Обоснование параметров генераторов пены эжекционного типа повышенной огнетушащей эффективности Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

D01:10.12845/bitp.38.2.2015.11

Грушовинчук А.В. / Grushovinchuk A.V.1

проф., доктор техн. наук Ковалышин В.В. / prof. Kovalyshyn V.V., Ph.D. канд. техн. наук Кырылив Я.Б. / Kyryliv Ya.B., Ph.D.

Przyj^ty/Accepted/Принята: 11.12.2014; Zrecenzowany/Reviewed/Рецензирована: 25.05.2015; Opublikowany/Published/Опубликована: 30.06.2015;

Обоснование параметров генераторов пены эжекционного типа повышенной огнетушащей эффективности2

Identification of Parameters for a Foam Generator with Improved Extinguishing

Effectiveness

Okreslenie parametrow wytwornicy piany typu wyrzutnia o zwiçkszonej

skutecznosci gasniczej

АННОТАЦИЯ

Цель: Целью исследования является перемещение в воздухе наклонных гидравлических струй с помощью построения математической модели процесса взаимодействия струй воздушно-механической пены различной кратности. Методы: Расчеты будут базироваться на интегрировании уравнений движения материальных точек с учетом сопротивления среды. Для этого описано движение струй, направленных под углом, с помощью уравнений динамики брошенных вверх двух или более абсолютно твердых тел, условно связанных между собой силами. При этом положение тел в пространстве в момент времени 1 описывается двумя координатами: х = х (1) и у = у (1).

На основе анализа литературных данных установлено, что наиболее адекватной является квадратичная зависимость силы сопротивления струи при его трении к воздуху. Также принято, что зависимость силы взаимодействия между струями от разности скоростей этих струй характеризуется квадратичной зависимостью.

Результаты: Сначала смоделирован процесс транспортировки струи средней кратности двумя струями низкой кратности. Также определена оптимальная конструктивная схема расположения струй. Установлено влияние ветра на траекторию обобщенной струи.

Итак, схема с нижним расположением струй пены низкой кратности является эффективной. Но при использовании 4 таких струй происходит снижение общей кратности пены комбинированной струи, также повышается расход пенообразователя. Поэтому мы провели сравнительные расчеты для вариантов с нижним размещением трех и двух струй пены низкой кратности. Было установлено, что использование трех струй пены низкой кратности вместо четырех приводит к уменьшению дальности полета лишь на 3% (0,7 м), но значительно улучшает общую кратность пены обобщенной струи. Дальнейшее уменьшение числа струй (до двух) приводит к более заметному уменьшению эффективности (5,3%; 1,1 м) и при этом не приводит к улучшению кратности пены обобщенной струи.

Итак, учитывая влияние струй пены низкой кратности на общую кратность пены обобщенной струи, наиболее целесообразной является третья схема расположения с тремя струями - три струи воздушно-механической пены низкой кратности, поддерживают снизу по кругу одну струю пены средней кратности.

Выводы: В данной работе было исследовано взаимодействие струй воздушно-механической пены различной кратности. На основе теоретических и экспериментальных исследований определено оптимальное расположение струй пены, которое позволяет достичь максимального значения дальности подачи пены при минимальных потерях кратности. Результаты данного исследования в дальнейшем будут применены для разработки опытного образца пеногенератора.

Ключевые слова: наклонные гидравлические струи, математическая модель, воздушно-механическая пена, уравнения, оптимальная конструктивная схема, кратность пены, дальность подачи пены Вид статьи: предварительный отчет

1 Львовский государственный университет безопасности жизнедеятельности, Украина / Lviv State University of Life Safety, Ukraine / Процентное участие в создание статьи / Percentage contribution: Grushovinchuk A.V. - 50%, Kovalyshyn V.V. - 25%; Kyryliv Ya.B. - 25%; yaroslav_kyryliv@ukr.net

2 Artykul zostal wyrozniony przez Komitet Redakcyjny / The article was recognised by the Editorial Committee / Эту статью наградил Редакционный Совет

D01:10.12845/bitp.38.2.2015.11

ABSTRACT

Aim: The purpose of this research is to examine overhead movements of inclined hydraulic streams of foam and with the aid of a mathematical model illustrate the mutual interaction of mechanical foam streams with variations of expanded foam.

Methods: Calculations are based on differential equations for material movement points with due regard to environmental resistance. With this in mind, the movement of inclined foam streams was described by means of dynamic equations for two or more propelled material bodies which are linked by forces. Wherein the overhead location of bodies, in the time interval t, is described by two co-ordinates: x = x(t) and y = y(t).

