Динамика развития опасных факторов в зданиях с ограждающими конструкциями из трехслойных сэндвич-панелей при пожарах и взрывах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.26.03, кандидат наук Салымова, Евгения Юрьевна

• Салымова, Евгения Юрьевна
• кандидат наук
• 2015

Оглавление диссертации кандидат наук Салымова, Евгения Юрьевна

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ МЕТОДИК ПО ОПРЕДЕЛЕНИЮ КРИТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ОПАСНЫХ ФАКТОРОВ ПОЖАРА В ПОМЕЩЕНИИ, А ТАКЖЕ МЕТОДОВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПЛОЩАДИ ЛСК ПРИ ВНУТРЕННИХ ВЗРЫВАХ

1.1 .Полевая модель определения газодинамических характеристик при пожаре в помещении

1.2.Зонная математическая модель развития опасных факторов в начальной стадии пожара

1.3.Интегральная математическая модель развития опасных факторов в начальной стадии пожара

1.4.Внутренний взрыв. Его характеристика

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 1

ГЛАВА 2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛОПОТЕРЬ В ПОМЕЩЕНИЯХ С ОГРАЖДАЮЩИМИ КОНСТРУКЦИЯМИ ИЗ ТРЕХСЛОЙНЫХ СЭНДВИЧ-ПАНЕЛЕЙ. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КРИТИЧЕСКИХ ЗНАЧЕНИЙ ОФП В ЗАВИСИМОСТИ ОТ УРОВНЯ ИСТЕЧЕНИЯ ГАЗОВ НА НАЧАЛЬНОЙ СТАДИИ ПОЖАРА

2.1.Влияние коэффициента теплопотерь на процесс формирования опасных факторов пожара в зданиях из сэндвич - панелей на начальной стадии его развития (интегральная модель развития пожара)

2.2.Определение коэффициента теплопотерь в зданиях с внутренней отделкой (на примере гипсокартона)

2.3.Влияние коэффициента теплопотерь на процесс формирования опасных факторов пожара в зданиях из сэндвич - панелей на начальной стадии развития пожара (зонная модель развития пожара)

2.4.Влияние условий газообмена и начальной температуры на формирование ОФП на начальной стадии развития пожара

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 2

ГЛАВА 3. ДИНАМИКА ИЗМЕНЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ ПРИ ВНУТРЕННЕМ ВЗРЫВЕ В ЗДАНИЯХ С СЭНДВИЧ - ПАНЕЛЯМИ В КАЧЕСТВЕ ЛСК

3.1.Описание процесса изменения давления при внутреннем взрыве с учетом истечения газов

3.2.Зависимость пиков давления при внутреннем взрыве от свойств газовой смеси, параметров JICK и от свойств скорости взрывного горения

3.3. Экспериментальное изучение процесса вскрытия сэндвич - панели, как легкосбрасываемой конструкции при внутреннем взрыве

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 3

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

ПРИЛОЖЕНИЕ 2

ПРИЛОЖЕНИЕ 3

ПРИЛОЖЕНИЕ 4

ПРИЛОЖЕНИЕ 5

ПРИЛОЖЕНИЕ 6

ПРИЛОЖЕНИЕ 7

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Динамика развития опасных факторов в зданиях с ограждающими конструкциями из трехслойных сэндвич-панелей при пожарах и взрывах»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. За последние десять лет появилось огромное количество зданий и сооружений, возведенных с использованием сэндвич-панелей. Сфера применения этого строительного материала достаточно разнообразна, но чаще всего сэндвич панели используют при строительстве складских и производственных помещений, а также офисов, магазинов, супермаркетов.

Для строительства подобных объектов сэндвич-панели являются весьма ценным материалом, так как по соотношению цена/качество/удобство и скорость монтажа панели значительно превосходят кирпич, бетон и дерево. Удобство монтажа — важный момент в выборе строительного материала. Небольшой вес и простота конструкции позволяют осуществлять монтаж и демонтаж сэндвич-панелей с необходимой легкостью.

Кроме того сэндвич панели долговечны и обладают высокой прочностью, при этом весят значительно меньше других строительных материалов. Это позволяет уменьшить давление на фундамент и возводить объекты на разных видах грунтов. Снижение удельного веса строительных материалов — общемировая тенденция, обусловленная простотой транспортировки и легкостью монтажа. Сэндвич-панели полностью соответствуют указанным важнейшим условиям.

Строительство зданий из сэндвич-панелей практикуется уже более 80 лет. За это время значительно усовершенствовалась технология производства сэндвич-панелей и их экологичность, претерпели изменения и методы строительства быстровозводимых зданий из сэндвич-панелей. Широкое применение такого типа зданий в различных отраслях хозяйства требует более тщательного и подробного изучения поведения этих зданий при взрывах и пожарах.

Теоретические исследования прогнозирования опасных факторов пожара (ОФП) проводились на основе интегрального, зонного и полевого математического моделирования пожара. Теоретические разработки

интегрального метода моделирования послужили основой для создания методики расчета критического времени развития пожара.

Существующие методики для расчета времени наступления критических значений ОФП в зданиях используют понятие коэффициента теплопотерь, который определен как доля тепла, выделившегося при пожаре, которая перешла в ограждающие конструкции. В современных методиках по расчету времени эвакуации, рекомендуемых МЧС России, коэффициент теплопотерь определяется с учетом свойств пожарной нагрузки, но не учитывает теплофизические характеристики ограждающих строительных конструкций, а точнее он определен для кирпичных и бетонных стен, обладающих большой теплоемкостью. Поэтому использование полученных ранее выражений для расчета коэффициента теплопотерь для зданий из сэндвич-панелей неприемлемо и неправильно в виду отличия теплоемкости таких панелей от теплоемкости кирпичных и бетонных ограждающих конструкций.

Принимая во внимание вышеизложенное, расчет коэффициента теплопотерь для рассматриваемого вида зданий следует проводить с учетом их теплофизических характеристик.

