Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Пожарная и промышленная безопасность (по отраслям)

Диссертационная работа:

Кошмаров Михаил Юрьевич. Моделирование динамики начальной стадии пожара в помещениях, зданиях и сооружениях при воспламенении горючей жидкости : Дис. ... канд. техн. наук : 05.26.03 : Москва, 2004 201 c. РГБ ОД, 61:05-5/1952

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

1. Анализ существующих методов определения необходимого времени

эвакуации людей из помещения при воспламенении горючей жидкости 13

1.1. Нормативные критерии своевременной и беспрепятственной эвакуации

людей 13

1.2.Проблема использования полевых математических моделей пожара в

инженерной практике для вычисления необходимого времени эвакуации 15

1.3. Анализ существующих методов расчета критической продолжительности
пожара, базирующихся на интегральной математических моделей пожара с
использованием различных допущений 18

2. Математическая модель начальной стадии пожара в помещении

при воспламенении горючей жидкости. 38

  1. Исходные положения и уравнения 38

  2. Лучистый тепловой поток от факела пламени в ограждения 43

  3. Конвективная теплоотдача от газовой среды в ограждения 51

  4. Температурный режим пожара при горении горючей жидкости 58

  5. Снижение концентрации кислорода в помещении

при возникновении пожара 72

2.6. Накопление токсичных газообразных продуктов горения в

помещении при возникновении пожара 80

2.7.Снижение дальности видимости при пожаре в помещении 85

2.8. Модифицированная математическая модель начальной стадии
пожара, учитывающая изменение скорости выгорания горючей
жидкости со временем 88

3. Экспериментальные исследования. Методика экспериментов, анализ

результатов измерений и их обработка, сравнение теории с опытом 109

З.І.Общие сведения о базе опытных данных, полученных при исследованиях

пожаров, возникающих при воспламенении горючей жидкости 109

3.2.Методика определения поправки к показанию ТЭТ при быстром

изменении температуры газовой среды, заполняющей помещение

в начальной стадии пожара 113

З.З.Методика экспериментального определения средней температуры

газовой среды 129

3.4. Экспериментальное исследование температурного режима

пожара в маломасштабных моделях помещения и сравнение результатов

опытов с теорией 135

3.5.Экспериментальные исследования пожаров в натурных объектах и сравнение

результатов опытов с теоретическими расчетами. .....165

З.б.Обобшение экспериментальных данных о критической продолжительности

пожара. 175

3.7.Анализ результатов измерений концентраций компонентов газовой среды, заполняющей помещение при пожаре, их обработка и сравнение с теоретическими

расчётами 182

Общие выводы 188

Список литературы 190

Приложение. Акты внедрения 196

Основные обозначения

Со - коэффициент излучения абсолютно чёрного тела;

D - дымообразующая способность;

Fr,Fw соответственно, площадь очага горения и суммарная

площадь поверхностей ограждений;
Gr - расход газов, покидающих помещение через проемы;

Н - высота проёма;

Li - количество кислорода, необходимое для сгорания единицы

массы ГЖ;
Mr - масса ГЖ;

-безразмерные комплексы, характеризующие соответственно, убыль Ог

содержание токсичного газа и концентрацию дыма;
Qx -теплота сгорания ГЖ;

Т„ - средняя температура газовой среды в помещении.

V - свободный объём помещения;

х\ - среднеобъёмная концентрация кислорода;

хг -среднеобъёмная концентрация токсичного газа;

а -коэффициент конвективной теплоотдачи;

р - доля тепловой энергии, излучаемой факелом пламени;

у -безразмерный комплекс (параметр «теплопоглощения»);

є - степень черноты;

г) - коэффициент полноты горения;

& -безразмерная температура газовой среды;

Л - теплопроводность;

film - среднеобьёмная оптическая плотность дыма;

v - кинематическая вязкость газа;

Рщ - среднеобъёмная плотность газовой среды;

г - время, отсчитываемое от момента воспламенения ГЖ;

- коэффициент теплопотерь;

У - скорость выгорания (газификации) ГЖ.

Сокращения

ГЖ - горючая жидкость

ОФП - опасные факторы пожара

КПП - критическая продолжительность пожара

НВЭ - необходимое время эвакуации людей

ММП - математическая модель пожара

ТЭТ -термоэлектрические термометры

Введение к работе:

Актуальность работы. В России в последнее десятилетие ежегодно на объектах различного назначения происходит около четверти миллиона пожаров. Каждый год на пожарах гибнет 17-18 тыс. человек и почти столько же травмируется. Число погибших людей в расчёте на одного жителя России во много раз превышает аналогичный показатель в развитых зарубежных странах. Проблема повышения уровня безопасности людей на пожарах является особенно актуальной.