Based on an analysis of literature, it was established that an adequate mathematical description is provided by a quadratic function of the resistance force generated by the stream to its friction with air. It was also accepted that dependence of interacting forces between streams and their velocity difference will be described by a quadratic function.

Results: Initially a model was identified, which revealed the delivery process of a medium-expansion foam jet with the use of two streams of low-expansion foam. Additionally, a model with an optimal configuration of the stream system was identified and a description provided, dealing with the influence of wind on the trajectory of a combined jet.

The most effective model turned out to be the one where the low-expansion foam stream is located in the lower position. However, with four such streams there is an overall decrease of expanded foam in the resulting jet and an increase in the consumption of foaming agent. For this reason the authors performed comparative calculations for variations with the location of a lesser number of foam streams. This included the use of three and two streams of low-expansion foam. It was found that a link of three streams of low-expansion foam, instead of four, leads to a reduction in the jet range by only 3% (0.7m), but overall, significantly improves the quality of foaming in the combined jet. A further reduction of streams (to two) results in a noticeable decrease to the range of effectiveness (5.3%, 1.1m) and does not improve the quality of foaming in the combined jet. In this way, taking account of the influence of low-expansion foam streams on the overall foaming quality, the most logical approach is to use of the third variant of the combination - three streams of low-expansion foam, supporting at the base,an encircled jet generating middle-expansion foam.

Conclusus: During research, tests were performed on the mutual influence of mechanical foam streams with variations of expanded foam. On the basis of experiments, an optimal location of foam streams was specified, which allows the attainment of maximum results (range) in the distribution of foam with minimal losses. Results from tests may be utilised in the future for the development of an experimental foam generating model.

Keywords: inclined hydraulic stream, mathematical model, mechanical foam, equation, optimal construction scheme, multiple foaming,

foam delivery range

Type of article: short scientific report

ABSTRAKT

Cel: Badanie zachodz^cego w powietrzu ruchu pochylych strumieni hydraulicznych piany za pomoc^ modelu matematycznego oddzia-lywania wzajemnego strumieni powietrzno-mechanicznej piany o roznej liczbie spienienia.

Metody: Obliczenia bfd^ oparte na rozwi^zaniu rownan rozniczkowych ruchu punktow materialnych z uwzglfdnieniem oporu sro-dowiska. W tym celu opisano ruch skierowanych pod k^tem strumieni piany przy pomocy rownan kinematycznych dla wyrzuconych w gorf dwoch lub wifcej cial pol^czonych ze sob^ silami Przy czym polozenie cial w przestrzeni w odstfpie czasowym t opisywane jest dwoma wspolrzfdnymi x = x (t) oraz y = y (t).

Na podstawie analizy danych literaturowych ustalono, ze do opisu matematycznego adekwatna jest funkcja kwadratowa sily oporu strumienia do jego tarcia z powietrzem. Przyjfto rowniez, ze zaleznosc wzajemnej sily mifdzy strumieniami od roznicy ich prfdkosci opisana bfdzie funkcja kwadratow^.

Wyniki: Na pocz^tku przedstawiono model procesu transportu strumienia o sredniej liczbie spienienia poprzez dwa strumienie o niskiej liczbie spienienia. Okreslono rowniez optymalny model ukladu strumieni. Opisano wplyw wiatru na trajektorif pol^czonego strumienia. Najdokladniejszy okazal sif model, w ktorym strumien o niskiej liczbie spienienia znajduje sif w dolnej pozycji. Jednak przy czterech takich strumieniach spada calkowita liczba spienienia powstalego strumienia oraz zwifksza sif zuzycie srodka pianotworczego. Dlatego autorzy przeprowadzili obliczenia porownawcze dla wariantow z dolnym rozlokowaniem trzech i dwoch strumieni piany o niskiej liczbie spienienia. Stwierdzono, ze pol^czenie trzech strumieni piany o niskiej liczbie spienienia zamiast czterech prowadzi do zmniejszenia zasifgu strumienia tylko o 3% (0,7 m), ale za to znacznie poprawia calkowit^ liczbf spienienia pol^czonego strumienia. Dalsze zmniej-szenie liczby strumieni (do dwoch) skutkuje zauwazalnym zmniejszeniem zasifgu skutecznosci (5,3%; 1,1 m) i dodatkowo nie prowadzi do polepszenia spienienia piany w pol^czonym strumieniu.

W ten sposob, bior^c pod uwagf wplyw strumieni piany o niskiej liczbie spienienia na calkowite spienienie piany pol^czonego strumienia, najbardziej rozs^dne jest zastosowanie trzeciego schematu ukladu z trzema strumieniami - trzy strumienie powietrzno-mechanicznej piany o niskiej liczbie spieniania podtrzymuj^ od dolu wokol jeden strumien piany o sredniej liczbie spienienia.