В связи с востребованностью быстровозводимых зданий из сэндвич-панелей увеличилось их возведение для нефтегазового комплекса.

Принимая во внимание легкость монтажа таких зданий, хорошую теплоизолирующую способность, а также долговечность эксплуатации, современные нефте- и газоперерабатывающие комплексы возведены полностью из зданий с сэндвич-панелями. Большую популярность получили газовые котельные из панелей. Практически все перечисленные сооружения являются пожаровзрывоопасными и согласно нормативным документам должны быть обеспечены легкосбрасываемыми конструкциями (ЛСК).

Актуальной задачей на сегодняшний день является обеспечение защиты несущих конструкций помещений, относящихся по взрывопожарной опасности к категориям А и Б, от избыточного давления, образованного при взрыве газо-, паро- или пылевоздушной смесей. Именно с этой целью в [5] в наружном

ограждении взрывоопасных помещений рекомендуется применять легкосбрасываемые или предохранительные конструкции.

Все взрывоопасные объекты промышленности проектировались и строились в части обеспечения взрывобезопасности зданий и сооружений согласно положениям [5]. Его рекомендации по применению остекления и легкосбрасываемых конструкций, выполняющих роль противовзрывных предохранительных устройств, должны были обеспечить безопасные нагрузки (несколько кПа) в случае взрыва газопаровоздушной смеси внутри помещений. В замкнутом герметичном объеме это давление составило бы 40СН-900 кПа в зависимости от концентрации горючего в смеси.

Предохранительные конструкции или ЛСК считаются эффективными, если их вскрытие не позволяет давлению взрыва возрасти до уровня предельно — допустимого значения АРД0П, которое характеризует несущую способность конструкций. Соответственно, при одинаковой площади ЛСК чем меньше давление взрыва, тем эффективнее эта конструкция. Таким образом, предохранительная конструкция должна вскрываться быстрее, чем происходит рост давления взрыва до величины ДРЛ0П. Понятие «вскрываться быстрее» означает обеспечивать необходимую площадь истечения газов, чтобы АД0< АРаоп, если площадь их подобрана так, что условие А/>(0< ДРдоп обеспечивается при полном вскрытии ЛСК.

Наиболее распространенной предохранительной конструкцией является остекление, его эффективность может варьироваться в зависимости от площади и толщины стекла, а также кратности остекления (одинарное, двойное или тройное).

Трехслойные сэндвич-панели по своим весовым характеристикам могут служить эффективными ЛСК, если обеспечить их надежное вскрытие (разрушение креплений) при давлениях ниже АРаоп. Однако, неопределенность процесса вскрытия проема, перекрываемого сэндвич - панелью, и поведения последней при этом не позволяет обоснованно использовать сэндвич-панель в качестве ЛСК.

Площадь ЛСК и их характеристики определяются расчетами, однако их проведение невозможно вследствие неизученности процесса вскрытия ЛСК из сэндвич - панелей.

Актуальность выбранной темы обусловлена широким использованием сэндвич-панелей в современном строительном комплексе, особенно при возведении зданий, относящихся к классу пожаровзрывоопасных, и, наряду с этим, недостаточным учетом специфичности свойств сэндвич - панелей в действующих нормативных документах.

Степень разработанности выбранной темы характеризуется доведением результатов исследования до конкретных выражений, для внедрения их в нормативные документы.

Методология и методы исследования. Методология исследования заключается в анализе работ отечественных и зарубежных специалистов в области изучения процессов формирования опасных факторов пожара и взрывозащиты зданий, а также в определении задач, которые необходимо решить для достижения поставленной цели и выборе методов решения этих задач.

Методами решения поставленных задач являются: теория подобия и размерностей, аналитические и численные методы решения уравнений теплообмена и динамики изменения давления в объёме внутреннего взрыва. Изучение вскрытия ЛСК при внутреннем взрыве велось экспериментальным методом с использованием автоматической регистрации давления и видеосъемки.

Целью диссертационной работы является выявление влияния теплофизических характеристик сэндвич-панелей на величину коэффициента теплопотерь при пожарах, изучение закономерностей вскрытия сэндвич-панелей при внутреннем взрыве, внесение дополнений в документы, регламентирующие эвакуацию людей при пожаре и взрывозащиту при внутреннем взрыве в зданиях из сэндвич-панелей.

Основные задачи:

- Проанализировать теплофизические, прочностные характеристики сэндвич-панелей, свойства крепежных узлов, определить коэффициент теплопотерь для

интегральной и зонной моделей развития пожара и установить его зависимость от объема помещения (масштабный эффект).

- Установить зависимость критических времен образования ОФП от отметки места истечения газов (интегральная модель).

- Проанализировать динамику изменения давления при внутреннем взрыве при вскрытии проемов перекрытых ЛСК.

- Изучить экспериментально процесс вскрытия проемов при использовании сэндвич-панелей в качестве ЛСК.

- Рекомендовать способы крепления сэндвич-панелей для обеспечения максимальной защиты здания при внутреннем взрыве.

Теоретическая значимость заключается в анализе тепловых процессов, происходящих на стадии развития пожара, методом сравнения характерного времени отдельных его стадий (без использования теплофизических критериев).

Практическая значимость заключается в том, что результаты исследований представляют интерес для специалистов, рассчитывающих время эвакуации людей из зданий с ограждающими конструкциями из сэндвич-панелей, занимающихся расчетом пожарного риска, а также связанных с обеспечением взрывобезопасности и взрывозащиты при внутренних взрывах на промышленных объектах с взрывоопасными производствами.

Получена методика определения коэффициента теплопотерь для интегральной и зонной моделей развития пожара, а также расчет коэффициента вскрытия сэндвич-панелей, используемых в качестве ЛСК. Результаты диссертации нашли применение в ОАО «ЦНИИПпромзданий» и ООО «Агентство Пожарного Аудита», внедрены в учебный процесс в Московском государственном строительном университете по специальности «Пожарная безопасность» в дисциплины «Взрывоустойчивость зданий» и «Прогнозирование опасных факторов пожара», а также в дипломное и курсовое проектирование.

