8УДК 614.841.332
ВЛИЯНИЕ КОНСТРУКЦИИ ИСПЫТАТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК ОГНЕВЫХ ПЕЧЕЙ НА АДЕКВАТНОСТЬ РЕЗУЛЬТАТОВ ИСПЫТАНИЙ НЕСУЩИХ СТЕН
НА ОГНЕСТОЙКОСТЬ
Нуянзин А.М., Сидней С.А., Федченко И.В.
Черкасский институт пожарной безопасности имени Героев Чернобыля
e-mail: nuyanzin@i.ua
В статье описаны основные принципы построения математической модели огневой печи для испытаний несущих стен на основе полной системы уравнений Навье-Стокса с помощью программного комплекса CFD FlowVision 2.5. Проведены вычислительные эксперименты с использованием созданных моделей. Показаны особенности, которые могут влиять на адекватность результатов огневых испытаний несущих стен.
We show the basic principles of mathematical model of fire testing furnace load-bearing walls in full system Navier-Stokes equations using program complex CFD FlowVision 2.5. A computational experiment in the created model. Highlight features that may affect the adequacy of the results offire tests bearing walls.
(Поступила в редакцию 7 мая 2015 г.)
Введение. В условиях пожара нарушение общей устойчивости здания всегда происходит вследствие разрушения отдельных элементов в каркасе здания. Учитывая это, одним из важных аспектов обеспечения пожарной безопасности является использование строительных конструкций с гарантированным пределом огнестойкости. Для определения фактических пределов огнестойкости наиболее эффективным считается метод огневых испытаний [1, 2]. Поэтому вопросы совершенствования и улучшения характеристик установок для огневых испытаний являются актуальными.
К огневым печам предъявляются особые требования. Нагревательный факел должен создаваться на жидком топливе; пламя факела не должно касаться поверхности нагреваемых элементов конструкций; по объему нагревательной камеры необходимо обеспечить равномерное распределение температуры, и температура в течение испытания в объеме нагревательной камеры должна соответствовать температурному режиму пожара, который определен в стандарте [1]. Управление топливной системой не может обеспечить полное соответствие режима нагрева камеры печи стандартному температурному режиму пожара, что ведет к появлению определенной погрешности при реализации данного режима [3].
Стандартные методы огневых испытаний достаточно хорошо изучены и им посвящено много исследований, но при этом недостаточное внимание было уделено изучению метрологических характеристик испытательных установок и влияния конструктивных особенностей этих установок на адекватность полученных результатов.
Существует много конструкций печей, которые различаются геометрическими конфигурациями, видом топливно-форсуночной системы, схемами расположения и конструкциями измерительной арматуры. Это может привести к тому, что различные испытательные установки могут давать результаты, отличающиеся на 30% и более. Если речь идет о времени, определяет наступления предельного состояния, а это фактически время, которое требуется для эвакуации людей и материальных ценностей, то для REI 60 отклонение может составлять около 20 минут, REI 120 - 40 минут, REI 150 - 50 минут. Это значительный промежуток времени, в котором определяется предел огнестойкости той или иной лабораторией, и при этом нет гарантий, что это может быть завышенный результат. В таком случае нельзя гарантировать безопасность людей и материальных ценностей в соответствии с существующими нормативами [3, 4].
Постановка задачи. Создать математические модели реальных огневых испытательных вертикальных печей на основе полной системы уравнений Навье-Стокса. Согласно результатам проведенных вычислительных экспериментов, сделать выводы относительно
показателей температуры в камере печи, термопаре и исследуемом образце. Выделить особенности, которые могут влиять на адекватность результатов огневых испытаний несущих стен.
Основная часть. Были рассмотрены 2 конфигурации огневых печей для испытаний на огнестойкость несущих стен Лаборатории 1 и Лаборатории 2. Данные печи реально существуют и были выбраны, как имеющие действительные аттестаты на проведение испытаний. На данный момент они являются единственной альтернативой для проверки огнестойкости несущих стен в Украине.
