- ventza.ru

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРЕДЕЛЬНОЙ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ
ДЫМОПРИЕМНОГО ОТВЕРСТИЯ НА ОСНОВЕ ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ
Р. К. Эсманский, С. Е. Якуш
Относительно высокая производительности дымоприемного отверстия или его близкое
расположение к границе дымового слоя вызывают вовлечение в отверстие воздуха из нижнего
слоя (в зарубежной литературе это явление получило название «plugholing»). Для предотвращения
потери
эффективности
дымоудаления
оговаривается
предельная
производительность
дымоприемного отверстия в зависимости, в основном, от зазора между краем дымоприемного
отверстия и границей дымового слоя. По предельной производительности устанавливается
минимально допустимое число дымоприемных отверстий в помещении.
Имеющиеся нормативные указания [1-3], однако, серьезно отличаются друг от друга. Так,
предельная производительность дымоприемного отверстия для низких помещений с зазором
между нижним краем отверстия и границей дымового слоя меньше 1 метра при подсчетах по [1-3]
различается в 4-6 раз. К сожалению, работы по количественной оценке условий возникновения
захвата холодного воздуха не охватывают всего многообразия условий подтекания дыма и
конструктивного исполнения дымоприемных устройств и основаны на физических экспериментах,
выполненных в малом масштабе [4-6]. Указанные обстоятельства делают актуальным
исследование захвата воздуха дымоприемным отверстием на основе численного моделирования.
В настоящей работе с использованием программы FDS (версия 5) [7] проведены численные
расчеты пожаров в двух помещениях различной высоты с принудительной вентиляцией.
Геометрия
большого
помещения
соответствовала
условиям
экспериментов
NRC
(17,2×13,1×12,2 м) [8], источник пожара имел мощность 450 кВт (площадь 0.58 м2), 1800 кВт
(2,31 м2) и 3600 кВт (9,3 м2). Вентиляционное отверстие квадратной формы со стороной 1,065 м
находилось в плоскости симметрии помещения на расстоянии 3 м от одной из торцевых стен.
Отверстие располагалось на потолке, либо было снабжено воздуховодом, отбиравшим газ с
высоты 6,3, 8,2 или 10,2 м, объемный расход V варьировался в пределах от 5 до 40 м3/с. На рис. 1
для пожара мощностью 450 кВт показаны типичные осредненные за 60 с вертикальные профили
температуры, построенные вдоль трех вертикальных линий – на оси воздуховода ( x  3 м,
y  6,55 м, кривая 1), вдоль линии, расположенной на на ¼ длины и ширины помещения ( x  4.3
м, y  3 .3 м, кривая 2), а также вдоль линии, расположенной в плоскости симметрии помещения
симметрично воздуховоду относительно очага пожара ( x  14 м, y  6,55 м, кривая 3).
12
10
z, [м]
8
6
4
3
2
3
10 м /с
1
2
3
20 м /с
1
2
3
0
15 20 25 30 35 40 45 15 20 25 30 35 40 45
Температура, [C]
Температура, [C]
Рис. 1. Вертикальные профили температуры: слева – без захвата холодного воздуха,
справа – при возникновении захвата
Слева на рис. 1 показаны профили для вентиляционного расхода V  10 м3/с, справа 20 м3/с. Видно, что при малом расходе температурные профили вдоль всех трех вертикальных
линий практически совпадают (повышение температуры у самого потолка, заметное на линиях 2 и
3 связано с растеканием горячих продуктов горения от плавучей струи). При увеличении расхода
уменьшается толщина дымового слоя и возрастает линейная скорость газа, что вызывает
расхождение кривых 1-3 (см. правый график на рис. 1). Видно, что дымовой слой теряет
однородность, и в дымоприемное отверстие попадает значительно более холодный газ.
Режимы работы системы дымоудаления с вытяжным отверстием, расположенным на
вертикальной стенке изучались в расчетах пожара мощностью 400 кВт в помещении размером
(6×4×4,5 м) [9], вентиляционное отверстие размером 0,65×0,65 м располагалось на торцевой стене,
его верхний край находился на высоте 3,9 м, а вентиляционный расход менялся в диапазоне
1-3 м3/с. Как и в предыдущем случае, сравнивались вертикальные профили температуры в
плоскости симметрии помещения у стены с вытяжкой и у противоположной стены, в результате
чего устанавливалось, происходил ли захват холодного воздуха. Наряду с температурными
профилями также использовались профили концентрации двуокиси углерода.
