Розробка схем пожежних стволів, оптимальних за критерієм дальності подачі вогнегасної речовини

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ВНУТРІШНІХ СПРАВ УКРАЇНИ

ХАРКІВСЬКИЙ ІНСТИТУТ ПОЖЕЖНОЇ БЕЗПЕКИ

На правах рукопису

ШАПОВАЛОВА ОЛЕНА ОЛЕКСАНДРІВНА

УДК 614.842

РОЗРОБКА СХЕМ ПОЖЕЖНИХ СТВОЛІВ, ОПТИМАЛЬНИХ ЗА КРИТЕРІЄМ ДАЛЬНОСТІ ПОДАЧІ ВОГРНЕГАСНОЇ РЕЧОВИНИ

Спеціальність 21.06.02 - Пожежна безпека

АВТОРЕФЕРАТ

Дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Харків - 2000



Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Харківському інституті пожежної безпеки, МВС України.

Науковий керівник: Заслужений винахідник України, доктор технічних наук, професор Абрамов Юрій Олексійович, Харківський інститут пожежної безпеки, проректор з наукової роботи.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Приходько Іван Михайлович, професор кафедри організації служби та підготовки Харківського інституту пожежної безпеки МВС України (м. Харків);

кандидат технічних наук Єлізаров Валерій Вікторович, начальник відділу Українського науково-дослідного інституту пожежної безпеки МВС України (м. Київ).

Провідна установа:

Севастопольський військово-морський інститут ім. Нахімова, кафедра живучості, водолазних та суднопідйомних робіт (МО України).

Захист відбудеться “28” вересня 2000 р. о 14.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К64. 707.01 при Харківському інституті пожежної безпеки МВС України за адресою: 61023, м. Харків, вул. Чернишевського, 94.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Харківського інституту пожежної безпеки МВС України.

Автореферат розісланий “26” серпня 2000 року

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Кривцова В.І.



ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність. Багаторічна практика показала, що, незважаючи на появу ряду нових вогнегасних речовин, вода на даний час і в досяжному для огляду майбутньому буде залишатися основним засобом пожежогасіння, а головними пристроями доставки вогнегасної речовини в осередок буде пожежний ствол і насос, що забезпечують необхідний для нього рівень тиску. Параметри цих пристроїв, у значній мірі, визначають ефективність процесу пожежогасіння. Тому створення гідравлічного обладнання, що має досконалу, по можливості, просту і надійну конструкцію, ще довгий час буде залишатися актуальним завданням.

У багатьох наукових центрах України, близького і дальнього зарубіжжя провадяться роботи по створенню нових оптимальних по конструкції, пожежних стволів, які мають розширені функціональні можливості. Ефективні наукові результати в цьому напрямку отримані ВНДІПО, Харцизьким заводом пожежної охорони.

Великий внесок у дослідження гідродинамічних процесів на ділянці доставки і вибір оптимального кута нахилу пожежного ствола до горизонту внесли такі вчені як Пучков С.Н., Лебедєв А.А., Севриков В.В., Карпенко В.А., Іванов А.Ф., Алексєєв П.П.

Питаннями моделювання процесів у порожнинах пожежних стволів, що працюють із речовинами різноманітного типу, присвячені роботи Глотова Е.О., Грицини І.М.

Як показує аналіз публікацій, при всьому різноманітті існуючих пристроїв доставки вогнегасної речовини, у літературі відсутній єдиний теоретичний підхід при розробці і виборі тієї або іншої схеми побудови. Це пов'язано зі складністю моделювання процесів усередині пожежних стволів і на ділянці доставки. Але практика вкрай потребує розробки такої інженерної процедури, яка б узагальнювала теоретичні й експериментальні досягнення в цьому напрямку.

Зв'язок роботи з науковими темами. Дисертаційне дослідження здійснювалося в рамках науково-дослідної роботи, що входить у перелік проблем науково-технічного розвитку державної пожежної охорони України на період 1997-2000 року (НДР за замовленням ГУДПО МВС України - №0197U019316).

Мета і задачі.

Метою дослідження є обґрунтування можливості створення інженерної процедури розробки схем пожежних стволів для ефективного гасіння пожеж на основі обчислювального експерименту з подальшою оптимізацією цих схем.

