CC BY
33
Скорость и затухание звука измеряли импульсно-фазовым методом на опытной установке, принципиальная схема и схема измерительной ячейки которой представлены в работе [1]. Отличительной особенностью метода является возможность измерения локальных значений и на различных расстояниях от дна тигля с погрешностью менее 0,3 %.
Температурная зависимость скорости ультразвука и в расплаве 1п^а эвтектического состава исследовалась в режиме охлаждения. Результаты ее измерения представлены на рис. 1. В отличие от сплавов РЬ-В [2], температурная зависимость скорости ультразвука в эвтектическом расплаве 1п^а линейна и не имеет ярко выраженных особенностей.
Библиографический список
1. П. С. Попель, Д. А. Ягодин, А. Г. Мозговой. Скорость звука в жидких свинце, висмуте и их эвтектическом сплаве в диапазоне от температуры плавления до 1300 К. Таблицы стандартных справочных данных ГСССД № 2362009. М.: Стандартинформ, 2009. 32 с.
2. Исследование скорости ультразвука в жидком теплоносителе РЬ-В эвтектической концентрации для обеспечения безопасной эксплуатации ядерных реакторов на быстрых нейтронах / Борисенко А. В., Курочкин А. Р., Баранова О. Ю. и др. // Актуальные проблемы и инновации в обеспечении безопасности: материалы науч.-практ. конф. молодых ученых и специалистов, г. Екатеринбург, 29 ноября 2012. УрИ ГПС МЧС России, Ч. 1, 2012. С. 14-15.
Моделирование степени задымления атмосферы
при пожарах
Борисов Н. И., Савченко П. Д., Иванькович Д. А., ВУНЦВВС «ВВА», г. Воронеж
Одной из сложных задач обеспечения безопасности жизнедеятельности является разработка прогноза дальности видимости в условиях задымления промышленными дымами или продуктами горения (пиролиза).
Ярким примером может служить горение торфяников в центральном регионе России в июне-сентябре 2002 года, которое привело к сильнейшему задымлению воздушного бассейна целых регионов [1]. Ограниченная видимость существенно повлияла на безопасность воздушного и дорожного движения.
Прогноз степени задымления больших регионов является весьма сложной задачей, так как видимость в этом случае зависит не только от наблюдаемых метеорологических условий, но и от пространственной концентрации дымов, их микрофизических и оптических характеристик. Эта многофакторная задача
может быть решена только с привлечением математических моделей, реализуемых на ПЭВМ.
Один из подходов математического и численного моделирования дальности видимости и ее прогноза в условиях задымления пограничного слоя атмосферы (ПСА) дымами, образующимися при горении (пиролизе) торфяников, предлагается в данной работе.
Видимость в атмосфере представляет собой сложное психофизическое явление, обусловленное главным образом ослаблением светового потока молекулами воздуха, а также жидкими и твердыми частицами, находящимися во взвешенном состоянии в атмосфере.
Дальность видимости Sм определяется выражением:
ш!
S (Я,2) =-£- , (1)
Р,(Я,2,г) ^ 7
где (Я, 2, г) - спектральный коэффициент аэрозольного ослабления частицами дисперсной задымленной среды, м-1; £ - пороговая чувствительность человеческого глаза.
Показатель ослабления полидисперсного аэрозоля р (Я, 2, г )в пределах пограничного слоя атмосферы будем рассчитывать в соответствии с пространственным распределением массовой концентрации, микрофизических и оптических характеристик дымового аэрозоля [2]:
г 2
¡л2 к, р т) У(г
Р, (Я, г, 2) = С (х, 2) ^^-• (2)
4 Ра ¡Ж V(г)4г
3 г1
Здесь с (х, 2) - массовая концентрация дымов горения от площадного стационарного источника непрерывного действия, мкг/м ; г - радиус твердых частиц дыма, мкм; К, (р, ш) - фактор эффективного ослабления излучения одной
частицей; р = 2лг / Я - параметр Ми; ш - комплексный показатель ослабления видимого света частицами дыма; Я - длина волны электромагнитного излучения видимого диапазона, мкм; у (г) - функция распределения частиц по размерам; ра - плотность частиц дымового аэрозоля, г/см3.
Функцию распределения частиц дымового аэрозоля по размерам зададим, как и в [1], логарифмически нормальным законом:
У (г) = ^2я)-05(^)-1 ехр[- 1п2(г / г0)/2г2 ] (3)
где N - суммарная счетная концентрация частиц; го - медианный радиус распределения У (г) и V - полуширина распределения) с преобладанием аккумулятивной аэрозольной фракции с размерами 0,1-1 мкм и модальным радиусом гш =0,16-0,21 мкм. Что касается комплексного показателя дымового аэрозоля (ш = п - ¡х ), то его действительная часть, (показатель преломления) в расчетах задавалась в пределах п=1,41-1,51, а мнимая часть, характеризующая поглоща-
тельную способность дымового аэрозоля, задавалась не более 0,005 (х ^0,005). Для обводненного дымового аэрозоля х - 0,2 - 0,3 .
