6УДК 614.844.2:: 303.833.72::53.082.2
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ИСТЕЧЕНИЯ ЖИДКОСТИ ИЗ СТВОЛА УСТАНОВКИ ИМПУЛЬСНОГО ПОЖАРОТУШЕНИЯ
В статье проанализировано влияние диаметра выходного отверстия на режимы истечения жидкости из ствола СП-И УИП-1. Приведены результаты проведенных экспериментальных исследований режимов истечения и выполнен их анализ. Подтверждены теоретические предположения о «поршневом» режиме вытеснения жидкости из ствола, влиянии диаметра выходного отверстия на режимы истечения жидкости из ствола и работоспособность разработанной математической модели.
Вода на настоящий момент является самым распространенным огнетушащим средством. Известно, что до 90 % всех пожаров ликвидируется именно водой, и это наиболее простой, экологически чистый и дешевый способ [1,2]. В настоящее время все большее применение находит метод тушения огня тонкораспыленными водяными струями [2], для получения которых используются стационарные, мобильные, переносные системы и установки, работающие в непрерывном или импульсном режиме подачи воды.
По статистическим данным за 1999—2006 гг., более 80 % всех пожаров в Республике Беларусь произошло в жилых зданиях (рисунок 1), причем половина из них в городах.
о
В среднем по стране площадь одного пожара не превышает 25 м (на городские жилые дома приходится около 70 % таких пожаров) [3]. Ежегодно в Республике Беларусь на пожарах гибнет более 1100 человек (в том числе более 50 детей) и получают травмы более 400 человек (в том числе более 30 детей) [4]. Значительные материальные и людские потери при данных пожарах во многом связаны с недостаточной оперативностью применения традиционных средств пожаротушения. Для повышения оперативности применения огнетушащих средств в настоящее время широко используются переносные установки пожаротушения (рисунок 2). За рубежом данные установки широко представлены разработками фирмы «ШЕХ», в нашей стране — установками импульсного пожаротушения УИП-1 и ранцевыми установками пожаротушения РУПТ-1-0,4 «Игла».
Для оптимизации гидродинамических и конструкционных параметров установок УИП-1 разработана математическая модель, базирующаяся на уравнении Бернулли для нестационарного движения жидкости, и выведена зависимость кинетической энергии струи в стволе от положения границы раздела жидкость — газ внутри ствола [5]:
где х — переменная, зависящая от произведения координаты границы раздела сред и соотношения длины газового и водяного столба в стволе в начальный момент времени; т — величина, зависящая от отношения внутреннего диаметра водяной камеры ствола к
диаметру отверстия истечения; п — показатель политропы вытесняющего жидкость газа;
Р\ — давление, зависящее от начального давления и вида газа в воздушной камере ствола, внутреннего диаметра водяной камеры ствола, диаметра отверстия истечения и соотношения длины газового и водяного столба в стволе в начальный момент времени; Ре — давление среды, в которую происходит истечение жидкости.
Дмитриченко А.С., к.т.н., доцент, Иваницкий АХ.
(1)
2002 2003 2004 2005 2006
год
Общее количество пожаров Количество пожаров в жилом секторе
Рисунок 1 — Динамика изменения количества пожаров в Республике Беларусь
Результаты решения для различных значений параметра т при прочих равных условиях приведены на рисунке 3,
Через переменную и Р\ можно перейти к скорости истечения на срезе ствола:
где р — плотность вытесняемой жидкости;
, с1н — соответственно диаметр водяной камеры и отверстия истечения.
