Введение

Прогнозирование опасных факторов пожара является одной из базовых дисциплин в профессиональной подготовке выпускника, так как основы её знаний непосредственно связаны с его дальнейшей практической деятельностью, а именно, например, при разработке рекомендаций по обеспечению безопасной эвакуации людей на пожаре, совершенствовании систем сигнализации и автоматических систем пожаротушения, при разработке оперативных планов пожаротушения и для других целей. Предметом изучения дисциплины являются физические и химические процессы изменения параметров состояния газовой среды в помещении при пожаре, необходимые для практической и научной работы выпускника высшего учебного заведения. Основные задачи курса - это приобретение теоретических знаний по основам моделирования опасных факторов пожара, закономерностям изменения их во времени с учетом обстановки на внутреннем пожаре и выработке практических навыков по расчету и экспериментальному определению основных опасных факторов пожара.

Горение это основной процесс на внутреннем пожаре, является неконтролируемым и до настоящего времени еще недостаточно изученным. Поэтому изучение принципов и методов математического описания (моделирования) взаимосвязанных термогазодинамических процессов, характеризующих в целом пожар в закрытом объеме помещения, а также проведению исследований реально произошедших пожаров позволяет с большей достоверностью определить значения опасных факторов пожара.

Глубокие знания методов прогнозирования опасных факторов пожара необходимы для решения задач по обеспечению пожарной безопасности хозяйственных объектов, безопасной эвакуации людей при пожаре и успешной борьбы с пожарами. Большой вклад в моделирование процессов, происходящих на внутреннем пожаре, внесли ученые Ю.А. Кошмаров, А.В. Матюшин, С.И. Зернов, В.М. Астапенко, В.Н. Тимошенко, А.М. Рыжов, В.Л. Страхов и С.В. Пузач. Работы этих ученых по моделированию опасных факторов пожара признаны в мировой науке.

1. Общие сведения о методах прогнозирования опасных факторов пожара

По степени детализации описания термогазодинамических процессов, протекающих на внутреннем пожаре, можно выделить три типа математических моделей: интегральные, зонные (зональные) и полевые.

Интегральный (однозонный) метод является наиболее простым среди существующих методов моделирования пожаров. Суть интегрального метода заключается в том, что состояние газовой среды оценивается через осредненные по всему объему помещения термодинамические параметры. Соответственно температура ограждающих конструкций и другие подобные параметры оцениваются как осредненные по поверхности [1].

Однако если газовая среда характеризуется значительной неоднородностью, то информативность интегрального метода может оказаться недостаточной для решения практических задач. Подобная ситуация обычно возникает на начальной стадии пожара и при локальных пожарах, когда в помещении наблюдаются струйные течения с явно выраженными границами и, кроме того, существует достаточно четкая стратификация (расслоение) среды.

Таким образом, область применения интегрального метода, в которой предсказанные моделью параметры пожара можно интерпретировать как реальные, практически ограничивается объемными пожарами, когда из-за интенсивного перемешивания газовой среды локальные значения параметров в любой точке близки к среднеобъемным. За пределами возможностей интегрального метода оказывается моделирование пожаров, не достигших стадии объемного горения, и особенно моделирование процессов, определяющих пожарную опасность при локальном пожаре. Наконец, в ряде случаев даже при объемном пожаре распределением локальных значений параметров пренебрегать нельзя.

Более детально развитие пожара можно описать с помощью зонных (зональных) моделей, основанных на предположении о формировании в помещении двух слоев: верхнего слоя продуктов горения (задымленная зона) и нижнего слоя невозмущенного воздуха (свободная зона). Таким образом, состояние газовой среды в зональных моделях оценивается через осредненные термодинамические параметры не одной, а нескольких зон, причем межзонные границы обычно считаются подвижными.