Задача решается в декартовой прямоугольной системе координат. Вертикальные профили концентрации дымового аэрозоля с (х, 2) определяются из численного решения полуэмпирического уравнения турбулентной диффузии:
дС ( т„ \дС д , дС (лл
и-- W )-= — k-, (4)
дх 4 *' дг дг д г
где и, - соответственно горизонтальная и вертикальная составляющие скорости ветра, м /с; Wg - скорость гравитационного осаждения аэрозоля, м/с; k - коэффициент турбулентности, м/с.
Уравнение (4) решается методом прогонки при следующих граничных условиях:
С(х,г) = 0, г = h; (5)
k дС = &, г = г0. (6)
дг
где к - высота пограничного слоя атмосферы; г0- параметр шероховатости подстилающей поверхности; Sc - мощность площадного источника дыма, мкг/(м с).
Остановимся более подробно на определении величины Sc в выражении (6). Согласно [1] показано, что в приземном слое распределение частиц субмикронного дымового аэрозоля по размерам подчиняется логнормальному закону с модальным радиусом гга=0.15-0.20 мкм и, следовательно, скорость осаждения таких частиц примерно близка к нулю. Поэтому данную примесь можно считать невесомой.
При горении или пиролизе (тлении) торфа распространение тепловой конвекции сопровождается переносом пассивной примеси, источник которой располагается на подстилающей поверхности.
Мощность площадного источника дымового аэрозоля будем определять вблизи поверхности земли, т.е. на уровне г=г0, где г0 - параметр шероховатости подстилающей поверхности.
Зная измеренные значения концентрации С на двух уровнях в приземном слое и величину турбулентного потока тепла Sв, мощность площадного источника поступления дымового аэрозоля в приземный слой будем определять при г=г0 по формуле [3]:
1 4 йп
Sc = -^вУХв1 V £, (7)
где Sс - мощность площадного дымового аэрозоля, образовавшегося при горении торфяников.
Сделаем предположение, что процесс горения (пиролиза) торфа является стационарным и непрерывным во времени, то есть мощность стационарного площадного источника дымового аэрозоля Sс постоянно вдоль координатных осей х и у. В этом случае мощность площадного источника Sс можно заменить совокупностью линейных источников расположенных на расстоянии Ах друг от друга вдоль оси х, как показано на рисунке 1.
л
Дх
Рис. 1. Схематическая модель источника дымового аэрозоля
Тогда граничное условие для уравнения (4) при х=0
С(0,г) = ScS(z - ), (8)
где Sc - мощность выброса дымового аэрозоля непрерывно действующего линейного источника в единицу времени, кг/(м :с); 20и - высота расположения источника на поверхности земли.
Неизвестные компоненты скорости ветра и(х), у(г), w(z) и коэффициента турбулентности входящих в уравнение турбулентной диффузии (4), определяются из системы гидродинамических уравнений ПСА в условиях горизонтальной неоднородности [4], в которой замыкание уравнений осуществлено с помощью баланса кинетической энергии турбулентности и соотношений Колмогорова. Данная модель ПСА при решении многих прикладных задач позволяет учитывать неоднородность температурных, влажностных и динамических характеристик подстилающей поверхности.
На основе выше приведенных соотношений был разработан алгоритм решения задачи и проведены численные эксперименты по выявлению влияния концентрации дымового аэрозоля, его микрофизических, оптических характеристик и влажности воздуха на дальность видимости в приземном слое атмосферы. Основные полученные результаты сводятся к следующему:
а) выявлено существенное влияние модального радиуса частиц дымового аэрозоля на коэффициент ослабления.
С ростом модального радиуса частиц в два раза при неизменной массовой концентрации дымового аэрозоля дальность видимости увеличивается примерно в два раза. Этот факт объясняется уменьшением счетной концентрации частиц, а, следовательно, и геометрического сечения частиц, что приводит к уменьшению коэффициента ослабления света;
б) учет вертикальных градиентов температуры и влажности воздуха в уравнении баланса турбулентной энергии приводит к значительному изменению пространственной концентрации дымового аэрозоля.
При учете только вертикальных градиентов температуры воздуха характерны более высокие значения концентрации дымов в нижней части ПСА. Напротив, при учете только вертикальных градиентов влажности, значения концентрации дымов в нижнем слое ПСА уменьшаются (примерно вдвое) по сравнению с условием, когда учитывается только градиенты температуры.
