Обоснование по результатам экспериментальных и теоретических исследований возможности создания технологий с обратной связью для подавления горения и дымоосаждения в закрытых и изолированных от внешней среды помещениях

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 21-19-00009

НазваниеОбоснование по результатам экспериментальных и теоретических исследований возможности создания технологий с обратной связью для подавления горения и дымоосаждения в закрытых и изолированных от внешней среды помещениях

Руководитель Кузнецов Гений Владимирович, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" , Томская обл

Конкурс №55 - Конкурс 2021 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-201 - Процессы тепло- и массообмена

Ключевые слова подавление горения; дымоосаждение; пожары; закрытые и изолированные помещения; оптимизация расходования жидкости; мелкодисперсный аэрозоль; автоматизированная система

Код ГРНТИ30.17.35

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Вопросы пожаротушения в зданиях и сооружениях актуальны на протяжении многих лет, несмотря на активное развитие технологий подавления горения, дымоосаждения и локализации очагов пожаров. Это обусловлено главным образом тем, что существующие технологии разработаны под определенные условия зарождения очагов горения и распространения фронтов пожаров. Так как непрерывно развиваются и строительные технологии, то достаточно часто типовые системы пожаротушения если и справляются с локализацией очагов горения, то лишь при значительном ущербе (вследствие единых параметров работы систем тушения вне зависимости от условий протекания процессов горения, позднего обнаружения очага горения или чрезвычайно избыточного выливаемого объема жидкости при тушении). Это особенно характерно для закрытых и изолированных от внешней среды помещений со сложной геометрией (планировкой) и комбинированным применением группы материалов и веществ, например, туннели, склады, цеха, бункеры, секции передвижных аппаратов (лодки, крейсеры, танкеры, железно-дорожные составы и др.). К тому же по существующим нормативным документам каждое помещение оснащается ограниченной группой датчиков (как правило, тепловые и дымовые сенсоры) и распылительных элементов (чаще сплинкерные системы с единым настроенным расходом воды). Отчеты специалистов МЧС показывают, что эти элементы оказываются эффективными в одном случае и крайне неэффективными в другом, так как быстрота их срабатывания зависит от условий протекания пожаров. С одной стороны нужно учитывать специфику объекта в каждом конкретном случае, но целесообразно определить единый принцип оптимизации процессов подавления горения и дымоосаждения для помещений с разными характеристиками. Важно развитие систем пожаротушения в направлении комплексного учета влияния группы факторов за счет их непрерывного контроля (т.е. оснащения систем управления тушением пожаров так называемой обратной связью) и оптимального расходования огнетушащей жидкости. Известные редкие предпринимаемые ранее попытки создания таких систем (в периодической литературе за последние 10 лет можно встретить единицы публикаций) оказались не совсем успешными вследствие нескольких причин. Основная причина связана с тем, что эти попытки базировались на локальных экспериментах с ограниченным количеством объектов и сенсоров, которые в несколько отличающихся условиях были малоэффективными. Системное решение необходимо для закрытых и изолированных от внешней среды помещений с различными материалами отделки, расположением различных предметов и веществ, ограничениями по длительности распыления и имеющемуся объему огнетушащей жидкости. В рамках настоящего проекта будут определены оптимальные схемы распыления воды для эффективного подавления горения и дымоосаждения с учетом непрерывной обратной связи с объектом исследований - очагом горения. Основные критерии оптимальности: минимальный объем воды, минимальное время подавления горения, минимальная площадь распространения очага горения, минимальные газовые выбросы. На основе экспериментальных данных планируется решить соответствующую комплексную задачу оптимизации. Для этого планируется разработка специализированных моделей помещений с разными материалами и веществами, проектирование системы управления процессом подавления горения и дымоосаждения, экспериментальное изучение оптимальных (обеспечивающих безопасное пожаротушение) параметров работы распылительных систем (расположение, дисперсность, расход) с учетом влияния группы факторов. Так как процессы взаимодействия капель жидкостей с дымовыми газами, парами, поверхностями веществ и материалов достаточно сложные, то планируется применение высокоскоростных регистрирующих систем, лазерной техники, следящих комплексов, совокупности сенсоров с разными чувствительными элементами, позволяющими детектировать все основные характеристики очагов горения. По итогу выполнения проекта планируется разработать не имеющие аналогов в мире научные основы так называемых умных или интеллектуальных (т.е. с обратной связью) технологий пожаротушения, которые будут позволять идентифицировать очаг возгорания в течение периода времени от начала горения, появления пламени или дыма до его полного подавления с оптимальным расходом воды. У коллектива исполнителей проекта имеется опыт выполнения проектов РНФ в области разработки технологий тушения (№14-39-00003) и локализации (№ 18-19-00056) больших по площади лесных пожаров разной категории (низовые, верховые, смешанные или комбинированные). В рамках этих проектов разработаны научные основы технологий распределенной во времени и пространстве подачи огнетушащих жидкостей (суспензий, растворов, эмульсий) перед и во фронт горения. Показано, что даже при масштабных очагах горения возможна оптимизация расходования как отдельных видов компонентов, так и всего объема жидкости. Основные результаты исследований опубликованы в более чем 30 статьях в высокорейтинговых международных журналах и двух монографиях в издательстве СО РАН. В рамках настоящего проекта запланированы работы с принципиально отличающимися объектами – изолированными и закрытыми от внешней среды помещениями с различными материалами ограждающих конструкций и веществами, геометрией, ограниченным запасом огнетушащего вещества, предпочтительным использованием наиболее доступной и безопасной для людей жидкости – воды. Также ранее не предпринимались попытки обоснования возможности управления процессами подавления горения с использованием системы обратной связи за счет применения группы датчиков температуры и концентрации. Анализ современного состояния исследований сформулированной научной проблемы (подробно приведен в основной части заявки) показывает, что до настоящего времени нерешенными остаются задачи оптимизации расходования воды для тушения пожаров в закрытых и изолированных от внешней среды помещениях с разными материалами вследствие совокупного влияния факторов, а также требующегося специализированного измерительного оборудования для контроля дисперсности аэрозоля, конвективных высокотемпературных потоков, уноса жидкости из очага горения и др. При реализации проекта планируется экспериментально и теоретически установить функциональные связи между характеристиками процесса горения (температуры в области пожара, скорости изменения температуры, концентрации горючих газов, окислителя, дымовых газов) и параметрами аэрозольного потока, воздействующего на очаг горения (плотность, дисперсность, расход, время воздействия и др.). После установления таких связей будут обоснованы число и тип датчиков для организации системы управления пожаротушением с обратной связью. По итогу выполнения проекта станет возможным разработать научные основы умных технологий пожаротушения с обратной связью, т.е. контролем характеристик тушения и локализации очагов горения в процессе распыления воды.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Г.В. Кузнецов, С.С. Кропотова, И.С. Войтков, П.А. Стрижак Influence of the component composition of extinguishing fluids on the droplet distribution in an aerosol cloud (Влияние компонентного состава огнетушащих жидкостей на распределение капель в аэрозольном облаке) Powder Technology (Порошковая технология), Vol. 395. P. 838-849 (год публикации - 2022)
10.1016/j.powtec.2021.10.032

