Опасные факторы пожара. Реферат. Наблюдение как метод исследования. Виды наблюдений. Отличие научного наблюдения от обыденного

• Название: Наблюдение как метод исследования. Виды наблюдений. Отличие научного наблюдения от обыденного
• Анкор: Опасные факторы пожара
• Дата: 16.03.2023
• Размер: 216 Kb.
• Имя файла: Реферат.doc
• Тип: Документы; #995110
• страница: 4 из 4

2.2. Дифференциальные уравнения пожара

Уравнения пожара описывают в самом общем виде изменение

среднеобъемных параметров состояния газовой среды в помещении в те-

чение времени (в процессе развития пожара). Эти уравнения были сфор-

мулированы проф. Ю. А. Кошмаровым [15].

Уравнения пожара являются обыкновенными дифференциальными

уравнениями. Они вытекают, как и большинство уравнений математиче-

ской физики, из фундаментальных законов природы – первого закона тер-

модинамики для открытой термодинамической системы и закона сохране-

ния массы.

Подробный вывод этих уравнений приведен в учебнике Ю. А. Кош-

марова и М. П. Башкирцева «Термодинамика и теплопередача в пожарном

деле» [17]. Ограничимся здесь кратким изложением рассуждений, исполь-

зуемых при выводе уравнений пожара.

Первое уравнение – уравнение материального баланса пожара

в помещении – вытекает из закона сохранения массы. Применительно

к газовой среде, заполняющей помещение, этот закон можно сформулиро-

вать так: изменение массы газовой среды в помещении за единицу времени

равно алгебраической сумме потоков массы через границы рассматривае-

мой термодинамической системы. Под границей системы здесь подразуме-

вается воображаемая контрольная поверхность, ограничивающая про-

странство, внутри которого заключена рассматриваемая газовая среда.

На рис. 1.1 (см. с. 11) эта поверхность условно показана пунктирной линией.

Часть этой поверхности совпадает с поверхностью ограждений (стены,

пол, потолок). Там, где находятся проемы, эта поверхность является вооб-

ражаемой. Объем пространства, заключенный внутри этой поверхности, на-

зывается свободным объемом помещения и обозначается буквой V.

За малый промежуток времени, равный dτ, будет иметь место малое

изменение массы газовой среды. В то же время можно считать, что значения

GГ, GB и ψ в течение этого малого промежутка времени остаются практиче-

ски неизменными. С учетом вышесказанного уравнение материального ба-

ланса для газовой среды в помещении записывается следующим образом:

( )

В Г

d ρ

ψ

dτ

m = + − V

G G, (1.33)

где левая часть уравнения есть изменение массы газовой среды за единицу

времени в интервале, равном dτ, а правая – алгебраическая сумма потоков

массы;

ρmV – масса газовой среды, заполняющей помещение в рассматривае-

мый момент времени, кг.

21

Аналогичные рассуждения позволяют получить дифференциальные

уравнения:

– баланса массы кислорода

(ρ ) ψ η

dτ

d

1V = x1ВGВ − x1n1GГ − L1 ; (1.34)

– баланса токсичного продукта горения

( ) ρ2 ψ 2η 2 2 Г

dτ

d V = L − x n G ; (1.35)

– баланса оптического количества дыма

( ) W

m

m

m G k F V D n Г С

3

ρ

μ ψ μ

dτ

d = − − , (1.36)

где ρ1 – среднеобъемная парциальная плотность кислорода, кг·м−3;

ρ2 – среднеобъемная парциальная плотность токсичного продукта

горения, кг·м−3;

μm – среднеобъемная оптическая концентрация дыма, Нп·м−1;

x1В – массовая доля кислорода в поступающем воздухе;

х1 =

ρm

ρ1 – средняя массовая доля кислорода в помещении;

L1 – стехиометрический коэффициент для кислорода (количество кисло-

рода, необходимое для сгорания единицы массы горючего материала), кг/кг;

η – коэффициент полноты сгорания;

п1 – коэффициент, учитывающий отличие концентрации кислорода

в уходящих газах от среднеобъемной концентрации кислорода;