В случае, когда одновременно учитываются вертикальные градиенты температуры и влажности воздуха концентрация дымов в ПСА уменьшается, но в
целом, она выше по сравнению с условием, когда градиенты температуры и влажности воздуха не учитываются. Этот факт объясняется изменением энергии и коэффициента турбулентности с высотой в зависимости от величины градиентов температуры и влажности воздуха в приземном слое атмосферы;
в) выявлено значительное влияние относительной влажности воздуха на коэффициент ослабления.
С увеличением относительной влажности от 40 до 80 % дальность видимости уменьшается примерно на 10-40 %. Это связано с обводнением аэрозольных частиц и изменения их оптических констант, то есть с изменением П и х , при этом коэффициент ослабления увеличивается также на 10-40 %.
Таким образом, численные эксперименты, проведенные с использованием ПЭВМ, показали, что предложенная модель дальности видимости в условиях задымления пограничного слоя атмосферы продуктами горения (пиролиза) торфяников имеет большие возможности. Если в качестве входных параметров модели ПСА использовать вертикальные профили составляющих скорости ветра, коэффициента турбулентности, температуры и влажности воздуха, то на выходе можно получать прогностические значения пространственной концентрации дымов и метеорологической дальности видимости.
Библиографический список
1. Горчаков Г. И. и др. Исследование состава задымленной атмосферы Москвы во время пожаров торфяников летом-осенью 2002 года. — М.: Наука, Изв. ака. наук. Физика атмосферы и океана. Т. 40, № 3, 2004. — С. 366 — 380.
2. Зуев В. Е., Креков Г. М. Оптические модели атмосферы. — Л.: Гидро-метиздат, 1986. — 620 с.
3. Вульфсон А. Н., Володин И. А., Бородин О. О. Локальная теория подобия и универсальные профили турбулентных характеристик конвективного пограничного слоя. — Л.: Гидрология и метеорология, № 10, 2004. — С. 5 — 14.
4. Вагер Б. Н., Надежина Е. Д. Пограничный слой атмосферы в условиях горизонтальной неоднородности. — Л.: Гидрометеоиздат, 1979. — 135 с.
Разработка программно-аппаратного комплекса для исследования местных потерь в противопожарных водопроводах
Бубнов В. Б., Васильев Ф. С.,
Ивановский институт ГПС МЧС России, г. Иваново
При движении огнетушащей среды по трубопроводным линиям систем противопожарного водоснабжения возникают потери напора, обусловленные сопротивлением трения и местными сопротивлениями [1].
При проектировании систем противопожарного водоснабжения важным вопросом является рациональная организация участков местных сопротивлений.
Важность этого вопроса обусловлена поиском путей минимизации потерь напора и экономии энергозатрат при транспортировке жидкостей через систему.
Целью работы является создание программно-аппаратного комплекса, имитирующего движение жидкости в системах противопожарного водоснабжения, и проведение исследований по оптимальной организации участков противопожарных водопроводов, на которых возникают местные потери.
Разработана математическая модель процесса движения жидкости по трубопроводам различной конфигурации в лабораторной установке. Математическая модель положена в основу создания программно-аппаратного комплекса, включающего схему установки с обозначениями, блоки ввода исходных данных и вывода результатов моделирования. Приводятся диапазоны, в пределах которых можно варьировать величины регулируемых параметров.
Блоки ввода позволяют изменять ряд параметров: свойства жидкости, диаметры трубопроводов, тип местного сопротивления, максимальный расход воды (для изменения режима движения жидкости). Блок вывода включает в себя две таблицы опытных данных: расход жидкости и показания дифференциального манометра на участке заданного вида местного сопротивления.
Лабораторная установка состоит из напорного бака, системы параллельно работающих трубопроводов, включающей различные виды местных сопротивлений: изменение направления потока жидкости (резкие повороты трубопровода под различными углами (колена без закругления) и плавные повороты (отводы) трубы; переходы с одного диаметра на другой в виде внезапных сужений и расширений и плавных в виде диффузора и конфузора; участки трубопровода с запорно-регулирующей арматурой и измерительными приборами.
Для измерения перепада давления служат и- образные стеклянные дифференциальные манометры. Каждый трубопровод для измерения расхода воды оборудован ротаметром. При различных расходах производятся замеры показаний соответствующих дифференциальных манометров. По их величине можно вычислить значения коэффициентов местных сопротивлений и судить о величине потерь напора на исследуемом местном сопротивлении.
Программно-аппаратный комплекс разработан с помощью МаШСоппех, который является самостоятельным приложением, включенным в систему MathCAD и выполняющим функции системного интегратора. Благодаря МаШСоппех возможно простое и наглядное установление сложных взаимосвязей между различными приложениями. Средство МаШСоппех весьма полезно, если необходимо блочное представление и описание сложной системы, работу которой необходимо имитировать [2].
