Диссертация (1172861), страница 9

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 9)

Отличиеиспользуемой модели от приведенной в [41] заключается в следующем:-прогрев строительных конструкций помещения выполняется сиспользованием нестационарных двухмерных уравнений теплопроводности;- распределение температуры по высоте помещения учитывается болееполно [69].Основные уравнения модели, полученные на основе законов сохранениямассы и энергии с учетом влияния систем противодымной и приточнойвентиляции, следующие:Vd m   Ga   aWa  Gm   mWm ,d(2.1)d  pmV   Q’рн  c paTa (Ga   aWa ) d  k m  1  c pmTm пр (Gm   mWm )  Qs  Qпр ,Vd ( X O2 m  m )d(2.2) LO2   X O2 a (Ga   aWa )  X O2 m пр (Gm   mWm ) , (2.3)где (с) – время от начала пожара; (кг/с) – скорость (массовая) газификации горючего вещества;Ga, Gm (кг/с) – расходы (массовые) наружного воздуха и смеси продуктовгорения и воздуха через проемы;Wa, Wm (м3/с) – расходы (объемные)противодымной и приточной вентиляции;V (м3) – объем рассматриваемого помещения;a (кг/м3) – плотность атмосферного воздуха;49m (кг/м3) – плотность (среднеобъемная) смеси газов в помещении;pm (Па) – давление (среднеобъемное) в помещении;km – показатель адиабаты смеси газов помещении;Qнр (Дж/кг) – рабочая низшая теплота сгорания пожарной нагрузки; – полнота горения;Qs (Вт) – тепловой (суммарный) поток, поступающий в стены, перекрытие ипол;Qпр (Вт) – лучистый тепловой поток, проходящий через проемы наружу;Tmпр = aТ Tm (К) – температура (средняя) смеси газов, выходящих наружу черезоткрытые проемы;aТ – коэффициент, показывающий отличие средней температуры выходящихнаружу смеси газов от температуры (среднеобъемной) газовой смеси впомещении;Ta (К) – температура атмосферного воздуха;cpa, cpm (Дж/(кг∙К)) – изобарные удельные теплоемкости воздуха и газовойсмеси;LO2 (кг/кг) – коэффициент потребления кислорода;XO2m – массовая (среднеобъемная) концентрация кислорода в помещении;XO2a – массовая (среднеобъемная) концентрация кислорода в атмосферномвоздухе;XO2mпр = аО2ХО2m – массовая (средняя) концентрация кислорода в смеси газов,выходящей наружу через открытые проемы;аО2 – коэффициент, показывающий отличие концентрации (среднемассовой)кислорода в смеси выходящих наружу газов от ее среднеобъемнойконцентрации в газовой смеси помещения.Мощность тепловыделения определяется из формулы [41]:Qпож = ψудQнрFг,(2.4)где Qпож (Вт) – мощность тепловыделения;ψуд (кг/(м²·с)) – удельная массовая скорость газификации горючего вещества;Fг (м2)  площадь поверхности горения горючего вещества.50Полнота сгорания определяется массовой концентрацией кислорода и впервом приближении определяется из формулы [69]:  o 2 X  X 2 ,(2.5)где о – полнота сгорания в атмосферном воздухе;X  ( X О 2m  X О 2 min ) ( X О 2a  X О 2 min ) ;XO2min = 0,14 – максимальная концентрация (массовая) кислорода припрекращении пламенного горения.Когда высота нейтральной плоскости находится в диапазоне zн < z* < zв(“смешанный” режим газообмена), расход (массовый) смеси газов, выходящейнаружу через проем, определяется по формуле [41]:Gm  2 / 3 2 gm (a  m )bпр zв  z *1,5,(2.6)где – коэффициент, учитывающий гидравлическое сопротивление открытогопроема;g (м/с²) – ускорение свободного падения;z (м) – вертикальная координата, начало которой находится на уровне полапомещения;zв, zн (м) – соответственно координаты верхнего и нижнего краев открытогопроема помещения;z* (м) – высота плоскости равных давлений;bпр (м) – ширина открытого проема.В работе [69] представлены условия однозначности задачи (начальные,геометрические, физические и граничные) условия и метод численногорешения дифференциальных уравнений.512.2.

