Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
А К А Д Е М І Я Ц И В І Л Ь Н О ГО З А Х И С Т У У К Р А Ї Н И
МОРЩ ЄВГЕН ВОЛОДИМИРОВИЧ
УДК 614.8
РОЗМІЩЕННЯ ПОЖЕЖОНЕБЕЗПЕЧНИХ ОБ’ЄКТІВ З УРАХУВАННЯМ ВПЛИВУ НЕБЕЗПЕЧНИХ ЧИННИКІВ ПОЖЕЖІ НА НАВКОЛИШНЄ СЕРЕДОВИЩЕ
21.06.02 –Пожежна безпека
Автореферат
дисертації на здобуття
наукового ступеня кандидата технічних наук
Харків –
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана в Академії цивільного захисту України МНС України, м. Харків
Науковий керівник –кандидат технічних наук, доцент Чуб Ігор Андрійович, Академія цивільного захисту України МНС України, вчений секретар.
Офіційні опоненти: – доктор технічних наук, професор Комяк Валентина Михайлівна, Академія цивільного захисту України МНС України, професор кафедри фізико-математичних дисциплін;
–кандидат технічних наук, доцент Бортнічук Павло Михайлович, Харківський національний університет внутрішніх справ МВС України, доцент кафедри тактико-спеціальної підготовки.
Провідна установа: – Харківський державний технічний університет будівництва та архітектури, кафедра безпеки життєдіяльності та інженерної екології, Міністерство освіти і науки України, м. Харків
Захист відбудеться “”лютого 2006 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.707.01 в Академії цивільного захисту України за адресою: вул. Чернишевського, 94, м. Харків, 61023.
З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Академії цивільного захисту України за адресою: вул. Чернишевського, 94, м. Харків, 61023.
Автореферат розісланий “”грудня 2005 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради В.І. Кривцова
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Серед пріоритетних напрямків соціально-економічної політики України виділена необхідність посилення екологічної безпеки. Одним з важливих факторів, що приводять до ускладнення екологічної обстановки в Україні і світі, є пожежі і техногенні катастрофи, що супроводжуються пожежами. На сьогоднішній день у країні відсутня затверджена методика оцінки впливу на навколишнє середовище небезпечних чинників можливої пожежі, хоча необхідність подібних прогнозів закладена в ряді нормативно-правових документів. Згідно ДБН А.2.2-1-2003 у складі проектної документації на нове будівництво, розширення, реконструкцію і технічне переоснащення повинні бути матеріали оцінки впливу на навколишнє середовище, у тому числі визначення переліку можливих екологічно небезпечних впливів і зон впливів діяльності, що планується, на навколишнє середовище по варіантах розміщення. Закон України “Про об'єкти підвищеної небезпеки”і ДНАОП 0.00-4.33–також вимагають прогнозу можливих аварій на об'єктах, що супроводжуються загоряннями (пожежами), що можуть привести до негативного впливу на навколишнє середовище. Серед першочергових задач виділяються: вивчення особливостей негативного впливу пожеж на навколишнє середовище, побудову математичної моделі для кількісної оцінки цього впливу при забрудненні навколишнього середовища аерозольними продуктами горіння і розробку методів зниження цього впливу, зокрема методів оптимального розміщення пожежонебезпечних об'єктів. Тому розробка математичної моделі і методу рішення задачі оптимізації розміщення пожежонебезпечних об'єктів з урахуванням впливу небезпечних факторів можливої пожежі на навколишнє середовище і кліматичні умови в області розміщення є актуальною науковою задачею.
Дослідженню різних аспектів даного класу задач у науковій літературі присвячене значне число робіт, серед яких необхідно згадати праці Н. Н. Брушлинского, Д. Драздейла, М.Е. Берлянда, О. Сеттона, М.Я. Ройтмана, І.А. Шеренкова, А.Н. Баратова, Н.П. Копылова, В.Л. Рвачева, Ю.Г. Стояна, В.П. Путятина, В.М. Комяк, І.А. Чуба й інших вчених.
Роботи цих і інших авторів створили передумови подальшого розвитку теорії і методів розв’язання задач оптимального розміщення пожежонебезпечних об'єктів з урахуванням впливу на навколишнє середовище небезпечних чинників можливої пожежі.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалася на кафедрі інформаційних технологій і систем управління Академії цивільного захисту України з 2001р. по 2005р. у рамках науково-дослідних робіт з тем: “Аналіз і моделювання впливу пожежі на навколишнє середовище”(№ ГР 0103U007504), “Розміщення в густонаселеному районі об'єктів техногенної небезпеки з урахуванням впливу наслідків можливої надзвичайної ситуації”(№ ГР 0105U002321).
Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є оцінка рівня забруднення аерозольними викидами пожежі визначеної області та його зниження шляхом оптимізації розміщення пожежонебезпечних об’єктів.
