Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Обзор литературы и постановка задач исследования 17
1.1. Опасность дыма 17
1.1.1. Задымление помещений при пожаре. 17
1.1.2. Свойства дыма 18
1.2. Процессы теплообмена 20
1.3. Противодымная защита 26
1.3.1. Моделирование пожаров 26
1.3.2. Основы противодымной защиты помещений 30
1.4. Цели и задачи исследования 39
ГЛАВА 2. Теоретический анализ развития пожара при работе механической вентиляции двух смежных помещений, имеющих проёмы 42
2.1. Уравнения пожара. Газообмен. Режимы газообмена 42
2.2. Режимы пожара и их критериальные оценки 55
2.3. Частные решения уравнений пожара 69
2.3.1. Динамика опасных факторов 72
2.3.2. Критическая продолжительность пожара 85
ГЛАВА 3. Методика экспериментального исследования 92
3.1. Конструктивная и объёмно-планировочная характеристика фрагмента здания. Условия проведения экспериментов 92
3.2. Метрологические основы измерений 97
3.3. Измерение температур 101
3.4. Температура газов в объёмах помещений 105
3.5. Температура ограждающих конструкций помещения очага пожара 112
3.6. Температура газов в дверных проёмах помещений 115
3.7. Температура газов в воздуховоде 115
3.8. Тепловые нагрузки ограждающих конструкций помещения 115
3.9. Измерение перепадов давлений между помещениями фрагмента здания и окружающей средой. Координаты уровней равных давлений 118
3.10. Измерения динамических напоров в точках мерного сечения воздуховода 122
3.11. Расход удаляемых газов 123
3.12. Измерение массовой скорости выгорания и массы пожарной нагрузки 125
3.13. Тепловые потоки в помещении очага пожара 128
ГЛАВА 4. Обобщение результатов экспериментального исследования 131
4.1. Анализ факторов пожара 131
4.1.1. Массовая скорость выгорания. Приведённая тепловая нагрузка помещения 131
4.1.2. Температура поверхностей ограждающих конструкций помещения 143
4.1.3. Теплообмен ограждающих конструкций помещения 145
4.1.4. Частные решения уравнений пожара с учётом результатов экспериментов 149
4.2. Сравнение теории с опытом 155
Основные выводы 167
- Основы противодымной защиты помещений
- Режимы пожара и их критериальные оценки
- Температура ограждающих конструкций помещения очага пожара
- Массовая скорость выгорания. Приведённая тепловая нагрузка помещения
Введение к работе
В России по статистическим данным травматизм и гибель людей на пожарах на 1 млн населения выше, чем в других странах.
Противодымная защита помещений и зданий предназначена для предотвращения воздействия на людей дыма, повышенной температуры и токсичных продуктов горения. Системы удаления дыма из помещений исключают возможность распространения пожара (дыма) за пределы помещения, в котором происходит горение, и обеспечивают безопасную эвакуацию людей, создают благоприятные условия для успешного тушения пожара.
Требования нормативных документов к устройству и расчёту вентиляционных систем удаления дыма из помещений, объёмно-планировочным решениям помещений и зданий основаны на исследованиях процессов развития пожара, движения людских потоков во время эвакуации и имеют серьёзное научное обоснование. Они, как и знания о пожаре, постоянно уточняются и совершенствуются.
Различные аспекты совершенствования нормирования условий безопасной эва
куации людей из зданий, противодымной защиты отражены в работах
В.В.Холщевникова, А.Н.Боксера, Б.В.Грушевского, В.И.Дубовика, В.М.Есина,
Ю.С.Зотова, И.И.Ильминского, В.Е.Константиновой, А.В.Матюшнна,
И.Т.Светашова, В.И.Сидорука, М.П.Стецовского, В.Н.Тимошенко, Б.Циманнаидр.
В последние годы разработаны и утверждены нормативные документы, отражающие современное состояние противодымной защиты зданий и помещений: СНиП 2.04.05-91*, Пособие 4.91 к СНиП 2.04.05-91*.
Нормативные документы СНиП 2.04.05-91*, Пособие 4.91 к нему предусматривают устройство удаления дыма из ряда помещений, если время их заполнения дымом не превышает времени, необходимого для безопасной эвакуации людей из помещения, и помещений категорий А и Б, независимо от времени заполнения дымом.
