автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.03, диссертация на тему:Определение полей температур и концентраций дымовых газов при пожаре с использованием теории подобия

На правах рукописи

005006875

Гула к Владимир Викторович

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОЛЕЙ ТЕМПЕРАТУР И КОНЦЕНТРАЦИЙ ДЫМОВЫХ ГАЗОВ ПРИ ПОЖАРЕ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТЕОРИИ ПОДОБИЯ

Специальность 05.26.03 - Пожарная н промышленная безопасность (в строительстве)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации «а соискание ученой степени кандидата технических наук

1 2 ЯНВ 2012

Воронеж-2011

005006875

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Воронежский государственный архитектурно-строительный университет».

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

Кузнецов Сергей Николаевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Асминин Виктор Федорович

кандидат технических наук Облиенко Алексей Владимирович

Ведущая организация: ФГБОУВГЮ «Волгоградский государственный

архитектурно-строительный университет»

Защита состоится 9 февраля 2012 г. в Ю^час. на заседании диссертационного совета Д 212.033.02 при Воронежском государственном архитектурно-строительном университете по адресу: 394006, г.Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84, корп. 3, ауд. 3220, тел.(факс): (473)271-53-21.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Воронежского дарственного архитектурно-строительного уни верситета.

Автореферат разослан 27 декабря 2011 г.

Ученый секретарь /?

диссертационного совета н д Старцева

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Современные здания представляют собой сложный комплекс инженерных систем, к которым предъявляются повышенные требования пожарной безопасности. Протнводымная 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 возгорания;

- 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:

1. Математическая модель распространения дымовых газов в помещениях при возникновении возгорания, включающая уравнен!« переноса массы, импульса, конвективног о 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.

2. Математическая модель распространения дымовых газов реализована на ЭВМ в виде программы в среде пакета Ма1ЬаЬ с использованием языка программирования С++, Полученная программа позволяет выполнять расчет параметров процессов распространения дымовых газов. Связь С++ с встроенными библиотеками Ма(ЬаЬ выполняется через внутренний интерфейс, что обеспечивает доступ к встроенным математическим функциям и позволяет создавать эффективные вычислительные процедуры.

3. В качестве иллюстрации приведены результаты расчетов задымления наиболее характерных сбъемно-планнрсвочных решений путей эвакуации: в смежных помещениях, лестничных клетках и коридорах при различных граничных условиях.

4. 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 дымоудалсння на стадии выбора проектных решений.

5. 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.

Апробац5Ш работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на per иоилльиом межвузовском семинаре «Моделирование процессов тепло- и массообмена» (Воронеж, 20092011), mi 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.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследования, сформулирована цель исследования, показаны его научная новизна и практическая значимость результатов, приведены основные положения, выносимые на защиту.

В пергой главе рассмотрены основные методы математического моделирования распространения дымовых газов при возникновении возгорания. В на-

стоящее время имеются три основных направления моделирования этого явления: интегральное, зонное и дифференциальное.

С развитием вычислительной техники в последнее время все большее развитие и применение получают дифференциальные модели. Для создания математических моделей распространения дымовых газов при возникновении возгорания в настоящее время чаще всего используются уравнения неразрывности и переноса импульса. Важной составной частью создания модели является выбор модели турбулентности.

При численном моделировании вязюгх воздушных течений необходима разработка адекватных упрощенных газодинамических моделей и эффективных численных методов решения соответствующих математических задач на ЭВМ, которые позволят получить устойчивое решение с достаточно высокой точностью.

Важным элементом методов определения полей температур и концентраций дымовых газов при пожаре является использование положений теории подобия и критериев подобия.

Во второй главе получена математическая модель нолей температур и концентраций дымовых газов при пожаре.

Рассмотрено трехмерное движение воздуха в помещениях здания с системами общеобменной, противодымной вентиляции и очагом возгорания, выделяющим тепло и дымовые газы. Модель полей концентраций дымовых газов включает уравнения газовой динамихи для низкоскоростных вязких сжимаемых воздушных потоков.

Нестационарное уравнение неразрывности:

др д(р и, 81 + дх,

- = 0.

(1)

Нестационарное уравнение переноса импульса:

¿ЧрЮ 81

ах, ах

ш.

8и, ди. 2. —- +——8„ " 3 " Зх,

ЧзРг+

' дй,

дх. + дх.

