автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.03, диссертация на тему:Диспергирование жидкости интегрированными устройствами дымоподавления и пожаротушения

Р-; 8 ОД -8 СЕН 1397

На правах рукописи

ОСТАХ Сергей Владимирович

ДИСПЕРГИРОВАНИЕ ЖИДКОСТИ ИНТЕГРИРОВАННЫМИ УСТРОЙСТВАМИ ДЫМОПОДАВЛЕНИЯ И ПОЖАРОТУШЕНИЯ

Специальность: 05.26.03. Пожарная безопасность

(технические науки)

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

АВТОРЕФЕРАТ

МОСКВА 1997

Работа выполнена на кафедре пожарной техники Московского института пожарной безопасности МВД России.

Научный руководитель

Официальные оппоненты

Ведущая организация ■

Заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, академик НАНПБ, профессор Безбородько М.Д. доктор технических наук, академик НАНПБ, профессор Поляков Ю.А.;

кандидат технических наук, с. н. с. Былннкин В.А.

НИИ специального машиностроения при МГТУ им. Баумана Н.Э.

Защита состоится « 29 » сентября 1997 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 052.03.01 в Московском институте пожарной безопасности МВД России по адресу: 129366, Москва, ул. Б. Галушкина, д.4. зал Совета.

С диссерищисй можно ознакомится а библиотеке МИПК МВД России.

Автореферат разослан «у<-'-Л> 1997 Г-) исх. № / £

Отзывы на автореферат с заверенной подписью и печатью просим направить в МИПБ МВД России по указанному адресу.

Телефон для справок: 283-19-05.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук

Т.Г. Меркушкина

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Прибывающие на пожар немногочисленные пожарные подразделения повсеместно сталкиваются с проблемами обеспечения безопасности люден, организации проведения разведки, локализации и ликвидации горения. Такие работы при развитии пожара проводятся в зданиях и сооружениях с нарастающей плотностью дыма. В таких условиях высокая токсичность продуктов горения и задымленность помещений вплоть до полной потери видимости являются основными причинами роста гибели людей. Анализ статистических данных свидетельствует, что в 1994 году число погибших от воздействия продуктов горения при пожарах в России достигло рубежа 10000 человек и составляет 75 % всех случаев гибели людей. Это соизмеримо с общим числом погибших при пожарах в 1990 году.

Вместе с тем, в обеспечении видимости на пожарах с плотным задымлением за последние 45-50 лет не произошло существенных сдвигов, несмотря на прогресс в развитии средств осаадения аэрозолей и тепловизионной техники, применяемых при других аварийно-спасательных работах.

Имеющиеся на вооружении технические средства позволяют успешно решать задачи тушения. В тоже время уже сейчас имеются предпосылки для создания и последующего внедрения принципиально новых средств, которыми, например, можно не только ликвидировать горение, но и снижать опасную концентрацию продуктов горения и улучшать условия видимости. Так, интегрирование (совмещение) устройств дымоподавления и пожаротушения в единую систему позволит получить значительные преимущества. Они в состоянии осуществить целенаправленное тушение, позволяя избежать нерационального расходования сил и средств. Однако, несмотря на перспективность использования, подобные интегрированные устройства еще находятся в стадии разработки для системы пожарной безопасности. Для их широкого применения необходимо объединить в одном способе и устройстве возможности как одновременного или поэтапного подавления дыма, так и тушения очага пожара.

Одним из путей уменьшения задымленности может стать проектирование систем выведения продуктов горения из взвешенного состояния. Особые перспективы в создании водяного аэрозольного распыла в настоящее время связываются с использованием перегретой жидкости. При экспериментах и прак-

тическом использовании отмечается также ее высокая тушащая способность.

Проведенные к настоящему времени исследования тушения диспергированной перегретой жидкостью включают в себя мелкомасштабные огневые испытания. При этом о результатах ды-моподавлення судят, как о второстепенном действии.

Таким образом, в настоящее время отсутствуют теоретические подходы, связанные с созданием интегрированных устройств пожародымоподавления. Кроме того, для успешного использования в них перегретой жидкости необходимы исследования структурообразования возникающих неизотермических газожидкостных потоков. Не разработаны также, учитывающие динамику формирования струй, физико-химические способы ликвидации задымленности и тушения очага пожара и устройства для их осуществления.

Цель и задачи работы. Целью диссертационной работы является изучение условий формирования диспергированного потока и разработка, на основе оптимизации его характеристик, технологии распыливання жидкости для интегрированных устройств дымоподавления и пожаротушения.

Для реализации поставленной цели были сформулированы следующие задачи:

- изучить условия получения и применения аэрозольного распыла, образованного подачей перегретой жидкости;

- построить модели, характеризующие теплофизические процессы диспергирования газожидкостного потока;

- основываясь на методе ИК-термографии, провести стендовые эксперименты структурообразования, а также формирования расходных и дисперсных характеристик потока;

- создать рациональную конструкцию распылителя и технологию получения тонкодисперсного распыла с его использованием, а также исследовать их функциональность в серии стендовых и полигонных огневых испытаниях.

Достоверность полученных результатов и выводов, сформулированных в диссертации, подтверждается: их экспериментальной проверкой в лабораторных, стендовых и полигонных испытаниях, включая крупномасштабные эксперименты, по оценке пожародымоподавления; применением одного из наиболее информационных методов термометрии - вычислительной ИК-термографии; использованием методов численного решения ряда задач и моделирования с сопоставлением результатов с фун-

даментальными зависимостям» известны мм в литературе и полученных другими методами и авторами; анализом большого массива информации о характеристиках газовоздушной среды до и после орошения; апробацией материалов исследования, подтвержденных актами практической реализации.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- предложены математические и экспериментально-статистические модели, а также методики испытаний трансформирования водяного распыла аэрозольного типа;

- определена аналитически и экспериментально на основе метода ИК-термографии дымоподавляютая и тушащая способность диспергированной перегретой жидкости;

- предложены теоретико-экспериментальные основы управления параметрами нензотермического газожидкостного потока как физическими, так и химическими методами;

- разработаны и испытаны в натурных условиях способы пожародымоподавления и устройства для их осуществления, признанные изобретениями положительными решениями патентно-технической экспертизы;

- установлен круг вопросов, определяющих перспективное направление в области диспергирования жидкости интегрированными устройствами пожародымоподавления, которые подлежат дальнейшему изучению.

Объекты исследования. Объектом исследования выбраны условия формирования полидисперсного неизотермического осе-симметричного газожидкостного потока, образованного диспергированием метастабильной (перегретой выше температуры кипения на несколько десятков градусов) жидкости, а также обоснование параметров факела орошения, обеспечивающих поэтапное или одновременное пожародымоподавление.

Практическая ценность диссертации состоит в том, что разработанные математические модели позволяют определить оптимальные условия структурообразования капельного потока для обеспечения поэтапного или одновременного дымоподавле-ния и пожаротушения.

Практическую ценность имеют разработанные технологические основы диспергирования жидкости, реализуемые в устройствах передвижного и стационарного исполнения. Перспективно их использование в помещениях различного назначения иди технологических установках, а также пожарными подразде-

леииями для оперативного пожаротушения и ведения аварийно-спасательных работ.

Использование разработанных математических моделей и методик испытаний позволяет оценить последовательное или одновременное улучшение видимости, уменьшение до безопасных значений концентрации опасных тазов, охлаждение их, а также ослабление тепловою потока и ликвидацию очага пожара.

Создание и внедрение устройств, с помощью которых можно решать одновременно несколько задач, характерных для не-развившегося пожара, повысит успешность действий по его лик- -нидации.

Практическая реализация работы. Полученные в диссертации результаты используются при проектировании модулей для получения перегретой воды, по материалам исследований производится вариантная проработка систем противопожарной защн-1Ы на тепловых станциях объединений "Донбассэиерго" и "Днепрознерт".

Опубликованные материалы исследований, обобщенные в диссертации, вошли в лекцию. Результаты работы по интегрированию устройств дымоподавления и пожаротушения используются в учебном процессе МППБ и СПб ВГ1ТШ МВД России по дисциплинам "Общая физика н теплообмен", "Пожарная техника" и "Пожарная тактика".

Апробация работы. Основные результаты и положения диссертационной работы были представлены на ежегодных международных конференциях "Информатизация систем безопасности" (1994-1996 гг.); во ВНИИПО на XIII Всероссийской научно-практической конференции "Пожарная безопасность-95" (1995 г.) и на "Научной конференции молодых ученых ВНИИПО и ВИГ1ТШ" (1995 г.); на научно-практической конференции в МИПБ "Актуальные проблемы предупреждения и тушения пожаров на объектах и п населенных пунктах. Пожарная безопас-ность-96"; на международной научно-практической конференции "Пожарная безопасность и методы ее контроля" (1997 г.); на межотраслевом научно-практическом семинаре "Сверхраннее обнаружение и тушение пожаров" (1994 г.); на научных семинарах кафедр МИПБ и СПб ВПТШ.