12,00 10,00 8 РО
Рисунок 2 — Процентное отношение количества пожаров, потушенных
с применением УИП-1
Динамика изменения количества пожаров в Республике Беларусь
ло
2002 2003 2004
- от общего количества пожаров
2005 2006
- от пожаров в жилом секторе
2
1-1 £«=0,889 ;2~ ^- = 0,786
. 3-\йн
- = 0,726
.4-\йн _
0,683
. 5-
= 0,584
• 6 | — 0 503
. 7-
V ^р
= 0,316
Рисунок 3 — Зависимость кинетической энергии струи в резервуаре
от координаты г
При разработке математической модели использовались следующие допущения: перепад давления, связанный с силой тяжести при возможном отклонении продольной оси ствола от горизонтали, не учитывался, процесс расширения газа в воздушной камере политропный, длина насадка, через который происходит истечение, стремится к нулю, вода обладает свойствами идеальной жидкости (распределение скоростей на границе раздела и в струе однородно), граница раздела в течение всего процесса истечения остается плоской («поршневое» вытеснение).
В отличие от разработанной модели при проектировании установки УИП-1 [6] и систем защиты самолетов установками импульсного пожаротушения в США [7] процесс истечения жидкости из ствола рассматривался без учета инерционного запаздывания жидкости.
Для экспериментального подтверждения модели были изготовлены шайбы с калиброванными отверстиями (рисунок 4) диаметром 19,1; 20,2; 24,0; 30,0; 32,2; 33,3; 34,0; 34,7; 35,5; 36,4; 37,4; 38,5; 39,9; 41,6; 43,7; 46,5; 50,4; 56,9; 62,5 мм, что соответствует параметру к [5], равному соответственно 125; 100; 50; 20; 15; 13; 12; 11; 10; 9; 8; 7; 6; 5; 4; 3; 2; 1; 0,5. Наибольшее значение в ряду диаметров выбиралось из условия равенства диаметра отверстия истечения внутреннему диаметру водяной камеры, а минимальное — из соблюдения условий безопасности оператора. Шайбы выполнялись толщиной, равной толщине распылителя, внутренняя поверхность полировалась с целью уменьшения трения.
а и
Щ
Шайбы устанавливались вместо резинового распылителя на срезе ствола СП-И УИП-1 и закрывались быстроразрушаемой мембраной. При такой установке распыливание жидкости происходит за счет разности скорости истечения и плотностей жидкости и воздуха (среды, в которую происходит истечение) [8, 9], и характеристики распыла зависят от величины и характера изменения давления истечения во времени. В этом случае по форме и длине струи можно судить о том, зависит ли режим истечения жидкости от диаметра отверстия истечения.
С целью уменьшения влияния внешних факторов на характеристики формы распыла, выстрелы производились в закрытом помещении.
Обработка записей выстрелов из установки УИП-1 показала, что при диаметре отверстия истечения, равном внутреннему диаметру водяной камеры ствола, распыленная струя имеет наименьшую длину и наибольшее поперечное сечение. При уменьшении диаметра происходит формирование компактной части струи (рисунок 5, б-г). При этом площадь поперечного сечения струи уменьшается, а дальность ее подачи увеличивается. Принимая во внимание то, что основным фактором, влияющим на гидравлическое распыливание жидкости в данном случае, является скоростной напор, можно сделать вывод о том, что с уменьшением диаметра отверстия истечения в стволе СП-И УИП-1 изменяется режим истечения.
\
XV
\
ш
пировать
Рисунок 4 — Шайба с калиброванным отверстием
а — с1н= 56,9 мм; б — ¿/# = 46,5 мм; в — с!н= 32,2 мм; г — ¿/# = 19,1 мм
Рисунок 5 — Форма струи жидкости, истекающей из ствола СП-И УИП-1 при различных диаметрах отверстия истечения й#
Следует отметить, что в разработанной модели получена зависимость скорости истечения от положения границы раздела сред жидкость — газ = /(г). Так как аппаратно можно контролировать зависимость скорости (давления) от времени, для сопоставления теоретических расчетов с экспериментальными данными была получена зависимость уе = /(%). Для этого график V, = /(I) разбивался на элементарные участки (к и определялись скорости у1 для начала и конца участка ск. Приняв, что в пределах элементарного участка ¿/г скорость у. стремится к постоянной величине, средняя скорость на участке (¡1 вычислялась как полусумма конечных значений. Выполнив данную операцию по всей длине графика и объединив полученные участки ¿/у. = /(Ж), получим зависимость V. = /(г). Из уравнения неразрывно-
¿/у *
сти имеем - /(Л) = —Ьг^"- Результаты расчета для /ж = 0,348 м, для ¿/г = 0,0001 приведя
дены в таблице 1, пример пересчета приведен на рисунке 6.
