МОДЕЛИРОВАНИЕ И РАСЧЕТ ПОЖАРА

МОДЕЛИРОВАНИЕ И РАСЧЕТ ПОЖАРА

 

Общие сведения о расчете  пожаров. Опасные факторы пожара.

Интегральная модель пожара

Зонная модель пожара

Полевой (дифференциальный) метод расчета

Критерии выбора моделей  пожара для расчетов

Характеристика типовой  пожарной нагрузки (примеры)

 

 

Общие сведения о расчете  пожаров. Опасные факторы пожара.

 

 

 Расчет пожара (прогнозирование  опасных факторов) необходим для  оценки своевременности эвакуации  и разработке мероприятий по  ее совершенствованию, при создании  и совершенствовании систем сигнализации, оповещения и тушения пожаров,  при разработке планов пожаротушения  (планирования боевых действий  пожарных подразделений при пожаре), для оценки фактических пределов  огнестойкости, проведении пожарно-технических  экспертиз и других целей. 

В развитии пожара в помещении  обычно выделяют три стадии:

- начальная стадия - от  возникновения локального неконтролируемого  очага горения до полного охвата  помещения пламенем; при этом  средняя температура среды в  помещении имеет не высокие  значения, но внутри и вокруг  зоны горения температура такова, что скорость тепловыделения  выше скорости отвода тепла  из зоны горения, что обуславливает  само ускорение процесса горения;

- стадия полного развития  пожара - горят все горючие вещества  и материалы, находящиеся в  помещении; интенсивность тепловыделения  от горящих объектов достигает  максимума, что приводит и к  быстрому нарастанию температуры  среды помещения до максимальных  значений;

- стадия затухания пожара  – интенсивность процесса горения  в помещении снижается из-за  расходования находящейся в нём  массы горючих материалов или  воздействия средств тушения  пожара.

Однако в любом случае, как показывает уравнение «стандартного  пожара», температура в очаге  пожара через 1,125 мин достигает значения 365оС. Поэтому очевидно, что возможное  время эвакуации людей из помещений  не может превосходить продолжительности  начальной стадии пожара.

В начальной стадии развития пожара опасными для человека факторами  являются: пламя, высокая температура, интенсивность теплового излучения, токсичные продукты горения, дым, снижение содержания кислорода в воздухе, поскольку при достижении определённых уровней они поражают его организм, особенно при синергическом воздействии.

Исследованиями отечественных  и зарубежных учёных установлено, что  максимальная температура, кратковременно переносимая человеком в сухой  атмосфере, составляет 149 0С, во влажной  атмосфере вторую степень ожога  вызывало воздействие температуры 55 0С в течение 20с и 70 0С при  воздействии в течение 1с; а плотность  лучистых тепловых потоков 3500 вт/м2 вызывает практически мгновенно ожоги дыхательных путей и открытых участков кожи; концентрации токсичных веществ в воздухе приводят к летальному исходу: окиси углерода (СО) в 1,0% за 2-3 мин, двуокиси углерода (СО2) в 5% за 5 мин., цианистого водорода (HCN) в 0,005% практически мгновенно; при концентрации хлористого водорода (HCL) 0,01- 0,015% останавливается дыхание; при снижении концентрации кислорода в воздухе с 23% до 16% ухудшаются двигательные функции организма, и мускульная координация нарушается до такой степени, что самостоятельное движение людей становится невозможным, а снижение концентрации кислорода до 9% приводит к смерти через 5 минут.

 Совместное действие  некоторых факторов усиливает  их воздействие на организм  человека (синергический эффект). Так токсичность окиси углерода увеличивается при наличии дыма, влажности среды, снижении концентрации кислорода и повышении температуры. Синергетический эффект обнаруживается и при совместном действии двуокиси азота и понижении концентрации кислорода при повышенной температуре, а также при совместном воздействии цианистого водорода и окиси углерода.

 Особое воздействие  на людей оказывает дым. Дым  представляет собой смесь несгоревших  частиц углерода с размерами  частиц от 0,05 до 5,0 мкм. На этих  частицах конденсируются токсичные  газы. Поэтому воздействие дыма  на человека также имеет, по-видимому, синергический эффект.

