Диссертация (1172945), страница 9

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

Текст из файла (страница 9)

Погрешности расчета сиспользованием существующих моделей турбулентности при определении,например, параметров теплового пограничного слоя могут достигать 20-40%(иногда до 90%)[51].Универсальнаямодельтурбулентности,разработаннаяврамкахградиентных, полуэмпирических теорий, в настоящее время не создана [51].58Пристенная турбулентность по прежнему остается одной из наиболее сложныхнерешенных проблем теории тепломассообмена.Таким образом, для расчета характеристик конвективного турбулентноготепломассообмена при пожаре в помещении, в том числе, полей концентрацийтоксичных газов, необходим тщательный выбор метода расчета.Методы расчета параметров термогазодинамики пожара в помещениисогласно работам [5, 16] разделены на три группы: интегральные, зонные(зональные) и полевые (дифференциальные). Главное отличие методов расчетадруг от друга заключается в разном уровне детализации термогазодинамическойкартины пожара.В наиболее простых в математическом описании интегральных моделях [5,16] в результате расчетов находятся среднеобъемные величины параметровгазовой среды (давление, температура, парциальные плотности газовой среды,кислорода, токсичных продуктов горения и огнетушащего вещества, оптическойплотность дыма).Интегральнаямодельвключаетвсебясистемунестационарныхобыкновенных дифференциальных уравнений законов сохранения массы иэнергии для всей газовой среды помещения, законов сохранения массытоксичных газов, кислорода, оптической плотности дыма и огнетушащеговещества.Использование интегральных моделей для расчета величин концентрацийтоксичных газов в помещении корректно до предельной высоты 6 м [5, 52], таккак эмпирические распределения величин параметров газовой смеси вдольвертикальной оси получены для помещений с высотой, не превышающей 6 м.Точность этих распределений даже для помещений с высотой, меньшей 6 м,также требует экспериментального подтверждения в случае горения современныхстроительных материалов.

Поэтому, зная среднеобъемную концентрациютоксичного газа в помещении, для расчета локальной концентрации этого газа,например, на уровне рабочей зоны, необходимо обосновать выбор распределенияконцентрации этого газа по высоте помещения.59Численное решение системы уравнений интегральной модели при егореализации на ЭВМ сопровождается вычислительными затруднениями [5, 16],потому что система уравнений представляет собой систему с «жесткой» связьюмежду параметрами [60].Аналитическоерешениесистемыобыкновенныхнестационарныхдифференциальных уравнений интегральной модели существует только в рядемодельных случаев пожара [5, 16].Область корректного применения интегральных моделей значительноограничивается следующими существенными недостатками [16]:- не учитывается трехмерная геометрия задачи (например, взаимноерасположение горючего материала и проема);-необходимряддополнительныхсоотношений,полученныхизэксперимента или из расчетов с использованием теоретической модели с болееподробным рассмотрением процесса (зонной или полевой), которые нужны длярасчета распределений вдоль высоты помещения величин ОФП.Вышеуказанные недостатки снижают точность расчета при решениипрактических задач пожарной безопасности, например, для проверки выполненияусловия обеспечения безопасной эвакуации людей [16].Зоннаямодель[5]используетсядляопределенияхарактеристиктепломассообмена в отдельных зонах помещения.Количество и геометрические размеры зон выбираются таким образом,чтобы внутри них неоднородности распределений температур и другихпараметров газовой среды вдоль координатных осей были минимальными, или подругим предположениям, определяемым задачами исследования, например,местом расположения горючего материала в помещении и т.д.

[5, 16].Внутри каждой зоны теплофизические свойства газовой среды можнопринять постоянными и использовать более обоснованные формулы для расчетасуммарных тепловых потоков, которые отводятся в ограждающие конструкциипо границам данной зоны. В зонных моделях используются известныезакономерности гидродинамического и теплового взаимодействия струйного60течения с ограждающими строительными конструкциями при условномразбиении на характерные области (критическая точка, область ускоренноготечения, область перехода ламинарного режима течения в турбулентный, а такжеобласть автомодельного течения) [52].Использование зонных моделей для расчета концентраций токсичных газовв высоких помещениях более обоснованно, чем применение интегральныхмоделей, так как зонные модели более близки к реальной термогазодинамическойкартинепожара,например,ксуществованиюприпотолочногоплоскопараллельного газового слоя в высоких помещениях (например, в МЗ ГЭС,ТЭС) [5].Однако, в ряде работ [16, 53] показано, что припотолочный газовый слой вслучае атриума со сложной геометрией не является плоскопараллельным,равномерно прогретым и задымленным, противореча тем самым основномудопущению зонной модели.Замкнутая система дифференциальных уравнений зонной модели решаетсяс использованием простых конечно-разностных методов (например, РунгеКутта [54]).Зонные модели имеют следующие основные недостатки [16]:- необходима дополнительная экспериментальная или теоретическаяинформация из-за выделения конвективной колонки над очагом горения вотдельную зону, так как конвективная колонка при пожаре в помещении неявляетсясвободно-конвективнойструей,котораяраспространяетсявнеограниченном пространстве;-нужныдополнительныеэкспериментальныеилитеоретическиесоотношения, которые зависят от объемно-планировочных решений помещения,для расчета распределения параметров газовой смеси вдоль координатных осейвнутри каждой зоны, как и в интегральных моделях.Наиболеедетальноематематическоемоделированиепроцессовтепломассообмена при пожаре в помещении, и, следовательно, расчета61концентраций токсичных газов дают полевые (или дифференциальные) модели[5, 16].К основному достоинству полевых моделей относится то, что искомымипараметрамиявляютсятрехмерныенестационарныеполятемператур,концентраций компонентов газовой среды и частиц дыма, скоростей, давлений ит.п.

