CC BY
52
К 70-летию КАФЕДРЫ «АЭРОЛОГИЯ И і ОХРАНА ТРУДА»
:, №'■ В.И. Филиппов,: 2000 : ::: :
УДК 533.6:622.82:622.6
В.И. Филиппов
ВОЗДЕЙСТВИЕ ТЕПЛОВОГО ФАКТОРА ПОЖАРА И ПОРШНЕВОГО ЭФФЕКТА ПОДВИЖНОГО СОСТАВА НА ДИНАМИКУ ВОЗДУШНЫХ ПОТОКОВ В ТРАНСПОРТНЫХ ТОННЕЛЯХ
Н
аибольшая опасность людей в метрополитене возникает при пожаре в перегонном тоннеле и одновременной остановкой в нем подвижного состава.
Это прежде всего связанно с ограниченностью объема подземного пространства перегонного тоннеля, его значительной длиной, ограниченной видимостью, отсутствием эффективных противопожарных мероприятий. При скорости воздушных потоков 0.2—1.8 мс в перегонных тоннелях происходит распространение ядовитых продуктов горения и дыма на значительные расстояния за сравнительно короткий промежуток времени.
В такой ситуации возникает необходимость эвакуации пассажиров, продолжительность которой в зависимости от количества людей и расстояния до станций может достигать 1,5 часа (2).
Для обеспечения безопасной эвакуации людей от места пожара на промежуточную станцию необходимо создать устойчивый приток свежего воздуха в тоннеле, навстречу эвакуирующимся. Под устойчивостью принято понимать способность воздушного потока сохранять заданное направление в условиях действия препятствующих факторов. На стабильность воздушного потока при пожаре будут оказывать влияние тепловая депрессия пожара и напоры, обусловленные поршневым эффектом поездов, движущихся по близлежащим тоннелям, соединенным с аварийным множеством аэродинамических связей.
Тепловая депрессия пожара имеет аналогичную с тепловой депрессией естественной тяги природу, но значительно большую величину.
Тепловая депрессия пожара Т определяется температурой холодного воздуха в тоннеле до пожара Т и температурой газовоздушной смеси в очаге пожара Т2. Величина тепловой депрессии пожара для перегонных тоннелей, имеющих наклон в средней части согласно (1) имеет вид:
^=г^тб(Г2-Т1/273+Г2) ; (1)
где Ь - длина аварийного участка тоннеля. м; б - угол
наклона тоннеля. град.
Наибольшая сложность при расчете тепловой депрессии пожара связана с определением температуры Т2, которая, как правило, усредняется.
Условие, обеспечивающее
устойчивость воздушного потока в аварийном перегонном тоннеле, имеет вид:
Нь >М + hпэ ; (2)
где - напор, создаваемый
вентилятором. Па; Ь - напор (тепло-вая депрессия) пожара, Па; Мш - напор, создаваемый движением поезда (поршневой эффект), Па.
Напор, развиваемый
вентиляционными установками в тоннеле, определяется из выражения (1).
Нь = RQ2 ;
(3)
где R - аэродинамическое сопротивление тоннеля; Q -расход воздуха в тоннеле, м3с.
Исследованиями (1) установленно значительное снижение скорости воздушных потоков, поступающих к месту пожара в аварийном тоннеле, что свидетельствует об изменении его аэродинамического сопротивления.
Аэродинамическое сопротивление аварийного тоннеля, которое необходимо преодолеть системе вентиляционных установок при пожаре, определяется из формулы:
R = 1.23щ2[КТ1/Т0 + г^2]Г1/То - 0.81); (4)
где щ - коэффициент, учитывающий увеличение объема газовой смеси за очагом пожара; а0,Г0 - соответственно, удельный вес и абсолютная температура воздуха,
поступающего к очагу пожара; Г1 - средняя абсолютная температура за очагом пожара, С0; S - площадь поперечного сечения тоннеля, м2.
Изменение аэродинамического сопротивления перегонных тоннелей при пожаре возможно связанно с изменением физических свойств воздуха, а также образованием своеобразной тепловой завесы, создающей местное сопротивление поступающему потоку воздуха. Однако, по имеющимся в литературе сведениям (3), не представляется возможным прогнозировать величину
аэродинамического сопротивления тоннелей при пожаре.
Устойчивость вентиляционного потока в наклонной ветви тоннеля при нисходящем проветривании будет обеспечена в том случае, если напор этой ветви, обусловленный работой вентиляционных систем, превышает величину тепловой
депрессии пожара. Увеличение тепловой депрессии в процессе
развития пожара вызывает противодействие воздушному потоку, создаваемому вентиляционной системой, что эквивалентно увеличению аэродинамического сопротивления тоннельного участка. Данное обстоятельство способствует увеличению напора в результате его перераспределения между ветвями вентиляционной сети.
