Расчет параметров противопожарних струй распыленной воды

В данной статье предметом теоретического анализа была веерная струя распыленной воды, создаваемая с помощью щелевого оросителя и используемая в качестве водяной завесы противопожарного назначения. Цель исследования состояла в разработке методики расчета некоторых важнейших параметров водяных завес,...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2015
Автори:	Виноградов, А.Г., Яхно, О.М.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Інститут гідромеханіки НАН України 2015
Назва видання:	Прикладна гідромеханіка
Теми:	Науковi статтi
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/116537
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Расчет параметров противопожарних струй распыленной воды / А.Г. Виноградов, О.М. Яхно // Прикладна гідромеханіка. — 2015. — Т. 17, № 4. — С. 3-13. — Бібліогр.: 21 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-116537
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1165372017-04-30T03:02:32Z Расчет параметров противопожарних струй распыленной воды Виноградов, А.Г. Яхно, О.М. Науковi статтi В данной статье предметом теоретического анализа была веерная струя распыленной воды, создаваемая с помощью щелевого оросителя и используемая в качестве водяной завесы противопожарного назначения. Цель исследования состояла в разработке методики расчета некоторых важнейших параметров водяных завес, до сих пор определявшихся посредством сложных экспериментальных измерений, а именно, скоростей движения капель, их концентрации, толщины эквивалентного слоя воды. Предложена методика нахождения указанных величин на основе теории затопленных струй. Выведенные формулы позволяют выполнять расчет их пространственных распределений, исходя из конструктивных характеристик дренчерной установки. Применение этих соотношений к развитой ранее математической модели теплового экранирования позволило расширить возможности ее практического использования. Полученные результаты могут быть применены для проектирования водяных завес противопожарного назначения, а также для определения оптимальных режимов их эксплуатации. У данiй статтi предметом теоретичного аналiзу був вiяловий струмiнь розпиленої води, створюваний за допомогою щiлинного зрошувача й використовуваний як водяна завiса протипожежного призначення. Мета дослiдження полягала у розробцi методики розрахунку деяких найважливiших параметрiв водяних завiс, якi досi визначались за допомогою складних експериментальних вимiрювань, а саме, швидкостей руху крапель, їхньої концентрацiї, товщини еквiвалентного шару води. Запропоновано методику знаходження зазначених величин на основi теорiї затоплених струменiв. Виведенi формули дозволяють виконувати розрахунок їхнiх просторових розподiлiв, виходячи з конструктивних характеристик дренчерної установки. Застосування цих спiввiдношень до розвинутої ранiше математичної моделi теплового екранування дозволило розширити можливостi її практичного використання. Отриманi результати можуть бути застосованi для проектування водяних завiс протипожежного призначення, а також для визначення оптимальних режимiв їх експлуатацiї. This article deals with theoretical analyzing of the fan spray of atomized water created by a slot-hole sprinkler and used as a water fire protection curtain. The purpose of the study was to develop a method for calculating some of the most important parameters of water curtains still determined by complex experimental measurements, namely, the droplet velocities, their concentration and thickness of the equivalent water layer. The method of finding of these values on the basis of the theory of submerged jets is proposed. The derived formulas allow the calculating of their spatial distributions originating from the design characteristics of the drencher installation. Application of these relations to the previously developed mathematical model of thermal shielding allows the expansion of possibilities of its practical use. The obtained results can be applied to designing of water curtains for fire-fighting purposes and determining of their optimal operation modes 2015 Article Расчет параметров противопожарних струй распыленной воды / А.Г. Виноградов, О.М. Яхно // Прикладна гідромеханіка. — 2015. — Т. 17, № 4. — С. 3-13. — Бібліогр.: 21 назв. — рос. 1561-9087 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/116537 532.525.3:614.838.441 ru Прикладна гідромеханіка Інститут гідромеханіки НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Науковi статтi Науковi статтi
spellingShingle	Науковi статтi Науковi статтi Виноградов, А.Г. Яхно, О.М. Расчет параметров противопожарних струй распыленной воды Прикладна гідромеханіка
description	В данной статье предметом теоретического анализа была веерная струя распыленной воды, создаваемая с помощью щелевого оросителя и используемая в качестве водяной завесы противопожарного назначения. Цель исследования состояла в разработке методики расчета некоторых важнейших параметров водяных завес, до сих пор определявшихся посредством сложных экспериментальных измерений, а именно, скоростей движения капель, их концентрации, толщины эквивалентного слоя воды. Предложена методика нахождения указанных величин на основе теории затопленных струй. Выведенные формулы позволяют выполнять расчет их пространственных распределений, исходя из конструктивных характеристик дренчерной установки. Применение этих соотношений к развитой ранее математической модели теплового экранирования позволило расширить возможности ее практического использования. Полученные результаты могут быть применены для проектирования водяных завес противопожарного назначения, а также для определения оптимальных режимов их эксплуатации.
format	Article
author	Виноградов, А.Г. Яхно, О.М.
author_facet	Виноградов, А.Г. Яхно, О.М.
author_sort	Виноградов, А.Г.
title	Расчет параметров противопожарних струй распыленной воды
title_short	Расчет параметров противопожарних струй распыленной воды
title_full	Расчет параметров противопожарних струй распыленной воды
title_fullStr	Расчет параметров противопожарних струй распыленной воды
title_full_unstemmed	Расчет параметров противопожарних струй распыленной воды
title_sort	расчет параметров противопожарних струй распыленной воды
publisher	Інститут гідромеханіки НАН України
publishDate	2015
topic_facet	Науковi статтi
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/116537
citation_txt	Расчет параметров противопожарних струй распыленной воды / А.Г. Виноградов, О.М. Яхно // Прикладна гідромеханіка. — 2015. — Т. 17, № 4. — С. 3-13. — Бібліогр.: 21 назв. — рос.
