Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние противодымной защиты ...8
1.1. Противодымная защита зданий различного назначения 8
1.2. Противодымная защита автостоянок закрытого типа ... 17
1.3. Принципы работы системы струйной вентиляции 24
Глава 2. Физические и математические модели пожаров в помещениях 32
2.1. Интегральная математическая модель пожара в помещении 32
2.2. Зонная математическая модель пожара в помещении ..34
2.3. Полевая математическая модель пожара в помещении 36
2.4. Моделирование процесса турбулентности 41
2.5. Модели горения..„...". 52
2.6 модели распространения пламени 56
2.7 моделирование радиационного теплопереноса 57
2.7.1. Потоковые методы 58
2.7.2 метод дискретного радиационного переноса 60
2.7.3 радиационные свойства продуктов горения 62
Выводы 66
Глава 3. Численное моделирование работы систем струйной вентиляции 68
3.1. Алгоритмы решения основной системы уравнений математических моделей пожаров 68
3.2. Проверка адекватности математической модели для расчета тепло - и массопереноса при работе системы струйной вентиляции автостоянки закрытого типа 79
3.3. Результаты моделирования тепло - и массопереноса при работе системы струйной вентиляции и их анализ 90
3.4. Рекомендации по применению струйных вентиляторов для противодымнои защиты автостоянок закрытого типа 103
Основные результаты работы 104
Литература
- Противодымная защита автостоянок закрытого типа
- Зонная математическая модель пожара в помещении
- Моделирование процесса турбулентности
- Проверка адекватности математической модели для расчета тепло - и массопереноса при работе системы струйной вентиляции автостоянки закрытого типа
Введение к работе
Автостоянки закрытого типа в настоящее время становятся неотъемлемой составной частью инфраструктуры крупных городов России. При нормальной эксплуатации в результате работы двигателей на холостом ходу и в движении выделяются токсичные выхлопные газы. Для автостоянок проектируются системы общеобменной приточно-вытяжной вентиляции. Нормативными документами, действующими в Российской Федерации, требуется устройство систем дымоуда-ления при пожаре из объема автостоянки.
Система дымоудаления из автостоянки закрытого типа при пожаре должна обеспечивать в нижней ее части незадымленную зону, достаточную для безопасной эвакуации людей и работы пожарных. Расход дыма, который необходимо удалять из автостоянки, составляет 40000-50000 м 7ч. Зона действия воздухоприем-ных и дымоприемных отверстий в воздуховодах ограничена - согласно СНиП «Отопление, вентиляция и кондиционирование» [103] зона действия для дымо-приемного отверстия не должна превышать 1 000 мг. Это ограничение заставляет предусматривать в проектах систем вентиляции и дымоудаления развитую в пределах этажа автостоянки сеть воздуховодов большого сечения. Наличие воздуховодов заставляет увеличивать высоту помещений автостоянки, что приводит к удорожанию строительства. Факторами, также вызывающими удорожание строительства, являются мероприятия, обеспечивающие нераспространение пожара и продуктов горения из помещения автостоянки в другие помещения по системам воздуховодов общеобменной и противодымной вентиляции (установка огнезадер-живающих клапанов и обеспечение нормативных пределов огнестойкости). Од-. ним из возможных выходов из сложившейся ситуации является использование струйных вентиляторов.
Сегодня в России применение струйных вентиляторов сдерживается рядом причин методологического и нормативного характера. К причинам нормативного характера следует отнести принятые в нашей стране методы обеспечения неза-
дымляемости помещений: обеспечение незадымленной зоны в нижней части помещения или обеспечение незады мл яемости путей эвакуации и помещений, смежных с помещением, в котором возник очаг пожара. Дня противодымной защиты автостоянок принят первый метод, т. е. система дымоудаления при пожаре из автостоянки должна обеспечить незадымленную зону заданной высоты в нижней части помещения. Система вентиляции и дымоудаления с использованием струйных вентиляторов обеспечивает незадымленную зону вне треугольника, в вершине острого угла которого расположен горящий автомобиль. Вторая причина связана с сертификацией оборудования, применяемого в системах противодымной защиты. В соответствие с принятыми в Российской Федерации методами сертификационных испытаний вентиляторов, используемых в системах дымоудаления, критерием пригодности вентилятора является их способность сохранять работоспособность в условиях воздействия высоких температур (400 или 600 С) в течение заданного промежутка времени. Для струйных вентиляторов этот критерий не является актуальным, поскольку выход из строя в результате огневого воздействия "* одного или нескольких вентиляторов не приводит к невозможности исполнения системой своих функций. В Российской Федерации в качестве расчетного сценария пожара в автостоянке принимается горение одного автомобиля, вероятность того, что струйный вентилятор окажется непосредственно над горящим автомобилем, не очень высока.