Wnioski: W niniejszej pracy wykonano badania wzajemnego wplywu strumieni powietrzno-mechanicznych piany o roznych liczbach spienienia. Na podstawie badan teoretycznych i eksperymentalnych okreslono optymalne rozlokowanie strumieni piany, ktore pozwalaj^ osi^gn^c maksymalny wynik (zasifg) rzutu piany przy minimalnych stratach spienienia. Wyniki przeprowadzonych prac mog^ zostac uzyte w przyszlosci do opracowania eksperymentalnego modelu wytwornicy piany.

Slowa kluczowe: pochyle strumienie hydrauliczne, model matematyczny, powietrzno-mechaniczna piana, rownania, optymalny sche-mat konstrukcyjny, liczba spienienia, zasifg rzutu piany Typ artykulu: doniesienie wstfpne

ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИЯ

1. Введение

Анализ тактико-технических возможностей, конструктивных решений и параметров таких пеногене-раторов, находящихся на вооружении ГСЧС Украины, свидетельствует об ограниченности сочетания дальности и высоты подачи пены с ее высокой кратностью [1]. Высокая кратность пены обеспечивает не только высокую эффективность тушения пожара, но и малую дальность и высоту подачи струи пены, является результатом очень малой удельной массы и низкой начальной скорости, а следовательно - низкого значения кинетической энергии струи. Малая длина струи пены (6-8 м) требует приближения пожарного к огню, что является не всегда возможным, и всегда - опасно. Снижение кратности пены приводит к увеличению длины струи, но также и к уменьшению эффективности тушения пожара. Учитывая проблему транспортировки пены высокой кратности (К > 200) к месту пожара и высокой вероятности разрушения автоматических установок пожаротушения, легковоспламеняющиеся и горючие жидкости наиболее эффективно тушат воздушно-механической пеной средней кратности (К = 80 - 100) или используют пленкообразующие пенообразователи на основе фторированных и других поверхностно-активных жидкостей, способных образовывать пленку, которая характеризуется способностью к самовосстановлению после механического разрушения. Оптимальная кратность пен, образованная из таких пенообразователей значительно ниже, а соответственно и дальность струи - выше [1, 2, 3]. Однако широкое использование таких пенообразователей ограничено их высокой стоимостью.

Устранение этих и других недостатков существующих генераторов пены невозможно без обоснования параметров и реализации новых конструктивных решений, которыми ведется применение комбинированного принципа транспортировки пены, что может объединять преимущества конструкций генераторов пены низкой и средней кратности. Соответственно, одним из путей повышения эффективности пожаротушения легковоспламеняющихся и горючих жидкостей и проведения

001:10.12845/Ьйр.38.2.2015.11

пожарно-спасательных работ является разработка и внедрение установок пеногенераторов, где параллельные струи пены низкой кратности выполняют функцию транспортировки струи средней кратности в зону горения [4, 5].

2. Методы

С целью исследования процесса перемещения в воздухе наклонных гидравлических струй построим математическую модель процесса взаимодействия струй воздушно-механической пены различной кратности. Расчеты будут базироваться на интегрировании уравнений движения материальных точек с учетом сопротивления среды. При взаимодействии одной струи воздушно-механической пены (в дальнейшем просто пены) средней кратности (80-100) и нескольких (четырех) струй пены низкой (8-10) кратности следует также учесть силы, возникающие в результате взаимодействия струй между собой.

С этой целью опишем движение струй, направленных под углом, с помощью уравнений динамики брошенных вверх двух или более абсолютно твердых тел, условно связанных между собой силами. При этом положение тел в пространстве в момент времени 1 описывается двумя координатами: х = х (1) и у = у (1) [4].

На основе анализа литературных данных, приходим к выводу, что наиболее адекватной является квадратичная зависимость силы сопротивления струи при ее трении о воздух. Принимаем коэффициент сопротивления [6]:

0'316 (1)

а =

pD

Также примем, что зависимость силы взаимодействия между струями от разности скоростей этих струй характеризуется квадратичной зависимостью.

