CC BY
79
В. Л. МУРЗИНОВ, д-р техн. наук, профессор кафедры пожарной и промышленной безопасности, Воронежский государственный архитектурно-строительный университет (Россия, 394006, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84; e-mail: [email protected]) М. В. ПАРШИН, аспирант кафедры пожарной и промышленной безопасности, Воронежский государственный архитектурно-строительный университет (Россия, 394006, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84; e-mail: [email protected]) А. П. ПАРШИНА, магистрант, Воронежский государственный архитектурно-строительный университет (Россия, 394006, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84; e-mail: [email protected])
УДК 614.841.12
МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРНОГО РЕЖИМА ПОЖАРА С УЧЕТОМ РАБОТЫ ВЕНТИЛЯЦИИ В НЕГЕРМЕТИЧНОМ ПОМЕЩЕНИИ
Рассмотрена задача моделирования средней температуры в помещении при возникновении пожара. Определены параметры, оказывающие наибольшее влияние на динамику развития пожара. Получено соотношение, связывающее среднеобъемную температуру и основные параметры процесса горения. К основным параметрам отнесена производительность вытяжной аварийной вентиляции.
Ключевые слова: моделирование; пожар; среднеобъемная температура; аварийная вентиляция; газовая среда.
Определение расчетных величин пожарного риска в зданиях и сооружениях позволяет количественно охарактеризовать возможность реализации потенциальной пожарной опасности в пожар и оценить его возможные последствия. При анализе пожарного риска учитывается как возможное число погибших и травмированных при пожаре людей, количество уничтоженных материальных ценностей, ущерб, нанесенный окружающей среде, так и факторы, влияющие на развитие пожара и его последствия, в частности вероятность отказа автоматических установок пожарной сигнализации и пожаротушения и др. Одним из основных параметров, влияющих на величину пожарного риска, является время наступления критических значений опасных факторов пожара (ОФП).
Понятие пожарной безопасности не является статическим, а напротив, постоянно уточняется и развивается по мере накопления знаний о природе пожара. Понимание под системой обеспечения пожарной безопасности комплекса организационных и технических решений предполагает обязательность взаимной увязки требований пожарной безопасности между собой, использование аналитических методов для их обоснования и системный подход при решении проблем обеспечения пожарной безопасности. Аналитические методы дают большой объем информации и позволяют принимать обоснованные решения по защите зданий от пожаров. Ядром аналитических методов при системном подходе к обеспечению пожарной безопасности является математическая модель пожара.
© Мурзинов В. Л., Паршин М. В., Паршина А. П., 2013
В данной работе исследуется изменение средне-объемной температуры газовой среды в помещении при пожаре под влиянием воздушных потоков, создаваемых системой аварийной вентиляции. Такая модель может применяться при расчете времени наступления критического значения температуры, т. е. при расчете пожарного риска для производственных помещений. Правильная оценка влияния на развитие пожара работы аварийной вентиляции позволит управлять пожарным риском.
В результате анализа процесса возникновения и развития пожара выявлены параметры, влияющие на среднеобъемную температуру газовой среды в помещении, в котором происходит горение: среднеобъемная температура газовой среды в помещении Тт (К); коэффициент полноты сгорания теплота сгорания вещества (материала) Qр (Дж/кг); скорость выгорания вещества (материала) у (кг/(м2-с)); суммарный тепловой поток в ограждения Qw (Дж/кг); площадь горения Яг (м2); давление внутри помещения рт (Па); расходы соответственно воздуха и газа через проемы Ов и Сг (м3/с); среднеобъемная плотность газовой среды рт (кг/м3); объем помещения
упом(м3); время Т(с) и др.
Влияние этих параметров на изменение средне-объемной температуры газовой среды в помещении можно представить как функцию:
Тт =/Сл> Qн> Ууд, я, рт? ^въ рт,1 ^пом; т), (1)
где ууд — удельная скорость выгорания вещества (материала), кг/(м2-с).