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 22 печатных работах, в том числе в лекции.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, списка литературы и приложения. Работа без приложения

содержит 408 страниц; машинописного текста, иллюстрированного 132 рисунками и ГО -таблицами. В библиографии приведены 194 литературных источника на русском языке и 16 на иностранных языках.

На защиту выносятся результаты:

- теоретико-экспериментального изучения условий получения и применения аэрозольного распыла, образованного подачей перегретой жидкости;

- моделирования теплофизнческих процессов диспергирования газожидкостного потока;

- стендовых экспериментов сгруктурообразования, а также формирования расходных и дисперсных характеристик потока, основанных на использовании метода ИК-термографни;

- проектирования диспергирующего устройства и технология получения тонкодисперсного распыла с его использованием, а также исследования их функциональности в серии стендовых и полигонных огневых испытаний.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении приводится фактический материал, определяющий народнохозяйственное значение исследуемой задачи. Сформулированы цель и задачи работы, изложены научная новизна и практическая значимость полученных результатов, приведены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе на основе изучения опубликованных работ и опыта эксплуатации устройств для диспергирования жидкости проанализировано проявления опасности дыма при пожаре и степень адекватности технических возможностей по ее снижению.

Рассмотрение физико-химических, социально-экономических и экологических проявлений действия продуктов горения позволило сделать вывод о необходимости выявления как потенциальной опасности задымления, сопровождающее пожары, так и принятие своевременных мер по его подавлению. Показана тенденция развития технических средств дымозащиты. заключающаяся в комплексном сочетании различных принципов воздействия на дымовые аэрозоли.

В диссертации дан анализ методов очистки газовой среды от аэрозолей. Отмечается, что приемлемой степенью и технологией процесса очистки дисперсной среды, экономичностью и безопасностью применения обладают физико-химические методы дымоподавления капельным потоком диспергируемой жидкости.

Существенный вклад в современную теорию подавления аэрозолей внесли исследования, обобщенные в известных монографиях В.П. Журавлева, Л.М. Левина, В.Л. Левича, П. Райста, H.A. Фукса и других исследователей.

Особенностью развития современной науки и, в частности, систем безопасности и жизнеобеспечения является многоуровневое и многофункциональное интегрирование их подсистем. В результате анализа исследований в области создания интегрированных устройств дымоподавления и пожаротушения (ИУДиП) составлена их классификационная схема.

Показана возможность поэтапного или одновременного подавления дыма и очага пожара при орошении водяным аэрозольным распылом. Одним из путей по его получению является организация подачи метастабильнои перегретой на несколько десятков градусов выше температуры кипения жидкости.

Различным аспектам изучения теплофизических свойств перегретой жидкости (ПЖ), посвящены работы Н.З. Абдюшева, В.Н. Евстефеева, С.Н. Кравчуна, Ф.Р. Латыпова, P.P. Мулюкова, Е.Д. Никитина, П.А.Павлова, В.П. Скрипова, В.Н. Чуканова и других исследователей. Исследования ее объемно-поверхностного действия при тушении содержатся в работах И.Ф. Безродного,

A.Н. Егорова, Ю.Г. Журавлева, А.Я. Корольченко, И.А. Ко-рольченко, В.Г. Кузьмина, В.Р. Малинина, H.H. Малинина,

B.В. Роенко, A.B. Шарикова и других исследователей.

Анализ исследований в области применения ПЖ показал, что достаточно хорошо изучена номенклатура горючих веществ и материалов но тушащему действию. Дымоосаждающая| способность газожндкостного потока, образованного диспергированием ПЖ, рассматривается как побочное действие. При этом из-за наличия в ходе тушения значительных количеств продуктов горения и капель подаваемой воды невозможно зафиксировать с достаточной степенью точности момент ликвидации горения.

На основании вышеизложенного сформулирована проблематика интегрирования устройств дымоподавления и пожаротушения в ряду других задач: обоснование параметров капельного потока, достаточных для улавливания и выведения из взвешенного состояния аэрозольных частиц, а также подавления горения; обеспечен ие1-инструментально-методической базой изучения формирования газожидкостного потока и его пожародымо-подавляющего действия.

В результате анализа литературы и патентного поиска обоснованы цель и задачи исследования, направленные на обеспечение ликвидации очага пожара и задымления в защищаемом объеме.

Во второй главе рассмотрены вопросы, связанные с математическим описанием процессов, протекающих при диспергировании жидкости ИУДиП в целях пожародымоподавлення.

Основой принятия решения по формированию требований к параметрам потока, создаваемого ИУДиП, было оптимальное решение, найденное методом исследования операций. Предложен обобщенный - критерий функционирования ИУДиП (Wim), сочетающий в себе условия оперативно-тактической обстановки, ОФП, а также требования к установке, которые необходимо оптимизировать.

Специфика обстановки на пожаре предъявляет противоречивые требования к технике и тактике. Так, средства пожаротушения должны быть одновременно мощными и легкими, совершенными и простыми. Чтобы получить наибольший эффект необходимо сократить диапазон допустимых отклонений в разрешении противоречий. Вследствие этого, поиск Wmi, носящий компромиссный характер, осуществлялся методом последовательных уступок. Таким образом, задача обоснования Wmt ИУДиП сводится к выбору характеристик подаваемого вещества.

Методом динамического программирования проведена оптимизация по времени использования подсистем пожаротушения и дымоподавления ИУДиП. Необходимая информация для формирования выборочных параметров диспергирования определялась путем составления уравнений Беллмана для рассмотренных случаев семейства аналогичных задач.

Проведен анализ факторов, определяющих механизм дымоподавления диспергированной жидкостью. Рассмотрен механизм турбулентного переноса и осаждения аэрозоля газожидкостным потоком. Особое внимание уделено анализу влияния на него масштаба турбулентности, снижение которого способствует интенсификации коагулирующего действия.

Исследованы теплофизические вопросы, связанные с математическим описанием процессов, протекающих при использовании диспергированного газожидкостного потока. Аппроксимация экспериментальных результатов различных авторов для изучаемых условий охлаждающего действия (Re=0-5 104) позво-

лила получить зависимость теплообмена капель полидисперсного

типа с газовым потоком при

В отличии от распространенного подхода, в котором принимается N11=2, использование предложенной модели позволило выявить влияние на интенсивность протекания ряда теплофи-зических процессов скорости движения в газовоздушной среде капель и степень их дисперсности. С учетом этого были получены математические модели, описывающие теплоотдачу капельного потока и долю испарившейся воды в газовой фазе (рис. 1).

Для получения те!июней карты изучаемой среды предложено использовать ИК-термографию, позволяющую определить наличие нарушений вну треннего строения исследуемой области с существованием неоднородностей в распространении теплового импульса.

На основе анализа селективного излучающего и погло- -тающего действия водяных паров и , диоксида углерода, в значительном количестве содержащихся в продуктах горения, предложены пути обеспечения экстинкции теплового излучения. Кроме процессов выведения из взвешенного состояния сажестых частиц и других компонентов газовоздушной среды, также детально рассмотрено теплоослабляющее действие капельного потока диспергированной жидкости. Предложена математическая модель, характеризующая коэффициент экстинкции для случая диспергирования 11Ж и спектра излучения пламени древесицы.

Совместное рассмотрение зависимостей (1), (2), (3), (4) (рис. 1) показывает, что при фиксированном значении интенсивности подачи жидкости организация ее диспергирования является функцией трех основных переменных: дисперсности капель, их скорости и длины участка струи (активного) на котором они сохраняют квазисгационарный режим движения. Анализ кривых (рис. 1) показывает, что область оптимальных значений дисперсности капель заключает в себя промежуток от 20 до 70 мкм.

В связи с этим, задача оптимизации парамегров диспергирования жидкости должна быть поставлена при заданных условиях, достаточных для достижения безопасных условий для человека. Так, на основе результатов теоретических и экспериментальных исследований необходимо минимизировать интенсивность подачи диспергированной жидкости, укорочение активного участка струи и размер капель при максимизации их скорости движения.

Рис. I. Теплофизические процессы, связанные с диспергированием жидкости (буквенные обозначения см. в тексте): 1-расчет по зависимости а = 0,5-A.g-dK_0'45-(WK/vg)()-55; 2 - --//-00

y=3Z(mKi/(pKi dKi));3-//-Stk=2-p4 (гм)2 Re/(9 pg Rk);

i=l

4- -//-Y vap= 1 -[(dK°)2'45-L vapXP]/(dK°)3

В третьей главе изложены методики проведения экспериментов, проанализированы полученные данные и приведены экспериментально-статистические модели. Сопоставимость результатов исследований обеспечивалась использованием однотипной инструментальной базы, оценкой экспериментальных данных н принятых допущений при замене натурных опытов лабораторными и стендовыми.