Таблица 1 — Зависимость времени истечения от диаметра отверстия истечения с1н
к йн, ММ Время истечения, с
0,5 62,5 0,010023242
1 56,9 0,010851420
2 50,4 0,012531485
3 46,5 0,014116497
4 43,7 0,015583159
5 41,6 0,016943625
6 39,9 0,018213778
7 38,5 0,019407589
15 32,2 0,027190025
20 30 0,031097652
50 24 0,048324130
100 20,2 0,067836610
125 19Д 0,075247951
Для изучения параметров быстропротекающих процессов наибольшее распространение нашли пьезоэлектрические датчики [10]. Для экспериментальных исследований использовался пьезоэлектрический преобразователь (рисунок 7), который крепился к стволу с помощью специального приспособления (рисунок 8).
Как правило, калибровка пьезопреобразователей производится с помощью баллистического маятника [10] или с использованием воздушных камер избыточного давления [11].
Скорость, м/с
1«
О V! X О Я ОЧ
О о
н
к 53
г
-I и-I,: т
X ¡Г
-1
Х5
-е-
5 Я
2
X л> г з аз о Я о 43 о
о
'
X
»
я
сг *
о £а гъ п Н 03
о м
0 Я
1
я
^
я я
йч
о,
•м
'•о
I
3
'о
Чд
0.000
0,002
0.004
СП тз
Я)
0,006
0.008 -
0,010 -
0,012 -
Скорость, м/с
¿001 '(9) ¿ом 'яэАбеиэц пхпидЛиээ^ 0ЬУ4 ешАшпшонп огонбенежнп-онднемоу! >/пншээд
Рисунок 7 — Пьезоэлектрический преобразователь давления
Использование указанных способов калибровки в данном случае нецелесообразно ввиду их относительно большой погрешности и небольших разностей между максимальными давлениями в процессе истечения жидкости из ствола СП-И УИП-1 при разных диаметрах отверстия истечения. В связи с тем, что качественно интерпретировать регистрируемое с помощью имеющегося пьезоэлектрического преобразователя напряжение представляется затруднительным, в качестве измеряемого параметра выбрано время истечения жидкости из ствола.
Рисунок 8 — Устройство крепления пьезоэлектрического преобразователя
давления к стволу СП-И
Для регистрации сигнала от пьезоэлектрического преобразователя использовался цифровой запоминающий осциллограф С8-40. Принципиальная схема испытательного стенда приведена на рисунке 9.
1 — ствол СП-И УИП-1; 2 — устройство крепления пьезоэлектрического преобразователя давления; 3 — линия связи; 4 — цифровой запоминающий осциллограф С 8-40; 5 — рама для крепления ствола; 6 — анкерные
болты для неподвижного крепления рамы
Рисунок 9 — Принципиальная схема испытательного стенда ствола СП-И УИП-1
Рисунок 10 — Пример сводной осциллограммы изменения давления при выстреле из ствола
СП-И УИП-1 (</я = 41,6 мм)
Экспериментальное определение контролируемых параметров производилось при следующих настройках осциллографа: масштаб по времени — 5,0 мс/деление; масштаб по напряжению — 5,0 В/деление; синхронизация — 0 В; частота дискретизации — 20 000 выборок/с; длина окна записи — 0,819 с.
Для каждой шайбы с калиброванным отверстием проводилась серия испытаний из 5 выстрелов. Осциллограммы обрабатывались посредством программного обеспечения, входящего в комплект поставки цифрового запоминающего осциллографа, и сводились на одну координатную сетку (рисунок 10).
Как видно, на осциллограмме присутствует два всплеска давления: первый — изменение давления в момент начала истечения жидкости из ствола, второй — изменение давления в конце истечения жидкости при ударе воздушной струи, что подтверждает принятое допущение о «поршневом» вытеснении жидкости.
