Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ существующих методов определения необходимого времени эвакуации людей из помещения при воспламенении горючей жидкости 13
1.1. Нормативные критерии своевременной и беспрепятственной эвакуации людей 13
1.2. Проблема использования полевых математических моделей пожара в инженерной практике для вычисления необходимого времени эвакуации 15
1.3. Анализ существующих методов расчета критической продолжительности пожара, базирующихся на интегральной математических моделей пожара с использованием различных допущений 18
2. Математическая модель начальной стадии пожара в помещении при воспламенении горючей жидкости . 38
2.1. Исходные положения и уравнения 38
2.2. Лучистый тепловой поток от факела пламени в ограждения 43
2.3. Конвективная теплоотдача от газовой среды в ограждения 51
2.4. Температурный режим пожара при горении горючей жидкости 58
2.5. Снижение концентрации кислорода в помещении при возникновении пожара 72
2.6. Накопление токсичных газообразных продуктов горения в помещении при возникновении пожара 80
2.7.Снижение дальности видимости при пожаре в помещении 85
2.8. Модифицированная математическая модель начальной стадии пожара, учитывающая изменение скорости выгорания горючей жидкости со временем 88
3. Экспериментальные исследования. Методика экспериментов, анализ результатов измерений и их обработка, сравнение теории с опытом 109
3.1.Общие сведения о базе опытных данных, полученных при исследованиях пожаров, возникающих при воспламенении горючей жидкости 109
3.2. Методика определения поправки к показанию ТЭТ при быстром изменении температуры газовой среды, заполняющей помещение в начальной стадии пожара 113
3.3. Методика экспериментального определения средней температуры газовой среды 129
3.4. Экспериментальное исследование температурного режима пожара в маломасштабных моделях помещения и сравнение результатов опытов с теорией 135
3.5.Экспериментальные исследования пожаров в натурных объектах и сравнение результатов опытов с теоретическими расчетами. ...165
3.6. Обобшение экспериментальных данных о критической продолжительности пожара. 175
3.7.Анализ результатов измерений концентраций компонентов газовой среды, заполняющей помещение при пожаре, их обработка и сравнение с теоретическими расчётами 182
Общие выводы 188
Список литературы 190
Приложение. Акты внедрения 196
- Проблема использования полевых математических моделей пожара в инженерной практике для вычисления необходимого времени эвакуации
- Конвективная теплоотдача от газовой среды в ограждения
- Накопление токсичных газообразных продуктов горения в помещении при возникновении пожара
- Экспериментальное исследование температурного режима пожара в маломасштабных моделях помещения и сравнение результатов опытов с теорией
Введение к работе
Актуальность работы. В России в последнее десятилетие ежегодно на объектах различного назначения происходит около четверти миллиона пожаров. Каждый год на пожарах гибнет 17-18 тыс. человек и почти столько же травмируется. Число погибших людей в расчёте на одного жителя России во много раз превышает аналогичный показатель в развитых зарубежных странах. Проблема повышения уровня безопасности людей на пожарах является особенно актуальной.
Для обеспечения безопасности людей необходимо разрабатывать и обосновывать конструктивные и объёмно-планировочные решения в строительстве с учётом динамики опасных факторов пожара (ОФП) и вероятности воздействия этих факторов на человека. Эти решения должны предусматривать возможность своевременной и безопасной эвакуации людей в случае возникновения пожара. Эвакуация является успешной, если расчётное время эвакуации меньше необходимого времени эвакуации. Это условие безопасности, сформулированное в ГОСТ12.1.004-91, лежит в основе нормирования процесса эвакуации. Моделирование этого процесса (этот вопрос подробно рассмотрен в работах профессора В.В. Холщевникова) позволяет определить расчётное время эвакуации.
При проектировании необходимых для этого эвакуационных путей и выходов нужно располагать методом расчёта критической продолжительности пожара (КПП).
Особенного внимания в этом отношении требуют объекты с повышенной пожарной опасностью. К таким объектам относятся цеха химических и нефтеперерабатывающих предприятий, складские помещения и другие сооружения, в которых обращаются и хранятся значительные количества горючих жидкостей. Разработке методов определения КПП в таких объектах был посвящен целый ряд экспериментальных и теоретических исследований динамики ОФП.
