Определение коэффициентов взаимной облученности дымовой струи и ограждающих конструкций при пожаре Текст научной статьи по специальности «Физика»

ВЕСТНИК 7/2011

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТОВ ВЗАИМНОЙ ОБЛУЧЕННОСТИ ДЫМОВОЙ СТРУИ И ОГРАЖДАЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ ПРИ ПОЖАРЕ

DEFINITION OF RADIATION CONFIGURATION FACTORS BETWEEN SMOKE PLUME AND WALLING IN CASE OF FIRE

Е.Г. Малявина, В.И. Бессонов E. Malyavina, V. Bessonov

Московский ГСУ

В статье предложен расчет коэффициента облученности с дымовой струи на внутренние поверхности ограждающих конструкций, опираеющийся на суммирование коэффициентов облученности с элементарной площадки на пирамиду.

The article offers a calculation method of radiation configuration factor form a smoke plume to inner surfaces of walling and floor, it is based on the summation of radiation configuration factors from a differential surface to a pyramid.

В случае пожара в помещении дымовая струя будет активно обмениваться теплотой с ограждающими конструкциями. По мере своего развития дымовая струя за счет меньшей плотности по отношению к окружающему воздуху помещения поднимается вверх от источника возгорания. При этом она подмешивает в себя окружающий воздух помещения, увеличивая свой объем и, вместе с тем, уменьшая температуру и скорость. Достигнув потолка помещения, дым поступает в приемное устройство системы дымо-удаления. Под потолком помещения допускается накопление «дымовой подушки», низ которой расположен на достаточной для эвакуации людей высоте от пола.

Лучистый теплообмен между высокотемпературной струей и внутренними поверхностями ограждений помещения будет иметь сложный характер. Расчет лучистого теплообмена внутри дымовой подушки и пространства, находящегося под ней, разли-

Зона дымовой подушки - верхняя расчетная зона - характерна тем, что в каждом её горизонтальном сечении дым заполняет всю площадь этого сечения. Дымовой слой имеет высокую оптическую плотность и, при незначительной доле пренебрежения, не является лучепрозрачным. Вследствие этого лучистый теплообмен в этой зоне считается отсутствующим.

Наибольшую трудность в плане описания лучистого теплообмена нижней расчетной зоны составляет нахождение коэффициентов облученности всех поверхностей помещения друг с другом и с дымовой струей.

Коэффициент облученности показывает, какая часть лучистого потока, испускаемого одним телом, падает на другое тело, находящееся в лучистом теплообмене с первым телом [1].

а)

б)

ПТ+ СТ4

1

?ИЛ J 1

Ей,

Диаметр источника

Рис. 1. К определению взаимных поверхностей излучения в системе тел «дымовая струя - ограждающие конструкции помещения»

(вариант для четырехстенного атриума): а) вертикальный разрез, б) горизонтальные сечения на различной высоте

Для двух тел, участвующих в лучистом теплообмене, справедливо:

РВЗ = Д1-2Р1= Ц 2-1^ (1)

где: Бвз - взаимная площадь излучения обеих поверхностей, м2; ф^ - коэффициент облученности с первой на вторую поверхность; Ф2-1 - коэффициент облученности со второй на первую поверхность; р1 - площадь первой поверхности, м2; р2 - площадь второй поверхности, м2.

Облучение дымовой струей ограждающих конструкций в нижней расчетной зоне создает замкнутую систему тел. Для описания этой системы её необходимо разбить на характерные поверхности (см. рис. 1).

Например, для четырехстенного атриума низ «дымовой подушки» - дымовое перекрытие помещения - разбивается на восемь характерных поверхностей, имеющих прямоугольную форму и суммарную площадь равную площади дымового перекрытия,

т.е. площади потолка помещения за вычетом площади круга, занимаемого дымовой струей.

Перечислим все поверхности, участвующее в лучистом теплообмене друг с другом в системе тел «дымовая струя - ограждающие конструкции помещения». К излучающим поверхностям дымовой струи относятся: группа поверхностей дымового перекрытия, состоящая из поверхностей ПТь^ПТ;; поверхность усеченного конуса дымовой струи Брь. К облучаемым поверхностям ограждающих конструкций относятся: стены помещения СТ1.. .СТ;; - пол помещения Бпл.

В данной системе тел будет присутствовать несколько видов коэффициентов облученности с одной поверхности на другую. Если взаимная облученность плоских параллельных и перпендикулярных поверхностей может быть вычислена по известным формулам, подробно описанным в [2], то группа коэффициентов облученности, относящаяся к излучению с поверхности дымовой струи на поверхности пола и стен помещения представляет интерес.