Выбор объектов исследования определялся существующими и перспективными техническими решениями тушения водяным распылом аэрозольного типа, а также возможностями оценки его пожародымоподавляющего действия (рис. 2).

Для идентификации стендовых и полигонных экспериментов диспергирования жидкости интегрированными устройствами

дымоподавлелни и иожарогушенля разработаны условия моделирования. Так, для создания тепловых потоков в стендовых экспериментах применялись инфракрасные нагреватели со спектром излучения приближенным к пламени, а имитирование горючей нагрузки в лабораторных и стендовых условиях осуществлялось использованием метода тестовых очагов.

Рис. 2. Сетевой граф проведения экспериментальных иссле- -дованин: I-профилирование распылителей для диспергирования перегретой жидкости; 2 - определение расходных и эжекционных характеристик I азожндкостного потока; 3 - плотность орошения распылителями; 4 - И К-термография газожидкостного потока; 5 -дисперсный анализ капель диспергированной жидкости; 6 - тушение модельных очагов; 7 - определение экстннкции теплового излучения; 8 - крупномасштабное испытание по оценке эффективности пожародымоподавлення в закрытом объеме

Анализ многочисленных работ в области энергетики показал, что профилирование рассматриваемого типа сопла сводится к поиску оптимального угла конусности расширяющейся его части в зависимости от физического состояния подаваемой жидкости. Подобное профилирование позволяет осуществить приращение количества движения, что заставляет продвинутся поток несколько дальше и, тем самым, уменьшает степень расширения области перемешивания струи. Поэтому основной интерес представляет обеспечение процесса расширения потока без отрыва от стенок, где за характерный размер может быть принята толщина потери энергии 6**т.

X

у/-/;/; / / V х„„

Рнс.З. Схема обтекания непроницаемой стенки сопла

Преобразованиями интегрального уравнения энергии теплового пограничного слоя для рассмагрнваемых условий истечения (рис. 3) удалось получить следующую формулу

Стендовые экспериментальные исследования проводились на упрощенных моделях 6-ти типов сопел. Методом инфракрасной термографии проводилось картографирование температур поверхности модельного сопла и. примыкающей к нему, области испытательной камеры в реальном масштабе времени.

Анализ результатов экспериментального исследования (рис. 4), обработанных по общепринятой форме (ЗЬ-Рг0-6) позволил получить зависимость вида

81,Рг0>6(^/Т1)°-25(3-")=0.0177(Ке**т)-0-25. (6)

Предложена модель, характеризующая степень теплоотдачи расширяющейся части сопла Лаваля

Сделан вывод о том, что оптимальным для получения минимальной степени расширения потока является диапазон

(рс-Л-Ь". Дальнейшее увеличение угла конусности вызывает укорочение жидкого ядра и, как следствие, расширение диспергированного потока и сокращение активного участка струи.

Исследование формирования струй с различной начальной турбулентностью методом ИК-термографии позволило подтвердить гипотезу о наличии в неизотермическом потоке диспергированной перегретой жидкости ядра потока, окруженного перифе-

5**т = 0,0337с0>8 У 0,2.рг -0.316.^-0.2

(5)

фг=ап^(1ояКе"т(8ьРг>-2/К11*).

(7)

рийным кольцом пароканельного слоя. Установлена аналитическая связь между протяженностью ядра струи и длиной ее активного участка.

Проведенный анализ ряда полученных экспериментально-статистических моделей показал, что при температуре перегрева воды до 140-160 °С обеспечивается максимальная протяженность активного участка струи.

Рис. 4. Теплообмен в расширяющейся части модельного сопла Лаваля. Сопоставление экспериментальных значений критерия теплоотдачи БТуРг0,6 (точки) для ^=6° с вычисленными по зависимости (6) (линия)

Тепловизнонлая съемка позволила целенаправленно изъять пробы для дисперсного анализа капель по горизонтальному и вертикальному сечению факела орошения. Анализ результатов позволил сделать вывод, что дробление потока перегретой жид- -кости на капли проходит три основные стадии: распад при вскипании на выходе из насадка, разрыв капель при трансформировании ядра струи и коалееценция капель при движении в ее периферийном слое.

Анализ результатов структурообразования распыла показывает, что его эжекцнонная способность определяется протяженностью ядра струн.

Показаны результаты тепловизионной оценки тушения модельного очага класса А диспергированной ПЖ по усовершенствованной методике применительно к изложенным выше особенностям тушения. Это позволило зафиксировать момент ликвидации гомогенного горения, охлаждение локальных очагов гетерогенного горения, снижение температуры на поверхности древесины ниже температуры пиролиза.

В четвертой главе описаны математические модели, используемые при численном моделировании трансформирования неизотермического газожидкостного потока, образованного диспергированием ПЖ. Его толщина мала по сравнению с длиной активного участка. Это позволило рассмотреть его нарастание по отношению к ядру осесимметричного течення, образующего зону смешивания, в рамках теории пограничного слоя.

Решение этой задачи сведено к поиску выражения, связывающее турбулентную кинематическую вязкость с пульсациями скоростей. С использованием второй модели Прандтля для случая формирования диффузионного фронта нензотермического газожидкостного потока получена ее зависимость от поперечного размера зоны смешения

у,=0,0021-б-(ити-итт). (8)

На основе фундаментальных представлений о формировании турбулентности струй при большой относительной температуре и допущениях, справедливость которых проверена экспериментально, получено уравнение активного участка струи

62/ду(СрТ/и)=(иаСрТ/Эх+иСРТ%Е(би/с?у)2)х

х(ШШх)-«. (9)

С учетом данных расчетной схемы (рис. 5), составленной на основе метода ИК-термографии, начальные условия примут вид:

Т(х,0)=То(х)ГГ(у,0)=То(у);"и(х,0)^(х);

и(у,о)=и0(у);иаи/ау=о.

Кроме того , в качестве граничного к уравнению (9) может быть взято за основу условие сопряжения, сводящееся к заданию температур на границе ядра струи и пограничного слоя:

Тс1Г=5/4-Тр.

(Ю) -

Ч Э(т„) **

2

Рис.5. Иллюстрация к заданию краевых условий при расчете трансформирования турбулентности струи: 1-внешняя граница тепловой зоны смешения; 2-диффузионный фронт ядра; 3-перифернйный слой; 4-граница динамической зоны смешения

Численное решение задачи для случая вырождения диффузионной поверхности ядра струи имеет вид

Т<н-= 10(Рг Ш/СР-0,014Си-и<и+3,6). <м)

Удовлетворительное совпадение расчетных и опытных данных подтвердило адекватность полученной модели.

Особое внимание уделено изучению процессов, сопровождаемых неустановившееся движение при внезапном орошении. Предложена система уравнений, описывающая динамику адиабатического неизэнтропического случая диспергирования перегретой жидкости

Для условий внезапности диспергирования в узкие протяженные технологические проемы с преобладающем действием трения система уравнений (12) может быть представлена в виде

дрЮ { + д (р и)1дх = 0 д(р-и)/&=-дР/дх-А.с-р-и2/(2-ё)

(12)

д?/д1=уд2Шх\

(13)

с граничными условиями

Р (х\ 0)=Р при х'>0; Р (х\ 0) = -Р при х'<0.

При этом решение (13) имеет вид X

Р(хД)=Р/(луО°-5]ехр(-(х')2/(4У1Л))ёх'= о

= РегГ{х/(4\|Л)0-5}. (14)

Совместное рассмотрение зависимости (14) с результатами исследования, основанных на теории пограничного слоя, показало, что имеет место диффузионное изменение скорости поперек линий тока.

В пятой главе приведено описание испытательного помещения, методики проведения экспериментов, а также анализ полученных данных.

Полигонные испытания проводились на фрагменте тепло-дымокамеры НИИГД НПО "Респиратор" в помещении арочного типа с объемом 20 м5. Стены выполнены из огнеупорного кирпича толщиной 0,25 м, а перекрытие из железобетонных плит. В качестве горючего материала использовалась древесина (сосна), которая укладывалась в штабель или сжигалась в генераторе дыма.

В соответствии с методикой проведения исследований, помещение было оснащено датчиками для измерения концентраций монооксида углерода и кислорода, а также оптической плотности и дисперсного анализа дыма. Дополнительно были проведены картографирование температур тепловизионным видеокомпьютерным комплексом и контактная термометрия среды.

Анализ полученных экспериментальных данных по комплексному исследованию турбулентного переноса и осаждения дымовых аэрозольных частиц показал, что интенсивность их изменения определяется дисперсностью, распределением локальной плотности орошения и протяженностью активного участка струи.

