Введение к работе
Актуальность темы. Современные здания представляют собой сложный комплекс инженерных систем, к которым предъявляются повышенные требования пожарной безопасности. Противодымная защита зданий, обеспечивающая безопасную эвакуацию людей при возникновении пожара, является важнейшим элементом обеспечения пожарной безопасности, так как большая часть людей гибнет не от ожогов, а от удушья и отравления продуктами горения. В строительной отрасли в настоящее время на основе современных расчетных методов активно развивается функционально ориентированное нормирование, позволяющее:
проектировать и строить более сложные и совершенные здания с большей степенью надежности и безопасности;
быстро внедрять передовые технологии;
снижать затраты на строительство за счет использования инновационных технологий, материалов, изделий и методов.
Функционально ориентированное противопожарное нормирование опирается на численное моделирование состояний здания и его инженерных систем с находящимися в нем людьми. Несмотря на значительное количество теоретических и экспериментальных работ, закономерности воздействия на людей опасных факторов в начальной стадии пожара нельзя считать изученными. В последнее время вместе с повышением производительности современной вычислительной техники интенсивно развивались численные методы, лежащие в основе математического моделирования. Благодаря этому математическое моделирование опасных факторов пожара на основе решения уравнений газовой динамики получает все более широкое развитие, однако эту задачу нельзя считать полностью решенной.
В связи с этим определение полей температур и концентраций дымовых газов при пожаре с использованием теории подобия является актуальной задачей и имеет большое значение для проектирования систем противодымной защиты.
Цель работы - определение полей температур и концентраций дымовых газов при пожаре с использованием теории подобия.
Для достижения указанной цели решались следующие задачи:
- разработать математическую модель распространения дымовых газов в
помещениях при возникновении возгорания и определить ее критерии подобия;
- разработать прикладную программу, реализующую математическую
модель распространения дымовых газов в помещениях при возникновении воз
горания;
с использованием разработанной прикладной программы провести расчеты температур и концентраций дымовых газов в помещениях при возникновении возгорания;
получить аналитические критериальные зависимости для оценки эффективности системы дымоудаления;
- провести экспериментальные исследования по оценке точности разработанной математической модели распространения дымовых газов. Научная новизна:
Математическая модель распространения дымовых газов в помещениях при возникновении возгорания, включающая уравнения переноса массы, импульса, конвективного теплообмена, образования и рассеивания энергии турбулентных пульсаций. Поступление дымовых газов и параметры помещения задаются с помощью граничных условий. Для определения режимов турбулентности используется критерий Ричардсона. Модель позволяет определять поля температур и концентраций дымовых газов.
Математическая модель распространения дымовых газов реализована на ЭВМ в виде программы в среде пакета MatLab с использованием языка программирования C++. Полученная программа позволяет выполнять расчет параметров процессов распространения дымовых газов. Связь C++ с встроенными библиотеками MatLab выполняется через внутренний интерфейс, что обеспечивает доступ к встроенным математическим функциям и позволяет создавать эффективные вычислительные процедуры.
В качестве иллюстрации приведены результаты расчетов задымления наиболее характерных объемно-планировочных решений путей эвакуации: в смежных помещениях, лестничных клетках и коридорах при различных граничных условиях.
На основе математической модели получены аналитические зависимости температуры и концентраций дымовых газов от критерия Жуковского (безразмерного времени), позволяющие оценить эффективность архитектурно-планировочных решений и эффективность системы дымоудаления на стадии выбора проектных решений.
Сравнение данных экспериментальных исследований распространения дымовых газов в помещениях с результатами расчетов позволило установить адекватность математической модели распространения дымовых газов в помещениях при возникновении возгорания.
Достоверность результатов. Теоретическая часть работы базируется на основных физических законах теории тепломассообмена и газовой динамики. Основные допущения, принятые при выводе исходных уравнений модели, широко используются в работах других авторов. Для планирования вычислительных экспериментов и обобщения результатов использовались критерии подобия. Результаты теоретических расчетов оценивались путем их сопоставления с экспериментальными данными.
Практическая значимость. Разработан новый подход к определению температур и концентраций дымовых газов в помещениях при возникновении возгорания для использования в функционально ориентированном противопожарном нормировании, что позволит оценивать эффективность архитектурно-планировочных решений и повышать эффективность систем дымоудаления на стадии выбора проектных решений.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на региональном межвузовском семинаре «Моделирование процессов тепло- и массообмена» (Воронеж, 2009-2011), на 64, 65, 66-й научных конференциях и семинарах Воронежского государственного архитектурно-строительного университета (Воронеж, 2009-2011).
На защиту выносятся:
математическая модель распространения дымовых газов в помещениях при возникновении возгорания;
прикладная программа, реализующая математическую модель и алгоритмы ее решения;
результаты расчетов задымления наиболее характерных объемно-планировочных решений путей эвакуации;
аналитические зависимости температуры и концентраций дымовых газов от критерия Жуковского;
результаты экспериментальных исследований по оценке точности математической модели распространения дымовых газов.
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 5 научных работ общим объемом 34 страницы. Личный вклад автора составляет 19 страниц. Три статьи опубликованы в издании, включенном в перечень ВАК ведущих рецензируемых журналов, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертации: «Научный вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета. Строительство и архитектура».
В статьях, опубликованных в рекомендованном ВАК издании, изложены основные результаты диссертации: в работе [1] рассмотрено моделирование за-дымленности помещений сложной конфигурации в начальной стадии пожара; в работе [2] получены аналитические зависимости распределения концентраций вредных веществ в помещении при пожаре; в работе [3] рассмотрена математическая модель распространения дымовых газов в помещениях здания с действующей противодымной вентиляцией.
Объем и структура диссертации. Работа общим объемом 117 страниц машинописного текста состоит из введения, шести глав, основных выводов, списка литературы из 102 наименований и приложения. В текст диссертации включено 49 рисунков.