В действительности при пожаре выделяется значительно больше токсинов, воздействие которых достаточно хорошо изучено (табл. 1,2). Максимально  допустимый уровень опасных (основных) факторов пожара, воздействие которого не приносит вреда человеку (табл.3), нормирован. Вырываясь из помещения, опасные факторы пожара, прежде всего  дым, стремительно распространяются по коммуникационным путям здания.

 

 

 

 

 

 

 Источники. 1–4, 6 – ГОСТ 12.1.004–91; 5 – ГОСТ 12.3.047–98; 7 – Кошмаров  Ю. А. Прогнозирование опасных  факторов пожара в помещении:  Учеб. пособие. – М.: Академия ГПС МВД РФ, 2000.

 

Для прогнозирования опасных  факторов пожара в настоящее время  используются интегральные (прогноз  средних значений параметров состояния  среды в помещении для любого момента развития пожара), зонные (прогноз  размеров характерных пространственных зон, возникающих при пожаре в  помещении и средних значений параметров состояния среды в  этих зонах для любого момента  развития пожара. Примеры зон – припотолочная область, восходящий на очагом горения поток нагретых газов и область незадымленной холодной зоны) и полевые (дифференциальные) модели пожара (прогноз пространственно-временного распределения температур и скоростей газовой среды в помещении, концентраций компонентов среды, давлений и плотностей в любой точке помещения).

 Для проведения расчетов, необходимо проанализировать следующие  данные:

- объемно-планировочных  решений объекта;

- теплофизических характеристик  ограждающих конструкций и размещенного  на объекте оборудования;

- вида, количества и расположения  горючих материалов;

- количества и вероятного  расположения людей в здании;

- материальной и социальной  значимости объекта;

- систем обнаружения и  тушения пожара, противодымной защиты и огнезащиты, системы обеспечения безопасности людей.

При этом учитывается:

- вероятность возникновения  пожара;

- возможная динамика развития  пожара;

- наличие и характеристики  систем противопожарной защиты (СППЗ);

- вероятность и возможные  последствия воздействия пожара  на людей, конструкцию здания  и материальные ценности;

- соответствие объекта  и его СППЗ требованиям противопожарных  норм.

 

Далее необходимо обосновать сценарий развития пожара. Формулировка сценария развития пожара включает в  себя следующие этапы:

- выбор места расположения  первоначального очага пожара  и закономерностей его развития;

- задание расчетной области  (выбор рассматриваемой при расчете  системы помещений, определение  учитываемых при расчете элементов  внутренней структуры помещений,  задание состояния проемов);

- задание параметров окружающей  среды и начальных значений  параметров внутри помещений.

 

 

Интегральная модель пожара

 

Интегральная математическая модель пожара описывает в самом  общем виде процесс изменения  во времени состояния газовой  среды в помещении.

С позиций термодинамики  газовая среда, заполняющая помещение  с проемами (окна, двери и т.п.), как объект исследования есть открытая термодинамическая система. Ограждающие  конструкции (пол, потолок, стены) и  наружный воздух (атмосфера) является внешней средой по отношению в  этой термодинамической системе. Эта  система взаимодействует с внешней  средой путем тепло- и массообмена. В процессе развития пожара через одни проемы выталкивается из помещения нагретые газы, а через другие поступает холодных воздух. Количество вещества, т.е. масса газа в рассматриваемой термодинамической системе, в течении времени изменяется. Поступление холодного воздуха обусловлено работой проталкивания, которую совершает внешняя среда. Термогазодинамическая система в свою очередь совершает работу, выталкивая нагретые газы во внешнюю атмосферу. Эта термодинамическая система взаимодействует также с ограждающими конструкциями путем теплообмена. Кроме того, в эту систему с поверхности горящего материала (т.е. из пламенной зоны) поступает вещество в виде газообразных продуктов горения.

