V Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2013

Обеспечение безопасности людей является одной из важнейших задач противопожарной защиты метрополитенов. Решение этой задачи выдвигает особые требования к системе вентиляции метрополитенов, как к главному фактору, обеспечивающему удаление дыма и пожарных газов из тоннелей при эвакуации пассажиров.

Данные институтов ВНИИПО, НИИГД, ДонГТУ и опыт ликвидации аварий свидетельствуют о том, что при возникновении пожаров в подземных сооружениях, существует опасность опрокидывания газо-воздушных потоков под воздействием тепловых факторов. В этих случаях продукции горения поступают на маршруты эвакуации людей, и возникает опасность для их жизни.

Статистика пожаров в метрополитенах свидетельствует, что около 75% пожаров возникает в подвижном составе и в половине всех случаев горящий поезд останавливается в тоннеле. Учитывая, что при пожарах в метрополитенах возникает угроза для жизни нескольких тысяч людей, можно считать такие аварии наиболее сложными и опасными по своим последствиям. В тоже время, в документах, регламентирующих проектирование и эксплуатацию метрополитенов, не учитываются возможные последствия, связанные с пожарами в подвижном составе, стоящем в тоннеле. Это объясняется тем, что до настоящего времени отсутствует методическое обеспечение задач связанных с определением устойчивости газо-воздушных потоков на путях эвакуации пассажиров при пожарах в тоннелях метрополитенов.

Существенным недостатком действующих в метрополитенах инструкций, определяющих выбор аварийных режимов работы вентиляторов, является формальный подход к выбору режимов работы системы тоннельной вентиляции при пожарах. При этом не учитывается опасность опрокидывания газо-воздушных потоков под действием тепловой депрессии пожара и возможность поступление дыма и пожарных газов на пути эвакуации пассажиров. Как следствие этого, применяемые сегодня режимы работы систем дымоудаления при пожарах, не предусматривают согласованную работу вентиляторов, относительно места расположения очага горения. Это означает, что в аварийной ситуации возможна дезорганизация проветривания перегона, связанных с ним станций метрополитена и задымление основных путей эвакуации пассажиров.

Нами исследовались процессы тепломассопереноса в газовой среде перегонного тоннеля при пожаре подвижного состава и его внезапной остановки, когда первоочередной задачей является обеспечение безопасного вывода людей из вагонов на станцию. В этот период тепловые факторы пожара (ТФП): тепловые источники тяги и тепловое сопротивление – создают угрозу опрокидывания вентиляционной струи и появления пожарных газов и дыма на маршрутах эвакуации.

Целью исследований являлось определение зависимости величин ТФП от температуры в очаге и аэродинамических параметров вентиляционной струи.

Для достижения цели исследований, на основании дифференциальных уравнений тепломассопереноса в сплошных средах, производилось построение математической модели взаимодействия воздушных и тепловых потоков.

Все потоки свободно-вынужденной конвекции воздуха в тоннеле (рис. 1), условно разделаются на основные (i=0,1,3) и рециркулирующие (i=2,4). Основными называются потоки, обусловленные депрессией вентиляторов проветривания и тепловых источников тяги, а рециркулирующими – конвективные потоки, возникающие только при наличии тепловых источников тяги. Потоки моделируются отдельными ветвями по схеме вентиляционных соединений, показанной на рис. 2.

Узлами 1 и 3 представляются начальное и конечное сечения тоннеля соответственно, а состав с горящими вагонами – узлом 2, в котором смешиваются все потоки.

Проложенная к тоннелю депрессия вентиляторов учитывается источником тяги h_кр, Па, в ветви 7, равным критической депрессии тоннеля. Сопротивление этой ветви R₇ = b, кг/м⁷, эквивалентно параметру приведенной характеристики вентилятора вида h_пр = h_кр –bQ², Па.

Выделение продуктов горения в очаге пожара представляется источником тяги с жесткой характеристикой и производительностью G_пг, кг/м³, равной дебету продуктов горения.

Наличие поезда в тоннеле моделируется сопротивлением ветви 5, равным местному аэродинамическому сопротивлению, создаваемому поездом: R₅ = R_м, кг/м⁷.