<дх1 дх,

21 , Щ

■зГ^аГ

-Р"/"/ =Ф>

Нестационарные уравнения к-е модели турбулентности:

1^-1+0*+С'-р£;

а/ ах.и '> ах,

кЬ.)» ок)ах,

а(ре) | а (реи,) _ а

81

дх,

Вх,

ц,

(2)

(3)

(4)

+рС,^с-рС2

где

G' = 2m,

i ар

р&з

ди,

дх, дх,

(б)

(7)

Турбулентная динамическая вязкость вычисляется по зависимости

К=РСВ^. (8)

Для констант модели турбулентное™ приняты следующие значения:

С„ = 1,42; С3[ = 1,38; Сг = 1.8; С„ = 0,09; ст, = 1,0; о, = 1,1. Нестационарное уравнение теплопроводности:

d(ph) d(uph)

3t

A., oh

е„ йх,

V р I

Уравнение состояния смеси воздуха и дымовых газов:

рДГ = .

Нестационарное уравнение переноса дымовых газов: Э{рс1) д(и,рс,)

__т____

dl дх, дх, \ дх,

+ Z»-

(9)

(10)

(П)

Начальные условия определяют распределение скоростей, давлений, температур воздуха и концентраций дымовых газов в начальный момент времени и зависят от рассматриваемой задачи. Воздух в начальный момент времени либо покоится, либо движется под действием систем вентиляции.

На ограждающих конструкциях выполняются граничные условия непроницаемости (равенство нулю нормального компонент скорости) и условия прилипания (равенства нулю всех компонент скорости), а также задаются температура или теплообмен. Поступление дымовых газов задается функцией выделения дымовых газов.

В открытых проемах и прнточно-вытяжных отверстиях систем вентиляции граничные условия определяются давлением или скоростью воздуха, температурой приточного воздуха и концентрацией дымовых газов в поступающем воздухе.

Разработанная математическая модель распространения дымовых газов в помещениях решалась полунеявным методом для связывающих давление уравнений SIMPLER. Для дискретизации дифференциальных уравнений модели использовался метод контрольного объема. Перед применением процедуры дискретизации расчетная область разбивалась шахматной сеткой. Дискретные аналоги дифференциальных уравнений модели выражали законы сохранения массы, импульса и энергии для каждого контрольного объема.

Математическая модель распространена дымовых газов реализована на ЭВМ в виде программы в среде пакета MatLab с использованием языка программирования С++. Связь С++ со встроенными библиотеками MatLab выпол-

няетсх через внутренний интерфейс, что обеспечивает доступ к встроенным математическим функциям для создания эффективных вычислительных процедур.

Для обобщения результатов расчетов полей температур и концентраций дымовых газов при пожаре использована теория подобия. Получены критериальные уравнения для безразмерной температуры:

__

т ~т

' О *нп

= [г' 2Г/г,Ке,О.Рг, М,-

ч ■ ч

и безразмерной концентрации дымовых газов:

—-^Е- = /с Re.Gr, \\3с. Яг,—1

с«~с*р Л 1о)

(12)

(13)

В третьей главе разработанная программа использована для определения нолей температур и концентраций дымовых газов при пожаре в смежных помещениях, соединенных дверным проемом при наличии очага возгорания. Расчетная область представляет собой два смежных помещения с размерами 6,0х6,0х4,2(й)м, размер проема составлял 2,0x2,0(й)м. В нижней части левого помещения находится очаг возгорания. Температура ограждающих конструкций - 293 К; тепловая мощность очага возгорания - 4 кВт; скорость ¡выделения дымовых, газов - 0,01 кг/с. В начальный момент времени температура воздуха составляла 293 К, дымовые газы в воздухе помещения отсутствовали. Воздух подается в левое помещение на высоте 1 м через воздухораспределители, у паление. воздуха производится из правого помещения.

Кратность воздухообмена составляла 3 ч'\ Расчеты проводились при 4,0-103<йе<8,5103;2Д-109<6гР)<1,410п;ЗД<Я!< 43,3; 0<а<2,12-Ю"05.

На рис. 1 приведены линии тока воздуха при действии в помещении очага возгорания в различные моменты времени.

Ш

Рис. 1. Линии тока воздуха при действии в помещениях очага возгорания: Яе=5,8-!03; вг-Рг= 1,7!-10ю; Ю = 27,3: а) 7.И =2,36-1 О* (/=20 с); б) г/г =4,7! 10"6 (/=40 с); в) Иг =7,07-10"6 {Г=н>0 с); г) =1,41-10"5 (/=120 с); д) 2й =2,12-10'5 (/=180 с)

Анализ рис. 1 показывает, что за счет выделяемого тепла над очагом возгорания в левом помещении формируется конвективная струя дымовых газов с повышенной температурой. Конвективная струя в начальный период развития течения поднимается вертикально вверх, а затем смещается влево. За счет энергии струи вся масса воздуха в помещении приходит во вращательное движение. В левом помещении возникает одна зона циркуляции. В правом помещении при 2И>5-1СГ5 формируется две зоны циркуляции. За счет взаимодействия циркулирующих потоков в правом помещении циркуляция ускоряется. При 23г>2-Ю'5 воздушные потоки правого и левого помещения, циркулирующие по о тдельности, объединяются в единую циркуляционную зону. Незамкнутые линии тока начинаются в точке подачи воздуха в левом помещении и оканчиваются в точке удаления воздуха в правом помещении.

