Расчет опасных факторов пожара

При производстве СПТЭ бывает необходимо рассчитать значения опасных факторов пожара в помещении. Наиболее распространенным расчетом является расчет необходимого время эвакуации, соответствующее наименьшему времени наступления критического значения одного из опасных факторов пожара, для данной расчетной точки в помещении. Для определения времени наступления критических значений параметров опасных факторов пожара необходимо, как правило, проведение математического моделирования параметров пожаров.

Моделирование пожара в помещениях основано на представлении пожара как физического явления передачи механической, тепловой энергии и массы в соответствующих условиях его развития. Условия развития пожара характеризуются расположением, видом сгораемых объектов и конструктивно-планировочными характеристиками помещения. В зависимости от того, каким образом описываются распределение параметров пожара в пространстве, различаются основные виды математического моделирования пожаров [45].

Первым из них является использование усредненных по объему параметров состояния газовой среды (плотности, давления, концентрации различных компонентов среды, температуры) во времени. Математические модели, при использовании которых описывается изменение среднеобъемных параметров состояния, называются интегральными моделями. Основным недостатком применения моделей, учитывающих изменение среднеобъемных характеристик во времени, является то, что при их использовании не учитывается распределение параметров в пространстве.

Интегральный метод может использоваться для решения следующих задач:

- прогнозирование динамики распространения опасных факторов пожара в здании, содержащем развитую систему помещений малого объема простой геометрической конфигурации, например, в зданиях коридорного типа;

- прогнозирование динамики распространения опасных факторов пожара при проведении имитационного моделирования в тех случаях, когда учет случайного характера процессов возникновения и развития пожара является более важным, чем точное и детальное прогнозирование его характеристик;

- прогнозирование развития пожара в помещениях, где характерный размер очага пожара соизмерим с характерным размером помещения;

- предварительные расчеты с целью выявления наиболее опасного сценария пожара.

Для расчета необходимого времени эвакуации можно пользоваться программным средства АИСС «Экспертиза» [46].

Простейшим способом учета распределения параметров пожара в пространстве в рамках использования усреднения параметров по объему является зонное моделирование. В этом случае в помещении выделяется несколько зон, для каждой из которых составляется своя интегральная модель пожара. В пределах зон рассматриваемые характеристики пожара можно принять с заданной степенью точности одинаковыми.

Согласно зонным моделям, в помещении происходит формирование двух слоев: верхнего слоя продуктов горения (задымленная зона) и нижнего слоя невозмущенного воздуха (свободная зона). Состояние газовой среды в зональных моделях оценивается через осредненные термодинамические параметры не одной, а нескольких зон, причем межзонные границы обычно считаются подвижными. Например, зонная модель CFAST [43], разработанная в лаборатории исследования пожаров Американского Национального центра стандартов (NIST), позволяет определять параметры развития пожара в системе закрытых помещений, рассчитать распределение концентраций дыма и газов при пожаре и температуру в здании для указанных пользователем условий пожара. В модели CFAST каждая комната разделена на небольшое число объемов, называемых слоями, причем каждый слой является однородным по всем параметрам, т.е. температура, дым и газовые концентрации в пределах каждого слоя приняты, одинаковыми. В CFAST каждая комната может быть разделена на два слоя. Так как эти слои представляют верхние и нижние части комнаты, параметры в пределах комнаты могут изменяться только в вертикальном направлении.

Зонный метод, использующий интегральные уравнения пожара для характерных зон помещения, может применяться для зальных помещений с сосредоточенной пожарной нагрузкой. 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.

Зональный метод может использоваться в следующих случаях:

- прогнозирование динамики распространения опасных факторов пожара в помещениях и системах помещений простой геометрической конфигурации, линейные размеры которых соизмеримы между собой.

- для помещений большого объема (размер очага пожара гораздо меньше размеров помещения), а также в возможности расчета времен задымления рабочих зон, расположенных на разных уровнях в пределах одного помещения (наклонный зрительный зал кинотеатра, антресоли и т.д.), например, для зальных помещений большого объема и атриумов

Для расчета необходимого времени эвакуации зонным методом может использоваться программа «Ситис Блок» [41], работающая на основе модели CFAST. Также может использоваться программный комплекс «Экспотех», блок расчетных программ, «Расчет параметров пожара в помещении», разработанный ИЦЭП Санкт-Петербургского филиала ВНИИПО МЧС России [40].

Наибольший интерес для расчета ОФП представляет дифференциальное моделирование, более точно и подробно описывающее развитие пожара. В этом случае формулируются фундаментальные законы сохранения количества движения, энергии и массы, записанные для элементарных объемов, на которые разбивается рассматриваемая область пространства [45]. Дифференциальные модели называются также полевыми, или CFD-моделями (Computational Fluid Dynamics). Основу дифференциального метода моделирования пожа­ров составляют математические модели, учитывающие процессы конвективного и радиационного теплопереноса, процес­сы горения в газовой фазе и другие. Эти модели разработаны на основе системы полных нестационарных уравнений Навье-Стокса, уравнений сохранения энер­гии и диффузии для реагирующих компонентов [47]. Аналитические решения систем подобных уравнений известны лишь для очень немногих случаев. Для численного решения систем дифференциальных уравнений второго порядка в частных производных могут использоваться метод конечных разностей или метод конечных элементов. С помощью дифференциального моделирования возможен расчет полей температур, концентраций паров горючих веществ, кислорода и продуктов горения в исследуемой области при возникновении гипотетических пожаров. Основными трудностями, возникающими при практическом применении имеющихся на сегодняшний день полевых моделей, являются высокая стоимость программных продуктов, высокие требования к ЭВМ и квалификации специалиста, а также большой объем исходных данных для расчета.

Полевой метод может использоваться при расчете:

- помещения сложной геометрической конфигурации, а также помещения с большим количеством внутренних преград (атриумы с системой галерей и примыкающих коридоров, многофункциональные центры со сложной системой вертикальных и горизонтальных связей и т.д.);

- помещения, в которых один из геометрических размеров гораздо больше (меньше) остальных (тоннели, автостоянки малой высоты с большой площадью и.т.д.);

- иные случаи, когда информативность зонных и интегральных моделей недостаточна или есть основания считать, что картина развития пожара может противоречить допущениям, лежащим в основе данных моделей (уникальные сооружения, распространение пожара по фасаду здания, необходимость учета работы систем противопожарной защиты, способных качественно изменить картину развития пожара, и т.д.).

- таких явлений как формирование и динамика прогретого слоя в начальной стадии развития пожара при круговом и однонаправленном распространении огня; переход начальной стадии пожара в развитую; распространение опасных факторов при пожарах в смежные помещения или на пути эвакуации и ряда дру­гих задач.

Для расчета параметров пожара полевым методом рекомендуется использование бесплатного пакета FDS. Программа считывает входные данные из текстового файла, численно решает систему дифференциальных уравнений, описывающих процессы, происходящие при пожаре, и записывает определенные пользователем выходные данные в файлы. Smokeview - сопутствующая программа, которая отображает выходные файлы FDS в графическом формате. В FDS графического интерфейса нет, однако существуют программы (препроцессоры), которые создают текстовые файлы с входными параметрами, необходимыми для FDS, в графическом виде. Более подробная информация о работе с программами FDS и Smokeview находится в соответствующих руководствах пользователей и на сайте FDS-SMV http://fire.nist.net/fds.