Для досягнення мети дослідження необхідно вирішити наступні задачі:

визначити взаємозв'язок між швидкістю витікання водяного струму з пожежного ствола, властивостями використовуваної вогнегасної рідини і дальністю подачі струму;

теоретично обґрунтувати інженерну процедуру розрахунку оптимальних геометричних і динамічних параметрів пожежних стволів і оцінювання дальності подачі струму з використанням поля швидкостей усередині цих стволів;

розробити математичну модель витікання рідини з каналів пожежних стволів на основі рівнянь Нав'є-Стокса;

розробити прикладні програми й інтерфейс для проведення обчислювального експерименту по дослідженню гідродинамічних полів і вибору оптимальних геометричних параметрів пожежних стволів;

розробити спеціалізовану систему, що дозволяє автоматизувати процес планування експерименту й обробки експериментальних даних на основі обчислювального експерименту при дослідженні схем побудови пожежних стволів;

виявити залежність між динамічними характеристиками пожежних стволів і їх геометрією з наступним розв'язанням оптимізаційної задачі вибору варіанту геометрії пожежного ствола стосовно до заданої форми;

розробити оптимальні за критерієм досягнення максимальної дальності подачі схеми побудови пожежних стволів для різноманітних конфігурацій;

оцінити адекватність використовуваних математичних моделей і коректність інженерної процедури.

Об'єктом дослідження є фізичні процеси, що відбуваються як на ділянці доставки вогнегасної речовини в осередок, так і в порожнині пожежних стволів. Предметом дослідження є геометричні і динамічні параметри схем побудови пожежних стволів і їхній вплив на дальність подачі вогнегасної речовини в осередок.

При побудові математичної моделі гідродинамічних процесів на ділянці доставки й у порожнині пожежного ствола використовувалися метод руху ізольованої краплі і варіаційний метод у комбінації зі структурним відповідно. Проведення серії експериментів поставило за вимогу використання методології теорії планування експериментів, а рішення задачі оптимізації спричинило за собою застосування одного з прямих методів пошуку функції декількох змінних.

Наукова новизна отриманих результатів складається у: одержанні теоретично обгрунтованої залежності дальності подачі вогнегасної речовини від швидкості краплинного потоку на виході пожежного ствола, фізичних властивостей рідини і ступеня розпилу; створенні інженерної процедури розробки схем пожежних стволів, що забезпечують максимальну дальність подачі вогнегасної речовини; побудові математичної моделі гідродинамічних процесів у порожнинах пожежних стволів з використанням методу R -функцій і елементів теорії планування експерименту на основі рівнянь Нав'є-Стокса; створенні алгоритмів і програмних засобів, які дозволяють автоматизувати процес вибору оптимальної схеми побудови пожежного ствола; одержанні за допомогою імітаційного моделювання і теорії планування експерименту залежності швидкості потоку рідини на зрізі пожежного ствола від геометричних параметрів самого ствола.

Практичне значення отриманих результатів. Отримані результати дозволяють створювати нові і модернізувати вже існуючі схеми побудови пожежних стволів різноманітної конфігурації для одержання максимальної дальності подачі водяної струму в осередок і прогнозувати цю величину на підставі даних про швидкість рідини на зрізі пожежного ствола. Використання запропонованих схем дозволяє збільшити дальність подачі в 1.2- 3 рази в порівнянні з вже існуючими.

Спеціалізована система і її підсистема “PLAN” використовуються при розробці будівельних матеріалів із спеціальними властивостями на основі низков'язких олігомер-олігомерних сполучних, дисперсних і волокнистих наповнювачів на кафедрі хімії ХДТУБА.

Математичне моделювання схем побудови пожежних стволів різноманітної конфігурації і фізичних процесів, що відбуваються в порожнині пожежного ствола використовується в навчальному процесі ХДТУБА при вивченні дисциплін “Дискретний аналіз” і “Математичне моделювання”.

Особистий внесок автора. Дисертаційна робота Шаповалової О.О. є самостійною науково-дослідною роботою. Особистий внесок автора складається:

в аналізі схем побудови і технічних характеристик ручних пожежних стволів, систематизації й оцінюванню теоретичних і практичних результатів у цій галузі;

у створенні математичної моделі, що описує поведінку рідини в порожнині пожежних стволів різноманітної конфігурації;

у створенні моделі руху водяного потоку в просторі і виявленні залежності між дальністю подачі і швидкістю на зрізі пожежного ствола;

у розробці процедури оцінювання параметрів схем побудови пожежних стволів, що визначають функціональний стан систем подачі вогнегасної речовини і виборі кращого варіанта цих параметрів для досягнення максимальної дальності подачі;

у створенні інтерфейсу користувача, алгоритмічного і програмного забезпечення пакета програм “PLAN”, “OPTIMA”;

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційного дослідження докладались і обговорювалися на 51-й науково-технічній конференції “Будувати - значить думати про майбутнє” (1996р.), 52-й (1997р.) і 53-й (1998р.) науково-технічній і науково-методичній конференціях Харківського державного технічного університету будівництва й архітектури, на університетських читаннях, присвячених 70-річчю Харківського державного технічного університету (2000р.), на 2-й міській науково-практичній конференції “Актуальні проблеми сучасної науки в дослідженнях молодих учених м. Харкова” (Україна, м. Харків, 1999 р.), на IV Всеукраїнської науково-практичної конференції “Пожежна безпека - 99” (ЧІПБ МВС України, м. Черкаси, 1999 р.), на науково-практичному семінарі ХІПБ, на кафедрі пожежної техніки ХІПБ.