Примем следующие допущения:
1) пламя распространяется по кругу и оценивается средним диаметром;
2) Pm = const;
3) расход газа осуществляется через приточные и вытяжные проемы с учетом их конфигурации. Работа аварийной вытяжной вентиляции производительностью Жвыт наиболее полно отражает количество уходящих газов и поступающего воздуха;
4) среднеобъемная плотность газовой среды pm оказывает существенное влияние на газообмен в помещении объемом Гпом.
В итоге получаем набор параметров, влияющих на среднеобъемную температуру газовой среды:
Tm =/(л, Q н , ууд, а, cp, ^ср, ^выт, pm, ^пом, т). (2)
Для определения функциональной зависимости Tm применим аналитический метод размерностей и рассмотрим следующие параметры:
среднеобъемную температуру газовой среды в помещении Tm (К);
коэффициент полноты сгорания л (безразмерный);
теплоту сгорания вещества (материала) Q£ (Дж/кг);
удельную скорость выгорания вещества (материала) у уд (кг/ (м2-с));
коэффициент теплопередачи внутренней поверхности помещения а (Вт/(м2-К)); удельную массовую теплоемкость газовой среды при p = const cp (Дж/(кг-К)); средний диаметр йср (м);
производительность вытяжной аварийной вентиляции Жват (м3/с);
среднеобъемную плотность газовой среды в помещении pm (кг/м3);
объем помещения (м3) (V™ = const); время т (с).
Уравнение (2) представим в виде степенной зависимости:
Tm = Ал а (Q нр)b у суд а dcepd[v WgblT РIV^ тr. (3)
Обозначим меру длины Ь; меру времени — Т; меру массы — М; меру температуры — К. Тогда
[Tm: ] = [L0T 0 M 0 K1 ]; (4)
[л] = [L0T 0 M 0 K 0 ]; (3)
[Q нр] = [ L2T ~2 M 0 K 0 ]; (6)
[ У уд] | = [U2TM1K 0 ]; (7)
[ а ] = [ L0T M1K 1 ]; (8)
[ cp ] = [L2T M 0 K 1 ]; (9)
[ d^] = [LlT 0 M 0 K 0]; (10)
[Wвыт] = [ L3T-1 M 0 K 0 ]; (11)
[p m ] = [L 3T0M1K 0 ]; (12)
[Vпом ] = [L3T0M0K 0 ]; (13)
[т] = [L0T1M 0 K 0 ]; (14)
L0T0M0K1 = 10 + 2b + (_2c) + 0 + 2e + / + 3g + (-3x) + 3y + 0 X
X T
0 + (-2 b) + (- c) + (-3d) + (-2e) + 0 + (- g) + 0 + 0 + r
X m 0 + c + d + 0 + 0 + 0 + x + 0 + 0 X
XK
0 + 0 + 0 + (-d) + (- e) + 0 + 0 + 0 + 0 + 0
(15)
Размерности, составляющие левую и правую части уравнения (3), равны. Тогда с учетом (4)-(15) запишем систему уравнений:
'0 = 2Ь - 2с + 2е + / + 3^ - 3х + 3у 0 = -2Ь - с - 3й - 2е - g + г
0 = с + d + х
1 = -d - е
Решение этой системы будет:
(16)
и 1 1^3 b =- x + 1 — /--! 2 2 2 c = 1 - x + exp (1)
d = - exp(1) - 1 r = -/ - 2g - 3 y
(17)
Тогда уравнение (3) с учетом (17) можно преобразовать к виду:
K, = AK
-exp(1)
K-xK/KgKy,
где
Tm а
Q нр у уд 1
cP у уд 1
Р m^Ql 1
=K
4 -
1
а = K
2
У уд = K 3;
т [Q
F772 d ср = K 4;
1
т 2[Q нр]3/2 1
WвыT = K 5;
т 3[Q
_V = k
_3/2 V пом - 6'
(18)
(19)
(20) (21) (22)
(23)
(24)
Чтобы найти значения 2, х, g, /и у, необходимо решить систему уравнений для частного случая:
" К11 = 2 + К 2 - К 3 х + К 4 g + К1 / + К 6 у
K12 = z + K 2 - K 32 x + K 42 g + K 52 / + K 62 y
K13 = z + K 23 - K 33 x + K 4 g + K 53 / + K б y .
