Оперативне визначення основних характеристик утворення і розповсюдження диму при пожежі у приміщенні

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ВНУТРІШНІХ СПРАВ УКРАЇНИ

АКАДЕМІЯ ПОЖЕЖНОЇ БЕЗПЕКИ УКРАЇНИ

УДК 614.842

Єлізаров Олександр Вікторович

Оперативне визначення основних характеристик утворення і розповсюдження диму при пожежі у приміщенні

Спеціальність 21.06.02 - Пожежна безпека

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеню

кандидата технічних наук

Харків-2001

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Українському науково-дослідному інституті пожежної безпеки МВС України, Міністерство внутрішніх справ (м. Київ)

Науковий керівник:

Доктор технічних наук, професор Алексієв Олег Павлович, завідувач кафедрою електрообладнання автомобілів Харківського державного автомобільно-дорожнього технічного університету, Міністерство освіти та науки України (м. Харків)

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, старший науковий співробітник Комяк Валентина Михайлівна, Академія пожежної безпеки України, Міністерство внутрішніх справ України (м. Харків), професор кафедри фундаментальних дисциплін;

кандидат технічних наук, доцент Сирих Василь Миколайович, науково-дослідний інститут судової експертизи ім. Бокаріуса М.С., Міністерство юстиції України (м. Харків), завідувач сектором пожежно-технічних досліджень

Провідна установа: Харківський державний технічний університет будівництва і архітектури, Міністерство освіти та науки України, кафедра безпеки життєдіяльності та інженерної екології (м. Харків)

Захист відбудеться "26" квітня 2001 року о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 64.707.01 при Академії пожежної безпеки України за адресою: 61023, м. Харків, вул. Чернишевська, 94

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Академії пожежної безпеки України, за адресою: м. Харків, вул. Чернишевська, 94

Автореферат розісланий "23" березня 2001 року.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради В.І. Кривцова

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність. У сучасних умовах розвитку і структурної перебудови промисловості України, стосовно до потреб ринку, істотно зростає можливість пожежі на промислових підприємствах і в суспільних будинках. Так, по статистичним даним за 1998-1999 р.р., близько 50% усіх пожеж у м. Харкові і Харківській області мали місце саме у виробничих приміщеннях. Серед небезпечних факторів пожежі в приміщенні одним з найбільш істотних є наявність диму. Існуюча нормативно-технічна документація не дає можливості з прийнятним ступенем точності розрахувати характеристики розвитку пожежі і, зокрема, впливи диму на життя і здоров'я людей.

Тому актуальною є задача чисельного й експериментального дослідження особливостей поширення диму в приміщенні, з урахуванням практичних нестатків пожежної охорони в розглянутому класі приміщень.

У більшості випадків дим, як небезпечний фактор пожежі, грає істотну (а в більшості випадків головну) роль.

Дослідження в області пожежі протягом значного проміжку часу проводилися окремо від вивчення поширення диму. При цьому, основна увага приділялася оцінкам температурного впливу пожежі, розроблялися моделі, засновані на принципах газової динаміки, гідравліки і теорії теплопровідності.

Перші дослідження в галузі чисельного моделювання пожежі в приміщенні були початі в 1927 р. Індбергом у Національному бюро Стандартів США. Через тринадцять років Каваго запровадив у практику критерій впливу вентиляції на пожежу, експериментально підтверджений Гросом і Робертсоном у 1960 р. Фундаментальна ідея про зонну структуру пожежі була висунута Томасом і Хінклі у 1963 р. При цьому з'явилася можливість враховувати рух газоподібних продуктів горіння, інших речовин, що виділяються при горінні і макрочасток диму.

Дослідження в даній галузі проводилися також у ВНДІПО МВС РФ і ВІПТШ МВС РФ.

В даний час відбувається інтенсивний розвиток як теоретичних, так і експериментальних методів вивчення особливостей пожежі, зокрема, пожежі в приміщенні.

Як показує аналіз публікацій, при всім різноманітті існуючих методів визначення характеристик пожежі в літературі відсутній єдиний підхід. Це зв'язано зі складністю моделювання процесів, що відбуваються при пожежі в приміщенні. Але практика вкрай має потребу в розробці таких інженерних методик, які б узагальнювали теоретичні й експериментальні досягнення в цьому напрямку.

Зв'язок роботи з науковими темами. Дисертаційне дослідження проводилося згідно "Державної програми забезпечення пожежної безпеки на 1995-2000 р.р.", затвердженої Постановою Кабінету Міністрів України № 238 від 03.04.1995 р. і науково-дослідній роботі з замовлення ГУДПО МВС України (№ державної реєстрації 0197U019314).