Экспериментальные исследования динамики ОФП в помещениях при горении ГЖ проводили Пчелинцев В.А., Демский ВГ(1965), Башкирцев М.П.(1967), Юн СП. (1985), Гуско И.Д. (1988) и др исследователи. Конечные результаты, представленные разными авторами в виде эмпирических или полуэмпирических формул для расчёта критической продолжительности пожара (КПП) носят частный характер и не согласуются друг с другом. Критического анализа, классификации и систематизации всех имеющихся опытных данных о динамике ОФП при горении ГЖ до настоящего времени не проводилось.
Теоретические исследования проводились на основе интегрального и полевого математического моделирования пожара.
Значительный вклад в развитие полевого метода моделирования был сделан в работах Рыжова A.M., Пузача СВ., Снегирёва А.Ю., Страхова В.Л., Астаховой И.Ф., и ряда зарубежных учёных. Исследования динамики пожаров на основе полевой модели носили характер численного единичного эксперимента. Результаты таких экспериментов получены для ряда частных условий в некоторых помещениях с конкретными геометрическими характеристиками. Обобщений результатов таких численных экспериментов для каких-либо классов пожаров с целью получения достаточно общих аналитических зависимостей КПП от определяющих факторов до сих пор не проводилось.
Значительный вклад в развитие интегрального метода моделирования, предложенного проф. Кошмаровым Ю.А., был сделан в работах Зотова Ю.С. Матюшина А.В., Меркушкиной Т.Г., Зернова СИ., Астапенко В.М, Шевлякова А.Н, Молчадского И.С., Юна СП., Рубцова В.В., и др. Интересные разработки по вопросу комбинированного метода использования полевого и интегрального моделирования были опубликованы в работах Пузача СВ. и Казёнова В.М.Теоретические разработки интегрального метода моделирования послужили основой для создания аналитической методики расчёта КПП при горении ГЖ, представленной в Государственном Стандарте (ГОСТ
12.1.004-91). Однако, формулы Государственного стандарта для расчета КПП были получены с использованием малообоснованных допущений при решении дифференциальных уравнений интегральной модели пожара. Одним из таких, наиболее существенных, допущений является постулат о том, что отношение теплового потока в ограждения к скорости тепловыделения в очаге горения есть величина постоянная в течение всего интервала времени, равного КПП.
На основании проведённого анализа было установлено, что результаты расчётов КПП при горении ГЖ по известным эмпирическим формулам, по формулам ГОСТа и по формулам, представленным разными авторами в работах, опубликованных после ГОСТа, могут отличаться друг от друга в несколько раз. Кроме того, существующие формулы плохо согласуются с данными экспериментов, полученными разными исследователями при существенно различающихся условиях. Этот анализ показал, что в настоящее время отсутствует достаточно обоснованный и апробированный аналитический метод расчёта КПП при воспламенении ГЖ. Следовательно, разработка на базе интегрального метода более совершенной математической модели начальной стадии пожара при воспламенении ГЖ и создание на её основе обоснованного и достоверного аналитического метода расчёта КПП является актуальной задачей обеспечения безопасности людей при пожарах. Достоверное прогнозирование динамики ОФП необходимо для разработки и обоснования объёмно-планировочных решений зданий и сооружений, обеспечивающих в случае пожара возможность безопасной эвакуации людей. Объектом исследования в данной работе являются локальные пожары в помещениях и сооружениях при фиксированной площади очага горения ГЖ. Предметом исследования являются закономерности процессов нарастания всех ОФП со временем в начальной стадии пожара. Начальной стадией пожара (НСП) в данной работе называется интервал времени (отсчитываемый от момента воспламенения ГЖ), по истечению которого температура среды в рабочей зоне становится равной предельно-
допустимому для людей значению т.е. ^-70^ (ГОСТ 12.1.004-91). Для обозначения этого интервала времени используется аббревиатура «KillIT». Если какие-либо ОФП (концентрация Ог и токсичных газов, оптическая плотность дыма) достигают своих критических значений за время, меньше указанного, то наименьшее из них рассматривается как КПП.
Наиболее опасные варианты проявления процессов нарастания ОФП в случае, когда помещения имеют малую проёмность. Поэтому в данной работе рассматриваются пожары в таких помещениях (Fn^^, / Fnoil « 1). Интенсивность выгорания ГЖ зависит от расположения очага горения относительно вертикальных ограждений (стен помещения). Наибольшая тепловая мощность очага горения наблюдается при условиях, когда очаг достаточно удалён от стен помещения. В работе исследуется динамика ОФП при этом условии.
