Розробка методу і технічних засобів забезпечення безпеки людей при пожежах у метрополітені

 

 

У першому розділі наведено результати аналізу літературних джерел, які свідчать, що метрополітен є небезпечним об'єктом як з точки зору пожежної безпеки і являє собою велику небезпеку для людей у випадку виникнення пожежі у підземних спорудах. Висока температура і токсичні гази, що обмежені підземними спорудами метрополітену, являють собою зону ураження пожежею (ЗУП). Розміри ЗУП визначаються величиною теплової депресії та інтенсивністю виділення летких продуктів згоряння у вогнищі.

Існуюча вентиляційна система в метрополітені створювалася тільки для санітарно-гігієнічних цілей. Вона не забезпечує безпеку людей під час ліквідації пожеж у метрополітені. Протигази, якими оснащено пожежну охорону, через малу тривалість захисної дії також не відповідають сучасному рівню вимог з охорони праці. Під час ліквідації пожежі в Бакинському метрополітені застосовувалися протигази КІП-8, тривалість захисної дії якого становить одну годину, а тому багато пожежників отримали важкі травми органів дихання, один боєць цивільної оборони загинув. Аварійні режими вентиляції в Бакинському метрополітені не застосовувалися.

Аналіз також показав, що в даний час відсутні інші ефективні технічні засоби для забезпечення безпеки людей під час ліквідації пожеж у метрополітені.

В другому розділі проведено теоретичні дослідження тепло-димо-газообмінних процесів при пожежах у метрополітені.

Проведено моделювання руху повітряних потоків у підземних спорудах метрополітену при пожежі.

Перенос кількості руху, маси і теплоти моделюється системою рівнянь узагальненого виду:

 , (1)

де  – час, с; x, y – просторові координати, м (рис. 1) ;  – густина газу, кг/м3;  ;   – сумарні конвективно-дифузійні потоки маси, кількостей руху, теплоти чи газової домішки, розмірність яких залежить від виду субстанції, що переноситься;   – фізична змінна (швидкість, густина, температура, вміст домішки) ;  - фактор, розмірність якого залежить від виду субстанції, що переноситься.

У двовимірній постановці, на підставі (1), при  – динамічній в'язкості газу,  , і складових швидкостей по x:  , м/с, і по y:  , м/с:

 ; (2)

 

 

де  - густина газового середовища, кг/м3;   – тиск, Па;  ,  - фактор тяги (руху), Н/м3.

При  ;   і масовому факторі  , з (1) отримуємо рівняння нерозривності (суцільності) газового потоку:

  . (4)

Фізичний зміст величин, що входять до (2), (3) характеризується рівнянням, що має вигляд

 , (5)

де середні величини фізичних змінних позначені, як і фактичні. Коефіцієнт   (Коріоліса) характеризує поправку на нерівномірність розподілу швидкості у поперечному перерізі потоку S (м2), з периметром Ω (м) і гідравлічним діаметром D = 4S / Ω (м). Для ламінарних потоків  , для турбулентних  .

У результаті інтегрування (5) по довжині тунелю на ділянці l0 (м) перед вогнищем пожежі з боку свіжого вентиляційного струменя, з урахуванням сил інерції і сил тертя отримано рівняння:

 , (6)

де   – відносна величина витрати повітря у тунелі  ; S0 – площа поперечного перерізу на вході вентиляційного струменя в тунель;  ;  - відносна величина часу;  - характерний час, с;  - число Ейлера; hкр – перший параметр зведеної характеристики вентилятора, відповідно до виразу:  ,  - число Фруда або відносна величина глобальної теплової депресії;  - приріст глибини тунелю на ділянці l0, м;  - кут нахилу (ухилу) тунелю, градус;  - середнє гармонійне значення температури, К;  - число Річардсона або відносна величина локальної теплової депресії;  - периметр поперечного перерізу газового потоку, м.

Аналогічно можна представити рівняння руху газу у тунелі на ділянці за вогнищем пожежі у напрямку вентиляційного струменя.

За нормальних умов провітрювання   і витрата повітря у тунелі становить:

 , (7)

де  - аеродинамічний опір тунелю; усюди  .

Для умов пожежі рівняння (6) має рішення

 , (8)

де  - відносна величина початкової витрати повітря.

Вираз (8) являє собою аналітичний вираз динаміки зміни витрати газу у тунелі в залежності від джерел примусової і вільної конвекції, з урахуванням теплового опору і депресії інерційних сил. З нього також випливає, що перекидання газового потоку можливе у випадку Fr + Ri >Eu.

Моделювання плоских течій газових потоків у технічних і службових приміщеннях відбувалось на підставі системи рівнянь (2), (3) за допомогою чисельних методів маркерів і осередків (MAS) і Simpler-методу Патанкара. В обох методах використовувалася шахова (гібридна) сітка.

Для визначення функції теплового джерела, представлені емпіричні дані про теплову потужність пожежі   апроксимувалися залежністю від часу такого вигляду:

 , (9)

де  ; a, b і c – константи.

У результаті для функції теплового джерела отримані значення параметрів, наведені в табл. 1.

Як показує аналіз розрахункових значень температури у вогнищі пожежі, отриманих з використанням даних табл. 1 (рис. 1), тривалість досягнення максимальних значень температури під час горіння будь-якої кількості вагонів (рис. 2), практично не відрізняється від літературних даних. Наявність показників динаміки зміни температури теплового джерела дає змогу провести числове моделювання процесів поширення теплоти у тунелі. З цією метою похідні за часом і просторовими координатами замінювали на скінченнорізницеві аналоги, у результаті отримано скінченнорізницеву модель:

  (10)

 

 ; (11)