В настоящее время основой формирующегося гибкого объектно-ориентированного противопожарного нормирования при решении многих задач пожарной безопасности в строительстве, в том числе вопросов обоснования и разработки объёмно-планировочных решений зданий, сооружений для обеспечения безо-
пасной эвакуации людей при пожаре, вопросов устройства противодымнои вентиляции, является математическое моделирование пожара.
Основными расчётными математическими моделями при устройстве удаления дыма из помещений является зонная и интегральная модели развития пожара в помещении. Зонная модель используется для определения свободной от дыма рабочей зоны в помещении; интегральная предусматривает незадымление смежных помещений с помещением очага пожара, незадымление путей эвакуации (защищаемых объёмов) в зданиях, например, коридоров, лестничных клеток, т.е. при условии защиты дверей эвакуационных выходов.
По ГОСТ 12.1.004-91 рассчитывают значения критической продолжительности пожара (КПП) для его начальной стадии, когда проём работает только на выталкивание газов из помещения при условии достижения каждым из опасных факторов пожара (ОФП) предельно допустимых значений в зоне пребывания людей. Интегральная модель термогазодинамики развития пожара используется при определении КПП для людей, находящихся на этаже очага пожара и определяется из условия достижения одним из ОФП в поэтажном коридоре своего предельно допустимого значения. В качестве критерия опасности для людей, находящихся выше очага пожара, рассматривается условие достижения одним из ОФП предельно допустимого значения в лестничной клетке на уровне этажа пожара.
Результаты анализа литературных источников свидетельствуют и" о том, что определение параметров газовой среды в помещении, динамики ОФП, КПП возможно путём решения системы дифференциальных уравнений с помощью ЭВМ. Нормативные документы не содержат требований безопасной эвакуации людей из помещения очага пожара при обеспечении незадымления смежных с ним помещений. В них нет требований к КПП (промежутку времени от начала возникновения горения до достижения величины, хотя бы одним из ОФП, его критического для человека значения).
Таким образом, к недостаткам нормирования систем противодымнои вентиляции можно отнести отсутствие простых инженерных аналитических решений, позволяющих без расчёта на ЭВМ в зависимости от состояния газовой среды в поме-
щении определить исходные данные для расчёта противодымной вентиляции, динамику ОФП в помещении очага пожара, критическую продолжительность пожара, а следовательно, обосновать объёмно-планировочные решения зданий, сооружений с учётом безопасной эвакуации людей при пожаре. Из всего изложенного и вытекает актуальность, рассматриваемой темы.
Целью данной работы является разработка методов расчёта динамики и критической продолжительности пожара для двух смежных помещений при работе противодымной вентиляции для обоснования объёмно-планировочных решений зданий и сооружений с учётом безопасной эвакуации людей из помещения очага пожара и оптимизации метода расчёта параметров противодымной вентиляции при условии незадымления смежного помещения.
Для достижения указанной цели необходимо было решить следующие задачи:
провести анализ работ лежащих, в основе обоснования объёмно-планировочных решений зданий и сооружений, с учётом безопасной эвакуации людей при пожаре в условиях работы противодымной вентиляции; методов расчёта параметров противодымной вентиляции;
на основе интегральной модели развития пожара в помещении разработать модель и алгоритм развития пожара в смежных помещениях, имеющих общий проём и проём, связанный с атмосферой при работе противодымной вентиляции с искусственным побуждением; провести анализ уравнений этой модели при различных режимах газообмена; определить факторы, характеризующие минимальный расход удаляемых газов, при условии защиты дверей эвакуационных выходов;
получить частные решения системы уравнений для определения динамики ОФП в помещении очага пожара, критической продолжительности пожара при условии незадымления смежного помещения;
разработать методику и провести экспериментальные исследования процессов тепломассообмена при пожаре, проверить соответствие результатов теоретических исследований экспериментальным данным;
разработать методические рекомендации по применению интегрального метода расчёта динамики ОФП в помещении очага пожара, КПП для обоснования объ-
ёмно-планировочных решений зданий и сооружений с учётом безопасной эвакуации людей из помещения очага пожара и оптимизации метода расчёта параметров про-тиводымной вентиляции при условии защиты дверей эвакуационных выходов.
Объектами исследования являются процессы развития пожара в помещении фрагмента здания во время работы противодымной вентиляции с искусственным побуждением при условии защиты дверей эвакуационных выходов.
Предметами исследования являются параметры противодымной вентиляции, изменения факторов пожара в результате его развития в помещении фрагмента здания при работе механической системы удаления дыма и обеспечении незадымления смежного помещения с помещением очага пожара, возможность прогнозирования динамики ОФП и определение КПП в помещении очага пожара.
