Экспериментальное исследование динамики неустановившегося процесса горения жидкости в условиях функционирования системы вытяжной противодымной вентиляции Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

обеспечение выбора альтернатив в нечеткой динамической системе поддержки принятия метеозависимых решений при управлении войсками // Вестник ВАИУ. 2011. - № 3 (14). - С. 36-42.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИКИ НЕУСТАНОВИВШЕГОСЯ ПРОЦЕССА ГОРЕНИЯ ЖИДКОСТИ В УСЛОВИЯХ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ СИСТЕМЫ ВЫТЯЖНОЙ ПРОТИВОДЫМНОЙ ВЕНТИЛЯЦИИ

И.В. Ситников, ассистент Е.А. Сушко, заведующий кафедрой, к.т.н.

А.А. Однолько, профессор, к.т.н., доцент Воронежский государственный архитектурно-строительный

университет, г.Воронеж

В настоящее время при обеспечении пожарной безопасности объектов строительства посредством выбора объемно-планировочных и технических решений широко применяется математическое моделирование пожаров, используемое, в частности:

- при расчете критической продолжительности пожара аналитическим методом и оценке пожарных рисков в рамках гибкого объектно-ориентированного противопожарного нормирования [1, 2, 3, 4];

- при расчетах противодымной вентиляции [5-14].

Для определения критической продолжительности пожара применяют, в частности, интегральные модели пожара и их аналитические решения, которые получены с использованием ряда допущений и упрощений [7, 8]. Так, в частности, при моделировании динамики удельной массовой скорости выгорания жидкости, являющейся составной частью указанной модели пожара, не учитывается влияние функционирования системы вытяжной противодымной вентиляции, а именно - время включения и объемный расход [3, 4, 6].

Указанные проблемы рассматривались в работах, в частности [2, 7, 8]. Одно из наиболее широко применяемых в интегральных моделях пожара уравнение удельной массовой скорости выгорания жидкостей и твердых материалов предложено в работе Ю.А. Кошмарова [2]:

^0,23 {Оа + Ош)

ьо2 ■

где - удельная массовая скорость выгорания на открытом

л

воздухе, кг/м с; ^ - массовый расход воздуха, поступающего в помещение из окружающей среды через естественную вентиляцию, кг/с;

- массовый расход воздуха, поступающего в помещение из

окружающей среды через механическую вентиляцию, кг/с; -

Л

потребление кислорода при горении, кг/кг; ^ - площадь горения, м .

При этом функция режима пожара к, используемая (1),представлена эмпирическим уравнением:

в

K

x

{O2

0,23

( г

■ exp

2 ■

x

1-

(o2

0,23

(2)

где хт- среднеобъемная концентрация кислорода газовой среды.

Иной подход продемонстрирован в работе М. П. Башкирцева [7], где предложено гипотетическое уравнение описывающая динамику удельной

массовой скорости выгорания стабилизации горения: пРи Г<Т5ШЬ

жидкостей от времени, в частности,

Ws = Wstab ■

0,3 + 0,7 ■

' stab

при Т>Т:

stab

¥s =¥stab =

(3)

(4)

где - установившаяся удельная массовая скорость выгорания

жидкости, кг/м2 с; г - время пожара, с; тзШЪ - время стабилизации процесса горения, с.

Для применения уравнений (3-4) необходимо располагать значениями установившей удельной массовой скорости выгорания жидкости и временем стабилизации горения, которые зависят от множества неучтенных в рассматриваемых моделях факторов и могут быть получены экспериментальным путем для частных случаев, что соответствующим образом ограничивает область применения.

Регрессионное уравнение удельной массовой скорости выгорания жидкости для частного случая (помещения с геометрическими размерами 24х30х26,3 м, в котором сжигался метиловый спирт на площади 3,075

Л

м )получено в работе [8]:

^ = 0,047731 + 0,126764 • Гт^г! - 0,147801 •

1000

1000

(5)

Уравнение (5) не учитывает, в частности, физико-химические свойства горючей жидкости и площадь розлива.

На базе кафедры пожарной и промышленной безопасности Воронежского ГАСУ была разработана физическая модель производственного помещения размерами: длина - 1,1 м, ширина - 0,8 м, высота - 0,8 м, в качестве материала использовался стекломагниевый лист толщиной 0,01 м (рис. 1).

)

v

Рис. 1. Физическая модель производственного помещения

Экспериментальное исследование проводилось в центре коллективного пользования Воронежского ГАСУ.

В ходе подготовки эксперимента был разработан композиционный план Бокса-Уилсона 3-го порядка с дополнением в виде «звездных точек», который определил необходимость проведения 15 опытов по 10 повторений каждый. Так же на основе указанного плана проводилась первичная статистическая обработка результатов эксперимента.

В результате получена математическая модель, описывающая динамику удельной массовой скорости выгорания жидкости на примере этилового спирта, учитывающая время включения и объемный расход противодымной вентиляции:

^ =(19,1 + 5,6■ кх -0,37■ к2 + 0,48■ к3 +1,8■ кх ■ к3 -3,9■ к4)-10-3 (6)

, 39 ■ к ■•■ 3 3,9 к4,

где к =--110 к = - 60 к = Кх- 0,02355 к = - 073

где к--8^", = , к3 = 0,00785 , к4 = , 80 0,73.

