Численное моделирование пожара в вагоне метрополитена

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ, ЧИСЛЕННЫЕ МЕТОДЫ И КОМПЛЕКСЫ ПРОГРАММ

А. И. ДАНИЛОВ, аспирант кафедры пожарной безопасности зданий и автоматизированных систем пожаротушения, Санкт-Петербургский университет ГПС МЧС России (Россия, 196105, г. Санкт-Петербург,

Московский просп., 149; e-mail: adanilov@Lmgt.ru)

В. А. МАСЛАК, канд. техн. наук, генеральный директор ОАО

“НИПИИ “Ленметрогипротранс” (Россия, 191002, г. Санкт-Петербург, ул. Большая Московская, 2)

А. В. ВАГИН, канд. техн. наук, доцент, доцент кафедры пожарной безопасности зданий и автоматизированных систем пожаротушения,

Санкт-Петербургский университет ГПС МЧС России (Россия, 196105, г. Санкт-Петербург, Московский просп., 149)

И. А. СИВАКОВ, канд. техн. наук, ассистент кафедры физики,

Университет ИТМО (Россия, 197101, г. Санкт-Петербург,

Кронверкский просп., 49; e-mail: i_Sivakov@niuitmo.ru)

УДК 614.841.48

ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОЖАРА

В ВАГОНЕ МЕТРОПОЛИТЕНА

Представлен краткий обзор и анализ существующих подходов к моделированию горения. Пред- ложен метод определения мощности пожара, учитывающий особенности процесса горения в ограниченном объеме вагона подвижного состава. Проведено моделирование с использовани- ем программного средства FDS, реализующего вычислительную гидродинамическую модель

(CFD) тепломассопереноса при горении. На основании результатов выполненных исследований проведено численное моделирование и получена зависимость мощности пожара от времени, которая для удобства проведения инженерных расчетов была аппроксимирована. Показано, что данная зависимость может найти применение в сфере проектирования систем обеспечения пожарной безопасности объектов метрополитена.

Ключевые слова: пожар в вагоне; тепловая мощность пожара; моделирование горения; полевая модель пожара; FDS.

DOI: 10.18322/PVB.2017.26.10.27-35

Введение                                     вышением сложности применяемых систем все боль-
В последние годы наблюдается рост количества про-                      ше возрастает роль моделирования при выборе,
ектируемых и строящихся объектов метрополитена                         обосновании и подтверждении эффективности про-
в Москве и Санкт-Петербурге с применением но-                          ектных решений.
вых объемно-планировочных и технологических ре-                           Для учета особенностей сооружений метропо-
шений. Наряду с этим ужесточаются нормативные                          литена в части объемно-планировочных решений,
требования к системам противодымной защиты ли-                         воздухообмена на линии в целом и на станции в
ний и станций метрополитена, усложняется топо-                         частности, влияния условий внешней среды и дру-
логия и алгоритмы работы систем противодымной                          гих значимых факторов необходимо проводить мо-
вентиляции и противопожарной автоматики.                               делирование развития пожара и распространения
Практика показывает, что выполнения минималь-                       опасных факторов пожара (ОФП) с последующим
ных нормативных требований зачастую недоста-                           инженерным анализом условий безопасной эвакуа-
точно для создания полноценно функционирующей                          ции пассажиров и персонала из подземных соору-
системы противодымной защиты. Во всем мире ре-                         жений.
шение таких сложных инженерных задач выпол-                               В связи с этим все более актуальной становится
няется с использованием современных технологий                         задача обоснованного выбора сценария и парамет-
компьютерного моделирования физических процес-                         ров проектной аварии, в частности параметров по-
сов*. В России наметилась схожая тенденция: с по-                      жара в вагоне подвижного состава. В соответствии
с действующими нормативными документами по-
* В качестве примера можно привести общепризнанные в мире              жар в вагоне является основным сценарием пожара
и считающиеся эталонными американские стандарты NFPA 502
“Standard for road tunnels, bridges and other limited access high-
для платформенных залов станций и именно он опре-
ways” и NFPA 130 “Standard for fixed guideway transit and            деляет структуру и параметры систем противодым-
passenger rail systems”.                                             ной защиты станции и линий метрополитена.

ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТЬ / FIRE AND EXPLOSION SAFETY 2017 ТОМ 26 № 10

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ, ЧИСЛЕННЫЕ МЕТОДЫ И КОМПЛЕКСЫ ПРОГРАММ

Обзор существующих методов                      доступе окислителя), результаты моделирования мо-
моделирования горения                         гут количественно, а иногда и качественно не со-
впадать с реальностью. Еще одной проблемой яв-
При моделировании пожаров используются раз-
ляется то, что для ряда видов пожарной нагрузки
личные математические модели и программные про-
дукты. Наибольшую детализацию процесса и до-            отсутствуют экспериментальные или справочные
стоверность результатов позволяют получить поле-        данные, на основании которых можно было бы при-
вые (вычислительные гидрогазодинамические) мо-          нимать усредненные значения параметров пожара.
дели, в основе которых лежит решение уравнений              При отсутствии усредненных эксперименталь-
Навье – Стокса с соответствующими замыканиями.          ных данных для конкретного вида пожарной на-
В среде специалистов по пожарной безопасно-         грузки и наличии сведений о ее отдельных компо-
сти широкое распространение получил программ-           нентах задача может быть решена путем совмест-
ный продукт Fire Dynamics Simulator (FDS) разра-        ного моделирования газофазного горения с учетом
ботки NIST (National Institute of Standards and Tech-   термодинамических процессов, происходящих внут-
nology, США), являющийся достаточно мощным и            ри материала. Суть подхода заключается в задании
универсальным инструментом моделирования фи-            скорости выгорания твердых горючих материалов,
зических процессов при пожаре, который позволя-         составляющих пожарную нагрузку. При этом распро-
ет качественно и количественно оценить динамику         странение пламени по поверхности определяется
развития пожара и распространения ОФП с учетом          температурой воспламенения и теплофизическими
физико-химических свойств горящих веществ.              свойствами материалов и газовоздушной среды, что
По способу задания характеристик очага пожа-        позволяет моделировать горение без сведений об
ра существует несколько принципиально разных            усредненных значениях параметров тепловыделе-
подходов к моделированию горения с помощью про-         ния очага пожара. В данном подходе для упрощения
граммного продукта FDS.                                 модели допустимо приводить гетерогенную пожар-
Самый простой способ, используемый в боль-          ную нагрузку к одному веществу по теплотворной
шинстве инженерных расчетов, заключается в зада-        способности, хотя при этом следует помнить, что
нии скорости распространения, площади пожара и          итоговая динамика развития пожара не будет в пол-
удельного тепловыделения (HRRPUA) с поверхности         ной мере соответствовать реальному пожару. К не-
горения. При задании этих параметров используют         достаткам подхода можно отнести невозможность
усредненные, приведенные к единице площади экс-         прямого учета различных химических реакций для
периментальные данные, полученные при сжигании          нескольких материалов. Однако выход продуктов го-
нескольких видов материалов, характеризующих тот        рения от различных материалов может быть учтен
или иной тип пожарной нагрузки (например, “типо-        путем задания химической реакции с составным го-
вое” жилое помещение или “типовой” зал кино-            рючим и составными продуктами горения, в которой
театра). При этом не учитываются процессы, про-         стехиометрические коэффициенты подбираются с
исходящие внутри материала, а моделируется только       учетом массовых долей материалов в пожарной на-
газофазное горение при заданных граничных усло-         грузке. К существенным недостаткам метода можно
виях.                                                   отнести его бульшую в сравнении с заданием усред-
Преимущества данного способа заключаются в          ненных характеристик нелинейность, более высокие
простоте задания исходной модели пожара, меньшей        требования к разрешающей способности сетки и,
нелинейности модели, более высокой устойчиво-           как следствие, более значительную длительность
сти и сходимости решения, более низких требова-         расчета.
ниях к разрешающей способности сетки и, как след-           Самым детализированным и комплексным, но
ствие, более высокой скорости выполнения расчета.       при этом и наиболее сложным, является подход с
Основные недостатки вытекают из особенностей спо-       одновременным моделированием газофазного горе-
соба: отсутствует связь между процессами в твердой      ния и газификации твердого материала, которая за-
и газообразной фазах; осреднение физико-химиче-         ключается в пиролизе или испарении с выделением
ских и тепловых параметров пожарной нагрузки            газообразного горючего, обусловленном термиче-
не позволяет адекватно учесть динамику распро-          ским разложением. Скорость разложения твердой
странения пожара по различным составляющим              фазы и образования газообразного горючего опре-
пожарной нагрузки; недостаточность справочных           деляется химической кинетикой процесса (уравне-
данных зачастую не позволяет моделировать выго-         ние Аррениуса), плотностью воспринимаемого по-
рание или затухание пожара. При значительном от-        верхностью материала теплового потока и диффу-
личии условий протекания модельного пожара от           зионными процессами в газовой фазе. Основное
эксперимента, в котором получены осредненные            преимущество подхода — возможность моделиро-
данные (например, при существенно ограниченном          вания процесса горения, максимально приближен-