Для обеспечения безопасности людей необходимо разрабатывать и обосновывать конструктивные и объёмно-планировочные решения в строительстве с учётом динамики опасных факторов пожара (ОФП) и вероятности воздействия этих факторов на человека. Эти решения должны предусматривать возможность своевременной и безопасной эвакуации людей в случае возникновения пожара. Эвакуация является успешной, если расчётное время эвакуации меньше необходимого времени эвакуации. Это условие безопасности, сформулированное в ГОСТ12.1.004-91, лежит в основе нормирования процесса эвакуации. Моделирование этого процесса (этот вопрос подробно рассмотрен в работах профессора В.В. Холщевникова) позволяет определить расчётное время эвакуации.

При проектировании необходимых для этого эвакуационных путей и выходов нужно располагать методом расчёта критической продолжительности пожара (КПП).

Особенного внимания в этом отношении требуют объекты с повышенной пожарной опасностью. К таким объектам относятся цеха химических и нефтеперерабатывающих предприятий, складские помещения и другие сооружения, в которых обращаются и хранятся значительные количества горючих жидкостей. Разработке методов определения КПП в таких объектах был посвящен целый ряд экспериментальных и теоретических исследований динамики ОФП.

Экспериментальные исследования динамики ОФП в помещениях при горении ГЖ проводили Пчелинцев В.А., Демский ВГ(1965), Башкирцев М.П.(1967), Юн СП. (1985), Гуско И.Д. (1988) и др исследователи. Конечные результаты, представленные разными авторами в виде эмпирических или полуэмпирических формул для расчёта критической продолжительности пожара (КПП) носят частный характер и не согласуются друг с другом. Критического анализа, классификации и систематизации всех имеющихся опытных данных о динамике ОФП при горении ГЖ до настоящего времени не проводилось.

Теоретические исследования проводились на основе интегрального и полевого математического моделирования пожара.

Значительный вклад в развитие полевого метода моделирования был сделан в работах Рыжова A.M., Пузача СВ., Снегирёва А.Ю., Страхова В.Л., Астаховой И.Ф., и ряда зарубежных учёных. Исследования динамики пожаров на основе полевой модели носили характер численного единичного эксперимента. Результаты таких экспериментов получены для ряда частных условий в некоторых помещениях с конкретными геометрическими характеристиками. Обобщений результатов таких численных экспериментов для каких-либо классов пожаров с целью получения достаточно общих аналитических зависимостей КПП от определяющих факторов до сих пор не проводилось.

Значительный вклад в развитие интегрального метода моделирования, предложенного проф. Кошмаровым Ю.А., был сделан в работах Зотова Ю.С. Матюшина А.В., Меркушкиной Т.Г., Зернова СИ., Астапенко В.М, Шевлякова А.Н, Молчадского И.С., Юна СП., Рубцова В.В., и др. Интересные разработки по вопросу комбинированного метода использования полевого и интегрального моделирования были опубликованы в работах Пузача СВ. и Казёнова В.М.Теоретические разработки интегрального метода моделирования послужили основой для создания аналитической методики расчёта КПП при горении ГЖ, представленной в Государственном Стандарте (ГОСТ

12.1.004-91). Однако, формулы Государственного стандарта для расчета КПП были получены с использованием малообоснованных допущений при решении дифференциальных уравнений интегральной модели пожара. Одним из таких, наиболее существенных, допущений является постулат о том, что отношение теплового потока в ограждения к скорости тепловыделения в очаге горения есть величина постоянная в течение всего интервала времени, равного КПП.

На основании проведённого анализа было установлено, что результаты расчётов КПП при горении ГЖ по известным эмпирическим формулам, по формулам ГОСТа и по формулам, представленным разными авторами в работах, опубликованных после ГОСТа, могут отличаться друг от друга в несколько раз. Кроме того, существующие формулы плохо согласуются с данными экспериментов, полученными разными исследователями при существенно различающихся условиях. Этот анализ показал, что в настоящее время отсутствует достаточно обоснованный и апробированный аналитический метод расчёта КПП при воспламенении ГЖ. Следовательно, разработка на базе интегрального метода более совершенной математической модели начальной стадии пожара при воспламенении ГЖ и создание на её основе обоснованного и достоверного аналитического метода расчёта КПП является актуальной задачей обеспечения безопасности людей при пожарах. Достоверное прогнозирование динамики ОФП необходимо для разработки и обоснования объёмно-планировочных решений зданий и сооружений, обеспечивающих в случае пожара возможность безопасной эвакуации людей. Объектом исследования в данной работе являются локальные пожары в помещениях и сооружениях при фиксированной площади очага горения ГЖ. Предметом исследования являются закономерности процессов нарастания всех ОФП со временем в начальной стадии пожара. Начальной стадией пожара (НСП) в данной работе называется интервал времени (отсчитываемый от момента воспламенения ГЖ), по истечению которого температура среды в рабочей зоне становится равной предельно-