Методы исследования. Основу теоретических исследований составили аналитические методы математического моделирования развития пожара в помещении, дифференциального и интегрального исчисления, теория аэрации.
При проведении экспериментальных исследований были использованы общепринятые методы: физического моделирования развития пожара в помещении, теории планирования эксперимента, измерений, стандартные методы обработки экспериментальных данных.
Научная новизна.
Разработаны модель и алгоритм развития пожара в смежных помещениях, имеющих общий проём и проём, связанный с атмосферой при работе противодымной вентиляции с искусственным побуждением; проведён анализ уравнений этой модели при различных режимах газообмена; определены факторы, характеризующие минимальный расход удаляемых газов при условии защиты дверей эвакуационных выходов.
Получены аналитические решения системы дифференциальных уравнений, позволяющие прогнозировать динамику ОФП и определить КПП в помещении очага пожара при условии защиты дверей эвакуационных выходов, для обоснования объёмно-планировочных решений помещений зданий и сооружений и оптимизации метода расчёта параметров противодымной вентиляции.
На основании экспериментов разработана инженерная методика определения тепловых потоков в ограждающие конструкции помещения при различной площади горения; разработано устройство измерения скорости выгорания пожарной нагрузки.
Получены экспериментальные данные по потере массы пожарной нагрузки при её горении, по состоянию газовой среды в помещениях (статическое давление, температура), газовой среды в воздуховоде (динамический напор, температура), температурам поверхностей конструкций, тепловым потокам при различных величинах пожарной нагрузки, площади горения, производительности вентилятора.
Разработаны методические рекомендации по применению интегрального метода расчёта динамики ОФП, КПП в помещении очага пожара для обоснования объёмно-планировочных решений зданий и сооружений с учётом безопасной эвакуации людей из помещения очага пожара, оптимизации метода расчёта параметров проти-водымной вентиляции при условии незадымления смежного помещения.
Достоверность и обоснованность результатов исследования обеспечены:
получением аналитических решений уравнений интегральной математической модели пожара для двух смежных помещений на основе интегрального метода термодинамического анализа пожара в помещении, базирующегося на фундаментальных законах физики:.законах сохранения массы, энергии;
внутренней непротиворечивостью результатов экспериментальных исследований и их соответствием теоретическим положениям интегральной математической модели развития пожара в двух смежных помещениях;
определением погрешности прямых и косвенных измерений на основании требований стандартов метрологии;
- возможностью воспроизведения и контроля эксперимента.
Достоверность новизны технического решения по измерению скорости выгора
ния пожарной нагрузки подтверждается авторским свидетельством на изобретение.
Практическая ценность работы заключается:
- в разработке метода к получению и использованию аналитических решений
дифференциальных уравнений развития пожара при работе противодымной венти-
ляции с искусственным побуждением при условии незадымления смежных помещений для обоснования объёмно-планировочных решений зданий и сооружений с учётом безопасной эвакуации людей из помещения очага пожара и оптимизации метода расчёта параметров противодымной вентиляции;
в разработке инженерной методики определения тепловых потоков в ограждающие конструкции помещения очага пожара; устройства для определения скорости выгорания горючей нагрузки, компьютерной программы обработки экспериментальных данных;
в получении экспериментальных данных по температурам в помещениях и на поверхностях конструкций, статическому давлению, динамическому напору, массовой скорости выгорания, тепловым потокам, которые могут быть использованы при решении научных или практических задач.
Апробация и реализация результатов работы. Результаты работы докладывались на 14 научно-технических, научно-практических конференциях, семинарах, симпозиумах, в том числе: VIII Международной научно-технической конференции «Информационная среда вуза» - Ивановская государственная архитектурно-строительная академия (Иваново - 2001 г.), научно-практическом семинаре «Безопасность, экология, энергосбережение» - Ростовский государственный строительный университет (Ростов-на-Дону - 2001 г.), XVIII научно-практической конференции «Снижение риска гибели людей при пожарах» - ВНИИПО (Москва - 2003 г.), Международном симпозиуме «Комплексная безопасность России - исследования, управление, опыт» - ВВЦ (Москва - 2004 г.).