Величина напора, обеспечивающая стабильность вентиляционного потока двух параллельных тоннелей определяется из выражения (2).
Мь = 0.9Рп^ + Qn)2; (5)
где Rn - аэродинамическое сопротивление тоннеля, параллельного аварийному; Qn - расход воздуха в рассматриваемой и параллельной ветвях тоннеля, м3с-1.
Возникновение пожара в наклонной ветви тоннеля с восходящим проветриванием характеризуется совпадением направления тепловой депрессии пожара и напора, создаваемого вентиляционной системой. Данное обстоятельство способствует повышению устойчивости вентиляционной струи. Следует однако помнить, что под воздействием тепловой депрессии пожара может произойти опрокидывание вентиляционной струи в тоннеле, параллельной с аварийным, что приведет к его задымлению, а затем и к рециркуляции продуктов горения в соседних тоннелях.
Величина напора, обеспечивающая устойчивое восходящее проветривание двух параллельных тоннелей, при возникновении в одном из них пожара, имеет вид:
Мь = RaQ2kp ; (6)
где Ra - сопротивление аварийного тоннеля; Qkp -
критический расход воздуха в аварийном тоннеле, м3с-1.
При этом, согласно (2)
Qkp = (Ь^22 - h2Q2)/(hl - М2); (7)
где 1, 2 - напор в аварийном и параллельном с ним тоннелях, Па; Q1, Q2 - расход в аварийном и параллельном с ним тоннелях, м3с-1.
На состояние воздушной среды в аварийной ветви тоннеля будут оказывать поезда, движущиеся в параллельном и последовательных направлениях.
Аэродинамические силы, образующиеся в результате движения, зависят от относительной скорости воздушной среды и поезда. При неподвижном поезде напор, обтекающего состав, расходуется на преодоление лобового сопротивления и сопротивления трения о поверхности вагонов и обделки тоннеля. Во время движения поезда воздух увлекается в направлении движения за счет сил давления, обусловленных лобовым сопротивлением и сил трения, возникающих в результате взаимодействия обтекаемых поверхностей с воздушной средой. При этом происходит торможение воздушного потока о поверхность тоннеля и часть напора, формируемого движущимся поездом, теряется на преодоление силы трения. Доля влияния сил давления и сил трения на процесс
формирования напора, обусловленного поршневым эффектом, зависит от соотношения площадей миделева сечения вагона и поперечного сечения тоннеля, формы вагонов их аэродинамических характеристик, а также длины поезда. Полный напор, обуславливающий поршневой эффект в тоннеле, определяется из выражения (3):
hns = кл.с. + hn; (8)
где ^.с. - напор, теряемый на преодоление лобового сопротивления или создаваемый движущимся поездом за счет сил давления, Па; hj, - напор, формируемый движущимся поездом, Па.
Кс. = [Sm/S + Co(1 - Sm/S)] cV2/2; (9)
где Sm - площадь миделева сечения вагона, м2; Со -коэффициент лобового сопротивления для тел, обтекаемых в неограниченном пространстве; V - скорость воздушного потока, м.с-1.
hn = 6n[(S - SmiPLnV2 n/S2]; (10)
где бп - коэффициент аэродинамического сопротивления поезда, кг.сек2.м-4; Рв - периметр вагона поезда, м; Ln -длина поезда, м; Vn - скорость поезда, м.с-1.
Подставив в (8) значение Ьл.с. и Ьп из (9) и (10), получим:
h = [sm/S + Co(1 - Sm/S)]^ + en[(S -
- Sm)PnLnV2n/S2]; (11)
Из выражения (11) следует, что движение поездов по перегонным тоннелям, параллельным с аварийным, соединенными между собой сбойками, переходами, посадочными станциями, за счет поршневого эффекта будут влиять на расход и направление движения воздуха в вентиляционной системе, а следовательно, и на параметры воздушных потоков, обеспечивающих безопасную эвакуацию.
Полученные зависимости, определяющие воздействие тепловой депрессии пожара и поршневого эффекта движущихся поездов на вентиляционною сеть метрополитена позволяют создать модель управления воздушными потоками в перегонных тоннелях при возникновении аварийных ситуации.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Бурчаков А.С., Мустель П.И., Ушаков К.З. Рудничная аэрология.; М., «Недра», 1917.
2. Беляцкий В.П. Противодымная защита
подземных сооружений: Обзорная
информация, - М.: ГИЦ МВД СССР, 1990г.
3. Дьяков В.В., Филиппов В.И.,
Батанина Формирование воздушного
напора за счет сил давления образуемых поездом при движении в тоннелях метрополитена. НТЖ
«Пожаробезопасность». №2, 1996г
Филиппов Владимир Ильич — Московский государственный горный университет.
