После воспламенения горючих веществ или материалов продукты горения, имеющие меньшую плотность, чем окружающий воздух, устремляются вверх, образуя над очагом горения свободную конвективную струю (конвективную колонку). За счет инжекции воздуха температура и скорость газа в конвективной колонке с высотой уменьшаются, а площадь сечения колонки и массовый расход газа в ней увеличиваются. Достигнув потолка помещения, продукты горения растекаются под ним в виде радиальной струи, температура и скорость в которой по мере удаления от оси уменьшаются за счет тепломассообмена с окружающей средой и строительными конструкциями. После достижения радиальной струей стен помещения начинается образование нагретого припотолочного слоя дыма, толщина которого увеличивается вследствие поступления в слой смеси продуктов горения и воздуха из конвективной колонки.
Таким образом, процесс задымления помещения при пожаре можно разбить на два этапа. На первом этапе происходит растекание нагретого дыма под потолком помещения в виде радиальной -струи, на втором этапе - рост толщины нагретого слоя дыма, включающего радиальную струю и верхнюю часть конвективной колонки. Соответственно в объеме помещения можно выделить следующие характерные зоны: факел пламени с конвективной колонкой над ним, припотолочный слой нагретого дыма и воздушную зону с практически неизменной температурой. Эти зоны особенно отчетливо наблюдаются при локальных пожарах, когда размеры очага горения значительно меньше размеров помещения.
|
|
Зонные математические модели учитывают существование в помещении перечисленных зон. Эти модели точнее отражают реальную физическую картину локального пожара по сравнению с интегральными моделями и, следовательно, дают более полные и достоверные результаты расчета. Это достигается, прежде всего тем, что в зонных моделях усреднение термодинамических параметров среды производится не по объему всего помещения, а по объему более однородных зон. Если же размеры очага горения сравнимы с размерами помещения, потоки газов могут практически полностью перемешивать среду в помещении (объемный пожар), В таком случае физическая картина процесса ближе к интегральной модели, и соответственно интегральная модель дает более корректные результаты. Поэтому интегральные модели обычно используются для решения задач, связанных с развитой стадией пожара (например, обеспечения огнестойкости строительных конструкций), а зонные модели нашли свое основное применение при решении задачи обеспечения безопасности людей и других задач, связанных с начальной стадией пожара.
|
|
При разработке зонных математических моделей развития пожара в помещении параметры очага горения и конвективной колонки, как правило, задаются в виде полуэмпирических зависимостей, полученных в результате предварительного теоретического анализа и обработки экспериментальных данных. С помощью зонных моделей рассчитываются усредненные параметры припотолочного слоя дыма и высота свободной границы (границы раздела между этим слоем и слоем чистого воздуха) в зависимости от времени. Расчет производится путем интегрирования балансовых уравнений припотолочного слоя дыма с учетом начальных условий.
В нижеследующих разделах сформулированы основные уравнения зонной математической модели пожара в помещении.
Алгоритм численной реализации зонной модели
Сформулированная выше система уравнений с точки зрения математики представляет собой задачу Коши с начальными условиями. Вследствие нелинейности получение аналитического решения системы исключено. Поэтому с использованием компиляторов Microsoft Fortran 5.0 и Turbo Pascal 5.5 разработана программа численной реализации изложенной зонной модели пожара в помещении для IBM-совместимых ПК (среда DOS). Для решения использован итерационный метод предсказания - коррекции 4-го порядка с постоянным шагом, стартующий по методу Рунге - Кутта также 4-го порядка с постоянным шагом. Расчет правых частей уравнений состоит в последовательном применении приведенных выше соотношений в явном виде. Программа имеет развитый экранный интерфейс, ориентированный на минимально подготовленного пользователя.
ГЛАВА 3. РАСЧЕТ МАТЕРИАЛЬНОГО И ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО БАЛАНСА ВНУТРЕННЕГО ПОЖАРА
Теоретические основы
Горение веществ и материалов при пожаре сопровождается выделением газообразных продуктов и тепла. Вследствие нагревания газовой среды возникают перепады давления, которые приводят к движению дыма и воздуха через проемы, причем вместе с потоками газов переносится тепловая энергия. Происходит нагревание строительных конструкций помещения.
Таким образом, с точки зрения физики, пожар - это совокупность определенных процессов тепломассопереноса. Все эти процессы тесно взаимосвязаны и, более того, взаимообусловлены, т.е. не могут рассматриваться изолированно один от другого. Именно по этой причине при современном научном подходе к расчету динамики опасных факторов пожара используются не отдельные зависимости, а система взаимосвязанных уравнений.
Основу этой системы составляют уравнения материального и энергетического баланса пожара, которые могут быть записаны в следующем виде:
(3.1)
(3.2)
где – время; М и U – масса и внутренняя энергия газовой среды в помещении; y– массовая скорость газификации горящего материала; GB и GГ– массовые расходы потоков поступающего в помещение воздуха и истекающих из помещения газов; QН– теплота сгорания; GП и h– энтальпия продуктов газификации и массовая полнота их сгорания; СРВ, TB и CРГ, TГ– удельная теплоемкость и температура поступавшего в помещение воздуха и истекающих из него газов соответственно; QW– тепловой поток, поглощаемый строительными конструкциями.
Приведенные уравнения отражают фундаментальные физические законы сохранения массы и энергии. Количество неизвестных функций в этих уравнениях превышает количество самих уравнений, поэтому для их решения используются различные дополнительные соотношения.
В зависимости от особенностей конкретной практической задачи математическая модель пожара может включать различный набор уравнений. Однако уравнения баланса массы и энергии в той иди иной форме их записи являются неотъемлемой частью любой модели, так как именно они всегда составляют ее базу. Поэтому понимание физической основы современного подхода к расчету опасных факторов пожара невозможно без понимания структуры уравнений массы и энергии и смысла каждого слагаемого в них.
|
|
ЦЕЛЬ РАБОТЫ: получить количественную оценку каждого из составляющих материального и энергетического баланса пожара в их динамике. Таблица 3.1
Таблица 3.1