11УДК 614.844.621.374
ХАРАКТЕРИСТИКИ ИМПУЛЬСНОГО ИСТЕЧЕНИЯ ЖИДКОСТИ ИЗ СТВОЛА УСТАНОВКИ ИМПУЛЬСНОГО ПОЖАРОТУШЕНИЯ
Дмитриченко A.C., к.т.н., доцент, Иваницкий А.Г.
В статье представлены математическая модель процесса истечения огне-тушащего вещества из ствола установки импульсного пожаротушения, определено оптимальное соотношение газ-жидкость в стволеу получены формулы для расчёта параметров процесса истечения. Определены границы режима импульсного и квазистационарного истечения из ствола установки импульсного пожаротушения.
Одним из важнейших условий успешного тушения пожаров является создание условий, позволяющих первому пожарному аварийно-спасательному подразделению прибыть к месту пожара в начальной стадии его развития. В этом случае для проведения спасательных работ, а также работ по ликвидации горения достаточно минимального количества сил и средств. В городах эта задача успешно решается с использованием автомобилей быстрого реагирования (АБР), на которых к месту пожара доставляются установки импульсного пожаротушения. Основные преимущества установок импульсного пожаротушения перед более производительными пожарными стволами:
- сокращение времени прибытия к месту пожара (по статистическим данным среднее время прибытия АБР с боевым расчетом к месту вызова по республике составляет около 7 минут [1]) и, как следствие, более раннее введение ствола на тушение пожара;
- повышение "культуры" тушения вследствие уменьшения ущерба от излишне пролитой воды.
В настоящее время подразделениями МЧС применяются установки импульсного пожаротушения УИП-1и РУПТ "Игла-1-0,4",
В настоящий момент подразделениями МЧС наиболее широко используется установка импульсного пожаротушения УИП-1, выпускаемая РУПП "Витязь" (в подразделениях МЧС на вооружении находится более 70 установок). Данная установка позволяет получать в импульсном режиме тонкораспылённую воду с диаметром капель 100-200 мкм и предназначена для тушения пожаров класса А и В, осаждения паров сильнодействующих ядовитых веществ и снижения температуры в зоне горения [2,3].
Вместе с тем в отдельных отчетных материалах, представленных управлениями МЧС, имеются сведения о том, что при тушении установками УИП-1 наблюдается повторное загорание после ликвидации пожара. В частности, установки УИП-1 не могут ликвидировать очаги пожаров клас-
са А и В площадью около 2 м2, что требует последующего дотушивания с помощью ручного пожарного ствола "Б".
Причиной неэффективности применения установок УИП-1 является отсутствие методических рекомендаций по их использованию. Разработка таких рекомендаций требует изучения процессов, протекающих в устройстве импульсной подачи, механизмов формирования и характеристик тонкораспылённых водяных струй при импульсной подаче.
В данной статье представлены математическая модель и расчёт параметров процесса истечения огнетушащего вещества с целью определения границ режима импульсного и квазистационарного истечения и параметров процесса истечения.
На рис. 1 представлена геометрическая модель ствола для импульсной подачи жидкости. Газ и жидкость находятся в цилиндрическом резервуаре (стволе) диаметром с1Р и занимают в начальный момент времени объемы (длиной 1г и 1ж), разделенные плоской границей. Далее жидкость вытесняется в цилиндрический насадок диаметром ён, при этом предполагается, что в процессе вытеснения жидкости граница раздела остается плоской, а ее положение определяется координатой ¿(0.
Рис.1. Геометрическая модель ствола для импульсной подачи жидкости.
При определении характеристик истечения условно принято, что граница раздела жидкость - воздух не подвержена неустойчивости Рэлея-Тэйлора и действию других факторов, разрушающих ее структуру.
Уравнение Бернулли, характеризующее поток вытесняемой жидкости в целом:
= + + (1)
Перепад давления, связанный с силой тяжести в (1) не учитывается, поскольку в устройствах импульсной подачи он мал по сравнению с перепадом давления газа Ар = р1 - рЕ составляющим десятки атмосфер.