28 ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТЬ / FIRE AND EXPLOSION SAFETY 2017 ТОМ 26 № 10

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ, ЧИСЛЕННЫЕ МЕТОДЫ И КОМПЛЕКСЫ ПРОГРАММ

ного к реальному, наличие обратной тепловой связи емых вагонов и отдельные сведения по параметрам между газовой и твердой фазами. К недостаткам сле- горения материалов конструкций, применяемых в дует отнести необходимость знать для каждого мате- современных вагонах.

риала наряду с теплофизическими параметры, опре- деляющие химическую кинетику процесса (уста- Цели и задачи навливаемые экспериментально), а также подбирать Цель проведения исследований — определение источник зажигания, обеспечивающий зажигание и параметров пожара на основании численного моде- самоподдерживающееся горение. Введение допол- лирования с использованием имеющихся данных нительных параметров усложняет модель, повыша- по характеристикам материалов, применяемых при ет ее нелинейность, снижает устойчивость и сходи- строительстве современных вагонов метрополите- мость. Кроме того, решение, как правило, не явля- на, сведений по пожарной нагрузке вагонов, приве- ется робастным, чувствительно к выбору метода денных в официальных источниках [5, 6], и спра- расчета турбулентности и разрешающей способно- вочных данных [7–9].

сти сетки. Наиболее точные результаты получаются

Анализ данных о горючих материалах, приме- при использовании метода прямого численного мо- няемых при строительстве современных вагонов мо- делирования (DNS). Все вышеперечисленное дела- делей 81-557 и 81-558, позволил получить макси- ет практически невозможным применение данного мальное значение приведенной пожарной нагрузки подхода для решения крупномасштабных инженер-

— 28,17 кг/м2 [6]. Диаграмма распределения видов ных задач, таких как моделирование пожара на стан- материалов, используемых в конструкциях вагона, ции метрополитена или в тоннеле.

представлена на рис. 1. Задача исследования заклю-

Необходимо отметить, что основная сложность чалась в оценке зависимости мощности пожара от применения моделирования в России для обоснова- времени при условии равномерного распределения ния проектных решений связана с тем, что отсут- эквивалентной пожарной нагрузки по площади ва- ствуют официальные методики моделирования и гона и полного выгорания всей массы пожарной на- анализа результатов, а для ряда объектов и видов грузки в пределах одного вагона.

пожарной нагрузки отсутствуют официально опуб- ликованные и научно обоснованные исходные дан-

Постановка задачи ные для проведения расчетов. В частности, для объ- и граничные условия ектов подземной транспортной инфраструктуры

(метрополитены и транспортные тоннели) отсут- Низшая теплота сгорания и удельная массовая ствуют данные по пожарам в основных видах ва- скорость выгорания принимались равными: Q нр = гонов. = 16,74 МДж/кг, mуд = 0,024 кг/(с·м2) [6, 10, 11]. Сум-

Если параметры химической реакции, протека- марная пожарная нагрузка определялась по площади ющей при горении пожарной нагрузки, можно по- вагона при плотности условной древесины 500 кг/м3.

лучить путем осреднения с учетом массовой доли в Для расчетной оценки динамики развития пожа- общей пожарной нагрузке реакций по каждому ма- ра принят следующий сценарий:

териалу, применяемому при строительстве вагонов, l рассматривается пожар в отдельном вагоне, рас- то при задании мощности пожара возникают проб- положенном в замкнутом объеме, ограниченном лемы. В зарубежных странах существует практика расчетной областью (вагон остановлен на стан- использования стандартизованных расчетных зави- ции или в перегонном тоннеле);

симостей мощности пожара от времени для основ- l пожар в подвагонном пространстве рассматри- ных видов вагонов метрополитена, железнодорож- вается как источник зажигания пожарной на- ных вагонов и локомотивов [1, 2], включенных в грузки вагона;

общеевропейские нормативные документы [3]. Эти l пожарная нагрузка равномерно распределена по данные получены на основании крупномасштабных всей площади вагона;

экспериментальных исследований и результатов мо- l двери вагона открыты с одной стороны в связи с делирования конкретных объектов. Последние круп- тем, что рассматривается ситуация, когда уже номасштабные экспериментальные исследования начался или завершился процесс эвакуации из в нашей стране проводились Санкт-Петербургским вагона (при остановке на станции или в перегон- филиалом ВНИИПО МЧС России в 1988–1990 годах ном тоннеле эвакуация всегда осуществляется на вагонах, уже снятых с производства [4], поэтому из одной группы дверей).

