Модель пожара в закрытом помещении на основе полного факторного эксперимента Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 614.84:614.0.06

МОДЕЛЬ ПОЖАРА В ЗАКРЫТОМ ПОМЕЩЕНИИ НА ОСНОВЕ ПОЛНОГО ФАКТОРНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА

Э. Н. Гулида, А. А. Ренкас

Необходимо получить на основе активного полного факторного эксперимента математическую модель пожара в закрытом помещении. Эта модель должна определять температуру в закрытом помещении на начальной стадии пожара на любом радиусе от очага пожара и любой высоте в зависимости от пожарной нагрузки, площади пожара и времени свободного горения.

Ключевые слова: математическая модель, пожар в закрытом помещении, показатели тепломассообмена, эксперимент.

Для создания метода прогнозирования основных показателей тепломассообмена в процессе возникновения пожара в закрытом помещении необходимо получить на основе активного полного факторного эксперимента математическую модель. Эта модель должна определять температуру в закрытом помещении на начальной стадии пожара на любом радиусе R от очага пожара и любой высоте Z в зависимости от пожарной нагрузки G, площади пожара SП и времени свободного горения тв. г..

Методика подобных экспериментальных исследований, проводившихся во Всероссийском научно-исследовательском институте пожарной охраны, и их результаты представлены в работе [1]. Рассматривалось помещение размерами 5,8*5,8 м и высотой 5,8 м. Площадь поверхности пола была равна 33,64 м2, объем помещения — 195,11 м3. Стены выполнены из красного кирпича на цементно-песочном растворе. Верхнее перекрытие выполнено в виде рамы из стальных швеллеров, облицованных сверху и снизу стальными листами. Пространство между листами заполнено минеральной ватой. Экспериментальное помещение имело 2 отверстия высотой 1,1 м. Также в помещении было дверное отверстие, которое при проведении эксперимента закрывалось металлическими дверями.

Исследование проводилось в две серии экспериментов. В первой серии в качестве пожарной нагрузки использовали древесину, во второй — органическое стекло.

Гулида Эдуард Николаевич, д-р техн. наук,

проф. кафедры фундаментальных дисциплин,

Львовский государственный университет безопасности

жизнедеятельности; Украина, г. Львов,

e-mail: ldubzh.lviv@mns.gov.ua

Ренкас Артур Андреевич, адъюнкт

Львовский государственный университет безопасности

жизнедеятельности; Украина, г. Львов,

e-mail: arthur.rencas@gmail.com

© Гулида Э. Н., Ренкас А. А., 2013

Горючий материал складывался на платформе весов, расположенных по центру помещения. Для разжигания горючего материала использовались таблетки сухого топлива.

Для определения температуры в помещении устраивались 107 хромель-алюмелевых термопар (ТХА), 62 из которых использовались для определения температуры на ограждающих конструкциях, 45 — в объеме помещения. Расположение ТХА приведено на рис. 1 и 2. Опыты проводились в летнее время года при температуре внешнего воздуха 17—20 0С и скорости ветра 1 м/с.

Для проведения полного факторного эксперимента использовалось помещение Научноисследовательской лаборатории пожарной безопасности Львовского государственного университета безопасности жизнедеятельности. Помещение, в котором проводились исследования, готовилось на основании рекомендаций ВНИИПО [1]. Размеры помещения: высота — 2,57 м, длина — 6,33 м, ширина — 3,9 м. Стены выполнены из красного кирпича на цементно-песочном растворе. Перекрытие железобетонное, покрытое известково-глиняным раствором.

Кроме этого, над очагом пожара перекрытие защищалось слоем минеральной ваты под стальным листом на площади 4 м2. В левом углу помещения размещалось прямоугольное отверстие размером 1000*1000 мм на высоте 1,57 м для выбросов нагретого воздуха. В помещении было дверное отверстие, которое при проведении эксперимента закрывалось металлическими дверьми. Горючий материал закладывался на высоте 10 см на специально подготовленном навесе. Перед началом опыта материал взвешивался на техновесах типа ТВ-1-150.

В помещении было размещено 28 термопар типа ТХА. Термопары № 1—18 и проводники, соединявшие их с регуляторами-преобразователями температур, изолировались минеральной ватой для защиты от нагревания. Схема размещения термопар показана на рис. 3. В трех горизонтальных и трех

вертикальных плоскостях находится по 9 ТХА, то есть на пересечении плоскостей по 3 ТХА.

Такое размещение термопар объясняется тем, что через 3 точки всегда можно провести кривую. Очаг пожара размещали в правом крайнем углу помещения, к которому на штативе

подводили ТХА № 1. Контакты термопар подсоединялись к четырем восьмиканальным регуляторным измерителям температур РТ- 0102, а из них непосредственно на ПЕОМ для регистрации значений температур.