На рис. 2 приведено распределение концентраций дымовых газов в помещениях при действии в помещении очага возгорания. Анализ рис. 2 показывает, что дымовые газы распределяются по помещениям под действием воздушных потоков неравномерно: при 2к< 1 ■!О 5 дымовые газы распространяются преимущественно в левом помещении; при 7Ш>\• 10'5 дымовые газы проникают в правое помещение через дверной проем. Концентрация дымовых газов в помещениях изменяется от 0 у пола помещения до максимального значения у потолка помещения. Удаление дымовых газов из помещений происходит за счет действия вентиляции.

а) б)

Рис. 2. Распределение концентраций дымовых гэзоб но высоте помещений при действии в помещении очага возгорания: Яе=5,% 103; Ог-Рг^ 1,71-Ю10; а) левое помещение; б) правое помещение, 1) гН =2,36-10"'' (/=20 с); 2) 2к =4,7110"6 (/=40 с); 3) ХИ =7,07-10* (/=60 с); 4) 2й =1,41-10"5 (/=120 с); 5) 23» =2,12-Ю"5 (/=180 с)

Использованный подход позволил получить полную картину процесса распространения нагретых дымовых газов в смежных помещениях, соединенных дверным проемом. Результаты позволяют оценить вклад различных факторов в процесс задымления помещений и учесть их при проектировании систем дымоудаления.

В четвертой главе выполнен расчет полей температур и концентраций дымовых газов при пожаре дяя лестничной клетки. Расчетная область представляет собой одиннадцатиэтажную лестничную клетку с размерами 6,0х6,2хЗО,8(А) м с высотой этажа 2,8 м. Нагретые дымовые газы поступают через дверной проем размером 0,95*2,2(Л) на 7 этаже. Температура ограждающих конструкций составляла 290 К; скорость поступления дымовых газов -0,3 м/с при температуре 400 К. В начальный момент времени температура воздуха в помещении лестничной клетки составляла 290 К, дымовые газы в воздухе отсутствовали. Противодымной вентиляцией воздух подается на верхний этаж с расходом 15000 кг/ч, удаление воздуха производится через проем двери подъезда на первом этаже.

Расчеты проводились при следующих значениях определяющих критериев подобия: 6,8103<&?<2,7 104; 5,2!01Я<ОгРг<),8-!Ои; 4,4<Д/<65; 0<2/к5,410"*.

На рис, 3 приведено поле концентраций дымовых газов в помещении лестничной клетки при поступлении дымовых газов и действующей системе ды-моудалеиия. Происходит взаимодействие восходящего конвективного потока нагретых дымовых газов, направленного вверх, с потоком воздуха от систем противодымной вентиляции, направленного вниз. Поток газов многократно изменяет направление движения из-за наличия лесгаичных площадок и лестничных маршей, которые он огибает. Дымовые газы постепенно распространяются как в верхнюю, так и в нижнюю зону лестничной клетки.

дымовых газов в помещении лестничной клетки при поступлении

Рис. 3. Безразмерные концентрации

дымовых газов и действующей системе дымоудаления: /?е=1,3-10'1;

в)2Л=5,4-10'6(/=300 с); показано ! 8 уровней безразмерной

концентрации от 1 до 0,05

(}г-Рг= 1,3-ЮП; й/=20,3;

а) 2Ь= I, Н О"6 (г=60 с);

б)2А=3,2-10-6(Г=180 с);

По результатам расчетов вычислялась средняя по объему концентрация дымовых газов:

. (14)

и'° ООО

На рис. 4 и 5 показана зависимость средней безразмерной концентрации и средней безразмерной температуры дымовых газов з помещении лестничной клетки от критерия Жуковского. Увеличение значения критерия Ричардсона с 4,4 до 65,0 приводит к росту средней концентрации и средней температуры дымовых газов. При Ш - 20,3 зависимость средней безразмерной концентрации и средней безразмерной температуры дымовых газов в помещении лестничной клетки от критерия Жуковского может аппроксимироваться зависимостями

V

V -г*

Го-

= 6,01 -103 •/А+ 0,003,

= 5,02 ■ 3 О3 • + 0,0031.

(15)

(16)

Зависимости (15)-(!б) позволяют оценить влияние естественной и вынужденной конвекции на процессы распространения дымовых газов в помещении лестничной клетки при возникновении очага возгорания.

1

й«о

Рис. 4. Зависимость средней безразмерной концентрации дымовых газов а помещении лестничной клетки от критерия Жуковского: &е=1,3104,ОгЛ-= 1,3-!0!1; - Ш » 4,4; я, _ . - Ш 20,3; Л, .... - Я/= 65

й.оое^е е.ай-об

хЛ *С»>»х«е*о—.1

1

1— "

_......