Руководство управления технормирозания ГОССТРОЯ России, Института общественных зданий, концерна «Росэнергоатом» «Калининская атомная станция» положительно оценили результаты исследования, отметив в своих официальных заключениях, что часть результатов работы внедрена в практику. Результаты исследований используются в методическом и научном процессе Черкасского инженерно-технологического института Министерства образования и науки Украины.
Публикации. По результатам диссертационного исследования автором опубликовано 33 работы, из них больше половины индивидуальных статей и докладов на
конференциях, 7 из которых - в центральных изданиях. Получено авторское свидетельство на изобретение.
На защиту выносятся:
модель и алгоритм развития пожара в смежных помещениях, имеющих общий проём и проём, связанный с атмосферой при работе противодымной вентиляции с искусственным побуждением, для обоснования объёмно-планировочных решений помещений зданий и сооружений с учётом безопасной эвакуации людей и оптимизации метода расчёта параметров противодымной вентиляции;
методика исследования процессов тепло-, газообмена в экспериментальном помещении, результаты экспериментальных исследований, методика инженерного определения тепловых потоков в ограждения помещения очага пожара;
аналитические решения системы дифференциальных уравнений развития пожара по прогнозированию динамики ОФП и определению его критической продолжительности при условии незадымления смежного помещения с помещением очага пожара для обоснования объёмно-планировочных решений помещений зданий и сооружении и оптимизации метода расчёта параметров противодымной вентиляции.
Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, выводов, списка .использованной литературы из 156 наименований. Общий объём работы - 212 страниц, содержит рисунки и таблицы, включая 4 таблицы, 31 рисунок, 7 приложений.
Основы противодымной защиты помещений
Моделирование пожаров проводится в двух направлениях: первое - моделирование пожаров в отдельном помещении, второе - моделирование пожаров в здании. Математическое описание пожара в помещении базируется на фундамен тальных законах физики: законах сохранения массы, энергии, количества дви жения. Для описания процесса распространения продуктов горения по зданию широко используется теория аэрации, применяемая на практике при проектировании систем естественной вентиляции промышленных предприятий [13, 14]. В 50 -70 годы в зарубежной и отечественной практике на основе экспериментальных исследований получили развитие математические модели по определению температурного режима при пожарах в помещениях. В работах [60, 97] отличается, что при пожарах в помещениях средних размеров, когда площадь горения занимает основную часть помещения, в усло виях ограниченной вентиляции скорость горения определяется скоростью по ступления воздуха к очагу пожара. По данным Пчелинцева К. А., Томоса П.Х., Ковагое К. площадь вентиляционного проема в этом случае составляет 5-25% от площади пола помещения. Скорость выгорания пожарной нагрузки в этих условиях имеет линейный характер. Ковагое К. установил, что отношение скорости горения (выгорания) материала к параметру вентиляции приблизительно соответствует величине стехиометрического соотношения между количеством поступающего в помещение воздуха к количеству сгораемого материала (типа древесина). Результаты расчета скорости выгорания по этим методикам хорошо согласуются между собой.
Для пожаров в помещениях небольших размеров с горючей нагрузкой, за-нимающей большую часть площади пола помещения при ограниченной и неог-раниченной вентиляции характерно интенсивное перемешивание газов, задымление и непрерывное изменение температуры в объеме помещения. Для определения температурного режима в объеме помещения проводились многочисленные исследования, как на моделях, так и на фрагментах здания в больших экспериментальных помещениях.
В [60] приведены аналитические зависимости для нахождения среднеобъ-емной температуры газов в помещении, полученные Секине Т., Башкирцевым М.П.
Авторы работы [97] утверждают, что расчёты температур по [16, 18] дают хорошее совпадение расчётных значений температур с экспериментальными данными для пожаров, которые развиваются в условиях значительного заполнения пламенем объёма помещения и сильного перемешивания продуктов горения во всём объёме (полное задымление).
В отечественной практике находили применение лабораторные методы исследования процессов аэрации на различных установках на основе математического моделирования, гидро- и электроаналогии процесса развития пожара в здании с целью изучения распространения продуктов горения по зданию и анализа эффективности работы систем противодымной защиты [61, 62]. Дальнейшего развития аналоговые методы моделирования не получили.
Определённого внимания заслуживает работа [57]. Для решения задачи распространения продуктов горения по зданию и определению необходимого времени эвакуации людей из здания авторы использовали рекуррентный метод решения системы нелинейных уравнений при расчётах газообмена в здании, предложенный в [79].