Актуальность работы обуславливается следующими факторами:
отсутствием нормативной базы (в том числе и противопожарной) по проектированию, монтажу и эксплуатации систем струйной вентиляции и дымоудаления в автостоянках закрытого типа;
отсутствием в России каких - либо теоретических и экспериментальных исследований работы системы струйной вентиляции автостоянок закрытого типа.
Цели работы:
Теоретическое исследование работы системы струйной вентиляции для автостоянок закрытого типа;
Проведение оптимизации параметров работы системы струйной вентиляции.
Разработка рекомендаций по использованию струйных вентиляторов для целей противодымной защиты подземных автостоянок.
Указанные цели предполагают следующие задачи исследования:
Разработать математическую модель для описания процессов тепло- и массопереноса при работе системы струйной вентиляции в помещении закрытой автостоянки с учетом очага горения.
Провести апробацию данной математической модели
Провести расчеты тепло- и массопереноса при работе системы струйной вентиляции в помещении закрытой автостоянки при пожаре.
На основании полученных результатов оценить эффективность функционирования системы струйной вентиляции.
Определить основные параметры оптимальной работы системы струйной вентиляции.
Научная новизна диссертационной работы состоит в том, что:
впервые произведено теоретическое исследование работы системы струйной вентиляции автостоянки закрытого типа с учетом очага горения;
найдены параметры, обеспечивающие эффективную работу системы струйной вентиляции автостоянок закрытого типа;
выявлен ряд преимуществ системы струйной вентиляции перед системой вентиляции и дымоудаления с использованием воздуховодов;
установлено, что использование струйных вентиляторов позволяет частично защищать строительные конструкции (перекрытия) за счет создания в подпото-
лочной зоне воздушного потока.
Объект исследования: струйные вентиляторы.
Предметом исследования является работа системы струйной вентиляции помещения автостоянки закрытого типа.
Практическая значимость заключается в том, что полученные результаты, характеризующие работу системы струйной вентиляции, могут быть использованы при проектировании таких систем в автостоянках закрытого типа.
Практическая реализация: результаты работы используются при разработке проекта системы противодымнои защиты подземной автостоянки комплекса Россия Московского Международного Центра «Москва - Сити» и в учебном процессе в Академии ГПС МЧС России.
Положения, выносимые на защиту:
разработанная и апробированная на основании сравнения с экспериментальными данными математическая модель для описания работы струйной вентиляции автостоянки закрытого типа;
результаты численного моделирования работы струйной вентиляции в помещении автостоянки закрытого типа;
научно - обоснованные требования, предъявляемые к эксплуатационным параметрам струйных вентиляторов и целесообразности их размещения в помещениях автостоянок закрытого типа.
Апробация и реализация результатов работы:
Результаты работы обсуждались на международной конференции -рабочей встрече экспертов России и НАТО «Стойкость городских сооружений к комбинированным опасным воздействиям: уроки 11 сентября и научные задачи на будущее». Москва, 16 -18 июля 2007 г.
Противодымная защита автостоянок закрытого типа
В нашей стране ежегодно увеличивается парк легковых автомобилей. Стремление разместить гаражи в непосредственной близости от места жительства владельцев автомобилей вызывает дополнительные трудности при проектировании и строительстве зданий городского сектора. Единственным приемлемым решением этой проблемы является широкое строительство многоэтажных подземных гаражей-стоянок под жилыми, или общественными зданиями или на землях, непригодных для надземного строительства.
Как следствие, последние 10-15 лет в крупных городах строятся многофункциональные здания и комплексы жилого и общественного назначения. И практически в каждом из этих зданий предусматриваются подземные автостоянки для хранения автомобилей.