При обработке результатов за время истечения принималось время от момента начала роста давления до начала устойчивых (отличных от шумового фона) колебаний второго всплеска. Результаты испытаний приведены в таблице 2.
Таблица 2 — Зависимость времени истечения и максимального давления при различных диаметрах отверстия истечения ¿/#
к. dH Время истечения, с
теория опыт
0,5 62,5 0,010023242 0,010
1 56,9 0,010851420 0,011
2 50,4 0,012531485 0,012
3 46,5 0,014116497 0,013
4 43,7 0,015583159 0,014
5 41,6 0,016943625 0,017
6 39,9 - 0,018213778 0,017
7 38,5 0,019407589 0,018
15 32,2 0,027190025 0,026
20 30 0,031097652 0,030
50 24 0,048324130 0,046
100 20,2 0,067836610 0,063
125 19,1 0,075247951 0,072
В результате проведенных экспериментальных исследований установлено, что в установках импульсного пожаротушения с применением в качестве рабочего тела сжатых газов, хранящихся в баллоне, диаметр выходного отверстия существенным образом влияет на режим истечения жидкости и, как следствие этого, на характеристики распыла и огнетушащую эффективность подаваемых водяных струй. Параметры истечения жидкости из ствола, определенные с помощью разработанной математической модели [5], отличаются по модулю от определенных в ходе проведения экспериментальных исследований не более чем на 10 %.
ЛИТЕРАТУРА
1. Корольченко, А.Я. Технология импульсного водяного пожаротушения IFEX 3000 / А.Я. Ко-рольченко // Пожаровзрывобезопасность. — 2001. — № 2. — С. 3—5.
2. Дауэнгауэр, С.А. Пожаротушение тонкораспыленной водой: механизмы, особенности, перспективы / С.А. Дауэнгауэр // Пожаровзрывобезопасность. — 2004. — № 6. — С. 78—81.
3. Анализ боевой работы подразделений МЧС за 2002—2006 годы.
4. Статистические сведения МЧС за 2002—2006 гг.
5. Иваницкий, А.Г. Математическая модель движения жидкости в стволе установки импульсного пожаротушения / А.Г. Иваницкий, A.C. Дмитриченко // Сб. науч. тр. / Акад. гражд. защиты Украины. — Харьков, 2005. — Вып. 18: Проблемы пожарной безопасности. — С. 38—44.
6. Разработать теорию, устройство и технологию импульсной подачи воды в зону горения: отчет о НИР (заключ.) / РНПЦ ПБ ГУВПС МВД Респ. Беларусь; рук. темы H.A. Тычина. — Минск, 1997. — 316 с. — № TP 1997760.
7. Grosshandler, W.L. Evaluation of Alternative In-Flight Fire Suppressants for Full-Scale Testing in Simulated Aircraft Engine Nacelles and Dry Bays. Section 3 NIST SP 861/ W.L. Grosshandler, R.G. Gann, W.M. Pitts; Editor(s) National Institute of Standards and Technology, W.L. Grosshandler. — MD., 1994.—P. 37—343.
8. Пажи, Д.Г. Распылители жидкостей / Д.Г. Пажи, B.C. Галустов. — М.: Химия, 1979. — 216 с.
9. Справочник по распыливающим, оросительным и каплеулавливающим устройствам / Чохоне-лидзе А.Н. [и др.]. — М.: Энергоатомиздат, 2002. — 608 с.
10. Воронель, Е.С. Измерение импульсного давления на мишенях при образовании светоэро-зионного факела / Е.С. Воронель [и др.] // Сибирский физико-технический журнал. — 1991. — № 2 — С. 75—79.
11. Разработать методику и испытательную установку по определению избыточного давления вскрытия заполнений проемов вертикальных строительных конструкций: отчет о НИР (заключ.) / НИИ ПБиЧС МЧС Беларуси; рук. темы А. М. Усов. — Минск, 2007. — 86 с. — № ГР 200667.
Поступила в редакцию 22 мая 2007 г.