Мета і задачі дослідження. Метою дослідження є розробка науково обґрунтованих рекомендацій з оцінки ступеню небезпеки диму під час пожежі в приміщенні на основі експериментального і чисельного моделювання розвитку пожежі.

Для досягнення мети дослідження необхідно вирішити наступні задачі:

- виконати статистичний аналіз ролі диму, як небезпечного фактора пожежі, обґрунтувати роль диму, як найбільш небезпечного фактора пожежі (НФП);

- розробити математичну і фізичну моделі процесу розвитку пожежі, утворення і поширення диму в приміщенні на основі зонної моделі розвитку пожежі;

- сформулювати замкнуту й однозначно розв'язну систему рівнянь і початкових умов, що описує розвиток пожежі, утворення і поширення диму в приміщенні;

- запропонувати раціональний план проведення іспитів, що забезпечує вірогідність отриманих результатів, при цьому не потребуючого проведення необґрунтовано великої кількості іспитів;

- провести іспиту в теплодимокамері з метою моделювання процесу і верифікації розроблених моделей;

- виконати чисельну реалізацію алгоритму розрахунку розвитку пожежі, утворення і поширення диму в приміщенні й обґрунтувати вірогідність отриманих результатів порівнянням з даними іспитів у теплодимокамері;

- представити результати розрахунку утворення і поширення диму в приміщенні у вигляді таблиць, номограм і графоаналітичних методик, придатних для використання в практичній роботі пожежної охорони.

Об'єктом дослідження є фізичні процеси, що відбуваються в приміщенні під час пожежі.

Предметом дослідження є характеристики диму, як небезпечного фактора пожежі, кількісні оцінки концентрації макрочасток і компонентів газової фази в кожен момент часу у всьому обсязі приміщення.

Методи досліджень - при проведенні досліджень використані методи системного аналізу, експертних оцінок, фізичного і математичного моделювання, математичної статистики й обробки даних, розрахунковий і графоаналітичний методи, що відповідає специфіці задач, що розглядаються.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в наступному. На основі аналізу існуючих методів розрахунку розвитку пожежі, утворення і поширення диму в приміщенні запропонована феноменологічна модель процесу, що враховує зміну складу газової фази і наявність макрочасток диму в приміщенні. Виконано чисельну реалізацію алгоритму; складена комп'ютерна програма розрахунку основних характеристик розвитку пожежі, утворення і поширення диму в приміщенні.

Створено оригінальну методику раціонального планування натурного експерименту по вивченні особливостей розвитку пожежі, утворення і поширення диму.

Виконано натурні іспити в теплодимокамері Харківського гарнізону пожежної охорони для деяких часто зустрічаючих ся речовин і матеріалів (деревина, синтетичні матеріали, легкозаймисті і горючі рідини ЛЗР і ГР).

Розроблено таблиці і номограми, що дозволяють працівникам пожежної охорони розраховувати основні характеристики пожежі, утворення і поширення диму в бойових умовах і при розробці профілактичних заходів на конкретних об'єктах.

Практичне значення отриманих результатів. Отримані результати дозволяють швидко і без великих витрат праці визначити значення концентрацій макрочасток диму і компонентів газової фази при пожежі в приміщенні заданих геометричних розмірів, якщо відомі характеристики пожежного навантаження.

Використання розроблених алгоритмів розрахунку пожежі, утворення і поширення диму в приміщенні дозволяє оперативно визначити, наскільки небезпечною для життя і здоров'я людей є ситуація в кожний момент часу і раціонально розподілити сили і засоби, що маються в розпорядженні РТП.

Розроблені таблиці і номограми по визначенню температури в приміщенні, складу газової фази і концентрації макрочасток диму передані в Головне Управління Державної пожежної охорони МВС України .

Отримані результати використовувалися в дослідженнях розвитку пожеж у м. Харкові і Харківській області, а також

Основні результати роботи використовуються в навчальному процесі при проведенні занять навчальному центрі підготовки пожежних УДПО УМВС України в Харківській області і Академії пожежної безпеки України.

Особистий внесок автора. Особистий внесок автора в одержанні наукових результатів, викладених у дисертації і відбитих у наукових працях, складається у експериментальному визначені характеристик розвитку пожежі, утворення і поширення диму в приміщенні; розробці феноменологічної моделі процесу, з урахуванням зміни складу газової фази і поширення макрочасток диму; розробці методики раціонального планування й обробки результатів іспитів; проведенні експериментальних досліджень у теплодимокамері Харківського гарнізону пожежної охорони; розробці обчислювального і графоаналітичного способів для визначення основних характеристик розвитку пожежі, утворення і поширення диму в приміщенні.

Апробація результатів дисертації.

