Введение к работе
Актуальность темы диссертации. Возрастающие в последнее время социальные и экономические последствия пожаров, требуют решения проблемы повышения эффективности систем подачи огнетушащих средств к очагу пожара и создания научно обоснованных методик их гидравлического расчета.
Одним из основных элементов систем пожаротушения являются пожарные рукава. Методика, используемая в настоящее время для их расчета, базируется на ряде допущений.
Предпологается, что движение воды по пожарным рукавам происходит при числах Рейнольдса, соответствующих только квадратичной области сопротивлений. При этом не учитывается изменение поперечных и продольных размеров рукавов под воздействием внутреннего давления, увеличение шероховатости внутренней поверхности с ростом срока службы рукавов, влияние на потери напора добавок пенообразователей.
Кроме этого, расчеты выполняются на основании справочных данных, приведенных для пожарных рукавов, которые в настоящее время практически не используются. Аналогичные данные по современным пожарным рукавам в литературе отсутствуют.
В результате, расчеты по существующей методике приводят к существенной погрешности. Поставленная проблема может быть решена путем разработки новой методики расчета пожарных рукавов, учитывающей весь комплекс факторов, влияющих на потери напора. Разработка такой методики требует изучения гидравлических закономерностей движения жидкостей в современных пожарных рукавах.
Цель її задачи исследования. В результате изучения современного состояния гидравлических расчетов пожарных рукавов автор поставил перед собой цель на основе экспериментальных и теоретических исследований определить гидравлические характеристики и параметры напорных пожарных рукавов, разработать методику их гидравлического расчета с учетом дополнительных факторов, влияющих на пропускную способность. В задачи, поставленные автором, входят:
-
Экспериментальные и теоретические исследования современных пожарных рукавов из синтетических материалов.
-
Разработка и создание экспериментальных стендов для исследования гидравлических характеристик и параметров пожарных рукавов.
-
Исследование влияния отдельных типов деформаций на условия движения жидкости в пожарных рукавах.
-
Исследование влияния концентраций пенообразователя на гидравлические параметры пожарных рукавов.
-
Разработка методики расчета пожарных рукавов.
Объект її предмет исследования. Объектом исследования является оборудование противопожарного водоснабжения, в частности, гибкие трубопроводы противопожарного водоснабжения - напорные пожарные рукава. Предметом
исследования являются гидравлические характеристики и параметры напорных пожарных рукавов и методика их гидравлического расчета.
Гипотеза. В отличие от жестких трубопроводов напорные пожарные рукава при транспортировании по ним жидкости изменяют свои геометрические параметры, что отражается на их гидравлическом сопротивлении. Шероховатость стенок рукавов изменяется с течением времени вследствие износа гидроизоляционного слоя. Кроме того, гидроизоляционный слой под давлением жидкости вдавливается во впадины ткани чехла рукава, что приводит к увеличению шероховатости стенок, а значит и гидравлического сопротивления рукава.
Исходя из анализа научно-технической и справочной литературы, коэффициент гидравлического трения пожарных рукавов должен зависеть от материала изготовления рукавов, шероховатости их внутренней поверхности, срока эксплуатации рукавов, вида транспортируемой жидкости и режима ее движения. К этому добавляются упругие колебания стенок, обусловленные пульсациями давлений в напорном потоке.
Методология н методы проведенных исследований. В основу исследований положена классическая теория гидравлических сопротивлений. Эксперименты проводились на лабораторном стенде и специально разработанных экспериментальных установках, позволяющих изучить гидравлические характеристики и параметры напорных пожарных рукавов. В работе использовались методы определения гидравлических сопротивлении по эффективности снижения гидродинамического напора на контрольном участке исследуемого трубопровода, метод итерации для анализа взаимосвязанных величин, теория планирования эксперимента и другие методы, более подробное описание которых дается в соответствующих главах диссертации.
Научная новизна и значимость полученных результатов. Впервые изучены основные гидравлические закономерности движения жвдкости в гибких трубопроводах противопожарного водоснабжения. Путем экспериментальных исследований пожарных рукавов предложены положения и установлены новые характеристики и параметры:
-
Расшифрован механизм потерь напора в пожарных рукавах и определен состав влияющего на него комплекса факторов. Доказано, что при определении потерь напора необходимо учитывать изменения поперечных и продольных размеров и эквивалентной гидравлической шероховатости стенок рукавов, зависящих от внутреннего давления. Установлено, что увеличение поперечных и продольных размеров из-за внутреннего давления приводит к уменьшению потерь напора. Экспериментально подтверждено, что абсолютная гидравлическая шероховатость увеличивается с ростом числа Re и зависит от срока эксплуатации рукавов.