Приняв модель политропного расширения газа в резервуаре, получим зависимость давления газа внутри резервуара от положения границы раздела фаз:
Р1=Ро1пг/(1г+ г )п
(2)
где п - показатель политропы.
Перепад давления, связанный с неустановившимся характером движения:
52я
Ри =а0Р-Т-
о Р
I. -2 +
ГУ / ^
^ ОН 1Н^Р
&ОР ]
С 2 \ ' ру Е
сИ
(3)
где аон аор -коэффициенты импульса в резервуаре и насадке
Рс=£'
рУ:
' С
8РУ
- потери давления на сопротивление.
(4)
где X ~ безразмерный коэффициент, с помощью которого можно
учесть влияние различных факторов.
После преобразования уравнение (1) примет вид:
Рп тл « ч с1\¥ г -
--^г-РЕ =Ь(1 + С-2)—
(1 + а 1 г ) аг
(5)
где
к &
а. =
к
г =
О < ъ < 1,
XV _ =
ру2Е
ОСр^н
5 4
с =
1 1
|(Р,-РЕ>12 =ЬСХУЕ|2=1 + (Ь + ^)|ШЕС12 , (6)
О о
Здесь слагаемым ЬсыЕ\ы для короткого насадка (с—>0) можно пренебречь, что позволяет получить выражение для среднего значения плотности кинетической энергии струи в виде:
XV,
> ' Ь + Ша+а.г)" Г I Ь+Ы а,(„-1> \ Ь+Е, вД.
Отсюда следует, что коэффициент & + ^ равен отношению кинетической энергии жидкости к работе А, совершенной газом. В частности, для идеальной жидкости, когда (Ь + £)-1 =1, работа расширения газа полностью идет на сообщение кинетической энергии жидкости.
Средняя кинетическая энергия \¥е сама по себе не является показателем эффективности устройства импульсной подачи жидкости. Как следует из (7),
максимальное значение достигается при а! —> 0 и равно \¥етах = ——
Ь + Ь
При заданном объеме жидкости в резервуаре условие —» 0 означает, что объем газа в начальный момент должен во много раз превышать объем жидкости. Таким образом, достижение максимума кинетической энергии всей жидкости при фиксированном ее объеме требует неограниченного увеличения габаритов резервуара. Поэтому в качестве критерия эффективности устройства следует выбрать отношение кинетической энергии ко всему объему резервуара:
ш =---- = —(8)
Из условия максимума — = 0 получим оптимальное значение от-ношения объема жидкости к объему газа:
1
п
1 Ь
Ро
Отсюда, в частности, для двухатомного газа при адиабатном расшире-
2 32 п |
нии (п = 1,4), следует а*1 =-!-, при — = — имеем: а*> = 1,23.
(1 + 0,4—) Ро 25 Ро
После введения новой независимой переменной х = (1 + с-г)а, где , уравнение (5) приводится к ещё более формализованному ви-
1 + а! (1 + с)
ду:
+ --р = 0, (10)
с1х 1 (1-х)" 1х=х°
х < х0 = х|2_о = а(1 + с) , х > хх = х\ = ас,
£ Ро
где т = —, р] -
1> (1 + а1(1 + с))п
Переменная х имеет ясный геометрический смысл в случае исчезающе малой длины насадка (1н —> 0), когда с —» 0. В этом случае а = ———и
^Г + 1ж
х = ——— - текущее значение длины столба жидкости в резервуаре, отне-
^Г + ^ ж
сенное к длине резервуара. Смысл щ и параметров в (10) предельно упрощаются для идеальной жидкости, когда распределение скоростей на границе раздела и в струе можно считать однородными (стержневое тече-
§2н
ние). В этом случае Ь = , £' = 0, £ = 1-Ь , плотность кинетиче-
^ р
ской энергии жидкости в резервуаре (вдали от выходного отверстия).
