CC BY
22
ПОЖАРНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ ЗДАНИЙ, СООРУЖЕНИЙ, ОБЪЕКТОВ
С. П. Калмыков
научный сотрудникучебно-научного комплекса проблем пожарной безопасности в строительстве Академии Государственной противопожарной службы МЧС России, г. Москва, Россия
УДК 614.841
влияние площади и количества дымоприемных отверстии в зависимости от расхода удаляемых продуктов горения на эффективность работы импульсной противодымнои вентиляции закрытых автостоянок
На основе математического моделирования проведено исследование влияния площади и количества дымопри-емных отверстий в зависимости от расхода удаляемых продуктов горения на эффективность работы импульсной противодымной вентиляции закрытых автостоянок. Установлены значения суммарной площади дымоприемных отверстий и расхода удаляемых продуктов горения из помещения автостоянки.
Ключевые слова: струйная противодымная вентиляция; противодымная защита; закрытые автостоянки.
В последнее десятилетие из-за быстрого роста автомобильного парка крупных городов России возведение объектов транспортного назначения приобрело масштабный характер. Для строительства многоуровневых автостоянок зачастую используются подземные пространства жилых и общественных зданий. В связи с высокой пожарной опасностью этих объектов их противопожарной защите уделяется серьезное внимание. Система противодымной защиты является одной из систем, играющих ключевую роль в противопожарной защите подобных объектов.
В традиционной системе дымоудаления для перемещения дыма к шахтам используются воздуховоды. Наличие воздуховодов большого сечения является существенным недостатком такой системы.
За рубежом в автостоянках наряду с классической системой дымоудаления с использованием воздуховодов применяется импульсная (или струйная) система дымоудаления (рис. 1).
На эффективность работы системы импульсной противодымной вентиляции в помещении автостоянки влияют многие факторы, такие как мощность тепловыделения очага пожара, дымообразующая способность пожарной нагрузки, количество, расположение и проектные параметры струйных вентиляторов, расположение и геометрические размеры дымоприемных и приточных отверстий, производительность вытяжных и приточных вентиляторов,
© Калмыков С. П., 2011
конфигурация и геометрические параметры помещения автостоянки и др.
В нормативных документах, действующих в Российской Федерации и за рубежом, а также в доступных литературных источниках отсутствуют требования и сведения о влиянии вышеуказанных факторов на эффективность работы струйной вентиляции.
В рамках представленной статьи проведено исследование влияния суммарной площади и количества дымоприемных отверстий в зависимости от расхода продуктов горения, удаляемых из помещения автостоянки, на эффективность работы импульсной противодымной вентиляции. В качестве ин-
Рис. 1. Схема импульсной противодымной вентиляции
струмента исследования использовалась полевая модель пожара в помещении, реализованная при помощи программного комплекса [1].
Основные уравнения математической модели приведены согласно [1]:
• неразрывности:
Ф
— + V ри = тъ;
дt
• движения:
д
— (ри) + V рии + Vp = рg + /ъ +V Ту;
• энергии:
д / 1 \ 1-7 1 1-7 "
да ) + V рКи = — + Ч ~ Чъ ^ Ч + е;
• неразрывности для компонентов газовой среды:
д
да (р^а ) + V р^а и =V + т1 + т'ЪЪ, а .
Для замыкания системы уравнений, выражающих законы сохранения, использовалось уравнение состояния идеального газа:
p = Z Mr
а а
Реализация процессов турбулентного переноса осуществлялась при помощи метода крупных вихрей LES (Large Eddy Simulation) [2].
Коэффициент турбулентной вязкости цLES рассчитывается как
цLES =P(CsА)2\2SjSj - |(V U)2
1/2
Коэффициенты турбулентной теплопроводности и турбулентной диффузии связаны с коэффициентом турбулентной вязкости уравнениями:
LES
ц LES cp
( pD ),,
LES
ц LES
Sc,
Здесь р — плотность; а — время; V— оператор Гамильтона; и — составляющая скорости; т'ЪЪ — скорость образования газообразных или твердых химических компонентов; р — давление; g — ускорение свободного падения;/ъ — источниковый член; Ту — тензор вязких напряжений; Н8 — энтальпия смеси газов; — — коэффициент диффузии; ч"' — удельная скорость тепловыделения; Чъ — энергия, затрачиваемая на газификацию горючего материала; ч " — член уравнения, учитывающий конвективный и радиационный теплоперенос; е — скорость диссипации кинетической энергии турбулентности; Уа — массовая концентрация химического компонента; — а — коэффициент диффузии химического компонента; т'а — удельная массовая скорость образования химиче-
ского компонента; m'b a — массовая скорость образования газообразных или твердых химических компонентов; R — универсальная газовая постоянная; T — температура; Ma — молярная масса; цLES — коэффициент турбулентной вязкости; CS — эмпирическая константа; А — размер расчетной сетки; Sj — тензор скоростей деформации; XLES — коэффициент турбулентной теплопроводности; cp — удельная изобарная теплоемкость; DLES — коэффициент турбулентной диффузии; Р^ — турбулентное число Прандтля; Sct — турбулентное число Шмидта.