Зонная модель2.2.1. Основные допущенияСмесьгазоввпомещении можнорассматриватькакоткрытуютермодинамическую систему, которая обменивается энергией и массой сатмосферным воздухом через открытые проемы и ограждающие конструкциипомещения. Среда помещения состоит из фаз:- газовая смесь (азот, кислород, продукты газификации и горениягорючего вещества);- мелкодисперсные твердые частицы дыма;Зонный метод расчета динамики ОФП [41, 69] разработан на основефундаментальных законов природы – законы сохранения энергии, массы иимпульса.

Зонная математическая модель подразумевает деление внутреннегообъема помещения на характерные зоны. Количество и размеры зон задаютсяизусловияминимизациинеоднородностейпараметров(температура,концентрации газов и т.д.) смеси газов в пределах каждой из зон. Иногда воснове разбиения на зоны лежат другие предположения, которые вытекают иззадач исследований, расположения горючего вещества и т.п.

[69].Наиболее апробированной можно принять модель, в которой внутреннийобъем газовой среды помещения разбивается на три зоны [41]:- зона I – зона конвективной колонки, включающая пламенную область;- зона II – зона припотолочного слоя;- зона III – зона холодного воздуха.Схема тепломассообмена в смеси газов помещения в случае трехзонноймодели представлена на рис. 2.1. Направления течения смеси газов и тепловыепотоки обозначены стрелками.

Обозначения на рис. 2.1:г (кг/с)  скорость (массовая) газификации горючего вещества;Ga, Gm (кг/с)  расходы (массовые) наружного воздуха, поступающего впомещение, и смеси газов, вытекающих наружу, под действием естественногогазообмена через открытые проемы;52Wm (м3/с) – расход (объемный) системы противодымной вентиляции;Wа (м3/с) – расход (объемный) системы приточной вентиляции;Qпр (Вт) – лучистый тепловой поток, отводимый наружу через открытыепроемы;Qc, Qw1, Qw2, Qf (Вт) – суммарные тепловые потоки, отводящиеся в перекрытиепомещения, стены помещения (ниже и выше нижней границы припотолочногослоя) и пол помещения.1 – стены помещения; 2 – потолок помещения; 3 – открытый проем; 4 – горючее вещество;5 – нижняя граница зоны припотолочного слоя; 6 –противодымная вентиляция; 7 –приточнаявентиляция; 8 – «фиктивный» (точечный) источник тепловыделения; 9 – высота пламени.Рис.

2.1. Схема тепломассообмена в смеси газов помещенияСделаем следующие упрощения, касающиеся термо- и газодинамическойкартины пожара.53Предполагается, что условная граница пренебрежимо малой толщиныразделяет зоны холодного воздуха и припотолочного слоя. Переход через этуграницухарактеризуетсярезкимизменениемтермогазодинамическихпараметров смеси газов.Принимаем, что газовая смесь является идеальной газовой смесью из-затого, что при давлении, близком к атмосферному, свойства реальных газов,входящих в состав смеси, таких как, кислород, азот, монооксид и двуокисьуглерода и др. близки к свойствам идеальных газов.

Теплофизические свойствгазовой смеси, такие как, газовая постоянная, удельная изобарная теплоемкостьи показатель адиабаты, принимаем равными соответствующим свойствамсухого воздуха из-за того, что отличие термодинамических свойств продуктовгорения и воздуха в диапазоне температур, характерных для пожара впомещении, мало.При расчете термогазодинамических параметров смеси газов неучитываем наличие частиц дыма из-за того, что доли массы и тепловой энергиив общей массе смеси газов, приходящиеся на твердые частицы дыма,пренебрежимо малы в сравнении с соответствующими величинами смеси газов.Течение внутри конвективной колонки считаем стационарным и«квазиодномерным» (осредненные в каждом поперечном сечении колонкитермогазодинамические параметры смеси газов в любой момент временизависят только от высоты колонки и от текущих параметров пожара), то есть«предистория» процесса не принимается во внимание.Радиационные и оптические свойства смеси газов в помещенииучитывают влияние мелкодисперсных частиц дыма через использованиеоптической плотности дыма [41].На параметры конвективной колонки, теплоотвода в ограждающиеконструкции и тепломассообмена с окружающей средой через открытыепроемы геометрическое положение горючего вещества в помещении не влияет.54Замкнутую систему уравнений зонной модели можно разделить наструктурныечасти,которыеотражаютмоделируемыеимитермогазодинамические или химические процессы, согласно рис.