о'

- - _______

Рис. 5. Зависимость средней безразмерной температуры дымовых газов а помещении лестничной клетки от критерия Жуковского: Де=1,3-]0 \Ог-Рг= 1,3-Ю11, », —. - Ш = 5,9; «, _ _ - Ш = 20,3; .... - Ж = 59,7

«ДЭ&СБ а.09£4№ Ь.СО

В пятой главе выполнен расчет полей температур и концентраций дымовых газов при пожаре в коридоре. Расчетная область представляет собой коридор с размерами 84,0х4,0*4,2(/г) м. Нагретые дымовые газы поступают в коридор через дверной проем размером 0,95><2,2(й). Скорость поступления воздуха с дымовыми газами составляла 0,5 м/с при температуре 400 К; температура ограждаю-

щих конструкций - 290 К. В начальный момент времени температура воздуха в коридоре составляла 290 К, дымовые газы в воздухе отсутствовали. Противо-дымной вентиляцией воздух удаляется через три дымовых клапана, размешенных под потолком коридора, в количестве 11600 кг/ч. Приток наружного воздуха осуществляется с двух торцов коридора в объеме, равном объему вытяжки. Значения определяющих критериев подобия составляли: 8,Ы03</?е<2,0101; 7,0109<Сгг-РГ< 1,510"; 3,0<Л/<15,9; 0<2й<7,3-!0"7.

На рис. 6 показано поле концентраций дымовых газов в сечении коридора при поступлении дымовых газов и действующей системе дымоудаления. Восходящие конвективные потоки воздуха, переносящие дымовые газы вверх, взаимодействуют с потоками воздуха от систем противодымной вентиляции и сносятся потоком воздуха вправо. Под потолком коридора формируется зона повышенных концентраций дымовых газов. Зона повышенных концентраций дымовых газов распространяется под потолком коридора в обе стороны от места поступления дымовых газов со смещением вправо. Распространение зоны повышенных концентраций дымовых газов под потолком коридора ограничивается наличием дымовых клапанов, через которые воздух с дымовыми газами удаляется из коридора.

Рис. 6. Безразмерные концетрации дымовых газов в коридоре при поступлении дымовых газов и действующей системе дымоудаления: Ле=1,8-10*, Сг-Л= 1,3-10"; Ш = 7,3; а) 2/г=!,410"7 (/=60 с); б) 3-Ю"7 (/=180 с); в) гИ='7,3-1()" (/=300 с); показано 18 уровней безразмерной концентрации от 1 до 0,05

На рис. 7 и 8 приведена зависимость средней безразмерной концентрации и средней безразмерной температуры дымовых газов в коридоре от критерия Жуковского.

Рост критерия Ричардсоиа с 3,0 до 15,9 приводит к росту средней концентрации и средней температуры дымовых газов. При Л/=7,3 зависимость средней

безразмерной концентрации дымовых газов и средней безразмерной температуры в коридоре от критерия Жуковского может аппроксимироваться следующими зависимостями:

:2,38-ю4 -2/1+0,00!,

= + 0,0035.

(17)

(18)

5

¡1

1 1 ! 1

•

1

1 г N !

ргП | 1 1

1 «£-07 1006-07 10СЕ-07 -

4

1 . .

!

—¡", г'1* -

Рис. 7. Зависимость средней безразмерной концентрации дымовых газов в коридоре от критерия Жуковского: &?=1,8-!04, СгРг= 1,3-10";

' 5.00Е-С7 в ОСЕ-О? 7 оое-с? ».«с-от

с.ооехю 1 осе-07 г.осЕ-от з.оае-ог лсае-ог в.пзе-о? я.оое-о? '

. -Л/= 3,0;

-Ю-

> - й/ = 7,3; 15,9

Рис. Зависимость безразмерной средней температуры дымовых газов в коридоре от критерия Жуковского: Яе=1,8-104, Ог Рг= 1,3-101!; - Й1 = 3,0;_ _ - Л/ = 7,3; а, .... -&" = 15,9

Полученные результаты позволяют оценить влияние естественной и вынужденной конвекции на процессы распространения дымовых газов а коридоре при возникновении очага возгорания.

В шестой главе для оценки точности математической модели полей температур и концентраций дымовых газов при пожаре разработана экспериментальная установка. Исследовалось изменение распределения температур воздуха во времени в двух смежных помещениях с очагом возгорания. Помещения имеют размеры 6*6*3,'ЦК) м и 3*5*3,ЦК) м. Между помещениями находится дверной проем размером 0,35*2,2(/г) м.

