Диссертация (1172861), страница 8
Текст из файла (страница 8)
1.5 приведена структура зонной модели. Расчет динамики ОФП ватриуме с использованием зонных моделей более обоснован по сравнению синтегральными моделями. Это связано с тем, что в зонных моделях более точно41отражена реальная термогазодинамическая картина пожара в атриуме(например, образование припотолочного газового слоя).Основные уравнения дляОсновные уравнения длярасчета параметроврасчета параметровконвективной колонкиприпотолочного слояДополнительныеуравнения зонноймоделиМодель нагреваМодель выгораниястроительных конструкцийМодель горенияпомещениягорючего веществаМодель тепло- и массообменачерез открытые проемыРис.
1.5 – Структура зонной моделиПрипотолочный газовый слой при сложной геометрии перекрытия, какпоказано в ряде работ [69, 76], не является равномерно прогретым изадымленным,плоскопараллельнымперекрытиюатриума. Конвективнаяколонка не может рассматриваться как неограниченная свободно-конвективнаяструя [74]. Эти две особенности развития пожара противоречат основнымположениям зонного подхода.Простые численные методы (например, метод Рунге-Кутта [39]) могутиспользоваться для решения замкнутой системы дифференциальных уравненийзонной модели. Аналитическое решение системы уравнений существует тольков простых случаях [41].Основные недостатки зонных моделей следующие:- в случае сложной термогазодинамической картины пожара основныедопущения зонной модели (равномерно прогретый припотолочный слой и т.д.)не соответствуют реальным условиям;- дополнительная экспериментальная или теоретическая информациятребуется из-за выделения конвективной колонки, расположенной над очагомгорения, в отдельную зону, так как конвективная колонка не может42рассматриваться как свободная струя, распространяющаяся в неограниченномпространстве;- распределения параметров смеси газов вдоль различных направлений впределах каждой зоны, (как и в интегральных моделях), задаются издополнительных теоретических или экспериментальных исследований изависят от конструктивных и объемно-планировочных решений помещений(главным образом, от их геометрических характеристик).Полевые (дифференциальные) модели [69, 159] дают наиболее детальноеописание термогазодинамики пожара.
Основным достоинством полевыхмоделей является то, что искомыми параметрами являются трехмерныенестационарные поля температур, концентраций компонентов смеси газов,скоростей, давлений и частиц дыма во всем объеме помещения.Дифференциальные (полевые) модели являются наиболее сложными приих математическом описании из-за того, что они представляют собой системунестационарных, трехмерных, дифференциальных уравнений в частныхпроизводных (законы сохранения энергии, массы и импульса).
Замыканиесистемыуравненийпроводитсясиспользованиемдополнительныхсоотношений для расчета турбулентного тепломассообмена и лучистоготеплопереноса.Работы посовершенствованию моделирования термогазодинамикипожара интенсивно ведутся в Англии, Австралии, России, США и другихстранах.Ряд сложных, не решенных до конца проблем тепломассообмена,возникает при разработке полевых моделей:- расчет турбулентного тепломассообмена в условиях горения присовместном воздействии одновременно действующих, возмущающих течениефакторов (нестационарность, неизотермичность, сжимаемость, излучение,поперечный и продольный, положительный и отрицательный градиентыдавления, наличие газовой, твердой и жидкой фаз и т.д.);43- расчет параметров лучистого теплопереноса в двух- или трехфазной,оптически неоднородной смеси газов и частиц дыма при турбулентном горениис учетом его взаимного влияния на конвективный тепломассообмен;- расчет характеристик нагрева и газификации горючего вещества из-затеплового воздействия пламени.Основные недостатки полевых моделей следующие:- сложно детализировать особенности теченияодновременно наповерхности стен и потолка помещения, вблизи дымоудаляющих отверстий и впламенной зоне и т.п.
из-за ограниченного числа точек конечно-разностнойсетки (возможности современных ЭВМ);- при проведении многочисленных оптимизационных или вариантныхрасчетов с использованием полевых моделей требуются большие затратымашинного времени даже на быстродействующих ЭВМ, и в этом случаеполевые модели неэффективны.В случае сложной термогазодинамической картины пожара (например, впомещениях большой высоты и объема) обосновать выбор моделей лучистоготеплопереноса и турбулентности невозможно из-за недостаточного объемаэкспериментальной информации.Современныеметодычисленногорешениязамкнутойсистемыдифференциальных уравнений дифференциальной модели достаточно подробноразработаныиапробированысиспользованиембольшогообъематеоретических и экспериментальных исследований [41, 64, 106, 144]термогазодинамики пожара в помещении.Средисовременныхпрограмм дляЭВМ, реализующихрешениеразличных прикладных задач тепломассообмена, при пожаре можно выделитьFire Dynamics Simulator [145]; PHOENICS (используется конечно-разностнаясхема SIMPLE [64]) [159]; SOFIE (специализированная программа, решающаятрехмерные математические модели термогазодинамики пожара) [162],программы, разработанные д.т.н., проф.