Достоверность полученных результатов обеспечивается применением физически обоснованного критериального анализа теплофизических свойств трехслойных сэндвич-панелей, а также использованием сертифицированного и

поверенного компанией ООО «ГлобалТест» датчиков динамического давления со встроенной электроникой Р82001.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

- Получены выражения для определения коэффициента теплопотерь в зданиях из сэндвич-панелей при разных моделях развития пожара (интегральной и зонной).

- Сравнительный анализ величин коэффициента теплопотерь и значений ОФП для ограждающих конструкций из кирпича и сэндвич-панелей.

- Учет вертикальной отметки места истечения газов при пожаре на формирование ОФП (интегральная модель).

- Определение эффективности сэндвич-панелей на стадии вскрытия и достижения допустимого давления.

- Экспериментальные результаты вскрытия сэндвич-панелей при различных способах крепления.

На защиту выносятся:

- Методика расчета коэффициента теплопотерь, используемая при определении опасных факторов пожара в зданиях из трехслойных сэндвич-панелей (интегральная и зонная модели развития пожара).

- Особенности формирования ОФП при различных уровнях места истечения для интегральной модели развития пожара.

- Расчет эффективности сэндвич-панелей, используемых в качестве ЛСК, при внутренних взрывах.

- Экспериментальные результаты вскрытия проема, перекрытого сэндвич-панелью, используемой в качестве ЛСК, для обеспечения снижения давления при внутреннем взрыве.

Личный вклад автора состоит в самостоятельном проведении анализа теплофизических свойств сэндвич - панелей; разработке методики расчета коэффициента теплопотерь для зданий из сэндвич - панелей; проведении анализа

результатов экспериментальных исследований на предмет использования сэндвич - панели в качестве легкосбрасываемой конструкции.

Апробация результатов работы:

- Двенадцатая Международная межвузовская научно-практическая конференция молодых ученых, докторантов и аспирантов «Строительство — формирование среды жизнедеятельности» (г. Москва, МГСУ, 2009 г.).

- Тринадцатая Международная межвузовская научно-практическая конференция молодых ученых, докторантов и аспирантов «Строительство — формирование среды жизнедеятельности» (г. Москва, МГСУ, 2010 г.).

- I Всероссийская конференции с элементами научной школы для молодежи «Устойчивость, безопасность и энергоресурсосбережение в современных архитектурных, конструктивных, технологических решениях и инженерных системах зданий и сооружений» (г. Москва, МГСУ, 2010 г.).

- Международная научно-практическая конференция молодых ученых и специалистов «Проблемы техносферной безопасности—2012» (г. Москва, Академия ГПС МЧС РФ, 2012 г.).

- Пятнадцатая Международная межвузовская научно-практическая конференция молодых ученых, докторантов и аспирантов «Строительство — формирование среды жизнедеятельности» (г. Москва, МГСУ, 2012 г.).

- Международная научная конференция «Интеграция, партнерство и инновации в строительстве» (г. Москва, МГСУ, 2012 г.).

- Семнадцатая Международная межвузовская научно-практическая конференция молодых ученых, докторантов и аспирантов «Строительство — формирование среды жизнедеятельности» (г. Москва, МГСУ, 2014 г.).

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ МЕТОДИК ПО ОПРЕДЕЛЕНИЮ

КРИТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ОПАСНЫХ ФАКТОРОВ ПОЖАРА В ПОМЕЩЕНИИ, А ТАКЖЕ МЕТОДОВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПЛОЩАДИ ЛСК

ПРИ ВНУТРЕННИХ ВЗРЫВАХ

Методы прогнозирования опасных факторов пожара различают в зависимости от вида математической модели пожара. Математические модели пожара в помещении делятся на три вида: интегральные, зонные и полевые.

Интегральная модель пожара позволяет получить информацию о средних значениях параметров состояния среды в помещении для любого момента развития пожара. Обычно этот момент ограничивается так называемой начальной стадией пожара. При этом для того чтобы соотносить средние (среднеобъёмные) параметры среды с их предельными значениями в рабочей зоне, используются формулы, полученные на основе экспериментальных исследований пространственного распределения температур, концентраций продуктов горения, оптической плотности дыма и т.д.

Зонная модель позволяет получить информацию о размерах характерных пространственных зон, возникающих при пожаре в помещении, и средних значениях параметров состояния среды в этих зонах.

Полевая дифференциальная модель позволяет рассчитать для любого момента развития пожара значения всех локальных параметров состояния во всех точках пространства внутри помещения.

1 Л.Полевая модель определения газодинамических характеристик при

пожаре в помещении

Полевая модель развивается для определения локальных значений опасных факторов пожара с помощью решения дифференциальных уравнений гидродинамики. С учетом того, что числа Рейнольдса (Ые) велики, движение среды турбулентное, а следовательно, решение задач требует применения различных гипотез замыкания турбулентности.

Полевое моделирование начало развиваться в середине 70-хгодов [95], [99] . В 90 - е годы произошел бурный рост полевого моделирования, развиты трехмерные модели [37], [82], [96],[74]. Используются и двухмерные задачи, которые полезны при определении качественного характера развития процесса, чего достаточно при неполных исходных данных о граничных условиях, свойств пожарной нагрузки и так далее.

В СССР и России полевая модель развивалась совместными усилиями специалистов ВНИИПО (Молчадский И.С. [6] Рыжов A.M., Копылов Н.П.), ВПШТ (Пузач C.B. [55], [54]), ИПМ РАН (Либрович В.Б., Махвиладзе Г.М. [31]).