2.2.Основные уравненияОсновные уравненияДополнительныеконвективной колонкиприпотолочного слояуравнения зонноймоделиМетод расчета нагреваМетод расчетаограждающих строительныхконструкций помещенияМетод расчетапроцесса газификациипроцесса горениягорючего веществаМетод расчета тепло- иматериаламассообмена через открытыйпроемРис. 2.2. Структурная схема зонной модели2.2.2. Основные уравнения моделиДля решения практических задач пожарной безопасности нужно уметьрассчитыватьзависимости от высоты колонки следующих осредненных (впоперечном сечении колонки) параметров:- расход (массовый) смеси газов и воздуха;- температура смеси газов и мелкодисперсных частиц дыма;- эффективная степень черноты смеси газов.Массовые расходы и средние температуры смеси газов в поперечныхсечениях конвективной колонки могут быть определены с использованием двухосновных подходов:- тепловыделение в области горения задается в видеточечногоисточника, который расположен ниже поверхности горючего вещества(полуэмпирический подход [14, 41], при этом расположение источника55тепловыделения не соответствует реальной картине пожара, и поверхностьгорючего вещества считается условно проницаемой);- тепловыделение в области горения принимается в виде распределенногоисточника,приэтомвышеуказанныйисточникрасполагаетсянадповерхностью горючего вещества (полуэмпирический и эмпирический метод[14, 150]), что соответствует реальной картине пожара.При первом подходе [14, 41]:135 g Qпож 1   3 ,G  0,21zzocTp o2оT  Tо Qпож (1  ),c pG(2.7)(2.8)где T (К) – средняя температура по сечению колонки;G (кг/с) – расход (массовый) смеси газов через сечение колонки на высоте z отповерхности горючего вещества;То (К) – температура воздуха в помещении перед пожаром;ρо (кг/м3) – плотность воздуха в помещении перед пожаром;ср (Дж/(кг·К)) – удельная изобарная теплоемкость смеси газов;  QwI / Qпож– доля, равная отношению отводящейся в строительныеконструкции теплоты к выделившейся в пламенной зоне;z (м) – координата по высоте помещения поперечного сечения колонки, началокоторой совпадает с открытой поверхностью горючего вещества;zо  1,5 Fг(м) – расстояние от поверхности горючего вещества дофиктивного источника тепловыделения;g (м/с2) – ускорение свободного падения.Расход (массовый) по сечению конвективной колонки для второгоподхода при использовании эмпирического метода определяется как [14, 150]: Qпож (1  ) при z > zпл : G  0,071 1000 561/ 3z 5 / 3  1,8  10 6 Qпож (1  ) ,(2.9) Qпож (1  ) при z  zпл : G  0,032 1000  Qпож (1   ) где zпл  0,166 1000 3/ 5z ,(2.10)2/5– высота зоны горения, м.Массовый расход, определяемый с помощью полуэмпирического метода[74], находится из численного решения уравнения:Bzr  ztg 42Gtg B 2 ztg dG, 1 dz T0 AGGT0  Bz r  ztg T0  r  ztg гдеAT0 R 2gp02  2(с2м5/(кг2К)) иB(2.11)Qпож (1  )(кгК/(мс)) – размерныеz f cpкомплексы;R (Дж/(кг·К)) – газовая постоянная смеси газов;r (м) – эквивалентный радиус открытой поверхности горючего вещества; (рад)– угол полураскрытия колонки.Средняя температура по сечению конвективной колонки находится изформулы (2.8).Уравнение (2.11) можно уточнить, принимая во внимание следующиеособенности тепломассообмена в помещении:- выше пламенной зоны конвективной колонки присутствуют тепловыепотери на излучение;- угол полураскрытия колонки меняется по высоте колонки.Схема расчета тепло- и массообмена в элементарном объеме смеси газовконвективной колонки приведена на рис.

Характеристики

Список файлов диссертации