Для досягнення поставленої мети вирішувалися наступні задачі:
Об'єкт дослідження –пожежа як джерело забруднення навколишнього середовища аерозольними продуктами горіння.
Предмет дослідження – математичні моделі і методи оптимального розміщення пожежонебезпечних об'єктів з урахуванням впливу на навколишнє середовище небезпечних чинників можливої пожежі та кліматичних умов.
Методи дослідження. При побудові й аналізі моделі основної оптимізаційної задачі в роботі використана методологія математичного моделювання складних систем і геометричного проектування. Розробка математичної моделі впливу небезпечних факторів пожежі на навколишнє середовище проведена з використанням методів турбулентної дифузії забруднюючих домішок. При розв’язанні задачі розміщення використані чисельні методи лінійного і нелінійного програмування, оптимізаційні методи геометричного проектування.
Наукова новизна отриманих результатів полягає в наступному:
Практичне значення отриманих результатів:
Результати досліджень застосовані:
Особистий внесок автора. Дисертація є самостійною науково-дослідною роботою. У публікаціях, написаних у співавторстві, авторові належать: у [1] побудова математичної моделі впливу пожежі на навколишнє середовище; у [2] виділення й аналіз екологічно небезпечних чинників пожежі; у [3] постановка задачі параметризації концентраційного поля аерозольних викидів пожежі; у [4] розробка схеми експерименту для дослідження поширення аерозольних викидів пожежі, теоретичний розрахунок висоти початкового підйому продуктів горіння; у [5] постановка задачі моделювання розміщення пожежонебезпечних об'єктів з урахуванням небезпечних чинників можливої пожежі; у [6] метод раціонального розміщення пожежонебезпечних об'єктів, що дозволяє мінімізувати рівень забруднення екологічно значущих зон аерозольними викидами пожежі; у [8] виділення основних параметрів пожежі, що визначають характер і масштаб його негативного впливу на навколишнє середовище; у [9] аналіз основних чинників, що визначають висоту підйому аерозольних викидів пожежі в атмосфері; у [10] розробка математичної моделі впливу пожежі на навколишнє середовище; у [12] постановка основної оптимізаційної задачі моделювання виробничої системи з урахуванням негативних чинників впливу можливої пожежі; у [13] постановка задачі проектування виробничої системи з урахуванням негативного впливу можливої пожежі; у [14] постановка експерименту для дослідження залежності висоти полум'я і висоти початкового підйому аерозольних продуктів горіння від швидкості вітру.
Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати роботи доповідалися й обговорювалися у рамках: Міжнародної науково-практичної конференції “Проблеми пожежної безпеки. Ліквідація аварій і їхніх наслідків”, м. Донецьк, 24-25 грудня 2002; VI Міжнародної науково-практичної конференції “Пожежна безпека-2003”, м. Харків, АПБУ, 2003; 58-й, 59-й науково-технічних конференціях ХДТУБА, м. Харків, 2003, 2004; 18 науково-практичної конференції з питань боротьби з пожежами “Зниження ризику загибелі людей при пожежах”, Росія, м. Балашиха, ВНИИПО, 2003; науково-практичної конференції “Технічні засоби для профілактики надзвичайних ситуацій і ліквідації їх наслідків”, Харків, АЦЗУ, 19 березня 2004; міжнародної науково-технічної конференції “Наглядово-профілактична діяльність у МНС України”, Харків, АЦЗУ, 26 березня 2004; науково-технічної конференції “Шляхи автоматизації, інформатизації та комп’ютеризації діяльності МНС України”, Харків: АЦЗУ, 26 травня 2004; VI Всеукраїнської науково-практичної конференції рятувальників “Актуальні проблеми цивільного захисту”, Київ, 27-28 жовтня 2004; VI Міжнародної науково-технічної конференції “Проблеми інформатики і моделювання”, Харків, НТУ “ХПИ”, 25-27 листопаду 2004; ІІ Міжнародної науково-технічної конференції “Шляхи автоматизації, інформатизації і комп'ютеризації діяльності МЧС України”, Харків, АЦЗУ, 18 травня 2005; засіданнях науково-технічного семінару Академії цивільного захисту України, 2002 –.
Публікації. Основні наукові положення дисертації опубліковані в 16 роботах, серед яких 7 статей у наукових журналах, включених до переліку ВАК, 9 тез доповідей на міжнародних і національних наукових конференціях.
Структура та обсяг дисертаційної роботи. Дисертація складається зі вступу, п'яти розділів, висновків, переліку використаних джерел (133 найменування на 13 стор.) і 2-х додатків. Повний обсяг дисертації 161 стор., у тому числі 132 стор. основного тексту, 26 рисунків, 12 таблиць.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
Вступ містить обґрунтування актуальності теми дисертаційної роботи, її основну мету, задачі дослідження, отримані наукові результати, що виносяться на захист, зв'язок з науковими програмами, наукову новизну і практичне значення роботи.