Целью работы является разработка более точного аналитического метода расчёта КПП на действующих и строящихся объектах повышенной опасности для обоснования их объёмно-планировочных и технических решений, обеспечивающих возможность безопасной эвакуации людей. Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
- провести анализ существующих методов обоснования объёмно-
планировочных решений зданий и сооружений с учётом обеспечения
безопасной эвакуации людей при возникновении пожара и используемых в
качестве основы методов прогнозирования ОФП;
выполнить сравнительный анализ существующих методов расчёта КПП в помещениях при воспламенении ГЖ;
проанализировать современные представления о тепловом взаимодействии ограждающих конструкций с газовой средой и факелом пламени (ФП); разработать модель сложного теплообмена с учётом экспериментальных данных о зависимости геометрических характеристик ФП от интенсивности газофикации ГЖ;
разработать интегральную математическую модель начальной стадии локального пожара в помещении с учётом полученной зависимости суммарного теплового потока в ограждения от состояния газовой среды и характеристик ФП;
получить решение дифференциальных уравнений математической модели НСП при постоянной скорости тепловыделения в очаге горения и аналитические формулы для расчётов КПП;
разработать модифицированную модель НСП, позволяющую учитывать при прогнозировании ОФП и расчётах КПП неустановившийся режим горения ГЖ;
провести тщательный анализ и систематизацию всех накопленных к настоящему моменту времени экспериментальных данных о динамике ОФП при горении ГЖ, полученных на моделях помещений и на натурных объектах; для этих целей разработать единую методику обработки показаний измерительных устройств, позволяющую исключить систематические погрешности;
осуществить апробацию разработанной математической модели НСП путём сравнения теоретических расчётов динамики ОФП с экспериментальными данными; представить экспериментальные данные о КПП, полученные при различных условиях, в обобщённом виде.
Научная новизна работы состоит в следующем:
разработана модель сложного теплообмена ограждающих конструкций в НСП с газовой средой и факелом пламени, учитывающая зависимость геометрических характеристик ФП от интенсивности газофикации ГЖ;
разработана интегральная математическая модель НСП в помещении с учётом полученной зависимости суммарного теплового потока в ограждения от состояния газовой среды и характеристик ФП, формирующегося над поверхностью ГЖ; представлена математическая постановка задачи о динамике ОФП;
- получено решение задачи о динамике ОФП при постоянной скорости
тепловыделения в очаге горения и аналитические формулы для расчётов
КПП при воспламенении ПК;
-разработана модифицированная модель НСП, позволяющая учитывать при расчётах динамики ОФП и КПП неустановившийся режим горения ГЖ;
- разработана методика обработки показаний термоэлектрических
термометров, использованных при экспериментальных исследованиях
динамики ОФП, позволяющая исключить систематическую погрешность
измерений быстроменяющейся температуры газовой среды, обусловленной
термической инерцией термометров и радиацией ФП;
- проанализированы и систематизированы результаты всех экспериментов,
выполненных на моделях помещений и на натурных объектах;
- впервые получены обобщённые зависимости ОФП от времени,
удовлетворительно сходящиеся со всеми опытными данными в широком
диапазоне условий, и создан достоверный аналитический метод расчёта КПП
в помещении при воспламенении ГЖ.
Достоверность представленных в работе результатов подтверждается использованием фундаментальных законов физики; удовлетворительной сходимостью результатов теоретических расчётов ОФП и КПП с экспериментальными данными, полученными при различных условиях проведения опытов на моделях помещений и на натурных объектах. Практическая значимость работы заключается в совершенствовании научной основы обеспечения безопасности эвакуации людей при пожаре на действующих и строящихся объектах повышенной пожарной опасности, в которых обращается и хранится значительное количество ГЖ. Предложенная методика расчёта ОФП и КПП позволяет более точно, чем существующие, решать задачи пожарной безопасности на объектах повышенной пожарной опасности.