Одной из основных проблем, связанных с обеспечением пожарной безопасности подземных автостоянок, является высокая скорость распространения пожара, а как следствие, образование большого количества плотного и токсичного дыма [92, 93, 94], что ставит проблему противодымной защиты многоэтажных подземных гаражей-стоянок (МПГС) в ряд важнейших в комплексе проблем противопожарной защиты.
Систематические научные исследования проблем противодымной защиты МПГС в нашей стране начались примерно в начале 80-х годов прошлого века. При разработке требований к системе противодымной защиты и методов расчета требуемых параметров вентиляционного оборудования необходимо располагать данными о температурном режиме в помещении, из которого организуется дымоудаление. Автором [100] были проведены теоретические исследования с помощью методов, разработанных под руководством И.С. Молчадского. Специфическими особенностями помещений МПГС являются их небольшая высота ( 3 м), большие размеры в плане (60 х 100 м) и очень ограниченный воздухообмен даже при работающей вентиляционной системе противодымной защиты.
Величина горючей нагрузки в помещениях МПГС по данным работы [95] составляет 17 кг/м2 в перерасчете на древесину. Расчеты температурного режима в работе [100] показали, что величина среднеобъемной температуры при пожаре не превышает 300С, а значение температуры в конвективной колонке над очагом пожара составляет Ю00С.
Расчеты эвакуации автомобилей с нормируемыми скоростью и интервалами движения [95] показывают, что требуемое для этого время составляет несколько часов. Это обстоятельство, а также отсутствие буксировочных средств делает эвакуацию автомобилей из МПГС при пожаре задачей нереальной. Для ограничения распространения дыма и предотвращения распространения пожара въездные и выездные проемы оборудуются либо тамбурами-шлюзами, либо противопожарными воротами, закрывающимися по сигналу автоматики.
Многоэтажные подземные автостоянки используются лишь для стоянки автомобилей, поэтому большие скопления людей на этажах маловероятны. Эвакуационные выходы оборудуются самозакрывающимися дверями, перепады давлений, создаваемые работой вентиляционных систем противодымной защиты, также способствуют поддержанию дверей в закрытом положении. При эвакуации людей эти двери будут открываться эпизодически и на непродолжительное время. Для работы пожарных подразделений по тушению пожара в МПГС требуется одновременное открытие 3-4 дверей на продолжительное время.
Зонная математическая модель пожара в помещении
Зонные математические модели, в основном, используются для исследования динамики опасных факторов пожара в начальной стадии пожара, когда отсутствует процесс истечения нагретых газов из помещения, при их накоплении в припотолочной зоне. В этой стадии пожара пространство внутри помещения можно условно поделить на ряд характерных зон с существенно различающимися температурами и составами газовых сред [I].
Наиболее простой зонной моделью пожара является трехзонная модель, при которой объем помещения разбивается на три характерные зоны: конвективную колонку над очагом пожара, припотолочный слой нагретого газа и воздушную зону с практически неизменными параметрами состояния, равными своим начальным значениям.
В начальной стадии пожара для трехзонной модели пожара согласно [1] можно использовать следующие формулы: зона конвективной колонки над очагом пожара T = T9 + Qaax0 x); (2.7) G = 0,21 SAliilHW ( _ V Л \у + Уш)1, (2.8) или G = Q,03Q z (2.9) или G = 0,071() V5/J +0,0018 ,, (2.10) где Qm)X =tfVwQ uFr скорость тепловыделения, Вт; Tg и pa - температура и плотность холодного (окружающего) воздуха; G- расход газов через сечение струи, отстоящей от поверхности горения на расстояние .у,кг/с; Х- доля, приходящаяся на поступающую в ограждение теплоту от выделившейся в очаге горения; j -координата сечения колонки, отсчитываемая от поверхности горения, м; у$ = 1 5 ft]- расстояние от фиктивного источника тепла до поверхности горения, м; Fg- площадь горения, м ; Qc- конвективная производительность очага пожара, кВт; z - расстояние от пола до нижней границы слоя дыма, м; Y - вертикальная координата точки, м. зона при потолоч ного слоя нагретого газа [ 1 ] У„ =F,l01\lh yk-8), (2.11) где Vf - объем при потолоч ного слоя, м3; 2ft- высота помещения, м ; yt - координата нижней границы при потолоч но го слоя, отсчитываемая от поверхности горения; ?- расстояние от пола до поверхности горения, м. рї = г U, / і AlG (T)dT (2Л2) Fm [2Ь-ук(т)-б\1 где рг - средняя плотность припотолочного слоя, ей і 3[\ ]; С(-поток газа, поступающего в припотолочный слой из конвективной колонки, кг/с. ті т р« . V, р„ (2.13) (2.14) где рн- парциальная плотность токсичного газа, ёа- І 3 [{]; L- количество (масса) токсичного газа, образующегося при сгорании 1 кг горючего материала; М - количество (масса) горючего материала, выгоревшего к моменту времени г. DM Мі-У -. (2.15) у і где ;t{ - средняя оптическая концентрация дыма в припотолочном слое, /i-i- [l].
