ПРОГНОЗ ПРОЦЕССОВ, ПРОИСХОДЯЩИХ В СОПЛЕ УСТРОЙСТВ ПОЖАРОТУШЕНИЯ С ГАЗОДИНАМИЧЕСКИМ ПРИНЦИПОМ РАСПЫЛЕНИЯ ЖИДКОСТИ Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК [614.844.2:62-181.4]:[522.525.2:001.891.572]

ПРОГНОЗ ПРОЦЕССОВ, ПРОИСХОДЯЩИХ В СОПЛЕ УСТРОЙСТВ ПОЖАРОТУШЕНИЯ С ГАЗОДИНАМИЧЕСКИМ ПРИНЦИПОМ РАСПЫЛЕНИЯ ЖИДКОСТИ

В. Л. ЕФИМЕНКО

Государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Академия гражданской защиты МЧС ДНР», Донецкая Народная Республика, г. Донецк E-mail: vitale.2020@mail.ru

Для подавления пожаров в начальной стадии развития применяют установки импульсного пожаротушения, в конструкцию которых входят устройства с газодинамическим принципом распыления жидкости. Для повышения эффективности при тушении пожаров необходимо провести аналитические исследования и разработать конструкцию устройства с оптимальным геометрическим профилем сопла, учитывая предъявляемые требования к устройствам, формирующие тонкораспыленный огнету-шащий состав.

С помощью численных решений уравнений, определены численные значения газодинамических параметров, происходящих в сопле устройства пожаротушения с газодинамическим принципом распыления жидкости. Представлены уравнения, характеризующие кинетику газовых и капельных потоков, протекающих в сопле, их температурные и энергетические показатели в зависимости от его геометрии. Уравнения позволяют определить соотношение диаметра и длины сопла устройства пожаротушения с газодинамическим принципом распыления жидкости.

Ключевые слова: газодинамический принцип распыления жидкости, газодинамический профиль сопла, скорость двухфазного газокапельного потока, энергии газокапельного потока, массовый расход газовой и капельной фазы.

FORECAST OF PROCESSES OCCURRING IN THE NOZZLE OF FIRE EXTINGUISHING DEVICES WITH THE GAS-DYNAMIC PRINCIPLE OF LIQUID SPRAYING

V. L. EFIMENKO

State budgetary educational institution of higher education «Academy of Civil Protection of the Ministry of Emergency Situations of the DPR», Donetsk People's Republic, Donetsk E-mail: vitale.2020@mail.ru

To suppress fires in the initial stage of development, pulsed fire extinguishing installations are used, the design of which includes devices with the gas-dynamic principle of liquid spraying. To increase the efficiency in extinguishing fires, it is necessary to conduct analytical studies and develop a device design with an optimal geometric nozzle profile, taking into account the requirements for devices forming a finely dispersed extinguishing agent.

Numerical solutions of the equations are used to determine the numerical values of the gas-dynamic parameters occurring in the nozzle of the fire extinguishing device with the gas-dynamic principle of liquid spraying. The equations characterizing the kinetics of gas and droplet flows flowing in the nozzle, their temperature and energy parameters depending on its geometry are presented. The equations allow us to determine the ratio of the diameter and length of the nozzle of the fire extinguishing device with the gas-dynamic principle of liquid spraying.

Key words: the gas-dynamic principle of liquid atomization, the gas-dynamic profile of the nozzle, the velocity of the two-phase gas-droplet flow, the energy of the gas-droplet flow, the mass flow rate of the gas and droplet phase.

© Ефименко В. Л., 2022

В научных работах по разработкам установок пожаротушения с газодинамическим принципом подачи огнетушащих веществ недостаточно полно описаны физические внутри-камерные процессы, происходящие в устройствах, входящих в конструкцию самой установки [5, 6, 7, 8]. К таким устройствам относится пожарный ствол с соплом и с другими конструктивными его элементами.

