CC BY
40
УДК 614.841
ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОТЫ СИСТЕМЫ СТРУЙНОЙ ВЕНТИЛЯЦИИ ЗАКРЫТОЙ АВТОСТОЯНКИ
Применение струйных вентиляторов для целей общеобменной и противодымной вентиляции является альтернативным решением системам вентиляции и дымоудаления с использованием воздуховодов. В России отсутствуют не только нормативная база, но и какие-либо исследования по данному направлению. Для изучения работы системы струйной вентиляции с целью ее использования для противодымной защиты подземных автостоянок были проведены численные эксперименты.
Постановка проблемы исследования
Парк легковых автомобилей в настоящее время в нашей стране интенсивно растет. Как следствие, при проектировании многофункциональных зданий и комплексов жилого и общественного назначения в крупных городах предусматривается наличие закрытых подземных стоянок для хранения автомобилей.
Нормативные документы, действующие в Российской Федерации, требуют устройство систем дымоудаления при пожаре из объема автостоянки. Система дымоудаления из автостоянки закрытого типа при пожаре должна обеспечивать в нижней ее части незадымленную зону, достаточную для безопасной эвакуации людей и работы пожарных. Зона действия воздухо- и дымоприемных отверстий в воздуховодах ограничена, согласно [1] для дымо-приемного отверстия она не должна превышать 1000 м2. Это ограничение заставляет предусматривать в проектах систем вентиляции и дымоудаления развитую в пределах этажа автостоянки сеть воздуховодов большого сечения и, таким образом, увеличивать высоту помещений автостоянки, что приводит к удорожанию строительства. Факторами, вызывающими удорожание работ, являются мероприятия, обеспечивающие нераспространение пожара и продуктов горения из объема автостоянки в другие помещения по системам воздуховодов общеобменной и противодымной вентиляции (установка огнезадерживающих клапанов и обеспечение нормативных пределов огнестойкости). Одним из возможных выходов из сложившейся ситуации является использование струйных вентиляторов.
Сегодня в России применение струйных вентиляторов сдерживается рядом причин методологического и нормативного характера. К причинам нормативного характера следует отнести принятые в нашей стране методы обеспечения незадымляе-мости помещений. Для противодымной защиты автостоянок принят метод, при котором система ды-моудаления должна обеспечить незадымленную зону заданной высоты в нижней части помещения. При работе системы дымоудаления с использованием струйных вентиляторов обеспечивается неза-дымленная зона вне треугольника, в вершине острого угла которого расположен горящий автомобиль. Вторая причина связана с сертификацией оборудования, применяемого в системах противо-дымной защиты. В соответствии с принятыми в Российской Федерации методами сертификационных испытаний вентиляторов, используемых в системах дымоудаления, критерием их пригодности является сохранение работоспособности в условиях воздействия высоких температур (400 или 600°С) в течение заданного промежутка времени. Для струйных вентиляторов этот критерий не является актуальным, поскольку выход из строя в результате огневого воздействия одного или нескольких вентиляторов не приводит к невозможности исполнения системой своих функций. В Российской Федерации в качестве расчетного сценария пожара в автостоянке принимается горение одного автомобиля. Вероятность того, что струйный вентилятор окажется непосредственно над горящим автомобилем, не очень высока.
В России отсутствует не только нормативная база, но и какие-либо исследования по данному на-
правлению. Для изучения работы системы струйной вентиляции с целью ее использования для про-тиводымной защиты автостоянок были проведены численные эксперименты.
Проведение численного моделирования
Постановка и условия однозначности задачи
В ходе исследований были осуществлены два численных эксперимента. При моделировании первого проводился расчет скоростных, температурных и концентрационных полей в зоне действия струйного вентилятора в сравнении с системой дымоудаления с воздуховодами. Во втором эксперименте были рассчитаны скоростные и температурные поля в помещении закрытой автостоянки.
Математическая модель рассматриваемой задачи включает в себя балансовые уравнения энергии, движения и массы отдельных компонентов продуктов горения в форме Навье - Стокса. Для реализации математических моделей на ЭВМ был использован программный комплекс SOFIE [2], специально разработанный для моделирования пожаров международным консорциумом научных и исследовательских организаций. Реализация процессов турбулентного переноса осуществлялась с помощью &-е-модели турбулентности, учитывающей эффекты плавучести, а для процессов горения применялась диффузионно-вихревая модель Магнус-сена - Хавьертагера [3,4]. Для оценки образования сажи и ее распространения в объеме помещения использована модель Теснера [5]. При определении
поправок давления и скоростей применена итерационная схема Патанкара и Сполдинга [6]. Все уравнения решались с помощью построчного ТДМА.
Рассмотрим каждый численный эксперимент в отдельности.