6 4
5
а) б)
Рисунок 1 - Геометрическая конфигурация вертикальных печей («а» - Лаборатории 1 (изображена только симметрическая половина) и «б» - Лаборатории 2): 1 - ограждения печи; 2 - несущая стена; 3 - регион вдува; 4 - регион форсунки; 5 - сопряженные поверхности; 6 - регион выхода продуктов горения; 7 - модель термопары
Таблица 1 - Габаритные размеры установок для испытаний на огнестойкость несущих стен
Название печи Размеры огневой камеры, мм Количество горелок в печи Источник
длина высота (ширина) глубина
Испытательная печь Лаборатории 1 3000 3000 1,2 6 [5]
Испытательная печь Лаборатории 2 3000 3000 1,5 4
7
7
3
3
6
К основным принципам построения математической модели относятся:
1) как основной инструмент построения модели и проведения вычислительного эксперимента использован программный комплекс «FlowVision 2.5»;
2) в процессе вычислительного эксперимента учтен конвективный и радиационный теплообмен поверхности испытуемых конструкций и пространства камеры печи;
3) в камерах предусмотрена модель термопары в виде стержня длиной 100 мм и диаметром 6 мм с учетом конвективного и радиационного теплообмена;
4) рассмотрена симметричная половина огневой печи Лаборатории 1, что увеличивает производительность расчета.
Созданные геометрические модели импортированы в среду программного комплекса «FlowVisюn».
После ввода параметров математической модели, подобласть камеры печи сопрягается с конструкцией и термопарой. Кроме того, вводят общие параметры, такие как: ось гравитации, критерий Куранта-Фридрихса-Леви [6] и др.
Следующий этап заключался в создании сеточной модели печи. Метод контрольных объемов, примененный в программном комплексе, имеет определенные особенности (рис. 3 и рис. 4). Численное интегрирование уравнений по пространственным координатам проводят с использованием прямоугольной, адаптивной, локально измельченной сетки. Данный подход позволяет, с одной стороны, использование простой равномерной неадаптив-
ной сетки при выполнении задач по сравнительно несложной геометрии. С другой стороны, появляется возможность в процессе решения задач со сложной геометрией проводить адаптацию подстройки сетки к особенностям геометрии вблизи граничных условий, а в ходе решения задач с разрывными течениями - адаптацию по значениям анализируемых функций, их градиентов и др.
Процедура локального измельчения сетки в области адаптации предполагает последовательное дробление расчетных ячеек: исходной плоской ячейки на 4 более мелкие ячейки (в трехмерном случае на 8). Адаптация выполняется для улучшения сходимости вычислительного процесса и получения более точных результатов расчета.
Между точностью расчета и количеством расчетных ячеек существует приблизительно прямая пропорциональная зависимость, а между количеством ячеек и временем, за которое будет проведен расчет, - экспоненциальная. Поэтому нужно выбрать баланс между необходимой точностью расчета и временем, которое будет потрачено на проведение расчета.
Для учета конвективного и радиационного теплообмена поверхности термопары и пространства камеры печи, адаптивная сетка для термопары значительно измельчена (рис. 2-г и рис. 3-г). Для этого создана адаптация в месте расположения термопары.
Для учета особенности, которая заключается в наличии модели термопары, создана двухступенчатая адаптация сначала 1 уровня по пространству цилиндра охватывает термопару радиусом 0.01 м и высотой 0.12 м и 1 уровня по пространству подобласти термопары.
Температура, которую регистрирует термопара печи, зависит от нескольких факторов: конвективный и лучистый теплообмен поверхности термопары, пространство камеры печи. На практике термопару подстраивают к температуре, которая создает баланс между теплом, индуцированным конвективно и теплом, поступающего в результате излучения.
Суть проведения вычислительного эксперимента заключается в инициации процесса горения с контролем температуры внутри модели термопары так, чтобы температурный режим ее нагрева по возможности точно совпадал с температурной стандартной кривой пожара [1]. Для этого средствами контроля системы Б1о,^У18ЮП в интерактивном режиме снимаются текущие данные с термопары, и, при достижении максимальной температуры для данного шага по времени параметры процесса горения меняются. Затем процедура изменения параметров процесса горения повторяется для следующего временного интервала. При этом фиксируются данные о температуре поверхности, арматурного слоя и середины железобетонного изделия для данного интервала.