Сначала смоделируем процесс транспортировки струи средней кратности двумя струями низкой кратности. Получим систему из шести нелинейных дифференциальных уравнений

¿0 +а0 • x0 -(¿о2 + y0 )1/2 +P\x0 - ¿i )-((x0 - ¿i )2 + (y0 - yi )2 )1/2 + e'(x0 - ¿2 )-((x0 - ¿2 )l + (y0 - У 2 )l )1 2 = 0 y0 +a0 • y0 -(x02 + y0 )1/l + e • (y0 - yi )-((x0 - xi)l + (y 0 - yi)l )1/2 + e-(y0 - У 2 )-((x0 - ¿2 )l + (y0 - У 2 )l )i/l = -g xi +ai • ¿i -(¿i2 + yi2 )1/2 +e-(x0 - ¿i )-((x0 - ¿i)2 +(^0 - yi)2 )i/2 = 0 yi +ai • yi -(¿i2 + yi2 )1/2 + e • (y 0 - yi )-((¿0 - ¿1)2 +(y0 - yi)2 )i/2 =-g ¿2 +a2 •¿2 •fá + y22 )1/2 + P • (¿0 - ¿2 ) • ((¿0 - ¿2 )2 + (У - y2 )2 )i/2 = 0 y2 +a2 • У 2 •(¿22 + У2 )1/2 + в • (y 0 - У 2 И(*0 - ¿2 )2 + (y0 - y2 )2 )i/2 =-g

(2)

с начальными условиями: *o(0) = 0; = a; X>(0) = voqCOS 0,; y 0 = v00sin 0,

X (0) = 0; y, (0) = b; x, (0) = ^ cos 0,; y, = vm sin 0,;

x(0) =0; У2(0) =c; •x2(0) = v02cos 02; уг = v>2sin 02;

(3)

Здесь, как и ранее, уд - скорость истечения струи из ствола; 0 - угол наклона оси ствола к горизонту; а - коэффициент взаимодействия струи с атмосферой; в - коэффициент взаимодействия струй между собой. Индексом «0» обозначим струю пены средней кратности, а индексами «1, 2» - струи пены низкой кратности. Константы а; Ь; с определяются в соответствии со схемами расположения стволов низкой кратности «1, 2, ... п» относительно ствола средней кратности «0».

BiTP Vol. 38 Issue 2, 2015, pp. 125-132 D01:10.12845/bitp.38.2.2015.11

Также запишем условие, при котором будет происходить взаимодействие между струями:

Если \yl -y0\ > Yj тов = 0

Если\yj - y0| < Yj то 0 (4)

где Yt - значение вертикального расстояния между струями и определяется из схемы расположения струй. Такое условие следует записывать для каждой струи низкой кратности.

Постоянные величины, входящие в формулы математической модели представим в таблице 1.

Таблица 1. Постоянные величины, входящие в формулы математической модели Table 1. Constants included in the formula of the mathematical model

Струя с индексом «0»:

воздушно-механическая пена средней кратности К = 100; диаметр струи D0 = 315 мм (пеногенератор ГПС-600); удельная плотность пены р0 = 10 кг/м3; динамическая вязкость пены |0 = 0,182 Па-с.

Stream with the index "0":

air-mechanical foam medium ratio K = 100; stream diameter D0 = 315 mm (foam generator GPS-600); specific density foam p0 = 10 kg/m3; the dynamic viscosity of the foam |0 = 0.182 Pa-s.

Струи с индексом «1; 2;...n»:

воздушно-механическая пена низкой кратности К = 10; диаметр струи D1 = 42 мм (ствол СВП-2); удельная плотность пены р1 = 100 кг/м3; динамическая вязкость пены |1=0,0135 Па-с;

Stream with the index "1; 2; ... n":

air and mechanical foam of low multiplicity K = 10; stream diameter D1 = 42 mm (trunk SAP-2); the specific density of the foam p1 = 100 kg/m3; the dynamic viscosity of the foam || = 0.0135 Pa-s.

Источник: Собственная разработка. Source: Own elaboration.

Коэффициенты сопротивления струй при их взаимодействии с воздухом составят: а = 0,316/(10 • 0,3) = 0,1053 м-1; а0 = 0,316/(100 • 0,042) = = 0,0752 м-1; ©t = ©2 = 30° . v00 = 12,45 м/с; v01 = 35,33 м/с (ориентировочные значения для ствола СВП-2 и пеногенератора ГПС-600).

3. Результаты

Для определения величины коэффициента в от величины относительной скорости струй были

проведены предварительные экспериментальные и теоретические исследования на экспериментальной установке, которая состояла из двух воздушно-пенных стандартных стволов СПП-2 и одного стандартного пеногенератора ГПС-600 соединенных между собой. Результаты экспериментальных исследований при различных условиях (р = 5, 7, 10 ат. и © = 30°; 45°) были сравнены с результатами решения системы дифференциальных уравнений (2) (после подстановки соответствующих значений) методом Рунге-Кутта в программной среде ЫАТЬАБ.