K14 = z + K 24 - K 34 x + K 44 g + K 34 / + K 64 y
K13 = z + K 23 - K 33 x + K 43 g + K 33 / + K 63 y
(23)
ISSN 0869-7493 ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТЬ 2013 TOM 22 №6
57
Таблица 1. Значения параметров, влияющих на пожар в производственном помещении объемом 129,6 м3 с работающей вытяжной аварийной вентиляцией
Tm' К т, с QH, 106 Дж/кг УуД, кг/(м2 ■ с) а, Вт/(м2 -К) ср, Дж/(кг ■ К) d^ м Pm , кг/м3 W выт
293,00 8 13,8 0,01450 1,7 1005 0,1 1,205 0,288
294,02 60 13,8 0,01450 4,353 1005 1,32 1,2 0,364
300,42 120 13,8 0,01450 8,424 1005 2,64 1,17 0,512
314,94 180 13,8 0,01450 12,06 1005 3,96 1,12 0,598
337,60 240 13,8 0,01450 15,213 1005 5,28 1,04 0,659
Для оценки констант, входящих в уравнение (3), используем следующие статистические данные.
1. Объем помещения Гпом = 129,6 м3.
2. Распространение пламени по пожарной нагрузке опишем как функцию от времени, т. е.
4р(0 = vt, (26)
где v — линейная скорость распространения пламени по пожарной нагрузке, м/с.
3. Массовая скорость выгорания ууд зависит от природы горючего материала (ГМ). Это утверждение верно только для твердых и жидких ГМ. Для древесины ууд = 0,0150 кг/(м2 ■ с);
4. Низшая теплота сгорания древесины Qн = = 13,8 -103 Дж/кг.
5. Предположим, что коэффициент полноты сгорания равен максимальному значению, т. е. "л = 0,9.
6. Рассчитаем коэффициент теплопередачи внутренней поверхности помещения в соответствии с [1].
Полученные значения сведены в табл. 1.
Предположим, что стена производственного здания выполнена из железобетонных конструкций. Тогда для начальной стадии развития пожара принимаем а = 1,7 Вт/(м2 ■ K). Таким образом определяем значение коэффициента теплопередачи при Т0 = 293 К.
Полученные данные сведены в табл. 1.
7. Теплоемкость газовой среды в помещении примем ср = const [1]. В таком случае ср = 1005 Дж/(кг ■ К).
8. Начальное значение среднеобъемной плотности газовой среды в помещении pm = 1,205 кг/м3.
Значение среднеобъемной плотности газовой среды в помещении найдем из соотношения
Pm = PaTa/Tm, (27)
где pm и Tm — соответственно среднеобъемные плотность и температура газовой среды в помещении;
Таблица 2. Экспериментальные данные динамики пожара
Номер точки i Время, мин Температура, К
1 0 293,00
2 1,0 294,02
3 2,0 300,42
4 3,0 314,94
5 4,0 337,60
р0 и Т0 — начальные значения соответственно среднеобъемных плотности и температуры газовой среды в помещении. Полученные данные сведены в табл. 1. 9. Среднеобъемная температура газовой среды изменяется во времени и находится в диапазоне То < Тт < Гкр, т. е. 290 К < Тт < 343 К [2].
Воспользуемся результатами расчетного эксперимента, проведенного по методике, предложенной в [3]. Для наглядности рассмотрим пять экспериментальных точек, соответствующих пяти моментам времени (табл. 2).
Сведем все полученные параметры в табл. 1. Чтобы получить коэффициенты для критериального уравнения, необходимо определить значения безразмерных критериев для частного случая и решить систему уравнений (25). В табл. 3 показаны значения безразмерных критериев, рассчитанные для пяти экспериментальных точек.