Во время проведения численного эксперимента контроль температуры происходил так, чтобы температурный режим нагрева термопары по возможности точно совпадал с температурной стандартной кривой пожара и не выходил за допустимые пределы испытания [1]. Для этого средствами контроля системы Б1о,^У18ЮП 2.5 в интерактивном режиме снимались текущие данные температуры на поверхности термопары, и, при достижении максимальной температуры для данного шага по времени, параметры процесса горения менялись. Для проведения вычислительного эксперимента с использованием созданных математических моделей огневых печей соблюдены последовательности расчетных процедур, описанные ниже:
1) инициация процесса горения с минимальным глобальным шагом по времени;
2) визуализация значения температуры с поверхности термопары и сравнение его со значением температуры согласно стандартному температурному режиму пожара для временного шага испытаний (рекомендуемое значение 10 с);
3) установка более грубого шага после 0,05 с;
4) при достижении температуры, соответствующей температуре стандартного температурного режима пожара для текущего временного интервала осуществляется прекращение процесса горения установкой соответствующих граничных условий;
5) установление еще более грубого шага после выгорания всех частиц топлива (определяют по температуре факелов) к следующему временному интервалу;
6) повторение расчетных процедур для следующего временного интервала;
X /
1. 7
V
*
\
/
>
- *
\
-
\
— -X
! -V Д
~>
! \
/
V
/ V
V
V
л
А
\
а)
б)
в)
Рисунок 2 - Сеточная модель пространства вертикальной печи Лаборатории 1 (показана только симметричная половина): а - вид по оси Y; б - вид по оси X; в - вид по оси X; г - адаптивная сетка для термопары (вид боковой поверхности термопары)
в)
Рисунок 3 - Сеточная модель пространства вертикальной печи Лаборатории 2: а - вид по оси Y; б - вид по оси X; в - вид по оси X; г - адаптивная сетка для термопары (вид боковой поверхности термопары)
7) контроль температуры в конструкции и пространства печи в соответствующих контрольных точках (рис. 4 и рис. 5).
Результаты вычислительного эксперимента. Температурные данные в контрольных точках, указанных на рис. 4 и рис. 5, фиксировались каждую секунду для достижения требуемой точности при построении графиков.
Т16,Т20,Т24 Т15,Т19,Т23 Т14,Т18,Т22 Т13,Т19,Т21
б)
Т4,Т8,Т12
Тэ,Т7,Тц
Т2,Т6,Т10
Т1,Т5,Т9
Тt
Т1,Т13 Т2,Т14 Т3,Т15 Т4,Т16
Т6,Т18 Т7,Т19 Т8,Т20
Т9,Т21 Т10,Т22 Т11,Т23 Т12,Т24
а)
Рисунок 4 - Точки контроля температуры модели печи Лаборатории 1 (показана только симметричная половина): Ть Т1-Т24 - точки контроля температуры; а - вид по оси X; б - вид по оси Z
Тк1, Т , Та
т т т
а)
ТаЬ Та2 Та3, Та4, Та5
Т06 Та6
Тн1, Тн2 Tо7, То Та7, Та Тн
Та8
То 8 Тн3, Тн4 Та9, Та10, Т
Та12 Та13
То1, То2 Tк1, Тк2 3, То4, То5 3, Тк4, Тк5 Тк6
Тк7, Тк
Тк8
9, То10, То11 •к9, Тк10, Тк11 Тк12 То12 Тк13 То13
Рисунок 5 - Точки контроля температуры модели печи Лаборатории 2: Та, Тк, Тн, То - точки контроля
температуры; а - вид по оси У; б - вид по оси Z
На рис. 6 - рис. 8 показаны графики, полученные по результатам вычислительных экспериментов.
Рисунок 6 - График изменения температуры на поверхности смоделированной термопары в камерах вертикальных огневых печей: Тл1 - показатели смоделированной термопары в камере печи Лаборатории 1 (рис. 1, рис. 2, рис. 4); Тл2 - показатели смоделированной термопары в камере печи Лаборатории 2 (рис. 1, рис. 3, рис. 5); Ттах - верхний предел испытаний; Ттт - нижний предел испытаний
0 10 20 30 40 50 60 мин'
Рисунок 7 - График изменения температуры в разных контрольных точках камеры вертикальной печи Лаборатории 1: Ттах - верхний предел испытаний; Тт|„ - нижний предел испытаний; Т5 - показатели температуры в верхней части печи; Т9 - показатели температуры в средней части печи; Т1 - показатели температуры в нижней части печи (рис. 4)
Рисунок 8 - График изменения температуры в разных контрольных точках камеры вертикальной печи Лаборатории 2: Тв - верхний предел испытаний; Тн - нижний предел испытаний; Ткх, Тк2 - показатели температуры в верхней части печи; Тк, Тк4 - показатели температуры в средней части печи; Тк12, Тк1з - показатели температуры в нижней части печи (рис. 5)
а) б) в)
Рисунок 9 - Распределение температур на обогреваемой поверхности несущей стены
при моделировании испытаний в печи Лаборатории 1: а - 10-я минута испытаний; б - 30-я минута испытаний; в - 60-я минута испытаний