series	Прикладна гідромеханіка
work_keys_str_mv	AT vinogradovag rasčetparametrovprotivopožarnihstrujraspylennojvody AT âhnoom rasčetparametrovprotivopožarnihstrujraspylennojvody
first_indexed	2025-07-08T10:33:05Z
last_indexed	2025-07-08T10:33:05Z
_version_	1837074518624960512
fulltext	ISSN 1561 -9087 Прикладна гiдромеханiка. 2015. Том 17, N 4. С. 3 – 13 УДК 532.525.3:614.838.441 РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ПРОТИВОПОЖАРНЫХ СТРУЙ РАСПЫЛЕННОЙ ВОДЫ А. Г. В ИН О Г РА Д О В1∗, О. М. Я Х Н О2 1Черкасский национальный университет им. Богдана Хмельницкого бул. Шевченко, 81, Черкассы, 18000, Украина ∗vin_ag@mail.ru 2Национальный технический университет Украины “КПИ” пр. Победы, 37, 03056, Киев, Украина Получено 15.06.2015 В данной статье предметом теоретического анализа была веерная струя распыленной воды, создаваемая с помощью щелевого оросителя и используемая в качестве водяной завесы противопожарного назначения. Цель исследования состояла в разработке методики расчета некоторых важнейших параметров водяных завес, до сих пор определявшихся посредством сложных экспериментальных измерений, а именно, скоростей движения капель, их концентрации, толщины эквивалентного слоя воды. Предложена методика нахождения указанных величин на основе теории затопленных струй. Выведенные формулы позволяют выполнять расчет их пространственных распределений, исходя из конструктивных характеристик дренчерной установки. Применение этих соотношений к развитой ранее математической модели теплового экранирования позволило расширить возможности ее пра- ктического использования. Полученные результаты могут быть применены для проектирования водяных завес противопожарного назначения, а также для определения оптимальных режимов их эксплуатации. КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: распыленная вода, противопожарная водяная завеса, теория затопленных струй У данiй статтi предметом теоретичного аналiзу був вiяловий струмiнь розпиленої води, створюваний за допомогою щiлинного зрошувача й використовуваний як водяна завiса протипожежного призначення. Мета дослiдження полягала у розробцi методики розрахунку деяких найважливiших параметрiв водяних завiс, якi досi визначались за допомогою складних експериментальних вимiрювань, а саме, швидкостей руху крапель, їхньої концентрацiї, товщини еквiвалентного шару води. Запропоновано методику знаходження зазначених величин на основi теорiї за- топлених струменiв. Виведенi формули дозволяють виконувати розрахунок їхнiх просторових розподiлiв, виходячи з конструктивних характеристик дренчерної установки. Застосування цих спiввiдношень до розвинутої ранiше математичної моделi теплового екранування дозволило розширити можливостi її практичного використання. Отриманi результати можуть бути застосованi для проектування водяних завiс протипожежного призначення, а також для визначення оптимальних режимiв їх експлуатацiї. КЛЮЧОВI СЛОВА: розпилена вода, протипожежна водяна завiса, теорiя затоплених струменiв This article deals with theoretical analyzing of the fan spray of atomized water created by a slot-hole sprinkler and used as a water fire protection curtain. The purpose of the study was to develop a method for calculating some of the most important parameters of water curtains still determined by complex experimental measurements, namely, the droplet velocities, their concentration and thickness of the equivalent water layer. The method of finding of these values on the basis of the theory of submerged jets is proposed. The derived formulas allow the calculating of their spatial distributions originating from the design characteristics of the drencher installation. Application of these relations to the previously developed mathematical model of thermal shielding allows the expansion of possibilities of its practical use. The obtained results can be applied to designing of water curtains for fire-fighting purposes and determining of their optimal operation modes. KEY WORDS: sprayed water, fire-fighting water curtain, submerged jet theory ВВЕДЕНИЕ Любой пожар характеризуется наличием трех видов теплообмена – теплопроводности, конве- кции и излучения, – относительный вклад ко- торых зависит от условий и масштабов горе- ния. Доля лучистого теплообмена может дости- гать (30 . . .40) % освобождающейся энергии [1]. Вследствие теплового излучения происходит на- грев удаленных объектов до температуры воспла- менения, а также развитие пожара в открытых очагах (например, в лесу) и его распространение на соседние объекты [2]. Один из наиболее широко применяемых средств защиты от теплового излучения пожаров – водя- ные завесы. При проектировании и строительстве зданий и сооружений с массовым присутствием людей (производственных цехов, театров, вокза- лов, гипермаркетов, причалов и т. п.) для их созда- ния зачастую, особенно в последние годы, исполь- зуются дренчерные системы [3, 4]. При этом во- дяная завеса формируется из нескольких струй c© А. Г. Виноградов, О. М. Яхно, 2015 3 ISSN 1561 -9087 Прикладна гiдромеханiка. 