V

Для сравнения результатов эксперимента и результатов имитационного моделирования на основе полученного регрессионного уравнения(б) был разработан программный код в среде Ма1ЪаЬ, реализующий указанное уравнение. Результаты сравнения представлены на рисунке 2.

Как видим, результаты имитационного моделирования удельной массовой скорости выгорания на основе полученного регрессионного уравнения (6) приближенно совпали со средним арифметическим значение экспериментальных данных.

Полученная математическая модель (регрессионное уравнение) (6), в отличие от уже рассмотренных выше (1-5), позволяет учесть влияние функционирование системы вытяжной противодымной вентиляции на

динамику неустановившейся удельной массовой скорости выгорания жидкости.

0,026

л " и Г|

о J

О

f м 0,021

" Р § «

и 8

S EJ 0,016

0 -

S г^ « В

1 1 0,011

S £ ¡? з

г' m

0,006

Время, с

Рис. 2. Изменение удельной массовой скорости выгорания жидкости во времени:

------- экспериментальные данные, - среднее арифметическое

экспериментальных данных, - результаты расчета модели (6)

Таким образом, на основе проведенного анализа и имитационного моделирования выявлены проблемы моделирования динамики удельной массовой скорости выгорания жидкости в частности, в условиях функционирования противодымной вентиляции. Выполнено экспериментальное исследование динамики удельной массовой скорости выгорания этилового спирта при различных значениях времени включения и объемного расхода системы противодымной вентиляции. Разработана математическая модель динамики удельной массовой скорости выгорания жидкости на примере этилового спирта, отличие которой заключается в учете времени включения и объемного расхода противодымной вентиляции.

Список использованной литературы

1. Технический регламент о требованиях пожарной безопасности. Федеральный закон от 22 июля 2008 г. № 123-Ф3. - М.: НЦ ЭНАС, 2008. -64 с.

2. Кошмаров Ю.А. Прогнозирование опасных факторов пожара в помещении: учебное пособие. - М.: Академия ГПС МВД России, 2000. -118 с.

3. Ситников И.В. Интегральная модель динамики пожара при неустановившемся режиме горения толуола / И.В. Ситников, П.А. Головинский, А.А. Однолько // Пожаровзрывобезопасность. - 2014. -№ 2 (23). - С. 34-42.

4. Однолько А.А. Определение величины пожарного риска в производственном помещении с выделением горючих жидкостей и газов / А.А. Однолько, И.В. Ситников // Научный вестник ВГАСУ. Строительство и архитектура. 2011. - №3. - С. 125-133.

5. Ситников И.В. Имитационное моделирование площади пожара с применением метода Монте-Карло в рамках интегральной математической модели пожара / И.В. Ситников, О.Г. Кривопуст, А.А. Однолько, С.В. Артыщенко // Инженерные системы и сооружения: Воронежский ГАСУ. 2012. - № 4(9) - С. 75-82.

6. Однолько А.А. Теория горения и взрыва. Возникновение и распространение горения. Оценка пожаровзрывоопасности: Курс лекций / А.А. Однолько, С.А. Колодяжный, Н.А. Старцева. Воронеж. гос. арх.-строит. ун-т. - 2-е изд., перераб. и доп. - Воронеж, 2011. - 137 с.

7. Кошмаров Ю.А., Башкирцев М.П. Термодинамика и теплопередача в пожарном деле. М.: ВИПТШ МВД СССР, 1987. - 443 с.

8. Yaman T., Tanaka T. Smoke control in a large scale spaces / Fire Science and Technology, 19885. v. S. № 1. - P. 41-54.

9. Мелькумов В.Н., Математическое моделирование воздушных потоков в помещениях больших объемов / В.Н. Мелькумов, А.В. Лобода, С.В. Чуйкин // Научный вестник Воронежского ГАСУ. Строительство и архитектура. - 2014. - № 2 (34). - С. 11-18.

10. Мелькумов В.Н. Организация воздухораспределения крытых многофункциональных ледовых арен / В.Н. Мелькумов, С.В. Чуйкин // Научный вестник Воронежского ГАСУ. Строительство и архитектура. -2012. - № 3. - С. 28-36.

11. Жидко Е.А. Проблемы организации управления экологической безопасностью на промышленном предприятии. Безопасность труда в промышленности. 2010. - № 8. - С. 38-42.

12. Жидко Е.А. Информационная безопасность: концепция, принципы, методология исследования/ Е.А. Жидко, Л.Г. Попова // монография, Воронеж, 2013.

13. Сазонова С.А. Результаты вычислительного эксперимента по апробации математической модели анализа потокораспределения для систем теплоснабжения / Вестник Воронежского института высоких технологий. 2010. - № 6. - С. 99-104.

14. Сазонова С.А. Решение задачи статистического оценивания систем теплоснабжения / Вестник ВГТУ. 2011. - № 5 (7). - С. 43-46.