Основні результати дисертаційного дослідження доповідалися й обговорені на науково-практичному семінарі Академії пожежної безпеки України, на кафедрі організації служби і підготовки Академії пожежної безпеки України, на XV міжнародній науково-практичній конференції "Проблемы горения и тушения пожаров на рубеже веков" (ВНДІПО МВС РФ, г. Москва, 1999 г.), на IV Всеукраїнській науково-практичній конференції "Пожежна безпека - 99" (ЧІПБ МВС України, м. Черкаси, 1999 р.).

Публікації. По темі дисертації опубліковано 8 наукових праць, з яких 1 монографія, 5 статей, опублікованих у виданнях, включених у Перелік ВАК України, і 2 - тези доповідей конференцій .

Структура й обсяг роботи. Дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів і загальних висновків, містить 120 сторінок друкованого тексту, 25 таблиць, 14 ілюстрацій і 3 додатків.

пожежа концентрація макрочастки газова

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У першому розділі проаналізовано сучасний стан проблеми, пов'язаної з розвитком пожеж та розповсюдженням диму у приміщенні.

Проаналізовано фізико-хімічні особливості диму й основні кількісні характеристики процесу розвитку пожежі, що згодом варто враховувати при розробці фізичних і математичних моделей системи “ПОЖЕЖА- ДИМ”, придатних для швидкого одержання результатів у повсякденній практиці працівників пожежної охорони. При цьому особлива увага приділяється ролі експериментальних досліджень у вивченні розвитку пожежі в приміщеннях, що обумовлено складністю процесу, для якого дуже важко побудувати адекватну фізичну і математичну модель.

На основі виконаного аналізу існуючих методів боротьби з димом, особливостей чисельного й експериментального моделювання процесу розвитку пожежі, утворення і поширення диму в приміщенні, ставиться задача визначення концентрацій макрочасток і небезпечних для життя компонентів газової фази. При формулюванні задачі враховувалися, у першу чергу, практичні потреби працівників пожежної охорони в точній і своєчасній інформації про вплив диму на стан людей.

Було проведено статистичний аналіз ролі диму, як небезпечного фактору пожежі у приміщенні. Для його виконання були залучені фахівці - практичні працівники Державної пожежної охорони. Збір та аналіз статистичних даних було виконано шляхом розповсюдження анкет, які були спеціально розроблені для цієї мети. Аналіз даних анкет дозволив виявити загальну роль диму серед інших небезпечних факторів пожежі, а також детальну інформацію щодо його впливу на життя та здоров'я людей.

Експерти обирались з: рядового складу (група 1); молодшого начальницького складу (група 2); середнього начальницького складу (група 3); старшого начальницького складу (група 4). В анкетах оцінювались: середній час пожежі tп; середній час прямування на пожежу tс; середній час гасіння tг; середню кількість смертельних випадків на пожежах для будівель типу "1" N1; те ж для будівель типу "2" N2; те ж для будівель типу "3" N3; те ж для будівель типу "4" N4.

Аналіз анкетних даних здійснювався шляхом побудови функції "нев'язки" між даними, які одержані за допомогою опитування, і дійсними статистичними даними

F(l1, l2, l3, l4) = tпд -2(tпд-l1tп1- l2tп2 - l3tп3 - l4tп4)2 +tсд -2 (tсд-l1tс1- l2tс2 - -l3tс3 - l4tс4)2 + tтд -2(tтд-l1tт1- l2tт2 - l3tт3 - l4tт4)2 + Nд1-2(Nд1-l1N 11-l2N12 - -l3N 13 - l4N14)2 +Nд2-2(Nд2-l1N 21- l2N22 - l3N 23 - l4N24)2 +Nд3-2(Nд3-l1N31- -l2N32 - l3N33 - l4N34)2 + Nд4-2(Nд1-l1N 41- l2N42 - l3N 43 - l4N44)2. (1)

Тут індекс "д" відповідає дійсному значенню відповідної величини, одержаної шляхом узагальнення об'єктивних статистичних даних; серед двох нижніх індексів для величин а)-ж) перший відповідає виду величини, другий - номеру групи експертів.

Далі будувалась система лінійних рівнянь для визначення коефіцієнтів l1, l2, l3, l4 , тобто внесків в експертні оцінки від різних груп експертів 1-4, шляхом пошуку мінімуму функції "нев'язки"

¶F/¶li = 0, i = 1, 2, 3, 4. (2)

Одержані значення коефіцієнтів слід використовувати у випадках, коли об'єктивні статистичні дані відсутні. Запропонована схема - підбір груп експертів на основі об'єктивних статистичних даних і подальше опитування утвореної групи експертів з питань, для яких немає відомої відповіді може бути використаний для вирішення багатьох задач, що виникають у практичній роботі підрозділів пожежної охорони.