2015. Том 17, N 4. С. 3 – 13 Рис. 1. Дренчерный щелевой ороситель VK790 I1 Wabs I2 l Рис. 2. Схема процесса теплового экранирования дренчерной водяной завесой распыленной воды (СРВ), источником которых в большинстве случаев являются дренчерные ороси- тели (распылители воды). Пример такого устрой- ства, предназначенного для создания противопо- жарной завесы, представлен на рис. 1. При прохождении теплового излучения пожа- ра через СРВ часть его энергии поглощается ка- плями, вследствие чего интенсивность излучения уменьшается от начальной величины I1 до коне- чной I2 (рис. 2). Защитные свойства водяной заве- сы характеризуются ее коэффициентом пропуска- ния: H = I2 I1 . (1) Для разработки и совершенствования противо- пожарных водяных завес необходимы научно обо- снованные методики расчета режимов формиро- вания и взаимодействия СРВ, которые по задан- ным начальным и граничным условиям должны позволить определить их основные параметры – геометрические размеры, пространственные рас- пределения концентрации капель, их размеров и скоростей, коэффициент пропускания теплового излучения. Несмотря на значительный прогресс, достигнутый в данном направлении в последние годы, полученные результаты не дают основа- ний утверждать, что перечисленные задачи реше- ны. Главным препятствием является их компле- ксный характер, требующий одновременного уче- та большого количества взаимосвязанных физи- ческих процессов со сложным характером измене- ния – движения воздушных масс, механического взаимодействия капель и воздуха, сложных тем- пературных полей, испарения капель и др. Поэто- му сопутствующие математические модели име- ют приближенный характер и ограниченную сфе- ру применения [5, 6]. Результаты исследований не доведены до пригодных для практического при- менения расчетных формул, таблиц, диаграмм, на основании которых можно было бы сконструиро- вать эффективную систему СРВ и рассчитать ее оптимальный режим работы. Экспериментальные исследования СРВ также не могут радикально улучшить ситуацию вслед- ствие отсутствия надежных и точных методов кон- троля основных параметров и их пространствен- ных распределений [7, 8]. Следует также учесть, что в реальных условиях они не стационарны и характеризуются весьма сложной динамикой. Анализ нормативных документов Государствен- ной службы чрезвычайных ситуаций Украины и аналогичных структур зарубежных стран пока- зал, что в настоящее время отсутствуют стандар- тные методики расчета противопожарных водя- ных завес, что ставит разработчиков и пользова- телей таких систем в сложную ситуацию. При их проектировании и эксплуатации они вынуждены использовать общие методики расчета оборудова- ния для пожаротушения [9, 10], не учитывающие специфику взаимодействия СРВ с тепловым излу- чением [3, 4]. Очевидно, что они не являются аде- кватными и не могут решить задачу определения экранирующих свойств СРВ. На решение данной проблемы направлены работы [11, 12], в которых представлена математическая модель и расчетная методика для проектирования противопожарных водяных завес. С ее помощью можно выполнить приближенную оценку коэффициента пропуска- ния теплового излучения водяной завесы на осно- ве предварительно заданных параметров. Однако некоторые из них отсутствуют в паспортных дан- ных дренчерных оросителей и их эксперименталь- ное определение затруднительно. Это, например, объемная доля воды wv (суммарный объем капель в единице объема СРВ) и связанная с ней толщина эквивалентного водяного слоя leq, образующегося при осаждении всех капель из СРВ на вертикаль- ную плоскость. Известно, что величина wv имеет 4 А. Г. Виноградов, О. М. Яхно ISSN 1561 -9087 Прикладна гiдромеханiка. 2015. Том 17, N 4. С. 3 – 13 сложное пространственное распределение и зави- сит от конструктивных параметров, а также ре- жима работы оросителя (по сути, от количества, размеров и характера движения капель). Теоретическое описание движения ансамбля ча- стиц в непрерывной среде представляет собой чре- звычайно сложную задачу. Анализ литературных данных свидетельствует о том, что выполнить расчет пространственных распределений капель СРВ методом расчета траекторий отдельных ка- пель практически невозможно [13]. Более перспе- ктивен расчет движения воздушно-капельной сре- ды методами гидродинамики с использованием те- ории затопленных струй. Согласно расчетным и экспериментальным данным [14, 15], при взаимо- действии мелких капель с воздушной средой прои- сходит их быстрая релаксация и выравнивание скоростей движения со скоростью окружающего воздуха. Движение каждой капли влияет на дви- жение воздуха, создавая в нем некоторое поле скоростей. Импульс, потерянный каплей при тор- можении, передается окружающей среде, которая вследствие этого приходит в движение в том же направлении, что и капля. Распыленную в воздухе воду (туман) в первом приближении можно счи- тать затопленной воздушной струей с примесью водяных частиц. Затопленные струи подробно исследованы эк- спериментально и теоретически [16, 17]. При на- личии в составе струи примеси к основному веще- ству (в нашем случае, мелких капель воды в соста- ве воздушной