Таблица 2. Теоретические исследования дальности полета струй при © = 30° Table 2. Theoretical studies of the flight range of streams at © = 30°

v00; (Wc) 10,53 12,45 14,88

v01; (м/с) 29,84 35,33 42,2

Lo; (м) 13,67 15,59 17,68

Ц; (м) 13,82 15,77 17,90

L1-L0; (м) 0,15 0,18 0,22

(L1+L0)/2; (м) 13,75 15,68 17,79

Експер. L (м) 14,10 16,20 18,5

Ô, (%) 2,48 3,21 3,84

Ô , (%) сер 4 ' 3,18

Источник: Собственная разработка. Source: Own elaboration.

ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИЯ

Полученные результаты (среднее значение погрешности составляет 3,18%) доказывают, что теоретические исследования процесса транспортировки струи воздушно-механической пены средней кратности струей (струями) такой же пены низкой кратности следует проводить по системе нелинейных дифференциальных уравнений (2) с начальными условиями (3) и условиями существования фазы взаимодействия между струями

001:10.12845/Ьйр.38.2.2015.11

(3). Коэффициент а, характеризующий взаимодействие струй с воздухом, следует определять по формуле (1). При этом в = 64.

Определим оптимальную конструктивную схему расположения струй. Аналогично (2) составляем уравнения для одной центральной струи пены средней кратности и четырех струй пены низкой кратности, взаимодействующих с центральной:

X0 +а 0 • X0 -fe + У0 F +Pi •(*<> - Xi )-((Х0 - Xi )2 + СУ> - Уг)2 )/2 + + P2 • (x0 - -SC2 ) • ((X0 - X2 )2 + (y0 - y2 )2 )1/2 + Рз • (xX0 - -^З ) • ((X0 - -^З )2 + (y0 - У У Г + + p4 • (-0 - - )• ((-0 - - )2 + (У0 - y4 )2 J'2 = 0

У0 + a0 • y0 • — + y02 )1/2 + Pi • (y0 - yi^ ((X0 - Xi)2 + (y0 - yi)2 Г +

+ P2 •(y0 - y2 )((X0 - X2 )2 +(y0 - y2 )2 f2 +Рз •(y0 - y3 ) • ((X0 - X3 )2 + (У - У3 )2 Г + + в4 • (У0 - У4 ) • ((X0 - X4 )2 + (У0 - У4 )2 l'2 = -g

- +ai • - •(-i2 + yi2 )i/2 -Pi •(-0 - - )^((-0 - -)2 +(У0 - yi)2 )i/2 = 0

yi + ai • yi •(xi2 + yi2 )i/2 -Pi •(y0 - yi И(-0 - Xi)2 +(y0 - yi)2 )i/2 =-g

X2 +a 2 • X2 • (x2 + У2 )i/2 -в2 •(x0 - X2 )((X0 - X2 )2 + (?0 - У2 )2 ^ = 0 y2 + a2 • y2 • (X22 + y2 )i/2 - P2 •(y0 - У2 У ((X0 - X2 )2 + (У0 - У2 )2 Г = -g

X3 + a3 • X3 • (x32 + Уз2 )i/2 - Рз • (x0 - X3) • ((x0 - X3)2 + (У0 - Уз)2 T = 0 Уз +a3 • Уз •(x32 + Уз2 )i/2 -Рз • (У0 - Уз >((x0 - X3)2 +(У0 - Уз)2 )i/2 =-g

X4 + a4 • X4 • (x42 + У4 )i/2 - P4 • (x0 - X4 ) • ((x0 - X4 )2 + (У0 - У4 )2 Г = 0

У4 + a4 ^ У4 ^ (X42 + У4 )i/2 - P4 ^ (У0 - У4 )'' ((X0 - X4 )2 + (У0 - У4 )2 Г = -g

(5)

Выбираем три различных варианта расположения струй (рис. 1):

а) / a)

б) / b)

D01:10.12845/bitp.38.2.2015.11

в) / c)

Рис. 1. Варианты конструктивных схем размещения струй: а) - поддерживающие струи размещены через каждые 90°; б) - поддерживающие струи размещены через каждые 90° со смещением 45°; в) - поддерживающие струи размещены снизу, где 0 - нулевая струя пены средней кратности; 1, 2, 3, 4

- поддерживающие струи пены низкой кратности.

Fig. 1. Variants of streams location: a) - supporting streams placed every 90°; b) - supporting streams placed every 90° offset 45°; c) - supporting the streams placed below, where 0 - zero stream medium expansion foam; 1, 2, 3, 4 - supporting streams of low expansion foam.

Источник: Собственная разработка.

Source: Own elaboration.