результаты этих исследований имеют ограниченную Численное моделирование проводилось с исполь- практическую ценность и не могут быть примене- зованием программного средства FDS, реализующего ны при проектировании новых объектов. В насто- вычислительную гидродинамическую модель (CFD) ящее время в официальных источниках имеются тепломассопереноса при горении, основанную на данные только по пожарной нагрузке эксплуатиру- численном решении уравнений Навье – Стокса.

ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТЬ / FIRE AND EXPLOSION SAFETY 2017 ТОМ 26 № 10 29

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ, ЧИСЛЕННЫЕ МЕТОДЫ И КОМПЛЕКСЫ ПРОГРАММ

Рис. 1. Виды материалов в конструкции вагона метропо- Рис. 2. Общий вид расчетной модели: 1 — двери вагона литена (4 двери открыты в начальный момент времени); 2 — окна

Fig. 1. Types of materials in the construction of the subway car вагона (в начальный момент времени все окна закрыты); 3 — датчики температуры (окна вагона вскрываются при дости- жении температуры на датчиках 300 °С); 4 — распределен-

В расчете учитывались все геометрические ха- ная пожарная нагрузка; 5 — источник воспламенения рактеристики вагона. Fig. 2. Computational model view: 1 — car doors (4 doors are

При проведении расчетов принимались следу- opened in a initial time); 2 — car windows (in a initial moment all windows are closed); 3 — temperature sensors (windows of ющие начальные условия:

the car are opened at achievement of temperature on sensors of l начальная температура среды — 20 °С; 300 °C); 4 — distributed fire load; 5 — ignition source l источник воспламенения активируется в момент времени t = 0 c;

l мощность источника воспламенения составляет представлены на рис. 3 и 4. Максимальная мощность

1000 кВт/м2; пожара достигается на 1415-й секунде (23,6-й ми- нуте) и составляет 12,3 МВт. При этом в централь- l длительность воздействия источника воспламе- ной зоне вагона часть пожарной нагрузки выгорает, нения — 60 с;

площадь поверхности горения максимальна для за- l двери вагона открыты с одной стороны;

данных условий. Вскрытие окон вагона происходит l целостность остекления окон и закрытых две- в диапазоне времени 250…280 с для окон, находя- рей вагона в начальный момент времени сохра- щихся в непосредственной близости от источника няется.

воспламенения, и 750…790 с — для окон, распо-

Граничными являлись следующие условия:

ложенных в торцах вагона. Поля температур в про- l материал ограждающих конструкций вагона — дольном сечении вагона приведены на рис. 5. При металл;

пиковом значении мощности пожара локальные зна- l вскрытие окон вагона происходит при темпера- чения температуры достигают 700 °С. Средняя тем- туре среды в зоне остекления более 300 °С;

пература в зоне под потолком вагона находится в l вагон расположен в объеме, ограниченном сет- диапазоне 300…350 °С.

ками, размером 40ґ12ґ6 м;

Полученные результаты достаточно хорошо со- l нижняя и боковые поверхности объема ограни- гласуются с результатами зарубежных исследований, чены сетками;

в соответствии с которыми мощность пожара в ваго- l верхняя горизонтальная поверхность объема — поверхность “Open”.

Расчетная область составляла 40ґ12ґ6 м. Раз- мер ячеек сеток в зоне поверхности горения —

0,025ґ0,025ґ0,025 м, а в зоне над очагом пожара и за пределами вагона — 0,25ґ0,25ґ0,25 м. Время расчета принималось с учетом полного выгорания пожарной нагрузки и составляло 2500 с.

Результаты расчета

Общее время проведения расчета на кластере с использованием 48 вычислительных потоков соста- вило 396 ч. Общий вид расчетной модели приведен на рис. 2.

Зависимость мощности пожара от времени и вид Рис. 3. Зависимость мощности пожара от времени расчетной модели в различные моменты времени Fig. 3. Dependence of heat release rate of the fire on time

30 ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТЬ / FIRE AND EXPLOSION SAFETY 2017 ТОМ 26 № 10

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ, ЧИСЛЕННЫЕ МЕТОДЫ И КОМПЛЕКСЫ ПРОГРАММ

Рис. 4. Динамика развития пожара в вагоне подвижного со- става метрополитена

Fig. 4. Fire development dynamics in the subway rolling stock car

Рис. 5. Поля температур в продольном сечении вагона не метро находится в пределах 10…15 МВт при вре- Fig. 5. Fields of temperatures in a longitudinal section of the car мени достижения пиковой мощности 25…35 мин

[12–14, 3].