Пузачем С.В. [70, 71] и др.44В сложных специфических термогазодинамических условиях развитияпожара необходимо тестирование любой из вышеперечисленных программ наэкспериментальной или теоретической информации о тепломассообмене вконкретных условиях пожара. Поэтому для пользователей программ появляетсянеобходимость в дополнительных весьма трудоемких усилияхпо ихмодернизации и настройке. В то же время, результат может быть и недостижим, так как невозможно вносить все требуемые уточнения и изменения висходный листинг программы непосредственно.Финансовые возможности исследователя также ограничивают работу спрограммным кодом.
Большая трудоемкость освоения, тестирования инастройки программы для решения конкретных задач также должнаприниматься во внимание.Следовательно, актуальной задачей является разработка индивидуальныхпрограмм расчета на ЭВМ динамики ОФП.1.4. Моделирование работы системы дымоудаленияОдной из важнейших систем пожарной безопасности, обеспечивающейбезопасную эвакуацию людей, является СДУ. При моделировании пожаровучет работы СДУ выполняется с помощью задания граничных условий надымоудаляющихотверстияхвматематическихмоделяхрасчетатермогазодинамики пожара.СДУ может работать в расчетном режиме, когда удаляется из помещенияв основном смесь продуктов горения и воздуха, поступающего в конвективнуюколонку надочагомгорения.Однакоприбольшойразницемеждутемпературами припотолочного слоя и воздуха снаружи помещения (в случаеСДУ с естественным побуждением) или при достаточно большой скоростидвижения газового потока на входе в дымоудаляющее отверстие (при работевентилятора СДУ) эффективность дымоудаления резко снижается из-за того,что воздух из-под припотолочного дымового слоя за счет действия подъемныхсил и перепада давлений внутри и снаружи помещения поступает в45дымоудаляющее отверстие и препятствует удалению продуктов горения изпомещения.
Вышеуказанное явление получило название “plugholing” взарубежной литературе [141].Вотечественныхлитературныхисточникахначалоисследованиянерасчетного режима работы СДУ “plugholing” выполнено только в несколькихработах [10-13].В интегральной и зонной моделях работа СДУ учитывается в граничныхусловиях, однако моделируется только расчетный режим работы, а режим“plugholing” рассматривается только в одной работе [13] для зонной модели вслучае работы СДУ с искусственным побуждением.В вышеупомянутой статье получены формулы для определения начала“plugholing” и коэффициент уменьшения расхода удаляемого дыма приосновном допущении о том, что воронка под дымоудаляющим отверстиемимеет симметричную форму.
Поэтому необходимо продолжение исследований.В интегральной и зонной моделях на расчетном режиме расходудаляемой смеси газов и дыма в случае СДУ с естественным побуждениемопределяется по простым полуэмпирическим одномерным соотношениям(например, в [17, 43]), которые имеют следующие основные недостатки,обусловленные неучетом трехмерности течения:- продольная скорость потока вдоль перекрытия в припотолочном слоеперед дымоудаляющим отверстием принимается равной нулю;- вертикальный градиент давления в припотолочном слое определяется посредней температуре помещения или припотолочного слоя;-необоснованавеличинагидравлическогосопротивлениядымоудаляющего отверстия.В интегральной и зонной моделях расход удаляемой смеси газов и дыма вслучае СДУ с искусственным побуждением задается производительностьювентилятора СДУ или по давлению разрежения, создаваемому вентилятором.Недостатки одинаковы с соответствующими для СДУ с естественнымпобуждением.46Наиболее точно расход через дымоудаляющее отверстие может бытьопределен с использованием полевой модели.
Однако необходимо достаточноточно и подробно задавать граничные условия на дымоудаляющем отверстииили присоединять дополнительную расчетную область воздуха снаружипомещения. Кроме того, необходим предварительный расчет по интегральнойили зонной моделям с целью приближенного выбора параметров СДУ, чтопозволит резко уменьшить количество трудоемких расчетов по полевой моделии избежать режима “plugholing”.1.5.
Выводы по первой главе1. Пожар в МЦ может привести к значительным человеческим жертвам икрупному материальному ущербу.2. Среди всех технических проблем, встающих перед проектировщикамизданий МЦ, в том числе с атриумными пространствами, проблемыпротивопожарной безопасности являются наиболее острыми.3. На стадии проектирования или при реконструкции МЦ необходимомоделирование динамики ОФП с целью обеспечения безопасной эвакуациилюдей при пожаре и эффективной работы систем пожарной безопасности.4. Во всех типах математических моделей существуют допущения иупрощенияреальнойфизическойкартиныпожара,чтоприводитксущественному снижению точности расчета параметров смеси газов итепломассообмена.5.
Длядостоверного прогнозирования времени блокирования путейэвакуации ОФП в помещениях МЦ актуальными проблемами являютсяразработка аналитического метода в условиях функционирования СДУ,модификация зонной модели с учетом влияния ограждающих конструкций напараметры конвективной колонки и получение экспериментальных данных поудельной массовой скорости выгорания горючих материалов.6. Необходима разработка комплекса математических моделей расчетадинамики ОФП в МЦ, включающего уточненные модели пожара, которые47учитывают специфику объемно-планировочных и конструктивных решенийМЦ, например, наличие атриумов.48ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ПРОГНОЗИРОВАНИЯДИНАМИКИ ОПАСНЫХ ФАКТОРОВ ПОЖАРА ВМНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ЦЕНТРАХ2.1. Интегральная математическая модельРассматриваем модификацию [69] интегральной модели [41].
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