На основе решения системы уравнений был проведен анализ траекторий перемещения струй, режимов совместного движения струй, процессов выравнивания скоростей. Установлено, что наиболее эффективной

с точки зрения дальности полета есть третья схема (рис. 2), а эффективность двух предыдущих схем практически одинаковой.

■-. а

^ (Я

7 Е

- га ■- £ : "

- Л

■ ■ — с

:.J <U

= Е о

" Л

" га

са

Щ

Х\

V*. \ \\ \\ \

V

\

Горизонтальные перемещения струй (м) Horizontal movement of the streams (m)

Рис. 2. Траектории перемещений струй пены средней кратности: 1 - использование конструктивной схемы а (рис. 1); 2 - использование конструктивной схемы б (рис. 1); 3 - использование конструктивной схемы в (рис. 1). Fig. 2. The path of the medium expansion foam stream: 1 - constructive scheme (a) (Fig. 1); 2 - constructive scheme (b) (Fig. 1); 3 - constructive scheme (c) (Fig. 1).

Источник: Собственная разработка. Source: Own elaboration.

Необходимо также исследовать влияние ветра на траекторию обобщенной струи. При встречном ветре в систему уравнений (5) введем скорость ветра

V в горизонтальную составляющую скорости струй и получим систему уравнений (6)

ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИЯ 001:10.12845/Ьйр.38.2.2015.11

х0 +а0 • (х0 + k-V)•((х0 + k-V)2 + y0)т +р, •(*„ -x)-((х0 -x)2 +(j0 -y)2)1/2 + + Р2 -(x0 - x2 )-((x0 - x2 )2 +(y0 - y2 )2 )1 2 +Рз -(Х0 - Х3 )-((Х0 - X3 )2 + (y0 - У3 )2 J" + + P4 - (x0 - x4 )- ((x0 - x4 )2 + (y0 - У4 )2 )/2 = 0

y0 +а 0 - y0 -((x0 + k-V)2 + y02 )1/2 +P1 -(y0 - yi )-((x0 - xi)2 +(y0 - yi)2 )1/2 + + P2 -(y0 - y2 )-((x0 - x2 )2 +(y0 - y2 )2 )1 2 +P3 -(y0 - y3 )-((x0 - x3 У + (y0 - У3 )2 J1" +

+ P4 - (У0 - У4 ) - ((x0 - x4 )2 + (У0 - У4 )2 )1 2 = -g

x +а1 • (x + k •V)-((x, + k •V )2 + У12 )1/2 -P1 • fa - x >(fa - x)2 +(У0 - У1)2 )T = 0

У +а1 • У1 •fa + k •V)2 + У12 )1/2 -P1 •(У0 - У1 Hfa - x1)2 +(У0 - У1)2Г =-g

x2 + а2 • (x2 + k • V) • ((x2 + k • V)2 + У22)1/2 - P2 • fa - x2)• (fa - x2)2 + (У0 - У2)2)/2 = 0

У2 + а2 • У2 • ((x2 + k • V)2 + У2 )1/2 P2 •(У0 - У2 ) • ((x0 - x2 У + (У0 - У2 F J1"

= - g

л:3 +а3 • (x3 + k •V) •(( x3 + k •V )2 + У32 )1/2-P3 •fa - x3 >(fa - x3 )2 +(У0 - У3 )2 f* = 0

= - g

2

x 3 ' k • v ) 1 У 3 / ^^ 3 • 1 x 0 x 3 1 •мл 0 x 3 -У3 + а3 • y3 • ((x3 + k •V )2 + y32 )1/2 - P3 • (y0 - y3 )• ((x0 - x3)2 + (y0 - y3)2} 2 ¿4 + а4 • (±4 + k • V) • ((±4 + k • V)2 + У42 )1/2 - P4 • (¿0 - ±4 )• ((¿0 - ±4 )2 + (У0 - У4 )2 )/2 = 0 У4 + а 4 • У4 • ((x4 + k • V )2 + У42 )1/2 - P4 • (y0 - У4 )• ((x0 - x4 )2 + (y0 - У4 )2 J1"

= - g

(6)

Решив эту систему для каждого из 3 вариантов устойчивость к встречному ветру, а схема 2 (две струи

размещения струй, получим перемещения и скоро- внизу центральной) является эффективнее схемы

сти струй при воздействии встречного ветра. Можно 1 (одна струя) - 11,5 м и 11 м соответственно.