Результирующая составляющая тепловых источников тяги вдоль основного потока, тепловая депрессия пожара h_т, Па, задается источником тяги ветви 5; другая составляющая, вызывающая рециркуляцию в поперечном сечении основных потоков и условно называемая конвективной депрессией h_к, Па, моделируется четырьмя источниками тяги ветвей 1-4.

Рис. 1. Геометрическая характеристика тоннеля:

x₁, x₂, x₃ – поперечные сечения воздушного потока или тоннеля в направлении вентиляционной струи для зоны горения и смежных с ними зон, м;

G₀ – начальный объемный расход газо-воздушного потока, кг/м³;

G_1-4 – массовый расход газо-воздушного потока для ветвей 1-4, кг/м³;

L₂ – длина зоны горения, м;

L₁, L₃ – длина зон, смежных с зоной горения, м;

g – вектор гравитационных сил;

r - вектор аэродинамического сопротивления;

Θ – уклон тоннеля, %₀;

δ– условная длина пути движения рециркулирующих потоков в направлении r, м

Потоки характеризуются: сечением S, м², периметром Ω, м и гидравлическим диаметром d = 4S/Ω, м. исследуются характерные, средние по сечению потоков величины аэродинамических параметров: скорость u, м/с; плотность ρ, кг/м³; объемный Q = uS, м³/с, и массовый G = ρQ, кг/м³ расходы.

С учетом незначительного изменения газовой постоянной, в пределах температуры при пожаре, уравнение состояния воздуха принято в виде

ρT =ρ0T0, (1)

где Т – средняя в сечении потока температура, К;

ρ0 – плотность воздуха при нормальных услвиях, кг/м³;

Т₀ – температура воздуха до возникновения пожара, К.

Условие (1) означает термическую деформируемость воздуха. В гидродинамическом смысле, он считается несжимаемой и неразрывной средой, что моделируется уравнением

ρu =ρ0u0, (2)

Рис. 2. Условная схема вентиляции тоннеля:

h_т - тепловая депрессия пожара, Па;

H_кр - приложенная к тоннелю депрессия вентиляторов (депрессия вынужденной конвекции), Па;

G_тг - дебет продуктов горения, кг/м³;

G - массовый расход газо-воздушного потока, кг/м³;

h_1-4 – депрессия ветвей 1-4, Па

где u0 – скорость в сечерении на входе воздушного потока в тоннель.

В соответствии с (1) и (2)

ρ =T0T ρ0;u=TT0u0, (3)

Процессы тепломассопереноса в газо-воздушной среде тоннеля и массиве ограждающих конструкции (крепи), рассматриваются в системе координат (рис. 1). Начало отсчета x совмещено с предполагаемым местом возникновения пожара; ось 0x направлена по вентиляционной струе, поступающей в тоннель; ось 0y, м, - от стенки тоннеля, в его поперечном сечении, в радиальном направлении. Время , с – отсчитывается с момента возникновения пожара.

Воздушный поток, в математической формулировке, представляется дифференциальным уравнением установившегося движения несжимаемого, термически деформируемого газа вида [2,3]:

-dρdx+ρududx = λтрρu22d+ρg (sinβ+δcosβ), (4)

где ρ – давление в потоке, Па;

λтр – безразмерный коэффициент трения, связанный с коэффициентом аэродинамического сопротивления α_тр, кгс²/м⁴, используемым в рудницной аэрологии, соотношением

αтр= 18 λтр ρ0 g , (5)

g - модуль вектора гравитационных сил, м/с²;

 = d/2 - условная длина пути движения рециркулирующих потоков в направлении у, м.

В уравнении (4) гравитационные силы представлены двумя составляющими на направления движения вдоль и поперек потока. Первая составляющая обусловлена глобальным различием между плотностью воздуха в тоннеле и окружающем его пространстве, и определяет тепловую депрессию пожара h_т, Па, воздействующую на поток в целом. Вторая формируется ввиду локального различия между плотностью воздуха в очаге пожара и на границах тоннеля, она определяет конвективную депрессию h_к, Па, вызывающую рециркуляцию потоков в контурах 1-2 и 2-3 вентиляционной сети.

