CC BY
14
Организация проведения экспериментов
по подтверждению адекватности математической модели процессов распространения дымовых газов в помещении
Скляров К. А., Сушко Е. А., Чухлебов А. В.,
Воронежский государственный архитектурно-строительный университет,
г. Воронеж
Численное моделирование, как один из наиболее эффективных методов исследования сложных физических процессов, находит все более широкое применение для исследования процессов распространения дымовых газов при возникновении пожаров в помещениях. Достоинства численного моделирования особенно значительны, когда проведение реального крупномасштабного эксперимента затруднено. Один из таких случаев - исследование распространения дымовых газов по зданиям с большим количеством связанных между собой помещений. Определяющим физическим явлением при этом является конвективное движение газовоздушных смесей. При таких условиях необходимо рассматривать существенно дозвуковое движение вязкой сжимаемой газовой смеси с учетом турбулентности, которая оказывает существенное влияние на рассматриваемый процесс.
Математическая модель, разработанная в [1], позволяет получить информацию о формировании:
— воздушных оттоков в помещении при запуске систем вентиляции в помещении;
— газовоздушных потоков в помещении при возникновении очага возгорания и отключенных системах вентиляции в помещении;
— газовоздушных потоков в помещении при возникновении очага возгорания и включенных системах вентиляции в помещении.
С целью подтверждения разработанной математической модели процессов распространения дымовых газов в помещении были проведены экспериментальные исследования. Изучались поля температур дымовых газов, возникающие в помещении с очагом возгорания [2,3].
Экспериментальная установка состоит из следующих элементов:
— помещение размером 6,25х6,1х3,25(И);
— устройство, моделирующее очаг возгорания, мощностью 3,4 кВт;
— система замеров температур воздуха;
— система тарировки датчиков температуры;
— система сопряжения датчиков с компьютером;
— программная часть, опрашивающая датчики и регистрирующая показания.
План помещения приведен на рис. 1. Модельный очаг возгорания приведен
на рис. 2. Координаты датчиков приведены в таблице.
В предлагаемой экспериментальной установке высокая точность измерений достигается за счет применения современных технических средств и про-
граммного обеспечения. Измерительная система измеряет и регистрирует температуру и скорость изменения температуры воздуха. Измерительная информация передается в ПК с последующей обработкой и записью в базу данных.
® 1 ® ® Г
Рис. 1. Схема лабораторного помещения с размещенными в нем датчиками: 1 - модельный очаг возгорания; 2 - температурные датчики
Рис. 2. Модельный очаг возгорания
Таблица 1
Координаты расположения температурных датчиков
Номер датчика Х, м У, м
1 1 0,5
2 1 1,5
3 1 2,5
4 2 0,5
5 2 1,5
6 2 2,5
7 4 0,5
8 4 1,5
9 4 2,5
Предложенный вариант измерительной системы обеспечивает высокую точность измерения температуры и может применяться для исследования быст-ропротекающих процессов.
Для измерения температуры использовались малоинерциальные термопары К-типа хромель (Сг-М)- алюмель (N1- А1). Максимальная погрешность измерений в диапазоне 1>100°С составляет 10С или 0,75 %.
Алгоритм измерения температуры состоит из следующих шагов:
— измерение температуры холодного спая;
— преобразование этой температуры в эквивалентное напряжение на выводах холодного спая термопары;
— суммирование этого напряжения с измеренным напряжением на выводах термопары;
— преобразование полученного напряжения в температуру, используя гра-дуировочную таблицу термопары или линеаризующее уравнение.
Зависимость напряжения на выходе термопары от температуры является нелинейной. Поэтому для нахождения температуры по измеренному значению напряжения необходимо использовалась аналитическая аппроксимация в виде полинома.
Основная проблема построения измерительной схемы на базе термопары связана с ее низким выходным напряжением, так как помехи промышленной частоты и радиопомехи, наведенные на элементах измерительной цепи, намного превышают это значение. Поэтому очень важно хорошо экранировать провода, идущие от термопары к системе сбора данных. Термопара должна быть подключена витой парой проводов, помещенных в общий экран.
Для подтверждения разработанной математической модели процессов распространения дымовых газов в помещении была проведена серия экспериментов. Исследовалась динамика температур в сечении помещения с устройством, моделирующим распространение теплых дымовых газов от очага возгорания. Результаты экспериментов приведены на рис. 3 - 6.
" 30
I
. 28 <о
о. &
£ 26 о с 5
Р 24
22 20 18
Рис. 3. Сравнение результатов температур в первой точке помещения и экспериментальных данных:_- расчет; .....— эксперимент
В выполненной работе представлены результаты сравнения расчетного и экспериментального распределения температур в помещении в различные мо-
время, с
менты времени. Сравнение расчетных и экспериментальных результатов позволяет сделать вывод о том, что, несмотря на некоторое расхождение формы изолиний концентраций, вызванное ограниченным количеством датчиков в зонах высоких градиентов температур, экспериментальные результаты с хорошей точностью согласуются с расчетными.
Рис. 4. Сравнение результатов расчетов температур во второй точке помещения
и экспериментальных данных:_- расчет;
эксперимент
Рис. 5. Сравнение результатов расчетов температур в третьей точке помещения
и экспериментальных данных:_- расчет;
эксперимент
Рис. 6. Сравнение результатов расчетов температур в четвертой точке помещения и экспериментальных данных:_- расчет; .....— эксперимент
Библиографический список
1. Скляров К. А. Моделирование взаимодействия вентиляционных потоков с конвективными потоками от источников теплоты: автореф. дис. ... канд. техн. наук: 05.23.03 / Кирилл Александрович Скляров. - Воронеж, 2008. - 18 с.
2. Скляров, К. А. Моделирование распространения дымовых газов по помещениям при угрозе возникновения пожара / К. А. Скляров, К. Н. Сотникова, Е. В. Порядина, М. А. Колодяжная // Научный журнал. Инженерные системы и сооружения. - 2011. — № 2. - С. 35-41.
3. Потапов, Ю. Б. Разработка математической модели распространения дымовых газов в начальной стадии пожара / Ю. Б. Потапов, К. А. Скляров, К. Н. Сотникова, С. А. Кончаков // Научный вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета. Строительство и архитектура. - 2011. — № 1. - С.136-143.
4. Сушко, Е. А. Анализ математических моделей, описывающих динамику опасных факторов пожара, и программных продуктов, реализующих расчет и визуализацию моделируемого процесса / Е. А. Сушко, И. А. Суконникова, Р. В. Баранкевич, А. Е. Пожидаева // Инженерные системы и сооружения. Научный журнал. Воронеж, Бизнес-Полиграфия, № 4(9), 2012 г.
