CC BY
6
Повышение эффективности динамических систем дымоудаления
за счет применения коробчатых вставок
Назаров Г. Е., Семенова К. В., Ульев Д. А.,
Ивановский институт ГПС МЧС России, г. Иваново
Дымо- и теплоудаление - важная часть пожарной безопасности зданий и сооружений. При пожаре в здании 90 % жертв пожара погибают не от огня, а от отравления токсическими газами.
При работе динамических систем дымоудаления в продольных вентиляционных шахтах, имеющих множество всасывающих отверстий (решеток), основной объём дымоудаления приходится на расположенные по краям отверстия, что в свою очередь приводит к почти полному отсутствию дымоудаления в центре. Это является причиной того, что по всей длине вентиляционной шахты (где расположены отверстия) дым распространяется беспрепятственно, а его удаление начинается только около краев шахты, что крайне негативно сказывается на площади задымления и скорости дымоудаления.
При решении этой задачи может быть использована особая конструкция вентиляционных каналов со специально подобранными вставками [1].
Задача вставок - обеспечить одинаковый расход воздуха на различных участках отверстия воздуховода. Вставки разделяют внутреннее пространство на полностью или частично изолированные друг от друга области с равной живой площадью поперечного сечения. Таким образом, в непосредственной близости от отверстия образуются несколько зон разряжения, что приводит к равномерному распределению аэрозоля по сечению вентиляционного канала. Количество вставок должно быть оптимально, то есть создавать условия равномерного распределения продуктов дымоудаления и не повышать гидравлического сопротивления всей системы.
Количество областей разряжения, организуемых вставками, определялось из следующих соображений.
• На большей площади сечения контролировать равномерность расхода воздуха сложнее, чем на небольшом по размерам участке.
• На большей длине зоны разряжения неравномерность расхода воздуха по длине тем выше, чем больше длина.
• Большое количество элементов вставок усложняют конструкцию в целом и ее изготовление в частности.
Рис.1. Вставка коробчатая
Согласно данной методике [2], необходимо, чтобы расходы воздуха через каналы, образованные секциями, были равны. Тогда перепады давлений во всех каналах будут отличаться минимально:
Q = 0(h2,h3,..., Vimin, (1)
где h2, h3,..., hN-1 - высоты участков (hj=0 - фиктивный участок);
N-1
Q = 1 |Ад -Ml> (2)
где Ар, - потеря напора при движении воздуха
Ар, =
l
е , е , г , 2 _—
Ь вх Ь вых Ъ от i j-y
i у
Vi 2
(3)
здесь <^вх, - местные сопротивления входа и выхода в каждый канал; ^от -сопротивление поворота канала на 900; ^ - коэффициент трения, определяемый по формуле Блазиуса:
0.3164 (4)
2 =
Re
0.25
где Re = qi • 2(hi + b); lt - длина i-того канала (средняя); b - ширина канала;
l, = l + 0,5яг + Yh,
i c ' ^^^ i
i=0
где г и 1С - соответственно радиус закругления и начальная длина канала, обусловленные технологическими особенностями изготовления и предварительно принимаемые заранее; - гидравлический диаметр канала:
А = 2(Ь - к1); (5)
V - скорость воздуха в /-ом канале:
Ьк; (6)
к
- расход воздуха через /-й канал. Необходимым условием является:
Ь!=0< И2< Ь3<.. .< ЬМ=И - 0,5пг. (7)
Для минимизации функции Q(h) вследствие её негладкости и учитывая условие (7) можно использовать один из квази-ньютоновских методов минимизации функций многих переменных.
i=2
Классический метод Ньютона использует гессиан функции. Шаг метода определяется, как произведение матрицы, обратной к гессиану, на градиент функции. Если функция является положительно определенной квадратичной формой, то за один шаг данного метода мы окажемся в её минимуме. В случае знаконеопределенной квадратичной формы, у которой нет минимума, мы сойдемся к седловой точке или к максимуму.
В нашем случае мы использовали квази-ньютоновский метод. В нем вместо гессиана используется его положительно определенная аппроксимация. Если гессиан положительно определен, то мы совершаем шаг по методу Ньютона. Если гессиан знаконеопределен, то перед совершением шага по методу Ньютона мы модифицируем гессиан так, чтобы он был положительно определен.
В этом случае шаг всегда совершается в направлении убывания функции.
Для вычислений по этому методу используем свободно распространяемый Ь - ББ08 - В алгоритм, учитывающий простые ограничения, накладываемые на переменные.
Для проверки теории коробчатых вставок были проведены опыты на установке рис 2.
Установка состоит из вентилятора 1 с приводом 2, соединенного с воздуховодами 3 и воздуховодом 4, в котором расположена вставка. Воздуховоды соединяются между собой посредством мягких вставок 5, выполненных из брезента. Для исключения влияния сторонних воздушных потоков на зону измерений над заборным отверстием улитки вентилятора 1 предусмотрен козырек 6. Вся конструкция закреплена на станине 7 с подвижной платформой 8.
Для наглядности приведем результаты опытов с коробчатыми вставками и без оных.
Для базового варианта коэффициент вариации составил 33,92 %, для варианта со вставкой - 3,98 %.
На основании полученных результатов можно сделать вывод, что применение коробчатых вставок ведет к выравниванию воздушного потока, и позволяет производить дымоудаление по всей площади отверстий.
v, м/с
Рис. 2. Схема экспериментальной установки
Рис. 3. Диаграмма распределения
скорости воздушного потока V по ширине отверстия воздуховода без вставки
11ттП1
IV V VI VII VIII IX Сечения
V, м/с
Рис. 4. Диаграмма распределения скорости воздушного потока V по ширине отверстия воздуховода с коробчатой вставкой
Библиографический список
1. Пат. на полезную модель 39602 РФ, МПК7 В 01 О 25/00, 15/46. Устройство для формирования волокнистого настила [Текст] / Зарубин В. М., Глин-кин П. М., Шмелев С. А., Ульев Д. А., Шмелева Т. В., Полякова Е. В., Кочетков И. В. — № 2004110509/22; заявл. 07.04.2004; опубл. 10.08.2004, Бюл. № 22.
2. Ульев, Д. А. Механика газа в системах дымоудаления с установленными вставками. / Пожарная и аварийная безопасность: материалы VI Международной научно-практической конференции, посвященной 45-летию Ивановского института ГПС МЧС России. / ИвИ ГПС МЧС России. - Иваново, 2011. - Ч. I. -С. 362 - 364.
