Диссертация (Экспериментально-теоретический подход к расчету времени блокирования путей эвакуации токсичными продуктами горения при пожаре в производственных зданиях гидроэлектростанций), страница 9

используются эмпирический [12] и полуэмпирический методы [56, 103].Массовый расход в сечении конвективной колонки при использованииэмпирического метода [12]: Qпож (1 − χ) при z > zпл : G = 0, 0711000 1/3 Qпож (1 − χ) при z ≤ zпл : G = 0, 032  1000 3/5 Qпож (1 − χ) где zпл = 0,166  1000 z 5/3 + 1,8 ⋅10−6 Qпож (1 − χ) ,(2.3.2.3)z ,(2.3.2.4)2/5– высота пламенной зоны, м.63Используя полуэмпирический метод [56, 103] для данного подхода,массовый расход находят из решения дифференциального уравнения:Bz (r + ztgγ )4dG2Gtgγ B 2 ztgγ =+− 1 −,dz T0 AG (GT0 + Bz ) r + ztgγ T0  r + ztgγ гдеA=T0 R 2gp 02 π 2– размерный параметр, с2⋅м5/(кг2⋅К); B =(2.3.2.5)Qпож (1 − χ)–z f cpразмерный параметр, кг⋅К/(м⋅с); r – радиус поверхности горючего материала, м;R – газовая постоянная воздуха, Дж/кг·К; γ – угол полураскрытия конвективнойколонки, рад.В сечении конвективной колонки средняя температура определяется также, как и в первом подходе при использовании полуэмпирического метода прирасчете по формуле (2.3.2.2).2.3.3 Зона нагретого задымленного припотолочного слояРассмотримзонузадымленногонагретогоприпотолочногослояи упрощения реальной термогазодинамической картины пожара вводимые прирасчете параметров припотолочного слоя.

Во-первых, в каждый моментрассматриваемого времени припотолочный слой является плоскопараллельнымперекрытию и, во-вторых, тепло- и массообмен между зоной холодного воздуха(помещения) и припотолочным слоем отсутствует.Используя закон сохранения энергии для припотолочного слоя, составимобыкновенное дифференциальное уравнение, решая которое определяетсявысота нижней границы припотолочного слоя [103]:dz kGQ (1 − ϕ) T2 Gm= − k − пож+,dτρ o Fп c p ρ oTo Fп ρ oTo Fп(2.3.3.1)где zk – высота до нижней границы припотолочного слоя от открытойповерхности горючего вещества, м; Fп – площадь потолка в помещении, м2;64Gk – массовый расход газовой смеси, поступающей из конвективной колонки вприпотолочную зону, кг/с; T2 − среднеобъемная температура в припотолочномслое, К; ρ2 − среднеобъемная плотность в припотолочном слое, кг/м3;ϕ=Qw1 + Qw 2 + Qc + Q fQпож− коэффициент теплопотерь.Решения дифференциального уравнения закона сохранения массыприпотолочного слоя и уравнения состояния идеального газа позволяютопределить среднеобъемную температуру и плотность в припотолочном слое:dρ 2= Gk − Gm ,dτ(2.3.3.2)p 2 ≈ po = ρ 2 RT2 ,(2.3.3.3)V2где р2 – давление в зоне нагретого задымленного припотолочного слоя, Па; ро –давление наружного воздуха при z = 0, Па; R – газовая постоянная газовойсмеси, Дж/(кг⋅К); V 2 = Fп (H − z k − δ ) – объем припотолочного слоя, м3; Н −высота помещения, м; δ − толщина горючего вещества, м.Закон сохранения массы i-го токсичного газа в зоне припотолочного слояописывается уравнением следующего вида:d (ρiV2 )= Ψ г Li ,dτ(2.3.3.4)где ρi – парциальная плотность i-го токсичного газа, кг/м3; Ψг − массоваяскорость газификации горючего материала, кг/с; Li – удельный массовыйкоэффициент образования i-го токсичного газа, кг/кг.Рассмотрим частный случай при Li = const.

Интегрируя уравнение(2.3.3.4), получаем формулу для определения парциальной плотности i-готоксичного газа в припотолочном слое в момент времени τ от начала пожара:ττLLM1ρi = ∫ Ψ г Li dτ = i ∫ Ψ г dτ = i τ ,V2 0V2 0V2(2.3.3.5)где Mτ – масса горючего материала, выгоревшего к моменту времени τ.65В зависимости от типа пожарной нагрузки и условий распространенияпламени по ее поверхности (или времени стабилизации ее горения) массагорючего материала, выгоревшего к моменту времени τ, определяетсяпо формулам, рассмотренным в пособии [23].2.3.4 Условия однозначности и метод численного решенияПрииспользованиизоннойматематическоймоделизадаютсягеометрические, физические, граничные и начальные условия, аналогичныерассмотреннымприописанииинтегральнойматематическоймоделив главе 2 (п.