В работе [50] предложен метод гидравлического расчёта схем зданий с произвольной планировкой этажа при различных схемах противодымной защиты зданий. Метод состоит из двух частей: 1) системы идентификации гидравлических схем зданий (метод определения совокупности числовых данных, позволяющих ЭВМ построить соответствующую схеме здания базовую систему уравнений для перепадов давлений (связей) на проёмах здания и других элементах и расходов газов (узлов) для каждого помещения) и 2)метода её решения уравнений. Режим газообмена между узлами стационарный.
Авторами работ [52, 53] разработана математическая модель движения продуктов горения по зданию при пожаре, в основу, которой положены метод идентификации гидравлической схемы здания и метод решения систем уравнений гидравлики [50]. Задача распространения газовых потоков по зданию рассматривается как квазистационарная: расходы продуктов горения и давления в помещениях считаются постоянными в течение промежутка времени t. Система уравнений, описывающих гидравлическую схему здания, решается методом итераций в совокупности с методом половинного деления. Удаление продуктов горения осуществляется из коридора здания.
Различают два основных подхода (принципа) математического моделирования пожаров в зависимости от описания параметров состояния газовой среды в помещениях. Интегральный метод моделирования на уровне усреднённых характеристик (среднеобъёмных параметров), которыми характеризуются условия в области пространства, для любого момента времени [4, 9, 10, 63, 66]. Дифференциальное моделирование (полевое) - для элементарных объёмов, на которые разбивается изучаемая область пространства [12, 91, 92, 100, 113, 114, 146 и др.].
Дифференциальное моделирование позволяет получить локальные значения термодинамических параметров пожара, где независимым аргументом является время.
Промежуточное место в математическом моделировании пожаров занимают зонные модели. Они основаны на применении интегрального метода моделирования - исследуемый объём разбивается на зоны. Зоны выбираются так, чтобы для каждой из них газовую среду можно было описать с достаточной степенью достоверности усреднёнными параметрами [21, 58, 63 и др.].
Зонное моделирование пожаров предполагает условное разбиение на статические и динамические модели [93]. Статические модели состоят из зон, не изменяющих свои геометрические размеры; переменными являются интегральные характеристики газовых сред в зонах [21]. Динамическим моделям присуще изменение размеров зон во времени. В работах [43, 84, 130, 131] рассмотрены динамические зонные модели для помещений большого объёма, учитывающие растекание дыма под потолком и увеличение его толщины при достижении подвижным слоем дыма стен помещения или ограждений - резервуаров дыма. Динамические зонные модели используются для обоснования размеров дымовых люков и количества крышных вентиляторов для обеспечения незадымления рабочей зоны помещения в течение заданного времени и определения необходимого времени эвакуации людей при пожаре.
Среди зарубежных трудов, посвященных изучению распространения продуктов горения по зданию, следует отметить работы [128, 156]. В [156] рассматривается противодымная зашита здания как одно из направлений по обеспечению безопасности людей при пожарах. Приведена общая система уравнений процесса распространения продуктов горения по зданию; блок-схема численного метода решения этой системы. Для решения системы уравнений используются методы последовательного исключения неизвестных и итераций.
Автором [156] решаются две задачи. Первая предполагает расчёт нестационарного процесса распространения продуктов горения по зданию с определением параметров газовой среды для каждого помещения, в результате чего получается прогноз об изменении величины опасных факторов пожара в помещениях. Во втором случае при работе систем противодымной защиты здания пожар рассматривается как стационарный процесс; в результате решения находятся оптимальные параметры противодымной защиты здания.
Режимы пожара и их критериальные оценки
Исследование процесса удаления дыма вентиляционной системой с механическим побуждением а условиях развития пожара в безоконном (бесфонарном) помещении проводилось на фрагменте многоэтажного здания, расположенного на полигоне ВНИИГТО. Фрагмент состоял из одноэтажного здания и пристроенной к нему лестничной клетки на высоту трех этажей. Одноэтажное здание состояло из помещения очага пожара, оборудованного системой дымо-удаления с механическим побуждением, коридора с тамбуром, помещения с контрольно-измерительными приборами (КИП), которое не было связано проемами с другими помещениями и имело выход непосредственно наружу. Побудителем системы дымоудаления во время проведения экспериментов служил вентилятор типа Ц 4-70 N 10.