Результаты численного моделирования
При расчете скоростных, температурных и концентрационных полей в зоне действия струйного вентилятора использовалась трехмерная декартова система координат. Поля переменных определялись на совмещенной сетке. Площадь моделируемого помещения — 335 м2 Общее количество контрольных объемов составляло 30150 (67x15x30). Размеры струйного вентилятора принимались равными 2,0x0,4x0,4 м. Скорость потока воздуха, выходящего из выбросного патрубка струйного вентилятора, составляла 20 м/с (по данным компаний производителей). В модели предусматривалось наличие отверстий вытяжной и приточной шахт. Очаг горения представлял собой прямоугольную горелку размерами 1,0x2,0 м. В качестве горючего использовалась комплексная горючая нагрузка, приведенная для автомобиля (резина, бензин, ППУ, искожа, ПВХ и эмаль) [7]. Мощность тепловыделения была постоянной и равнялась 1477 кВт. Предполагалось, что в начальный момент времени расчетная область заполнена неподвижной газовой смесью (воздухом) с температурой 278,6 К. Расчеты проводились с временным шагом 0,1 с и сходимостью по разности масс до 1 • 10-3.
0 3,72 7,44 11,2 14,9 18,6 22,3 26,1 29,8
-1,03 0,313 1,65 3,00 4,34 5,68 7,02 8,36 9,71 11,0 12,4 13,7 15,1 16,4 17,8 19,1 20,4
33,5 X
u
а
-1,53 -0,405
8,60 9,72 10,8 12,0 13,1 14,2 15,3 16,5
u
Рис. 1. Расчетные поля скоростей на момент времени 60 с: а — в зоне действия струйного вентилятора; б — при системе с воздуховодами
На рис. 1 и 2 представлены расчетные скоростные поля (горизонтальной составляющей скорости) на моменты времени 60 и 300 с. На рис. 3 и 4 показаны расчетные температурные поля на моменты времени 60 и 300 с. На рис. 5 и 6 представлены расчетные поля массовых долей сажи на моменты времени 60 и 300 с.
По результатам вышеприведенных расчетов можно сделать вывод о том, что система дымоуда-
ления с использованием струйных вентиляторов обеспечивает более равномерное удаление продуктов горения (отсутствуют застойные зоны) по сравнению с системой дымоудаления с воздуховодами, а также частично защищает строительные конструкции от огневого воздействия. За счет воздушного потока в подпотолочной зоне максимальная температура на поверхности перекрытия в рассмотренном случае снизилась с 1080 до 475 К.
0 3,72 7,44 11,2 14,9 18,6 22,3 26,1 29,8 33,5 X
-0,998 0,340 1,68 3,02 4,35 5,69 7,03 8,37 9,71 11,0 12,4 13,7 15,1 16,4 17,7 19,1 20,4
u ^^Н
Y
3,00 2,25 1,50 0,75 0
0 3,35 6,70 10,1 13,4 16,8 20,1 23,4 26,8 30,2 33,5 X
-1,43 -0,313 0,806 1,93 3,04 4,16 5,28 6,40 7,52 8,64 9,76 10,9 12,0 13,1 14,2 15,4 16,5
u
Рис. 2. Расчетные поля скоростей на момент времени 300 с: а — в зоне действия струйного вентилятора; б — при системе с воздуховодами
0 3,72 7,44 11,2 14,9 18,6 22,3 26,1 29,8 33,5 X
279. 342. 406. 470. 534. 597. 611. 725. 789. 852. 916. 980. 1.04e+003 1.17e+003 1.30e+003
t
1.11e+003 1.23e+003
Y
3,00 2,25 1,50 0,75 0
0 3,35 6,70 10,1 13,4 16,8 20,1 23,4 26,8 30,2 33,5 X
279. 334. 389. 444. 499. 554. 609. 664. 719. 774. 829. 884. 939. 994. 1.05е+003 1.16е+003
' ■НИМ
1.10е+003
Рис. 3. Расчетные поля температур на момент времени 60 с: а — в зоне действия струйного вентилятора; б — при системе с воздуховодами
а
6
6
При расчете скоростных и температурных полей в помещении закрытой автостоянки использовалась трехмерная декартова система координат. Поля переменных определялись на совмещенной сетке. Площадь моделируемого помещения составляла 2817,5 м2, общее количество контрольных объемов— 284970 (161x15x118). Скорость потока воздуха, выходящего из выбросного патрубка струйного вентилятора, равнялась 20 м/с (по данным
компаний-производителей). В моделируемом помещении предусматривалось наличие девяти струйных вентиляторов, а также отверстий вытяжной и приточной шахт. Очаг горения представлял собой прямоугольную горелку размерами 1,86x3,0 м. В качестве горючего использовалась комплексная горючая нагрузка, приведенная для автомобиля (резина, бензин, ППУ, искожа ПВХ и эмаль) [7]. Мощность тепловыделения была постоянной и равня-
Рис. 4. Расчетные поля температур на момент времени 300 с: а — в зоне действия струйного вентилятора; б—при системе с воздуховодами
У
3,00 2,25 1,50 0,75 0
—= оооыеа ?
ЩЭЙ?.