Апробация работы. Результаты работы использованы управлениями ГУ ГО и ЧС Краснодарского края при экспертизе проектно-сметной документации
строящихся и реконструируемых объектов; УГПС МЧС МО ОГПН по Истринскому району для экспертизы проектов строительства; в Тихорецком районном нефтепроводном управлении ОАО «Черномортранснефть» в части расчёта времени эвакуации персонала из помещений зданий насосных перекачивающих станций; результаты работы были использованы в учебном процессе в Академии ГПС МЧС России при разработке фондовых лекций по курсу «Прогнозирование опасных факторов пожара», в Ростовском ГСУ при проведении лекционных занятий по теме «Лучистый теплообмен» на кафедре пожарной и производственной безопасности РГСУ. Публикации. Основные результаты работы опубликованы в четырёх научных трудах. Основные положения, выносимые на зашиту:
усовершенствованная математическая модель начальной стадии локального пожара в помещении при воспламенении ГЖ, разработанная с учётом современных сведений о характеристиках факела пламени над поверхностью ГЖ и конвективной теплоотдаче ограждающих конструкций;
новое аналитическое решение задачи о динамике ОФП в начальной стадии пожара, полученное при постоянной скорости тепловыделения в очаге горения путём интегрирования уравнений математической модели пожара без использования применявшегося в ранее опубликованных работах постулата о постоянстве «коэффициента теплопотерь»;
новые аналитические решения задачи о динамике ОФП пожара при неустановившемся режиме горения ГЖ на основе модифицированной математической модели начальной стадии пожара;
- новые аналитические методы расчёта КПП в помещении при
воспламенении ГЖ, позволяющие учитывать неустановившийся режим
горения ГЖ в начальной стадии пожара;
впервые разработанная методика оценки систематических погрешностей измерения быстроменяющейся в начальной стадии пожара температуры газовой среды, обусловленных инерционностью термоэлектрических термометров (ТЭТ) и радиацией от факела пламени (ФП);
результаты апробации разработанных методов прогнозирования ОФП и расчётов КПП путём сравнения теоретических расчётов с экспериментальными данными, полученными при различных условиях на разных моделях помещений и на натурных объектах.
Проблема использования полевых математических моделей пожара в инженерной практике для вычисления необходимого времени эвакуации
Наиболее сложными в математическом отношении являются полевые модели. Эти модели основываются на использовании известных уравнений механики сплошной среды, включающих в себя реологический закон Стокса, закон теплопроводности Фурье, закон диффузии, законы радиационного переноса в газовой задымлённой среде и т.п. Эта система уравнений в частных производных, описывающая изменение во времени плотности, температуры и состава газовой среды в каждой точке пространства внутри помещения, является чрезвычайно громоздкой и её численное решение даже с помощью современных высокопроизводительных ЭВМ связано с большими трудностями. Существующие численные методы, реализующие различные конечно-разностные схемы исходной системы уравнений, чрезвычайно трудоёмки; при их использовании требуется большое время вычислений для каждого варианта расчётов. Существуют так же проблемы принципиального характера. Одной из таких проблем является недостаточная изученность явления турбулентности, которую необходимо учитывать при использовании полевых моделей. Известные варианты моделей турбулентности (модель K-s, модель К-, алгебраическая модель) далеки от универсальности. Более того, в работе СВ. Пузача отмечается, что попытки найти универсальную модель турбулентности зашли в тупик (см.[35], стр.8). Одной из серьёзных проблем при использовании полевых моделей для прогнозирования ОФП в помещении при воспламенении горючих жидкостей является недостаточная изученность неустановившегося процесса выгорания (газификации) горючих жидкостей (ГЖ), который наблюдается всегда в начальной стадии пожара. В ряде известных работ, в которых была осуществлена численная реализация полевой модели пожара, используются для вычисления удельной скорости газификации ГЖ различные формулы «гипотетического» характера. Например в работе [35] используется формула, имеющая следующий вид (см. [35] стр.30.):
Использование такой зависимости позволяет получить лишь качественные представления о динамике ОФП, поскольку процесс газификации ГЖ (выгорания) существенным образом влияет на процесс формирования полей плотностей, температур и других параметров среды в помещении, (т.е. на динамику ОФП). Например в работе A.M. Рыжова [61] было установлено, что при использовании «гипотетической» модели газификации горючей жидкости, согласно которой скорость потери массы ГЖ является постоянной величиной, не зависящей от времени (что, вообще говоря, не соответствовало экспериментальным наблюдениям), результаты исследования динамики ОФП с помощью полевой модели существенно искажаются по сравнению с тем, которые даёт эта же полевая модель пожара при использовании полученной экспериментальным путём зависимости скорости газификации ГЖ от времени в начальной стадии пожара (см. [61], стр. 75-56).
Подробный анализ проблем развития полевых моделей пожара, перспектив их использования в инженерной практике и обзор результатов численного решения с их помощью некоторых частных задач по прогнозированию ОФП содержатся в работах Н.Н. Брушлинского, А.М. Рыжова, А.Ю. Снегирёва, И.С. Молчадского, СВ. Пузача, Ю.А. Кошмарова. [21,61,43,62,22,35,63]. Здесь следует отметить, что прогнозирование ОФП с помощью полевых моделей в каждом конкретном случае представляет собой очень трудоёмкую и сложную научно-исследовательскую работу. Для выполнения этой работы требуется высококвалифицированные научные кадры. В настоящее время в мире существует значительное количество полевых моделей, разработанных специалистами различных стран. Например, в Англии на протяжении последних десятилетий разрабатываются и улучшаются две научно-исследовательские полевые модели пожаров -Jasmine и Sofie.
Jasmine и Sofie — это компьютерные программы, использующие методы CFD (Computational Fluid Dynamics Techniques). Использование, например Sofie (Simulation of Fires in Enclosures) «требует как больших финансовых возможностей исследователя, так и большой трудоёмкости по освоению и настройке программы для решения конкретных задач» (см. СВ. Пузач [35], стр.17). Здесь уместно также привести замечание заслуженного деятеля науки России, профессора Н.Н. Брушлинского о том, что «в адрес существующих разработок полевых ММП нарастает волна критических замечаний, связанных прежде всего с недостаточной точностью большинства известных полевых моделей, что, конечно же, является главным образом следствием принципиальной неточности современных научных представлений о пожаре, его динамике, турбулентности и многом другом». (См. [21], стр.480).
В связи с вышеизложенным, можно сказать, что в настоящее время полевые модели пожара остаются пока для инженерной практики «вещью в себе». Кроме того, следует отметить, что далеко не для всех прикладных вопросов пожарно-технических задач необходима столь детальная информация о динамике пожара, которую покалишь только в принципе могут давать полевые модели. Поэтому на практике инженеры Государственной противопожарной службы и проектировщики используют другие, более простые в математическом отношении модели пожара. Наиболее простой в математическом отношении является интегральная математическая модель динамики ОФП в помещении.
Интегральная математическая модель динамики ОФП была создана лишь в середине 70-х годов [5,58]. Она получила впоследствии название интегральной модели пожара. Эта модель описывает изменение усреднённых параметров состояния газовой среды во времени в процессе развития пожара в помещении.
Конвективная теплоотдача от газовой среды в ограждения
Некоторые экспериментаторы при исследовании динамики ОФП при горении ГЖ недостаточное внимание уделяли процессу развития пожара в его начальной фазе, компенсируя это затем путём малообоснованной «интерполяцией» в области, которая заключена между моментом воспламенения ГЖ и «развившейся» стадией пожара. Методика измерения, например быстроизменяющейся температуры газовой среды, в ряде исследований была недостаточно проработана. Нужно при этом иметь в виду, что в интервале времени, равном КПП, диапазон изменения параметров состояния газовой среды в помещении является относительно небольшим. Например, изменение температуры составляет несколько десятков градусов. Во-вторых, процессы изменения параметров среды в начальной стадии пожара происходят с относительно большой скоростью. В связи с этим, ошибки в измерении температуры среды, обусловленные например, инерционностью датчиков, могут приводить к значительным погрешностям при экспериментальном определении КПП. Следует сказать, что до сих пор отсутствовала попытка критического анализа всех существующих результатов измерений, их систематизации и классификации, не было единого метода обработки результатов измерений, позволяющего исключить систематические погрешности измерений. Данные разных экспериментаторов, полученных для начальной стадии пожара, рассматривались в некотором смысле «автономно» и не «интегрировались» в единую, (универсальную) аналитическую структуру объединяющую и объясняющую результаты всех экспериментальных исследований. Другими словами, до настоящего времени не проводилась соответствующая работа по обобщению всех известных опытных данных о динамике ОФП и КПП при горении ГЖ. По нашему мнению основой такой работы должна быть дальнейшая разработка математической модели начальной стадии пожара, учитывающая современные представления о процессах теплообмена ограждающих конструкций и процессах газификации ГЖ.
Анализируя известные результаты исследований динамики ОФП и методы определения КПП, выполненные на основе интегральной модели пожара, следует отметить представленную в учебных пособиях [56, 60] разработанную компьютерную программу для численного решения полной (неупрощённой) системы дифференциальных уравнений интегральной модели пожара. В этой программе для численной реализации использован метод Рунге-Кутта-Фельберга 4-5 порядка точности с переменным шагом. Недостатком этой программы является то обстоятельство, что в математической модели была использована для начальной стадии пожара эмпирическая формула, описывающая теплообмен ограждающих конструкций без учёта радиации от факела пламени. Эта формула была заимствована из работы [19]. Выше уже отмечалось, что она в принципе является некорректной и не отражает реальную ситуацию. Поэтому программу следует переработать. Кроме того, в разработанной программе для описания процесса газификации ГЖ используется некоторая «гипотетическая» зависимость, которая носит частный характер и может существенно отличаться от экспериментальных данных. В этом отношении программу желательно переработать так, чтобы можно было вводить в компьютер результаты, заимствованные из экспериментальных исследований процессов газификации различных ГЖ. Эти замечания существенны, если говорить об использовании этой программы для решения реальных инженерных задач. Поскольку эта программа используется в учебных целях и вполне позволяет получать данные для качественного анализа, сделанные замечания можно не учитывать.
Однако, в принципе по поводу вышеописанной численной (компьютерной) интегральной модели начальной стадии пожара можно сделать следующие замечания. Для инженеров и проектировщиков использование компьютерной программы для исследования динамики ОФП и особенно для определения КПП является процедурой малоудобной, особенно в связи с необходимостью выполнять анализ многофакторной задачи обеспечения безопасной эвакуации людей из помещения при возникновении пожара. Следует полностью согласиться с мнением профессора д.т.н. А.В. Матюшина о том, что крайне «актуально при разработке инженерной методики определения необходимого времени эвакуации людей из помещения при пожаре...» располагать «аналитическими зависимостями, позволяющими рассчитывать значения ОФП без применения ЭВМ [37].
В нашей работе [2], опубликованной в 2001 г, была показана принципиальная возможность отказаться от использования самого понятия коэффициента теплопотерь, т.е. отказаться от грубого допущения о постоянстве доли выделяемой в очаге горения ГЖ тепловой энергии, затрачиваемой на нагревание ограждающих конструкций, и при этом свести интегрирование уравнений начальной стадии пожара к квадратурам при постоянной скорости газификации ГЖ. Более того, было установлено, что за счёт «линеаризации» уравнения конвективной теплоотдачи можно получить аналитическое решение задачи без заметной потери точности в результатах вычисления КПП. Эти идеи получили дальнейшее развитие в настоящей работе.
В отдельную группу математических моделей пожара выделяют так называемые зонные модели [5]. В определённом смысле интегральное моделирование является подмножеством зонного с одной зоной [62]. Зонные модели нашли применение при исследовании динамики ОФП в атриумных зданиях [67, 66 и др.]. В данной работе зонные модели не рассматриваются.
Накопление токсичных газообразных продуктов горения в помещении при возникновении пожара
В реальных условиях всегда после воспламенения ГЖ в течение некоторого промежутка времени имеет место неустановившееся горение. В течение этого промежутка времени удельная скорость выгорания постепенно увеличивается. Лишь по истечению этого промежутка времени горение стабилизируется, и удельная скорость выгорания ГЖ становится неизменной. Этот промежуток времени называется временем стабилизации.
Неустановившийся процесс горения ГЖ изучался экспериментально рядом исследователей [10],[19],[27]. В работе [27] были получены данные об изменении скорости выгорания бензина, заливаемого в металлические поддоны, эквивалентный диаметр у которых изменялся от %э = 0.064м до сЬ = 0.225м. Для таких значений эквивалентного диаметра очага горения установившаяся удельная скорость выгорания бензина, согласно приведённым данным в работе [7], составляет величину, равную У = 0.02- 0.026 кгм2-с" .