Помещения фрагмента имели следующие геометрические параметры: высота всех помещений одноэтажной части фрагмента от пола до потолка 2hx = 2h2 = 2/г3 = 2А4 = 3,00 м; ширина и длина помещения пожара я, = 4,00 м, Ьх =5,00ж; площадь пола составляла 20,00 м3, а объем Fj = 60ж3; ширина и длина коридора до тамбура а2 = 1,50 м, Ьг = 14,50 м; площадь пола была равна 21,75 м2, объем V2 = 65,25 м2; ширина и длина тамбура аъ -1,50 м, Ьъ = 2,20 м, площадь -3,33 л 2, объем Уг =9,99 м3; ширина и длина коридора после тамбура а4 = 1,50 м, Ь4 = 2,40 м, а площадь пола и объем, соответственно, составляли 3,60 м2, 10,80 мъ. Лестничная клетка имела высоту 2h5 =12,50 JW, ширину и длину а5 = 2,20 м, Ь5 = 6,00 м, площадь поперечного сечения шахты лестничной клетки равна 13,20 ж2, объем Vs = 165 мъ. Высота тамбура у входа в лест ничную клетку 2Л6 = 2,70л , ширина и длина а6 =2,70л , Ь6 =1,50м, площадь пола -4,05 м2, а объем V6 =10,94 м3. Геометрические характеристики помещений фрагмента здания приведены в табл. 3.1. Стены помещения, где располагался очаг пожара и помещения с КИП, имели толщину 0,385 м, а перегородка между этими помещениями - толщину 0,250 м и были выполнены из шамотного кирпича на цементно-песчаном растворе с добавлением шамотной глины. Стены остальных помещений выполнены из красного кирпича на цементно-песчаном растворе. Толщина стен коридора составляла 0,385 JW, лестничной клетки - 0,64 м, и тамбура у входа в лестничную клетку - 0,125 м. Перекрытие над одноэтажной частью выполнено из монолитного жаростойкого железобетона толщиной 0,40 м, а пол составлен из железобетонных плит толщиной 0,15 м и 0,20 м, Марши лестничной клетки типовые. Помещения фрагмента безоконного (бесфонарного) здания были соединены между собой дверными проемами. Высота дверного проема между помещением очага пожара и коридором, дверных проемов тамбура в коридоре была равна 2,00 м, а ширина 0,9 м. Высота дверных проемов между коридором и лестничной клеткой, между лестничной клеткой и тамбуром, между тамбуром и окружающей атмосферой составляла 2,35ж, а ширина этих проемов равна 1,8 м. Нижние края проемов, отсчитываемые от уровня пола тамбура перед входом в лестничную клетку, имели координаты: уш = 1,50 м для дверного проема между помещением очага пожара и коридором, уги = уън = 1,50 м для двух проемов тамбура в коридоре, у4Я = 1,50 м для дверного проема между коридором и лестничной клеткой, у5Н — у6Н = 0,00 м для остальных проемов. Координаты верхних краев проемов, соответственно, у]В =у2В =Угв =3,50л , У4в=3$5м, У$в =Уьа = 2,35 л . Координаты геометрического центра сечения воздуховода системы вытяжной механической вентиляции в помещении очага пожара имели следующие значение у = 3 30м, Й,/2 = 2,00 AJ,6J =5,00 лг. Диаметр воздуховода равен ЮООлш. Геометрические характеристики проёмов фрагмента здания приведены в табл.3.2. В качестве пожарной нагрузки использовалось дизельное топливо, (QH =48 870кДж/кг), с высокой массовой скоростью выгорания и дымообра-зования. Оно заливалось в противни круглого сечения диаметром 0,50 м, 0,71 м и 1,00 м при высоте борта противня - 0,30 м. Перед проведением опытов противень с топливом устанавливался на платформе, изготовленной из металлических уголков длиной 1 м, соединенных крестом на оси стальной опоры, проходящей через перекрытие в помещение подвала. Опора соединялась с уст-ройством измерения скорости выгорания [1] (приложение I) или весами для измерения массы пожарной нагрузки. Расстояния от стальной опоры до стен составляли aj2 = 2M и &, /2 = 2,5 м. В ходе экспериментального исследования, кроме изменения площади горения, варьировалась производительность системы дымоудаления из помещения очага пожара. Перед началом опытов приводилась в действие система дымоудаления, и снимались показания всех приборов. В качестве источника зажигания использовался электрозапальник с питаниєм от сети переменного напряжения 26В. Пуск приборов, регистрирующих параметры пожара и управление опросом точек измерения, осуществлялся одновременно от отметчика времени.