Решение системы уравнений (25) проводилось с использованием пакета математических программ МаШСАБ. Таким образом, получены значения констант: А = 7,5 ТО-4; х = 0,78; £ =1,00; /=2,29; у=-1,70. Соотношение (18) принимает следующий вид:
K — AY -2,781 K "°,78 K 2,29 K1 K "1,7
Y1 — AY 2 Y 3 Y 4 Y 5 Y 6 .
(28)
Таблица 3. Значения критериев K|, K2, K3, K4, K5, Kg
i Y2 Y3 < Y5 Y6
1 2,489-10-3 0,117 3,239 -10-6 2,692-10-6 5,618 -10-14 2,528 -10-12
2 6,396-10-3 0,299 3,253 -10-6 9,87 -10-7 1,972-10-15 1,17 -10-14
3 0,013 0,578 3,336 -10-6 9,87 -10-7 0 1,463 -10-15
4 0,019 0,828 3,485 -10-6 9,87 -10-7 0 0
5 0,026 1,044 3,753 -10-6 9,87 -10-7 0 0
Таблица 4. Результаты расчетов по двум методикам
В результате найдена зависимость среднеобъем-ной температуры от параметров, влияющих на процесс горения, в том числе производительности вытяжной аварийной вентиляции.
Далее сравним данные, рассчитанные по предложенной методике для горения древесины, с данными, полученными экспериментальным путем (табл. 4) [3]. В качестве исходных приняты следующие данные:
• помещение объемом 129,6 м3;
• характеристики пожарной нагрузки: теплота сгорания Qн = 13,8103 Дж/кг; удельная скорость выгорания = 0,0150 кг/(м2-с). На рисунке представлена графическая зависимость изменения во времени среднеобъемной температуры газовой среды в помещении при наличии
340
m
й 330 §<W 320
Б °
S о 310 ь ,sS
280
50 100 150 200 250
Время, с
График динамики температурного режима пожара: О — температура, полученная при экспериментальном исследовании пожара;--температура, рассчитанная по методу, предложенному в данной работе
пожара в условиях работы вытяжной аварийной вентиляции. Анализ графической зависимости на рисунке показал сходимость экспериментальных и теоретических данных.
Вывод
С помощью метода размерностей получена расчетная формула, позволяющая аналитически описать динамику изменения среднеобъемной температуры газовой среды в помещении при пожаре в условиях работы вытяжной аварийной вентиляции.
Номер точки Время, с Среднеобъемная температура, К, определенная
по формуле (28) статистическим путем
1 8 248,475 293
2 60 295,262 294,02
3 120 299,813 300,42
4 180 313,296 314,94
5 240 335,19 337,60
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Кошмаров Ю. А. Прогнозирование опасных факторов пожара в помещении : учебное пособие.
— М. : Академия ГПС МВД России, 2000. — 118 с.
2. Седов Л. Н. Методы подобия и размерностей в механике. — 9-е изд., перераб. — М. : Наука, 1981.—447 с.
3. Горячева М. Н., Пузач С. В., Андреев В. В. Расчет коэффициента теплопотерь при определении критической продолжительности пожара в помещении // Пожаровзрывобезопасность. — 2007.
— Т. 16, №6. — С. 21-24.
4. СНиП 41-01-2003. Отопление, вентиляция и кондиционирование : постановление Госстроя России от 26.06.2003 г. № 115; введ. 01.01.2004 г. — М. : ГУПЦПП, 2004.
5. СНиП 2.04.05-91*. Отопление, вентиляция и кондиционирование : постановление Госстроя СССР от 28.11.91 г. № 21; введ. 01.01.92 г. — М. : ГП ЦПП, 1994; ГУП ЦПП, 2003.
Материал поступил в редакцию 28 марта 2013 г.