Для сокращения времени расчета в реальных ус- ловиях проектирования систем противопожарной защиты метрополитена приведенная на рис. 3 кривая мощности пожара была аппроксимирована зависи- мостью, представленной на рис. 6.

Исходные данные для расчета в FDS задаются следующими параметрами:

l максимальная площадь очага пожара Fп = 37 м2;

l линейная скорость распространения пожара vл =

= 0,02 м/с;

l тепловыделение HRRPUA = 380 кВт/м2.

Зависимость коэффициента тепловыделения от

Рис. 6. Зависимость мощности пожара от времени времени (Ramp-UpTime в свойствах параметра Fig. 6. Dependence of heat release rate of the fire on time

“Поверхность”) приведена в таблице.

Параметры химической реакции при проведе- нии расчетов динамики развития пожара в вагоне зуемых при изготовлении вагона. Диаграмма, отра- определяются на основании анализа количествен- жающая процентное соотношение основных горю- ного и качественного состава материалов, исполь- чих материалов вагона, приведена на рис. 1. Средне-

ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТЬ / FIRE AND EXPLOSION SAFETY 2017 ТОМ 26 № 10

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ, ЧИСЛЕННЫЕ МЕТОДЫ И КОМПЛЕКСЫ ПРОГРАММ

Зависимость коэффициента тепловыделения от времени            где Ma — молярная масса отдельных компонентов
Dependence of heat release parameter on time                      пожарной нагрузки, г/моль;
Коэффициент                     Коэффициент         Mf — молярная масса суммарной пожарной на-
Время, с    тепловыделения      Время, с    тепловыделения       грузки.
Time, s       Heat release      Time, s       Heat release
parameter                       parameter
Соответственно, для каждого газа получим:
0,0             0,0           1320,0         0,780864                         LO2 Mf                LCO2 Mf
nO 2 =            ; nCO2 =               ;
60,0          0,055554         1427,0         0,7225704                         MO2                     MCO2
120,0         0,111108         1520,0         0,671904                      LCO Mf             LC Mf        Dm Mf
240,0         0,222216         1640,0         0,606528             nCO =             ; nC =             =            ;
MCO                MC          K m MC
360,0         0,333324         1760,0         0,541152
L HCl Mf
480,0         0,444432         1880,0         0,475776                             n HCl =              .
MHCl
600,0          0,55554         2000,0             0,4104
720,0         0,666648         2120,0         0,345024          Из закона сохранения массы находим:
840,0         0,777756         2240,0         0,279648             LH2O = 1 + LO2 - LCO2 - LCO - LC - L HCl ;
960,0         0,888864         2360,0         0,214272                    (1 + LO2 - LCO2 - LCO - LC - L HCl ) M f
1080,0         0,999972                                          n H2O =                                                  .
2500,0             0,138                                      MH2 O
1200,0          0,84624
В соответствии с рекомендациями [5] для расче-
та используются молярные массы условных “базо-
взвешенные значения параметров определялись в                 вых” веществ, характерные для данного вида топлив.
соответствии с зависимостью                                       Для большинства материалов используется два
1                                 вида “базовых” веществ:
Lsi =         е Lij mi ,
е mi                               l   дерево (C3.4H6.2O2.5, Mf = 87 г/моль) — для мате-
риалов на основе дерева, целлюлозы, тканей;
где Lsi — средневзвешенное значение i-го парамет-             l   стирол (С6Н5–CH=СН2, Mf = 104 г/моль) — для
ра суммарной пожарной нагрузки;                               материалов с содержанием пластмасс, резины и
Lij — значение i-го параметра для j-го компо-                 других искусственных материалов.
нента пожарной нагрузки;                                      Для расчета принимается второй вариант.
mi — массовая доля i-го материала в пожарной
нагрузке;                                                                             Вывод
LOs 2 — удельный расход кислорода;                            На основании результатов численного модели-
LOs 2 = 2,569 кг/кг;                                      рования получена зависимость мощности пожара
s                          s
LCO   — удельный выход СО; LCO  = 0,11 кг/кг;             от времени, основанная на данных по реальным па-
s                           s
LCO2 — удельный выход СО2; LCO2 = 0,574 кг/кг;            раметрам пожарной нагрузки вагонов, эксплуатиру-
LsHCl — удельный выход HCl;                               емых в настоящее время. Полученная зависимость
LsHCl = 0,00495 кг/кг.                                    была аппроксимирована с учетом возможности даль-
Средневзвешенный выход частиц углерода LCs                нейшего использования ее при моделировании ди-
определяется исходя из средневзвешенной дымо-                 намики развития ОФП с помощью программного
образующей способности материала:                             средства FDS в условиях ограниченных сроков про-
ектирования. Практический результат проведенных
LCs = Dms K m ,                         исследований заключается в том, что проектиров-
где Dms — средневзвешенная дымообразующая спо-                щику предоставляются обоснованные исходные
собность; Dms = 250 Нп·м2/кг;                             данные для моделирования процесса развития ОФП
Km — коэффициент светового поглощения;                    на объектах метрополитена, результаты которого яв-
Km = 8700 м2/кг.                                          ляются основой для создания системы противопо-
В последующих формулах для упрощения запи-                жарной защиты.
си верхний индекс s, обозначающий средневзвешен-                  Правомерность подхода к решению поставлен-
ное значение величины, не указан.                             ной задачи и результатов, полученных в ходе вы-
Для газа a справедливо следующее выражение:               полнения работы, подтверждается данными отече-
ственных и зарубежных исследований в области
na M f             La Mf
La =            ® na =            ,             обеспечения пожарной безопасности объектов мет-
Ma                  Ma                  рополитена [1–4, 11–14].