В первом помещении находится очаг возгорания, выделяющий тепло. Тепловая мощность очага возгорания составляла 5 кВт. В помещении размещается система замеров температур воздуха, состоящая из датчиков температур и контроллера датчиков температур, соединенного с компьютером через II8В-порт. В компьютере установлена программа, опрашивающая температурные датчики и регистрирующая их показания.

Схема экспериментальных помещений с размещенными в них модельным очагом возгорания и температурными датчиками показана на рис. 9.

• 7 »'0

»5 Ч R «И

3*' в '

7

Л м if

Рис. 9. Схема экспериментальных помещений с размещенными в них температурными датчиками: 1-16 - температурные датчики: 17- модельный очаг возгорания

В разработанной экспериментальной установке высокая скорость определения температуры воздуха достигалась путем использования современных датчиков температуры и опрашивающего их контроллера. Контроллер опрашивает датчики и передает показания в компьютер для записи в базу данных. Использованы цифровые термометры DS18В20 с однопроводным интерфейсом в стандарте Micro LAN. Абсолютная погрешность преобразования цифровых термометров меньше 0,1 °С в диапазоне контролируемых температур от 0 до +90 °С. Питание DS18B20 выполняется через отдельный внешний вывод. Система замеров температуры состоит из 16 термометро» подключенных по '.-Wire протоколу к контроллеру DS9490, который, а свою очередь, подключен к компьютеру через ШВ порт. Термометр идентифицируется в сети 64-битным серийным номером, который используется для его адресации на I-Wire шине.

Для сбора и накопления данных о температуре воздуха в помещении с очагом возгорания разработана программа на языке С++.

Для подтверждения точности математической модели полей температур и концентраций дымовых газов при пожаре были проведены исследования на экспериментальной установке. Рассматривалось изменение температур в помещениях с модельным очагом возгорания. График, иллюстрирующий результаты экспериментов, приведен на рис. 1С.

: 0.С5 t 0,04

" -

■ я

■Л*"-

Рис. ¡0. Сравнение результатов расчетов средней температуры в верхней зоне первого помещения с экспериментальными данными: - расчет; * - эксперимент

С.Ой'-Ю Л.00С-<Й »<№45 ЗЫГт 1,60€-0* 1.10Ч-М

Сравнение результатов расчетов с экспериментальными данными показало удовлетворительную точность разработанной модели полей температур и концентраций дымовых газов при пожаре.

ВЫВОДЫ

1. Разработана математическая модель распространения дымовых газов в помещениях при возникновении возгорания. Модель основана на дифференциальных уравнениях в частных производных: неразрывности, перекоса массы, импульса, конвективного теплообмена и модели турбулентности. Предусмотрено моделирование переменного характера поступления нагретых дымовых газов. В качестве определяющих критериев процесса приняты критерии Жуковского, Рейнольдса и Грасгофа. Для определения режимов турбулентности использован критерий Ричардсона. Модель поззоляет определять поля температур и концентраций дымовых газов.

2. Математическая модель распространения дымовых газов реализована на ЭВМ в виде программы в среде пакета Ма&аЬ с использованием языка программирования С++. Полученная программа позволяет выполнять расчет параметров процессов распространения дымовых газов. Связь С++ с встроенными библиотеками МаИлЬ выполняется через внутренний интерфейс, что обеспечивает доступ к встроенным математическим функциям и позволяет создавать эффективные вычислительные процедуры.

3. Выполнены расчеты задымления наиболее характерных объемно-планировочных решений путей эвакуации: в смежных помещениях, лестничных клетках и коридорах при различных граничных условиях. Результаты расчетов полей скоростей, линий тока, температур и концентраций дымовых газов дают полную картину динамики концентраций и температур дымовых газов при возникновении возгорания.

4. Результаты расчетов на математической модели позволили получить аналитические зависимости температуры и концентраций дымовых газов от критерия Жуковского (безразмерного времени), что дает возможность оценить эффективность архитектурно-планировочных решений и эффективность системы дымоудаления на стадии выбора проектных решений. Это позволяет проектировать и строить более сложные и совершенные здания с большей степенью надежности и безопасности при меньших затратах.

5. Разработана экспериментальная установка, при помощи которой проведены экспериментальные исследования по оценке адекватности математической модели распространения дымовых газов. Для замеров температуры использованы цифровые термометры В818В20 с одиопроводным интерфейсом в стандарте МюгоЬАЫ. Сравнение данных экспериментальных исследований распространения дымовых газов с результатами расчетов позволило установить адекватность математической модели распространения дымовых газоз в помещениях при возникновении возгорания.

Основные результаты исследований отражены в следующих работах: Статьи в изданиях, «ходящих в перечень ВАК

1. Гулак, В.В. Моделирование задымленное™ помещений сложной конфигурации в начальной стадии пожара / В.Н. Мелькумов, С.Н. Кузнецов, В.В. Гулак // Научный вестник Воронежского ГАСУ. Строительство и архитектура -2010.-№3(19).-С. 131-138.

