Моделирование процессов тепломассопереноса в газовоздушной среде тоннеля при горении движущегося состава в метрополитене

личными новыми эффективными материалами». Отчет по теме 11.03. Н.001.78 за 1979-80г. г. Руководитель работы Яковлев А. И. Инв. № Б865630.

Моделирование процессов тепломассопереноса

в газо-воздушной среде тоннеля при горении движущегося состава в метрополитене

Колодяжный С. А., Сотникова К. Н.,

Воронежский государственный архитектурно-строительный университет,

г. Воронеж

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.

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.

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

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

р Т =р0Т0,

где Т - средняя в сечении потока температура, К; р 0 - плотность воздуха при нормальных условиях, 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

ри = РоЩ,

где и0 - скорость в сечении на входе воздушного потока в тоннель.

В соответствии с

Т0 Т

Р Pol и = —щ.

1 *0

Воздушный поток, в математической формулировке, представляется дифференциальным уравнением установившегося движения несжимаемого, термически деформируемого газа вида [1]:

(Яр (Яи ри2

"Их + р иТх = + р§

где р - давление в потоке, Па; - безразмерный коэффициент трения, свя-

2 4

занный с коэффициентом аэродинамического сопротивления атр, кг-с /м , используемым в рудничной аэрологии, соотношением

_ 1

«Тр - д Р0 &

Л

§ — модуль вектора гравитационных сил, м/с ; 5 = — 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 Нт, 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 Нк, Па, вызывающую рециркуляцию потоков в контурах вентиляционной сети. На границах тоннеля принимается

Р С^) = Р

где хь х3 — сечения тоннеля.

Путем интегрирования (4) с учетом (5)-(6), находится суммарная депрессия Н^, Па, контура ветвей, по которым проходит основной поток

7е (к, +«и )(0о+02)2 + Т-^и3(00+04+бпг )2

1 п 1 г

тг

т ,

- Р0 ( ,-8 2Ад) =Нкр - Ъ(0о+0пг)2 где Тср — —/Х 3 Т йх - средняя температура потока, К; К1, и К3 - аэродинамиче-

р Ь1 х1

у

ские сопротивления, кг/м ; Дг = 0Ь — высота столба воздуха в тоннеле, м; 0 = ^ — 73) / 1000 - уклон тоннеля, %0; - местное аэродинамическое сопро-

п

тивление, создаваемое поездом, кг/м ; рпг - объемный расход продуктов горения,

-5

м/с; Ь — параметр приведенной характеристики вентилятора вида Нпр = Нкр - Ь^2, Н с 2/м8; Нкр — теплопроводность массива крепи, Вт/(м-К); 71 и 73 — высотные отметки начального и конечного сечений тоннеля соответственно, м; Д5 =^1-025 — высота столба воздуха рециркулирующих потоков, м.

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

к — - Ро

а суммарная депрессия сил инерции вдоль рассматриваемого контура равна нулю.

Величина Н к — Тср / Т0,

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

Выражения для депрессии отдельных ветвей определяются аналогично контурной [2]:

к =кт- - Ро {^г - 1) 5.

где &р — коэффициент теплового сопротивления, а все переменные относятся к отдельным потокам 1... 7 и для каждого из них различны. Выражением

= - 1) С. с1)

Таким образом. относительно неизвестных Q и Т 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.

B. 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.

C. Л. Карпов // Научный вестник ВГАСУ. Строительство и архитектура. — 2011. - № 2 (22). — С. 143-149.

5. Трусов. С. И. Пожарная безопасность метрополитена / С. И. Трусов. С. А. Колодяжный. В. Я. Манохин // Научный вестник ВГАСУ. Строительство и архитектура. — 2011. - № 4 (24). — С. 203-207.

Моделирование критической тепловой депрессии

при пожаре в тоннеле

Колодяжный С. А., Переславцева И. И., Леонтьев С. Н.,

Воронежский государственный архитектурно-строительный университет,

г. Воронеж

В условиях тоннелей метрополитена. погрешность расчетных зависимостей. во многом зависит от правильности формирования расчетных схем вентиляционных соединений на основе общей схемы вентиляции тоннелей метропо-