струи) можно выполнить расчет ее пространственного распределения на основе тео- рии затопленных струй. Главный критерий приме- нимости такого метода – достаточная степень дис- персности воды, т. е. малый размер капель. Заме- тим, что это также соответствует условию высокой эффективности теплового экранирования с помо- щью водяных завес [11, 12]. Согласно [16], теорию затопленных струй мож- но применять и при распылении однородной струи воды в воздухе. Даже при очень больших весовых концентрациях примеси воды в начальном участке струи, благодаря существенному различию в пло- тностях дисперсных фаз (на три порядка) струю можно рассматривать в основном как газовую. По мере удаления от распылителя вследствие подса- сывания воздуха и расширения струи концентра- ция примеси уменьшается еще во много раз. В данной работе ставится задача на основе те- ории затопленных струй разработать математи- ческую модель водяной завесы, созданной одино- чным дренчерным щелевым оросителем, а так- же линейкой оросителей, и получить формулы 2 b 0 b Рис. 3. Упрощенная схема затопленной струи для расчета параметров водяных завес – объем- ной доли воды и толщины эквивалентного водя- ного слоя, – необходимых для расчетной оценки коэффициента пропускания теплового излучения. 1. СВОЙСТВА ЗАТОПЛЕННЫХ СТРУЙ В ВОЗДУХЕ С ПРИМЕСЬЮ ВОДЯНОГО ТУМАНА Упрощенная схема затопленной струи с разде- лением на участки изображена на рис. 3. Началь- ный участок струи состоит из ядра с постоянным значением продольной скорости u0 и пограничным слоем, в котором продольная скорость меняется от значения u0 в ядре до нуля на внешней границе струи. Вдоль по потоку ядро утончается, закан- чиваясь в переходном сечении. За начальным сле- дует основной участок струи, который далее рас- пространяется до бесконечности [17]. Размывание струи по мере ее удаления от исто- чника выражается не только в ее утолщении, но и в изменении продольной скорости. На рис. 4 при- ведены экспериментальные распределения скоро- сти в различных сечениях (на разных расстояни- ях x от источника) основного участка воздушной струи круглого сечения, вытекающей в неподви- жный воздух [16]. При удалении от начала струи профиль скорости становится “ниже” и “шире”. Анализ скоростных профилей для разных сече- ний основного участка струи указывает на их аф- финность. Как следствие, для их описания можно использовать универсальную функцию, в качестве которой, как правило, применяют функцию Шли- хтинга [16]: u = um(1 − ȳ1.5)2. (2) Здесь ȳ=y/b – безразмерное расстояние от оси; b – полуширина струи в данном сечении (для осесим- метричной струи – ее радиус). В результате теоретического анализа установ- лен линейный закон нарастания ширины основ- ного участка затопленной струи в направлении ее А. Г. Виноградов, О. М. Яхно 5 ISSN 1561 -9087 Прикладна гiдромеханiка. 2015. Том 17, N 4. С. 3 – 13 u, / 60 45 30 15 0 15 30 y, x = 0,6 0,8 1,0 1,2 1,6 Рис. 4. Профили продольной скорости струи в разных сечениях основного участка струи [16] движения [16]: b = cx. (3) Таким образом, границы этого участка прямоли- нейны, что остается справедливым для струй ра- зной формы – плоскопараллельной, осесимметри- чной и вообще для всех случаев, когда профи- ли скорости в затопленной струе универсальны. В [16] представлены экспериментальные данные, на основании которых примем c=0.22. При наличии примеси (мелких капель воды в со- ставе воздушной струи) можно выполнить расчет ее пространственного распределения с использова- нием обсуждаемой теории. Количественной хара- ктеристикой примеси для СРВ является массовая доля воды – отношение ее массы к массе воздуха в элементарном объеме: wm = ρd ρa , (4) где ρa – плотность воздуха; ρd – плотность ра- спыленной воды, представляющая отношение сум- марной массы капель к объему воздуха. Величина wm зависит от пространственных координат и на оси струи имеет максимальное значение wmm. То- гда плотность воздушно-капельной смеси состав- ляет ρs = ρa(1 + wm). (5) На оси струи эта величина будет ρm = ρa(1 + wmm). (6) Изменение состава струи влияет как на величину коэффициента c в зависимости (3), так и на ее ха- рактер [16]: c = 0.22 ρa + ρm 2ρm . (7) Вследствие того, что ρm >ρa, угловой коэффици- ент (7) для распыленной водяной струи оказыва- ется меньше, чем 0.22. Изменение величины ρm вдоль струи приводит к тому, что c в данном слу- чае не является константой и, следовательно, гра- ницы основного участка струи не прямолинейны. Для гидравлического метода распыления, когда из круглого сопла вытекает сплошная струя воды, которая далее распадается на отдельные капли, в [16] найдено уравнение взаимосвязи безразмер- ных продольной координаты x̄ и радиуса струи b̄: 0.22x̄ = b̄ + 1√ ζ × × [ ln(1.22b̄ √ ζ + √ 1 + 1.48b̄2ζ) – − 0.25 arctan 1.28b̄ √ ζ( √ 1 + 1.48b̄2ζ − 0.24) √ 1 + 1.48b̄2ζ + 0.31b̄2ζ ] . (8) Здесь ζ =ρa/ρw – отношение плотностей воздуха и воды; x̄=x/b0; b̄=b/b0; b0 – начальная полуширина (или радиус) струи. Для поперечного профиля скоростей данной двухфазной струи остается справедливой форму- ла Шлихтинга (2). Профиль концентрации приме- си имеет следующий вид [16]: wm = wmm(1 − ȳ1.5). (9) Численное решение уравнения (8) позволило по- лучить график зависимости b̄(x̄) (рис. 5, точки). В практически важном интервале 0<x̄<2500 эта за- висимость достаточно близка (с точностью ±10 %) к простой линейной зависимости, которая пред- ставлена штриховой кривой на рис. 5: b̄ = 0.16x̄. (10) Таким образом, наличие распыленной воды в со- ставе струи приводит к уменьшению коэффициен- та c в соотношении (3) – с 0.22 для однородной затопленной струи до 0.16 для воды, распыленной в воздухе. 2. РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ВЕЕРНОЙ РАСПЫЛЕННОЙ СТРУИ ОДИНОЧНОГО ЩЕЛЕВОГО ОРОСИТЕЛЯ Рассмотрим плоскую веерную СРВ, создавае- мую щелевым оросителем (рис. 1). В этом слу- чае из сопла радиусом b0 выходит сплошная струя и после отражения от дефлектора образуется ра- спыленный поток в некотором секторе с централь- ным углом ϕ0, который для разных типов ороси- телей находится в пределах (120 . . .160)◦, рис. 6. 6 А. Г. Виноградов, О. М. Яхно ISSN 1561 -9087 Прикладна гiдромеханiка. 2015. Том 17, N 4. С. 3 – 13 Подводимая к распылителю энергия E расходу- ется на преодоление сил поверхностного натяже- ния при распаде сплошной струи на капли (энер- гия распыливания Eр), на сообщение жидкости поступательного движения (гидравлическая энер- гия Er), а также на преодоление сил трения в ра- спылителе и диссипацию энергии в потоке (энер- гия потерь El) [18]. Таким образом, E = Ep + Er + El. (11) Отношение Ep/E (КПД распыливания) отража- ет долю энергии, пошедшей на образование но- вой поверхности (капель), зависит от способа ра- спыливания и физических свойств жидкости и обычно не превышает сотых долей процента. Отношение Er/E=ηr прдставляет собой ги- дравлический КПД. Так как El≈E−Er), он ха- рактеризует потери энергии в распылителе и за- висит от его конструкции, качества изготовления и режима течения жидкости [18]. Определить или хотя бы оценить эти потери необходимо для расче- та начальной скорости капель. На рис. 7 представлена общепринятая в на- стоящее время схема формирования распыленной струи для вертикально расположенного осесимме- тричного оросителя, предложенная в работе [19]. Струя воды из сопла направляется на дефлектор и после удара формирует тонкую водяную пленку с радиальным направлением движения от центра дефлектора. В основу модели положено предполо- жение о том, что распад сплошной струи на капли происходит в три стадии: 1) формирование плоской водяной пленки; 2) образование волн и распад пленки на дуго- образные сегменты; 3) распад сегментов на капли. Можно предположить, что процесс в щелевом оро- сителе (см. рис. 6) также соответствует этой схеме. Грубо оценить начальную скорость капель мож- но с использованием математической модели, основанной на схеме рис. 7 и представленной в ра- ботах [20, 21]. Расчет выполнен на основе анали- за вязкого трения пленки воды при ее движении вдоль дефлектора. На рис. 8 представлена схема взаимодействия струи с дефлектором (это – фрагмент схемы рис. 7). Для оценки начальной скорости струи u0 используем соотношение u0 = √ 2p ρw , (12) 0 500 1000 1500 2000 2500 0 50 100 150 200 250 300 350 400 b x Рис. 5. Зависимость b̄(x̄) для СРВ 2 b 0 u0 0 u um y x x b Рис. 6. Схема веерной распыленной струи Рис. 7. Схема распада струи в оросителе [19] А. Г. Виноградов, О. М. Яхно 7 ISSN 1561 -9087 Прикладна гiдромеханiка. 2015. Том 17, N 4. С. 3 – 13 2b0 u0 ur hr r rd Рис. 8. Схема течения жидкости по дефлектору где p – избыточное давление воды. В реальных режимах оросители работают при p>2 бар, т. е. из соотношения (12) следует u0 >20 м/с. Для радиуса сопла b0 >1 мм число Рейнольдса струи Re>4 · 104, т. е. режим тече- ния – турбулентный. Для него в [21] найдено соот- ношение для толщины пленки на расстоянии r от оси оросителя: hr = b2 0 2r + 1.659 · 10−2 ( 7νw u0 )1/5 r4/5, (13) где νw – кинематическая вязкость воды. Первый член в соотношении (13) равен толщине пленки для идеальной жидкости, а второй обусловлен вяз- ким трением между жидкой пленкой и дефлекто- ром. На краю дефлектора, где вязкое торможение жидкости прекращается, в пренебрежении влия- нием воздушной среды средняя скорость движе- ния пленки ud равна начальной скорости капель. Из закона сохранения массы воды найдем: ud = Q 2πrdhd = b2 0u0 2rdhd , (14) где Q=πb2 0u0 – объемный расход воды; hd – то- лщина пленки при r=rd, соответствующем ради- усу дефлектора. Подставляя выражене (13) в (14), получим: ud = u0 [ 1 + 2 · 1.659 · 10−2 ( 7νw u0 )1/5 r 9/5 d b2 0 ] −1 . (15) Для реальных параметров u0 =20 м/с, b0 =3 мм, rd=8 мм, соответствующих, например, размерам оросителя VK790 (см. рис. 1), получим ud =0.97u0. Таким образом, за счет вязкого трения на дефле- кторе скорость движения пленки воды уменьша- ется на 3 %. Для других типов оросителей соот- ношение размеров rd/b0 может достигать величи- ны 5, при которой снижение скорости, согласно формуле (15), составляет 9 %. Чтобы учесть вяз- кое торможение жидкости и в то же время избе- жать чрезмерного усложнения расчетов, примем ud≈0.94u0. В этом случае погрешность не пре- высит (3 . . .4) %, что вполне приемлемо для оцен- ки параметров противопожарных струй. Учтем закон сохранения массы воды для двух сечений веерной струи – на выходе из сопла и на краю дефлектора (см. рис. 6): πb2 0u0 = rdϕ0hdud. (16) Далее запишем уравнения сохранения импульса и массы для элементарного сектора СРВ шириной dϕ для двух сечений – на краю дефлектора и на произвольном расстоянии r от оросителя (рис. 9): ρwrddϕhdu 2 d = 2rdϕ b ∫ 0 ρsu 2dy, (17) ρwrddϕhdud = 2rdϕ b ∫ 0 ρdudy. (18) Здесь y – расстояние от центральной плоскости СРВ. Для выполнения расчетов используем форму- лы (2) и (9) для профилей скорости и массовой до- ли воды. После их подстановки в уравнения (17) и (18) с учетом соотношений (4), (5), (10) и (16) получим 0.94ρwπb2 0u 2 0 = 0.32ρar 2ϕ0u 2 m× × 1 ∫ 0 [1 + wmm(1 − ȳ1.5)](1 − ȳ1.5)4dȳ, (19) ρwπb2 0u0 = 0.32ρar 2ϕ0wmmum 1 ∫ 0 (1− ȳ1.5)3dȳ. (20) Для преобразования соотношения (20) вычислим интеграл I3 = 1 ∫ 0 (1 − ȳ1.5)3dȳ = 0.368 (21) 8 А. Г. Виноградов, О. М. Яхно ISSN 1561 -9087 Прикладна гiдромеханiка. 2015. Том 17, N 4. С. 3 – 13 и после нахождения числовых коэффициентов из (20) получим wmm = 26.7ρwb2 0u0 ρar2ϕ0um . (22) Раскрывая скобки под интегралом в форму- ле (19) и подставляя выражение (22), получим: 9.23ρwb2 0u 2 0 = ρar2ϕ0u 2 m 1 ∫ 0 (1 − ȳ1.5)4dȳ+ +26.7ρwb2 0 u0um 1 ∫ 0 (1 − ȳ1.5)5dȳ. (23) Вычислим интегралы I4 = 1 ∫ 0 (1 − ȳ1.5)4dȳ = 0.316, (24) I5 = 1 ∫ 0 (1 − ȳ1.5)5dȳ = 0.278. (25) После расчета коэффициентов формула (23) сведется к квадратному уравнению относительно um: 0.0342ρar 2ϕ0u 2 m+ +0.804ρwb2 0u0um − ρwb2 0u 2 0 = 0. Его положительный корень составляет um = 11.75ρwb2 0 u0 ρaϕ0r2 × × ( √ 1 + 0.212ρaϕ0r2 ρwb2 0 − 1 ) . (26) Для достаточно больших r, при которых дробный член под радикалом значительно больше единицы (для ϕ0 =(2 . . .3) рад это примерно соответству- ет условию r>200b0), последнюю формулу можно упростить: um ≈ 5.4b0u0 r √ ρw ρaϕ0 . (27) В безразмерном виде соотношения (26) и (27) имеют следующий вид: ūm = 11.75ρw ρaϕ0r̄2 ( √ 1 + 0.212ρaϕ0r̄2 ρw − 1 ) , (28) ud 2b rd hd d dr r y um Рис. 9. К расчету параметров распыленной струи 200 400 600 800 1000 0 0.5 1 1.5 2 mu 2 1 x Рис. 10. Расчет зависимостей ūm (r̄) ūm ≈ 5.4 r̄ √ ρw ρaϕ0 , (29) где ūm =um/u0; r̄=r/b0. Результат расчета графических зависимостей ūm(r̄) по формулам (28) (кривая 1) и (29) (кри- вая 2) для ϕ0 =2.5 рад представлен на рис. 10. “Не- физичный” результат ūm(0)>1, полученный при расчете по формуле (28) (кривая 1), объясняется тем, что при r→0, соответствующем начальному участку струи, нельзя применять некоторые со- отношения, использованные при выводе форму- А. Г. Виноградов, О. М. Яхно 9 ISSN 1561 -9087 Прикладна гiдромеханiка. 2015. Том 17, N 4. С. 3 – 13 лы (28) (например, (2), (9), (10)). К ошибке приве- ла именно экстраполяция этих формул на началь- ный участок. Заметим, однако, что объект наших расчетов – основной участок струи r̄ >200, для ко- торого все указанные соотношения справедливы. Подставив выражение (27) в формулу (22), по- лучим зависимость массовой доли воды на оси струи от безразмерного расстояния r̄: wmm = 4.94 r̄ √ ρw ρaϕ0 . (30) Использовав (9), получим расчетную формулу для массовой доли воды в произвольной точке СРВ с безразмерными координатами r̄ и ȳ: wm = 4.94 r̄ √ ρw ρaϕ0 (1 − ȳ1.5). (31) Объемная и массовая доли воды в СРВ связаны соотношением wv = wm ρa ρw . (32) Из выражения (31) найдем wv = 4.94 r̄ √ ρa ρwϕ0 (1 − ȳ1.5). (33) Толщина эквивалентного слоя воды для одно- родного (т. е. при wv =const) плоского слоя ра- спыленной воды толщиной l составляет leq = wvl. (34) Для неоднородного слоя, в котором величина wv изменяется вдоль оси y, перпендикулярной к дан- ному слою, получим уже leq = l ∫ 0 wvdy. (35) Для рассмотренной выше СРВ величина wv опре- деляется формулой (33), а толщина струи будет l=2b. В этом случае leq = 9.88 r b0 √ ρa ρwϕ0 b 1 ∫ 0 (1 − ȳ1.5)dȳ. Вычислим входящий сюда интеграл: I1 = 1 ∫ 0 (1 − ȳ1.5)dȳ = 0.6. (36) Учтя, что b=0.16r (см. (10)), найдем: leq = 0.95b0 √ ρa ρwϕ0 . (37) Таким образом, толщина эквивалентного слоя воды в плоской веерной струе, создаваемой щеле- вым оросителем (см. рис. 6), не зависит от рассто- яния r и на основном участке струи сохраняет по- стоянное значение, являющееся функцией только радиуса сопла и угла раствора струи. 3. РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ВОДЯНОЙ ЗАВЕСЫ, СОЗДАННОЙ ЛИНЕЙКОЙ ОРОСИТЕЛЕЙ Как правило, реальные водяные завесы создаю- тся не одним, а несколькими дренчерными ороси- телями (иногда, несколькими их десятками), ра- сположенными последовательно в ряд с опреде- ленным шагом. Расстояние между оросителями проектируется таким образом, чтобы обеспечить взаимное перекрытие создаваемых ими распылен- ных струй и образовать сплошную водяную заве- су без промежутков. Ее расчет должен учитывать взаимодействие распыленных струй от отдельных оросителей в зонах их перекрытия. На рис. 11 схематически показан фрагмент во- дяной завесы, образованный дренчерными ороси- телями Д1, Д2, Д3. Цифрами 1 обозначены нево- змущенные зоны распыленных струй (их