В настоящее время существуют коммерческие программы полевых моделей - FDS (Fire Dynamics Simulator). Доступность программ полевой модели порождает проблему их непрофессионального использования. Дифференциальные (полевые) модели используются для численной реализации таких явлений как формирование и динамика прогретого слоя в начальной стадии развития пожара, переход начальной стадии пожара в развитую; распространение опасных факторов при пожарах в смежные помещения и на пути эвакуации и ряда других задач.

В последнее время полевые модели используются для корректировки интегральной и зонной модели, для уточнения процессов теплообмена газа с ограждающими конструкциями. Особо следует отметить решение вопросов огнестойкости конструкций в рамках полевой модели развития пожара [6].

Наиболее распространена современная форма записи уравнений полевой модели:

!" Ш) + div(pUf - Tjgragf ) = Sf

Где: / - определяет одну из искомых переменных: плотность, вектор скорости, эффективный коэффициент переноса источниковый член и т.д. При /=7 получается уравнение непрерывности, при f=U - уравнение движения. /}-получается из решения для энергии турбулентного движения (f=k) и диссипации турбулентной энергии (f=e), с Г/ =0 для/=7, Г/ =/иэф. для f=U, Г\ = ¡хэф/of для f=h,

к, е, т/и! , где к - энтальпия, т/и1 - массовая доля продуктов горения, к -турбулентная энергия, е - скорость диссипации турбулентной энергии, /иэф -//„+//т, где //„ - молекулярная вязкость, = С0рк2/Е,- турбулентная вязкость, С0 = 0,09, учитывающая влияние малых вихрей. Данное выражение для /аТ взято из , к-£ модели турбулентности.

Источниковые члены для силы Архимеда, химических реакций, энергии турбулентных пульсаций и т.д. подробно представлены в [11].

Уравнения теплообмена с ограждающими конструкциями, часто дописываются для конкретных задач и представляют поле для индивидуального творчества.

Широкое распространение имеет полевая модель, в которой коэффициенты турбулентного переноса определяются не из решения дифференциальных уравнений, а с помощью алгебраических зависимостей Колмогорова-Прандтля для турбулентной вязкости и масштаба турбулентности [66], [43]

В настоящее время трудности применения полевой модели, связаны с вычислительными проблемами. Точность результатов в значительной степени определяется корректностью учета взаимодействия поля течения с источником пожара, точностью моделирования процессов вскрытия проёмов, что сильно влияет на поле течения и распределение всех параметров пожара.

1.2.3онная математическая модель развития опасных факторов в начальной

стадии пожара

В начальной стадии пожара распределение параметров состояния газовой среды по объему помещения характеризуется большой неоднородностью (неравномерностью). В этот период времени пространство внутри помещения можно условно поделить на ряд характерных зон с существенно различающимися температурами и составами газовых сред. Границы этих зон по мере развития пожара не остаются неподвижными. В течение времени геометрическая конфигурация зон меняется и сглаживается контрастное различие параметров состояния газа в этих зонах. В принципе, пространство внутри помещения можно

разбить на любое число зон. Наиболее часто рассматривается простейшая модель, которая применима, когда размер очага горения значительно меньше размеров помещения, то есть при локализованном на ограниченной площади горючем материале или для начальной стадии развития пожара.

Процесс развития пожара представляется следующим образом. После воспламенения горючего материала, образующиеся газообразные продукты устремляются вверх, формируя над очагом горения конвективную колонку (струю). Достигнув потолка помещения, эта струя растекается, образуя припотолочный слой задымленного газа. Со временем толщина этого слоя увеличивается. В соответствии со сказанным, в объеме помещения можно выделить три характерные зоны: конвективную колонку над очагом пожара (рис. 1.1) , припотолочный слой нагретого газа и воздушную зону с неизменными параметрами состояния, равными своим начальным значениям. Таким образом получается трехзонная модель пожара.

I- зона конвективной струи (конвективная колонка).

II- зона припотолочного нагретого газа.

III- зона холодного воздуха.

г

/ /

/

г

\

С

Рисунок 1.1- Трехзонная модель развития пожара.

Ду- толщина прииотолочного слоя; Gk- поток газа, поступающего из конвективной колонки в припотолочную зону, кг-с-1, GB- поток воздуха, поступающего в колонку из зоны III, кг • с-1.

Первый шаг использования зонной модели развития пожара был сделан в [4], выполненной под руководством проф. Ю.А. Кошмарова.

Основной задачей при рассмотрении трёхзонной модели развития пожара в помещении является определение динамики роста размеров припотолочной зоны (П.З.) и среднеобъемных параметров газовой среды в ней. При этом часто предполагается, что обмен энергией и веществом по нижней границе зоны отсутствует. Горячие газы поступают в зону только посредствам конвективной колонки с параметрами характерными для сечения колонки на уровне нижней границы припотолочной зоны. Вошедший в П.З. газ мгновенно перемешивается по всему объему. Обмен энергией с внешней средой осуществляется теплоотводом в ограждающие конструкции. Для определения этих теплопотерь решается задача по теплообмену между газовой средой и ограждающими конструкциями. Постановка этой задачи сводится к решению уравнения теплопроводности для плоской стены (пластины) с граничным условиями, учитывающими конвективный теплообмен с двух сторон и лучистый теплообмен с внутренней стороны [28].

В [28] также изложен подход к определению теплообмена между газовой средой и ограждающими конструкциями, который сводится к определению осредненного за время протекания пожара коэффициента теплопотерь

Значительный вклад в развитие зонного метода моделирования сделан в работах проф. Пузача C.B., работы которого посвящены динамике развития припотолочной зоны [57], с учетом влияния дымоудаления на наступление критических значений ОФП [59], особенностям использования зонной модели в помещениях сложной геометрической формы [58].

Для практического использования, безусловно, подход с введением коэффициента теплопотерь является более удобным, так как является обобщением для многих подобных случаев. Но несмотря на это, случай

ограждающих конструкций из трёхслойных сэндвич-панелей является заслуживающим отдельного рассмотрения и дальнейшего обобщения условий теплообмена между газовой средой и ограждающими конструкциями, ввиду значительного отличия их теплофизических характеристик от обычных кирпичных стен.