Виконано аналіз існуючих методів боротьби з димом (рис. 1), який показав, що найбільш ефективним є метод осадження диспергованою рідиною, а також, що не існує більш-менш надійного методу видалення небезпечних для життя людей газів в умовах відсутності вентиляції, тому важливим є питання розрахунку їх концентрації у приміщенні в кожен момент часу.

Другий розділ присвячений плануванню іспитів у теплодимокамері, їхньому проведенню й обробці результатів. Запропоновано апроксимацію основних характеристик процесу, засновану на зонній моделі розвитку пожежі в приміщенні. Апроксимація передбачає поліноміальну залежність від часу для температури в приміщенні, висоти поверхні розподілу зон, концентрацій компонентів газової фази і макрочасток диму в "гарячій" і "холодній" зонах:

jiu=a0i+a1it+a2it2; i=1, … , N; (3)

jil= b0i+b1it+b2it2; i=1, … , N;

Tu= c0+c1t+c2t2; Tl= d0+d1t+d2t2; Н=eo+e1t+e2t2.

Тут jiu і jil- концентрації i-го компонента продуктів горіння в "гарячої" і "холодної" зонах (макрочастки диму і компоненти газової фази розглядаються аналогічно); Tu і Tl- значення температур у "гарячої" і "холодної" зонах, Н - висота поверхні розподілу зон; N - число компонентів продуктів горіння. Коефіцієнти поліномів (3) залежать від геометричних характеристик і фізичних властивостей пожежного навантаження:

a0i= Aoio+Aoi1X1+ Aoi2X2+…; a1i= A1io+A1i1X1+ A1i2X2; …; (4)

b0i= Boio+Boi1X1+ Boi2X2+…; b1i= B1io+B1i1X1+ B1i2X2; …;

c0= Coo+Co1X1+ Co2X2+…; c1= C1io+C1i1X1+ C1i2X2+…;

d0= Doo+Do1X1+ Do2X1+…; d1= D1o+D11X1+ D12X2+…;

e0= Eoio+Eo1X1+ Eo2X2+…; e1= E1o+E11X1+ E12X2+… .

Рис. 1. Методи боротьби з димом

Тут Х1 і X2 - узагальнені фактори, що визначаються зі співвідношень:

X1=-1+2. (m-mmin) /(mmax- mmin); X2=-1+2.(Se-Se min) /(S e max- S e min), (5)

де m, mmax і mmin- дійсне, мінімальне і максимальне значення маси пожежного навантаження; S, Smax і Smin- аналогічні характеристики для ефективної площі горіння. Лінійна апроксимація у формулах (5) називається моделлю А, а квадратична апроксимація - моделлю В і т.д.

При визначенні коефіцієнтів апроксимації у формулах (4) використане планування іспитів у теплодимокамері. Іспити проводилися в теплодимокамері Харківського гарнізону державної пожежної охорони України для трьох випадків:

горіння ЛЗР чи ГР усередині ємності;

горіння розлиття ЛЗР чи ГР;

горіння предметів, виготовлених з дерева.

Для горіння ЛЗР чи ГР мало місце mmin= 1 кг; mmax= 10 кг; Semin=0,5 м2; Semax=2,0 м2; а для горіння предметів з дерева - mmin= 10 кг; mmax= 50 кг.

У табл. 1 наведений приклад для параметрів моделі типу А при горінні бензину АІ-93 у піддоні.

Індекси "1ё3" відповідають першому, другому і третьому коефіцієнтам у формулах (4).

Оцінка адекватності моделей здійснювалася з використанням критерію Фішера.

Третій розділ присвячений чисельному моделюванню процесу розвитку пожежі, утворення і поширення диму в приміщенні. Виконані експерименти не дозволяють визначити концентрації компонентів газової фази і макрочасток диму в приміщенні довільних геометричних розмірів, відмінних від розмірів теплодимокамери. З метою усунути цей недолік була розроблена математична модель процесу, і чисельно реалізований алгоритм розрахунку.

Таблиця 1. Параметри моделі А (бензин АІ-93)

Перемінна Вільний член в формулі (2)Коефіцієнт при tКоефіцієнт при t2х103

123123123

Тu18.00.00.01.20.0020.323.20.020.045

Tl18.00.00.00.10.0030.0211.10.0030.007

H5.00.00.0-0.520.0010.0632.10.0040.006

j(CO2)/U0.0490.00.00.1240.0040.030.120.0340.006

j(CO2)/L0.0490.00.00.0210.0080.0020.0510.0270.002

j(CO)/U0.00.00.00.0170.0030.0010.0000.0000.000

j(CO)/L0.00.00.00.0000.0000.0000.0000.0000.000

При побудові математичної моделі прийняті наступні допущення:

процес горіння протікає в умовах надлишку кисню, тобто має місце аналогія відкритій пожежі;

відсутній обмін енергією і масою з іншими приміщеннями;

швидкість піролізу речовин задана і збігається зі швидкістю вигоряння.

