Способ задания параметров дымоприемного устройства для оптимизации расчетов динамики опасных факторов пожара при проведении расчетов пожарного риска с учетом работы вытяжной противодымной вентиляции

Автор: Иващук Роман Анатольевич, инженер-проектировщик по пожарной безопасности

Аннотация

В статье представлено описание способа задания в программе полевой модели дымоприемного устройства и устройства подачи компенсирующего воздуха, при использовании которого возможно ожидать снижение потребления вычислительных ресурсов и уменьшения времени работы полевой модели при расчете динамики опасных факторов пожара с включенной противодымной вентиляцией.

Ключевые слова: противодымная вентиляция, дымоприемное устройство, компенсирующий приточный воздух, опасные факторы пожара.

Введение

Безопасность людей при пожаре в здании обеспечивается, в том числе, поддержанием параметров среды, в которой проходит эвакуация или осуществляется спасение, где проходит деятельность пожарных подразделений по ликвидации пожара, на приемлемом для нахождения в ней человека уровне.  При возникновении пожара в здании, помещения, коридоры, вестибюли, другие объемы здания подвержены распространению на них опасных факторов пожара. Для защиты помещений здания от распространения на них опасных факторов пожара, в том числе смежных с коридором пожара коридоров и лестничных клеток, предусматривается система противодымной защиты.

Требованиями нормативных документов по пожарной безопасности предусматривается необходимость выполнять в отдельных случаях расчет пожарного риска с учетом работы дымоудаления [1]. Здесь расчет проводится полевой моделью с указанием поверхностей дымоприемного клапана и клапана компенсирующей подачи и с заданием расходов воздуха на этих поверхностях. Это характерная для полевой модели задача, которая успешно решается при правильном указании начальных и граничных условий. Важным для практики является тот факт, что появление в расчетной области участков с высокими скоростями течения газов обязывает расчетчика уменьшать размер ячейки, а алгоритм расчета, кроме того, уменьшает шаг по времени при расчете [2]. Все это в совокупности значительно затягивает расчет динамики опасных факторов пожара при работе противодымной защиты (далее – ПДЗ). Увеличивается потребление вычислительных ресурсов – нужно больше памяти, больше ядер. В ином случае, если использовать более крупную сетку, расчет не может считаться достоверным.

Ниже представлены предложения по оптимизации расчета динамики опасных факторов пожара (далее – ОФП), которые позволят уменьшить время проведения расчетов.

Технические основы и постановка задачи

Для того, чтобы расчет в программе полевой модели мог бы выполняться с более крупными ячейками и с таким шагом по времени, который позволяет проводить расчеты за обозримое время, нужно уменьшать скорость воздушных потоков. Надо отметить, что исследование динами воздушных потоков даже при небольших скоростях, например, в области общеобменной вентиляции, проводится на мелких ячейках [3]. Это позволяет детально исследовать гидродинамические процессы. Проводить расчеты таким же образом при определении динами ОФП совершенно невозможно практически, и это было бы избыточным по отношению к поставленной задаче, т.к. принципиальные зависимости полей ОФП от времени могут быть получены и на более крупных ячейках [2].

Правильная и оптимальная настройка полевой модели - правильно выбранные начальные и граничные условия, модель турбулентности, расчетная схема - является минимально необходимой составляющей работы расчетчика чтобы получить достоверный результат в части динамики температуры и концентраций дыма и токсичных продуктов горения. Но алгоритм численной реализации в любом случае установит соответствие между размером ячейки, шагом по времени и скоростью движения газов. В одном случае расчет вообще может остановиться, если этого соответствия не будет. В другом случае результаты расчета будут нефизичными или далекими от достоверных и ожидаемых [2].

Покажем дальше, что реальное дымоприемное устройство и устройство подачи воздуха в целях расчета возможно заменить на аналогичные, только с большей площадью и с меньшей скоростью течения газов. Это не повлечет искажения расчетов, но позволит программе полевой модели работать с большим шагом по времени и с большей ячейкой.

Здесь также надо принять во внимание, что расчет динамики ОФП в целях подтверждения безопасности людей при пожаре проводится в начальной стадии пожара и почти всегда оканчивается задолго до достижения пожаром максимальной возможной мощности, на которую ведется расчет дымоудаления.  В этой стадии температуры и скорости конвективных потоков значительно меньше, чем в развитой стадии пожара, что также способствует применению предлагаемого здесь способа моделирования.

Решение поставленной задачи

Рассмотрим основные принципы работы всасывающего устройства (дымоприемного устройства) и устройства подачи воздуха.