Использование тепловизионного комплекса для коррекции подачи в очаг пожара струи воды аэрозольного распыла позволяет обеспечить полное насыщение ею горящих поверхностей твердого горючего материала за минимальное время при интен-

снвности подачи воды около 0,2 л/(м2с). Введение вспенивающегося состава позволило сократить до полутора раз время диспергирования, необходимого для понижения температуры в тестовом очаге, при которой невозможен выход горючих газов.

Создание гетерогенного потока, образованного дискретно летящими полидисперсными вспененными агрегатами, каплями и паровой фазой, обеспечивает благоприятные условия для бы-стропротекающего вовлечения в движение, захват и выведение из взвешенного состояния дымовых аэрозольных частиц.

Проведен анализ результатов теоретических исследований, а также проведенных многочисленных стендовых и полигонных испытаний. На его основе разработаны рекомендации по управлению параметрами факела орошения. Показаны возможности достижения интегрального пожародымоподавляющего действия при широком диапазоне варьирования параметров факела орошения.

Обоснован круг вопросов, подлежащих дальнейшему изучению.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. В диссертации решались научно-практические вопросы о совместном обеспечении подавления горения, улучшения условий видимости, снижения концентраций опасных продуктов горения и температуры газовоздушной среды в защищаемом объеме. В ней дается оценка опасности дыма, методов очистки газовой среды от аэрозолей и средств пожаротушения, которая выявила необходимость создания интегрированных устройств дымоподав-ления и пожарозушення. Показано, что, несмотря на отмечаемую перспективность использования водяного распыла, до настоящего времени вопрос о формировании тонкодисперсного капельного потока, ^способного интенсивно как подавлять дым, так и ликвидировать горение является малоизученным.

2. Методом динамического программирования задача обоснования критерия функционирования интегрированного ~ устройства сведена к выбору характера распыла. Так, увеличение скорости коагуляции водяных капель с дымовыми частицами при фиксированном значении их размера обеспечивается максимизацией скорости турбулентных пульсаций в газожидкостном потоке при минимизации их масштаба.

Формализация теоретических предпосылок, характеризующих диспергирование газожидкостного потока, позволила опре-

делить задачу оптимизации его параметров в снижении интенсивности подачи жидкости, размера капель и увеличении активного участка струи.

3. Проведен выбор типа и на основе теории теплового пограничного слоя с учетом полученной математической модели определения толщины потерн энергии спрофилирован распылитель в виде сопла Лаваля для диспергирования перегретой жидкости. Совместное рассмотрение степени теплоотдачи расширяющейся части сопел Лаваля и длины жидкой части струн на выходе из них позволило установить, что оптимальным для получения минимальной степени расширения потока является диапазон 4-6°. Дальнейшее увеличение угла конусности способствует укорочению центрального ядра и, как следствие, расширению диспергированного потока.

Функциональность распылителя изучена в ходе лабораторных, стендовых и крупномасштабных исследований с использованием метода ИК-термографии. Полученные при анализе их результатов экспериментально-статистические модели позволили сделать вывод, что дисперсность капель в интервале 20-70 мкм, обеспечивающая одновременность проведения дымоподавления, экстинкции теплового потока от очага пожара и его тушение, достигается перегревом жидкости до 140-160 °С. В интервале этих температур для 6-ти исследованных насадков обеспечивается также максимальная протяженность активного участка струи.

4. Методом И К-термографии экспериментально подтвер-жена гипотеза о наличии в неиэотермнческом потоке, диспергированной перегретой жидкости ядра, окруженного периферийным кольцом парокапельного слоя. Установлена связь между геометрическими параметрами ядра струи и длиной се активного участка. На основе фундаментальных представлениях о формировании турбулентности струн и допущениях, справедливость которых проверена экспериментально, предложены следующие математические модели:

- нарастания зоны смешения в рамках теории пограничного

;лоя;

- активного участка газожидкостного неизотермнческого тотока;

- внезапного диспергирования в ограниченный протяжен-шй проем;

- эжекционного действия струи на протяжении активного ее /частка.

Разработанные модели позволяют оценить трансформирование турбулентности струй при большой относительной температуре и определить требуемые параметры диспергированного потока для конкретных условий организации его подачи.

5. Установлена возможность управления параметрами неизотермического газожидкостного потока как физическими, так и химическими методами. Гак, с использованием тепловизионной оценки диспергирования, организации подачи, результатов ды~ моподавления и тушения тестовых очагов получена возможность генерирования пеноаэрозольного распыла введением специального концентрированного состава, который термовспенивается в газожидкостном потоке.

Теоретическими исследованиями установлено, что интенсивность коагуляционных процессов в пеноаэрозольном распыле определяется тсмпературио-скоростными распределениями и размерами области распыла с гладкой вихревой структурой. Торможение капель раствора и возникающих пузырьков обеспечивает поддержание их концентрации на активном участке струн. При этом конкурирование явлений их коагуляции и дробления характерно для зоны разрушения осевой симметрии неизо-термичсского потока.

6. Исследованиями турбулентного переноса и осаждения дымовых аэрозольных частиц, включающих в себя изучение их морфологических свойств, сопоставления карт локальных значении оптической плотности дыма, температуры и токсичности среды в закрытом помещении, доказано, что их динамика определяется дисперсностью, распределением локальной плотности орошения и протяженностью активного участка струи.

Достижение порогового значения для терморазложения древесины (сосны) не превышала 20-25 секунд при диспергировании перегретой жидкости со среднеарифметическим диаметром капель 95-110 мкм и интенсивностью подачи 0,01-0,015 л/(м3 с).

Создание гетерогенного потока, образованного дискретно летящими полидисперсными вспененными агрегатами, каплями и паровой фазой, обеспечивает благоприятные условия для бы- -стропротекающего вовлечения в движение, захват и выведение из взвешенного состояния дымовых аэрозольных частиц при концентрации термовсненивающегося состава около 0,5 % (объемных).

Использование тепловизионного комплекса для коррекции подачи в очаг пожара струи воды аэрозольного распыла позво-

ляет обеспечить полное насыщение ею горящих поверхностен твердого горючего материала за минимальное время при интенсивности подачи воды около 0,2 л/(м2 с). Введение термовспени-вающихся составов позволяет сократить до полутора раз время диспергирования, необходимого для понижения температуры в тестовом очаге, при которой невозможен выход горючих газов.

7. Предложены способы пожародымоподавления и устройства для их осуществления в переносном и стационарном исполнении. Применение разработанного распылителя в составе собранного макета интегрированного устройства позволяет последовательно или одновременно улучшить видимость, уменьшить до безопасных значений концентрации опасных газов, охладить их, а также ослабить тепловой поток и ликвидировать очаг пожара.

8. Выполненные исследования позволяют определить круг вопросов, определяющих перспективное направление в области диспергирования жидкости интегрированными устройства пожародымоподавления, которые подлежат дальнейшему изучению.

К таким вопросам относятся:

- построение математических моделей движения вихревых лруктур, а также численное моделирование мелкомасштабной гурбулентности неизотермических капельных струн;

- исследование возможностей использования вычислитель-чой ИК-термографии для получения, накопления и .обработки данных о формировании и применении газожндкостного потока та основе полученных в диссертационной работе математических моделей;

- совершенствование физико-химических подходов управ-1ения термической турбулентностью на активном (начальном) участке струй;

- изучение условий нейтрализации водногранулированными ггруями трудноулавливаемой фракции дисперсной фазы дыма и :ильнодействующих ядовитых веществ в любом агрегатном со-гтоянии;

- разработка новых технических решении интегрирования /стройсгв пожародымоподавления.