32 ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТЬ / FIRE AND EXPLOSION SAFETY 2017 ТОМ 26 № 10

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ, ЧИСЛЕННЫЕ МЕТОДЫ И КОМПЛЕКСЫ ПРОГРАММ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Ergebnisbericht zur beurteilung von branden an schienenfahrzeugen als bemessungsbrдnde zur brand- schutztechnischen auslegung von oberirdischen personenverkehrsanlagen der Deutschen Bahn AG. —

Frankfurt am Main : Deutsche Bahn AG, DB Station & Service, Fachstelle Brandschutz, September

2000.

2. Bemessungsbrдnde fьr s-bahnen und den gemischten reisezugverkehr : anwenderhandbuch. — Kцln :

STUVA, Juni 2010 [Design fires for urban commuter railway systems and the mixed passenger transport :

manual. — Cologne : STUVA, June 2010].

3. Fire in Tunnels. Technical Report — Part 1. Design Fire Scenarios. — Brussels, Belgium, WTCB,

2006. — 161 p.

4. Провести исследования и определить требуемые пределы огнестойкости несущих конструкций станций и тоннелей на основании реального температурного режима : отчет о НИР (заключ.) /

ЛФ ВНИИПО; руководитель В. П. Беляцкий. — П.Л2.Н.003.89 (разд. 4). — Л., 1990. — 87 с.

5. Оценка соответствия вагонов метрополитена моделей 81-556, 81-557 и 81-558 требованиям

НПБ 109–96 “Вагоны метрополитена. Требования пожарной безопасности” : заключение

№ 014-03.13. — СПб. : Санкт-Петербургский филиал ФГБУ ВНИИПО МЧС РФ, 2013. — 38 с.

6. Пособие по применению “Методики определения расчетных величин пожарного риска в зданиях, сооружениях и строениях различных классов функциональной пожарной опасности”. — 2-е изд., испр. и доп. — М. : ВНИИПО, 2014. — 226 с.

7. Корольченко А. Я., Корольченко Д. А. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов и средства их тушения : справочник: в 2 ч. — 2-е изд., перераб. и доп. — М. : Пожнаука, 2004. — Ч. 1, 713 с.;

Ч. 2, 774 с.

8. Программный комплекс Fire Cat. Библиотека реакций и поверхностей горения в PyroSim. —

Екатеринбург : ИП Карькин И. Н., 2014. — 27 с.

9. Бондарев В. Ф., Лесков А. А. Определение интенсивности тепловыделения при пожаре подвиж- ного состава метрополитена в тоннеле // Борьба с пожарами в метрополитенах : сб. науч. тр. —

М. : ВНИИПО МВД РФ, 1992. — С. 62–70.

10. Surface transport master plan. Addendum 3 — Transit corridor safeguarding. Fire and life safety concept.

— Abu Dhabi, UAE : Department of Transport, November 2008. URL: https://www.scribd.com/docu- ment/320813316/Fire-and-Life-Safety-Concept (дата обращения: 01.08.2017).

11. Ingason H., Gustavsson S., Dahlberg M. Heat release rate measurements in tunnel fires. SP Report

1994:08. — Borеs : Swedish National Testing and Research Institute, 1994. — 64 p.