2.1). Условия однозначности представлены на рисунке 2.3.Условия однозначности задачиГеометрическиеФизическиеНачальные условияГраничные условияРисунок 2.3 – Условия однозначностиПриприменениизоннойматематическоймоделизадаютсягеометрические условия (подробно см. п.

2.1) [23]:– размеры помещения (длина, ширина и высота);– размеры открытых и вскрывающихся проемов;– размеры открытой поверхности горючего материала;– толщины ограждающих строительных конструкций.К физическим условиям задачи относятся (подробно см. п. 2.1) [23]:66–теплофизическиесвойства газовой среды помещения, воздухаи огнетушащего вещества;– теплофизические свойства материалов ограждающих конструкций(для каждого слоя при многослойных конструкциях);– параметры горючего материала;–температурывскрытияTв.празрушающихсяподвоздействиемповышенной температуры проемов.Длязаданияграничныхусловийдляграницоткрытойтермодинамической системы, при совпадении с внутренними поверхностямиограждающих конструкций и открытой поверхностью горючего вещества,определяются следующим образом [23]:– находится величина массовой скорости газификации горючеговещества Ψг;– задается температура наружного воздуха Tв.Длязаданиятермодинамическойграничныхсистемы,условийпринасовпаденииповерхностяхграницсоткрытойвнутреннимиповерхностями открытых проемов, определяются [23]:– величины массовых расходов вытекающей наружу газовой смеси Gсри притока наружного воздуха Gв;– величина теплового потока Qпр, излучаемого через проемы наружу;– температура наружного воздуха Tв.Начальные условия (при τ = 0) имеют вид [23]:– к дифференциальному уравнению (2.3.3.1): zk = Н – δ; Т2 = То;– к дифференциальному уравнению (2.3.3.2): ρ2 = ρо;– к дифференциальному уравнению (2.3.3.4): ρi = 0.Уравнения (2.3.3.1), (2.3.3.2) и (2.3.3.4) решаются численным методомРунге – Кутта 4-го порядка точности.67При использовании зонной модели определяются следующие параметрытепломассообмена в зависимости от времени [23]:–среднеобъемныезначениядавления,температуры,массовыхконцентраций продуктов горения, кислорода, азота и огнетушащего газа,а также оптической плотности дыма и дальности видимости в припотолочномслое помещения;– нижнюю границу нагретого задымленного припотолочного слоя;– массового расхода, средней температуры по поперечному сечениюколонки и эффективной степени черноты всей газовой смеси;– массового расхода истечения газов наружу через проемы в конструкцииздания;– тепловые потоки, отводящиеся в потолок, пол, стены и излучаемыечерез проемы в конструкциях здания.2.4 Возможность применения результатов маломасштабныхэкспериментов к полномасштабному помещениюНайденные экспериментально показатели токсичности продуктов горенияи величины удельных коэффициентов выделения токсичных газов при пожарезначительно отличающиеся друг от друга в различных базах данных (например,в работах [23, 24]), определяющиеся величинами плотностей токсичных газови кислорода, а также температуры, получены, как правило, из результатовмаломасштабныхполномасштабныхэкспериментов[13,18],термогазодинамическихкоторыеусловийневоспроизводятпротеканияпожарав реальных помещениях.

Поэтому определение данных параметров необходимопроводить в таких термогазодинамических условиях, чтобы величины опасныхфакторов пожара, такие как повышенная концентрация токсичных газов,пониженная концентрация кислорода и повышенная температура, были68идентичнывсмесяммаломасштабнойпродуктовгоренияэкспериментальнойивоздуха,установкеиполученныхполномасштабномпомещении.В силу того, что невозможно полностью выполнить положения теорииподобия при переходе от маломасштабной установки (модели) к натурномупомещению [26] необходимо установить связь между плотностями токсичныхгазов, выделяемых при горении веществ и материалов, и удельнымикоэффициентамиихобразования,атакжесплотностьюкислородаи температурой при сгорании одного и того же горючего материала в разныхтермогазодинамическихусловияхвпомещенияхссущественноотличающимися размерами.Количественные характеристики выделяющихся при горении токсичныхпродуктов горения определяются химическим составом и концентрациейгазообразных продуктов газификации твердых и жидких горючих веществи материалов, а также термогазодинамическими условиями пожара [24, 68].В настоящий момент данная проблема не решена ни теоретически,ни экспериментально из-за достаточно сложного химического составасовременных строительных и отделочных веществ и материалов, а такжесложностиописанияпроцессафизико-химическихреакций,горенияи газификации.