методика расчета представлена выше), а цифрами 2 – зоны перекрытия струй, в которых необходимо учесть их взаимное влияние. Стрелками ориентировочно показаны поля скоростей в соответствующих зо- нах. На рис. 11 показана верхняя часть водяной заве- сы, для которой характерна наибольшая неодно- родность ее структуры, а на рис. 12 – схемати- ческое изображение в полном объеме. В нижней части завесы происходит взаимное перемешива- ние струй и выравнивание параметров. Вследствие этого при удалении от оросителей (в направлении x) она становится более однородной как по концен- трации капель, так и по скоростям их движения. Таким образом, зависимость параметров струй от координаты z при увеличении x становится менее выраженной. Представленный ниже расчет выполнен в предположении об однородной структуре ни- жней части водяной завесы. Скорость воздушно- капельной смеси максимальна в ее центральной плоскости, т. е. вертикальной плоскости, прохо- дящей через линейку оросителей, и монотонно уменьшается при возрастании x. При удалении от центральной плоскости, что соответствует во- зрастанию \|y\|, скорость и массовая доля воды уменьшаются. Будем считать, что их профили со- ответствуют формулам (2) и (9). Взаимное вли- 10 А. Г. Виноградов, О. М. Яхно ISSN 1561 -9087 Прикладна гiдромеханiка. 2015. Том 17, N 4. С. 3 – 13 яние струй приводит к тому, что в нижней ча- сти центральной плоскости скорость направлена вертикально, в отличие от изолированной веерной струи, где скорость направлена радиально относи- тельно оросителя. Учитывая трансляционную симметрию данной системы, возникающую благодаря периодическо- му повторению параметров вдоль оси z с шагом ∆z, равным расстоянию между оросителями, ра- счет выполним только для элемента водяной заве- сы длиной ∆z (см. рис. 12). Для нахождения осевой скорости и массовой до- ли воды применим законы сохранения импульса и массы. Чтобы составить первое уравнение, при- равняем проекции на вертикальную ось суммар- ного импульса секундного потока струи в двух се- чениях – невозмущенной зоне (зона 1 на рис. 11) и на произвольном расстоянии x от оросителя в ни- жней однородной зоне. Учитывая радиальный ха- рактер струи в зоне 1 и течение, близкое к плоско- параллельному, в нижней зоне, получим следую- щее уравнение: 0.94ρwπb2 0u 2 0 ϕ0 ϕ0/2 ∫ 0 cos ϕdϕ = ∆z b ∫ 0 ρsu 2dy. (38) Здесь ϕ – угол вектора скорости элемента струи (см. рис. 6) относительно оси x (для зоны 1). На основании закона сохранения массы воды получим второе уравнение: ρwπb2 0u0 = 2∆z b ∫ 0 ρdudy. (39) Далее, с учетом соотношений и обозначений (2), (4), (5), (9), (10), (21), (24), (25) в результате пре- образования уравнений (38) и (39) получим 0.94πρwb2 0 u2 0 ϕ0 sin ϕ0 2 = = 0.16ρax∆zu2 m(I4 + I5wmm) , (40) πρwb2 0u0 = 0.3I3ρa∆zxumwmm. (41) Из соотношения (41) найдем осевое значение мас- совой доли воды: wmm = πρwb2 0u0 0.3I3ρa∆zxum . (42) После подстановки выражения (42) в форму- лу (40) и учета численных значений интегралов 1 2 z 3 1 0 1 2 1 2 x Рис. 11. Схема перекрытия распыленных струй водяной завесы z y x b z Рис. 12. Схема водяной завесы I3, I4, I5 придем к квадратному уравнению отно- сительно um: 0.0506ρax∆zu2 m + 1.13ρwb2 0u0um− −2.95ρwb2 0u 2 0 ϕ0 sin ϕ0 2 = 0. Его положительный корень будет um = 11.2ρwb2 0 u0 ρa∆zx × ×    √ √ √ √ 1 + 0.468ρa∆zx sin ϕ0 2 ρwb2 0 ϕ0 − 1    . (43) В безразмерном виде формула (43) имеет следую- щий вид: ūm = 11.2ρw ρa∆̄zx̄ × ×     √ √ √ √ 1 + 0.47ρa∆̄zx̄ sin ϕ0 2 ρwϕ0 − 1     , (44) А. Г. Виноградов, О. М. Яхно 11 ISSN 1561 -9087 Прикладна гiдромеханiка. 2015. Том 17, N 4. С. 3 – 13 200 400 600 800 1000 0 0.5 1 1.5 2 mu , wmm wmm mu x Рис. 13. Расчет зависимостей ūm(x̄) и wmm(x̄) l eq, 0,6 0,4 0,2 0 1 2 3 4 x, b0 = 5 4 3 Рис. 14. Расчет зависимостей leq(x) для разных радиусов сопла оросителя где ∆̄z=∆z/b0. Подставив соотношение (43) в (42), получим за- висимость массовой доли воды в центральной пло- скости водяной завесы, представляющей собой од- нородную зону, от безразмерного расстояния x̄: wmm = 2.54 √ √ √ √ 1 + 0.47ρa∆̄zx̄ sin ϕ0 2 ρwϕ0 − 1 . (45) Пример расчета зависимостей ūm(x̄) и wmm(x̄) по формулам (44) и (45) для ϕ0 =2.5 рад и ∆̄z=100 представлен на рис. 13. Используя дан- ный профиль, получаем расчетную формулу для массовой доли воды в произвольной точке водя- ной завесы в пределах однородной зоны, имеющей безразмерные координаты x̄ и ȳ: wm = 2.54(1− ȳ1.5) √ √ √ √ 1 + 0.47ρa∆̄zx̄ sin ϕ0 2 ρwϕ0 − 1 . (46) Объемную долю воды в водяной завесе wv най- дем с помощью выражения (32): wv = 2.54ρa(1 − ȳ1.5) ρw     √ √ √ √ 1 + 0.47ρa∆̄zx̄ sin ϕ0 2 ρwϕ0 − 1     . Толщину эквивалентного слоя водяной завесы получим из формулы (35). После интегрирования по y с учетом соотношений (10) и (36) найдем leq = 0.41ρax ρw    √ √ √ √ 1 + 0.42ρa∆zx sin ϕ0 2 ρwϕ0b 2 0 − 1    . (47) Эта величина является важнейшей характеристи- ки водяной завесы, от которой непосредственно зависит основной параметр, характеризующий ее экранирующую способность – коэффициент про- пускания теплового излучения [11, 12]. На рис. 14 представлено семейство графических зависимостей толщины