Условные обозначения, используемые в работе: Ср-теплоемкость среды при постоянном давлении; <1-хловный диаметр технологического проема; с1к-диаметр капли;

Ьасгдпина активного участка струи; Ьуар-параметр испарения; /с-длина расширяющейся части сопла Лаваля; Шк-масса капли; Р-текущее давление; ^'-универсальная газовая постоянная; Як.Гч-радиус капли и дымовой частицы соответственно; Т-текущая температура; Тц.температура газовоздушной среды; Т«/-температура нагрева жидкости; Тауг адиабатная температура внешней поверхности стенки; ТёГ-температура потока на поверхности диффузионного ядра; Тр-температура в пограничном слое; {-текущее время; У-продольная составляющая скорости; ита*,итт-максимальная и минимальная скорости в слое смещения; и<1/"-скорость потока на поверхности диффузионного ядра; Wint-кpитepий функционирования ИУДиП; XV к-скорость движения капли; \Ух-скорость набегающего потока жидкости; -И\-переменная скорость потока жидкости; и-радиальная составляющая скорости; ОСх-коэффициент теплоотдачи; 8-поперечный размер зоны смешения; 6**т-толщина потери энергии; у-коэффициент экстинкции; уУар - доля испарившейся капли воды;

коэффициент теплопроводности газа; Хс- коэффициент сопротивления участка канала; У8-коэффициент кинематической вязкости газа; V)-коэффициент кинематической турбулентной вязкости; р,рс,рк^,рч,р'-плотность среды, смеси жидкости, капли, газа, дымовой частицы, жидкости; Тр-время нахождения в нагретой среде; ф-концентрацкя газа в смеси; фс - угол конусности расширяющейся части сопла Лаваля; фт-степень теплоотдачи; 2фЯ"Т(1/(Яс I и | (1-(1-ф)р/р') -коэффициент термодиффузии; Gu=(Tw-Tg)ЛГw; Ми=ах. с1кА.; Мих=ах7сА.;

Рг=у/ах; Яе=и-с1к/у; 51э=ах/(Ср-и-р)-

числа подобия Гухмана, Нуссельта по диаметру капель и длины расширяющейся части, Прандтля, Рейнольдса по диаметру капель и толщине потери энергии, Стантона.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

1. Акимов M. Н., Звонов B.C., Остах C.B. Использование инфракрасной техники при работе в условиях сильного задымления // Проблемы пожарной безопасности: Сб. науч. тр. - СПб.: ВПТШ МВД РФ, 1992.-С.66-69.

2. Акимов М.Н., Звонов B.C., Остах C.B. Акустическое осаждение дымов // Там же. - С. 69-76.

3. Акимов М.Н., Звонов B.C., Остах C.B. Новый отечественный тепловизор//Пожарное дело. - 1993. -№2. -С. 32.

4. Безбородько М.Д., Малинин В.Р., Остах C.B. Автоматизированные интегрированные установки противодымной защиты и тушения пожара // Информатизация систем безопасности ИСБ-94: Материалы третьей междунар. конф. - М.: ВИПТШ, 1994. - С. 68-69.

5. Безбородько М.Д., Остах C.B. Исследование газожидкостного потока перегретой воды методом инфракрасной термографии // Научн.-техн. конф. молодых ученых ВНИИ ПО и ВИПТШ: Тезисы докладов. - М.: ВНИИПО. 1995. - С. 7-9.

6. Безбородько М.Д., Остах C.B. Использование экспертного метода для обоснования параметров и области применения средств дымоподавления // XIII Всероссийская научн.-практ. конф. "Пожарная безопасность-95" : Тезисы докладов. - М.: ВНИИПО, 1995.-С. 169-170.

7. Ostakh S.V. The information support of the stream of water aerosol infrared thermography II Proceedings of the Fourth International Conference ISS-95. - P. 161-162.

8. Безбородько М.Д.. Малинин В.P., Остах C.B. Переносные автономные устройства осаждения дыма и тушения пожара // Проблемы безопасности при чрезвычайных ситуациях. - М.: ВИНИТИ, - 1995, Вып. 2.-С. 71-75.

9. Злотников Я.С., Остах C.B. Диалектика пожарной техники и тактики / Лекция. - М.: ВИПТШ, 1996. - 36 с.

10. Остах C.B., Безбородько М.Д., Власенков A.A. О выборе критерия функционирования интегрированных устройств дымоподавления и пожаротушения И Информатизация систем безопасности ИСБ-96: Материалы третьей междунар. конф. - М.: ВИПТШ, 1996.-С. 186-188.

11. Остах C.B., Власенков A.A. О выборе приоритетов в функционировании интегрированных устройств дымоподавления и пожаротушения// Там же. - С. 214-216.

12. Остах C.B. Тепловизионная оценка результатов тушения водой аэрозольного распыла // Безопасность труда в промышленности. - 1996. - № 3.

13. Остах C.B., Безбородько М.Д. Формирование струй водяного распыла аэрозольного типа // Пожарная техника: Средства и способы пожаротушения: Сб. науч. тр. - М.: ВНИИПО, 1996.-С. U2-117.

14. Остах C.B. Дисперсность капель факелов водяного распыла аэрозольного типа // Там же. - С. 117-125.

15. Остах C.B. Изучение структуры водяного распыла аэрозольного типа // Там же. - С. 125-131.

16. Остах C.B., Безбородько М.Д., Остах А.В:-Ис<у1едование интенсивности орошения горизонтальной поверхности водяным распылом аэрозольного типа //Там же. - С. 131-138.

17. Остах C.B., Безбородько М.Д. Некоторые вопросы получения и применения распыла пеноаэрозольного типа // Актуальные проблемы предупреждения и тушения пожаров на объектах и в населенных пунктах. Пожарная безопасность 96: Материалы научн.-лракт. конф. - М.: МИПБ, 1996. - С. 140.

18. Остах C.B., Безбородько М.Д. Профилирование расширяющейся части сопел Лаваля, используемых для пожаротушения перегретой водой // Там же. - С. 148-150.

19. Остах С. В., Безбородько М.Д. Некоторые вопросы оптимального профилирования расширяющейся части сопел Лаваля в случае самоиспаряющейся жидкости //Теплофизика высоких температур. - М.: РАН. 1997, №7.

20. Остах C.B. Моделирование гидродинамики, массо- и теплообмена в пеноаэрозольном распыле // Пожарная безопасность и методы ее контроля: Материалы междунар. научно-практической конф. - СПб.: ВПТШ, 1997. - С. 46-47.

21. Пат. 2067465 (РФ). Способ пожаротушения / Остах C.B., Акимов Mil. // Открытия. Изобретения. - 1996. - № 28.

22. Паг. 2069576 (РФ). Способ осаждения дыма /

Акимов Mit.. Звонов B.C., Остах C.B. // Открытия. Изобретения. - 1996. - №53.

Соискатель ~/<'/" C.B. Остах

МИПБ МВД России Тир.бО экз. Зак.№о/У

Условные обозначения. ВВЕДЕНИЕ.

Глава I. ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПОЖАРОДЫМОПОДАВЛЕНИЯ ДИСПЕРГИЮВАННОЙ ЖИДКОСТЬЮ. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Физико-химические, социально-экономические и экологические аспекты опасности дыма.

1.2. Противодымная защита зданий и сооружений.

1.2.1. Современные направления пассивной и активной проти-водымной защиты.

1.2.2. Методы очистки газовой среды от аэрозолей.

1.2.3. Методы управления параметрами диспергированного потока.:. 1.2.4. Способы дымоподавления капельным потоком диспергированной жидкости.

1.2.5. Средства подавления дыма и тушения пожара

1.3. Физико-химические основы получения и применения водяного распыла аэрозольного типа.

1.3.1. Технология создания аэрозольного распыла диспергированием перегретой жидкости.

1.3.2. Анализ работ по выяснению огнетушащей и дымоподавляющей эффективности водяного распыла.

1.4. Обоснование цели и задач исследования.

Глава И. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРИМЕНЕНИЯ

ВОДЯНОГО РАСПЫЛА АЭРОЗОЛЬНОГО ТИПА В

ЦЕЛЯХ ПОЖАРОДЫМОПОДАВЛЕНИЯ. 2.1. Выбор критерия функционирования интегрированного устройства дымоподавления и пожаротушения.

2.2. Исследование механизма дымоподавления диспергированной жидкостью.

2.2.1. Видимость в задымленной среде.

2.2.2. Физическая модель захвата частиц дымового аэрозоля каплями жидкости.

2.2.3. Физическая сущность влияния турбулизации потока на эффективность дымоподавления.

2.3. Теплофизические вопросы исследования и использования диспергированного газожидкостного потока.

Глава III. ФОРМИРОВАНИЕ НЕИЗОТЕРМИЧЕСКОГО ГАЗОЖИДКОСТНОГО ОСЕСИММЕТРИЧНОГО ПОТОКА.

3.1. Профилирование расширяющейся части сопел Лаваля в случае диспергирования перегретой жидкости.

3.2. Физико-химические вопросы получения распыла аэрозольного типа.

3.2.1. Структурообразование водяного распыла.

3.2.2. Дисперсный анализ капель факелов орошения.

3.2.3. Формирование струй водяного распыла.

3.2.4. Исследование интенсивности орошения горизонтальной поверхности.

3.2.5. Эжекционное действие турбулентных неизотермических газожидкостных потоков.

3.2.6. Структурообразование диспергированного газожидкостного потока в присутствии термовспенивающегося состава.

3.3. Термографические вопросы применения диспергированной перегретой жидкости.

3.3.1. Влияние капельных потоков, образуемых при диспергировании перегретой жидкости, на экстинкцию потока теплового излучения.

3.3.2. Тепловизионная оценка результатов тушения водой аэрозольного распыла.

Глава IV. ТРАНСФОРМИРОВАНИЕ НЕИЗОТЕРМИЧЕСКОГО

ОСЕСИММЕТРИЧНОГО ГАЗОЖИДКОСТНОГО ПОТОКА.