Отсутствуют научно-обоснованные методики определенияудельных коэффициентов выделения токсичных газов с учетом конкретныхтермогазодинамических условий пожара, таких как температура, концентрациякислорода и т. д.В настоящей исследовательской работе поставлена задача теоретическогои экспериментального исследования величин концентраций (парциальныхплотностей) токсичных газов (на примере монооксида углерода) и температурыв смесях продуктов горения и воздуха, образующихся в маломасштабнойэкспериментальной установке, а также рассмотрения возможности переноса69экспериментально полученных результатов на реальное полномасштабноепомещение.Для решения данной задачи проанализируем термогазодинамическиеусловия пожара при его свободном развитии в герметичном маломасштабномобъеме.

Схема пожара в герметичном маломасштабном объеме, используемаядля определения показателя токсичности продуктов горения при стандартныхиспытаниях [7, 13, 18] рассмотрена и показана в п.2.2 на рисунке 2.1.Рассмотрим математическую модель определения плотности токсичногогаза для условно герметичного маломасштабного объема.Законы сохранения массы и энергии газовой среды, а также массытоксичного газа и кислорода внутри герметичного объема имеют вид [23]:Vρ ср cvVdρсрdτdTсрdτVV= Ψг ,(2.4.1)= ηΨ г Qнр (1 − φ) ,dρг.срdτdρO2срdτ(2.4.2)= ηΨ г L ,(2.4.3)= − ηΨг LO2 ,(2.4.4)где 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,2кг/м3; Ψг – скорость газификации горючего материала, кг/с; LO – удельный2коэффициент потребления кислорода; Qнр – низшая рабочая теплота сгораниягорючего материала, Дж/кг; η – полнота сгорания; ϕ − коэффициенттеплопотерь,равныйдолетеплоты,выделившейсявочагегорения70и поступающей в ограждающие конструкции помещения из всего объемапомещения.Удельную изохорную теплоемкость принимаем одинаковой для газовойсмеси и воздуха [24, 26]: сv = 714 Дж/(кг⋅К).Среднеобъемная плотность токсичного газа через промежуток времени τот начала горения, полученная после интегрирования уравнения (2.4.3),составляет:τηLρг.ср = ρг.в + ∫ Ψdτ ,V 0(2.4.5)где ρг.в – среднеобъемная плотность токсичного газа в воздухе, кг/м3.Токсичный газ в воздухе перед пожаром отсутствует: ρг.в = 0 .Коэффициент пропорциональности между плотностью токсичного газаи отношением L/ Qнр равен (в выражении (2.4.5) правую часть делим и умножаемна Qнр ):τηQнрK=Ψ dτ .V ∫0(2.4.6)Пренебрегаем суммарной массой продуктов газификации за полное времягорения по сравнению с массой воздуха, находящегося внутри герметичногообъема.