Состояние рассматриваемой  термодинамической системы изменяется в результате взаимодействия с окружающей средой. В интегральном методе описания состояния термодинамической системы, коей является газовая среда в  помещении, используются «интегральные» параметры состояния – такие, как масса всей газовой среды  и ее внутренняя тепловая энергия. Отношение  этих двух интегральных параметров позволяет  оценивать в среднем степень  нагретости газовой среды. В процесс развития пожара, значения указанных интегральных параметров состояния изменяются.

Математический аппарат  модели изложен в научно-методических пособиях, приведенных в разделе  «Литература» настоящего раздела.

 

 

Зонная модель пожара

 

Зонный метод расчета  динамики ОФП основан на фундаментальных  законах природы – законах  сохранения массы, импульса и энергии. Газовая среда помещений является открытой термодинамической системой, обменивающейся массой и энергией с  окружающей средой через открытые проемы в ограждающих конструкциях помещения. Газовая среда является многофазной, т.к. состоит из смеси газов (кислород, азот, продукты горения и газификация горючего материала, газообразное огнетушащие вещество) и мелкодисперсных частиц (твердых или жидких) дыма и огнетушащих веществ.

В зонной математической модели газовый объем помещения разбивается  на характерных зоны, в которых для описания тепломассобмена используются соответствующие уравнения законов сохранения. Размеры и количество зон выбирается таким образом, что бы в пределах каждой из них неоднородность температурных и других полей параметров газовой среды были возможно минимальными, или из каких-то других предположений, определяемых задачами исследования и расположением горючего материала.

Наиболее распространенной является трехзонная модель, в которой объем помещения разбит на следующие зоны: конвективная колонка, припотолочный слой и зона холодного воздуха, рис. 1. 

 

Рисунок 1.

 

 В результате расчета  по зонной модели находятся  зависимости от времени следующих  параметров тепломассообмена:

- среднеобъемных значений  температуры, давления, массовых  концентраций кислорода, азота,  огнетушащего газа и продуктов  горения, а также оптической  плотности дыма и дальности  видимости в нагретом задымленном  припотолочном слое в помещении;

- нижнюю границу нагретого  задымленного припотолочного слоя;

- распределение по высоте  колонки массового расхода, осредненных  по поперечному сечению колонки  величин температуры и эффективной  степени черноты газовой смеси; 

- массовых расходов истечения  газов наружу и притока наружного  воздуха внутрь через открытые  проемы;

- тепловых потоков, отводящих  в потолок, стены и пол, а  также излучаемых через проемы;

- температуры (температурных  полей) ограждающих конструкций; 

Математический аппарат  модели изложен в научно-методических пособиях, приведенных в разделе  «Литература» настоящего раздела.

 

 

Полевой (дифференциальный) метод расчета

 

Полевой метод является наиболее универсальным из существующих детерминистических методов, поскольку он основан на решении уравнений в частных  производных, выражающих фундаментальные  законы сохранения в каждой точке  расчетной области. С его помощью  можно расчитать температуру, скорость, скорость, концентрации компонентов смеси и т.п.в каждой точки расчетной области, см. рис. 2. В связи с этим полевой метод может использоваться:

• для проведения научных  исследований в целях выявления  закономерностей развития пожара;

• для проведения сравнительных  расчетов в целях апробации и  совершенствования менее универсальных и зональных и интегральных моделей, проверки обоснованности и их применения;

• Выбора рационального  варианта противопожарной защиты конкретных объектов:

• моделирования распространения  пожара в помещениях высотой более 6м.

 

 

 

                                                                            Рис. 2. Расчеты с помощью полевой  модели.

 

 

В своей основе полевой  метод не содержит никаких априорных  допущений о структуре течения, и связи с этим принципиально  применим для рассмотрения любого сценарий развития пожара.

Вместе с тем, следует  отметить, что его использование  требует значительных вычислительных ресурсов. Это накладывает ряд  ограничений на размеры рассматриваемой  системы и снижает возможность  проведения многовариантных расчетов. Поэтому, интегральный и зональный  методы моделирования также являются важным инструментами в оценке пожарной опасности объектов в тех случаях, когда они обладают достаточной  информативностью и сделанные при  их формулировке допущения не противоречат картине развития пожара.