4.1. Динамика неизэнтропического случая струйного течения.

4.2. Нарастание зоны смешения струй, образуемых диспергированием перегретой жидкости.

4.3. Трансформирование турбулентной струи при большой относительной температуре.

4.4. Тепломассообмен абсорбционно-релаксационных явлений трансформирования неизотермического полидисперсного потока.

Глава У. МЕТОДИКА ПЮВЕДЕНИЯ И РЕЗУЛЬТАТЫ

ПОЛИГОННЫХ ИСПЫТАНИЙ ПОЖАРОДЫМОПОДАВ-ЛЕНИЯ ДИСПЕРГИРОВАННОЙ ЖИДКОСТЬЮ.

5.1. Методика проведения испытаний.

5.1.1. Объект и программа огневых испытания.

5.1.2. Выбор горючего материала.

5.1.3. Выбор безопасных параметров газовоздушной среды.

5.1.4. Методика замеров основных параметров, приборы и контролируемые величины.

5.2. Результаты полигонных испытаний и их обсуждение.

5.3. Разработка рекомендаций по управлению параметрами факела орошения.

5.4. Обоснование направлений дальнейших исследований.

Основные результаты работы.

Естественным стремлением пожарных всего мира является попытка потушить пожар на ранней стадии его развития. Работы по созданию средств пожаротушения и способов их применения, отработке тактических приемов их использования проводятся как у нас в стране, так и за рубежом.

Ключевым вопросом по-прежнему остается эффективность средств пожаротушения. Прибывающие на пожар, в начальной стадии его развития, немногочисленные пожарные подразделения повсеместно сталкиваются с проблемами обеспечения безопасности людей, организации проведения разведки, локализации и ликвидации горения. Все работы этой стадии пожара проводятся в зданиях и сооружениях с нарастающей плотностью дыма. В таких условиях высокая токсичность продуктов горения и задымленность помещений вплоть до полной потери видимости являются основными причинами роста гибели людей. Анализ статистических данных свидетельствует, что в 1994 году число погибших от воздействия продуктов горения

• при пожарах в России достигло рубежа Ю000 человек и составляет 75 % всех случаев гибели людей. Это соизмеримо с общим числом погибших при пожарах в 1990 году [105].

В причинах травматизма людей доля продуктов горения составляет около 36 % от общего числа. Использование горючих материалов для отделки помещений транспортных средств обуславливает высокий уровень воздействия на людей от продуктов горения (70 % от общего числа случаев). При возникновении возгорания обильное выделение дыма и интенсивное развитие горения затрудняют или делают невозможным ограничение распространения и тушение очага пожара.

Вместе с тем, в обеспечении видимости на пожарах с плотным задымлением за последние 45-50 лет не произошло существенных сдвигов, несмотря на прогресс в развитии средств осаждения аэрозолей и теплови-зионной техники, применяемых при других аварийно-спасательных работах [66].

Имеющиеся на вооружении технические средства позволяют успешно решать задачи тушения. В тоже время уже сейчас имеются предпосылки для создания и последующего внедрения принципиально новых средств, * которыми, например, можно не только ликвидировать горение, но и снижать опасную концентрацию продуктов горения и улучшать условия видимости. Так, интегрирование (совмещение) устройств дымоподавления и пожаротушения в единую систему позволит получить значительные преимущества. Они в состоянии осуществить целенаправленное тушение, позволяя избежать нерационального расходования сил и средств. Однако, несмотря на перспективность использования, подобные интегрированные устройства еще находятся в стадии разработки для системы пожарной безопасности. Для их широкого применения необходимо объединить в одном способе и устройстве возможности как одновременного или поэтапного подавления дыма, так и тушения очага пожара. Кроме того, проектирование рассматриваемых интегрированных устройств должно включать оптимиза-^ цию управления параметрами его работы с учетом особенностей способов дымоподавления и пожаротушения.

Дымозащита зданий и сооружений направлена преимущественно на обеспечение безопасных условий эвакуации. Наличие подобных устройств при возникновении пожара дает определенную возможность выхода людей из помещений объекта, в котором возник пожар. Однако вероятность задымления в помещениях и на этажах все же не исключается. Кроме того, случаи неработоспособности вентиляционных систем при пожарах доходят до 80 % [173].

Одним из путей уменьшения задымленности может стать проектирование систем выведения продуктов горения из взвешенного состояния. Так, на основе изучения физико-химических методов очистки газовой среды от аэрозолей и механизмов торможения горения сделан вывод о возможности получения необходимых параметров пожародымоподавления путем использования тонкодисперсного распыла в виде водяного аэрозоля. При этом возможности поэтапного и одновременного проведения этого процесса определяются, главным образом, следующими параметрами распыла: давлением подачи, дисперсностью капель, плотностью орошения потоком, а также геометрией его факела.

Последние десятилетия в этой области пожарной безопасности одно* временно развиваются два направления - создание ультрадисперсных (туманнообразных) факелов орошения акустическим озвучиванием или перегревом воды и водных растворов выше температуры кипения на несколько десятков градусов [17,21,28,46,130,172,178].

Теоретико-экспериментальными исследованиями установлено, что по мере развития пожара тушение водяным распылом, получаемым акустическим способом, является малоэффективным. С учетом этого рекомендуют применять смесь воды с нейтральным газом, таким, например, как азот или водяной пар [172]. Поэтому особые перспективы в создании водяного аэрозольного распыла в настоящее время связываются с использованием перегретой жидкости. При экспериментах и практическом использовании отмечается ее высокая тушащая способность. ^ Проведенные в настоящее временя исследования тушения диспергированной перегретой жидкостьювключают в себя, как правило, мелкомасштабные огневые испытания. По мнению самих же исследователей отсутствие соотвествующего инструментально-технического оснащения приводит к низкой точности проводимых теплофизических измерений. При этом о результатах дымоподавления судят, как о второстепенном действии.

В последние несколько лет можно констатировать возникновение качественно нового этапа в пожаротушении диспергированной жидкостью, связанного с введением в нее разного рода химических добавок [14,171]. Обобщая результаты полигонный испытаний этого направления, можно сделать вывод, что подобные попытки усиления тушащей способностей проводятся по результатам тушения обычными распыленными струями.

Таким образом, в настоящее время отсутствуют теоретические подхо ды, связанные с созданием интегрированных устройств пожародымоподав-ления. Кроме того, для успешного использования ими перегретой жидкости необходимы исследования структурообразования возникающих неизотермических газожидкостных потоков. Не разработаны также учитывающие динамику их формирования, физико-химические способы ликвидации задымленности и тушения очага пожара и устройства для осуществления этих процессов.

• Целью диссертационной работы является изучение условий формирования диспергированного потока и разработка, на основе оптимизации его характеристик, технологии распыливания жидкости для интегрированных устройств дымоподавления и пожаротушения.

Для реализации поставленной цели были сформулированы следующие задачи:

- изучить условия получения и применения аэрозольного распыла, образованного подачей перегретой жидкости;

- построить модели, характеризующие теплофизические процессы диспергирования газожидкостного потока;

- основываясь на методе ИК-термографии, провести стендовые эксперименты структурообразования, а также формирования расходных и

Ф дисперсных характеристик потока;

- создать рациональную конструкцию распылителя и технологию получения тонкодисперсного распыла с его использованием, а также исследовать их функциональность в серии стендовых и полигонных огневых испытаниях.

На защиту выносятся результаты:

- теоретико-экспериментального изучения условий получения и применения аэрозольного распыла, образованного подачей перегретой жидкости;

- моделирования теплофизических процессов диспергирования га-зожидкосгного потока;

- стендовых экспериментов структурообразования, а также формирования расходных и дисперсных характеристик потока, основанных на использовании метода ИК-термографии;

- проектирования диспергирующего устройства и технологии получения тонкодисперсного распыла с его использованием, а также исследования их функциональности в серии стендовых и полигонных огневых испытаний.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- предложены математические и экспериментально-статистические модели, а также методики испытаний трансформирования водяного распыла аэрозольного типа;

- определена аналитически и экспериментально на основе метода ИК-термографии дымоподавляющая и тушащая способность диспергированной перегретой жидкости;

- созданы теоретико-экспериментальные основы управления параметрами неизотермического газожидкостного потока как физическими, так и химическими методами;

- разработаны и испытаны в натурных условиях способы пожароды-моподавления и устройства для их осуществления, признанные изобретениями положительными решениями патентно-технической экспертизы;

- установлен круг вопросов, определяющих перспективное направление в области диспергирования жидкости интегрированными устройства пожародымоподавления, которые подлежат дальнейшему изучению.