Обоснование параметров устройств пожаротушения с газодинамическим принципом распыления жидкости позволит расширить тактические возможности подразделений по-жарно-спасательных служб при тушении пожаров, и реализовать условия эффективной подачи огнетушащего вещества для ликвидации горения, что является актуальной научно-технической задачей.

Разработанная математическая модель [1], позволила выполнить численные исследования и получить рациональный профиль газокапельного сопла устройства пожаротушения с газодинамическим принципом распыления жидкости, в результате чего повысится эффективность тушения пожара. Для более четкого понимания связи длины третьего участка параболоида вращения с диаметром сопла устройства пожаротушения необходимо разработать выражение, позволяющее определить численные значения газодинамических параметров сопла и соответствующие этим параметрам - длины и диаметра каждого из трех участков.

Целью работы является установление закономерностей внутрикамерных газодинамических процессов для обоснования параметров устройств распыления жидкости.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- разработать уравнения, которые определяют значения газодинамических параметров, характеризующие кинетику газовых и капельных потоков, протекающих в сопле, их температурные и энергетические показатели в зависимости от его геометрии.

- определить соотношение диаметра и длины сопла устройства пожаротушения с газодинамическим принципом распыления жидкости.

Скоростные потоки, проходящие в стволе через динамические составляющие их частей в виде дифференциальных уравнений, начальные условия дифференциальных уравнений задаются в начале каждого участка сопла устройств пожаротушения с газодинамическим принципом распыления жидкости (далее - устройство пожаротушения), после чего осуществляется итеративная процедура прогнозированных значений показателей на этом участке.

Геометрия сопла устройства пожаротушения состоит из участков 3 тел вращения (рис. 1):

1 участок - конус, длиной Ь1 - Ь2 ,м м; 2 участок - цилиндр, длиной Ь 2-Ь 3 ,м м; 3 участок - конус, длиной .

Рис. 1. Схема участков сопла устройства

Решением дифференциальных уравнений сопровождается заданием начальных условий.

Зависимость динамики скоростной характеристики газового потока в сопле:

duY dx

dP

6 DCK g

иГ-рГ dx 7z-dyjuI-pI

~ , (1)

or

где иг - скорость газа, м/с; рг - плотность газа, кг/м ; Р - давление, зависящее от длины участка сопла, Па; £>ск - сопротивление одной капли, Н; ^ - диаметр капли, м; д - коэффициент загрузки двухфазного потока каплями; т - коэффициент сопротивления газа; й - диаметр сопла, м; Сг - массовый расход газовой фазы, кг/с.

При решении дифференциального уравнения динамики скоростной характеристики газового потока методом Рунге-Кутта получены показатели скорости и давления газа.

Уравнение прогноза капельного потока:

duK dx

^ +

6-DCK-g

ик-рк dx n-d^-uK-pK '

(2)

где: ик - скорость капли, м/с; - плотность

3

капли, кг/м .

При решении дифференциального уравнения прогноза капельного потока методом Рунге-Кутта получены показатели скорости и давления капельного потока.

Результаты расчетов показателей влияния давления на изменение скорости газа и капель на участках составных частей сопла представлены на рис. 2 и 3.

Рис. 2. Влияния давления на изменение скорости газа на участках составных частей сопла

Рис. 3. Влияние давления на изменение скорости капельного потока на участках составных частей сопла

Характер тепловой нагрузки определяется зависимостями (3) и (4):

ср-ТТ + 0, 5 -и? + д- (сТк + 0, 5 ■ и2) = ср ■ Тг(0) + 0, 5 ■ [иг(0) ]2 + д{с ■ Тк(0) + 0, 5 ■ [иг(0) ]2}.......(3)

где: ср - теплоемкость газа при постоянном давлении, Дж/кгК; Тг - температура газа, К, Тк-температура капли, К, с - теплоемкость вещества капли (воды), Дж/кгК.

dTr _ 6а§1Т r ~ Тк) ur_ du^ ,

(4)

d pu с

к к p

где Х- коэффициент теплоотдачи между воздухом и каплями, Вт/(м К); р -плотность воды, кг/м3.