Публікації. Основні наукові положення і результати досліджень опубліковані в дев'ятьох наукових статтях, шість із який - у виданнях, що входять у перелік ВАК України.

Структура й обсяг роботи. Дисертаційна робота складається з вступу, чотирьох розділів, висновків, бібліографії і додатків. Повний обсяг дисертації 182 сторінки, 19 таблиць, 49 малюнків, 117 найменувань бібліографії.

пожежний ствол вогнегасний рідина

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовується вибір і актуальність теми дослідження, вказується мета роботи, задача дослідження, наукова новизна і практична значимість роботи.

У першому розділі наведений аналіз існуючих пожежних стволів і їхніх тактико-технічних показників, сформульована основна задача дослідження, розглядаються особливості її розв'язання.

Аналіз схем побудови і технічних характеристик ручних пожежних стволів показав, що всі розглянуті пристрої працюють при тисках 0.4-0.6МПа з витратою води в діапазоні від 1.8 до 16 л/с, що дозволяє одержувати дальності доставки вогнегасної речовини суцільного струму у діапазоні від 25 до 32 м, розпорошеного струму - 11-13 м.

Лафетні стволи при тих же значеннях робочого тиску з витратою води 15 - 60 л/с дають можливість доставляти суцільний водяний струм на 50-60 м, розпорошений водяний - на 30 -75 м, пінний - на 35-40м. Як показали дослідження, такий розкид тактико-технічних показників пристроїв доставки визначається різноманітними схемами побудови і геометричних характеристик розглянутих пристроїв, а також фізичними властивостями і показниками вогнегасних речовин. Проте в літературі відсутні підходи, що дозволяють однозначно визначити вплив вхідних гідродинамічних показників і геометричних параметрів на вихідні характеристики пожежних стволів і, виходячи з цього, вибрати кращий варіант схеми побудови пожежного ствола.

Показано, що одним з основних тактико-технічних показників пожежних стволів є дальність подачі вогнегасної речовини в осередок, що безпосередньо пов'язано з забезпеченням безпеки особового складу. Вона і була обрана в якості критерію при виборі кращого варіанта.

Пропонується розробити інженерну процедуру розрахунку оптимальних геометричних і динамічних параметрів пожежних стволів, що сполучить у собі можливості імітаційного моделювання в комплексі з теорією планування експериментів для вибору оптимальної схеми побудови пожежного ствола.

В другому розділі розглянуті фізичні процеси, що протікають як на ділянці доставки, так і в порожнині пожежного ствола і створені математичні моделі цих процесів, а також розглянута постановка задачі оптимізації і способу її розв'язання.

Оцінювання параметрів руху розпорошеного струму вогнегасної речовини відбувалася з застосуванням методу руху ізольованої краплі. Рівняння записувалися в рамках таких допущень: рух розпорошеного струму рідини представлявся, як політ крапель однакового розміру, що не взаємодіють між собою, з ідентичними траєкторіями; при витіканні з високою швидкістю струм розпадається безупинно поблизу сопла, перетворюючись у смолоскип розпорошеної рідини; розмір крапель зменшується на ділянці доставки до вогнища за рахунок природного випару; крапля до моменту контакту з фронтом полум'я зберігає половину свого початкового розміру; на краплю діють реактивна сила, сила опору середовища і сила ваги.

Систему рівнянь, що описує рух одиночної краплі має вид:

(1)

де c - аеродинамічний коефіцієнт; - безрозмірна змінна, -час, с, і - щільності середовища і вогнегасної рідини відповідно, кг/м3, r0 - початкове значення радіуса краплі, м, - швидкість зменшення радіуса краплі, постійна для даної вогнегасної речовини, м/с, g - прискорення руху вільного падіння, м/с2, x, y - декартови координати, м.