. -
3,72 7,44 11,2 14,9 18,6 22,3 26,1 29,8
0 0.000611 0.00183 0.00305 0.00427 0.00550 0.00672 0.00794 0.00916
0.00122
0.00244
0.00366
0.00488
0.0061
0.00733
0.00855
33,5 X
воо/т 0.00977
У
3,00 2,25 1,50 0,75 0
0 3,35 6,70 10,1
9.49е-008 0.00109 0.00218
26,8 30,2
0.00763 0.00872
33,5 X
воо/т
Рис. 5. Расчетные поля массовых долей сажи на момент времени 60 с: а — в зоне действия струйного вентилятора; б — при системе с воздуховодами
а
0
6
лась 4068 кВт. Предполагалось, что в начальный момент времени расчетная область заполнена неподвижной газовой смесью (воздухом) с температурой 278,6 К. Расчеты проводились с временным шагом 0,1 с и сходимостью по разности масс до 1 • 10-3.
На рис. 7 представлены скоростные поля, а на рис. 8 — температурные поля для плоскости, от-
стоящей на 2 м от уровня пола помещения автостоянки.
Исходя из принципа работы системы струйной вентиляции, при установке струйных вентиляторов необходимо учитывать геометрические параметры помещения и влияние работы других систем. К геометрическим параметрам относятся линейные размеры помещения, его конфигурация, места разме-
У
3,00 2,25 1,50 0,75 0
0,00059223 0.000$ ¡96 2 лщр
0.00021672 п
3,72 7,44 11,2 14,9 18,6 22,3 26,1 29,8 33,5 X
0.00155 0.00229 0.00344 0.00458 0.00573 0.00688 0.00802 0.00917
воо/т
0.000573
0.00287
0.00401
0.00516
0.00630
0.00745
0.00860
2,25 1,50 0,75 0
0 3,35 6,70 10,1 13,4 16,8 20,1 23,4 26,8 30,2
0.000195 0.00137 0.00255 0.00372 0.00490 0.00607 0.00725 0.00842 0.00960
воо/т
Рис. 6. Расчетные поля массовых долей сажи на момент времени 300 с: а — в зоне действия струйного вентилятора; б — при системе с воздуховодами
0 8,75 17,5 26,3 35,0 0 8,75 17,5 26,3
17,9 8,94 0
0 8,75 17,5 26,3 35,0 0 8,75 17,5 26,3 г
Рис. 7. Расчетные поля скоростей в помещении закрытой автостоянки на момент времени: а — 60 с; б—300 с
Рис. 8. Расчетные температурные поля в помещении закрытой автостоянки на момент времени: а — 60 с; б — 300 с
а
0
0
6
щения воздухо- и дымоприемных отверстий вытяжных шахт, возможные препятствия для перемещения воздуха (балки, коммуникации и т.п.), размещение выходов из помещения автостоянки, через которые возможна эвакуация, во избежание динамического давления на двери этих выходов. Системой, которая может оказать влияние на работу системы струйной вентиляции, может быть система автоматического пожаротушения.
Заключение
1. На основе численного моделирования получены данные о распределении скоростных, температурных и концентрационных полей в зоне дейст-
вия струйного вентилятора в помещении закрытой автостоянки. Из результатов расчетов видно, что система дымоудаления с использованием таких вентиляторов обеспечивает достаточно равномерное и быстрое удаление вредностей по сравнению с традиционной системой дымоудаления с воздуховодами.
2. Применение струйной вентиляции позволяет частично защищать строительные конструкции (перекрытия) от огневого воздействия, так как в подпотолочной зоне создается воздушный поток.
3. Производительность вытяжных вентиляторов должна быть такой, чтобы обеспечить удаление подводимого струйными вентиляторами объема вредностей и предотвратить циркуляцию дыма.
ЛИТЕРАТУРА
1. СНиП 41-01-2003. Отопление, вентиляция и кондиционирование.
2. Welch S., Rubini P. SOFIE, Simulation of Fire in Enclosures: User Guide. — Cranfield University, 1996.
3. Hjertager В. H., Magnessen B. F. Computer simulation of flow, heat transfer and combustion in three-dimensional furnaces // Arch. combust. — 1982. — Vol. 2, № 1/2S. — P. 23-48.
4. Magnussen B. F., Hjertager B. H. On mathematical modelling of turbulent combustion with special emphasis on soot formation and combustion // 16th Symp. (Int.) Combust. — The Combustion Institute, Pittsburgh, PA, 1976. — P. 719-729.
5. Теснер П. А. Образование сажи при горении // Физика горения и взрыва. — 1979. — № 2. — С. 37-47.
6. Патанкар С. Численные методы решения задач теплообмена и динамика жидкостей. — М.: Энергоатомиздат, 1984. — С. 150.
7. Кошмаров Ю. А. Прогнозирование опасных факторов пожара в помещении: Учебное пособие. — М.: Академия ГПС МВД России, 2000. — С. 115.
Поступила в редакцию 16.01.07.
