Математичне моделювання зовнішнього теплового навантаження на пожежника-рятувальника при горінні рідких нафтопродуктів в резервуарах

Abstract

UK: Мета - аналіз умов і факторів, що визначають екстремальні значення теплового навантаження на рятувальника під час гасіння палаючих резервуарів з нафтопродуктами на основі математичного моделювання термодинамічних процесів в системі «джерело теплової енергії - простір навколо пожежника - захисний одяг - людський організм» на основі метода кінцевих елементів. За допомогою ANSYS 9.0 обґрунтовано і вивчено роль ряду чинників що суттєво впливають на перерозподіл температур в системі. Новим у підході до моделювання є сукупність елементів системи, що об’єднує в єдиний ланцюг процеси від джерела горіння до поверхні тіла рятувальника з урахуванням властивостей оточуючого середовища, захисного одягу тощо. Для детального аналізу були побудовані температурні розподілення на зовнішній і внутрішній поверхнях захисного спорядження та на поверхні тіла. Розглянуто два варіанта розміщення тіла рятувальника біля джерела горіння, а саме – положення стоячи і лежачи. Отримано розподілення температури по поверхні ґрунту у радіальному напрямку від резервуара на 20-й хвилині продовження розвинутої пожежі. Це дало змогу вивчити залежність максимальної температури та часу нагріву поверхні тіла пожежника-рятувальника від відстані до резервуару із пожежею. При аналізі отриманих розрахункових залежностей для згладжування отриманих даних було побудовано регресійні залежності для параметрів, що характеризують небезпеку термовпливу пожежі над резервуаром для пожежників-рятувальників – максимальної температури нагрівання поверхні тіла та час досягнення критичної температури на поверхні тіла у залежності від дистанції до резервуару із пожежею. У найбільш небезпечній зоні для досліджуваних положень (стоячи та лежачи) його тіла встановлено залежності максимальної температури нагрівання поверхні тіла пожежника-рятувальника та часу досягнення критичної температури від ступеня чорноти поверхні ґрунту. Для побудування математичної моделі впливу комплексу факторів на тіло пожежника проведено повний факторний експеримент. Виконано планування та розроблено матрицю експерименту, реалізовано моделювання і отримані рівняння регресії, які описують механізм розповсюдження теплоти в системі. Оцінено погрішності моделювання, відносне відхилення не перевищує 5,3%. Отримані результати будуть використані для розробки практичних рекомендацій з профілактики та попередньої підготовки рятувальних підрозділів до ліквідації пожеж в резервуарних парках.

RU: Цель - анализ условий и факторов, определяющих экстремальные значения тепловой нагрузки на спасателя при тушении горящих резервуаров с нефтепродуктами на основе математического моделирования термодинамических процессов в системе «источник тепловой энергии - пространство вокруг пожарного - защитная одежда - человеческий организм» на основе метода конечных элементов. С помощью ANSYS 9.0 обоснована и изучена роль ряда факторов которые существенно влияют на перераспределение температур в системе. Новым в подходе к моделированию является такая, что не рассматривали в известных моделях, совокупность элементов системы, объединяющая в единую цепь процессы от источника горения к поверхности тела спасателя с учетом свойств окружающей среды, защитной одежды и тому подобное. Для детального анализа были построены температурные распределения на внешней и внутренней поверхностях защитного снаряжения и на поверхности тела. Рассмотрены два варианта размещения тела спасателя возле источника горения, а именно – положения стоя и лежа. Получено распределение температуры по поверхности грунта в радиальном направлении от резервуара на 20-й минуте продолжение развитого пожара. Это позволило изучить зависимость максимальной температуры и времени нагрева поверхности тела пожарного-спасателя от расстояния до резервуара с пожаром. При анализе полученных расчетных зависимостей для сглаживания полученных данных были построены регрессионные зависимости для параметров, характеризующих опасность термовлияния пожара над резервуаром для пожарных-спасателей – максимальной температуры нагрева поверхности тела и время достижения критической температуры на поверхности тела в зависимости от дистанции до резервуара с пожаром. В наиболее опасной зоне для исследуемых положений (стоя и лежа) его тела установлены зависимости максимальной температуры нагрева поверхности тела пожарного-спасателя и времени достижения критической температуры от степени черноты поверхности почвы. Для построения математической модели влияния комплекса факторов на тело пожарного-спасателя проведен полный факторный эксперимент. Выполнено планирование и разработана матрица эксперимента, реализовано моделирование и получены уравнения регрессии, описывающие механизм распространения теплоты в системе. Оценены погрешности моделирования, относительное отклонение не превышает 5,3%. Полученные результаты будут использованы для разработки практических рекомендаций по профилактике и предварительной подготовки спасательных подразделений к ликвидации пожаров в резервуарных парках.

EN: Purpose is the analysis of conditions and factors that determine extreme values of the heat load on the rescuer during combustion of fire in reservoirs with oil products based on mathematical modeling of the thermodynamic processes in the system "thermal energy source - space around the fire - protective clothing - human body" using the finite element method. With the help of ANSYS 9.0 validated and studied the role of factors that significantly affect the temperature distribution in the system. A new approach to modeling is the totality of the elements of the system that combining into a single chain of processes from the combustion source to the surface body rescuer taking into account the properties of the environment, protective clothing and etc. For detailed analysis were constructed temperature distributions on the outer and inner surfaces of the protective equipment and on the body surface. Two variants of placing the body of the rescuer near the source of combustion are considered, namely, standing and lying. The distribution of temperature along the surface of the soil in the radial direction from the reservoir was obtained in the 20th minute of the continuation of the developed fire. This allowed to study the dependence of the maximum temperature and time of heating the body surface of the firefighter-rescuer from the distance to the reservoir with a fire. When analyzing the obtained calculated dependences for smoothing the obtained data, regression dependences for the parameters that characterizing fire hazard thermal influence over the reservoir for fire-fighters – maximum body surface temperature and heating time to reach the critical temperature of the body surface, depending on the distance to the reservoir with fire. In the most dangerous area for the researched positions (standing and lying) of his body established dependences of the maximum temperature of heating the body surface of the firefighter-rescuer and the time to reach the critical temperature from the degree of blackness of the soil surface. To construct a mathematical model of the influence of a complex of factors on the body of a firefighter-rescuer, a complete factor experiment was carried out. The matrix of the experiment was planned and developed, simulation was realized and regression equations were obtained describing the mechanism of heat propagation in the system. The estimation of the modeling error, the relative deviation does not exceed 5,3%. The results will be used to develop practical recommendations for the prevention and preliminary preparation of rescue units for the combustion of fires in reservoir parks.