L2 – стехиометрический коэффициент для продукта горения (количе-

ство продукта горения, образующегося при сгорании единицы массы

горючего материала), кг/кг;

х2 =

ρm

ρ2 – средняя массовая доля токсичного газа в помещении;

п2 – коэффициент, учитывающий отличие концентрации токсичного

газа в уходящих газах от среднеобъемной концентрации этого газа;

п3 – коэффициент, учитывающий отличие оптической концентрации

дыма в уходящих газах от среднеобъемного значения оптической концен-

трации дыма;

FW – площадь поверхности ограждений (потолка, пола, стен), м2;

kС – коэффициент седиментации частиц дыма на поверхностях ограж-

дающих конструкций, Нп·м−1.

22

Коэффициент седиментации по физическому смыслу есть скорость

осаждения частиц дыма.

На основе первого закона термодинамики выводится уравнение энер-

гии пожара. Рассматриваемая термодинамическая система, т. е. газовая

среда внутри контрольной поверхности, характеризуется тем, что она

не совершает работы расширения. Кинетическая энергия видимого движе-

ния газовой среды в помещении пренебрежимо мала по сравнению

с ее внутренней энергией.

Потоки массы через некоторые участки контрольной поверхности

(проемы) характеризуются тем, что в них удельная кинетическая энергия

газа пренебрежимо мала по сравнению с удельной энтальпией.

С учетом всего сказанного получается следующее уравнение энергии

пожара:

( ) (pmV ) Q i сР T G cРTmmG QW

k

= + + − −

− Г В B В Г

РН

η ψ ψ

dτ

d

1

1 , (1.37)

где iГ – энтальпия продуктов горения;

cPВ – изобарная теплоемкость воздуха при постоянном давлении;

TВ – температура воздуха;

QW – теплота, уходящая в ограждающие конструкции.

Левая часть этого уравнения есть скорость изменения внутренней те-

пловой энергии газовой среды в помещении за единицу времени в рас-

сматриваемый малый промежуток времени dτ, т. е.

( ) ( )

dτ

d

dτ

d

1

1 p V U

k m =

−

. (1.38)

В правой части уравнения (1.37) первый член представляет собой ко-

личество тепла, поступающего за единицу времени в газовую среду

в результате горения (скорость тепловыделения). Второй член есть поток

энергии в помещение, поступающий вместе с продуктами газификации

(пиролиз, испарение) горючего материала.

Третий член представляет собой сумму внутренней тепловой энергии

поступающего за единицу времени воздуха и работы проталкивания, кото-

рую совершает внешняя атмосфера. Четвертый член есть сумма внутрен-

ней тепловой энергии, которую уносят за единицу времени уходящие газы,

и работа выталкивания, которую совершает рассматриваемая термодина-

мическая система. Пятый член представляет собой тепловой поток, погло-

щаемый ограничивающими конструкциями и излучаемый через проемы.

23

Представленные выше пять дифференциальных уравнений (1.33)–(1.38)

содержат шесть неизвестных функций – ρm(τ), pm(τ), Тт(τ), ρ1 (τ), ρ2(τ) и μm(τ).

Эту систему уравнений дополняет алгебраическое уравнение – усреднен-

ное уравнение состояния газовой среды (1.19).

Начальные значения для этих функций задаются условиями, которые

имеют место в помещении перед началом пожара, т. е.

( ) 0 0

1 01

2

ρ τ 0 ρ ; (τ 0) ;

ρ (τ 0) ρ ;

ρ (τ 0) 0; μ (τ 0) 0.

m m

m

p p = = = = 

 = = 

 = = = = 

, (1.39)

где p0 – давление в начальный момент времени;

ρ01 – плотность кислорода в начальный момент времени.

Представленная здесь система уравнений описывает свободное разви-

тие пожара. Развитие пожара называют свободным, если не осуществляет-

ся тушение, т. е. если в помещение не подаются огнетушащие вещества.

Эффекты, обусловленные подачей огнетушащих веществ в объем помеще-

ния, можно учесть путем введения в дифференциальные уравнения допол-

нительных членов.