В соответствии с [4] (рис. 2) коэффициент облученности со свободно вращающейся квадратной элементарной площадки на прямоугольник конечных размеров определяется как:

Р =-

1111-2 ~ 2к

tg (ВсовЗ )-1 (ДС08^)

ВС08# -С08#;

-1 ЛС08^-С08^

+ -

•ч/1+Л2

В

-

лА+Л2

л/1+В2 g ^чЯ+В

' Л >

(2)

где: Л, В - геометрические характеристики, принимаемые в соответствии с рис. 1, а Ь

Л= —; В= —; в,, в], вк - углы наклона нормали к элементарной площадке к осям х, у и С С

Форму дымовой струи аппроксимируем многогранной пирамидой, стоящей на своей вершине (рис. 3). Углы наклона нормали к элементарной площадке к осям х, у и г вь в], вк для восьмигранной пирамиды, принятой в решении, определятся исходя из того, что ее грани либо параллельны или перпендикулярны к стенам, либо расположены под углом 45°. Угол раскрытия струи принимается 30° [3].

Для удобства расчетов элементарная площадка рассматривается как дифференциальный квадратный элемент со стороной 10 см. Возможность учета изменения температуры поверхности струи достигается с помощью того, что пирамида делится на горизонтальные полосы высотой, равной высоте дифференциального элемента. Коэффициент облученности с горизонтальной полосы грани на стену или пол определяется суммированием коэффициентов облученности для всех дифференциальных элементов, составляющих полосу. При этом сумма площадей дифференциальных элементов по грани в целом должна приближаться к площади этой грани. Для этого одни полосы могут быть аппроксимированы суммой дифференциальных элементов с недостатком, а следующие - с избытком.

Для определения коэффициента облученности с поверхности горизонтально расположенной наклонной полосы пирамиды на поверхность низа «дымовой подушки» представляется возможным воспользоваться свойством замкнутости лучистых пото-

ков. Для замкнутой системы тел сумма коэффициентов облученности с одной поверхности в сторону всех окружающих поверхностей равна единице. Таким образом, коэффициент облученности с поверхности конуса дымовой струи на сумму поверхностей ПТ1...ПТ8 будет равен разнице единицы и суммы всех коэффициентов облученности с поверхности полосы конуса на ограждающие конструкции.

Рис. 2. К определению коэффициента облученности со свободно вращающегося дифференциального элемента на конечный прямоугольник

в)

Рис. 3. Аппроксимация формы дымовой струи в виде восьмигранной пирамиды, стоящей на своей вершине: а) вид сверху; б) вид сбоку; в) объемный вид

Следует иметь в виду, что не все поверхности, обращенные в помещение, взаимно обмениваются лучистой теплотой, так как сама струя стоит на пути лучистого теплообмена.

Выводы

1. Разработана математическая модель для расчета коэффициентов облученности всех поверхностей в помещении пожара с дымовой струей.

ВЕСТНИК 7/2011

2. Расчет коэффициента облученности методом интегрирования локальных для элементарной площадки коэффициентов для практического применения требует обязательного применения ЭВМ.

Литература

1. Блох А.Г. Основы теплообмена излучением - М. -Л.: Госэнергоиздат, 1962. - 332 с.

2. Е.Г.Малявина. Теплопотери здания.: справочное пособие/Е.Г.Малявина.-М.: АВОК-ПРЕСС, 2007. - 144 с.

3. Шепелев И.А. Аэродинамика воздушных потоков в помещении - М.: Стройиздат, 1978. -

144 с.

4. Hollands, K.G.T., 1995. "On the superposition rule for configuration factors," J. Heat Transfer, vol. 117, no. 1, pp. 241-245, Feb.

Literature

1. Bloh A.G. Osnovy teploobmena izlucheniem - M. - L. Gos'energoizdat 1962. - 332 s..

2. E.G.Maljavina. Teplopoteri zdanija. spravochnoe posobie/E.G.Maljavina.-M.: AVOK- PRESS, 2007. - 144 s.

3. Shepelev I.A. Aerodinamika vozdushnih potokov v pomeshenii - M.: Stroyizdat, 1978. -144 s.

4. Hollands, K.G.T., 1995. "On the superposition rule for configuration factors," J. Heat Transfer, vol. 117, no. 1, pp. 241-245, Feb.

Ключевые слова: пожар, помещение, излучение, теплопередача, коэффициент облученности, пирамида, дифференциальный элемент, интегрирование

Keywords: fire, room, radiation, heat transfer, radiation configuration factor, pyramid, differential element, integration

e-mail: Малявина Елена Георгиевна emal@Jist.ru; Бессонов Владислав Игоревич v-i-bessonov@yandex.ru