В работе [27] были получены данные об изменении средней скорости выгорания бензина в небольшом интервале времени, отсчитываемого от момента воспламенения, а именно, при 0 Т 1.5мин. В течение этого интервала времени наблюдалось увеличение скорости выгорания. За этот промежуток времени процесс горения не стабилизировался. Было установлено, что в первые моменты времени (т.е. при Т — 0) после воспламенения ГЖ удельная скорость выгорания бензина составляла У (г- 0)=0.0066 кг-мГ с"1. Методика экспериментов, использованная в работе [27], не позволила получить данные о времени стабилизации. В работе [19] изучались процессы выгорания бензина и дизельного топлива, заливаемых в металлические поддоны, размеры которых изменялись от с1э = 0.07м до d3= 0.56м. (см. [19,стр. 88]). На рис.2.5. и 2.6. представлены результаты экспериментального исследования зависимости средней скорости выгорания зимнего дизельного топлива от времени, при двух разных значениях эквивалентных диаметрах площади горения, соответственно, при rf:, = 0.226м и d3 = 0.339м. Экспериментальные данные представлены кружочками и крестиками. Пунктирными линиями представлены зависимости Ууд =f(v) , полученные в результате осреднения опытных данных. Экспериментальные данные взяты из протоколов, представленных на стр.178 - 179 работы [19]. Представленные на рис.2.5. и 2.6. графики иллюстрируют характер зависимости средней скорости выгорания ГЖ от времени при различных значениях эквивалентного диаметра очага горения. Средняя удельная массовая скорость выгорания определялась в работе [19], а так же в работе [7], по результатам измерений массы выгоревшей ГЖ в фиксированные моменты времени. При этом использовалась следующая формула: Из опытных данных, полученных в работе [19], следует, что время стабилизации процесса горения может составлять значительную величину. Автор работы [19], анализируя результаты опытов, отметил, что время достижения установившееся скорости выгорания ГЖ может составлять 10 - 20 мин. Он предложил принять время стабилизации при горении слоя ГЖ, толщиною 2 - 5 см, равным 15 мин ([19], стр87). Следует сделать одно замечание по поводу экспериментальных зависимостей, которые наблюдались в опытах, описанных в работе [19]. Дело в том, что поддоны с ГЖ размещались в маломасштабных моделях помещений, имеющих небольшой объём ( V[ = 0.039 м3, У2 = 2.49 м3). По истечению большого времени (г 5 мин), когда температура газовой среды в помещении достигла значений Тт 200С, в таких моделях при горении ГЖ могла заметно снижаться концентрация кислорода. Снижение концентрации кислорода влияло на скорость выгорания. Поэтому время стабилизации процесса горения ГЖ в моделях помещений небольших размеров может отличаться от времени стабилизации горения ГЖ в неограниченном объёме. По этой причине время стабилизации процесса горения ГЖ при фиксированном значении объёма помещения может быть разным при разных значениях площади очага горения. Установившаяся скорость выгорания ГЖ, как показали эксперименты [7],[34] зависит от вида ГЖ, эквивалентного диаметра очага горения, толщины слоя ГЖ, физических свойств «подстилающей» поверхности и, в частности, от свойств материала поддонов (теплоёмкость, теплопроводность и т.д.) При горении ГЖ в помещениях установившаяся скорость выгорания может, вообще говоря, зависеть от соотношения размеров помещения и размеров очага горения. Данные об установившейся скорости выгорания различных ГЖ, представленные в работе [5], носят ориентировочный характер и относятся к очагам горения с эквивалентным диаметром. Всё вышесказанное следует учитывать при использовании эмпирической формулы для расчёта скорости выгорания ГЖ в условиях неустановившегося процесса горения, предложенной в работе [19]:
Представленная в работе [27] эмпирическая формула для расчёта скорости выгорания бензина при неустановившемся режиме горения имеет ограниченный характер. Она применима для оценки скорости выгорания бензина в небольшом интервале времени 0 " Т 90сек, если эквивалентный диаметр очага горения 0.064м d3 0.225м. До настоящего времени отсутствует законченная теория неустановившегося процесса горения ГЖ. Следует здесь отметить, что в начальной стадии пожара, когда температура среды ещё не превышает своего критического значения, а парциальная плотность кислорода достаточно высока, процесс неустановившегося горения ГЖ в помещении практически не отличается от процесса горения в неограниченном объёме. Это обстоятельство позволяет использовать при расчётах КПП опытные данные, полученные при неустановившемся горении ГЖ в неограниченном пространстве. Вышеприведённый краткий анализ вопроса о неустановившемся процессе горения ГЖ позволяет сделать следующие выводы. Во-первых, время стабилизации процесса горения ГЖ составляет значительную величину. Значение критической продолжительности пожара (КПП) в реальных объектах при воспламенении ГЖ на достаточно большой площади может быть существенно меньше времени стабилизации. Результаты теоретического анализа, полученные в п.4 - 7 настоящей работы в предположении, что процесс горения практически мгновенно стабилизируется, строго говоря, применимы только в тех случаях, когда КПП значительно больше времени стабилизации горения.