= English
MODELING OF TEMPERATURE IN FIRE REGIMES WITH A VIEW OF THE WORK OF EMERGENCY VENTILATION IN PERMEABLE ENVIRONMENT
MURZINOV V. L., Doctor of Technical Sciences, Professor of Fire and Industrial Safety Department, Voronezh State University of Architecture and Civil Engineering (20-letiya Oktyabrya St., 84, Voronezh, 394006, Russian Federation; e-mail: [email protected])
PARSHIN M. V., Postgraduate Student of Fire and Industrial Safety Department, Voronezh State University of Architecture and Civil Engineering (20-letiya Oktyabrya St., 84, Voronezh, 394006, Russian Federation; e-mail: [email protected])
ISSN 0869-7493 ПOЖAPOBЗPЫBOБEЗOПACHOCTЬ 2013 TOM 22 №6
SS
PARSHINA A. P., Graduate Student, Voronezh State University of Architecture and Civil Engineering (20-letiya Oktyabrya St., 84, Voronezh, 394006, Russian Federation; e-mail: [email protected])
ABSTRACT
Determination of the calculated values of the risk of fire in buildings and constructions allows quantitatively characterizing the possibility of realization of potential fire danger in the fire and assessing its possible consequences. In the analysis of the risk of fire is considered as the possible number of deaths and injured during a fire people, the destruction of the spiritual and material values, environmental damage, and the probability of failure of the automatic installations of fire alarms and fire fighting and many other factors affecting the development of the fire and its consequences. One of the major parameters that affect the value of fire risk is of the time of the critical values of the dangerous factors of a fire.
The problem of modeling the average temperature in the room in case of fire. Modeling of physical and chemical processes of the initial stage of fire requires the analysis of the parameters describing this process. The correct choice of the most significant parameters to build adequate model. Defined parameters, influencing the dynamics of the development of a fire. Methods of the theory of dimension of similarity and allowed to get the criterion equation. On the basis of this equation obtained the relation that binds temperature and the main parameters of the combustion process. Analysis of the impact of exhaust emergency ventilation has shown that its performance can be attributed to the general settings.
Conclusion. With the help of the method of the matrix obtained by the calculation formula, which allows to analytically describe the dynamics of change in the average temperature of the gas environment in the room in the event of fire in the conditions of work exhaust emergency ventilation.
Keywords: modeling; fire; volume average temperature; emergency ventilation; gas environment.
REFERENCES
1. Koshmarov Yu. A. Prognozirovaniye opasnykh/aktorovpozhara vpomeshchenii [Forecasting of fire hazards in the case of indoor fire]. Moscow, State Fire Academy of Ministry of Interior of Russia Publ., 2000. 118 p.
2. Sedov L. N. Metody podobiya i razmernostey v mekhanike. 9-e izd. [Methods of similarity and dimensions in mechanics. 9th ed.]. Moscow, Nauka Publ., 1981. 447 p.
3. Goryacheva M. N., Puzach S. V., Andreev V. V. Raschet koeffitsienta teplopoter pri opredelenii kriti-cheskoy prodolzhitelnosti pozhara v pomeshchenii [Calculation of the coefficient of heat loss in determining the critical hours of the fire in the premises]. Pozharovzryvobezopasnost — Fire and Explosion Safety, 2007, vol. 16, no. 6, pp. 21-24.
4. Construction norms and rules 41-01-2003. Heating, ventilation and conditioning. Moscow, GUP TsPP Publ., 2004 (in Russian).
3. Construction norms and rules 2.04.05-91*. Heating, ventilation and conditioning. Moscow, GP TsPP Publ., 1994; GUP TsPP, 2003.
Из пожарно-технического энциклопедического словаря
ОПАСНЫЕ ФАКТОРЫ ПОЖАРА — факторы пожара, воздействие которых может привести к травме, отравлению или гибели человека и (или) к материальному ущербу. Опасными факторами, воздействующими на людей и материальные ценности, являются: пламя и искры; повышенная температура окружающей среды; токсичные продукты горения и термического разложения; дым; пониженная концентрация кислорода.
К вторичным проявлениям опасных факторов пожара, воздействующим на людей и материальные ценности, относятся: осколки, части разрушившихся аппаратов, агрегатов, установок, конструкций; радиоактивные и токсичные вещества и материалы, вышедшие из разрушенных аппаратов и установок; электрический ток, возникший в результате выноса высокого напряжения на токопроводящиечасти конструкций, аппаратов, агрегатов; опасные факторы взрыва, происшедшего вследствие пожара; огнетушащие вещества.