по всему объему помещения.Полевые модели являются наиболее сложными при их реализации из-затого, что они включают систему трехмерных нестационарных дифференциальныхуравнений в частных производных законов сохранения массы, импульса иэнергии.Придополнительныезамыканиисоотношения,системыуравненийнеобходимыедлянужноиспользоватьрасчетатурбулентноготепломассообмена и лучистого теплообмена.Математическоемоделированиереальныхтрехмерныхтепломассообменных процессов при пожарах интенсивно развивается в России,Англии, Австралии, США и других странах.Полевые модели имеют ряд чрезвычайно сложных, до конца не решенныхпроблем расчета тепломассообмена [16]:- расчет турбулентного тепломассообмена в случае горения веществ иматериалов при совместном воздействии большого количества возмущающихтечениефакторов(многофазностьсредыпомещения,неизотермичность,лучистый перенос, сжимаемость, нестационарность, продольный и поперечныйградиенты давления и т.д.);- расчет лучистого теплообмена в случае неоднородной двух- илитрехфазной газовой среды при турбулентном горении и взаимном влиянии наконвективный теплообмен;- расчет прогрева и газификации горючих веществ и материалов подтепловым воздействием пожара.Полевые модели имеют несколько основных недостатков [16]:62- численное решение замкнутой системы трехмерных нестационарныхдифференциальных уравнений в частных производных является чрезвычайнотрудоемким;- разработка программы расчета на ЭВМ сопряжена с большимитрудозатратами на ее отладку;- сложно достоверно рассчитать достаточно подробные характеристикитечения одновременно по всему объему помещения (например, в пристеночныхобластях и в зоне горения) из-за ограниченного параметрами даже современныхЭВМ числа точек конечно-разностной сетки;- полевые модели требуют больших затрат машинного времени счетанесмотря на огромный прогресс в быстродействии ЭВМ, поэтому онинеэффективны при проведении многовариантных расчетов времени блокированияпутейэвакуацииопаснымифакторамипожараиоптимизациисистемпротивопожарной защиты.Численные методы решения системы дифференциальных уравненийдиференциальной модели апробированы на достаточно большом объемеэкспериментальных данных и теоретических исследований, относящихся кпожарам в помещениях [16].Для расчета прикладных задач газодинамики и тепломассообмена на ЭВМможновыделитьтакиепрограммныекомплексыкакPHOENICS[55](использованы конечно-разностные процедуры типа SIMPLE [56]), SOFIE [57](специализированныйпрограммныйпродукт,реализующийтрехмерныематематические модели для условий пожара), FDS[58] и др.

[16].Вслучаеспецифическихтермогазодинамическихусловийпожаранеобходима модернизация большинства программ расчета тепломассобмена(внесение дополнительных уравнений и соотношений в систему основныхуравнений модели), что является достаточно трудоемкой задачей. Такженеобходимо проведение тестирования программы на экспериментальных данныхо параметрах тепломассообмена при пожаре. Следовательно, для пользователейпрограммных комплексов требуются существенные усилия по их модернизации и63тестированию. Модернизация программы может быть и не достигнута, так как невсе программы позволяют вносить все требуемые изменения непосредственно висходный текст программы.Например, при работе с программным комплексом SOFIE [57] требуютсябольшие финансовые ресурсы, большие трудовые затраты по освоению,тестированию и настройке программы для решения конкретных задач пожарнойбезопсности.Поэтому,созданиеспециализированныхпрограммдлярасчетатепломассообмена при пожаре является актуальной задачей.Одной из наиболее сложных и до конца нерешенных проблем при расчетеконцентраций токсичных газов является ограниченность и недостаточное научноеобоснование исходных данных по образованию токсичных газов, необходимыхдля решения дифференциальных законов сохранения масс токсичных газов.Исходныеданныеповыделениютоксичныхпродуктовгоренияпредставлены, например, в учебном пособии [5] и в монографии [4].

Удельныекоэффициентывыделениятоксичныхгазовпринятыпостоянными,независящими от термогазодинамической картины развития пожара (концентрациикислорода, температуры и т.д.).Однако, в работах [6, 7] показано, что величины удельных коэффициентоввыделения, например, СО, значительно изменяются от времени с начала горения,и их средние величины существенно зависят от периода осреднения по временииспытаний.Кроме того, нет достаточно полного научного обоснования возможностииспользованиявеличинкоэффициентовобразованиятоксичныхгазов,полученных в мелкомасштабных экспериментальных установках, при расчететепломассообмена в реальных полномасштабных помещениях.В статьях [6, 7] предложен новый подход к расчету концентрацийтоксичныхпродуктовгорения,которыйзаключаетсявопределениисреднеобъемных плотностей токсичных газов в каждый момент времени по ихэкспериментальным зависимостям от среднеобъемной температуры, полученным64в разработанной экспериментальной мелкомасштабной установке.

Характеристики

Список файлов диссертации