б)

в)

Рис. 1. Размещение ТХА на поверхностях ограждающих конструкций на высоте:

а) 5,8 м; б) 4,4 м; в) 2,9 м; г) 1,4 м; д) 0,0 м

Рис. 2. Размещение ТХА в объеме помещения: 1 — оконные отверстия; 2 — весы

Исследование проводилось в четыре этапа с повторяемостью опытов 2 раза. Общее количество опытов уровня 25-2. Варьировались площадь горения, величина пожарной нагрузки и время проведения опытов. В качестве пожарной нагрузки использовали древесину (сосну), которая имела следующие показатели: Qmin = 13 800 1 03 Дж/кг; линейную скорость распространения пламени V'л = 0,022 м/с; удельную скорость выгорания уп = 0,0145 кг/(м2с). Древесина укладывалась равномерным слоем на

поверхности навеса. Принимали угловой пожар. Уровни изменения факторов приведены в табл.

Вход в помещение осуществлялся через дверное отверстие, которое от начала пожара и до его окончания было закрытым. Это давало возможность исследовать начальную стадию пожара, а именно получить значение температур в зоне конвекционной колонки, в зоне припотолочного нагретого газа и зоне напольного холодного воздуха.

Разрез В-В

Рис. 3. Схема размещения термопар в помещении

После обрабатывания результатов полного факторного эксперимента методом математической статистики [2] была получена адекватная по критерию Фишера математическая модель для определения температуры в любой точке закрытого помещения при пожаре:

Л = Л,

°С,

где tо. п. — теоретическая температура горения, °С; G — пожарная нагрузка в помещении, кг/м2; тв. г. — время свободного горения, хв; 2 — высота, на которой определяется температура, м; — площадь пожара, м2; х — расстояние, на котором определяется температура, м; С( — коэффициент пропорциональности и обезразмеривания составных элементов дроби; Сt = 0,0172 хв0,218-кг0,28-м-0,557.

Таблица

Уровни изменения факторов

0,479

X

Уровни факторов О, кг/м2 ъе. г., мин R, м 2, м Бп, м2

хі 1п х1 Х2 1п х2 х3 1п х3 Х4 1п Х4 Х5 1п х5

Верхний(+) 50 3,9 20 3 7,4 2 2,5 0,9 3,14 1,1

Нулевой (0) 40 - 7,5 - 3,75 - 1,3 - 1,9625 -

Нижний (-) 30 3,4 5 1,6 0,1 -2,3 0,1 -2,3 0,785 -0,2

Рассмотрим распределение температуры по ширине перекрытия помещения при пожаре в жилом помещении при высоте помещения 2,5 м. Рассчитаем значение температуры над очагом пожара, на расстоянии 0,25; 0,5; 1; 1,5 и 2 м. Данные расчетов изображены на рис. 4.

Также рассмотрим распределение температуры по высоте помещения при пожаре в жилом помещении на расстоянии 1 м от очага пожара.

Рассчитаем значение температуры на высоте

0,1 м; 0,675 м; 1,25 м; 1,925 и 2,4 м. Данные расчетов изображены на рис. 5.

Следовательно, полученная математическая модель позволяет определять температуру в любой точке помещения, что дает возможность в дальнейшем учесть температурное влияние пожара на строительные конструкции в зданиях различного назначения.

Время, мин

Рис. 4. Изменение температуры со временем:

1 — над очагом пожара; 2 — на расстоянии 0,25 м; 3 — 0,5 м; 4 — 1 м; 5 — 1,5 м; 6 — 2 м

Время, мин

Рис. 5. Изменение температуры со временем на расстоянии 1 м от очага пожара:

1 — на высоте 2,4 м; 2 — 1,925 м;

3 — 1,25 м; 4 — 0,675 м; 5 — 0,1 м

Библиографический список

1. Астапенко, В. М. Термогазодинамика пожаров в помещениях / В. М. Астапенко, Ю. А. Кошмаров, И. С. Молчадский, А. Н. Шевляков; под ред. Ю. А. Кош-марова. — М.: Стройиздат, 1988. — 448 с.

2. Сидняев, Н. И. Введение в теорию планирования эксперимента / Н. И. Сидняев, Н. Т. Вилисова. — М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2011. — 463 с.

References

1. Astapenko, V. M. Termogazodinamika pozharov v pomeshheniyax / V. M. Astapenko, Yu. A. Koshmarov, I. S. Molchadskij, A. N. Shevlyakov; pod red. Yu. A. Koshmarova. — M.: Strojizdat, 1988. — 448 s.

2. Sidnyaev, N. 1 Vvedenie v teoriyu planirovaniya e'ksperimenta / N. I. Sidnyaev, N. T. Vilisova. — M.: Izd-vo MGTU im. N. E'. Baumana, 2011. — 463 s.

MODEL FIRE INDOORS ON THE BASIS OF FULL FACTORIAL EXPERIMENT

Gulida E'. N.,

D. Sc. in Engineering, Prof.

Lviv State University of Life Safety;

Ukraine, Lviv, e-mail: ldubzh.lviv@mns.gov.ua Renkas A. A.,

Adjunct,

Lviv State University of Life Safety;

Ukraine, Lviv, e-mail: arthur.rencas@gmail.com

You must get through the active full factorial experiment mathematical model offire indoors. This model should define the temperature indoors at the initial stage of fire on any radius from the fire and any altitude depending on the fire load, the burned area and free time is burning.

Keywords: mathematical model, fire indoors, indicators of heat and mass transfer, the experiment.