Многозонные модели позволяют получить более детальную картину пожара. Состояние газовой среды в этих моделях оценивается через осредненные термодинамические параметры не одной, а нескольких зон, причем межзонные границы обычно считаются подвижными.
Полевая математическая модель пожара в помещении Полевые модели базируются на использовании дифференциальных уравнений в частных производных, описывающих пространственно-временное распределение температур и скоростей газовой среды в помещении, концентраций компонентов газовой среды, давления и плотностей. Эти уравнения включают реологический закон Стокса, закон теплопроводности Фурье, законы диффузии, законы радиационного переноса и т.п. Данные уравнения приведены согласно работам [127,128,129,130]. Уравнение сохранения массы : dt дх, (2.16) Уравнение сохранения импульса [126] дх. дх, dt (2-17) Для ньютоновских жидкостей, подчиняющихся закону Стокса, тензор вязких напряжений определяется выражением г.. = и ч ди ди. дх. дх. да. 3 дхк " (2Л8) Уравнение энергии д, , і д , , , Ф д dt дх. dt дх. л ал с йг, . Р U V (2.19) I где А = А#+Jc rfr + Kjff, -статическая энтальпия смеси; //-теплота образования -го компонента; с =У]У,с . - теплоемкость смеси при постоянном давлении; р i-i к рМ q -радиационный поток энергии в направлении х Уравнение сохранения химического компонента к д 3 д ЗГ/ &„ 8t дх І к ах, і і + ,. (2.20) Для замыкания системы уравнений (2.16) - (2.20) используется уравнение состояния идеального газа. Для смеси газов оно имеет вид: r=/ Jl.-- (2-21) к где Ro- универсальная газовая постоянная; Л/( - молярная масса к-го компонента. Данные уравнения описывают локальный мгновенный баланс. Их вполне достаточно для полного описания ламинарных потоков. К сожалению, при пожарах, так же как и в большинстве других систем, связанных с горением, скорости и параметры состояния в конкретной точке совершают значительные флуктуации и решение данных уравнений в настоящее время требует огромных затрат машинного времени. Поэтому обычно данные уравнения приводят к осредненным свойствам, то есть разделяют каждую переменную на среднюю по времени и пульсационную составляющую. Например, для скорости [125, 126, 129]:
Моделирование процесса турбулентности
В большинстве современных программ очаг пожара моделируется с помощью непосредственно моделей горения. Это позволяет, во-первых, смоделировать процесс перемешивания горючего и воздуха, и, таким образом, рассчитать (а не задать предварительно) величину тепловыделения; во-вторых, с помощью расчета образования и переноса химических компонентов, оценить локальные концентрации токсичных компонентов и радиационные свойства среды [131].
Наиболее распространенной моделью горения является модель дробления вихрей. Например, в работе [30] горение рассматривается как одноступенчатая необратимая брутто-реакция между топливом и окислителем: С/и+ЇСм-»(І+5)Срт, (2.63) где cfn,cm,cpr- массовые концентрации паров топлива, окислителя и продуктов горения; s - стехиометрический коэффициент.