-
Впервые исследованы латексированные пожарные рукава. Получены соотношения, связывающие длину и диаметр рукавов с внутренним давлением, определена абсолютная эквивалентная гидравлическая шероховатость стенок и гидравлическое сопротивление рукава стандартной длины (20 м). Установлено, что введение добавок пенообразователя увеличивает потери напора.
-
Получены экспериментальные кривые зависимости коэффициента гидравлического трения от числа Рейнольдса для латексированных, прорезиненных и непрорезиненных пожарных рукавов различных диаметров и сроков эксплуатации. Предложена эмпирическая формула для определения коэффициента X. Экспериментально установлено, что при учете зависимости шероховатости от числа Re для определения коэффициента X а квадратичной зоне применима формула А.Д. Альтшуля.
-
Разработана и экспериментально подтверждена методика расчета потерь напора в пожарных рукавах, позволяющая определять потери напора при различных режимах движения жидкости с учетом изменения поперечных и продольных размеров и эквивалентной гидравлической шероховатости стенок.
Практическая значимость полученных результатов. Результаты исследований внесены в проект, разрабатываемых государственным предприятием «Стройтехнорм» и Техническим комитетом по техническому нормированию и стандартизации в строительстве «Пожарная безопасность», строительных норм «Противопожарное водоснабжение». Они могут быть использованы проектными организациями при проектировании и расчете наружных водопроводных систем высокого давления и внутренних противопожарных водопроводов зданий и сооружений.
На основании проведенных исследований разработаны, утверждены Министерством по чрезвычайным ситуациям и доведены до всех пожарных аварийно-спасательных подразделений республики для использования в практической деятельности «Рекомендации по гидравлическому расчету латексированных пожарных рукавов». Разработанная методика гидравлического расчета насос-но-рукавных систем используется также в учебном процессе Командно-инженерного института МЧС Беларуси.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту. На защиту выносятся: результаты гидравлических исследований напорных пожарных рукавов и методика расчета потерь напора в них с учетом материала изготовления, изменения поперечных и продольных размеров и эквивалентной гидравлической шероховатости стенок.
Личный вклад соискателя. Автором проведен анализ методов определения гидравлического сопротивления жестких и гибких трубопроводов 111. Разработаны экспериментальные установки и методики проведения испытаний по определению гидродинамических характеристик напорных пожарных рукавов, проведены лабораторные и натурные эксперименты по определению:
геометрических параметров напорных пожарных рукавов в зависимости от внутреннего давления транспортируемой по ним жидкости /11/; вязкости и плотности исследуемых водных растворов пенообразователей /2,15/;
потерь напора в различных рукавах при транспортировании по ним исследуемых жидкостей /2,17/. Получены экспериментальные зависимости изменения геометрических размеров рукавов от внутреннего давления транспортируемой жидкости, коэффи-
циента гидравлического трения пожарных рукавов от числа Re с учетом материала изготовления, сроков их службы, транспортируемой по ним жидкости; доказано влияние этих факторов на гидравлическое сопротивление рукавов; определена эквивалентная гидравлическая шероховатость латексированных пожарных рукавов /1,8,10,12,13,14/.
Сделаны выводы и предложены методики определения потерь напора в пожарных рукавах и гидравлического расчета насосно-рукавных систем /1,2,16,17/.
Апробация результатов диссертации. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на 51, 52, 53, 54 Международных научно-технических конференциях БГПА(1995, 1998, 1999, 2000 г.г.), XIII, XIV Всероссийских научно-практических конференциях ВНИИПО МВД РФ (1995, 1997 г.г.), II Международной научно-практической конференции в РНПЦ ПБ МВД Беларуси (1997 г.), II международной научно-практической конференции в Московском институте пожарной безопасности МВД России (1999 г.)
Опубликованность результатов. По результатам исследований, представленных в диссертации, опубликовано 17 научных работ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, общей характеристики работы, четырех глав, заключения, списка использованных источников и приложений; содержит 149 страниц, из них: 35 рисунков на 28 страницах, 15 таблиц на 7 страницах, 20 приложений на 34 страницах. Список использованных источников насчитывает 129 наименований на 7 страницах.