ТогдаηΨτ << ρ срV, ρср = ρв (изохорный процесс), из решения уравнение(2.4.2) получаем:τηQнр (1 − ϕ )Tср = Tв +Ψd τ ,ρв cvV ∫0(2.4.7)где ρв – плотность воздуха, кг/м3.Учитывая уравнение (2.4.7) в (2.4.6), получаем величину коэффициентапропорциональности:K=или(pв cv Tср − TвRTв (1 − φ))(2.4.8)71()2,5 ⋅105 Tср − TвK=.(1 − φ) Tв(2.4.9)Среднеобъемная плотность кислорода из решения уравнения (2.4.4)равна:ρO2ср = ρO2в −ηLO2Vτ∫ Ψ dτ ,(2.4.10)0где ρO в – плотность кислорода в воздухе, кг/м3.2Уравнение (2.4.10), используя выражение (2.4.7), можно привести к виду:ρO2ср = ρO2в −()pв сv Tср − Tв LO2R(1 − φ) Tв Qнр .(2.4.11)Таким образом, в рассмотренной схеме (в работе [104] – получено дляпяти схем) характерная плотность токсичного газа может быть описанаследующей зависимостью:ρСО = KLСО,Qнр(2.4.12)где ρСО – среднеобъемная плотность СО, кг/м3; K – коэффициентпропорциональности, Дж/м3; Qнр – низшая рабочая теплота сгорания горючегоматериала, Дж/кг; ϕ − коэффициент теплопотерь; LCO – удельный коэффициентвыделения СО.Выражение (2.4.12) преобразуем к виду:ρСО = ρ* LСО ,где ρ * = K / Qнр −характернаяплотность,(2.4.13)зависящаятолькоотсхемытермогазодинамической картины пожара, теплофизических параметров пожараи горючего материала, кг/м3.Полученныеформулыпоказывают,чтокоэффициентпропорциональности не зависит от свойств горючего материала, размеровпомещения и открытой поверхности горючего материала и является функцией72только трех параметров, характеризующих термодинамическую картинупожара:(K = f Т ср , Tв ,φ).(2.4.14)Полученная формула (2.4.13) не содержит геометрических размеровпомещения и поверхностей горючих материалов и, следовательно, являетсясправедливойвусловияхпожара,каквмаломасштабном,таки полномасштабном помещении.Такимобразом,становитсявозможнымприменениерезультатовмаломасштабных экспериментов к полномасштабному помещению.Кроме того, следует отметить, что в качестве характерных величинпринималисьитакиесреднеобъемнаяпоказатели,плотностькакгазовойсреднеобъемнаясредыпомещения,температураавеличинакоэффициента теплопотерь является необходимым критерием равенствахарактерныхконцентрацийтоксичныхгазоввмаломасштабнойэкспериментальной установке и реальном помещении.Коэффициент теплопотерь в общем случае изменяется по времени [69],но не является постоянным.Стандартные маломасштабные экспериментальные установки из-засущественных неоднородностей температурных и концентрационных полейнеобходимомодернизироватьстем,чтобыдостоверноопределятьсреднеобъемные температуры и концентрации токсичных газов с выходомна стационарный режим термогазодинамической картины.Таким образом, использование выражения (2.4.13) и результатовмаломасштабных экспериментов позволяет проводить расчет среднеобъемнойплотноститоксичногогаза(напримеремонооксидауглерода)в полномасштабном помещении с учетом поправки на коэффициенттеплопотерь.732.5 Методика расчета распространения токсичных газовпри пожаре в производственных зданиях ГЭСТоксичные продукты горения при пожаре в зданиях и сооруженияхраспространяютсядовольносложно,ипроцесспротекаетвтермогазодинамических условиях при одновременном воздействии большогоколичествавозмущающихтечениефакторов(неизотермичность,турбулентность, излучение, протекание химических реакций, сжимаемость,продольный и поперечный градиенты давления, вдув/отсос на стенке,шероховатость стенки, кривизна поверхности, а также переход ламинарногорежима течения в турбулентный) [26, 104].При моделировании распространения токсичных газов необходимоучитывать такие параметры, как:– естественная конвекция;– работа систем дымоудаления и приточной вентиляции;– работа систем пожаротушения.Блок-схема методики расчета распространения токсичных газов припожаре представлена на рисунке 2.4.Для сбора исходных данных необходимо:– проанализировав объемно-планировочные и конструктивных решенияпроизводственного здания ГЭС определить геометрию помещения;– выявить пожарную нагрузку (горючие вещества и материалы),находящуюся в производственном здании и определить их параметры по базетиповой пожарной нагрузки;– установить токсичные газы, с наибольшей вероятностью выделяемыепри пожаре в производственном здании ГЭС;– провести анализ особенностей технических систем, находящихсяв производственном здании и обеспечивающих пожарную безопасность;– определить численность и места нахождения обслуживающегоперсонала ГЭС.74Сбор исходных данныхВыбор сценариев развития пожараВыбор математических моделейрасчета динамики ОФППолучение экспериментальных зависимостей плотностейтоксичных газов от среднеобъемной температуры и величинудельных скоростей газификации горючих материалов, покоторым нет данных в существующих базах данныхпожарной нагрузкиилиопределение удельных массовых коэффициентовобразования токсичных газовПроведение расчетов на ЭВМАнализ результатов расчетаОпределение времени блокирования путей эвакуациитоксичными продуктами горенияРисунок 2.4 – Блок-схема методики расчета распространения токсичных газовпри пожареИсходя из результатов анализа различных вариантов развития пожара,выбирается наиболее неблагоприятный сценарий его развития (минимальнаякритическая продолжительность пожара).