Температура ограждающих конструкций помещения очага пожара
Измерения распределения перепадов статических давлений внутри поме щений фрагмента здания и окружающей атмосферой проводилось во всех по мещениях. Для измерений перепадов давлений внутрь помещений были выве дены медные трубки диаметром 10-14 мм. Концы трубок отбора давлений располагались от плоскости стен помещения очага пожара и ближайших к нему точкам измерения в коридоре на расстоянии 0,4 м, в остальных помещениях на -г расстоянии - 0,2 м, для исключения влияния на измерения пограничных слоев газовых сред у стен помещений. Координаты точек отбора давлений характеризовались следующими значениями: по высоте помещений одноэтажной части фрагмента ух= 1,80 м, у2 3,00 м, уг— 3,60 м, у4= 4,20 м; по высоте лестничной клетки ух= 1,80 м, у2= 3,00 м у3= 3,60 м, у4= 4,20 м, у5= 5,25 л/, у6 6,75 л/, у7= 8,25 л , _у8— 9,75 м\ по высоте тамбура у входа в лестничную клетку - ух= 0,30 м, у2= 1,50 м, уъ— 2,10 JW, у4= 2,70 л . В плане здания - х{ =bj2 = 2,50 м, zx =ЙГ, -0,4= 3,60м; х2— 3,95 ж, z2= 3,60ЛІ; Х3 = 1,30 ЛІ, Z3= 2,00 ЛІ; Х4= 1,30ЛІ, 24=8,10ЛІ; XS = 1,30 л , ZS= 10,40л/; Л;6І!=2,00ЛІ, z6g= 10,60л/; л:7=8,90 м, z7 = 10,00 ж. На рис. 3.7 приведено размещение точек отбора давлений в помещениях фрагмента здания.
Трубки отбора давлений через клапаны ЭКР-3 системы автоматического управления были подключены к "минусовым" камерам четырех колокольных дифференциальных манометров типа ДКО-3702. Система автоматики обеспечивала опрос точек измерения перепадов давлений в строго определенных уровнях и соответствующей последовательности. Первыми опрашивались точки измерения, расположенные в помещении очага пожара, потом коридора и т.д. К каждому дифманометру подключались точки опроса только одного уровня. Вторые камеры дифманометров посредством трубок соединялись с окружающей атмосферой с наружной стороны помещения очага пожара на уровнях, соответствующих расположению точек опроса измерений давлений в одноэтажной части фрагмента здания. Дифференциальные колокольные взаимозаменяемые манометры ДКО 3702, имели предел допускаемой основной погрешности ± 1,5 % [83]. Подключались к автоматическим самопишущим одноточечным взаимозаменяемым приборам дифференциально-трансформаторной измерительной схемой типа КДС-2, с пределом допускаемой основной приведённой погрешности ± 1,0 %, и пределом измерения от 0 до 50 Па с перемещением диаграммной ленты со скоростью 2400 мм vacQ.
Контроль показаний дифманометров непосредственно перед проведением экспериментов осуществлялся по образцовому жидкостному компенсационному микроманометру с микрометрическим винтом типа МВВ-250 класса точности 002. Время опроса точек измерений давлений определялось временем измерения температур и составляло 30 с. Дифманометры измеряли разность давлений между окружающей атмосферой и помещениями фрагмента здания в указанной выше последовательности.
По результатам измерений для каждой точки строился график зависимости перепада давления от времени. После исключения промахов (как при измерениях температур) показания интерполировались для получения значений перепадов давлений в моменты времени с шагом равным 30 с, сглаживались и аппроксимировались МНК полиномом п - степени.
По полученным результатам перепадов давлений для каждого помещения в фиксированные моменты времени развития пожара строился график зависимости перепада давления и координаты у. По перепадам давлений в / - ых точках измерения для каждого J - го помещения определялась функциональная зависимость APiy = f(y). Уровень равных давлений между атмосферой и помещениями находился из условия АР0 = 0, где АР0- —Ри- Рд. При этом учтено, что pmj = ра, кроме первого помещения. Уровни равных давлений между помещениями фрагмента здания определялся из равенства APmJ=APmJ+i, а значения средних перепадов давлений в помещениях &PmJ находилось путем численного интегрирования функции Д/ = f[y) по высоте помещений. При этом использовалось выражение где Paj Ра - gpaHv - наружное давление на уровне половины высоты j - го помещения одноэтажной части фрагмента здания, Па\ h — половина высоты помещения, м, Погрешность результата измерения средних по объёму помещений перепадов давлений характеризовалась погрешностями системы средств измерения, дискретным характером данных и погрешностями оператора при считывании показаний с диаграммной ленты, Доверительные границы погрешности результатов измерения средних по объёму помещения перепадов давления при доверительной вероятности Р 0,95 не превышали 5 = +6,5 %. Во время проведения экспериментов ветровые воздействия отсутствовали. Поэтому не представилось возможности зафиксировать влияние ветровых воздействий на процесс развития экспериментального пожара. Результаты измерений перепадов давлений между первым, вторым помещениями и атмосферой приведены в приложении IV.