Вирішення цієї системи з використанням розкладання в ряд Тейлора до другого члена ряду для 0.5 t 1, що відповідає , дозволили одержати залежності дальності польоту краплі від початкової швидкості краплі і від фізичних характеристик рідини, радіуса крапель:

(2)

(3)

причому , - початкові значення горизонтальної і вертикальної складової швидкості на зрізі, м/с, Lx, Ly - горизонтальна і вертикальна складова дальності польоту краплі, м.

Практично лінійний характер залежності дальності подачі вогнегасної речовини від швидкості витікання його із сопла пожежного ствола (рис.1) дозволив достатньо коректно перейти від максимальної дальності подачі в якості критерію оптимізації до максимальної швидкості на зрізі, і від розгляду фізичних процесів на ділянці доставки до гідродинамічних процесів усередині пожежного ствола.

Обґрунтовано вибір у якості математичної моделі гідродинамічних процесів у порожнині пожежного ствола рівнянь Нав'є-Стокса:

(4)

при відповідних граничних умовах

( 5 )

де -функція струму, Re - число Рейнольдса , Li -заданий диференційний оператор, Si - функція, визначена відповідно усередині області і на ділянках i, що характеризує вплив зовнішніх умов на картину поля в порожнині пожежного ствола (рис. 2).

Для перетворення геометричної інформації в аналітичну використовується структурний метод, що дозволяє представляти рішення крайових задач гідродинаміки у вигляді параметризованої функції, що виражає явну залежність від геометричних і фізичних параметрів.

=12P 0, (6)

де 12P і 0 - відповідно однорідна і неоднорідна частини структури, причому 0 - функція, точно задовольняюча крайовим умовам.

Створене на основі математичної моделі програмне забезпечення дозволило автоматизувати процес дослідження гідродинамічного поля в порожнині пожежного ствола і провести серію досвідів по дослідженню поведінки рідини при зміні геометричних параметрів пожежного ствола.

Оскільки однієї з задач дослідження є пошук оптимальних значень геометричних параметрів схеми побудови пожежного ствола за умови досягнення швидкістю на зрізі свого максимального значення, обґрунтований вибір швидкості витікання вогнегасної речовини у якості функції цілі і методу рішення.

(7)

Задача оптимізації зводиться до пошуку вектора динамічних і геометричних параметрів пожежного ствола, при яких швидкість на зрізі досягає свого максимального значення в заданій області дослідження :

(8)

Для рішення задачі оптимізації (7) використовувався метод Хука-Дживса. Пошук максимуму в цьому методі складається з послідовності кроків пошуку, що досліджує, навколо базисної точки, за яким у випадку успіху слідує пошук за зразком.

Застосування теорії планування експерименту в сполученні з обчислювальним експериментом дозволило одержати поліномиальну модель, що зв'язує геометричні параметри пожежного ствола і швидкість витікання рідини на зрізі:

(9)

де bi - коефіцієнти, що характеризують ступінь впливу геометричних параметрів xi на швидкість витікання V.

Рівняння регресії, отримане в результаті проведення обчислювального експерименту й обробки даних досвідів, послужило математичною моделлю гідродинамічних процесів у пожежному стволі і використовувалося для оптимізації розглянутої схеми побудови. За базисну точку приймалася точка центру плану; величина кроку для кожної перемінної пропорційна відповідному коефіцієнту регресії.

У третьому розділі розглянуті питання автоматизації процедури дослідження гідродинамічного поля в порожнині пожежного ствола і вибору оптимальної по дальності подачі схеми побудови пожежного ствола.

У розділі викладені принципи і засоби створення інструментарію, що дозволяє оперативно й ефективно проводити дослідження роздроблювальних схем пристроїв доставки вогнегасної речовини в осередок, спираючись на дані організованого за допомогою теорії планування експерименту обчислювального експерименту.

Запропоновано автоматизовану систему для рішення задачі вибору найкращого варіанта схеми побудови пожежного ствола за критерієм максимальної дальності подачі вогнегасної речовини , що є комплексом взаємозалежних пакетів, кожний з яких має своє функціональне призначення:

для забезпечення побудови плану експерименту застосовується пакет "PLAN", який дозволяє також встановити залежність між швидкістю витікання рідкого компонента і параметрами пожежного ствола;

для реалізації структурного і варіаційного методів використовуються можливості пакету обчислювального експерименту "LIQUID", який також дозволяє вирішувати задачі з розрахунку і дослідження двовимірних та вісесиметричних гідродинамічних полів у пожежних стволах різної конфігурації при різноманітних умовах на межі. Він дозволяє одержати наближене рішення крайової задачі в аналітичному вигляді, точно задовольняти всім крайовим умовам;

рішення оптимізаційної задачі відбувається з застосуванням пакета "OPTIMA", який забезпечує пошук максимуму функції n змінних з урахуванням обмежень на основі рівняння регресії, що апроксимують експериментальні дані, за допомогою прямих методів.