эквивалентного слоя от x для разных величин b0 при ∆z=0.5 м. На их осно- вании можно сделать вывод о том, что при возра- стании x толщина эквивалентного слоя и, соответ- ственно, эффективность теплового экранирования водяной завесы возрастают. Таким образом, при верхнем расположении оросителей нижняя часть дренчерной завесы имеет более высокую эффе- ктивность экранирования, чем верхняя. ЗАКЛЮЧЕНИЕ На основе теории затопленных струй разрабо- таны математическая модель и расчетная методи- ка для определения некоторых параметров (геоме- трических размеров, скорости движения, объем- ной доли воды, толщины эквивалентного слоя во- ды) веерных распыленных водяных струй, обра- зованных с помощью дренчерных щелевых ороси- телей. Выведены расчетные формулы для одино- чной веерной струи, а также для водяной завесы, созданной с помощью линейки щелевых оросите- лей. 12 А. Г. Виноградов, О. М. Яхно ISSN 1561 -9087 Прикладна гiдромеханiка. 2015. Том 17, N 4. С. 3 – 13 Эти результаты позволяют усовершенствовать развитую в работах [11, 12] математическую мо- дель теплового экранирования с помощью водя- ных завес и расширить ее возможности. Полу- ченные расчетные соотношения позволяют опре- делить по заданным конструктивным характери- стикам указанные выше параметры, необходимые для проектирования водяных завес. Следует отме- тить, что до сих пор для их определения использо- вались весьма сложные экспериментальные изме- рения или компьютерное моделирование. Дальнейшее развитие представленной матема- тической модели будет связано с учетом влияния на расчетные параметры гравитационного поля. Кроме того, предполагается выполнить комплекс экспериментальных исследований с целью провер- ки адекватности модельных оценок, а также опре- деления реальных числовых коэффициентов, при- сутствующих в основных расчетных формулах. 1. McGrattan K., Baum H. R., Hamins A. Thermal radiation from large pool fires / NISTIR 6546.– Gai- thersburg, MD: Nat. Inst. Standard. Technol, 2000.– 34 p. 2. Драйздейл Д. Введение в динамику пожаров.– М.: Стройиздат, 1990.– 424 с. 3. Жаров А., Зархин А., Митрофанова М. Дренчер- ные завесы: теория и практика // БДИ.– 2006.– № 5(68).– С. 24–28. 4. Собещанський Д. I., Анохiн Г. О., Склизкова Л. А. Водянi завiси в системах забезпечення протипо- жежного захисту об’єктiв рiзного призначення // Наук. вiсн. УкрНДIПБ.– 2010.– № 2(22).– С. 148– 153. 5. Sacadura J.-F. Radiative heat transfer in fire safety science // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transf..– 2005.– 93, № 1-3.– P. 5–24. 6. Santangelo P. E., Tartarini P. Fire control and suppression by water-mist systems // Open Thermodyn. J..– 2010.– 4.– P. 167–184. 7. Murrell J. V., Crowhurst D., Rock P. Experimental study of the thermal radiation attenuation of sprays from selected hydraulic nozzles // Proc. Halon Opti- ons Tech. Work. Conf..– Albuquerque, NM, 1995.– P. 369–378. 8. Roberts G. V. An experimental investigation of thermal absorption by water sprays / Rep. № 2.– Home Office Fire Res. Develop. Group, 2010. – 38 p. 9. Мешман Л. М., Цариченко С. Г., Былинкин В. А., Алешин В. В., Губин Р. Ю. Проектирование водя- ных и пенных автоматических установок пожаро- тушения / под ред. Н. П. Копылова.– М.: ВНИИ- ПО МЧС РФ, 2002.– 413 с. 10. Мешман Л. М., Цариченко С. Г., Былинкин В. А., Алешин В. В., Губин Р. Ю. Оросители водяных и пенных автоматических установок пожароту- шения: Учебно-методическое пособие / под ред. Н. П. Копылова.– М.: ВНИИПО МЧС РФ, 2002.– 315 с. 11. Виноградов А. Г. Методика расчета экра- нирующих свойств водяных завес // Пожаровзрывобезопасность.– 2014.– 23, № 1.– С. 45–57. 12. Виноградов А. Г. Влияние неоднородности про- странственного распределения капель на экрани- рующие свойства водяной завесы // Вiсн. НТУУ КПI, сер. Машинобудування.– 2014.– 72.– С. 195– 200. 13. Хаппель Дж., Бреннер Г. Гидродинамика при ма- лых числах Рейнольдса.– М.: Мир, 1976.– 632 с. 14. Sheppard D. T. Spray characteristic of fire spri- nklers / NIST GCR 02-838.– Gaithersburg, MD: Nat. Inst. of Standard. Technol, 2002.– 206 p. 15. Виноградов А. Г. Учет вторичных возду- шных потоков при математическом моде- лировании распыленных водяных струй // Пожаровзрывобезопасность.– 2011.– 20, № 2.– С. 29–33. 16. Aбрамович Г. Н. Теория турбулентных струй.– М.: Гос. издат. физ.-мат. лит, 1984.– 716 с. 17. Aбрамович Г. Н. Прикладная газовая динамика: часть 1.– М.: Наука, 1991.– 600 с. 18. Пажи Д. Г., Галустов В. С. Основы техники ра- спыливания жидкостей.– М.: Химия, 1984.– 256 с. 19. Dombrowski N., Johns W. R. The aerodynami- cs instability and disintegration of viscous liquid sheets // Chem. Eng. Sci.– 1963.– 18.– P. 97–104. 20. Marshall A. W., Di Marzo M. Modelling aspects of sprinkler spray dynamics in fires // Process Safety Environ. Protect.– 2004.– 82.– P. 97–104. 21. Wu D., Guillemin D., Marshall A. W. A modeling basis for predicting the initial sprinkler spray // Fire Safety J.– 2004.– 42, № 4.– P. 283–294. А. Г. Виноградов, О. М. Яхно 13

Расчет параметров противопожарних струй распыленной воды

Репозитарії

Схожі ресурси