Важным моментом в развитии зонной модели является определение параметров конвективной колонки. В первых работах, посвященных зонной модели [16], параметры конвективной колонки задаются выражениями:

т т О-пож О"*)

0 С G

Р К

(у + УЛ3

где: Q,mxap = у/vdQ^v - скорость тепловыделения, Вт; QPH - теплота сгорания,

Дж/кг; ц/)д - удельная скорость выгорания, кг/м2с; g - ускорение свободного

падения, м/с2; Т0 и ро - температура и плотность холодного (окружающего) воздуха; GK - расход газов через сечение струи, отстоящее от поверхности горения на расстояние у, кг/с; Ср - изобарная теплоемкость газа, Дж/кгК; % - доля, приходящаяся на поступающую в ограждение теплоту от выделившейся в очаге за счет излучения горения; у - координата сечения колонки, отсчитываемая от поверхности горения, м; у0 - расстояние от фиктивного источника тепла до поверхности горения, м.

Массовый расход газов в конвективной колонке в последнем выражении согласуется с асимптотическим поведением турбулентных конвективных струй при естественной конвекции, что является существенным преимуществом, так как вселяет уверенность в адекватном описании переноса вещества и энергии колонкой. В работе C.B. Пузача [56] конструируются модели газовой колонки, в которых сама колонка разбивается на несколько зон. Каждая зона характеризуется своей зависимостью для выражения массового расхода и для температуры в колонке. Эти зависимости носят полуэмпирический и эмпирический характер.

G. =0.21

gplQn

с т

-О-*)

Также в них часто входят размерные константы, что свидетельствует об ограниченности применения указанных соотношений. Указаний на область применения данных зависимостей обнаружить часто не удается. Коэффициент теплопотерь для зонной модели иногда просто задается, как в [28]. Неплохой результат для коэффициента теплопотерь в случае описания пожара по зонной модели может дать использование его значения определенного по интегральной модели. Так как в обоих случаях происходит усреднение параметров среды по объему либо помещения либо припотолочной зоны и к концу развития припотолочной зоны они совпадают.

1.3.Интегральная математическая модель развития опасных факторов в

начальной стадии пожара

Существенное развитие интегральная математическая модель пожара получила в работах учеников проф. Ю.А. Кошмарова - A.B. Матюшина, СИ. Зернова, В.М. Астапенко, Ю.С. Зотова, А.Н. Шевлякова, И.Д., Гуско, В.А. Козлова и др. В частности, интегральная модель пожара была дополнена дифференциальным уравнением, описывающим изменение оптической концентрации дыма в помещении при пожаре [18].

Интегральная математическая модель пожара описывает в самом общем виде процесс изменения во времени состояния газовой среды в помещении.

С позиции термодинамики газовая среда, которая заполняет полностью всё помещение, есть открытая термодинамическая система. Ограждающие конструкции и наружный воздух являются внешней средой по отношению к этой системе. Данная система взаимодействует с внешней средой путём тепло- и массообмена. В процессе развития пожара через одни проёмы помещения выталкиваются нагретые газы, а через другие поступает холодный воздух. Количество веществ, т.е. масса газа в рассматриваемой открытой системе, изменяется в течение времени. Поступление холодных газов обусловлено работой проталкивания, которую совершает внешняя среда. Термодинамическая система совершает работу выталкивания нагретых газов из помещения во внешнюю

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Салымова, Евгения Юрьевна, 2015 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. ГОСТ 12.1.044-89 Система стандартов безопасности труда. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов. Номенклатура показателей и методы их определения.

2. ГОСТ 30244-94 Материалы строительные. Методы испытаний на горючесть.

3. ГОСТ 30402-96 Материалы строительные. Метод испытания на воспламеняемость.

4. Методика определения расчетных величин пожарного риска в зданиях, сооружениях и строениях различных классов функциональной пожарной опасности. Приложение к приказу МЧС России от 30.06.2009 №382 «Об утверждении методики определения расчетных величин пожарного риска в зданиях, сооружениях и строениях различных классов функциональной пожарной опасности», г. Москва

5. СП 56.13330.2011. Производственные здания. Актуализированная редакция СНиП 31-03-2001/ Утвержден приказом Министерства регионального развития Российской Федерации (Минрегион России) от 30 декабря 2010 г. № 850 и введен в действие с 20 мая 2011 г.

6. Астахов И.А., Молчадский И.С. Развитие полевого моделирования пожара в помещении и теории огнестойкости в России.// Моделирование пожаров и взрывов. Под общ. ред. Н.Н. Брушлинского и А.Я. Корольченко - М. : Изд. «Пожнаука», 2000. - 482с.

7. Бабкин B.C. Сеначин П.К., Крахтинова Т.В. Особенности динамики сгорания газов в закрытых сосудах при разных законах изменения поверхности пламени// Физика горения и взрыва. №6. 1982г. с. 14 - 20.

8. Бабкин B.C., Бухаров В.Н., Мольков В.В. Нормальная скорость пламени пропановоздушных смесей при высоких давлениях и температурах// Физика горения и взрыва. 1989 - №1, с. 57 - 63.

9. Бабкин B.C., Кононенко Ю.Г. Уравнения для определения скорости нормального пламени в сферической бомбе постоянного объема// Физика горения и взрыва. №2. 1967г. с. 168 - 275.

10. Бейкер У., Кокс П., Уэстрайн П., Кулеш Д., Стрелоу Р. Взрывные явления: оценка и последствия. В 2 т. - М.: Мир, 1988.

11. Билджер Р.В. Турбулентные течения предварительно не перемешанных реагентов.//Турбулентные течения реагирующих газов :Пер. с англ./Под. ред. П. Либби, Ф. Вильямса. - М.: Мир, 1983. - 328 с.