Розроблено і реалізовано інтерфейс, що дозволяє в природній для дослідника формі як задавати вихідну інформацію, так і одержувати результати рішення. Система дозволяє в інтерактивному режимі формувати на екрані дисплея модель пожежного ствола будь-якої конфігурації.

Досліднику надається можливість візуалізувати розподіл потоків і швидкостей у порожнині пожежних стволів різноманітної конфігурації (рис.3), у тому числі на зрізі, визначати значення швидкості для різноманітних наборів параметрів і, в такий спосіб, проводити обчислювальний експеримент на математичній моделі у запропонованій підсистемі "LIQUID".

Побудова на основі даних обчислювального експерименту поліноміальної моделі n-го порядку, що зв'язує швидкість витікання рідини на зрізі пожежного ствола і його геометричні параметри здійснюється програмним модулем "PLAN". Автоматично відбувається оцінювання адекватності моделі і розрахунок усіх необхідних для цього статистичних параметрів.

Для рішення сформульованої задачі оптимізації схем побудови пожежних стволів використаний пакет "OPTIMA". Він дозволив вибрати параметри геометричної моделі, що забезпечують побудову оптимальної схеми за умови забезпечення максимальної дальності подачі вогнегасної речовини з урахуванням заданих обмежень. Пакет "OPTIMA" дозволив вирішити поставлену оптимізаційну задачу на основі поліноміальної моделі, що апроксимує експериментальні дані з урахуванням обмежень, а також будувати поверхні відгуку.

У четвертому розділі наведений алгоритм розробки схеми пожежного ствола з оптимальними геометричними параметрами і показане його застосування при рішенні тестових і реальних задач, результатами натурних експериментів підтверджена вірогідність запропонованої процедури.

Запропоновано алгоритм розробки схем побудови пожежних стволів і на його основі проведене дослідження стволів різноманітної конфігурації.

У якості тестової використовувалася задача з розрахунку дальності для типових схем побудови конічного, циліндричного пожежного стволів і пожежного ствола з тороідальною камерою змішання. Результати порівняння розрахункових даних і реальних характеристик пожежних стволів (рис.4) дозволили зробити висновок про те, що відносна похибка обчислень складає 2-8%.

По запропонованому алгоритму з використанням спеціалізованої системи були вирішені задачі з вибору оптимальних схем побудови конічного і циліндричного пожежних стволів. По ортогональному центральному композиційному плані на базі модуля обчислювального експерименту було проведене дослідження впливу геометрії конічного пожежного ствола на гідродинамічне поле в порожнині. У результаті для швидкості була побудована поліноміальна модель з урахуванням квадратів факторів, що характеризує ступінь впливу вхідного L і вихідного d радіусів і довжини ствола S на швидкість витікання рідини на зрізі V:

V=44. 4-0. 03S+5. 8L-6. 2d-0. 07S2-0. 2L2+0. 6d2-0. 5Ld (10)

У досліджуваній області функція практично монотонна і не містить екстремуму (рис.5).

При рішенні оптимізаційної задачі точка оптимуму припадає на межу області. Максимальна дальність подачі 39м досягається при швидкості 57.3 м/с, довжині 290мм, вхідному і вихідному радіусах 57.8 і 5.5 мм відповідно.

Побудована на основі аналогічних досліджень залежність швидкості на зрізі циліндричного пожежного ствола від геометричних і динамічних параметрів також практично монотонна і не містить точок екстремуму в досліджуваній області. Після автоматичної перевірки адекватності моделі і значимості коефіцієнтів із використанням критерію Ст'юдента модель має такий вигляд:

V (p, l, s)=40.5+4. 3p-3l+1. 2p2-0. 6l2+s2+1.2pl+0.12ps+0.3ls (11)

Найбільший вплив на швидкість витікання надає діаметр сопла. Швидкість на зрізі досягає свого максимального значення, рівного 48.6 м/с при тиску в 0.7 МПа, радіусі 42мм і довжині 50см, що відповідає дальності подачі 30м.

Дослідження і розрахунок гідродинамічного поля в пожежному стволі з тороідальною камерою змішання (рис.3) при різноманітних наборах досліджуваних параметрів, виявили, що істотний вплив на швидкість витікання надає вхідний і вихідний радіуси і діаметр камери змішання.