Путем непосредственной подстановки можно показать, что уравнению (10) и нулевому начальному условию удовлетворяет решение вида:
XV: =Хт
/Х°Г Р^У _ Гре^У
V ^Ут+1(1-у)п Ьт+1у
(П)
Уравнение (11) решалось при помощи прикладного пакета МаШСАБ. Для удобства сравнения плотность кинетической э
(1-ьс-г>
а1
[1 + а1-(1 + с)]_
(1+с)
[ 1+а1(1+с)]
(1-Ю-2)
а1
[ 1+а1(1+с)]
-(шИ) -п ре
у (1-у) с!у---
Р1
(1+С-2
а1
[1 + а1(1 + с)]
(1+с)
[1+а1(1+с>]
-(тИ) . У ¿У
(ЬкмО
а1
[1+а1-(1+с)]
(13)
1 1 и
где ш = — 1, Ь = Ь
Результаты решения для различных значений параметра т приведены на
1-т = 0,6 I = о,8891; 2-го = 1,6
5 - го = 7,6
— = 0,584
¿7 г,
—= 0,726
4-т = 3,6
— = 0,683
. 6 — го = 14,6
- = 0.503
. 7 - го = 99,6
^- = 0,316
Рис.2. Зависимость безразмерной плотности кинетической энергии струи в резервуаре от
Возрастающий участок на этих зависимостях описывает стадию ускорения жидкости, которая отсутствует в квазистационарном приближе-
нии (кривая №7 ш—>«>). При ш>15 расстояние, которое граница раздела проходит с ускорением, значительно меньше первоначальной длины столба жидкости 1ж. В этом случае стадия ускорения слабо влияет на интегральные характеристики истечения, и этот режим можно охарактеризовать как квазистационарный. При т<1,5 жидкость проходит большую половину пути с ускорением, и, следовательно, инерционное запаздывание в этом случае играет определяющую роль (импульсный режим).
Значение т ~ 2,5, при котором расстояние, которое граница раздела проходит с ускорением - 1ж/2, является характерным значением, разделяющим квазистационарный и импульсный режимы истечения жидкости. На стадии ускорения частицы, вылетающие из резервуара позже, догоняют частицы вылетевшие раньше. Поэтому на конечной стадии истечения в импульсном режиме скорости вылетевших частиц в результате столкновений должны усредняться и основная масса жидкости может образовать единый объем, движущийся с некоторой усредненной скоростью. В квазистационарном режиме, напротив, происходит дробление объема, поскольку основное время истечения занимает стадия замедленного движения границы, при котором частицы, вылетевшие позже, отстают от частиц, вылетевших раньше.
Скорости движения жидкости в стволе и на выходе из него соответственно:
(14)
2Р,\у
Р
2Р;уу Б'Р р 82н
(15)
Время истечения жидкости из резервуара:
(16)
Ускорение жидкости в резервуаре:
¿/V, _ _ р,а с1м>
сЬ ' сЦ (Л йх
Полный импульс струи:
Р = )РУесЦ =
Ао Л 2Р1
V Ръ J
2
(1В)
Время истечения жидкости из резервуара:
и
7
о
(19)
Средняя сила реакции струи:
Р _ 2р18н\¥2 _ 2p1Sнw 1
т
(20)
к\Т7 2
Ь\у
С помощью формул (13-20) можно рассчитать характеристики истечения жидкости при различных режимах работы (давлении воздуха в стволе, соотношении газ-жидкость) установки для определения наиболее эффективных параметров её работы (распределение капель по диаметрам, объём двухфазной струи, средний диаметр капель воды, дальность полёта струи).
ЛИТЕРАТУРА
1. Анализ боевых действий подразделений МЧС РБ за 1999-2004 годы.
2. Руководство по эксплуатации РУПТ "Игла-1-0,4".
3. Руководство по эксплуатации У ИП-1.
4. Ландау Л.Д., Лившиц Е.М. Гидродинамика. - М.: Наука, 1986.
5. Емцев Б.Т.