допустимому для людей значению т.е. ^-70^ (ГОСТ 12.1.004-91). Для обозначения этого интервала времени используется аббревиатура «KillIT». Если какие-либо ОФП (концентрация Ог и токсичных газов, оптическая плотность дыма) достигают своих критических значений за время, меньше указанного, то наименьшее из них рассматривается как КПП.

Наиболее опасные варианты проявления процессов нарастания ОФП в случае, когда помещения имеют малую проёмность. Поэтому в данной работе рассматриваются пожары в таких помещениях (Fn^^, / Fnoil « 1). Интенсивность выгорания ГЖ зависит от расположения очага горения относительно вертикальных ограждений (стен помещения). Наибольшая тепловая мощность очага горения наблюдается при условиях, когда очаг достаточно удалён от стен помещения. В работе исследуется динамика ОФП при этом условии.

Целью работы является разработка более точного аналитического метода расчёта КПП на действующих и строящихся объектах повышенной опасности для обоснования их объёмно-планировочных и технических решений, обеспечивающих возможность безопасной эвакуации людей. Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

- провести анализ существующих методов обоснования объёмно-
планировочных решений зданий и сооружений с учётом обеспечения
безопасной эвакуации людей при возникновении пожара и используемых в
качестве основы методов прогнозирования ОФП;

выполнить сравнительный анализ существующих методов расчёта КПП в помещениях при воспламенении ГЖ;

проанализировать современные представления о тепловом взаимодействии ограждающих конструкций с газовой средой и факелом пламени (ФП); разработать модель сложного теплообмена с учётом экспериментальных данных о зависимости геометрических характеристик ФП от интенсивности газофикации ГЖ;

разработать интегральную математическую модель начальной стадии локального пожара в помещении с учётом полученной зависимости суммарного теплового потока в ограждения от состояния газовой среды и характеристик ФП;

получить решение дифференциальных уравнений математической модели НСП при постоянной скорости тепловыделения в очаге горения и аналитические формулы для расчётов КПП;

разработать модифицированную модель НСП, позволяющую учитывать при прогнозировании ОФП и расчётах КПП неустановившийся режим горения ГЖ;

провести тщательный анализ и систематизацию всех накопленных к настоящему моменту времени экспериментальных данных о динамике ОФП при горении ГЖ, полученных на моделях помещений и на натурных объектах; для этих целей разработать единую методику обработки показаний измерительных устройств, позволяющую исключить систематические погрешности;

осуществить апробацию разработанной математической модели НСП путём сравнения теоретических расчётов динамики ОФП с экспериментальными данными; представить экспериментальные данные о КПП, полученные при различных условиях, в обобщённом виде.

Научная новизна работы состоит в следующем:

разработана модель сложного теплообмена ограждающих конструкций в НСП с газовой средой и факелом пламени, учитывающая зависимость геометрических характеристик ФП от интенсивности газофикации ГЖ;

разработана интегральная математическая модель НСП в помещении с учётом полученной зависимости суммарного теплового потока в ограждения от состояния газовой среды и характеристик ФП, формирующегося над поверхностью ГЖ; представлена математическая постановка задачи о динамике ОФП;

- получено решение задачи о динамике ОФП при постоянной скорости
тепловыделения в очаге горения и аналитические формулы для расчётов
КПП при воспламенении ПК;

-разработана модифицированная модель НСП, позволяющая учитывать при расчётах динамики ОФП и КПП неустановившийся режим горения ГЖ;

- разработана методика обработки показаний термоэлектрических
термометров, использованных при экспериментальных исследованиях
динамики ОФП, позволяющая исключить систематическую погрешность
измерений быстроменяющейся температуры газовой среды, обусловленной
термической инерцией термометров и радиацией ФП;

- проанализированы и систематизированы результаты всех экспериментов,
выполненных на моделях помещений и на натурных объектах;

- впервые получены обобщённые зависимости ОФП от времени,
удовлетворительно сходящиеся со всеми опытными данными в широком
диапазоне условий, и создан достоверный аналитический метод расчёта КПП
в помещении при воспламенении ГЖ.