2. Гулак, В.В. Аналитические зависимости распределения концентраций вредных веществ в помещении при пожаре / Ю.Б. Потапов, К.А.Скляров, С.А. Кончаков, В.В. Гулак // Научный вестник Воронежского ГАСУ. Строительство и архитектура. - 2011. - № 1 (21). - С. 127-135.

3. Гулак, В.В. Математическая модель распространения дымовых газов в помещениях здания с действующей противодымной вентиляцией / С.Н. Кузнецов, В.В. Гулак // Научный вестник Воронежского ГАСУ. Строительство и архитектура. - 2011. - № 3 (23). - С. 18-23.

Статьи в других изданиях

4. Гулак, В.В. Математическая модель распространения дыма в сообщающихся помещения / С.Н. Кузнецов, В.В. Гулак // Инженерные системы и сооружения. - 2010. - № 1 (2). - С. 62-68.

5. Гулак, В.В. Математическая модель системы местных отсосов / С.Н. Кузнецов, Д.С. Сурин, В.В. Гулак // Инженерные системы и сооружения. - 2010 -№ 1 (2). - С. 86-93.

ОБОЗНАЧЕНИЯ

р - плотность воздуха, кг/м3; Т - температура воздуха, К;

I - время, с; Я - универсальная газовая постоянная,

х, - ¡-я пространственная координата, м; Дж/(чольК);

и, - составляющая скорости течения воздуха М- молярная масса, кг/моль;

вдоль 1-й пространственной координаты, м/с; с - концентрация дымовых газов;

р - давление, Па; /Л - эффективный коэффициент диффузии ды-

ц - динамическая вязкость воздуха, кг/(мс); новых газов, м /с;

5 - символ Кронекера; & " Функция выделения дымовых газов очагом

£ - ускорение свободного падения, м/с2; возгорания, кг/(м -с);

к - кинетическая энергия турбулентных нуль-То - температура дымовых газов при поступле-

саций м2/с2; нии в помещение, К;

р, - турбулентная динамически вязкость, Т«е " температура приточного воздуха, К;

КГ/Н<- Со - концентрация дымовых газов при поступле-

£ - скорость диссипации энергии турбулент-иии в помещеиие' К;

нь:х пульсаций, м2/с3; с"> " концентрация дымовых газов в приточном

И - удельная энтальпия воздуха, ДжУкг; воздухе, К.,

, , , Zh• критерии Жуковского;

Я. - эффективная теплопроводность воздуха, „ ' _ „ _

' .. Яг - критерии Реинольдса;

Вт/(м К); Сг _ критерий Грасгофа;

а - функция выделения теплоты очагом возго- „ _

гГ, з Рг - критерии Прандгля;

Ра!ШЯ- Вт/М ; 5с- критерий Шмидта;

с. - удельная теплоемкость воздуха при посте- „. г ' .. _ р 3 „ „ „.. К* - критерии Ричардсона;

янном давлении, Дж/(кгК); и . хараетерннй размср) м

Гула к Владимир Викторович

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОЛЕМ ТЕМПЕРАТУР И КОНЦЕНТРАЦИЙ ДЫМОВЫХ ГАЗОВ ПРИ ПОЖАРЕ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТЕОРИИ ПОДОБИЯ

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 26.12.2011. Формат 60^84 1/16. Бумага писчая.

__Усл. печ. л. 1,0. Тираж 120 экз. Заказ .Ча é /6_

Отпечатано: отдел оперативной полиграфии Издательства учебной литературы и учебно-методических пособий Воронежского государственного архитектурно-строительного университета 394006 г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84

61 12-5/1397

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АРХИТЕКТУРНО-СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

на правах рукописи

ГУЛАК ВЛАДИМИР ВИКТОРОВИЧ

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОЛЕЙ ТЕМПЕРАТУР И КОНЦЕНТРАЦИЙ ДЫМОВЫХ ГАЗОВ ПРИ ПОЖАРЕ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ

ТЕОРИИ ПОДОБИЯ

Специальность 05.26.03 - Пожарная и промышленная безопасность

(в строительстве)

ДИССЕРТАЦИЯ НА СОИСКАНИЕ УЧЕНОЙ СТЕПЕНИ КАНДИДАТА ТЕХНИЧЕСКИХ НАУК

Научный руководитель кандидат технических наук, доцент Кузнецов С.Н.