Величина давления в сопле ствола рассчитывается согласно (5):

'т = Ч(1-^М(7)4-Ч7)2Н ■ ®

где - начальное давление газокапельного потока, Па; х - координата точки по длине сопла, м.

Параметры газового потока определяются согласно закона Бойля-Мариотта

Р (х)■V = ■^-■R■Т = M■Bcu■Т = ( Ск + Сг)^,,,^, (6)

где V - объем газокапельного потока, м3; М - общая масса газокапельного потока, кг; цсм - коэффициент динамической вязкости газокапельного потока; Р - универсальная газовая постоянная, Дж/(кгК); Всм - переменная зависимости от доли потока; Т - температура газокапельного потока, К; Сг - массовый рас-

ход газовой фазы, кг/с; Ск - массовый расход капельной фазы, кг/с.

BCM= — = R-(aT + aK) , (7)

Исм

где - весовая доля газа; - весовая доля капель воды.

Параметры газокапельных потоков:

весовая доля газа:

aT =

Gr

ск+сг

весовая доля капель воды:

aK = ■

(8)

(9)

ск+сг

Энергия капельного потока:

EK = GK- (J^)2 = GK- — - (J^)2 . (10)

к 1 VJ1 K 2 aK VJ1 dxJ v '

При решении дифференциального уравнения определения энергии капельного потока методом Рунге-Кутта получены показатели изменения энергии капельного потока от длины, на участках составных частей сопла. На рис. 4 изображено изменение энергии капельного потока на третьем участке составных частей сопла.

Энергия газового потока:

= (С^г)2 = Ск ■ ■ (С^г)2 . (11)

г т к->1 ¿Г-1 к 2 аг йх' 4 '

с

p

Рис. 4. Изменение энергии капельного потока на третьем участке составных частей сопла

Решающим в выбросе газокапельного потока является третий участок сопла, выполненный в виде параболоида вращения [2,3] (рис. 6).

При решении дифференциального уравнения определения энергии газового потока методом Рунге-Кутта получены показатели изменения энергии газового потока от длины, на участках составных частей сопла. На рис. 5 изображено изменение энергии газового потока на третьем участке составных частей сопла.

Рис. 6. Параболоид вращения

Который описывается уравнением

—+ ^ = 2-L . (15)

р а

При этом:

Рис. 5. Изменение энергии газа на третьем участке составных частей сопла

* = у = - р=5>0,

1 I А

р = Г

(16)

где - параметр процедуры параметрической идентификации, , - инварианты нормирующие плоскости в пространстве геометрических размеров параболоида[4]

Исходя из этого получаем зависимость:

Энергия газокапельной смеси:

Ясм=^[Ссм-«к(/^) +СсМ-«г(/^) ]. (12)

^см = + Ск .

(13)

Работа газокапельного потока при переходе из одного участка ствола в другой:

А = (^-^-Д -T-Zn-^) , (14)

«Г + «К V

где - давление в предыдущем отделе сопла, - давление в последующем отделе сопла.

D (L ) = — .

V У 2 р

(17)

На основании представленных материалов возможно сделать следующие выводы: расчеты по приведенной системе уравнений позволяют определить конструктивные особенности сопла, физические и энергетические характеристики процессов, протекающих в частях сопла. Кроме того, по расчетным зависимостям осуществляется определение геометрических параметров длины и диаметра третьей составляющей части сопла, реализованной в виде короткофокусного параболоида вращения. Приведенное выражение, позволяет связать длину третьего участка параболоида вращения с диаметром сопла устройства пожаротушения с газодинамическим принципом распыления жидкости.

Список литературы

1. Ефименко В. Л. Обоснование геометрических параметров сопла пожаро-тушащей установки // Вестник Академии гражданской защиты. 2022. № 2 (30). С. 12-17.

2. Александров П. С. Лекции по аналитической геометрии, дополненные необходимыми сведениями из алгебры. М.: Наука, 1968. 905 с.