Практическая ценность диссертации состоит в том, что разработанные математические модели позволяют определить оптимальные условия структурообразования капельного потока для обеспечения поэтапного или одновременного дымоподавления и пожаротушения.

Практическую ценность имеют разработанные технологические основы диспергирования жидкости, реализуемые в устройствах передвижного и стационарного исполнения. Перспективно их использование в помещениях различного назначения или технологических установках, а также пожарными подразделениями для оперативного пожаротушения и ведения аварийно-спасательных работ.

Использование разработанных математических моделей и методик испытаний позволяет оценить последовательное или одновременное улучшение видимости, уменьшение до безопасных значений концентрации опасных газов, охлаждение их, а также ослабление теплового потока и ликвидацию очага пожара.

Саздание и внедрение устройств, с помощью которых можно решать одновременно несколько задач, характерных для неразвившегося пожара, повысит успешность действий по его ликвидации.

Практическая реализация работы. Полученные в диссертации результаты находят использование при проектировании автономных модулей для получения перегретой воды, по материалам исследований производится вариантная проработка систем противопожарной защиты на тепловых станциях объединений "Донбассэнерго", "Днепроэнерго" и "Каприкорн" .

Опубликованные материалы исследований, обобщенные в диссертации, вошли в лекцию. Результаты работы по интегрированию устройств дымоподавления и пожаротушения используются в учебном процессе МИПБ и СПб ВПТШ МВД России по дисциплинам "Общая физика и теплообмен", "Пожарнаятехника" и "Пожарная тактика".

Апробация работы. Основные результаты и положения диссертационной работы были представлены на ежегодных международных конференци

• ях "Информатизация систем безопасности" (1994-1996 гг.); во ВНИИПО на XIII Всероссийской научно-практической конференции "Пожарная безопас-ность-95" (1995 г.) и на "Научной конференции молодых ученых ВНИИПО и ВИПТШ" (1995 г.); на научно-практической конференции в МИПБ "Актуальные проблемы предупреждения и тушения пожаров на объектах и в населенных пунктах. Пожарная безопасность-96"; на международной научно-практической конференции "Пожарная безопасность и методы ее контроля" (1997 г.); на межотраслевом научно-практическом семинаре "Сверхраннее обнаружение и тушение пожаров" (1994 г.); на научных семинарах кафедр МИПБ и СПб ВПТШ .

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 22 печатных работах, в том числе лекции и двух заявках на патенты.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, списка ли

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. В диссертации решались научно-практические вопросы о совместном

9 обеспечении подавления горения, улучшения условий видимости, снижения концентраций опасных продуктов горения и температуры газовоздушной среды в защищаемом объеме. В ней дается оценка опасности дыма, методов очистки газовой среды от аэрозолей и средств пожаротушения, которая выявила необходимость создания интегрированных устройств дымоподавления и пожаротушения. Показано, что, несмотря на отмечаемую перспективность использования водяного распыла, до настоящего времени вопрос о формировании тонкодисперсного капельного потока, способного интенсивно как подавлять дым, так и ликвидировать горение является малоизученным.

2. Методом динамического программирования задача обоснования критерия функционирования интегрированного устройства сведена к выбору характера распыла. Так, увеличение скорости коагуляции водяных

Ф капель с дымовыми частицами при фиксированном значении их размера обеспечивается максимизацией скорости турбулентных пульсаций в газожидкостном потоке при минимизации их масштаба.

Формализация теоретических предпосылок, характеризующих диспергирование газожидкостного потока, позволила определить задачу оптимизации его параметров в снижении интенсивности подачи жидкости, размера капель и увеличении активного участка струи.

3. Проведен выбор типа и на основе теории теплового пограничного слоя с учетом полученной математической модели Определения толщины потери энергии спрофилирован распылитель в виде сопла Лаваля для диспергирования перегретой жидкости. Совместное рассмотрение степени теплоотдачи расширяющейся части сопел Лаваля и длины жидкой части струи на выходе из них позволило установить, что оптимальным для

9 получения минимальной степени расширения потока является диапазон 4-6°.

Дальнейшее увеличение угла конусности способствует укорочению центрального ядра и, как следствие, расширению диспергированного потока.

Функциональность распылителя изучена в ходе лабораторных, стендовых и крупномасштабных исследований с использованием метода ИК термографии. Полученные при анализе их результатов экспериментально» статистические модели позволили сделать вывод, что дисперсность капель в интервале 20-70 мкм, обеспечивающая одновременность проведения дымоподавления, экстинкции теплового потока от очага пожара и его тушение, достигается перегревом жидкости до 140-160 °С. В интервале этих температур для 6-ти исследованных насадков обеспечивается также максимальная протяженность активного участка струи.

4. Методом ИК-термографии экспериментально подтвержена гипотеза о наличии в неизотермическом потоке диспергированной перегретой жидкости ядра, окруженного периферийным кольцом парокапельного слоя. Установлена связь между геометрическими параметрами ядра струи и длиной ее активного участка. На основе фундаментальных представлениях о формировании турбулентности струй и допущениях, справедливость

• которых проверена экспериментально, предложены следующие Математические модели:

- нарастания зоны смешения в рамках теории пограничного слоя;

- активного участка газожидкостного неизотермического потока;

- внезапного диспергирования в ограниченный протяженный проем;

- эжекционного действия струи на протяжении активного ее участка.

Разработанные модели позволяют оценить трансформирование турбулентности струй при большой относительной температуре и определить требуемые параметры диспергированного потока для конкретных условий организации его подачи.

5. Установлена возможность управления параметрами неизотермического газожидкостного потока как физическими, так и химическими методами. Так, с использованием тепловизионной оценки диспергирования, организации подачи, результатов дымоподавления и тушения тестовых очагов получена возможность генерирования пеноаэрозольного распыла введением специального концентрированного состава, который термовспе-нивается в газожидкостном потоке.

Теоретическими исследованиями установлено, что интенсивность коа-гуляционных процессов в пеноаэрозольном распыле определяется темпера-турно-скоростными распределениями и размерами области распыла с гладкой вихревой структурой. Торможение капель раствора и возникающих пузырьков обеспечивает поддержание их концентрации на активном участке струи. При этом конкурирование явлений их коагуляции и дробления характерно для зоны разрушения осевой симметрии неизотермического потока.

6. Исследованиями турбулентного переноса и осаждения дымовых аэрозольных частиц, включающих в себя изучение их морфологических свойств, сопоставления трехмерных карт локальных значений оптической плотности дыма, температуры и токсичности среды в закрытом помещении, доказано, что их динамика определяется дисперсностью, распределением локальной плотности орошения и протяженностью активного участка струи.

Достижение порогового значения для терморазложения древесины (сосны) не превышала 20-25 секунд при диспергировании перегретой жидкости со среднеарифметическим диаметром капель 95-110 мкм и интенсивностью подачи 0,01-0,015 л/(м3 с).

Создание гетерогенного потока, образованного дискретно летящими полидисперсными вспененными агрегатами, каплями и паровой фазой, обеспечивает благоприятные условия для быстропротекающего вовлечения в движение, захват и выведение из взвешенного состояния дымовых аэрозольных частиц при концентрации термовспенивающегося состава около 0,5 % (объемных).

Использование тепловизионного комплекса для коррекции подачи в очаг пожара струи воды аэрозольного распыла позволяет обеспечить полное насыщение ею горящих поверхностей твердого горючего материала за минимальное время при интенсивности подачи воды около 0,2 л/(м2с). Введение термовспенивающихся составов позволяет сократить до полутора раз время диспергирования, необходимого для понижения температуры в тестовом очаге, при которой невозможен выход горючих газов.

7. Предложены способы пожародымоподавления и устройства для их осуществления в переносном и стационарном исполнении. Применение разработанного распылителя в составе собранного макета интегрированного устройства позволяет последовательно или одновременно улучшить видимость, уменьшить до безопасных значений концентрации опасных газов, охладить их, а также ослабить тепловой поток и ликвидировать очаг пожара.

8. Выполненные исследования позволяют определить круг вопросов, определяющих перспективное направление в области диспергирования жидкости интегрированными устройства пожародымоподавления, которые подлежат дальнейшему изучению.

К таким вопросам относятся:

- построение математических моделей движения вихревых структур, а также численное моделирование мелкомасштабной турбулентности неизотермических капельных струй;

- исследование возможностей использования вычислительной ИК-термографии для получения, накопления и обработки данных о формировании и применении газожидкостного потока на основе полученных в диссертационной работе математических моделей;

- совершенствование физико-химических подходов управления термической турбулентностью на активном (начальном) участке струй;

- изучение условий нейтрализации водногранулированными струями трудноулавливаемой фракции дисперсной фазы дыма и сильнодействующих ядовитых веществ в любом агрегатном состоянии;

- разработка новых технических решений интегрирования устройств пожародымоподавления.