Перший розділ дисертації присвячено систематичному аналізу підходів до математичного моделювання задачі оптимізації розміщення пожежонебезпечних об'єктів, які є у випадку виникнення пожежі джерелами викидів аерозольних забруднень в атмосферу, з урахуванням характеристик можливої пожежі і геокліматичних факторів.
Основні роботи в області дослідження пожеж і їх соціальних, економічних, екологічних наслідків належать Н. Н. Брушлинскому, А.Я. Корольченко, В.И. Осипову, А.К. Микееву, А.Н. Баратову, Л.К. Ісаєвій і іншим вченим.
Математичному моделюванню фізичних процесів, що відбуваються при горінні, і дослідженню характеристик пожежі в залежності від виду пальної речовини, умов горіння і параметрів зовнішнього середовища для різних типів пожеж присвячені роботи Д. Драздейла, В.І. Блинова і Г.Н. Худякова, A.K. Hall, P.L. Hinkley, М.Я. Ройтмана, Н.П. Копилова.
Питання математичного моделювання процесів масопереноса і дифузії забруднюючих домішок в атмосфері розглядалися в роботах М.Є. Берлянда, О. Сеттона, О.С. Моніна, Г.І. Марчука, Н.Л. Бизової і ін.
Оптимізаційна задача розміщення джерел фізичних полів, у тому числі концентраційних полів забруднюючих викидів пожежі, близька до класу задач компоновочного синтезу технічних систем з розподіленими параметрами, великий внесок у розв’язання яких внесли В.Л. Рвачов, Ю.Г. Стоян, В.П. Путятін. Методологічною базою розв’язання задач компоновочного синтезу технічних систем з розподіленими параметрами служить теорія оптимізаційного геометричного проектування, яка розвинена в роботах С.В.Яковлева, М.І. Гіля, В.М. Комяк, І.А.Чуба.
У першому розділі також обґрунтовано обраний напрямок дослідження.
Аналіз розглянутих літературних джерел дозволяє зробити висновок про те, що, незважаючи на потребу кількісної оцінки рівня забруднення навколишнього середовища аерозольними продуктами горіння можливої пожежі, а також методів зниження впливу небезпечних чинників пожежі, конструктивний апарат рішення даної проблеми в цілому не розроблений.
В другому розділі здійснена постановка основної оптимізаційної задачі розміщення в заданій області R з можливими зонами заборони Кj (j=1,2,...,J), рівень забруднення в яких жорстко регламентується, N пожежонебезпечних об'єктів Si, що у випадку виникнення пожежі є джерелами забруднення навколишнього середовища. Вони викидають в атмосферу на висоту Нi з інтенсивністю Мi аерозольні продукти горіння, i=1,2,...,N. Розміщення здійснюється з урахуванням геокліматичних факторів (напряму і сили вітру) в області. Розміщення об'єктів Si допускається в деякій підобласті області :
= ( \ ),
де * = , = , j=1,2,...,J.
Місце розташування множини N об'єктів Si в області визначається вектором Z параметрів розміщення Z = (х,у, х,у,..., х,у), ZRN.
Кількісною характеристикою забруднення області продуктами горіння є їхня концентрація в точках даної області:
с = C(x, y, z, t, Z, G, Q),
де Z –вектор параметрів розміщення джерел забруднення (пожежі); G = {g,g, …,gk} –вектор фізичних параметрів пожежі; Q = {q, q, …, qr} –вектор параметрів, що характеризують природно-кліматичні умови в області .
У даній роботі не досліджується вплив на навколишнє середовище пожеж, що поширюються на великі площі. Розміри пожежі малі в порівнянні з відстанями, на яких досліджується створюване їм концентраційне поле, тому вона вважається точковим джерелом викидів. Крім того пожежа розглядається на заключній стадії її розвитку, коли інтенсивність викидів продуктів горіння М=const, a концентрація продуктів горіння в атмосфері відповідає сталому значенню (стаціонарний режим). У цьому випадку концентрація продуктів горіння не залежить від часу. Крім того, розглядається концентрація продуктів горіння на земній поверхні або в двометровому приземному шарі атмосфери, тому можна вважати, що вона не залежить від z:
с = C(x, y, Z, G, Q),
На розміщення об'єктів Si (i=1,2,..., N) в області і результуюче концентраційне поле накладається система обмежень, що включає геометричні обмеження: умови, що визначають взаємне розміщення об'єктів Si і Sj (i, j=1,2,..., N, ij), умови, що визначають взаємне розміщення об'єктів Si (i=1,2,..., N) і областей заборони Кj (j=1,2,...,J); умови, що визначають належність об'єктів Si (i=1,2,..., N) області розміщення , а також фізичні обмеження, що накладаються на характер і величину результуючого концентраційного поля. Система обмежень виділяє з простору RN параметрів розміщення пожежонебезпечних об'єктів (вектор Z) деяку підобласть W можливих розміщень.
