содержит в себеи мелкодисперсные дымовые частицы как твердые, так и жидкие.Наиболее часто используемым является деление объема помещенияна три характерные зоны: конвективную колонку над очагом пожара (зона 1),припотолочный слой нагретой газовой смеси (зона 2) и воздушную зонус неизменными параметрами (начальным значениям) – зона холодного воздуха(зона 3) [23].59Данная математическая модель, основанная на разбиении пространствана характерные области, получила название трехзонной модели.Схема тепломассообмена в помещении для данной модели приведенана рисунке 2.2.

Тепловые потоки и течения смеси газов показаны стрелками.Обозначения на данной схеме (рисунок 2.2):− Gв − массовый расход поступающего воздуха (поступающий в колонкуиз зоны 3), кг/с;− Gср − массовый расход вытекающих наружу газов при естественномгазообмене через открытые проемы (поток вытесняемого газа из помещения), кг/с;− Ψг − массовая скорость газификации горючего материала, кг/с;− Qпр – тепловой поток, излучаемый через открытые проемы наружу, Вт;− Qw1, Qw2, Qc Qf – суммарные тепловые потоки (конвекция и излучение),поступающие в ограждающие конструкции (стены (выше и ниже нижнейграницы припотолочного слоя), потолок и пол), Вт.Необходимо сделать допущение, что зоны припотолочного слояи холодного воздуха разделяет граница бесконечно малой толщины.

Переходизоднойзонывдругуювызоветскачкообразноеизменениетермогазодинамических параметров.Кроме того, следует помнить, что полученная смесь газов являетсясмесью идеальных газов, т. к. свойства реальных газов (О2, N, СО, СО2 и др.)близки к идеальным.В силу того, что разница между термодинамическими свойствамипродуктов горения и воздуха в диапазоне температур, наблюдаемом припожаре, пренебрежимо мала, параметры: газовая постоянная, удельнаяизобарная теплоемкость и показатель адиабаты принимаются равнымисоответствующим численным значениям для сухого воздуха.Наличием дыма при расчете термогазодинамических параметров газовойсмеси можно пренебречь, так как доля тепловой энергии и доля массы,приходящейся на частицы дыма, в сравнении со значениями для газовой фазы60пренебрежимо мала.

Влияние образующихся мелкодисперсных частиц дымаи частиц огнетушащего вещества на оптические свойства среды в помещенииможно учесть, используя следующий параметр – оптическую плотность дыма [23].2QcQw2Gср1Qпр3Qw1GвGΨг745Qf2γ6Рисунок 2.2– Схема расчета тепломассообмена в помещении [104]:1 – стены; 2 – перекрытие; 3 – нейтральная плоскость (нижняя граница припотолочногослоя); 4 – открытый проем; 5 – высота пламенной зоны; 6 – точечный «фиктивный» источниктеплоты; 7 – горючий материал; I – зона конвективной колонки; II – зона нагретогозадымленного припотолочного слоя; III – зона холодного воздухаПри исследовании допускается, что геометрическое расположениепожарной нагрузки в помещении не оказывает влияния на теплоотводв ограждающие конструкции и характеристики теплообмена через открытыепроемы с окружающей средой.Зонная модель включает в себя [23]:1.Основные уравнения для зоны конвективной колонки.2.Основные уравнения для зоны припотолочного слоя.613.Дополнительные соотношения зонной модели:– модель прогрева ограждающих строительных конструкций;– модель горения;– модель газификации горючего материала;– модель тепломассообмена через открытые проемы.2.3.2 Зона конвективной колонкиВ объеме конвективной колонки определяются распределенные по высотеколонки осредненные по поперечному сечению колонки такие параметры, как:массовый расход смеси продуктов терморазложения и газификации горючеговещества и воздуха в помещении, температуры газовой смеси включаядымовые частицы, эффективная степень черноты газовой смеси и дымовыхчастиц.Делаются следующие предположения [26]:– горящий образец материала образует над своей поверхностьюконвективную колонку конической формы (угол полураскрытия γ переменный);– термогазодинамические параметры газовой смеси средние вдольпоперечного сечения колонки меняются во времени лишь по высоте колонки.Рассматриваются два подхода, определяющие, как распределяютсяпо высоте термогазодинамические параметры газовой смеси: среднихтемператур газовой смеси и массовых расходов в поперечных сеченияхконвективной колонки.В первом подходе точечный источник выделения тепла располагаетсянижеповерхностигорючеговещества,такимобразомиспользуетсяполуэмпирический метод расчета [23, 31], не учитывающий реальногоместоположения источника выделения тепла, а поверхность горючего веществарассматривается как условно проницаемая.Массовый расход и средняя температура в сечении конвективнойколонки при использовании полуэмпирического метода расчета определяется[23, 31]:62135 gρ Qпож (1 − χ ) 3G = 0, 21 zz+ (o) ,cTp o2оT = Tо +Qпож (1 − χ)c pG ,(2.3.2.1)(2.3.2.2)где T – средняя температура в сечении конвективной колонки, К;То – температура воздуха в помещении, К; G – расход газов через сечениеструи, отстоящее по высоте от поверхности горючего материала на расстояниеz, кг/с; ρо – плотность холодного воздуха в помещении, кг/м3; ср – изобарнаятеплоемкость газа, Дж/(кг К); χ = QwI / Qпож – доля, приходящаяся напоступающую в ограждение теплоту от выделившейся в очаге горения; z –координата поперечного сечения колонки, отсчитываемая от открытойповерхности горючего материала, м; z о = 1,5 Fг – расстояние от фиктивногоисточника тепла до поверхности горючего материала, м; g – ускорениесвободного падения, м/с2; Qпож = ηψуд Qнр Fг – мощность тепловыделения, Вт;η − полнота сгорания; ψуд – удельная скорость выгорания, кг/(м²·с);Fг − площадь открытой поверхности горючего материала, м2.Второйподходпредусматривает,чтораспределенныйисточниквыделения тепла располагается выше поверхности горючего материала,т.е.