Всасывающее устройство

Для всасывающего устройства характерно, что на расстоянии от оси в 2-3 калибра (или даже меньше) распределение скорости соответствует распределению скорости точечного стока [4]. Т.е. при замене реального устройства на его модель большего размера с тем же расходом получим, что на значительном удалении не будет наблюдаться разницы в распределении скорости воздуха. Длина стороны самых больших дымоприемных клапанов приближаются к 1 м. Двухкратное, например, его увеличение в модели отодвинет границу, где распределение воздуха совпадает с распределением для точечного стока, на 1 м, что в масштабах даже не очень протяженного коридора или вестибюля незначительно. А в помещениях меньшего размера применяются клапаны с меньшим размером стороны, поэтому их замена на модельные скажется еще меньше.

Рассмотрим теперь эффективность всасывания.  В различных источниках эффективность работы отсоса (способность улавливать частицы и конвективные потоки) определяется скорость движения воздуха в секторе всасывания (в зоне аспирации) [5]. Направление движения воздуха учитывается в первую очередь в сторону всасывающего отверстия. Величина скорости в общем случае должна быть больше скорости конвективного потока или скорости частиц. В качестве скорости частиц используется скорость их витания в воздухе. Поэтому для оценки возможности замены в расчете реального дымоприемного клапана на его модель нужно построить и сравнить области аспирации клапана и модели.

Для построения области аспирации нужно знать критерии ее построения. Рассмотрим общий случай. Известно, что дым и токсичные продукты горения поступают через проем в коридор и распространяются по коридору под потолком, образуя задымленную область с повышенной температурой. Продольная скорость в этом слое у потолка максимальная и уменьшается в направлении пола за счет подмешивания холодного воздуха в слой, что сопровождается увеличением толщины дымового слоя. Имеется также скорость поперек коридора или поперек направления растекания в случае вестибюля или другого помещения.

В развитой стадии пожара наблюдается движение воздуха в противоположных направлениях в припотолочной зоне и в нижней части коридора. Вертикальное движение задымленного воздуха наблюдается в торцевых частях коридора, где растекающийся дымовой слой поворачивает к полу и начинает распространяться в противоположном направлении. Это случай здесь не рассматриваем, так как дымоприемные устройства обычно находятся на удалении от торцов коридора. Вертикальное движение также имеется по толщине слоя, что проявляется в его утолщении по мере растекания.

Скорости движения известны из пожарно-технической литературы. Скорости конвективных потоков в коридоре в любой стадии пожара не достигают скорости потока в устье дымоприемного устройства даже при наименее интенсивном удалении дыма из коридора.

В качестве величины скорости вертикального движения частиц дымового слоя вниз при растекании под потолком можно взять скорость около 0,3 м/с, аналогичную опусканию дымового слоя при пожаре в помещении [6].

Продольная наибольшая скорость распространения частиц дымового слоя под потолком может быть принята 0,5 м/с [7[.

Построим области аспирации по вертикальной скорости в спектре факела всасывания. В качестве границ области аспирации примем указанные выше скорости.

Для построения областей аспирации был выбран моделируемый участок коридора длиной 5 м, шириной 1,8 м, высотой 2,7 м. В середине на потолке расположено дымоприемное устройство размером 0,6 х 0,6 м в одном расчете (фактические размеры клапана) и 1,2 х 0,6 м в другом расчете (модель клапана). Один из торцов принят открытым в атмосферу и через него происходит приток компенсирующего воздуха. Расстояние от открытого торца коридора до дымоприемного устройства составляет более 2 м. Расчет проводился на ячейке 3 см с уточнением ячейки до 1,5 см в месте расположения дымоприемного устройства.

Скорость в устье клапана, предусмотренного проектом, принята 10 м/с, скорость в модели клапана 5 м/с. Указанные параметры соответствуют решениям противодымной защиты коридоров жилых и общественных зданий.

Рисунок 1 – расчетные схемы для фактического клапана и для модели. Слева – участок коридора с моделью клапана, справа - участок коридора с фактическим размером клапана

Ниже представлены области аспирации, построенные для различных вертикальных скоростей (скоростей по оси Z). Слева показаны границы в объеме коридора, справа показаны контуры границ зон аспирации в продольном центральном сечении коридора. На каждом рисунке показаны оба случая – для фактического клапана и для модели.

Рисунок 2 – области аспирации, построенные для вертикальной скорости (по оси Z). Сверху вниз: Области аспирации для скорости по оси Z 0,5 м/с, Области аспирации для скорости по оси Z 0,3 м/с, Области аспирации для скорости по оси Z 0,1 м/с

Представляет интересе определить границы зоны аспирации, внутри которой частицы задымленного воздуха будут захватываться и направляться к дымоприемному устройству в поперечном направлении, т.е. в данном случае по оси Y. Дымоприемное устройство не занимает весь коридор по ширине, поэтому важно, чтобы конвективные потоки задымленного воздуха, растекаясь на участке между стеной коридора и дымоприемным устройством, удалялись при работе противодымной вентиляции.

Ниже представлены области аспирации, построенные для различных поперечных скоростей (скоростей по оси Y). Слева показаны границы в объеме коридора, справа показаны контуры границ зон аспирации в поперечном центральном сечении коридора. На каждом рисунке показаны оба случая – для фактического клапана и для модели.  Поскольку задача симметричная относительно оси Y, представлены рисунки только для одной половины расчетной области – в координатах от 0 до 0,9 м.