На границах тоннеля, в сечениях х₁ и х₃ (рис. 1.), принимается

ρ (x1) = ρ (x3) = ρ0; u (x1) = u (x3) = u0; Q (x1) = Q (x3) = Q0, (6)

Путем интегрирования (4) с учетом (5)-(6), находится суммарная депрессия h_5-1-3, Па, контура ветвей 5,1 и 3, по которым проходит основной поток

TсрT0R1+RмQ0+Q22+TсрT0R3Q0+Q4+Qпг2- ρ01-TсрT0 g ∆z+2∆δ=hкр - bQ0+Qпг2, (7)

где Tср= 1L1x1x3T dx – средняя температура потока в ветвях 1 и 3, К;

R1, и R3 – аэродинамические сопротивления ветвей 1 и 3, кг/м⁷;

∆z = θL - высота столба воздуха в тоннеле, м;

θ = (z₁ - z₃) / 1000 – уклон тоннеля, %₀;

R_м – местное аэродинамическое сопротивление, создаваемое поездом, кг/м⁷;

Q_пг – объемный расход продуктов горения, м³/с;

b - параметр приведенной характеристики вентилятора вида h_пр =h_кр – bQ², Н с²/м⁸;

h_кр - теплопроводность массива крепи, Вт/(мК)

z₁ и z₃ - высотные отметки начального и конечного сечений тоннеля соответственно, м;

∆ =1-θ2δ - высота столба воздуха рециркулирующих потоков, м.

Тепловая конвективная депрессия основного потока тоннеля, в соответствии с (7) равны

hт=- ρ01-TсрT0 g∆z , hк= ρ01-TсрT0 g∆, (8)

а суммарная депрессия сил инерции вдоль рассматриваемого контура 1-3-7-5 равна нулю.

Величина

hк= TсрT0, (9)

характеризует степень изменения аэродинамического сопротивления стенок тоннеля потоку за счет его нагревания.

Выражения для депрессии отдельных ветвей определяются аналогично контурной [4]:

h=kтRQ2± ρ0LS2TсрT0 - 1Q2 - ρ0T0 Tср - 1 g∆, (10)

где k_т - коэффициент теплового сопротивления, а все переменные относятся к отдельным потокам 1… 7 и для каждого из них различны. Выражением

hн=∓ ρ0LS2TсрT0 - 1Q2 , (11)

При пожаре в горизонтальных тоннелях (отсутствии уклона), составляющая тепловой тяги hт отсутствует, однако увеличивается аэродинамическое сопротивление тоннеля (фактор теплового сопротивления) и в районе очага пожара возможны рециркулирующие (за счет конвективной и инерционной составляющих тепловой тяги) потоки. В наклонных тоннелях расход рециркулирующих потоков ниже, чем в горизонтальных, но здесь действует тепловая депрессия, сокращающая расход воздуха.

Таким образом, воздушные потоки в тоннеле, при горении стоящего в нем состава, моделируются системой уравнений (7), (10), а величины входящих в нее ТФП, нарушающих вентиляцию, представляются зависимостями (8), (9) и (11) от средней температуры потоков.

Таким образом, относительно неизвестных Qи T имеется система уравнений (7), (10), с краевыми условиями (1, 2), представляющих собой математическую модель взаимодействия воздушных и тепловых потоков при пожаре в тоннеле метрополитена.

Библиографический список

1. Власов, С.Н. Аварийные ситуации при строительстве и эксплуатации транспортных тоннелей и метрополитенов / С.Н. Власов, Л.В. Маковский, В.Е. Меркин. - М.: ТИМР, 1997. - 183 с.

2. Беляцкий, В.П. Противопожарная защита и тушение пожаров подземных сооружений / В.П. Беляцкий, В.Ф. Бондарев. - М.: ВНИИПО, 1983. - 32 с.

3. Потапов, Ю.Б. Разработка математической модели распространения дымовых газов в начальной стадии пожара / Ю.Б. Потапов, К.Н. Сотникова, К.А. Скляров, С.А. Кончаков // Научный вестник ВГАСУ. Строительство и архитектура. - 2011. – № 1 (21). - С. 136-143.

4. Сушко, Е.А. Разработка методики расчета рациональных режимов систем вентиляции производственных помещений / Е.А. Сушко, К.Н. Сотникова, С.Л. Карпов // Научный вестник ВГАСУ. Строительство и архитектура. - 2011. – № 2 (22). - С. 143-149.

Код для цитирования: Скопировать