Для практических целей важное значение имеет критерий возникновения захвата воздуха в
условиях естественной и вынужденной вентиляции для вертикальных и горизонтальных
отверстий. В работах [4-6] такой критерий получен экспериментально в виде зависимости
критической толщины слоя от числа Фруда (ниже этот критерий приведен для квадратных
отверстий, рассматриваемых в настоящей работе):
d cr
 C  Fr 2 / 5 ,
H
Fr 
vin
gH /  a

V
H 5 / 2 g 1/ 2
Tu  Tl  / Tu
где d cr - критическая глубина дымового слоя (для горизонтальных отверстий отсчитываемая от
плоскости отверстия, для вертикальных – от верхней границы отверстия), H - линейный размер
отверстия, C - эмпирический коэффициент, равный 0,64 для горизонтальных и 1,12 для
вертикальных отверстий, число Фруда Fr определено через линейную скорость газа в выходном
отверстии vin или, эквивалентно, через объемный расход V , Tu и Tl - температуры верхнего и
нижнего слоя, соответственно, g - ускорение силы тяжести.
Представляет интерес сравнить соответствие этому критерию результатов моделирования
пожаров в помещениях большой высоты. На рис. 2 на плоскости «число Фруда – относительная
толщина дымового слоя» суммированы результаты двух описанных выше серий расчетов, причем
залитые и светлые точки обозначают отсутствие и наличие захвата холодного воздуха. Здесь же
построены граничные прямые (1) по результатам экспериментальных работ [5, 6]. Видно, что
результаты численного моделирования программой FDS хорошо согласуются с данными
экспериментов меньших масштабов (две светлые точки на левом графике, лежащие выше
граничной прямой, соответствуют пожару малой мощности при большом вентиляционном
расходе, когда дымовой слой тонкий и сильно неравномерный по горизонтали).
10
10
Без захвата
Захват
2/5
1,12Fr [6]
d/H
d/H
1
Без захвата
Захват
2/5
0,64Fr [5]
0.1
1
10
Fr
100
1
1
Fr
10
Рис. 2. Карта режимов работы системы дымоудаления на плоскости «число Фруда – относительная
толщина
дымового
слоя»:
слева
–
горизонтальное
вытяжное
отверстие,
высотой 12,2 м; справа – вертикальное вытяжное отверстие, помещение высотой 4,5 м
помещение
Таким образом, результаты численного моделирования свидетельствуют о том, что
критерий [4-6] применим и для помещений большого масштаба. С его помощью по заданной
глубине и температуре дымового слоя возможно определить предельный вентиляционный расход
на одно дымоприемное отверстие. Так, для дымового слоя с температурой 100 оС, при толщине
слоя d cr  2 м предельный объемный расход на одно горизонтальное отверстие (C  0.64)
5/ 2
оказывается равным V  g 1 / 2 T / Tu d cr / C   25 м3/с (90000 м3/ч), тогда как для слоя
толщиной
d cr  1 м
предельно
допустимая
производительность
падает
до
V  4,4 м3/с
(15840 м3/ч), что требует установки большего числа вентиляционных отверстий в помещении для
обеспечения требуемого суммарного вентиляционного расхода. Для вертикального отверстия
(C  1,12) при тех же параметрах получаем предельные расходы 6,2 и 1,1 м3/с.
Литература
1. NFPA 92B, Standard for Smoke Management Systems in Malls, Atria, and large Spaces, 2005
Edition.
2. BS 7346-4:2003, Components for smoke and heat control systems – Part 4: Functional
recommendations and calculation methods for smoke and heat exhaust ventilation systems, employing
steady-state design fires – Code of practice.
3.
DIN
18232-5:2003-04,
Rauch-
und
Wärmefreihaltung
-
Teil
5:
Maschinelle
rauchabzugsanlagen (MRA) Anforderungen, Bemessung.
4. Spratt D., Heselden A. J. M. Efficient extraction of smoke from a thin layer under a ceiling //
Fire Research Note, No. 1001, 1974.
5. Nii D., Niita K., Harada K., Yamaguchi J. Air entrainment into mechanical smoke vent on
ceiling. // Fire Safety Science – Proc. 7th Int. Symp. Fire Safety Scince, IAFSS, Worcester, MA, 2003, pp.
729-740.
6. Nii D., Harada K. Prediction formula of air entrainment ratio into wall-equipped mechanical
smoke vent. // J. Environ. Eng., AIJ, No. 600, Feb. 2006, pp. 1-6. (на яп. яз.)
7. McGrattan, K., Klein, B., Hostikka, S., Floyd, J. Fire Dynamics Simulator (Version 5). User’s
Guide. // NIST Special Publication 1019-5, 2008.
8. Lougheed G.D., Hadjisophocleous G. V., McCartney, C., Taber B. C. Large-scale physical
model studies for an atrium smoke exhaust system. // ASHRAE Transactions, v. 105, pt. 1, 1999, pp. 676698.
9. Alvares N. J., Foote K. L., Pagni P. J. Forced ventilated enclosure fires. // Combust. Sci.
Technol., v. 39, 1984, pp. 55-81.