На рис. 2 показане поширення продуктів горіння для об'єктів різного типу.

У математичній моделі незалежними перемінними є: mi, i= “u”,”l” - маса газу і продуктів горіння в формі твердих чи рідких часток; Р - тиск, що залежить тільки від часу (вважається постійним у "гарячої" і "холодної" зонах); Ei - повна енергія газової фази речовини у відповідній зоні; hi- статична ентальпія газової фази речовини; Vi - об'єм зони; rі- щільність газової фази; Ті - абсолютна температура; Y- висота поверхні розподілу зон, відлічувана від рівня підлоги приміщення.

Рис. 2. Особливості поширення компонентів диму при горінні об'єктів різного типу

Математична модель включає:

а) закони збереження маси й енергії:

(6)

Vu = S (H - Y), Vl = S Y;

б) емпіричні співвідношення для оцінки характеристик переносу речовини й енергії з холодної зони в гарячу для об'єктів типу “Л”- локальних (приведені нижче співвідношення відносяться до к-го об'єкта):

m'/W= 0.011 (Y/W2/5)0.566, якщо 0,00 < (Y/W2/5)<0,08; (7)

m'/W= 0.026 (Y/W2/5)0.687, якщо 0,08 < (Y/W2/5)<0,20;

m'/W= 0.124 (Y/W2/5)1,895, якщо 0,20 > (Y/W2/5);W=VfHc.

Загальні формули для розрахунку зміни маси і статичної ентальпії в гарячій і холодній зонах мають вигляд (у випадку, коли є N1 палаючих об'єктів типу “Л” і N2 палаючих об'єктів типу “П”- об'єктів типу "поверхня"):

ml.=-m'1- m'2-...-m'N1+VfП (t) +VfЛ (t); (8)

mu.= m'1+ m'2-...+m'N1.

Тут через VfП , VfЛ і VfП1, VfП2, ... позначено сумарні швидкості піролізу для об'єктів типу “П” і “Л” і швидкості піролізу для окремих об'єктів типу “П” відповідно.

Для більш точного аналізу процесу розвитку пожежі в цілому і вивчення особливостей утворення і поширення диму доповнимо систему співвідношеннями, що описують зміну стану газової фази і концентрацій макрочасток диму.

Зміна маси H2O, HCL, S, HCN у гарячій і холодній зонах визначається співвідношеннями (підсумовування по індексу к провадиться для всіх об'єктів - типу “Л” і “П”):

m.lm=Sk (Vfk jm - m'k Fm); m =1, ... , 4 ; (9)

m.um =Sk m'к Fm; m =1, ... , 4.

Аналогічно, для зміни маси вуглекислого газу й оксиду вуглецю в холодній і гарячій зонах маємо:

m.uco2=Flco2Sk m'k; m.lco2= SкVk co2 - m.uco2; (10)

m.uco=Fco Sk m'k; m.lco= SкVk co - m.uco;

де

Vk CO2=Vfk (1+ Hc /1.32 *107 - jS- jHCL- jHCN -jH2O ))/ (1+CO/CO2);

V k CO = Vk CO2 (CO/CO2).

Зміна маси кисню в гарячій і холодній зонах визначається формулами:

m.lо=-Sк (VfkHck/1.37 107 + Folmк'); (11)

m.uо= Sk Folm'к.

Зміна маси компонентів газового середовища і часток диму в обох зонах і відповідні значення концентрацій зв'язані співвідношеннями, що випливають із закону збереження маси

S d (ruFuj(H-Y))/dt = m.uj ; (12)

S d (rlFljY)/dt = m.lj.

Індекс j = 1, 2, ..., 7, тобто співвідношеннями (12) описується зміна концентрацій HCL, H2O, S, HCN, CO2, CO, O2.

Рис. 3. Залежність приросту температури від часу (1- експеримент, 2- розрахунок): а) "холодна" зона; б) "гаряча" зона

Чисельне рішення системи нелінійних рівнянь (6)ё(12) виконано з використанням програмного продукту мовою Microsoft Fortran 5.0. Залежності деяких характеристик пожежі від часу в графічній формі приведені на рис. 3 для одного з випробувань - горіння бензину АІ-93; m=5 кг., Se=2.34 м2.

Для оцінки ступеню розбіжності експериментальних даних і результатів розрахунку використовується критерій:

, i=1, … , L. (13)

У чисельнику цього вираження знаходиться модуль різниці між розрахованим значенням yi(t) і експериментальним результатом, у знаменнику - мінімум розрахованого й отриманого при іспитах значення функцій. Приклад результатів порівняння даних іспитів і розрахунків приведений у табл. 2.

