МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ДИНАМИКИ ТЕМПЕРАТУРЫ ГАЗОВОЙ СРЕДЫ ПРИ ПОЖАРЕ

Современные научные исследования пожаров представляют собой разработку и внедрение математических моделей пожара. Математическое моделирование позволяет определять значения и динамику основных параметров пожара в любой момент времени. Инженерные методы расчета, полученные посредством математических моделей, просты в использовании и обладают достаточной точностью. Результаты расчетов позволяют уточнить действия по тушению пожаров, обеспечить своевременную безопасную эвакуацию людей из зоны пожара, а также провести необходимые мероприятия по предотвращению возможности возникновения пожара. При разработке рекомендаций по обеспечению безопасной эвакуации людей необходимо определить время достижения предельно допустимых значений опасных факторов пожара [2]. При этом время эффективной эвакуации людей будет определяться временем достижения критической температуры газовой среды в помещениях, из которых проводится эвакуация, так как этот фактор оказывает наибольшее травмирующее воздействие на человека, вплоть до летального исхода.

Пожарная безопасность объекта строительства во многом зависит от принятых объемно-планировочных и технических решений, обоснование которых осуществляется посредством, в частности, моделирования пожаров. Применяемые для этих целей математические модели пожара интегрального типа и их аналитические решения получены с использованием ряда допущений и упрощений, которые обусловили целесообразность проведения модельных экспериментов [4]. Таким образом, научно обоснованное математическое моделирование невозможно без использования экспериментальных методов исследования.

На сегодняшний день активно проводятся мероприятия по разработке и внедрению принципиально новых методов и средств повышения эффективности экспериментальных исследований. Примером таких мероприятий является разработанная математическая модель решения задачи статического оценивания в условиях информационной неопределенности, которая позволяет восполнить недостаток экспериментальных данных. Но в реальных условиях имеет место дефицит статистических данных [3].При этом использование статистики носит частный характер, что существенно ограничивает их применимость.

При проведении модельных экспериментов по изучению динамики опасных факторов пожара затруднения вызывает определение температуры газовой среды в помещении. Существующие методы экспериментальных исследований динамики температурного режима пожара позволяют определять либо температуру окружающих конструкций, либо получать информацию расчетным путем исходя из количества тепла, выделяемого очагом пожара. При этом не учитывается температура приточного воздуха, а количество тепла, уходящего через ограждения, определяется не достаточно точно, в силу приблизительности значений коэффициента теплопотерь. Это привело к возникновению необходимости повышения эффективности методов проведения модельных экспериментов определения такого опасного фактора пожара, как температура газовой среды в помещении.

Для проведения экспериментов, направленных на исследование закономерностей изменения температуры газовой среды в помещении в условиях пожара был разработан оригинальный метод проведения измерений, учитывающий:

-   изменение температуры по высоте помещения;

-   наличие открытого пламени;

-   изменение температуры газовой среды, а не ограждающих конструкций.

Данный метод позволяет оценить изменение температуры в любой момент времени начальной стадии пожара.

С целью проведения экспериментальных исследований природы пожара была разработана и изготовлена экспериментальная установка (Рисунок 1). Она представляет собой камеру сгорания, которая имеет металлический каркас, обшитый несгораемым материалом, величина коэффициента теплопроводности которого, максимально приближена к значению коэффициента теплопроводности кирпичной кладки. Модельная экспериментальная установка, объемом 0.437, негерметична и имеет проем, имитирующий окно.

Методика проведения эксперимента

В центр камеры сгорания устанавливается горючий материал. Экспериментальная установка предусматривает исследование горения как твердых веществ, так и горючих жидкостей.

Метод представляет собой проведение измерений значений температуры посредством замеров лазерным пирометром температуры пробника (Рисунок 2), который выполнен в виде металлической пластины, расположенной в объеме помещения и имеющей градуировочную шкалу. С целью определения значений температуры на разной высоте помещения, луч лазера направляется на определенную отметку шкалы пробника через равные отрезки времени. Фиксации результатов эксперимента осуществлялась посредством видеосъемки.

Пробник выполнен из алюминиевой фольги толщиной 9 мкм. Для того, чтобы доказать эффективность предложенного метода определим время отклика алюминиевой пластины на динамику температуры газовой среды. Для этого необходимо определить время нагрева пробника от окружающей среды (Рисунок 3). Пробник располагается в центральной части объема, причем вертикально для того, чтобы обеспечить эффективную конвекцию.

Рассмотрим эмпирический закон охлаждения Ньютона или уравнение теплоотдачи [1].

где Q – количество тепла, Дж;

a - коэффициент теплоотдачи металл-воздух, Дж/м2Кс; tc–температура газовой среды, К;

tп– температура алюминиевой пластины, К;

S – площадь соприкасающейся поверхности, м2;

t - время достижения алюминиевой пластиной температуры газовой среды. Предположим:

-   теплообмен между пробником и окружающей средой (дымовые газы) происходит конвекцией;

-   изменение температуры пробника происходит путем теплопроводности;

-   процесс теплоотдачи считаем установившимся для всей поверхности. Тогда уравнение (1) принимает вид

Где сp – удельная теплоемкость алюминия, Дж/кгК; m – масса алюминиевой пластины, кг, которая равна:

Для расчета использовались справочные данные и параметры используемых материалов:

2d = 9 ×10-6 м;

r =2700 кг/м3.

сp =930 Дж/кгК;

a = 209 Дж/м2Кс.

Коэффициент теплообмена определяют как количество тепла, которое передается в единицу времени через единицу поверхности, приходящееся на один градус.

Следовательно, время нагрева пробника на один градус от окружающей среды составляет:

t = 0,1081с

Согласно проведенным экспериментам, результаты которых приведены в Табл.1 скорость изменения температуры газовой среды на один градус в среднем составляет приблизительно 19 с. Следовательно, время нагрева поверхности пробника намного меньше времени изменения температуры газовой среды, то есть   .

Таблица 1

При этом скорость замера пирометра составляет 0,25 с и замеры проводились в режиме реального времени. 

Вывод

Использование пробника для проведения замеров при экспериментальном исследовании пожара позволяет получить объективную оценку динамики температуры газовой среды в помещении при пожаре.

Список литературы

1.     Бухмиров В.В. Тепломассообмен: Лекции, Иваново, 2006 г.

2.     Математическая модель для определения критического времени эвакуации при пожаре//Колодяжный С.А., Козлов В.А., Переславцева И.И.// Научный вестник Воронежского государственного архитектурно- строительного университета. Строительство и архитектура. 2014. № 3 (35). С. 128-138.

3.     Обеспечение безопасности функционирования систем газоснабжения при мониторинге технического состояния в условиях информационной неопределенности// Колодяжный С.А., Сушко Е.А., Сазонова С.А., Скляров К.А.//Научный вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета. Строительство и архитектура. 2014. № 2 (34). С. 132-140.

4.     Экспериментальное исследование и моделирование динамики удельной массовой скорости выгорания жидкости в условиях функционирования противодымной вентиляции// Ситников И.В., Колодяжный С.А., Однолько А.А.// Научный вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета. Строительство и архитектура. 2014. № 3 (35). С. 149-157.