Достоверность представленных в работе результатов подтверждается использованием фундаментальных законов физики; удовлетворительной сходимостью результатов теоретических расчётов ОФП и КПП с экспериментальными данными, полученными при различных условиях проведения опытов на моделях помещений и на натурных объектах. Практическая значимость работы заключается в совершенствовании научной основы обеспечения безопасности эвакуации людей при пожаре на действующих и строящихся объектах повышенной пожарной опасности, в которых обращается и хранится значительное количество ГЖ. Предложенная методика расчёта ОФП и КПП позволяет более точно, чем существующие, решать задачи пожарной безопасности на объектах повышенной пожарной опасности.

Апробация работы. Результаты работы использованы управлениями ГУ ГО и ЧС Краснодарского края при экспертизе проектно-сметной документации

строящихся и реконструируемых объектов; УГПС МЧС МО ОГПН по Истринскому району для экспертизы проектов строительства; в Тихорецком районном нефтепроводном управлении ОАО «Черномортранснефть» в части расчёта времени эвакуации персонала из помещений зданий насосных перекачивающих станций; результаты работы были использованы в учебном процессе в Академии ГПС МЧС России при разработке фондовых лекций по курсу «Прогнозирование опасных факторов пожара», в Ростовском ГСУ при проведении лекционных занятий по теме «Лучистый теплообмен» на кафедре пожарной и производственной безопасности РГСУ. Публикации. Основные результаты работы опубликованы в четырёх научных трудах. Основные положения, выносимые на зашиту:

усовершенствованная математическая модель начальной стадии локального пожара в помещении при воспламенении ГЖ, разработанная с учётом современных сведений о характеристиках факела пламени над поверхностью ГЖ и конвективной теплоотдаче ограждающих конструкций;

новое аналитическое решение задачи о динамике ОФП в начальной стадии пожара, полученное при постоянной скорости тепловыделения в очаге горения путём интегрирования уравнений математической модели пожара без использования применявшегося в ранее опубликованных работах постулата о постоянстве «коэффициента теплопотерь»;

новые аналитические решения задачи о динамике ОФП пожара при неустановившемся режиме горения ГЖ на основе модифицированной математической модели начальной стадии пожара;

- новые аналитические методы расчёта КПП в помещении при
воспламенении ГЖ, позволяющие учитывать неустановившийся режим
горения ГЖ в начальной стадии пожара;

впервые разработанная методика оценки систематических погрешностей измерения быстроменяющейся в начальной стадии пожара температуры газовой среды, обусловленных инерционностью термоэлектрических термометров (ТЭТ) и радиацией от факела пламени (ФП);

результаты апробации разработанных методов прогнозирования ОФП и расчётов КПП путём сравнения теоретических расчётов с экспериментальными данными, полученными при различных условиях на разных моделях помещений и на натурных объектах.

Подобные работы
Коршунов Игорь Васильевич
Моделирование динамики начальной стадии пожара в театрах для обоснования их объемно-планировочных решений с целью обеспечения безопасной эвакуации
Прозоров Роман Владиславович
Исследование пожаровзрывоопасности разгерметизации гидридного аккумулятора водорода при пожаре в помещении
Овсянников Михаил Юрьевич
Исследование развития пожара в двух смежных помещениях при работе противодымной вентиляции для обоснования объемно-планировочных решений зданий и сооружений
Мыльников Игорь Константинович
Разработка технических требований к системам подавления дыма в помещениях и на путях эвакуации при пожаре
Смагин Александр Владимирович
Моделирование выделения и распространения токсичных газов при пожарах в зданиях и сооружениях для обоснования их объемно-планировочных решений с целью обеспечения безопасной эвакуации людей
Зарипов Дамир Мунзирович
Математическое моделирование динамики трубопровода под действием волн давления в транспортируемой жидкости
Виноградова Ирина Александровна
Математическое моделирование течений жидкости и газа в каналах сложных геометрических форм на базе численного метода контрольного объема
Кучумов Рубин Рашитович
Информационно-программное обеспечение процесса гидродинамического моделирования притока жидкости к несовершенной скважине
Богомолов Дмитрий Валерьевич
Аппроксимация поля скоростей при моделировании течений жидкости вихревыми методами
Амер Махмуд Аль-Рваш
Математическое моделирование течения вязкоупругой жидкости в канале вискозиметра с падающим грузом

© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net