Тоді основну оптимізаційну задачу розміщення пожежонебезпечних об'єктів у заданій області з урахуванням впливу на навколишнє середовище можливої пожежі можна сформулювати в такий спосіб:
Необхідно в області знайти таке положення пожежонебезпечних об'єктів Si (i=1,2,..., N), щоб рівень забруднення в зонах заборони Кj (j=1,2,...,J) не перевищував заданого рівня, і сумарна концентрація аерозольних викидів пожежі (продуктів горіння) у випадку його виникнення на границі Г області була мінімальною:
min max C (x, y, Z, G, Q). (1)
Z W (x,y) Г
Формалізація геометричних обмежень проведена з використанням апарата Ф-функцій
.
В другому розділі також досліджені особливості пожежі як джерела забруднення навколишнього середовища викидами аерозолю. До них відносяться:
Незважаючи на відзначені особливості, для опису процесу впливу пожежі на навколишнє середовище можна скористатися відомими методами прогнозу забруднення. Проведено аналіз двох основних класів математичних моделей поширення аерозольних домішок в атмосфері. Перший клас включає інтерполяційні моделі гаусовського типу, моделі другого класу використовують рівняння турбулентної дифузії, розв’язання якого для випадків легкої, важкої і полідисперсної домішки покладено в основу дослідження.
В другому розділі також здійснено моделювання форми зони можливого забруднення земної поверхні викидами пожежі. Приймається, що форма області забруднення є восьмикутником, кожна з вершин якого відповідає одному з напрямів частин світу. Границя отриманого восьмикутника –це лінія, у кожній точці якої досягається максимальна концентрація домішки в даному напрямі. Показано, що така побудова області забруднення гарантує, що за її межами концентрація домішки буде менше, ніж на границі.
У третьому розділі виділені основні характеристики (небезпечні фактори) пожежі, що визначають його вплив на навколишнє середовище. Показано, що до них відносяться геометричні і теплофізичні параметри пожежі, характеристики продуктів горіння. Небезпечні фактори пожежі залежать, у свою чергу, від її параметрів G(g, g,…,gk). Ці параметри мають різну природу та об’єднані в групи: геометричні параметри пожежі; теплофізичні параметри пожежі; характеристики продуктів горіння. На формування кількісних значень параметрів пожежі G(g, g,…,gk) впливають такі величини: характеристики пожежного навантаження; природно-кліматичні умови в області; умови газообміну.
У третьому розділі виконана параметризація концентраційного поля с(x, y, Z, G, Q) аерозольних викидів пожежі, для чого визначено явний вид функціональної залежності концентрації забруднюючих домішок у приземному шарі атмосфери і на поверхні, що підстилає, від фізичних параметрів пожежі і кліматичних характеристик області Ω. Основними параметрами, що визначають розподіл с(x, y, Z, G, Q), є інтенсивність викиду М и висота підйому продуктів горіння Н.
У роботі отримана функціональна залежність інтенсивності M від площі пожежі SГОР, швидкості горіння vl, щільності пальної речовини ГВ і коефіцієнта , що характеризує вихід аерозольних продуктів горіння:
M = vl ГВ SГОР
Висота підйому продуктів горіння Н має вигляд:
H = h + h + h,
де h –висота області горіння над поверхнею землі; h –висота полум'я; h –висота конвективного факелу пожежі. Значення h є відомим.
У роботі отриманий явний вид функціональної залежності висоти полум'я пожежі h від його фізичних і геометричних параметрів, а також характеристик пальної речовини. Без врахування швидкості вітру або при невисокій його швидкості, що не перевищує деяке граничне значення u, висота полум'я визначається за формулою
, (2)
де D − розмір пожежі, м; QC − питома теплота згоряння пальної речовини, Дж/кг; Q/ − інтенсивність тепловиділення пожежі, Дж/с; - коефіцієнт, що враховує неповноту згоряння пальної речовини, 1.
Для швидкості вітру u, більшу за граничну, у роботі отримана формула
(3)
Граничне значення швидкості вітру u визначається за формулою, що запропонована у роботі:
На рис. 1 наведені залежності висоти полум'я від діаметра резервуара з пальною речовиною при відсутності вітру.
h2,
D,
1
2
3
4
5
Стоян Ю.Г., Яковлев С.В. Математические модели и оптимизационные методы геометрического проектирования. –К.: Наук. думка, 1986. –с.