12. Горев В.А. Роль масштабного эффекта в механизме ускорения пламени преградами// Химическая физика. №12. 1990г. с. 1602 - 1605.

13. Горев В.А., Мирошников С.Н. Ускоряющееся горение в газовых объемах// Химическая физика. №6. 1982.с. 111.

14. Горев В.А., Федотов В.Н. О роли акустических колебаний при взрывном горении газов в разгерметизированном сосуде// Материалы Международного семинара по структуре газофазных пламён, Новосибирск, АН СССР, 1988г.

15. Горев В.А., Федотов В.Н. Экспериментальное изучение влияния загроможденности пространства на скорость горения газов// Физика горения и взрыва. №6. 1986г. с. 79 - 84.

16. Драйздел Д. Введение в динамику пожара. Пер. с англ. - М.: Стройиздат, 1990.-421с.

17. Зельдович Я.Б., Баренблатт Г.И.,Либрович В.Б., Махвиладзе Г.М. Математическая теория горения и взрыва. - М. Наука, 1980. - 478с.

18. Зотов Ю.С. Расчет динамики задымления помещений // Безопасность людей при пожарах: Сб. науч. тр. - М.: ВНИИПО МВД СССР, 1984. - С. 79 - 85

19. Пост В. Взрывы и горение в газах.// - М.: Ил. , 1952. — 687с.

20. Казенное В.В. Динамические процессы дефлаграционного горения во взрывоопасных зданиях и сооружениях. Диссертационная работа, доктора технических наук. М., МГСУ, 1997г.

21. Комаров A.A. Анализ последствий аварийного взрыва природного газа в жилом доме/А.А. Комаров// «Пожаровзрывобезопасность» - 1999 т. 8, №4. С. 49-53.

22. Комаров A.A. Расчет газодинамических характеристик потоков при аварийных дефлаграционных взрывах на наружных установках /A.A. Комаров// «Пожаровзрывобезопасность» - 2002, т.11, №5. С. 15 - 18.

23. Комаров A.A. Условия формирования взрывоопасных облаков в газифицированных жилых помещениях/А.А. Комаров, Г.В. Чиликина// «Пожаровзрывобезопасность» - 2002, т. 11, №4. С.24-28.

24. Котляревкий В.А., Ганушкин В.И., Костин A.A., Костин А.И., Ларионов В.И. Убежища гражданской обороны. Конструкции и расчет,- М., Стройиздат, 1989.

25. Котляревский В.А. Анализ импульсно нагруженных балок с учетом запаздывания динамической текучести// Строительная механика и расчет сооружений, 1980, №2. С. - 59 - 62.

26. Котляревский В.А., Райнин И.М. Расчет стальных каркасных зданий и сооружений на действие взрывных, ударных и сейсмических нагрузок// Строительная механика и расчет сооружений, 1990, №5, с - 52 - 56.

27. Котляревский В.А., Сенюков A.B., Бродецкая Л.А. Расчет железобетонных конструкций за пределом упругости на действие ударной волны на ЭЦВМ. Научно - техн. информация. Вып. 1.15 ЦНИИИ им. Д.М. Карбышева, 1965.

28. Кошмаров Ю.А. Прогнозирование опасных факторов пожара в помещении: учеб. пос.-М.: Академия ГПС МВД России, 2000. - 119с.

29. Кошмаров Ю.А., Башкирцев М.П. Термодинамика и теплопередача в пожарном деле. - М.: ВИПТШ МВД СССР, 1987. - 444с.

30. Кузнецов В.Р., Сабельников В.А. Турбулентность и горение. - М. Наука, 1988.-287с.

31. Либрович В.Б., Махвиладзе Г.М., Меликов О.И., Щербак С.Е. /Численный расчет пожаров различных типов.// Горючесть веществ и химические средства пожаротушения: Сб. науч. тр. - М.,С. 21 - 25.

32. Лыков A.B. Теория Теплопроводности.-М.: Изд. «Высшая школа», 1967г.-313.

33. Льюис Б., Эльбе Г. Горение, пламя и взрывы в газах. Второе издание. Перевод с анг. Под редакцией К.И. Щелкина и A.A. Борисова. Издательство «Мир». - Москва, 1968. - 592.

34. Макаров Д.В. Моделирование динамики газового взрыва в невентелируемом сосуде методом крупных вихрей/ Д.В. Макаров, В.В. Мольков// Физика горения и взрыва. - 2004. - т.40. - №2. - С. 13 - 23.

35. Мандриков А.П. Примеры расчета металлических конструкций. - М.: Строиздат, 1991.-432с.

36. Маркштейн Д.Г. Нестационарное распространение пламени. - М.: Мир, 1968.-437с.

37. Махвиладзе Г.М. Математическое моделирование явлений горения в связи с проблемами пожаро - и взрывобезопасности.// Газодинамика взрывов, ударных волн и детонационного сверхзукового горения: Тезисы докладов Всесоюзного симпозиума, Алма - Ата, 21 — 25 октября 1991г. - СЛ.

38. Митюшов Е.А. Теоретическая механика: учебник. - М.: Академия, 2011.-318с

39. Мишуев A.B. Воздушная ударная волна в сооружениях: монография A.B. Мишуева; М - во образования и науки Росс. Федерации, моек. Гос. стоит. Ун. - т. Москва: МГСУ, 2014г. 408с.

40. Мишуев A.B. Ускорение турбулентного горения газовоздушной смеси в канале.// Химическая физика процессов горения и взрыва. Горение гетерогенных и газовых систем. - 1986. - Черноголовка. - с. 51.

41. Мольков В.В. Моделирование дефлаграционных взрывов и их последствий в объектах различного газначения.// Моделирование пожаров и

взрывов. Под общ. ред. H.H. Брушлинского и А.Я. Корольченко - М. : Изд. «Пожнаука», 2000. - 482с.