(12)

В області дослідження функція досягає свого максимального значення при найбільшому значенні вхідного і найменшому значенні вихідного радіусів, що припадають на межу області, і має точку екстремуму (максимуму) для радіуса камери змішання R=13. 5мм (рис.6).

Показано, що при тиску 0.6 МПа, радіусі камери змішання 13.2мм, вхідному і вихідному радіусах 4 і 2 мм відповідно швидкість на зрізі пожежного ствола з тороідальною камерою змішання досягне свого максимального значення, рівного 49 м/с, що відповідає дальності подачі 15м.

Наведено результати порівняння швидкостей і дальностей подачі пожежних стволів, що серійно випускаються, і запропонованих схем побудови (рис.7). Показано, що запропоновані варіанти дозволяють збільшити дальність подачі в 1.2 - 3 рази.

Результати натурного експерименту (рис.8 ) показали, що інженерна процедура вибору оптимальної схеми побудови пожежних стволів і реалізуючої її спеціалізованої системи достатньо коректні. Лежачі в її основі математичні моделі адекватно описують гідродинамічні процеси, як у порожнині пожежного ствола, так і за його межами, при цьому відносна похибка не перевищує 10%.



ВИСНОВКИ

В дисертації наведене теоретичне узагальнення і нове вирішення наукової задачі, що виявляється в обґрунтуванні можливості створення інженерної процедури розробки схем пожежних стволів для ефективного гасіння пожеж на основі обчислювального експерименту з подальшою оптимізацією цих схем.

Проведені дослідження показали, що одним із можливих напрямків підвищення ефективності процесу пожежогасіння, є напрямок, пов'язаний з удосконаленням пожежних стволів із метою збільшення дальності подачі вогнегасної речовини в осередок. Найкращим шляхом є вибір геометричних характеристик схем побудови пожежних стволів різноманітної конфігурації, оптимальних по дальності подачі.

Дослідження поведінки рідини в інтервалі від місця вильоту із сопла насадки до осередку загоряння дозволили встановити зв'язок між дальністю подачі вогнегасної речовини в осередок і швидкістю витікання його із сопла пожежного ствола, фізичними характеристиками рідини, а також ступенем розпилу. З використанням отриманої залежності, показано, що при фіксованому значенні дисперсності краплинного потоку певної вогнегасної рідини, основним фактором, що істотно впливає на дальність подачі, є швидкість рідини на виході пожежного ствола.

Обґрунтовано можливість створення інженерної процедури розрахунку оптимальних геометричних і динамічних параметрів схем пожежних стволів, що забезпечують максимум дальності подачі вогнегасної речовини, і оцінки дальності подачі струму, що включає в себе: побудова плану проведення експерименту; проведення обчислювального експерименту, що враховує особливості математичних моделей як схем, так і гідродинамічних процесів, що відбуваються в них; обробку результатів обчислювального експерименту і побудова рівняння регресії, що зв'язує динамічні характеристики пожежного ствола з його геометричними параметрами геометричними параметрами; рішення задачі пошуку оптимальних значень геометричних параметрів схеми побудови за умови досягнення швидкістю рідини свого максимального значення на зрізі.

Методами імітаційного моделювання і теорії планування експериментів отримані аналітичні залежності, що адекватно відбивають процеси в порожнині пожежного ствола і є основою для рішення оптимізаційної задачі. При цьому використовувався структурний метод для перетворення геометричної інформації в аналітичну, а в якості першого наближення математичної моделі гідродинамічних процесів використовувалися рівняння Нав'є-Стокса при відповідних граничних умовах.

Для автоматизації процедури вибору оптимальної схеми побудови пожежного ствола створена автоматизована спеціалізована система і реалізований інтерфейс, що дозволяє в інтерактивному режимі формувати на екрані модель конструкції будь-якої конфігурації. Програмне забезпечення системи надає можливість візуалізувати розподіл потоків і швидкостей у порожнині пожежних стволів, у тому числі, на зрізі, визначати значення швидкості для різноманітних наборів параметрів і таким чином, проводити обчислювальний експеримент на математичній моделі.

За результатами експерименту перевірена коректність інженерної процедури вибору оптимальної схеми побудови пожежних стволів, а також адекватності лежачих в основі цієї процедури математичних моделей; установлено, що відносна похибка обчислень не перевищує 10%.

За допомогою запропонованої процедури вирішений ряд задач на вибір схем побудови для циліндричних і конічних пожежного стволів і пожежного ствола з тороідальною камерою змішання, що дозволяють збільшити дальність подачі в 1.2 - 3 разу.



ОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ ДИСЕРТАЦІЙНОЇ РОБОТИ ОПУБЛІКОВАНІ В ТАКИХ РОБОТАХ

1. Шаповалова Е.А. Математические и программные средства моделирования гидродинамических процессов в пожарных стволах // Проблемы пожарной безопасности. - Харьков:,1998. Вып.4.- С.206-208.

2. Шаповалова Е.А. Метод планирования эксперимента при исследовании гидродинамических процессов в пожарных стволах // Проблемы пожарной безопасности. - Харьков: ХИПБ,1998.- Вып.4.- С.209-211.

3. Шаповалова Е.А. Оценка достоверности при расчете дальности огнетушащего вещества // Проблемы пожарной безопасности. - Харьков: Фолио, 2000.- Вып.7.- С.227-229.

4. Шаповалова Е.А. Распределения поля скоростей в пожарных стволах различной конфигурации // Проблемы пожарной безопасности. Сб. науч. тр., спец. вып. - Харьков: ХИПБ,1999.- С. 38-41.

5. Шаповалова Е.А., Соловей В.В., Абрамов Ю.А. Инженерная методика исследования и оптимизации схем построения водяных пожарных стволов // Проблемы пожарной безопасности. - Харьков: ХИПБ, 1999.- Вып.6.- С.169-172.

6. Шевченко Л.П., Шаповалова Е.А. Исследование оптимальности геометрических параметров устройства пожаротушения с торовидной камерой смешения // Проблемы пожарной безопасности. - Харьков,1999. Вып.5.- С.207-209.

7. Шаповалова Е.А. Компьютерное моделирование гидродинамических процессов в объектах со сложным поперечным сечением // Актуальні проблеми сучасної науки у дослідженнях молодих вчених м. Харкова. - Х: АО “Бизнес Информ”, 1998.- С.86-89.

8. Шаповалова Е.А. Об одном подходе к исследованию оптимальности пожарных стволов // Пожежна безпека. Науковий збірник. Ч.3, Черкаси, ЧІПБ МВС України, 1999. С.123-126.

9. Шевченко Л.П., Шаповалова Е.А. Компьютерное моделирование струйных течений в пожарных стволах // Пожежна безпека. Науковий збірник. Ч.3, Черкаси, ЧІПБ МВС України, 1999.- С.85 - 88.



АНОТАЦІЯ

Шаповалова Е.А. Розробка схем пожежних стволів, оптимальних за критерієм дальності подачі вогнегасної речовини. - Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за фахом 21.06.02. - Пожежна безпека. Харківський інститут пожежної безпеки МВС України, Харків, 2000.

Встановлено зв'язок між дальністю подачі вогнегасної речовини в осередок і швидкістю витікання із сопла пожежного ствола, фізичними характеристиками рідини, ступенем розпилу. Створено інженерну процедуру розробки схем пожежних стволів, що забезпечують максимум дальності подачі вогнегасної речовини, що спирається на блоки планування експериментів, обчислювального експерименту й оптимізації, які тісно взаємодіють між собою. Створено математичну модель гідродинамічних процесів із використанням апарата теорії R-функцій і теорії планування експериментів, що дозволяє вирішувати задачу оптимізації схем побудови пожежних стволів. Розроблено і програмно реалізовані алгоритми дослідження гідродинамічних характеристик пристроїв і їхньої залежності від геометричних параметрів із подальшою оптимізацією конструкції. Експериментальні дослідження підтвердили адекватність отриманих моделей і отриманих із їхньою допомогою результатів. Вирішено задачі з вибору схем побудови пожежних стволів різноманітних конфігурацій за умови досягнення дальністю свого максимального значення.

Ключові слова: пожежний ствол, вогнегасна речовина, гідродинамічні процеси.



SUMMARY

Shapovalova E. A. The elaboration of the diagrams of the fire monitors which are optimum according to the distance criterion of the feed of the fire-extinguishing substance. - The manuscript.

A dissertation for the degree of candidate of engineering on specialty 21.06.02. - fire safety. Kharkiv Fire Safety Institute of the ministry of internal affairs of Ukraine, Kharkiv, 2000.

The connection between the.distance of the feed of the fire-extinguishing substance in a fire center and the velocity of the liquid outflow from the nozzle of the fire monitor, physical characteristics of the liquid, the degree of atomization is established. The engineering procedure of the elaboration of the fire monitors diagrams ensuring the maximum distance of the fire-extinguishing substance feed is created. This procedure is based upon the closely interacting blocs of the experiment planning, the computing experiment and the optimization. The mathematical model of hydro-dynamical processes with the application R-function theory and the theory of the experiment planning allowing solving a problem of the optimization of the diagrams of the fire monitors construction is created. The research algorithms of hydro-dynamical characteristics of the facilities and their dependence from geometrical parameters with the subsequent optimization of the construction are elaborated and have the software support the experimental research corroborated the adequacy of the models and results obtaining with their help. Choice-making problems of the diagrams of the fire monitors construction with the various constructions under the circumstances that the distance reaches its maximum value are solved.