аб
Рисунок 10 - Распределение температур на обогреваемой поверхности несущей стены при моделировании испытаний в печи Лаборатории 2: а - 30-я минута испытаний;
б - 60-я минута испытаний
Таблица 2 - Температура (на расстоянии 100 мм от несущей стены) по результатам вычислительных экспериментов в разных местах камер вертикальных испытательных печей_
Размещение контрольной точки Согласно [1] Лаборатория 1 Лаборатория 2
На 60-й минуте испытаний:
Внутри смоделированных термопар от 922 до 969 оС ~ 937 оС ~ 942 оС
Непосредственно рядом с термопарами ~ 924 оС ~ 928 оС
В верхней части камер печей ~ 968 оС ~ 1057 оС
В нижней части камер печей ~ 828 оС ~851оС
На 30-й минуте испытаний:
Внутри смоделированных термопар от 800 до 884 оС ~ 860 оС ~ 837 оС
Непосредственно рядом с термопарами ~ 844 оС ~ 839 оС
В верхней части камер печей ~914оС ~ 968 оС
В нижней части камер печей ~ 757 оС ~ 735 оС
Таблица 3 - Температура (на уровне арматуры) по результатам вычислительных экспериментов в раз ных местах камер вертикальных испытательных печей
Размещение контрольной точки Согласно [7] Лаборатория 1 Лаборатория 2
На 60-й минуте испытаний:
Непосредственно рядом с термопарами <500 оС ~ 285 оС ~ 283 оС
В верхней части камер ~ 284 оС ~ 226 оС
В нижней части камер ~ 253 оС ~ 297 оС
На 30-й минуте испытаний:
Непосредственно рядом с термопарами <500 оС ~165 оС ~ 184 оС
В верхней части камер ~149 оС ~ 185 оС
В нижней части камер ~193 оС ~151оС
Выводы. Учитывая проведенные исследования можно сделать следующие выводы.
1. Построены математические модели вертикальных печей для испытаний несущих стен на основе полной системы уравнений Навье-Стокса с помощью программного комплекса CFD FlowVision 2.5.
2. В соответствии с проведенными опытами показатели температуры рядом с термопарой отличаются от показателей самой термопары. Для Лаборатории 1 AT ~ 12,8 °С, а для Лаборатории 2 - 14,1°С. При этом, если учесть погрешность термопары < 15°С [1]), то суммарная погрешность может составлять ~ 27-30°С. Поскольку испытания проходят в течение длительного времени, это сказывается на достоверности и точности полученных результатов.
3. Температура в камере огневых печей распределяется неравномерно. В верхней части камеры печи превышает пределы испытаний, а в нижней необходимая температура в нужный промежуток времени не достигается. Разница температур на 60-й минуте составляет 140,4оС и 205,6 оС для лабораторий 1 и 2 соответственно.
4. Указанные особенности могут влиять на адекватность результатов испытаний несущих стен.
Перспективы дальнейших исследований. Провести дополнительные опыты с помощью математического моделирования и усовершенствовать нормативные документы по требованиям к конструктивным особенностям и метрологического обеспечения огневых печей установок для испытаний на огнестойкость несущих стен.
ЛИТЕРАТУРА
1. Защита от пожара. Строительные конструкции. Методы испытания на огнестойкость. Общие требования (ISO 834: 1975) ДСТУ Б В.1.1-4-98. - [Введен 1998-10-28]. - К.: Укрархстройин-форм, 1999. - 21 с. - (Государственный стандарт Украины). ГОСТ 30247.0-94. Конструкции строительные. Методы испытаний на огнестойкость. - 2000.
2. Защита от пожара. Пожарная безопасность объектов строительства. ДБН В.1.1-7-2002. - [Введен 2003-05-01]. - К.: Госпожбезопасности, 2003. - 87 с. - (Государственные строительные нормы).
3. Згуря, В.И. Совершенствование системы определения пожароопасных свойств веществ, мате-
риалов и строительных конструкций: Автореф. дис. на соискание ученой. степени канд. техн. наук: спец. 21.06.02 «Пожарная безопасность» / В.И. Згуря - Киев, 2007. - 21 с.
4. Нуянзин, А.М. Анализ существующих математических моделей тепломассообмена в камерах огневых печей установок для испытаний на огнестойкость несущих стен / А.М. Нуянзин, С.В. Поздеев, С.А.Сидней. Сборник научных трудов АПБ им. Героев Чернобыля № 18 2014 год. Серия КВ № 13745-2719.
5. Новак, С.В. Методы испытаний строительных конструкций и изделий на огнестойкость / С.В. Новак, Л.М. Нефедченко, А.А. Абрамов. - К.: Пожинформтехника, 2010. - 132 с.
6. Система моделирования движения жидкости и газа. FlowVision Версия 2.5.4. Руководство пользователя. - Москва: ТЕСИС. - 2008. - 284 с.
7. EN 1992-1-2: 2004 Eurocode 2: Design of concrete structures - Part 1-2: General rules - Structural fire design, Brussels 2004.