42. Мольков В.В., Некрасов В.П. Динамика сгорания газа в постоянном объеме при наличии истечения. Физика горения и взрыва, 1981, т. 17, №4, с. 17 -24.

43. Монин A.C., Яглом A.M. Статистическая гидромеханика. Механика турбулентности. Том 1. - М.: "Наука". 1965.- 640 стр.

44. Орлов Г.Г. Легкосбрасываемые конструкции для взрывоопасных промышленных зданий. - М. Стройиздат. 1987г.

45. Пилюгин Л.П. Конструкции сооружений взрывоопасных производств (теоретические основы проектирования). - М.: Стройиздат, 1988. - 316с.

46. Пилюгин Л.П. Обеспечение взрывоустойчивости зданий с помощью предохранительных конструкций. Ассоциация «Пожарная безопасность и наука». 2000г. - 224с.

47. Пилюгин Л.П. Прогнозирование последствий внутренних аварийных взрывов. - М.: 2010 г. 380 стр.

48. Поландов, Ю.Х. Моделирование процесса горения газовоздушной смеси методом крупных частиц. /Ю.Х. Поландов, М.А. Барг, С.А. Власенко// Пожаровзрывобезопасность: Научно- технический журнал ООО «Издательство «Пожнаука», 2007. - Т. 16. - №3. - С. 6 - 9.

49. Поландов, Ю.Х. О выгорании газо - воздушной смеси в замкнутом объеме/ Ю.Х. Поландов, В.А. Бабанков// Пожаровзрывобезопасность №11 том 19, 2010г. стр. 36-39.

50. Попов Г.И. Железобетонные конструкции, подверженные действию импульсных нагрузок. - М., Стройиздат, 1986.

51. Попов H.H., Расторгуев Б.С., Забегаев A.B. Расчет конструкций на динамические специальные нагрузки. - М. Высшая школа, 1992.

52. Попов H.H., Расторгуев Б.С. Вопросы расчета и конструирования специальных сооружений. - М.: Стройиздат. 1980. - 204 с.

53. Попов H.H., Расторгуев. Б.С. Динамический расчет железобетонных конструкций. - М., Стройиздат. 1974 - 207 с.

54. Пузач C.B. Сравнительный анализ интегрального и полевого методов расчета тепломассообмена при пожаре в помещении. //Инженерно-физический журнал. 2006. Т. 79. № 2. С. 99-108.

55. Пузач C.B. Трехмерное математическое моделирование начальной стадии пожара в помещении. //Инженерно-физический журнал. 2000. Т. 73. № 3. С. 621.

56. Пузач C.B., Абакумов Е.С. Модифицированная зонная модель расчета термогазодинамики пожара в атриуме. // Инженерно-физический журнал. 2007. Т. 80. № 2. С. 84-89.

57. Пузач C.B., Абакумов Е.С., Нгуен Тхань Хай. Расчет скорости опускания нижней границы припотолочного слоя при пожаре в атриуме.// Пожаровзрывобезопасность. 2009. Т. 18. № 5. С. 31-36.

58. Пузач C.B., Пузач В.Г., Горностаев Р.П. Некоторые особенности тепломассообмена при пожаре в помещениях со сложной геометрией. //Инженерно-физический журнал. 2005. Т. 78. № 3. С. 22-29.

59. Пузач C.B., Хай Н.Т. Влияние расходов систем дымоудаления и припотолочной вентиляции на высоту незадымляемой зоны помещения при пожаре.//Инженерно-физический журнал. 2009. Т. 82. № 6. С. 1023-1030.

60. Рабинович И.М., Синицын А.П., Лужин О.В., Теренин Б.М. Расчет сооружений на импульсные воздействия. - М., Стройиздат, 1970.

61. Рабинович И.М., Синицын А.П., Теренин И.Н. Расчет сооружений на действие кратковременных и мгновенных сил/МИСИ им. Куйбышева. - М., 1957. -Т.1, Т.2.-582 с.

62. Расторгуев Б.С. Проектирование зданий и сооружений при аварийных взрывных воздействиях. Учебное пособие для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности "Промышленное и гражданское строительство" направление подготовки дипломированных специалистов

"Строительство" / Б. С. Расторгуев, А. И. Плотников, Д. 3. Хуснутдинов ; под ред. Б. С. Расторгуева. - Москва, 2007.

63. Ржаницын А.Р. Строительная механика. - М., Высшая школа, 1982.

64. Стрельчук Н.А., Орлов Г.Г. Защита зданий взрывоопасных производств от нагрузок, возникающих при взрывном горении газовоздушных смесей внутри помещений. Динамический расчет сооружений на специальные нагрузки.М. Стройиздат. 1981 г.

65. Федотов В.Н. Основные факторы, определяющие нагрузки на строительные конструкции при аварийных взрывах газовых смесей дис. канд. техн. наук : 05.26.01 / В. Н. Федотов ; МИСИ им.В.В. Куйбышева. - М., 1987. - 167 с.

66. Хинце И.О. Турбулентность, ее механизм и теория. - М., Физматгиз, 1963. 680 стр.

67. Хитрин JI.H. Физика горения и взрыва. - М.: изд. МГУ, 1957. - 442 с.

68. Щелкин К.И., Трошин Я.К. Газодинамика горения. - М.: АН СССР, 1969.-254с.

69. Barknecht W. Pressure Venting of Dust Explosion in Large Vessels. Plan Operation Progress V.5.№4. 1986. P. 196 - 204.

70. Bernard J.C. Le vitrage et la sécurité ris - a - vis de Г explosion. Revue ginirale de sicurite. Paris. Frame. 1983. P. 24 - 28.

71. Bradly D. and Mitcheson A. The venting of gaseous Explosion in spherical vessels. I. Comb.Flame. 1978. V32. P. 221 -236.