12. Haack A. Real fires and design fires // Proceedings of the Jornada Tйcnica sobre Fuego en Tъneles. —

Barcelona, Spain, 5 May 2011.

13. Bo Si Zhang, Shou Xiang Lu. Numerical simulation and analysis of compartment fire in subway train //

Applied Mechanics and Materials. — 2012. — Vol. 166-169. — P. 2726–2730. DOI: 10.4028/www.sci- entific.net/AMM.166-169.2726.

14. Li Y. Z., Ingason H. A new methodology of design fires for train carriages based on exponential curve method // Fire Technology. — 2016. — Vol. 52, Issue 5. — P. 1449–1464. DOI:

10.1007/s10694-015-0464-3.

Материал поступил в редакцию 15 августа 2017 г.

Для цитирования: Данилов А. И., Маслак В. А., Вагин А. В., Сиваков И. А. Численное модели- рование пожара в вагоне метрополитена // Пожаровзрывобезопасность / Fire and Explosion

Safety. — 2017. — Т. 26, № 10. — С. 27–35. DOI: 10.18322/PVB.2017.26.10.27-35.

English

NUMERICAL SIMULATION OF A SUBWAY CAR FIRE

DANILOV A. I., Postgraduate Student, Department of Buildings Fire Safety and Automated Extinguishing Systems, Saint Petersburg University of State

Fire Service of Emercom of Russia (Moskovskiy Avenue, 149, Saint Petersburg,

196105, Russian Federation; e-mail: adanilov@Lmgt.ru)

ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТЬ / FIRE AND EXPLOSION SAFETY 2017 ТОМ 26 № 10

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ, ЧИСЛЕННЫЕ МЕТОДЫ И КОМПЛЕКСЫ ПРОГРАММ

MASLAK V. A., Candidate of Technical Sciences, General Director of OJSC “Scientific-and-Research Design-and-Survey Institute

“Lenmetrogiprotrans” (Bolshaya Moskovskaya St., 2, Saint Petersburg,

191002, Russian Federation)

VAGIN A. V., Candidate of Technical Sciences, Docent, Associate

Professor of Department of Buildings Fire Safety and Automated

Extinguishing Systems, Saint Petersburg University of State Fire Service of Emercom of Russia (Moskovskiy Avenue, 149, Saint Petersburg, 196105,

Russian Federation)

SIVAKOV I. A., Candidate of Technical Sciences, Assistant of Physics

Department, ITMO University (Kronverkskiy Avenue, 49, Saint Petersburg,

197101, Russian Federation; e-mail: i_Sivakov@niuitmo.ru)

ABSTRACT

This research thesis presents the simulation of fire growth and flame spread within a car in an under- ground trainway using Fire Dynamics Simulator (FDS) realizing Computational Fluid Dynamics

(CFD) model. The motivation of the study is to predict the heat release rate (HRR) and specifically the peak value for emergency situations. The existing documents don’t contain recommendations for defining these important parameters. Using of several methods of estimating the HRR for a metro train, it appears that the current methods cannot realistically predict the HRR because factors such as the burning behavior of materials; and the train and tunnel geometries that affect the HRR are not considered. This project attempts to incorporate these factors in the FDS model.

Modeling was realized on the base of such main research results as:

l fire load of subway car series 81-557 and 81-558 (wood equivalent);

l burning rate (full scale experiments).

A number of assumptions have been made so that to simplify the model. They were:

l passenger doors were opened from one side of car;

l fire load was spread on car area;

l window failure was simulated, at temperature 300 °C window began to fracture and fall off

(temperature was controlled by detectors at center of windows);

l ignition of material was initiated by point source;

l upper plane of the computational domain is defined as “Open”;

l calculation was carried out until the fire load was completely burned out.

The size of the computational domain was 40 m long by 12 m wide by 6 m high. Two grid sizes,

0.025ґ0.025ґ0.025 m (zone of fire load) and 0.25ґ0.25ґ0.25 m (zone above fire load) were used.

The simulation time specified for simulation was 2500 s.

Results of modeling:

l HRR-curve: approximation of HRR-curve for engineering calculations (“design fire”);

l value of peak HRR — 12.3 MW;

l combustion reaction parameters.

The results of the study and the obtained dependence of the heat release rate can be applied in the development, justification of parameters, evaluation of the smoke protection systems efficiency and analysis of people safe evacuation conditions in case of fire.