Таблиця 2.и Порівняння результатів розрахунків і експерименту (горіння розливу бензину АІ-93)

KX1Zk(T)Zk(CO)Zk(CO2)Zk(H)

ULULUL

1-10.0430.0330.0680.0410.0160.0170.15

2-0.50.0560.0650.0450.0590.0560.0630.12

300.0770.0600.0870.0690.0190.0460.09

40.50.0210.0690.0660.0180.0690.0530.08

510.0650.0540.0450.0490.0510.0910.14

Аналіз показує, що похибка розбіжності не перевищує 18 %, а її мінімум складає порядку 10 %.

В четвертому розділі наводяться методики прогнозування розвитку пожежі, утворення і розповсюдження диму.

Методики дозволяють одержувати прогнозні оцінки для:

температури в приміщенні (у "холодній" та "гарячій" зонах);

концентрації СО, СО2, HCl, H2S та ін.;

висоти поверхонь розподілу зон;

концентрації макрочасток диму.

Одержання оцінок зводиться до наступного. На першому етапі по вихідним даним (параметри приміщення, характеристики пожежного навантаження), а також з використанням інтерполяційних коефіцієнтів (mА, mВ, mС, aА, aВ, aС, bА, bВ, bС, gА, gВ, gС) визначаються значення коефіцієнтів математичної моделі (3), (4). Для ілюстрації в табл. 3 наведені значення інтерполяційних коефіцієнтів у випадку горіння бензину АИ-93 у піддоні.

На другому етапі з використанням побудованих за результатами експериментів методами інтерполяції поліномами Лагранжа визначаються відповідні характеристики розвитку пожежі, утворення і розповсюдження диму. На рис. 4 наведений приклад номограми для визначення висоти поверхні зони горіння.

Рис. 4. Номограма для розрахунку характеристик розвитку пожежі, утворення і розповсюдження диму в приміщенні (горіння предметів з дерева), висота поверхні розділу зон H(t)

Кінцеве значення для параметру, що характеризує розвиток пожежі, утворення і розповсюдження диму, визначається з урахуванням коефіцієнта надійності та найбільшого зі значень параметру для двох попередніх етапів. коефіцієнт надійності враховує похибку обчислень, яка лежить в діапазоні (10ё18) %.

Таблиця 3. Значення інтерполяційних коефіцієнтів (горіння бензину АИ-93 у піддоні)

ПереміннаКоефіцієнти

mAaAbA102x mB102x aB102x bB103x mC103x aC103x bCgAgBgC

TU0.0.0.4.9-5.9-7.24.1-2.2-0.8718.0.0.

TL0.0.0.------18.0.0.

H0.0.0.0.030.09-3.20.02-0.040.325.5.5.

j(CO2)U0.0.0.6.1-2.9-7.81.4-0.9-0.450.050.0.

j(CO2)L0.0.0.------0.050.0.

j(CO)U0.0.0.0.9-0.45-0.310.12-0.07-0.030.00.00.0

j(CO)L0.0.0.------0.00.00.0

j(S)U0.0.0.5.2-2.9-5.83.0-1.3-0.370.00.00.0

j(S)L0.0.0.------0.00.00.0

j(HCL)U0.0.0.------0.00.00.0

j(HCL)L0.0.0.------0.00.00.0

j(H2S)U0.0.0.------0.00.00.0

j(H2S)L0.0.0.------0.00.00.0

ВИСНОВКИ

1. Дим є одним з найбільш небезпечних факторів пожежі в приміщенні, причому мова йде як про макрочастки диму, так і небезпечні для життя і здоров'я людини компоненти газової фази. Тому актуальною є задача прогнозування утворення і поширення диму в приміщенні.

2. На підставі опитування, виконаного серед працівників пожежної охорони України і статистичної обробки отриманих результатів, зроблено висновок про те, що найбільш істотним є вплив на людину окису і двоокису вуглецю.

3. Поставлено задачу розрахунку основних характеристик розвитку пожежі, утворення і поширення диму в приміщенні стосовно до потреб пожежної охорони.

4. Розроблено методику планування натурних іспитів по вивченню особливостей досліджуваного процесу розвитку пожежі, утворення і поширення диму в приміщенні й обробки результатів. На базі теплодимокамери Харківського гарнізону пожежної охорони виконані іспити для предметів з деревини, розлиття ЛЗР і ГР усередині ємності.

5. Розроблено математичну і фізичну модель процесу розвитку пожежі, утворення і поширення диму в приміщенні, орієнтовану на практичні потреби пожежної охорони.

Показано, що система рівнянь і початкових умов являє собою, по суті, дві незалежні системи - розрахунок розвитку теплофізичних характеристик пожежі і розрахунок характеристик утворення і поширення диму (концентрацій компонентів газової фази і макрочасток диму в об'ємі приміщення). При цьому результати розрахунку теплофізичних характеристик процесу є вхідними даними для визначення концентрацій макрочасток диму і компонентів газової фази при пожежі.