3. Ильин В. А., Позьняк Э. Г. Аналитическая геометрия. М.: Наука, 1971. 232 с.

4. Корн Г. Н., Корн Т. Н. Справочник по математике для научных работников и инженеров. Определения. Термины. Формулы. М.: Наука, 1974. 831 с.

5. Патент 24639 Российская Федерация, МПК А62С13/00, В05В7/04. Устройство для пожаротушения / А. В. Карпышев; опубл. 20.08.2002, Бюл. № 23.

6. Патент 2297864 Российская Федерация, МПК А62С 13/00. Устройство пожаротушения / А. Л. Душкин, А. В. Карпышев; А. Л. Душкин [и др.]; опубл. 27.04.2007. Бюл. № 12.

7. Патент 2121390 Российская Федерация, МПК А62С 31/02. Установка для пожаротушения / Ю. В. Зуев, А. В. Карпышев., И. А. Лепшинский; опубл. 10.11.1998.

8. Патент 2316369 Российская Федерация, МПК А62С 31/02. Устройство пожаротушения / А. Л. Душкин, А. В. Карпышев; А. Л. Душкин, А. В. Карпышев; опубл. 10.02.2008. Бюл. № 4.

References

1. Efimenko V. L. Obosnovaniye ge-ometricheskikh parametrov sopla pozharo-tushashchey ustanovki [Justification of geometric parameters fire extinguishing nozzles]. Vestnik Akademll grazhdanskoy zashchity, 2022, vol. 2 (30), pp. 12-17.

2. Aleksandrov P. S. Lektsii po analitich-eskoy geometrii, dopolnennyye neobkhodimymi svedeniyami iz algebry [Lecture on analytic geometry, supplemented with the necessary information from algebra]. M.: Nauka, 1968, 905 p.

3. Ilyin V. A., Poznyak E. G. Analitich-eskaya geometriya [Analytic geometry]. M.: Nauka, 1971, 232 p.

4. Korn G. N., Korn T. N. Spravochnik po matematike dlya nauchnykh rabotnikov i inzhen-erov. Opredeleniya. Terminy. Formuly [Handbook of mathematics for scientists and engineers. Definitions. Terms. Formulas]. M.: Nauka, 1974, 831 p.

5. Karpyshev A. V. Ustroystvo dlya pozharotusheniya [Fire extinguishing device], Patent 24639 Rossiyskaya Federatsiya IPC A62 C 13/00, B 05B7/04, opubl. 20.08.2002, Byul. № 23.

6. Dushkin A. L., Karpyshev A. V.; Dush-kin A. L. [et al.]. Ustroystvo pozharotusheniya [Fire extinguishing device], Patent 2297864 Rossiyskaya Federatsiya IPC A62S 13/00, opubl. 27.04.2007, Byul. № 12.

7. Zuev Yu. V., Karpyshev A. V., Lep-shinsky I. A. Ustanovka dlya pozharotusheniya [Fire extinguishing installation], Patent 2121390 Rossiyskaya Federatsiya IPC A62S 31/02, opubl. 10.11.1998.

8. Dushkin A. L., Karpyshev A. V.; Dushkin A. L. [et al.]. Ustroystvo pozharotusheniya [Fire extinguishing device], Patent 2316369 Rossiyskaya Federatsiya IPC A62S 31/02, 2006122074/12, opubl. 10.02.2008, Byul. № 4.

Ефименко Виталий Леонидович

Государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Академия гражданской защиты МЧС ДНР», Донецкая Народная Республика, г. Донецк

старший преподаватель кафедры организации службы, пожарной и аварийно-спасательной подготовки факультета «Пожарной безопасности» E-mail: vitale.2020@mail.ru Efimenko Vitaly Leonidovich

State budgetary educational institution of higher education «Academy of Civil Protection

of the Ministry of Emergency Situations of the DPR»,

Donetsk People's Republic, Donetsk,

Senior Lecturer

E-mail: vitale.2020@mail.ru