2. И.С. Войтков, Р.С. Волков, Н.П. Копылов, Е.Ю. Сушкина, П.А. Стрижак Impact of scattered radiation on thermal radiation shielding by watercurtains (Влияние рассеянного излучения на защиту от теплового излучения водяными завесами) Process Safety and Environmental Protection (Технологическая безопасность и охрана окружающей среды), Vol.154. P. 278–290 (год публикации - 2021)
10.1016/j.psep.2021.08.034

3. Г.В. Кузнецов , А.О. Жданова , И.С. Войтков , П.П. Ткаченко On the relationship between the mutual arrangement of nozzle devices and the dispersion of the generated aerosol (О связи взаимного расположения форсуночных устройств и дисперсности генерируемого аэрозоля) Инженерно-физический журнал (Journal of Engineering Physics and Thermophysics), Т.96, № 1. 2023 г. (год публикации - 2022)

4. А.О. Жданова , Н.П. Копылов, С.С. Кропотова , Г.В. Кузнецов Investigation of the typical haracteristics of a fire source in a room (Исследование характеристик типичного очага пожара в помещении) Инженерно-физический журнал (Journal of Engineering Physics and Thermophysics), Т. 95, № 6. 2022 г (год публикации - 2022)

5. Кузнецов Г.В., Жданова А.О., Волков Р.С., Стрижак П.А. Optimizing firefighting agent consumption and fire suppression time in buildings by forming a fire feedback loop Process Safety and Environmental Protection, Vol. 165. P. 754-775 (год публикации - 2022)
10.1016/j.psep.2022.07.061

6. Войтков И.С., Жданова А.О., Кропотова С.С., Кузнецов Г.В., Ткаченко П.П. Определение расстояний между каплями огнетушащих составов в аэрозольном облаке, обеспечивающих отсутствие их соударений Инженерно-физический журнал / Journal of Engineering Physics and Thermophysics,, Т. 95, №6. С. 1-12 (год публикации - 2022)

7. Кузнецов Г.В., Волков Р.С., Свириденко А.С., Жданова А.О. Compartment fire behavior at the stages of detection, containment and suppression using water mist Fire, Vol. 5. No. 155. P. 1-32 (год публикации - 2022)
10.3390/fire5050155

8. Копылов С.Н., Копылов Н.П., Стрижак П.А., Бухтояров Д.В. Assessment of carbon dioxide emissions due to forest fires in russia and possible ways to reduce them IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, Vol. 988/ Article namber 022050 (год публикации - 2022)
10.1088/1755-1315/988/2/022050

9. Кузнецов Г.В., Жданова А.О., Войтков И.С., Стрижак П.А. Disintegration of free‑falling liquid droplets, jets, and arrays in air Microgravity Science and Technology, Vol. 34. Article namber 12 (год публикации - 2022)
10.1007/s12217-022-09927-6