Во многих случаях можно считать, что химическое взаимодействие протекает бесконечно быстро, и скорость реакции определяется скоростью перемешивания горючего и окислителя, а не химической кинетикой [131].
В принципе задача включает в себя решение уравнений сохранения для каждого из компонентов реакции. Однако можно переписать уравнения сохранения компонентов через функцию смешения (консервативная величина) / = 0-fi. (2.64) где p = Yl-(YJs) - консервативная неременная Шваба-Зельдовича, а индексы/ и о относятся к горючему и окислителю соответственно. Если предположить, что коэффициенты диффузии компонентов равны, становится возможным избавиться от источникового члена при определении степени смешения топлива и окислителя. Если реакция необратима, и можно предположить, что она протекает бесконечно быстро, то локальные массовые доли можно определить непосредственно через среднее по времени значение функции смешения,/ v= k«+(17,/ -О/]-п., ко + (i7./-0/l- 7., /„-/ Л / /, . Л / (2.65) к где стехиометрическое значение/ Л = .(,(1 /./ +П..0 (2.66) где Ут о - массовая доля кислорода в потоке окислителя, a Y/j- - массовая доля топлива в потоке топлива[І31].
Очевидно, что при этом не учитывается влияние турбулентных пульсаций на химическую реакцию. Они могут быть учтены с помощью диффузионно-вихревой модели [30].
Предполагается, что горение в газовой фазе определяется не только процессами диффузии паров горючего и кислорода, но и зависит от процессов турбулентного переноса. Это означает, что как и в первоначально разработанной Сполдингом [31] модели "разрыва вихря", скорость распада турбулентности и скорость реакции горения пропорциональны масштабу времени распада крупномасштабных вихрей г =к/с. Предполагается также, что объемная скорость реакции горения топлива в общем случае пропорциональна наименьшей из осредненных концентраций топлива, кислорода и продуктов горения и записывается в виде: (2.67) й =/ -min Ас„А- чА s \+s где р,с, - осредненные плотность и массовые концентрации указанных выше компонентов; А, А - эмпирические константы, /1=4, А =2.
Таким образом, в случае открытого пожара реакция будет определяться местной концентрацией горючего, за исключением области вблизи источника топлива. При регулируемых вентиляцией пожарах в помещениях, наблюдается дефицит воздуха, и, следовательно, потребление топлива будет определяться концентрацией кислорода. Третий член вводится для ограничения скорости реакции в холодных смесях.
Соотношение (2.67) использовано при трехмерном моделировании процессов горения. Так как введение константы А означает потерю универсальности этой модели, то при двухмерном моделировании скорость реакции может быть записана в виде [131]: Rfll=p min Ac/H,A j. (2.68) Модели этого типа успешно использовались в пожарных задачах и в других областях горения. Достоинством модели является ее простота. Она позволяет рассчитывать распределенное по объему выделение энергии, определяемое геометрией помещения и доступом воздуха. Можно определить концентрации стабильных компонентов, COz и Н20, если предположить, что они являются единственными продуктами горения.
Однако с помощью такой схемы нельзя учесть влияние конечности скорости химических реакций. Для корректного расчета концентраций продуктов неполного окисления, таких как СО и сажа, необходима более сложная модель.
Более перспективной является модель ламинарных элементов пламени (например [32], [33]). В ней предполагается, что горение происходит только в тонких ламинарных элементах пламени, входящих в турбулентное поле потока. Соотношения между мгновенным химическим составом и функцией смешения, в таких условиях, могут быть определены вычислительным путем, для простых горючих, таких как метан и пропан, с достаточно хорошо известной химией. Однако встречающаяся на практике горючая нагрузка обычно имеет сложный химический состав, поэтому, из-за отсутствия соответствующих соотношений, в настоящее время данная модель мало применима для практических задач[4].
Проверка адекватности математической модели для расчета тепло - и массопереноса при работе системы струйной вентиляции автостоянки закрытого типа
Для решения задач использовалась трехмерная декартова система координат. Поля скоростей и других переменных определялись на совмещенных сетках. Реализация процессов турбулентного переноса осуществлялась с помощью к-є модели турбулентности, учитывающей эффекты плавучести, а при реализации процессов горения применялась диффузной но-вихревая модель Магнуссена-Хавьертагера [105, 46]. Для оценки образования сажи и её распространения в объёме помещения использована модель Теснера [42]. При определении поправок давления и скоростей использована итерационная схема Патанкара и Сполдинга [132]. Все уравнения решались с помощью построчного ТДМА.