Key words: fire monitor, fire-extinguishing substance, hydro-dynamical processes.



АННОТАЦИЯ

Шаповалова Е.А. Разработка схем пожарных стволов, оптимальных по критерию дальности подачи огнетушащего вещества. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 21.06.02. - Пожарная безопасность. Харьковский институт пожарной безопасности МВД Украины, Харьков, 2000.

Диссертация посвящена обоснованию возможности создания новых и модернизации уже существующих пожарных стволов, имеющих оптимальные по критерию дальности подачи огнетушащего вещества параметры.

Показано, что одним из возможных направлений повышения эффективности процесса пожаротушения, является направление, связанное с усовершенствованием пожарных стволов в целях увеличения дальности подачи огнетушащего вещества в очаг. Наиболее предпочтительным путем является выбор геометрических характеристик схем построения пожарных стволов различной конфигурации., оптимальных по дальности подачи.

Исследования поведения жидкости в интервале от места вылета из сопла насадки до очага возгорания позволили установить связь между дальностью подачи огнетушащего вещества в очаг и скоростью истечения его из сопла пожарного ствола, физическими характеристиками жидкости, а также степенью распыла. С использованием полученной зависимости, показано, что при фиксированном значении дисперсности капельного потока определенной огнетушащей жидкости основным фактором, существенно влияющим на дальность подачи, является скорость жидкости на выходе пожарного ствола.

Обоснована возможность создания инженерной процедуры расчета оптимальных геометрических и динамических параметров схем пожарных стволов, обеспечивающих максимум дальности подачи огнетушащего вещества, и оценки дальности подачи струи, включающая в себя: построение плана проведения эксперимента; проведение вычислительного эксперимента, учитывающего особенности математических моделей, как схем, так и гидродинамических процессов, происходящих в них; обработку результатов вычислительного эксперимента и построение уравнения регрессии, связывающего динамические характеристики пожарного ствола с его геометрическими параметрами; решение задачи поиска оптимальных значений геометрических параметров схемы построения при условии достижения скоростью жидкости своего максимального значения на срезе.

Методами имитационного моделирования и теории планирования экспериментов получены аналитические зависимости, адекватно отражающие процессы в полости пожарного ствола и послужившие основой для решения оптимизационной задачи. При этом использовался структурный метод для преобразования геометрической информации в аналитическую, а в качестве первого приближения математической модели гидродинамических процессов использовались уравнения Навье-Стокса при соответствующих граничных условиях.

Для автоматизации процедуры выбора оптимальной схемы построения пожарного ствола создана автоматизированная специализированная система и реализован интерфейс, позволяющий в интерактивном режиме формировать на экране модель конструкции любой конфигурации. Программное обеспечение системы предоставляет возможность визуализировать распределение потоков и скоростей в полости пожарных стволов, в том числе, на срезе, определять значения скорости для различных наборов параметров и таким образом, проводить вычислительный эксперимент на математической модели.

Решение тестовой задачи по расчету дальности для типовых схем построения конического, цилиндрического пожарных стволов и пожарного ствола с тороидальной камерой смешения сравнение расчетных данных и реальных характеристик этих устройств позволили сделать вывод о том, что относительная погрешность вычислений составляет 2-8%.

По результатам натурного эксперимента проверена корректность инженерной процедуры выбора оптимальной схемы построения пожарных стволов, а также адекватности лежащих в основе этой процедуры математических моделей; установлено, что относительная погрешность вычислений не превышает 10%.

На основе алгоритма разработки схем построения пожарных стволов проведено исследование стволов различной конфигурации.

Показано, что при давлении 0.6 МПа, радиусе камеры смешения 13.2 мм, входном и выходном радиусах 4 и 2 мм соответственно скорость на срезе пожарного ствола с тороидальной камерой смешения достигнет своего экстремального (максимального) значения, равного 49 м/с, что соответствует дальности подачи 15м.

С помощью предложенной процедуры решен задачи по выбору схем построения для цилиндрического и конического пожарного стволов и пожарного ствола с тороидальной камерой смешения, позволяющих увеличить дальность подачи в 1.2 - 3 раза.

Ключевые слова: пожарный ствол, огнетушащее вещество, гидродинамические процессы.

Размещено на Allbest.ru

...