Массовая скорость выгорания. Приведённая тепловая нагрузка помещения
Проведённые экспериментальные исследования процесса развития пожара при удалении дыма из помещения очага пожара, позволили провести обобщение результатов по направлениям: определение тепловых нагрузок строительных конструкций, динамики опасных факторов пожара, его критической продолжительности в условиях работы механической вентиляции.
Определение математических моделей (функций) описания факторов проведено с указанием вида моделей и определения их параметров (значений коэффициентов, показателей степеней и т.п.). Искомые функции определены как функция одной переменой или, как и функция нескольких переменных. Нефор-мализуемые задачи выбора вида функций в ряде случаев описаны различными аналитическими выражениями. При выборе математических моделей учитывались удобство последующего использования, компактность, содержательность, т.е. интерпретируемость предлагаемых описаний - придание определённого смыслы константам или функциям, входящим в найденные математические модели.
Факторами, оказывающими влияние на величину скорости выгорания топлива, являлись: количество кислорода, поступающего в зону горения; высота борта противней; отклонение факела пламени от вертикального положения в сторону вытяжки, наличие воды под слоем (в слое) топлива и др. [2, 6, 19, 47, 78,81].
Отклонение факела пламени от вертикального положения приводило к уменьшению теплового потока, участвующего в подготовке жидкости к горению, следовательно, к снижению скорости выгорания. В тоже время, наличие потока газов с определённой скоростью в сторону вытяжки могло привести к увеличению скорости выгорания за счёт интенсивности излучения факела и увеличения подвода тепла к нефтепродукту через стенку, пламя омывало наружную стенку противня.
Наличие воды в топливе оказывало влияние на его прогрев. От влажности нефтепродукта зависела температура на его поверхности и в горящей жидкости. Наличие воды снижало скорость выгорания топлива за счёт потери значительной доли тепла, поступающего от факела пламени к поверхности жидкости, расходуемого на испарение воды из топлива.
Понижение уровня топлива в противне вело к увеличению расстояния от поверхности горящего топлива до зоны горения. Это приводило к снижению количества вещества (снижению градиента концентрации паров топлива), доставляемого в зону горения в единицу времени.
В результате поведения экспериментов установлено, что в условиях проведения опытов стабилизация процесса горения не наступает. По-видимому, на процесс выгорания жидкости большое влияние оказывает снижение уровня жидкости в противне, а не высокая скорость выгорания обусловлена присутствием воды и отклонением факела племени от вертикального положения. В дальнейшем условно использован термин «время стабилизации горения», под которым понимается время достижения максимальной скорости выгорания.
Анализ опытных данных показал, что при условиях проведения экспериментов массовая скорость выгорания пожарной нагрузки не является постоянной, а изменяется с течением времени. Величина удельной массовой скорости не превышала значений указанных в литературе [4, 96] ц/а -150 кг/(м2ч). Установить конкретный вид модели влияния всех выше перечисленных факторов на скорость горения жидкости в помещении не представилось возможным, поэтому скорость горения определена как функция одной переменной - времени, и как функция двух переменных времени и диаметра противня. График на рис. 3.11 показывает, что результаты экспериментальных наблюдений дискретных величин опытов № 1-3 в сходственные моменты времени практически совпадают. Следовательно, значение тг этих величин определяют некоторое свойство совокупности, которое при замене их средней величиной тг не изменит свойство этой совокупности. В качестве среднего значения величин тг в каждый момент времени t принята его средняя арифметическая величина тг. Первоначально проведено обобщение результатов измерений линейной функцией. На первый взгляд графики изменения массы выгоревшей пожарной нагрузки (рис.3.11) близки к прямой линии, поэтому метод выравнивания, который заключается в преобразовании функции тг = p(t) таким образом, чтобы превратить её в линейную функцию не использовался.