В качестве модели горения использовалась модель доли в смеси (mixture fraction) [3]. Лучистый теплообмен включен в модель посредством решения уравнения переноса излучения для серого газа [4]. Уравнение решается с помощью метода, аналогичного методу конечных объемов для конвективного переноса. Коэффициенты поглощения для сажи и дыма вычислены с помощью узкополосной модели RADCAL [5].
Расчеты проведены для реально проектируемой автостоянки в г. Москве, которая представляет собой трехэтажный подземный гараж.
Гараж по горизонтали разделен на два пожарных отсека: площадь первого — 1860 м2, второго — 2289 м2. Высота этажей автостоянки составляет 2,8 м.
Рассматривался больший по площади пожарный отсек типового этажа автостоянки, рассчитанный на 76 машиномест. На рис. 2 приведена схема моделируемого помещения закрытой автостоянки.
Размеры моделируемого помещения закрытой автостоянки составляют 62,0x36,8x2,8 м. В нем предполагалась установка 11 струйных вентиляторов в два ряда с расстоянием между параллельно располагаемыми вентиляторами 6 м, между последовательно располагаемыми — 24 м. Струйные вентиляторы принимались с размерами входных и выбросных патрубков 0,4x0,4 м. Скорость струй на выбросных патрубках струйных вентиляторов принималась 15 м/с. Очаг горения моделировался как
Рис. 2. Схема моделируемого помещения закрытой автостоянки: 1 — струйный вентилятор; 2 — лестничная клетка; 3 — дымоприемное отверстие; 4 — колонна; 5 — очаг горения
горелка размерами 1,6x4,0 м с максимальной мощностью тепловыделения 4,0 МВт. Изменение мощности тепловыделения принято согласно экспериментальным данным [6].
В первой серии численных экспериментов количество дымоприемных отверстий принималось равным 8 с размерами 2,0x0,8 м. Суммарный расход удаляемых продуктов горения принимался 100 000 и 150 000 м3/ч для каждого из вариантов численных экспериментов. Расход приточного воздуха составлял 70 % от удаляемого.
В этой серии расчетов исследовалась эффективность работы струйной противодымной вентиляции при большой суммарной площади дымоприемных отверстий (12,8 м2).
На рис. 3-5 показаны поля дальности видимости и температур в горизонтальной плоскости на уровне 2,0 м от пола на момент времени 900 с от начала моделируемого процесса при расходе удаляемых продуктов горения 50 000, 100 000 и 150 000 м3/ч.
Из приведенных выше полей видно, что при расходе удаляемых продуктов горения 50 000 м3/ч
а
Дальность видимости, м 20
О 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30
помещение автостоянки полностью задымляется, а повышенная температура (более 70 °С) отмечается на трети площади автостоянки; при расходе удаляемых продуктов горения 100 000 и 150 000 м3/ч ни задымления, ни повышенной температуры на уровне 2 м от пола почти не наблюдается.
Поскольку в первой серии расчетов было показано, что при расходе удаляемых продуктов горения 50 000 м3/ч система струйной противодымной вентиляции не обеспечивает удаления дыма из помещения автостоянки, во второй серии расчетов расход принимался 100 000 и 150 000 м3/ч. При этом площадь каждого дымоприемного отверстия уменьшалась до 0,96 м2 (размеры 1,2x0,8 м), а их количество варьировалось от 2 до 8.
На рис. 6 и 7 показаны поля дальности видимости и температуры в горизонтальной плоскости на уровне 2,0 м от пола на момент времени 900 с от начала моделируемого процесса при наличии 8 дымо-приемных отверстий.
На рис. 8-9 показаны поля дальности видимости и температуры в горизонтальной плоскости на
_б_
шят ; 1
20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120
900 с; L = 50 000 м3/ч
б
20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120
с; L = 100 000 м3/ч
Рис. 4. Поля дальности видимости (а) и температуры (б): т = 900
Дальность видимости, м 20
0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30
Рис. 3. Поля дальности видимости (а) и температуры (б): т =
Дальность видимости, м 20
О 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30
20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120
Рис. 5. Поля дальности видимости (а) и температуры (б): т = 900 с; Ь = 150 000 м3/ч
Дальность видимости, м О 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30
20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120
Рис. 6. Поля дальности видимости (а) и температуры (б): т = 900 с; Ь = 100 000 м3/ч (8 дымоприемных отверстий)
Дальность видимости, м 20
О 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30
Температура, °С
20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120
Рис. 7. Поля дальности видимости (а) и температуры (б): т = 900 с; Ь = 150 000 м3/ч (8 дымоприемных отверстий)
уровне 2,0 м от пола на момент времени 900 с от начала моделируемого процесса при наличии 6 дымо-приемных отверстий.