Воронеж 2011

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.............................................................................. 4

1 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ РАСЧЕТА РАСПРОСТРАНЕНИЯ НАГРЕТЫХ ДЫМОВЫХ ГАЗОВ В ПОМЕЩЕНИЯХ...... 9

1.1 Методы расчета распространения нагретых дымовых газов в помещениях....................................................................... 9

1.2. Интегральные методы расчета распространения нагретых дымовых газов в помещениях.................................................... 10

1.3. Зонные методы расчета распространения нагретых дымовых газов в помещениях............................................................. 14

1.4. Дифференциальные методы расчета распространения нагретых

дымовых газов в помещениях................................................ 18

1.5 Разработка дифференциальных моделей процессов распространения нагретых дымовых газов в помещениях............................ 20

1.6. Численные методы расчета распространения нагретых дымовых газов в помещениях........................................................ 22

1.7. Реализация численных методов расчета распространения нагретых дымовых газов в помещениях на вычислительной технике... 25

1.8. Выводы по первой главе и постановка задачи исследования..... 28

2 МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПОЛЕЙ ТЕМПЕРАТУР И КОНЦЕНТРАЦИЙ ДЫМОВЫХ ГАЗОВ ПРИ ПОЖАРЕ................................... 30

2.1 Уравнения математической модели полей температур и концентраций дымовых газов при пожаре...................................... 30

2.2 Методы решения уравнений математической модели полей температур и концентраций дымовых газов при пожаре............... 37

2.3 Использование теории подобия для обобщения результатов расчетов по математической модели полей температур и концентраций дымовых газов при пожаре.......................................... 41

2.4 Реализация математической модели полей температур и концентраций дымовых газов при пожаре...................................... 44

2.5 Выводы по второй главе................................................... 47

3 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОЛЕЙ ТЕМПЕРАТУР И КОНЩНТРАЦИЙ ДЫМОВЫХ ГАЗОВ ПРИ ПОЖАРЕ В СМЕЖНЫХ ПОМЕЩЕНИЯХ.......... 48

3.1 Исходные данные для определения полей температур и концентраций дымовых газов при пожаре в смежных помещениях...... 48

3.2 Результаты расчета полей температур и концентраций дымовых газов при пожаре в смежных помещениях................................. 49

3.3 Выводы по третьей главе.................................................. 58

4 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОЛЕЙ ТЕМПЕРАТУР И КОНЦЕНТРАЦИЙ ДЫМОВЫХ ГАЗОВ ПРИ ПОЖАРЕ В ЛЕСТНИЧНЫХ КЛЕТКАХ............. 59

4.1 Исходные данные для определения полей температур и концентраций дымовых газов при пожаре в лестничных клетках......... 59

4.2 Результаты расчета полей температур и концентраций дымовых

газов при пожаре в лестничной клетке............................................... 61

4.3 Выводы по четвертой главе............................................... 78

5 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОЛЕЙ ТЕМПЕРАТУР И КОНЦЕНТРАЦИЙ ДЫМОВЫХ ГАЗОВ ПРИ ПОЖАРЕ В КОРИДОРЕ................................. 79

5.1 Исходные данные для определения полей температур и концентраций дымовых газов при пожаре в коридоре....................... 79

5.2 Результаты расчета полей температур и концентраций дымовых газов при пожаре в коридоре.................................................. 80

5.3 Выводы по пятой главе.................................................... 97

6 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПО ОЦЕНКЕ ТОЧНОСТИ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ПОЛЕЙ ТЕМПЕРАТУР И КОНЦЕНТРАЦИЙ ДЫМОВЫХ ГАЗОВ ПРИ ПОЖАРЕ............................. 98

6.1 Экспериментальная установка для исследования полей темпе- 98 ратур и концентраций дымовых газов при пожаре.......................

6.2 Программа обработки результатов экспериментов по исследованию полей температур и концентраций дымовых газов при пожаре................................................................................. 101

6.3 Результаты экспериментальных исследований по оценке точности математической модели полей температур и концентраций дымовых газов при пожаре........................................................ 103

6.4 Выводы по шестой главе.................................................. 106

ВЫВОДЫ................................................................................. 107

ЛИТЕРАТУРА........................................................................... 109

ПРИЛОЖЕНИЕ.......................................................................... 118

ВВЕДЕНИЕ

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 возгорания;

- 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:

1. 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.

2. Математическая модель распространения дымовых газов реализована на ЭВМ в виде программы в среде пакета МаЙЬаЬ с использованием языка программирования С++. Полученная программа позволяет выполнять расчет параметров процессов распространения дымовых газов. Связь С++ с встроенными библиотеками МаЙЬаЬ выполняется через внутренний интерфейс, что обеспечивает доступ к встроенным математическим функциям и позволяет создавать эффективные вычислительные процедуры.

3. 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.

4. 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.

5. 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, 20092011), 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 [17, 18, 19, 20, 21] 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 [19] рассмотрено моделирование задымленности помещений сложной конфигурации в начальной стадии пожара; в работе [17] получены аналитические зависимости распределения концентраций вредных веществ в помещении при пожаре; в работе [18] 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.