Для подтверждения адекватности математических моделей проведен ряд экспериментальных исследований на лабораторной установке. Некоторые результаты представлены в таблице 1.
Как видно из таблицы 1, результаты расчетов хорошо согласуются с результатами проведенных экспериментов. Это позволяет использовать данную математическую модель для определения коэффициентов местных сопротивлений.
В таблице 2 представлены значения коэффициентов местных сопротивлений для различных участков трубопровода, полученные с использованием
программно-аппаратного комплекса, и значения, взятые из справочной литературы [3].
Таблица 1
Опытные и расчетные данные по определению гидравлических потерь
Вид сопротивления Расход жидкости, Показания дифференциального манометра, мм
трубопровода кг/с опытное значение расчет по модели
1. Поворот трубы 0,001 0 0,1
на 900 0,006 1 1,2
0,011 4 3,7
0,017 7 7,4
0,023 12 12,3
2. Внезапное 0,001 0 0,07
сужение 0,006 1 1,1
трубопровода 0,011 4 3,6
0,017 8 7,5
0,023 13 12,7
Таблица 2
Значения коэффициентов местных сопротивлений для различных участков трубопровода
Вид сопротивления трубопровода Значение коэффициента сопротивления Относит. погрешность, %
расчетное значение литерат. значение
1. Резкий поворот трубы на 90° (колено без закругления) 1,07 1,1 2,7
2. Плавный поворот (отвод) трубы на 900 0,235 0,24 2,1
3. Внезапное расширение трубопровода 0,305 0,31 1,6
4. Диффузор 0,267 0,27 1,1
5. Вентиль нормальный (при полном открытии) 20 мм) 7,9 8 1,25
Проведенные комплексные экспериментальные исследования на лабораторной установке и численные исследования с помощью программно-аппаратного комплекса позволили провести анализ и сделать некоторые выводы, которые будут полезны с точки зрения оптимального проектирования систем противопожарного водоснабжения и снижения величины потерь напора в трубопроводах при движении жидкости.
Установлено, что в диффузорах минимальные потери напора наблюдаются при угле расширения до 80. В случае диффузора с углом конусности более 500 потери напора значительны и переход с меньшего на больший диаметр целесообразнее организовывать в виде внезапного расширения. В конфузорах потери напора пренебрежимо малы и лишь при значениях угла конусности более 500 становятся заметны.
При повороте трубопровода на угол менее 150 гидравлическим сопротивлением можно пренебречь. Организация плавного поворота трубы способствует уменьшению вихреобразования в потоке, потери напора при этом значительно меньше, чем при повороте трубопровода в виде колена.
Разработанный программно-аппаратный комплекс будет весьма полезен для использования в учебном процессе при изучении дисциплин «Гидравлика», «Гидрогазодинамика» и «Противопожарное водоснабжение», при изучении методик определения коэффициентов гидравлических сопротивлений, а также при проведении научно-исследовательских работ.
Библиографический список
1. Абросимов Ю. Г. Гидравлика: Учебник. — М: Академия ГПС МЧС России, 2005. — 312 с.
2. Дьяконов В. П. Справочник по MathCAD PLUS 7.0 PRO. — М.: СК ПРЕСС, 1998- 352 с.
3. Идельчик И. Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям/ Под ред. М. О. Штейнберга. — М.: Машиностроение, 1992. — 672 с.
Методика определения пыленакопления в помещении
с обращением пожароопасных пылей
Буякевич А. Л., Вашкевич И. В., Колтунчик А. В.,
Гомельский инженерный институт МЧС Республики Беларусь, г. Гомель
Расчет категории по взрывопожарной и пожарной опасности производственных и складских помещений с обращением пыли является первоначальным этапом в обеспечении пожарной безопасности, т.к. на основании определенной категории принимается тот или иной комплекс мероприятий по противопожарной защите помещений. При определении категории по взрывопожарной опасности для расчета избыточного давления взрыва пыли одним из основных факторов является масса пыли участвующая во взрыве. В соответствии с [1] расчетная масса взвешенной в объеме помещения пыли т, кг, образовавшейся в результате аварийной ситуации, определяется по формуле:
ГП = Чз + Пав , (1)
где mвз - расчетная масса взвихрившейся пыли, кг; mав - расчетная масса пыли, поступившей в помещение в результате аварийной ситуации, кг.
Масса взвихрившейся в помещении пыли согласно [15] - это масса отложившейся в помещении пыли с учетом коэффициента взвихрения, который равен 0,9. Величину пыленакопления в помещении можно определить экспериментально (или по аналогии с действующими образцами производств) в период максимальной загрузки оборудования по формуле:
