CC BY
22
личными новыми эффективными материалами». Отчет по теме 11.03. Н.001.78 за 1979-80г. г. Руководитель работы Яковлев А. И. Инв. № Б865630.
Моделирование процессов тепломассопереноса
в газо-воздушной среде тоннеля при горении движущегося состава в метрополитене
Колодяжный С. А., Сотникова К. Н.,
Воронежский государственный архитектурно-строительный университет,
г. Воронеж
Статистика пожаров в метрополитенах свидетельствует, что около 75 % пожаров возникает в подвижном составе и в половине всех случаев горящий поезд останавливается в тоннеле. Учитывая, что при пожарах в метрополитенах возникает угроза для жизни нескольких тысяч людей, можно считать такие аварии наиболее сложными и опасными по своим последствиям.
Нами исследовались процессы тепломассопереноса в газовой среде перегонного тоннеля при пожаре подвижного состава и его внезапной остановки, когда первоочередной задачей является обеспечение безопасного вывода людей из вагонов на станцию. В этот период тепловые факторы пожара (ТФП): тепловые источники тяги и тепловое сопротивление - создают угрозу опрокидывания вентиляционной струи и появления пожарных газов и дыма на маршрутах эвакуации.
Для достижения цели исследований, на основании дифференциальных уравнений тепломассопереноса в сплошных средах, производилось построение математической модели взаимодействия воздушных и тепловых потоков.
С учетом незначительного изменения газовой постоянной, в пределах температуры при пожаре, уравнение состояния воздуха принято в виде
р Т =р0Т0, (1)
где Т - средняя в сечении потока температура, К; р 0 - плотность воздуха при нормальных условиях, кг/м3; Т0 - температура воздуха до возникновения пожара, К.
Условие (1) означает термическую деформируемость воздуха. В гидродинамическом смысле, он считается несжимаемой и неразрывной средой, что моделируется уравнением
ри = РоЩ, (2)
где и0 - скорость в сечении на входе воздушного потока в тоннель.
В соответствии с (1) и (2)
Т0 Т
Р Pol и = —щ. (3)
1 *0
Воздушный поток, в математической формулировке, представляется дифференциальным уравнением установившегося движения несжимаемого, термически деформируемого газа вида [1]:
(Яр (Яи ри2
"Их + р иТх = + р§ (81п Р+5 008 Р )' (4)
где р - давление в потоке, Па; - безразмерный коэффициент трения, свя-
2 4
занный с коэффициентом аэродинамического сопротивления атр, кг-с /м , используемым в рудничной аэрологии, соотношением
_ 1
«Тр - д Р0 & (5)
Л
§ — модуль вектора гравитационных сил, м/с ; 5 = — условная длина пути движения рециркулирующих потоков в направлении у, м.
В уравнении (4) гравитационные силы представлены двумя составляющими на направления движения вдоль и поперек потока. Первая составляющая обусловлена глобальным различием между плотностью воздуха в тоннеле и окружающем его пространстве, и определяет тепловую депрессию пожара Нт, Па, воздействующую на поток в целом. Вторая формируется ввиду локального различия между плотностью воздуха в очаге пожара и на границах тоннеля, она определяет конвективную депрессию Нк, Па, вызывающую рециркуляцию потоков в контурах вентиляционной сети. На границах тоннеля принимается
Р С^) = Р (х3) = р0; и С^) = и (х3) = ио; 0 С^) = 0 (х3) = (6)
где хь х3 — сечения тоннеля.
Путем интегрирования (4) с учетом (5)-(6), находится суммарная депрессия Н^, Па, контура ветвей, по которым проходит основной поток
7е (к, +«и )(0о+02)2 + Т-^и3(00+04+бпг )2
1 п 1 г
тг
т , (7)
- Р0 ( ,-8 2Ад) =Нкр - Ъ(0о+0пг)2 где Тср — —/Х 3 Т йх - средняя температура потока, К; К1, и К3 - аэродинамиче-
р Ь1 х1
у
ские сопротивления, кг/м ; Дг = 0Ь — высота столба воздуха в тоннеле, м; 0 = ^ — 73) / 1000 - уклон тоннеля, %0; - местное аэродинамическое сопро-
п
тивление, создаваемое поездом, кг/м ; рпг - объемный расход продуктов горения,
-5
м/с; Ь — параметр приведенной характеристики вентилятора вида Нпр = Нкр - Ь^2, Н с 2/м8; Нкр — теплопроводность массива крепи, Вт/(м-К); 71 и 73 — высотные отметки начального и конечного сечений тоннеля соответственно, м; Д5 =^1-025 — высота столба воздуха рециркулирующих потоков, м.
Тепловая конвективная депрессия основного потока тоннеля, в соответствии с (7), равны
к — - Ро (1-7;) ^ к — Ро (1-7;) 8А5, (8)
а суммарная депрессия сил инерции вдоль рассматриваемого контура равна нулю.
Величина Н к — Тср / Т0, (9)
характеризует степень изменения аэродинамического сопротивления стенок тоннеля потоку за счет его нагревания.
Выражения для депрессии отдельных ветвей определяются аналогично контурной [2]:
к =кт- - Ро {^г - 1) 5. (10)
где &р — коэффициент теплового сопротивления, а все переменные относятся к отдельным потокам 1... 7 и для каждого из них различны. Выражением
= - 1) С. с1)
Таким образом. относительно неизвестных Q и Т имеется система уравнений (7). (10). с краевыми условиями (1. 2). представляющих собой математическую модель взаимодействия воздушных и тепловых потоков при пожаре в тоннеле метрополитена.
Библиографический список
1. Власов. С. Н. Аварийные ситуации при строительстве и эксплуатации транспортных тоннелей и метрополитенов / С. Н. Власов. Л. В. Маковский.
B. Е. Меркин. — М.: ТИМР. 1997. — 183 с.
2. Беляцкий. В. П. Противопожарная защита и тушение пожаров подземных сооружений / В. П. Беляцкий. В. Ф. Бондарев. — М.: ВНИИПО. 1983. — 32 с.
3. Потапов. Ю. Б. Разработка математической модели распространения дымовых газов в начальной стадии пожара / Ю. Б. Потапов. К. Н. Сотникова. К. А. Скляров. С. А. Кончаков // Научный вестник ВГАСУ. Строительство и архитектура. — 2011. - № 1 (21). — С. 136-143.
4. Сушко. Е. А. Разработка методики расчета рациональных режимов систем вентиляции производственных помещений / Е. А. Сушко. К. Н. Сотникова.
C. Л. Карпов // Научный вестник ВГАСУ. Строительство и архитектура. — 2011. - № 2 (22). — С. 143-149.
5. Трусов. С. И. Пожарная безопасность метрополитена / С. И. Трусов. С. А. Колодяжный. В. Я. Манохин // Научный вестник ВГАСУ. Строительство и архитектура. — 2011. - № 4 (24). — С. 203-207.
Моделирование критической тепловой депрессии
при пожаре в тоннеле
Колодяжный С. А., Переславцева И. И., Леонтьев С. Н.,
Воронежский государственный архитектурно-строительный университет,
г. Воронеж
В условиях тоннелей метрополитена. погрешность расчетных зависимостей. во многом зависит от правильности формирования расчетных схем вентиляционных соединений на основе общей схемы вентиляции тоннелей метропо-