На рис. 10-11 показаны поля дальности видимости и температуры в горизонтальной плоскости
на уровне 2,0 м от пола на момент времени 900 с от начала моделируемого процесса при наличии 4 ды-моприемных отверстий.
На рис. 12-13 показаны поля дальности видимости и температуры в горизонтальной плоскости
Дальность видимости, м 20
0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30
Температура, °С
20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120
Рис. 8. Поля дальности видимости (а) и температуры (б): т = 900 с; L = 100 000 м3/ч (6 дымоприемных отверстий)
Дальность видимости, м 20
0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30
Температура, °С
20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120
Рис. 9. Поля дальности видимости (а) и температуры (б): т = 900 с; L = 150 000 м3/ч (6 дымоприемных отверстий)
Дальность видимости, м 20
0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30
Температура, °С
20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120
Рис. 10. Поля дальности видимости (а) и температуры (б): т = 900 с; L = 100 000 м3/ч (4 дымоприемных отверстия)
на уровне 2,0 м от пола на момент времени 900 с от начала моделируемого процесса при наличии 2 ды-моприемных отверстий.
Из приведенных выше полей видно, что количество дымоприемных отверстий не оказывает значи-
тельного влияния на эффективность работы струйной противодымной вентиляции. Существенное влияние здесь оказывают суммарная площадь этих отверстий и расход удаляемых продуктов горения. Так, например, при уменьшении площади отверстий от
Дальность видимости, м 20
О 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30
20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120
Рис. 11. Поля дальности видимости (а) и температуры (б): т = 900 с; L = 150 000 м3/ч (4 дымоприемных отверстия)
Дальность видимости, м 20
О 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30
20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120
Рис. 12. Поля дальности видимости (а) и температуры (б): т = 900 с; L = 100 000 м3/ч (2 дымоприемных отверстия)
Дальность видимости, м 20
О 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30
20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120
Рис. 13. Поля дальности видимости (а) и температуры (б): т = 900 с; L = 150 000 м3/ч (2 дымоприемных отверстия)
1,6 до 0,96 м при их одинаковом количестве, равном восьми, и суммарном расходе удаляемых продуктов горения 100 000 м3/ч (см. рис. 4, а и 6, а) эффективность струйной противодымной вентиляции значительно снижается. При более высоком значе-
нии расхода удаляемых продуктов горения из помещения закрытой автостоянки, равном 150 000 м3/ч, уменьшение площади и количества дымоприемных отверстий не снижает эффективности струйной про-тиводымной вентиляции.
Выводы
1. Для эффективной работы струйной противо-дымной вентиляции автостоянки закрытого типарас-ход удаляемых продуктов горения из автостоянки закрытого типа следует предусматривать не менее 100 000 м3/ч.
2. Суммарную площадь дымоприемных отверстий следует принимать исходя из расхода удаляемых продуктов горения: например, при расходе удаля-
емых продуктов горения 100 000 м3/ч суммарная площадь дымоприемных отверстий должна составлять 10-12 м2.
3. Увеличение расхода удаляемых продуктов горения из помещения автостоянки закрытого типа позволяет уменьшить суммарную площадь дымопри-емных отверстий: например, при расходе удаляемых продуктов горения 150 000 м3/ч суммарная площадь дымоприемных отверстий может быть уменьшена до 2,0 м2.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. McGrattan К. Fire Dinamics Simulator (Version 5). Technical Reference Guide. — Washington : National Institute of Standards and Technology, 2007. — NIST Special Publication 1018-5.
2. Smagorinsky J. General Circulation Experiments with the Primitive Equations. I. The Basic Experiment // MonthlyWeather Review. — March 1963.— 91(3). — P. 99-164.
3. Raman V., Pitsch H., FoxR. O. Hybrid large-eddy simulation / Lagrangian filtered-density-function approach for simulating turbulent combustion // Combustion and Flame. — 2005. — Vol. 143. — P. 56-78.
4. Siegel R., Howell J. R. Thermal Radiation Heat Transfer. —4th edition. — New York: Taylor & Francis, 2002.
5. GrosshandlerW. RadCal: A Narrow Band Model for Radiation Calculations in a Combustion Environment // NIST Technical Note TN 1402. National Institute of Standards and Technology. — Gaithers-burg, Maryland, 1993.
6. SteinertC. Experimental Investigation of Burning and Fire Jumping Behavior of Automobiles (in German) // VFDB. — Vol. 49. — P. 163-172.
Материал поступил в редакцию 15 декабря 2010 г.
Электронный адрес автора: [email protected].