1 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ РАСЧЕТА РАСПРОСТРАНЕНИЯ НАГРЕТЫХ ДЫМОВЫХ ГАЗОВ В ПОМЕЩЕНИЯХ

1.1 Методы расчета распространения нагретых дымовых газов

в помещениях

Исследование процессов, протекающих при распространении нагретых дымовых газов в помещениях можно проводить следующими способами [2, 34, 49, 93]:

- исследованием процессов распространения дымовых газов на реальном объекте в условиях пожара;

- методом физического моделирования процессов распространения дымовых газов в уменьшенном масштабе на модели с использованием методов теории подобия;

- методом математического моделирования с использованием информационных технологий.

Исследования процессов распространения дымовых газов на реальном объекте дороги, громоздки, связаны со значительными материальными затратами и не позволяют гибко изменять граничные условия и масштабы.

Метод физического моделирования основан на теории подобия, позволяет: уменьшить масштаб процесса за счет геометрического подобия и равенства определяющих критериев подобия в натуре и на модели. Метод физического моделирования используется в аэродинамике, гидравлике и тепломассообмене. Использование метода физического моделирования в задачах смешанной конвекции позволило получить решения многих задач тепломассообмена [8, 13, 36, 37, 42]. Основы использования теории подобия в задачах вентиляции заложены Кудрявцевым Е.В. [40]. Возможности теории подобия в задачах вентиляции широко использованы в работах Эльтермана В.М. [71], Гухмана A.A. [23, 24, 25], Кудрявцева Е.В. [40], Шепелева И.А. [70] и др.

Физическое моделирование основано на теоремах подобия и выполняется при условиях геометрического подобия модели и натуры и равенства определяющих критериев в натуре и на модели. Применительно к задачам противо-дымной вентиляции Кудрявцев Е.В. [40] теоретически и экспериментально установил температурное расслоение воздуха в помещении под действием источника явного тепла и разделение объема помещения на две зоны - выше и ниже температурного перекрытия между двумя зонами.

В последнее время получили развитие методы математического моделирования противодымной вентиляции с использованием вычислительной техники. Оно опирается на CFD (Computational fluid dynamics) вычислительную гидрогазодинамику, основанную на численном решении дифференциальных уравнений гидродинамики, теплообмена и массообмена [102]. К методам математического моделирования применимы методы теории подобия, используемые в физическом моделировании.

1.2 Интегральные методы расчета распространения нагретых дымовых

газов в помещениях

Интегральная математическая модель пожара рассматривает помещение как единое целое [22, 31, 50, 64]. Параметры газовоздушной среды во всех точках помещения одинаковы. Изменение во времени состояния газовой среды в помещении описывают среднеобъемные «интегральные» параметры состояния: температура, давление, плотность газовоздушной смеси, концентрация дымовых газов, масса всей газовой среды и ее внутренняя тепловая энергия [28, 29,

30, 41, 45, 66]. При развитии процесса значения интегральных параметров состояния изменяются.

Начальными условиями являются начальная температура воздуха и начальная концентрация дымовых газов. Граничными условиями являются средние температуры ограждающих конструкций и средние скорости воздушных

потоков в открытых проемах [47].

Точность интегральной математической модели зависит от способа осреднения по времени и объему помещения параметров воздушной среды [22, 64].

Пусть значение параметра с! в точке составляет:

с! = с1{х,у,г,{). (1-1)

Среднее по времени и объему помещения значение параметра составит:

,у,г^)(1х<1ускЖ, (1.2)

Сйа Ъ к

Ма-Ь-}7 0 0 0 0

где М - период времени осреднения с1] а, Ь, к - длина, ширина и высота помещения, м.

Среднее, постоянное по объему помещения и переменное во времени значение параметра составит:

а Ь к

¿1ср = Л (х, у, г, 1)(1х(1у(1г. (1.3)

а • о • п 0 0 0

По теореме о среднем получено неравенство:

<р<тах(^), (1.4)

определяющее соотношение между параметрами, определенными на стационарных и нестационарных интегральных моделях различных типов.

С точки зрения термодинамики интегральная математическая модель

представляет собой открытую термодинамическую систему [26, 82], тепломас-соообмен которой с внешней средой протекает через очаг возгорания, ограждающие конструкции и открытые проемы [4, 38, 74, 86, 89]. Динамика развития термодинамической системы при этом существенно зависит от взаимодействия с ограждающими конструкциями, перекрытиями и проемами, что изменяет значения интегральных параметров системы [1, 9, 32, 53, 46, 73, 84].

Основные допущения интегральной математической модели пожара:

- для описания состояния газовоздушной смеси используются законы состояния для идеальных газов;

- состояние газовоздушной смеси в помещении и показатели