10. Жданова А.О., Волков Р.С., Свириденко А.С., Кузнецов Г.В., Стрижак П.А. Influence of сompartment fire behavior at ignition and combustion development stages on the operation of fire detectors Fire, Vol. 5. No. 84. p. 1-37 (год публикации - 2022)
10.3390/fire5030084

11. Жданова А.О., Волков Р.С., Кузнецов Г.В., Копылов Н.П., Копылов С.Н., Сушкина Е.Ю., Стрижак П.А. Solid particle deposition of indoor material combustion products Process Safety and Environmental Protection, Vol.162. P. 494-512 (год публикации - 2022)
10.1016/j.psep.2022.04.033

12. Кузнецов Г.В., Волков Р.С., Свириденко А.С., Стрижак П.А. Fast detection of compartment fires under different heating conditions of materials Process Safety and Environmental Protection, Vol. 168. P. 257-274 (год публикации - 2022)
10.1016/j.psep.2022.09.062

13. Чванов С.В., Кузнецов Г.В., Стрижак П.А., Волков Р.С. The necessary water discharge density to suppress fires in premises Powder Technology, Vol. 408. Article number 117707 (год публикации - 2022)
10.1016/j.powtec.2022.117707

14. Волков Р.С., Кузнецов Г.В., Стрижак П.А. Определение оптимальных комбинаций технических средств для идентификации характеристик пожара на разных стадиях его протекания и ликвидации Сборник трудов секции № 9 ХХXII Международной научно-практической конференции «ПРЕДОТВРАЩЕНИЕ. СПАСЕНИЕ. ПОМОЩЬ», Сборник трудов секции № 9 ХХXII Международной научно-практической конференции «ПРЕДОТВРАЩЕНИЕ. СПАСЕНИЕ. ПОМОЩЬ» С.32-41 (год публикации - 2022)

15. Стрижак П.А., Кузнецов Г.В., Волков Р.С., Жданова А.О. Идентификация очага возгорания в помещениях на стадии инициирования и развития горения Тезисы XVI Всероссийского симпозиума по горению и взрыву. Тезисы докладов., Тезисы XVI Всероссийского симпозиума по горению и взрыву. Тезисы докладов. Черноголовка, 2022. С. 216-217. (год публикации - 2022)

16. Волков Р.С., Жданова А.О., Кузнецов Г.В., Стрижак П.А. Тепловые потоки при горении типичных очагов пожара в помещениях Тезисы докладов и сообщений, дополнительный выпуск. XVI Минский международный форум по тепло- и массообмену., Тезисы докладов и сообщений, дополнительный выпуск. XVI Минский международный форум по тепло- и массообмену. С11-14 (год публикации - 2022)

17. Жданова А.О., Волков Р.С., Кузнецов Г.В., Стрижак П.А. Регистрация характеристик очага возгорания в помещениях Материалы Восьмой Российской национальной конференции по теплообмену, Материалы Восьмой Российской национальной конференции по теплообмену. Т.1. С.187-188 (год публикации - 2022)

18. Кузнецов Г.В., Копылов Н.П., Кропотова С.С., Жданова А.О., Стрижак П.А. Исследование состава продуктов горения композиционных топлив Сборник тезисов, - (год публикации - 2022)

19. Кузнецов Г., Кондаков А., Жданова А. Mathematical Modeling of Forest Fire Containment Using a Wet Line Ahead of the Combustion Front Fire, 6(4), 136 (год публикации - 2023)
10.3390/fire6040136

20. Н.П. Копылов, Р.А. Яйлиян, Е.Ю. Сушкина, С.С. Кропотова, П.А. Стрижак MODEL FOR OPTIMIZATION OF EXTINGUISHING FIRES OF SOLID MATERIALS BY COOLING Journal of Engineering Physics and Thermophysics, 96, p. 717–725 (год публикации - 2023)
10.1007/s10891-023-02733-w

21. Г.В. Кузнецов, С.С. Кропотова, Н.П. Копылов, В.И. Новикова, Е.Ю. Сушкина, П.A. Стрижак, В.В. Яшин The thermal decomposition and combustion of building and finishing materials Journal of Analytical and Applied Pyrolysis, Volume 173, 106070 (год публикации - 2023)
10.1016/j.jaap.2023.106070

22. А.О. Жданова, Г.В. Кузнецов, П.А. Стрижак Малоинерционная идентификация возгораний в помещениях и их подавление с применением обратной связи Изд-во Новосибирск: СО РАН, Изд-во Новосибирск: СО РАН, 2023 - 325 с. (год публикации - 2023)

23. Кропотова С.С., Кузнецов Г.В., Дорохов В.В. Оценка эффективности ранней идентификации возгораний материалов по результатам регистрации газообразных продуктов пиролиза Пожарная безопасность, Номер 3, C.17-28 (год публикации - 2022)
10.37657/vniipo.pb.2022.29.27.001

24. Кропотова С.С., Кузнецов Г.В., Стрижак П.А., Жданова А.О. Диплом Восьмая Российская национальная конференция по теплообмену, Дипломом награждается коллектив авторов за доклад "Определение газового состава продуктов пиролиза типичных горючих материалов при пожаре в помещении" (год публикации - 2022)

Публикации