6. Виконано верифікацію розрахункового алгоритму, заснованого на застосуванні зонної моделі розвитку пожежі, утворення і поширення диму в приміщенні, з використанням даних іспитів, проведених у теплодимокамері.

7. Розроблено аналітичний спосіб розрахунку основних характеристик процесу розвитку пожежі, утворення і поширення диму в приміщенні, призначений для використання практичними працівниками пожежної охорони при плануванні профілактичних заходів і розробці оперативних планів гасіння пожеж на конкретних об'єктах. В основу розрахунку покладені результати обчислювального експерименту (обчислення проводилися по розробленому раніше алгоритму).

8. Розроблено графоаналітичний спосіб розрахунку процесу розвитку пожежі, утворення і поширення диму в приміщенні. Тим самим користувачу - практичному працівнику пожежної охорони - надається можливість самостійно вибрати найбільше придатний інструмент для наближеного прогнозування утворення і поширення диму в приміщенні.

Основні положення дисертаційної роботи опубліковані в роботах

1.Абрамов Ю.А., Карлаш С.П., Елизаров В.В., Елизаров А.В., Стоянов А.Ф. Современные средства противопожарной защиты. - Харьков: ХИПБ МВД Украины, 1998. - 196 с.

2.Елизаров А.В. Приближенный способ учета химического состава горючего вещества при расчете распространения частиц дыма и вредных продуктов горения в помещении во время пожара // Проблемы пожарной безопасности: Сб. науч. тр. - Вып. 2. - Харьков: ХИПБ, 1997. - С. 36-39.

3.Елизаров А.В., Стоянов А.Ф. Оперативный способ определения степени опасности дыма и токсичных продуктов горения для жизни людей при пожаре в помещениях большого объема // Проблемы пожарной безопасности: Сб. науч. тр. - Вып. 3. - Харьков: ХИПБ, 1998. - С. 65-68.

4.Стоянов А.Ф., Елизаров А.В. Статистический анализ влияния опасных факторов пожара в помещениях на жизнь и здоровье людей // Проблемы пожарной безопасности: Сб. науч. тр. - Вып. 4. - Харьков: ХИПБ, 1998. - С. 179-183.

5.Елизаров А.В. Схема анализа развития пожара, образования и распространения дыма на промышленных объектах г. Харькова // Проблемы пожарной безопасности: Сб. науч. тр. - Вып. 5. - Харьков: ХИПБ, 1999. - С. 145-148.

6.Стоянов А.Ф., Елизаров А.В. Феноменологическая модель развития пожара, образования и распространения дыма в помещении // Проблемы пожарной безопасности: Сб. науч. тр. - Вып. 6. - Харьков: ХИПБ, 1999. - С. 145-148.

7.Елизаров А.В., Стоянов А.Ф. Роль расчета сценария и оценки риска пожара на промышленных предприятиях в практической работе пожарной охраны // Тез. докл. научн.-практ. конференции "Пожежна безпека-99", г. Черкасы, 1999. - Сб. науч. тр. - Ч. 1. - С. 190-192.

8.Стоянов А.Ф., Елизаров А.В. Численное моделирование распространения дыма при пожаре в помещении // Науч.-практ. конф. "Проблемы горения и тушения пожаров на рубеже веков". - Т. 1. - М.: МВД РФ. - 1999. - С. 36-39.

Єлізаров О.В. Оперативне визначення основних характеристик утворення і розповсюдження диму при пожежі у приміщенні. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 21.06.02 - пожежна безпека. Академія пожежної безпеки України, Харків, 2001.

Захищається 8 наукових робіт, в яких на основі аналізу існуючих методів розрахунку розвитку пожежі, утворення і поширення диму в приміщенні запропонована феноменологічна модель, що враховує зміну складу газової фази і наявність макрочасток диму в приміщенні; виконано чисельну реалізацію алгоритму; складена комп'ютерна програма розрахунку основних характеристик розвитку пожежі, утворення і поширення диму в приміщенні. В роботі створено оригінальну методику раціонального планування натурного експерименту по вивченні особливостей розвитку пожежі, утворення і поширення диму та наводяться результати натурних експериментів для речовин і матеріалів, що найбільш часто зустрічаються (деревина, синтетичні матеріали, легкозаймисті і горючі рідини), на основі яких розроблені таблиці і номограми, що дозволяють працівникам пожежної охорони розраховувати основні характеристики пожежі, утворення і поширення диму в бойових умовах і при розробці профілактичних заходів на конкретних об'єктах.

Ключові слова: дим, газова фаза, макрочастки диму, утворення та поширення диму.