Экспериментальное исследование температурного режима пожара в маломасштабных моделях помещения и сравнение результатов опытов с теорией
Экспериментальное исследование температурного режима в начальной стадии пожара при условиях применимости разработанной теории процесса нарастания температуры газовой среды в помещении было проведено с использованием модели помещения, высота и ширина которого были практически одинаковы и составляли, соответственно, 0.5м и 0.48м. Длина этого помещения была более чем в семь раз больше его ширины. Такое соотношение размеров характерно для помещений коридорного типа, а так же для салона вагона метрополитена [10,27]. Модель помещения представляла собой металлический ящик, выполненный из листовой стали. Объём модельного помещения составлял V — 0.883 м3. На потолке модели располагались вдоль длины помещения устройства, имитирующие вентиляционные короба. Стенки этих устройств были выполнены из перфорированной листовой стали. Эти устройства являются одним из элементов ограждающих конструкций, что учитывалось при определении суммарной поверхности ограждений. Суммарная площадь поверхностей всех ограждающих конструкций равнялась FW=10.2M2. В верхней части модели были расположены два открытых проёма, общая площадь которых составляла приблизительно 0.2% от площади пола. Экспериментальная модель была оборудована устройством для принудительной подачи воздуха в помещение. Для апробации разработанной математической модели начальной стадии пожара использовались только результаты опытов, проведённых без принудительной подачи воздуха. В качестве ГЖ использовался авиационный бензин ($н 4.35- 107 Дж- кг 1)г который заливался в поддоны, изготовленные из листовой стали. В опытах варьировались размеры поддонов (т.е. очагов горения). Для сравнения теории с опытом были использованы экспериментальные данные по температурному режиму в начальной стадии пожара, полученные при четырёх разных значениях площади горения (т.е. при четырёх разных значениях площадей поддонов): Fr=0.0136; 0.02; 0.0279 и 0.0397м2.
Отношение площади очага горения к площади пола составляло р величину: 0.0077 й — 0.0226 , Начальная толщина слоя ГЖ, заливаемой в поддоны, равнялась бгж= 0.004 - 0.006 м. Дно поддона располагалось на расстоянии от пола равном 5щ = 0.02м. Поддоны размещались на подставке внутри модели помещения на расстоянии четверти длины помещения от торцевой стенки и на одинаковом расстоянии от боковых стенок (рис. 3.2.). Эти сведения необходимы для расчётов коэффициентов облучённости спаев ТЭТ. Условия, при которых проводились опыты с использованием описанной модели помещения, вполне соответствуют критериям применимости математической модели пожара. При проведении каждого опыта поджог ГЖ осуществлялся через специальное окно (люк) в боковой стенке модели помещения. После этого окно закрывалось, включался секундомер затем приборы, регистрирующие изменение со временем температуры газовой среды. После включения приборов через каждые 15 секунд регистрировались показания весов, с помощью которых измерялась масса бензина в поддоне (использовались весы типа ВНЦ). Из вышесказанного следует, что между началом процесса горения (началом пожара) и включением приборов имела место некоторая неодинаковость (асинхронность). Эта асинхронность составляла приблизительно две-четыре секунды. Чтобы исключить систематическую погрешность, обусловленную этой асинхронностью, необходимо было вводить поправку в отметке времени. Время, отсчитываемое от начала процесса горения определялось по следующей формуле: Зависимость средней скорости выгорания бензина от времени устанавливалась путём аппроксимации экспериментальных данных. На рис.3.3. представлены зависимости средней скорости выгорания от времени при различных площадях очага горения. На этом графике экспериментальные данные нанесены в виде кружочков, крестиков, квадратов и треугольников. Сплошные линии представляют собой аппроксимирующие зависимости скорости выгорания от времени при разных значениях площади очага горения. Анализ погрешностей (который проводился по методикам, изложенным в [29],[30]) показал, что ошибка опытного определения скорости выгорания могла составлять 10% - 15% при значениях времени г ЗОс и не более 5% при значениях г 30с[27]. Результаты экспериментального исследования процессов выгорания ГЖ позволили сделать следующий вывод. Горение бензина, залитого в поддоны с эквивалентным диаметром 0.132 с?э 0.225м при толщине слоя ГЖ перед началом горения 0.004 8гж 0.006м, являлось неустановившимся процессом в течении времени, равного продолжительности эксперимента тэк = 1.5мин. В течении этого времени наблюдалось увеличение скорости выгорания бензина. За это время процесс выгорания не стабилизировался. Для измерения температуры газовой среды внутри модельного помещения использовались шестнадцать хромель-алюмелевых термоэлектрических термометров (ТЭТ).