1. Абдурагимов И.М. Огнетушащие средства и способы их применения // Журнал ВХО им. Д.И. Менделеева. - 1976. - № 4.

2. Абдурагимов И.М., Говоров В.Ю., Макаров В.Е. Физико-химические основы развития и тушения пожаров. М.: ВИПТШ МВД СССР, 1980. -223 с.

3. Абрамович Г.Н. Теория турбулентных струй. М.: Наука, 1984. - 716 с.

4. Абдюшев Н.З. Исследование истечения вскипающей жидкости через каналы различной геометрии: Дис. . канд. техн. наук / КГУ. Казань, 1982.-С.-86-90.

5. Акимов М.Н., Звонов B.C., Остах С.В. Использование инфракрасной техники при работе в условиях сильного задымления // Проблемы пожарной безопасности: Сб. науч. тр. СПб: ВПТШ МВД РФ, 1992. - С. 66-69.

6. Акимов М.Н., Звонов B.C., Остах С.В. Акустическое осаждение дымов // Проблемы пожарной безопасности: Сб. науч. тр. СПб: ВПТШ МВД РФ, 1992.-С. 69-76.

7. Акимов М.Н., Звонов B.C., Остах С.В. Новый отечественный тепловизор // Пожарное дело. 1993. - № 2 .- С. 32.

8. Акимов М.Н., Звонов B.C., Остах С.В. Акустическое осаждение дыма // Пожарное дело. 1993. № 3 . - С. 36.

9. Арапов Е.П. Осаждение дыма // Пожарное дело. 1974. - № 10 - С. 25-30.

10. А.с. 792645 (СССР). Способ тушения пожаров и устройство для его осуществления / Щербино А.В., Бурштейн Е.И., Черняшин Е.И.

11. А.с. 13166877 (СССР) . Способ осаждения дыма / Кулев Д.Х., Чижиков В.П. // Открытия, изобретения. 1987. - № 22. - С. 24.

12. А.с. 1484350 (СССР). Автоматическая система пожарной защиты / Кулев Д.Х., Плотников В.Г.

13. А.с. 1551385 (СССР). Огнетушитель / Кулев Д.Х., Чижиков В.П., Романов Э.И., Григорьев В.М.

14. А.с. 1614811 (СССР). Способ тушения пожаров / Валуконис Г.И., Левертов М.Г., Любарский Б.С., Мирзоян Р.С., Малофеева О.Н.

15. А.с. 1729019 (РФ). Огнетушащий состав, вспенивающийся в очаге пожара / Шароварников А.Ф., Теплов Г.С., Наумов В.В. и др., // Открытия. Изобретения.-1993.*№ 17.

16. А.с. 2067465 (РФ). Способ пожаротушения / Остах С.В., Акимов М.Н. // Открытия, изобретения. 1996. - № 28.

17. Бабенко В.В., Кузьмин В.Г., Пучнов С.И., Шариков А.В. Тушение горючих жидкостей водой аэрозольного распыла // Пожаротушение на объектах нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности: Сб. науч. тр. М.: ВИПТШ МВД СССР, 1980. - С. 223.

18. Бабуха Г.Л., Шрайбер А.А. Взаимодействие частиц полидисперсного материала в двухфазных потоках. Киев: Наукова Думка. - 1972. - 175 с.

19. Бай Ши-и Теория струй. М.: Мир. - 1960. - С. 207-225.

20. Бай Ши-и Турбулентное течение жидкостей и газов. М.: Мир. - 1962.-С. 161-165.

21. Баранцев П.Г. Аэрозольный распыл воды для целей пожаротушения // Экологические и прогрессивные технологии в строительстве для условий Сибири и Севера: Материалы респ. научн.-техн. конф.'Торн. Ал-тай-93". Барнаул, 1993. - С.137-139.

22. Баратов А.Н., Иванов Е.И. Пожаротушение на предприятиях химической и нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности. М.: Химия, 1971. -С.173-174.

23. Батчер Е.Г., Парнэлл А.С. Опасность дыма и дымозащита / Пер. с англ. Е.М. Фельдмана; Под ред. В.М. Есина. М.: Стройздат, 1983. - 152 с.

24. Безбородько М.Д., Малинин В.Р., Остах С.В. Автоматизированные интегрированные установки противодымной защиты и тушения пожара // Информатизация систем безопасности ИСБ-94: Материалы третьей международн. конф. М.: ВПТШ - 1994. - С. 68-69.

25. Безбородько М.Д., Остах С.В. Исследование газожидкостного потока перегретой воды методом инфракрасной термографии // Научн.-техн.конф. молодых ученых ВНИИПО и ВИПТШ : Тезисы докладов. М.: ВНИИПО, 1995.-С. 7-9.

26. Безбородько М.Д., Остах С.В. Использование экспертного метода для обоснования параметров и области применения средств дымоподавления// XIII Всероссийская научн.-практ. конф. "Пожарная безопасность-95": Тезисы докладов. М.: ВНИИПО, 1995. - С. 169-170.

27. Безбородько М.Д., Малинин В.Р., Остах С.В. Переносные автономные устройства осаждения дыма и тушения пожара // Проблемы безопасности при чрезвычайных ситуациях. М.: ВИНИТИ. - 1995, Вып. 2. - С. 71-75.

28. Безродный И.Ф., Стареньков А.Н. Высокоэффективный способ тушения пожаров водой аэрозольного распыла // Пожарная безопасность, информатика и техника. М.: ВНИИПО МВД РФ, 1993. - №1. - С.72-74.

29. Безродный И.Ф., Стареньков А.Н., Кузьмин В.Г. Применение воды в жидкостных огнетушителях // Научно-техническое обеспечение противопожарных и аварийно-спасательных работ: Материалы XII Всероссийской научно-практ. конф. М.: ВНИИПО, 1993. - С.106-107.

30. Беллман Р., Дрейфус С. Прикладные задачи динамического программирования: Пер. с англ. М., 1965,

31. Белоцерковский С.М., Гиневский А.С. Моделирование турбулентных струй и следов на основе метода дискретных вихрей. М.: Физматлит, 1995.-368 с.

32. Блинов В.И., Худяков Г.Н. Диффузионное горение жидкостей. М: Изд-во АН СССР, 1961. - 216 с.

33. Борович A.M., Шариков А.В. Тушение водой аэрозольного распыла пламени сжиженных углеводородныых газов // Теоретические и экспериментальные основы пожаротушения: Сб. науч. тр. М.: ВНИИПО МВД РФ, 1992.-С. 39-42.

34. Броунштейн Б.И., Фишбейн Г.А. Гидродинамика, массо- и теплообмен в дисперсных системах. Л.: Химия, 1977. - С. 10 - 95 .

35. Брушлинский Н.Н., Исаева Л.К., Маринов С.И., Семиков В.Л.//Хим. физ. процессов горения и взрыва: Горение: Тез. 10 Симп. по горению и взрыву, Черноголовка, сен., 1992.-Черноголовка, 1992.-С.170.

36. Бубнов В.М. Разработка многозонной модели поведения газовых сред при пожаре в помещениях: Автореф. дис. канд. техн. наук. М.:ВИПТШ МВД РФ, 1995. - 23 с.

37. Бусройд Р. Течение газа со взвешенными частицами. М.: Мир, 1975. -378 с.

38. Бутов В.Г. Некоторые вопросы оптимального профилирования сопел в случае двухфазных течений: Авторефер. . канд. физ.-мат. наук. М.: ВЦ АН СССР, 1978.- 15 с.

39. Былинкин В.А., Первых А.В., КузИн Г.Е. Экспериментальные исследования дисперсности распыленных струй из оросителей ударного типа // Пожарная техника и системы пожаротушения: Сб. науч. тр. М.: ВНИИПО, 1994.-С. 57-61.'

40. Былинкин В.АМ Кузин Г.Е. Влияние смачивающего действия водных растворов на эффективность тушения резины // Пожарная техника и системы пожаротушения: Сб. науч. тр. М.: ВНИИПО, 1994. - С. 119124.

41. Былинкин В.А., Наумов В.В., Шароварников А.Ф. Результаты лабораторных исследований тушения пожаров резины самовспенивающимися огнетушащими составами // Организация тушения пожаров и АСР: Сб. науч. тр. М.: ВИПТШ, 199Q. - С. 94-97.

42. Бэтчелор Дж. Введение в динамику жидкости. М.: Мир, 1973. - 758 с.

43. Вакамацу Г., Танака Т. Дымообразующая способность горючих материалов // Касай. 1975. - Т. 25, № 2. - С.49-54.

44. Венцель Е.С. Исследование операций. М.: Советское радио, 1972. -552 с.

45. Влияние аэрозоля, образующегося при быстром испарении перегретой воды, на горение метановоздушных смесей в замкнутом сосуде / Ко46