Например, при тушении инертными газами (аргон, азот, диоксид

углерода) уравнение материального баланса пожара записывается сле-

дующим образом:

(ρ ) В ψ Г ОВ

dτ

d V G G G m = + − + , (1.40)

где GОВ – массовый расход подачи огнетушащего вещества, кг·с−1.

Соответствующим образом изменяются в этом случае и остальные

дифференциальные уравнения пожара [17].

Как уже говорилось, в уравнениях пожара искомыми (неизвестными)

функциями являются среднеобъемные параметры газовой среды, а незави-

симой переменной является время. Кроме этих переменных величин урав-

нения содержат целый ряд других физических величин, которые можно

разделить на две группы.

К первой группе относятся величины, заданные условиями однознач-

ности, которые представляют собой сведения о размерах помещения

(объем V и поверхность ограждений FW) и свойствах горючего материала

(теплота сгорания РН

Q , стехиометрические коэффициенты L1, L2, дымообра-

зующая способность D, энтальпия продуктов газификации in) (база данных

типовой горючей нагрузки, созданная во ВНИИПО МЧС России, пред-

ставлена в приложении, см. с. 104–120).

24

Ко второй группе относятся те величины, которые зависят, помимо

всего прочего, от параметров состояния среды в помещении. К этим вели-

чинам относятся массовые расходы поступающего через проемы воздуха

GB и уходящих через проемы газов GГ, тепловой поток, поглощаемый ог-

раждающими конструкциями и излучаемый через проемы QW, коэффици-

ент полноты сгорания η, скорость тепловыделения η РН

Q ψ.

Для вычисления значений физических величин, относящихся ко вто-

рой группе, необходимо располагать дополнительными уравнениями.

Конкретный вид дополнительных уравнений установлен путем при-

влечения сведений из теории конвективного и лучистого теплообмена,

теории газообмена помещения с окружающей атмосферой через проемы

из-за различия плотностей наружного воздуха и газовой среды внутри по-

мещения, теории горения.

В заключение необходимо сделать некоторые замечания по поводу

общих положений, касающихся сущности описания пожара на уровне ос-

редненных параметров состояния.

В интегральной математической модели мы оперируем с интеграль-

ными характеристиками термодинамической системы. Этот подход

не требует каких-либо допущений и оговорок о том, как распределены

локальные значения термодинамических параметров состояния по объему

помещения.

Здесь не уместны оговорки – «предположим, что температурное поле

является однородным» или часто используемое выражение о «размазанно-

сти» того или иного параметра состояния газовой среды.

Естественным является вопрос о том, как определить значение того

или иного термодинамического параметра состояния в заданной точке

объема помещения, если будет известно среднеобъемное значение. К это-

му вопросу мы вернемся в параграфах, посвященных интегральной мате-

матической модели пожара.

Отметим, что процесс развития пожара в помещении можно расчле-

нить на ряд характерных временных этапов. Каждому этапу присущи

характерные законы распределения локальных термодинамических пара-

метров состояния внутри помещения. Это обстоятельство используется

для ответа на поставленный вопрос.

Заключение

Математическое моделирование позволяет спрогнозировать динамику пожара в помещениях зданий различного назначения, а следовательно позволяет вывести исследование пожарной опасности объектов на качественно новый этап развития, обеспечить переход от сравнительных методов к прогнозным, учитывающим условия эксплуатации объекта. Это можно считать ещё одним шагом на пути решения проблемы обеспечения пожарной безопасности здания или сооружения в целом, и строительных конструкций в частности.

Список использованной литературы

1. 
   Прогнозирование опасных факторов пожара в помещении : учеб. пособие / Ю. А. Кошмаров, С. В. Пузач, В. В. Андреев и др. – М. : Академия ГПС МЧС России, 2012. – 126 с.
   
2. 
   Моделирование пожаров и взрывов / под ред. Н.Н. Брушлинского и А.Я. Корольченко - М.: "Пожнаука", 2000. - 492 с. Космин В.В. Основы научных исследований. Учебное пособие. – М.: Инфра-М, 2017. – 228 с.
   
3. 
   Кошмаров Ю.А., Рубцов В.В. Процессы нарастания опасных факторов пожара в производственных помещениях и расчет критической продолжительности пожара. - М.: МИПБ МВД России, 1999. - 89с.