Keywords: car fire; heat release rate; fire simulation; fire field model; fire dynamics simulator (FDS).

REFERENCES

1. Ergebnisbericht zur beurteilung von branden an schienenfahrzeugen als bemessungsbrдnde zur brand- schutztechnischen auslegung von oberirdischen personenverkehrsanlagen der Deutschen Bahn AG.

Frankfurt am Main, Deutsche Bahn AG, DB Station & Service, Fachstelle Brandschutz, September

2000.

2. Bemessungsbrдnde fьr s-bahnen und den gemischten reisezugverkehr. Anwenderhandbuch. Kцln,

STUVA, Juni 2010 [Design fires for urban commuter railway systems and the mixed passenger trans- port. Manual. Cologne, STUVA Publ., June 2010].

34 ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТЬ / FIRE AND EXPLOSION SAFETY 2017 ТОМ 26 № 10

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ, ЧИСЛЕННЫЕ МЕТОДЫ И КОМПЛЕКСЫ ПРОГРАММ

3. Fire in Tunnels. Technical Report — Part 1. Design Fire Scenarios. Brussels, Belgium, WTCB,

2006. 161 p.

4. Researching and determination of required fire resistance limits for load-carrying structures of stations and tunnels based on the actual temperature regime. Report on research work (final). Saint

Petersburg, 1990. 87 p. (in Russian).

5. The conformity assessment of subway cars of models 81-556, 81-557 and 81-558 to the requirements of NPB 109–96 “Underground vans. Fire safety requirements”. The conclusion No. 014-03.13. Saint

Petersburg, Saint Petersburg Branch of All-Russian Research Institute for Fire Protection of Emercom of Russia Publ., 2013. 38 p. (in Russian).

6. Manual on the application of “Methods for determining the calculated values of fire risk in buildings, structures and structures of various classes of functional fire danger”. 2nd edition. Moscow, All-Rus- sian Research Institute for Fire Protection of Emercom of Russia Publ., 2014. 226 p. (in Russian).

7. Korolchenko A. Ya., Korolchenko D. A. Pozharovzryvoopasnost veshchestv i materialov i sredstva ikh tusheniya: spravochnik. 2-e izd. [Fire and explosion hazard of substances and materials and their means of fighting. Reference book. 2nd ed.]. Moscow, Pozhnauka Publ., 2004, part 1, 713 p.; part 2, 774 p.

(in Russian).

8. Fire Cat software. The library of reactions and combustion surfaces in PyroSim. Yekaterinburg,

IP Karkin I. N. Publ., 2014. 27 p. (in Russian).

9. Bondarev V. F., Leskov A. A. Determination of heat release in the fire of the subway rolling stock in the tunnel. In: Borba s pozharami v metropolitenakh: sb. nauch. tr. [Fire safety in subways. Collected papers]. Moscow, All-Russian Research Institute for Fire Protection of Emercom of Russia Publ., 1992, pp. 62–70 (in Russian).

10. Surface transport master plan. Addendum 3 — Transit corridor safeguarding. Fire and life safety con- cept. Abu Dhabi, UAE, Department of transport, November 2008. Available at: https://www.scribd.com/ document/320813316/Fire-and-Life-Safety-Concept (Accessed 1 August 2017).

11. Ingason H., Gustavsson S., Dahlberg M.. Heat release rate measurements in tunnel fires. SP Report

1994:08. Borеs, Swedish National Testing and Research Institute, 1994. 64 p.

12. Haack A. Real fires and design fires. In: Proceedings of the Jornada Tйcnica sobre Fuego en Tъneles.

Barcelona, Spain, 5 May 2011.

13. Bo Si Zhang, Shou Xiang Lu. Numerical simulation and analysis of compartment fire in subway train.

Applied Mechanics and Materials, 2012, vol. 166-169, pp. 2726–2730. DOI: 10.4028/www.scienti- fic.net/AMM.166-169.2726.

14. Li Y. Z., Ingason H. A new methodology of design fires for train carriages based on exponential curve method. Fire Technology, 2016, vol. 52, issue 5, pp. 1449–1464. DOI: 10.1007/s10694-015-0464-3.

For citation: Danilov A. I., Maslak V. A., Vagin A. V., Sivakov I. A. Numerical simulation of a sub- way car fire. Pozharovzryvobezopasnost / Fire and Explosion Safety, 2017, vol. 26, no. 10, pp. 27–35

(in Russian). DOI: 10.18322/PVB.2017.26.10.27-35.

ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТЬ / FIRE AND EXPLOSION SAFETY 2017 ТОМ 26 № 10