72. Bradly D.and Mitcheson A. The venting of gaseous Explosion in spherical vessels. II. Comb.Flame. 1978. V32. P. 237.

73. Chan C., Moen I.O. and Lee Y.H.S. Influence of Confinement of Flame Acceleration Due to repeated obstacles. Comb. Flame. № 49. 1983. p. 27 - 39.

74. Cox G. Compartment Fire Modeling./Combustion Fundamentals of Fire. Ed. by G. Cox, London, Academic Press Ltd, 1995. - P. 329 - 404.

75. Dorofeev S.B., Bezmelnitsin A.V., Sidorov V.P. Transition to Detonation in Vented Hydrogen - Air Explosions Comb, and Flame (1995) V 103. P. 243.

76. Dorofeev S.B., Bezmelnitsin A.V., Sidorov V.P., Yankin J.G. and Matsukov I.D. Turbulent Jet Initiation of Detonation in Hydrogen - Air Mixtures? 14th International Colloquium on Dynamics of Explosions and reactive Systems, University of Coimbra, Coimbra, 1993, vol. 2 , pp D2.4.1. - D2.4.10.

77. Ellis O.C. The movement of flame in cloused Wessels Fuel in Sci. and Pract. №1. 1925. p.356.

78. Janaka Y. Numerical simulations for Combustion of quiescent and Turbulent Mixtures in confined Vessels. Comb. Flame №75. 1989. p. 123-138.

79. Kanzleiter T.F. Hydrogen Deflagration Experiments in the Battelle -Frankfurt Model Containment. Battelle - Institut Frankfurt. FRG. 17th WRSM, Rockville, MD, USA. Oct. 1989.

80. Kumar, R.K., Dewit , W.A., and Greig, D.R., Vented explosions of hydrogen - air mixtures in a large volume. Combustion Science and Technology, 1989, vol. 66, pp. 251 - 266.

81. Lee Y.H.S and Moen I.O. Progress Energy Combust. Sci.6. 1980.p. 359 -

389.

82. Lewis M.J., Rubini P.A. and Moss J.B. Field Modelling of Non - Charring Flame Spread.// Sixth International Symposium on Fire Safety Science, France, 1999.

83. Marshall M.B. The Effect of Ventilation on the Accumulation and Dispersal of Hazardous Gases. Institution of chemical engineers/ Symposium series. №82, 1983.-e 11 - e 22.

84. Moen I.O., Lee Y.H.S , Hjertager B.H., Fuhre K and Eckhoff R. Large Scale Methane - Air Explosions of Raufoss. Norway. 1980. The Chr. Michelsens Institute Report, Borgen, Norway, January. 1981.

85. Moen I.O., Donato M. Flame acceleration due to turbulent produced by obstacles. Comb.Flame. V.31. 1980.p. 21-30.

86. Moen I.O., Donato M. Turbulent flame propagation and acceleration in the Presents of Obstacles. Progress in Astronomy and Aeronautics. V 75. 1981. p. 33 -47.

87. Morton V.N., Nettleton M.A. Pressures and their venting in spherically expanding flames. Comb. Flame.№126. 1977. p.9.

88. Nettleton, M.A. Pressure as a function of time and distance in a vented vessel, Comb, and Flame, 24. 1975. 65.

89. Nettleton, M.A. Some features influencing the venting of vessels in which pressure gradients initially exist, Fire Preu. Sci. and Tech., №19, 1978. 4

90. Nettleton, M.A. Venting explosions: an empirical approach, Fire Preu. Sci. and Tech. № 14. 1976. 27.

91. Palmer K.W. Dust Explosions and Fires, Chapman and Hall, London.

1973.

92. Pasman H.J. Groothuisen, Th.M., and Gooijer P.H., Desing of Pressure Relief Vents. In: Loss Prevention and Safety Promotion in the Process Industries/ Edited by Buschman C.H. - New - York, 1974, pp. 185 - 189.

93. Pasman H.Y. at all. Design of pressure relies vents. Report Jechological Laboratory TNO №2100 - P.O.B. 45. The Nethor lands 1978. p. 185 - 189.

94. Pritchard P. Breakage of glass windows by explosions. Journal of Occupational accidents. №3. 1981. P.69 - 85.

95. Rockett J.A.Fire Induced Gas Flow in an Enclosure.// Combustion Science and Technology, 1975, №12. - P165 - 175.

96. Ryzhov A.M. Numerical simulation of fires in compartments.// Proceedings of the Russian - Japanese seminar on combustion. The Russian section of the Combustion Institute, 1993. - P. 85 - 86.

97. Solberg D.M. Observations of flame instabilities in large scale vented gas explosions. 18-th Sympos. (International) The combustion institute. 1980. P. 1607 -1614.

98. Van Wingerden C.J.M. On the rade acoustically driven flame instabilities in vented gas explosions and their elimination. Comb. And Flame 51. 1983. P. 109 -111.

99. Wakamatsu T. Calculation metods for predicting smoke movement in building fires and designing smoke control systems.// ASTM - NBS symposium «Fire

standards and safety». A.F. Robertson Ed., Philadelphia, PA, American Society for Testing and Materials, 1977. - P. 168 - 193.

100. Yao C. Explosion Venting of Low - Strength Equipment and Structures.

Loss Prevention, 1974, Vol. 8, pp. 1-9.

fh .

101. ZaloshR. 13 Intern. Sympos. Loss Prevention Houston T.X. 1979.

ПРИЛОЖЕНИЕ 1 Схема экспериментальной установки.

1- Взрывная камера, объемом 10м3.

2- Переходной узел - диффузор.

3- Сэндвич - панель.

ПРИЛОЖЕНИЕ 2 Система зажигания

1 - Аккумулятор (емкость 12 А/час);

2 - Блокиратор пуска;

3 - Кнопка пуска зажигания;

4 - Конденсатор ( емкость 0,25 мкФ);

5 - Катушка зажигания (напряжение 12В);

6 - Высоковольтный провод;

7 - Свеча зажигания.