сделать вывод, что ветер скоростью 5 м/с является Для учета действия бокового ветра в систему урав-

серьезной преградой для пенных струй, однако даль- нений 2.13 следует ввести еще одну координату - коор-

ность полета 12 м при 3 варианте все же указывает динату 7, что приведет к росту количества уравнений,

на возможность эффективного использования уста- а ветер V теперь будет действовать именно по этой

новки для тушения пожаров в условиях встречного координате. Выполнив эти преобразования получим

ветра. Конструктивные схемы 1 и 2 имеют меньшую систему дифференциальных уравнений 7.

(г.2 , ,-.2 , , , Т^2У/2 , а и (и V . Г,-. У , „ 42'

¿0 +а0 • ¿0 '(х02 + у02 + (Z 0 + k-Vf )"2 +А •fa - ¿i )-((x0 - ¿i )2 +(Уо - у1 )2 + (Z0 - zi)2 )"2 + + e2 -(x0 - x 2 )-((x0 - x 2 )2 +(y 0 - y 2 )2 + (z 0 - Z 2 ) 2 ^ + + Ръ -(x0 -¿3)-((x0 -¿3)2 +(y0 -y3)2 + (z0 -Z3)2)1/2 + + в 4 -(x0 - x 4 )-((x 0 - x 4 )2 +(y 0 - y 4 )2 + (z 0 - Z 4 ) 2 ^ = 0

y0 +a0 • y0 -(x02 + y02 + (Z0 + k-V)2)1/2 + A-(y0 -yi)-((x0 -¿i)2 +(y0 -yi)2 + (z0 -zi)2)1/2 + + в2 •(y0 - y 2 )-((x0 - X 2 )2 +(y 0 - y 2 )2 + (z 0 - zi)2 )i/2 + +e3-(y0 -y3)-((x0 -¿3)2 +(y0 -y3)2 + (z0 -zi)2)i/2 + + в4 -(y 0 - y 4 )-((X0 - X 4 )2 +(y 0 - y 4 )2 + (Z 0 - Zi)2 )i/2 = -g

z0 +a0 -(Z0 + k-V)-(x02 + y02 + (Z0 + k-V)2)i/2 +A -(x0 -xi)-((x0 -xi)2 +(y0 -yi)2 + (z0 -zi)2)i/2 + + в2 -(X 0 - X 2 )-((X0 - X 2 )2 +(y 0 - y 2 )2 + (Z 0 - Z 2 ) 2 )i/2 + + e3 -(x0 -x3)-((x0 -x3)2 +(y0 -y3)2 + (Z0 -Z3)2)i/2 + + в4 -(X0 - X 4 )-((X0 - X 4 )2 +(y 0 - y 4 )2 + (Z 0 - Z 4 ) 2 )i/2 = 0

ATi +ai • xi -(xi2 + yi2 + (Zi + k-V)2)i/2 -ei •(x0 -xi) -((x0 -xi)2 +(y0 -yi)2 + (Z0 -Zi)2)i/2 = 0 ^i +ai -yi ^¿i2 + yi2 + (Zi + kV)2)i/2•(x0 -xi)•((xо -xi)2 +(y0 -yi)2 + (Z0 -Zi)2)i/2 =-g i?i +ai •Zi ^Xi2 + yi2 + (Zi + kV)2 )i/2-Pi •{¿0 - ¿i) • ((X0 - ¿i)2 +(y 0 - yi)2 + (Z 0 - Zi)2 )i/2 = 0

D01:10.12845/bitp.38.2.2015.11

X2 +a2 • X 2 -(x22 + y2 + (z 2 + k •V)2 )1/2 -ß2 -(x0 - X2 )-((x0 - X 2 )2 +(y 0 - У 2 )2 + (z 0 - z 2>2 )"2 = 0 У 2 +a2 • У 2 -(X 22 + У 2 + (Z 2 + k •И' )1/2 ß2 • (x 0 - X 2 )^((x0 - X2 )2 + (y 0 - У 2 )2 + (z 0 - Z 2)2 )l/2 =-g

Z2 +a2 • (z2 + k•V)• (x2 + У22 + (z2 + k•V)2)1/2 -ß2 • (X0 -X2)• ((X0 -X2)2 + (y0 -У2)2 + (z0 -z2)2)1/2 = 0