Рассмотрим каждую серию численных экспериментов в отдельности.
При расчете скоростных, температурных и концентрационных полей в зоне действия струйного вентилятора использовалась трехмерная декартова система координат. Поля переменных определялись на совмещенной сетке. Площадь моделируемого помещения составляла 335 м2. Общее количество контрольных объёмов 30150 (67x15x30). Размеры струйного вентилятора принимались 2,0x0,4x0,4 м. Скорость потока воздуха, выходящего из выбросного патрубка струйного вентилятора, составляла 20 м/с (по данным компаний производителей U15]). В модели предусматривалось наличие отверстий вытяжной и приточной шахт. Очаг горения представляет собой прямоугольную горелку с размерами 1,0 х 2,0 м. В качестве горючего использовалось комплексная горючая нагрузка, приведенная для автомобиля (резина, бензин, ППУ, искожа ПВХ и эмаль) [1]. Мощность тепловыделения была постоянной и равнялась 1477 кВт. Предполагалось, что в начальный момент времени расчетная область заполнена неподвижной газовой смесью (воздухом) с температурой 278,6 К. Расчеты проводились с временным шагом 0,1 с и сходимостью по разности масс до 140".
При проведении численных расчетов тепло - и массопереноса в помещении автостоянки, оснащенного системой дымоудаления с воздуховодами использовалась подобная схема без струйного вентилятора.
На рисунках 3.10 и 3.11 представлены расчетные скоростные поля (горизонтальной составляющей скорости) на моменты времени 60 (3.10) и 300 (3.11) секунд. На рисунках 3.12 и 3.13 представлены расчетные температурные поля на моменты времени 60 (3.12) и 300 (3.13) секунд. На рисунках 3.14 и 3.15 представлены расчетные поля массовых долей сажи на моменты времени 60 (3.14) и 300 (3.15) секунд.
По результатам вышеприведенных расчетов можно сделать вывод о том, что система дымоудаления с использованием струйных вентиляторов обеспечивает более равномерное удаление продуктов горения (отсутствуют застойные зоны) по сравнению с системой дымоудаления с воздуховодами, а также частично защищает строительные конструкции (перекрытия) от огневого воздействия за счет воздушного потока в подпотолочной зоне.
Во второй серии теоретических исследований были проведены десять численных экспериментов. В I - 3 расчетах моделировалась работа системы струйной вентиляции, на примере двух последовательно расположенных струйных вентиляторов в помещении (автостоянке). Расстояние между вентиляторами принималось равным 20 м. При этом варьировалась скорость потока воздуха, выходящего из выбросных патрубков вентиляторов.
Площадь моделируемого помещения составляла 900 м2. Общее количество контрольных объёмов 67500 (90x15x50). Размеры струйного вентилятора принимались 3,0x0,4x0,4 м. Скорость потока воздуха, выходящего из выбросного патрубка струйного вентилятора, составляла 20 м/с - 1-й расчет, 10 м/с - 2-й расчет, 5 м/с - 3-й. В модели предусматривалось наличие отверстий вытяжной и приточной шахт. Очаг горения представляет собой прямоугольную горелку с размерами 1,88 х 3,0 м. В качестве горючего использовалось комплексная горючая нагрузка, приведенная для автомобиля (резина, бензин, ППУ, искожа ПВХ и эмаль) [1]. Мощность тепловыделения была постоянной и равнялась 4165 кВт. Предполагалось, что в начальный момент времени расчетная область заполнена неподвижной газовой смесью (воздухом) с температурой 278,6 К. Расчеты проводились с временным шагом 0,1 с и сходимостью по разности масс 0,1 %.
На рис. 3.16 и 3.17 показаны вертикальные профили скорости воздушного потока (в плоскости оси вентиляторов) на расстоянии 8 и 16 м от выбросного патрубка первого вентилятора соответственно. Профили скоростей приведены для момента времени 300 с от начала моделируемого процесса.