Рисунок 3 – области аспирации, построенные для поперечной скорости (по оси Y). Сверху вниз: Области аспирации для скорости по оси Y 0,5 м/с, Области аспирации для скорости по оси Y 0,3 м/с, Области аспирации для скорости по оси Y 0,1 м/с

Из проведенных расчетов видно, что двухкратное увеличение площади и двухкратное уменьшение скорости в дымоприемном устройстве не оказывает заметного влияния на форму и границы области аспирации. Границы зон аспирации отстоят одно от другой на 0,2 м, что в масштабах коридора является допустимой погрешностью. Тем самым, расчет может проводиться на модели клапана без потери точности.

Компенсирующая подача приточного воздуха

В общем случае компенсирующая подача приточного воздуха выполняется через отверстие в приточном воздуховоде в направлении поперек коридора. Здесь приточная струя набегает на противоположную стену и растекается в результате соударения по сторонам. При этом скорость новых образованных струй уменьшается очень быстро. В результате на расстоянии нескольких калибров отраженная струя перестает существовать. При уменьшении осевой скорости струи в модели приточного устройства не будет также наблюдаться заметного различия в распределении воздуха на удалении от отверстия.

Использование результатов

На основании изложенного, расчетчик пожарного риска, располагая проектными решениями по противодымной вентиляции, задает в программе увеличенный размер дымоприемного устройства, например, в 2- 2,5 раза по сравнению с проектным размером клапана. Увеличение размера производится «вытягиваением» поверхности клапана вдоль коридора. Скорость на входе в клапан уменьшается пропорционально увеличению площади. Такую же процедуру надо проделать с устройством подачи компенсирующего воздуха. У расчетчика теперь есть возможность выбрать более крупную ячейку в районе расположения клапанов или просто рассчитывать на больший шаг расчета, т.е. на меньшее время окончания расчета без потери точности.

Применение изложенного в этой статье решения будет способствовать повышению качества и достоверности расчетов пожарного риска за счет оптимизации соотношения целей проведения расчета и закладыаемых в его основу физических принципов и исходных данных, и ресурсоемкости выполнения расчета. Это также очень важно в связи с тем, что проведение расчетов пожарного риска, в том числе при работе противодымной вентиляции, является массовой задачей, тогда как большими вычислительными ресурсами обладают далеко не все расчетчики или даже проектные организации.

Литература:

1 Методика определения расчетных величин пожарного риска в зданиях, сооружениях и пожарных отсеках различных классов функциональной пожарной опасности. Утверждена приказом МЧС России от 14 ноября 2022 года N 1140.

2 Патанкар С. Численные методы решения задач теплообмена и динамики жидкости. Перевод с английского под ред. В.Д. Виоленского. М, Энергоатомиздат, 1984.

3 М.А. Засимова Численное исследование вентиляционных течений на основе метода моделирования крупных вихрей // Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук, Санкт-Петербург, 2021.

4 Шепелев И. А. Аэродинамика воздушных потоков в помещении. М., Стройиздат, 1978. 144 с.

5 К.И. Логачев моделирование всасывающих факелов местных отсосов систем аспирации //  Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук, Белгород, 2001.

6 Н.В. Ландышев Обоснование требований пожарной безопасности при проектировании путей эвакуации из производственных помещений с учетом динамики задымления // Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук,  Москва, 2003.

7 Расчет полей скоростей, температур и концентраций продуктов горения в коридорах при пожарах в смежных с ними помещениях: (Методические рекомендации). – М.: ВНИИПО, 1984.-21 с.

В разделе:

Читай также

Больше популярных статей

Расчет величины пожарного риска: зачем он нужен и кто делает оценку, порядок проведения

Расчет пожарного риска для здания производственного типа включает в себя прохождение ряда последовательных этапов.

читать полностью

Расчет пожарных рисков

В данной статье постараемся ответить на часто задаваемые нам вопросы, связанные с расчетом пожарного риска такие как: зачем нужен расчет пожарного риска, когда требуется его проведение, что он дает, как его правильно оформлять, в каких случаях он должен проводиться, востребовано ли оказание этой услуги. В общем, расскажем обо всех нюансах, связанных с проведением расчетов по оценке пожарного риска.

читать полностью

Новое Постановление Правительства РФ от 22.07.2020 №1084 «О порядке проведения расчетов по оценке пожарного риска». Разбор нормативного акта

Узнайте, какие изменения в порядке проведения расчетов по оценке пожарного риска произойдут в 2021 году, когда вступит в силу Постановление Правительства РФ № 1084 от 22.07.2020. В частности, новые правила, утвержденные Постановлением, затронут методику определения расчетных величин пожарного риска, требования к отчету о результатах расчета.

читать полностью

S-3258
847