X3 +a3 • X3 •(x32 + y 32 + (z 3 + k •V)2 )1/2 -ß3 -(x 0 - X3 ) •((x 0 - X3 )2 +(y 0 - y3)2 + (z 0 - z 3)2 )1/2 = 0

y 3 +a3 •У 3 -(x32 + y 32 + (z3 + k •V)2 )1/2 -ß3 •(x0 - x3 )-((x0 - x3)2 +(y 0 - У 3 )2 + (z 0 - z3)2 )1/2 = -g

z 3 +a3 • (z 3 + k •V) •X2 + y 32 + (z 3 + k •V)2 )1/2 -ß3 •(X 0 - X3 ) •(X - X3)2 +(y 0 - y 3)2 + (z 0 - z 3)2 )1/2 = 0

x 4 +a4 • X 4 • (x4 + y 4 + (z 4 + k •Ff )1/2 -ß4 • (x0 - X4 ) • ((X0 - X 4 )2 + (y 0 - y 4 )2 + (z0 - z 4)2 )1/2 = 0 y 4 +a4 ^ 4 -(x 4 + y 4 + (z 4 + kV)2 )1/2 -ß4 ^ 0 - X 4 )^((X0 - X4 )2 + (y 0 - y 4 )2 + (z 0 - z 4)2 )1/2 = -g

z 4 +a4 •(z4 + kV)• (x4 + y42 + (z4 + k-V)2)1/2 -ß4 • (X0 -X4)• ((X0 -X4)2 +(y0 -y4)2 + (z0 -z4)2)1/

=0

(7)

Как и в предыдущем случае, решениями системы уравнений 7 при начальных условиях будут перемещения и скорости струй при воздействии бокового ветра в координатах Х-У-7. Можно сделать вывод, что боковой ветер со скоростью 5 м/с сносит струи в сторону (по 7) на величину около 7 м при всех трех вариантах размещения струй. Немного дальше сносит струю пены средней кратности, а струи пены низкой кратности сносятся немного меньше, что вполне закономерно.

Итак, схема с нижним расположением струй пены низкой кратности является эффективной. Но при использовании 4 таких струй происходит снижение общей кратности пены комбинированной струи, также повышается расход пенообразователя. Поэтому мы провели сравнительные расчеты для вариантов с нижним размещением трех и двух струй пены низкой кратности. Было установлено, что использование трех струй пены низкой кратности вместо четырех приводит к уменьшению дальности полета лишь на 3% (0,7 м), но значительно улучшает общую кратность пены обобщенной струи. Дальнейшее уменьшение числа струй

(до двух) приводит к более заметному уменьшению эффективности (5,3%; 1,1 м) и при этом не приводит к улучшению кратности пены обобщенной струи.

Итак, учитывая влияние струй пены низкой кратности на общую кратность пены обобщенной струи, наиболее целесообразной является третья схема расположения с тремя струями - три струи воздушно-механической пены низкой кратности, поддерживают снизу по кругу одну струю пены средней кратности.

4. Выводы

В данной работе было исследовано взаимодействие струй воздушно-механической пены различной кратности. На основе теоретических и экспериментальных исследований определено оптимальное расположение струй пены, которое позволяет достичь максимального значения дальности подачи пены при минимальных потерях кратности. Результаты данного исследования в дальнейшем будут применены для разработки опытного образца пеногенератора.

Литература

[1] Kovalyshyn V.V., Vasyl'yeva O.E., Kozyar N.M., Pinne gasin-nya, Navch. Posibnyk, L'viv: LDU BGD 2007, 168.

[2] DSTU 3789-89: Pinoutvoryuvachi zagal'nogo pryznachen-nya dlya gasinnya pozhezh. Zagal'ni tekhinichni vymogy i metody vyprobuvan'.

[3] DSTU 2802-94: Stvoly pozhezhni lafetni kombinovani.

[4] Lushch V.I., Pidvyshchennya efektyvnosti gasinnya pozhezh legkozaymystykh ta goryuchykh rechovyn kombinovanymy pinnymy strumenyamy: Avtoref. dys. ... kand. tekhn. nauk. - L., 2007, 20.

[5] Kovalyshyn VV., Ulynets' E.M., Grushovinchuk O.V., Kavets'kyy V.V., Doslidzhennya zalezhnosti kratnosti povi-tryano-mekhanichnoipiny vidgeometrychnykh parametriv pinogeneratora, „Naukovyi visnyk UkrNDIPB" Vol. 24 Issue 2, 2011, pp. 74-79.

[6] Ol'shanskiy V.P., Khalipa V.M., Dubovik O.A., Priblizhen-nye metody rascheta gidravlicheskikh pozharnykh struy, Kharkov: Mitets' 2004, 113.

* * *

Грушовинчук Александр Владимирович, адъюнкт, Львовский государственный университет безопасности жизнедеятельности.

Ковалышин Василий Васильевич, профессор кафедры, доктор технических наук, профессор, Львовский государственный университет безопасности жизнедеятельности.

Кырылив Ярослав Богданович, ведущий научный сотрудник, кандидат технических наук, старший научный сотрудник, Львовский государственный университет безопасности жизнедеятельности.