Yelizarov A.V. Operative definition of the basic characteristics of formation and distribution of a smoke at a fire in a room. - Manuscript.

The dissertation on reception of a scientific degree of the candidate of engineering science on a speciality 21.06.02 - fire safety. Academy of fire safety of Ukraine, Kharkov, 2001.

8 scientific works are protected, in which on the basis of the analysis of existing methods of account of development of a fire, formation and distribution of a smoke in a room is offered model, which takes into account change of structure of a gas phase and presence macro-particle of a smoke in a room; the numerical realization of algorithm is executed; the computer program of account of the basic characteristics of development of a fire, formation and distribution of a smoke in a room is made. In work the original technique of rational planning of experiment on study of features of development of a fire is created, the formations and distributions of a smoke and are resulted results of experiments for some substances and materials (wood, synthetic materials easily inflammable and a combustible liquid), on the basis of which the tables are developed, which allow the workers of fire protection to expect the basic characteristics of a fire, formation and distribution of a smoke in battle conditions and by development of preventive measures on concrete objects.

Key words: a smoke, gas phase, macro-particle of a smoke, formation and distribution of a smoke.

Елизаров О.В. Оперативное определение основных характеристик образования и распространения дыма при пожаре в помещении. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 21.06.02 - пожарная безопасность. Академия пожарной безопасности Украины, Харьков, 2001.

На основе анализа обзора существующих литературных источников в области теоретического и экспериментального изучения распространения пожара, образования, распространения и осаждения дыма при пожаре в помещении, основных количественные характеристик, описывающих состояние дыма в помещении, и методов их экспериментального определения и теоретического расчета, методов борьбы с дымом, сделан вывод о том, что наиболее эффективным является метод осаждения макрочастиц дыма диспергированной жидкостью. Кроме того показано, что осаждение диспергированной жидкостью практически не оказывает влияния на газообразную фазу, поэтому важным является вопрос об оценке концентраций компонентов газовой фазы в помещении.

Предложена методика экспертных оценок, которая может быть применена для решения широкого круга вопросов, актуальных в настоящее время для пожарной охраны.

Предложена методика рационального планирования испытаний в теплодымокамере и обработки результатов, предусматривающая оценку точности и адекватности предлагаемой эмпирической модели процесса пожара, образования и распространения дыма в помещении.

Введено понятие эффективной площади горения, как одной из характеристик объекта, определяющей режим возможного пожара.

Предложены полиномиальные эмпирические модели расчета основных характеристик процесса. Структура моделей позволяет быстро и без больших затрат труда рассчитать значения основных характеристик развития пожара в помещении в каждый момент времени, что важно для практического применения полученных результатов.

Приведены результаты испытаний в теплодымокамере Харьковского гарнизона пожарной охраны для следующих случаев: горение ЛВЖ или ГЖ внутри емкости; горение разлития ЛВЖ или ГЖ; горение предметов, изготовленных из дерева.

На основе обработки экспериментальных данных показано, что предлагаемые модели адекватно описывают процесс (для проверки адекватности использовался критерий Фишера).

Выполнена оценка погрешности аппроксимации физических переменных системы; обоснована адекватность аппроксимации физических переменных с помощью полиномов второй степени.

Разработана математическая модель развития пожара в помещении, основанная на зонном приближении; используются основные физические законы сохранения вещества и энергии, в то же время модель учитывает потребности практических работников пожарной охраны. Исследована полученная на основании модели процесса система уравнений и начальных условий. Показано, что система является замкнутой и однозначно разрешимой и распадается на два отдельных блока - расчет основных характеристик развития пожара (в частности, температуры в помещении) и расчет характеристик образования и распространения дыма.

Выполнена численная реализация алгоритма в виде компьютерной программы, составленной на языке FORTRAN.

Проведена верификация алгоритма посредством анализа расхождений между расчетными и экспериментальными результатами для одного помещения - темплодымокамеры Харьковского гарнизона пожарной охраны.

Разработан способ расчета основных характеристик развития пожара, образования и распространения дыма в помещении, ориентированные на применение в практической работе пожарной охраны.

Предложен графоаналитический способ определения основных характеристик изучаемого процесса, основанная на интерполяции данных численного эксперимента (спектр возможных объектов аналогичен предыдущему случаю).

Введено понятие коэффициента "надежности" применительно к расчету характеристик развития пожара, образования и распространения дыма в помещении. Величина коэффициента "надежности" K определяется максимальной погрешностью численного моделирования отдельных характеристик изучаемого процесса - компонентов вектора Y.

Составлен алгоритм действий практического работника пожарной охраны при расчете характеристик развития пожара, образования и распространения дыма в помещении.

Ключевые слова: дым, газовая фаза, макрочастицы дыма, образование и распространение дыма.

Размещено на Allbest.ru