Однако при создании зонных моделей необходимо делать большое количество упрощений и допущений, основанных на априорных предположениях о структуре потока. Такая методика не применима в тех случаях, когда отсутствует полученная из пожарных экспериментов информация об этой структуре и, следовательно, нет основы для зонного моделирования. Кроме того, часто требуется более подробная информация о пожаре, чем осредненные по слою (зоне) значения параметров [2].

Полевые модели, обозначаемые в зарубежной литературе аббревиатурой CFD (computational fluid dynamics), являются более мощным и универсальным инструментом, чем зональные; они основываются на совершенно ином принципе. Вместо одной или нескольких больших зон в полевых моделях выделяется большое количество (обычно тысячи или десятки тысяч) маленьких контрольных объемов, никак не связанных с предполагаемой структурой потока. Для каждого из этих объемов с помощью численных методов решается система уравнений в частных производных, выражающих принципы локального сохранения массы, импульса, энергии и масс компонентов. Таким образом, динамика развития процессов определяется не априорными предположениями, а исключительно результатами расчета.

2. Методика решения задач

2.1. Определение среднеобъемной температуры внутреннего пожара на заданный момент времени и температурных режимов пожара в помещениях

2.1.1. Расчет температурного режима внутреннего пожара

(Способ 1)

Определить среднеобъемную температуру внутреннего пожара на заданный момент времени, если известны размеры помещения и проемов, характер пожарной нагрузки и место возникновения пожара.

Последовательность решения задачи

1. Произвести расчет изменения площади пожара на заданный момент времени с построением схемы развития пожара. При этом используются следующие допущения:

- пожарная нагрузка по площади пола помещения распределена равномерно;

- фронт пожара распространяется во все стороны с одинаковой скоростью;

- в первые 10 минут свободного развития пожара линейная скорость распространения пламени принимается равной половине табличного значения;

- проемы в ограждающих конструкциях располагаются симметрично;

- при достижении фронтом пожара середины оконного проема, считается, что проем вскрывается. Для дверного проема начинается воздействие пламени и отсчитывается предел огнестойкости;

- при достижении фронтом пламени ограждающих конструкций форма пожара изменяется, т.е. уточняется. Из круговой (полукруговой, сектор) переходит в прямоугольную двустороннюю или одностороннюю;

- При переходе фронта пожара в смежные помещения через проемы линейная скорость распространения пламени остается равной табличному значению.

2. Определить среднеобъемную температуру на заданный момент времени. Для этого необходимо:

- рассчитать площадь проемов, работающих на газообмен, F_пр, м²;

- рассчитать площадь приточной части проемов F₁ по формуле:

, м²;

- вычислить отношение площади приточной части проемов (F₁) к площади пожара (F_п) в данный момент времени F₁/F_n (результат представить в виде натуральной дроби)

- вычислить значение отношения площади пожара к площади пола помещения, F_n/F_пола (результат представить в виде натуральной дроби);

- по номограмме (приложение 2) в зависимости от F₁/F_n, F_n/F_пола и теоретического количества воздуха необходимого для сгорания 1 кг горючего ( , приложение 3) определить значение коэффициента избытка воздуха α;

- рассчитать плотность теплового потока в ограждающие конструкции на данный момент времени по формуле:

, Вт·м^-2 ,

где - коэффициент недожога;

F_огр - площадь, ограждающих конструкций,

, м²;

F_n - площадь пожара на заданный момент времени, м²;

- низшая теплота сгорания горючего, кДж·кг^-1;

- приведенная массовая скорость выгорания, кг∙м^-2∙с^-1;

Приведенная массовая скорость выгорания ( ) зависит от площади вскрывшихся проёмов и площади пожара. Рассчитывается по выражению:

где - удельная скорость выгорания, кг∙м^-2∙с^-1 (приложение 1);

По номограмме (приложение 2) определяют значение среднеобъемной температуры t_m в зависимости от коэффициента избытка воздуха α и плотности теплового потока в ограждающие конструкции q.