КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОЖАРА НА СКЛАДАХ С ВЫСОТНЫМ СТЕЛЛАЖНЫМ ХРАНЕНИЕМ ПРИ ПОМОЩИ ПРОГРАММЫ "FIRE DYNAMICS SIMULATOR"

2-14   Пожары и чрезвычайные ситуации: предотвращение, ликвидация

Астахов П. В., Волков С. А.

КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОЖАРА

НА СКЛАДАХ С ВЫСОТНЫМ СТЕЛЛАЖНЫМ ХРАНЕНИЕМ

ПРИ ПОМОЩИ ПРОГРАММЫ «FIRE DYNAMICS SIMULATOR»

В статье проанализированы процессы тепло- повыми объектами хранения и распреде- массопереноса на складах с высотным стеллажным ления тарно-штучных грузов практически хранением, влияющие на работу средств пожарной во всех отраслях народного хозяйства.

автоматики. Описана разработка математической модели исследуемого склада с использованием

В высотных стеллажных складах, в отли- программы «Fire Dynamics Simulator». Приемле- чие от обычных, пожароопасные грузы мая соотносимость результатов математического размещаются вертикально, к тому же их моделирования и огневых натурных наблюдений объёмы, как правило, весьма значитель- позволяет говорить о возможности применения ны. В таких условиях пожар развивается на практике математического и компьютерного чрезвычайно быстро и наносит большой моделирования.

материальный ущерб.

Ключевые слова: пожар, склад, высотное Исходя из зарубежного опыта в об- стеллажное хранение, автоматическая установка ласти проектирования автоматических пожаротушения, спринклерный ороситель, мате- установок пожаротушения для данных матическое моделирование.

объектов, нами было рассмотрено два подхода к защите складов с высотным стеллажным хранением:

К    омпьютерное моделирование
процессов горения всё чаще ис-
пользуется в научных разработках, на ста-
1) проектирование автоматических
установок пожаротушения с размеще-
нием спринклерных оросителей только
дии проектирования уникальных объек-                  под покрытием здания [2];
тов, а также при расследовании пожаров.                    2) проектирование автоматических
Развитие теории математического моде-                 установок пожаротушения с размеще-
лирования горения, а также увеличение                 нием спринклерных оросителей под по-
вычислительной мощности компьютеров                   крытием здания и на различных уровнях
позволило существенно сократить требуе-               по высоте стеллажей.
мые ресурсы, а также повысить точность                     При проектировании автоматиче-
моделирования. Одной из областей при-                 ских установок пожаротушения с разме-
менения результатов математического                   щением спринклерных оросителей только
моделирования динамики пожара являет-                 под перекрытием существует ряд слож-
ся прогнозирование алгоритмов работы                  ностей. Так, например, высота здания
средств пожарной автоматики (системы                  от пола до теплового замка оросителя
пожарной сигнализации, автоматические                 достаточно большая и может достигать
установки пожаротушения).                             14 метров, что значительно влияет на
На сегодняшний день на территории               время срабатывания установки пожаро-
Республики Беларусь большое внимание                  тушения в случае возникновения пожара,
уделяется обеспечению защиты логисти-                 а также обуславливает необходимость
ческих центров с высотными стеллаж-                   использования специальных оросителей,
ными складами (высота складирования                   обеспечивающих подачу огнетушащего
более 5,5 м) средствами пожарной авто-                вещества к нижнему ярусу складируемых
матики [1]. Такие склады становятся ти-               материалов.

Защита логистических центров

Для обеспечения данных требо-           дований Национального института стан-
ваний в мире применяют специальные           дартов и технологии (США) в кооперации
оросители типа ESFR («Early Suppression      с научно-исследовательскими организа-
Fast Response»). ESFR – это быстродей-       циями других стран. Программа реализу-
ствующие спринклеры с большой произ-         ет вычислительную гидродинамическую
водительностью, предназначенные для ту-      CFD-модель тепломассопереноса при го-
шения пожаров определённых классов           рении. Программа FDS численно реша-
пожарной опасности [2]. При их исполь-       ет уравнения Навье – Стокса для низко-
зовании необходимо учитывать одну            скоростных температурно-зависимых
особенность: в отличие от стандартных        потоков, позволяя получить картину
спринклеров они могут неправильно сра-       распространения дыма и теплопереда-
батывать при неверных проектных ре-          чи при пожаре. Математически модель
шениях или отклонениях от них. В связи       представляет собой систему уравнений
с этим следует принимать в расчёт требо-     в частных производных, включающую
вания, предъявляемые к автоматическим        уравнения сохранения массы, момента
установкам пожаротушения подобного           движения и энергии, которая решается
рода. Анализ нормативной базы Респу-         по трёхмерной регулярной прямоугольной
блики Беларусь в области проектирова-        сетке. Тепловое излучение рассчитыва-
ния автоматических установок пожаро-         ется методом конечных объёмов на той
тушения с использованием оросителей          же, что и для моделирования движения
типа ESFR показал, что требования проек-     дыма, сетке [3].
тирования к таким установкам на терри-            Основные уравнения математиче-
тории нашего государства отсутствуют.        ской модели, реализуемой FDS, отраже-
Для определения эффективности           ны в трудах Андерсона и др. [4]. Основ-
автоматических установок пожаротуше-         ной целью расчёта было определение
ния на складах с высотным стеллажным         следующих параметров:
хранением с использованием оросителей             – распределение температуры в по-
типа ESFR только под покрытием здания        мещении на начальном этапе возникно-
специалисты Научно-исследовательского        вения пожара;
института пожарной безопасности и проб-           – время срабатывания первого
лем чрезвычайных ситуаций МЧС Респуб-        спринклерного оросителя.
лики Беларусь провели исследования ре-            При проведении математического
жимов работы подобной установки.             расчёта тепломассообмена на основании
Одним из ключевых моментов иссле-       созданной модели задавались следующие
дования было обеспечение раннего сраба-      основные параметры: сетка, на которой
тывания спринклерных оросителей, по-         выполнялся расчёт, геометрия модели,
скольку этот фактор влиял на дальнейшую      поверхности и используемые материа-
эффективность автоматического пожаро-        лы, источник пожара и выходные данные,
тушения. Скорость срабатывания ороси-        которые нам необходимо было получить
телей зависит от многих факторов, таких      в результате расчёта. Для описания ис-
как использование оросителей быстрого        точника возгорания, поверхностей и при-
реагирования, схема их размещения и ме-      меняемых материалов использовались
сто возникновения очага возгорания.          справочники [5–7].
Одновременно с проведением натур-            Моделирование в FDS позволило
ных исследований была разработана мате-      получить картину распределения тепло-
матическая модель исследуемого склада        вых потоков в моделируемом помещении
с использованием программы «Fire Dyna-       на начальной стадии пожара. Результаты
mics Simulator» (FDS). FDS создана лабора-   математического моделирования с исполь-
торией строительных и пожарных иссле-        зованием FDS были проанализированы

2-14   Пожары и чрезвычайные ситуации: предотвращение, ликвидация

17 секунд с момента начала испытания

65 секунд с момента начала испытания, сработал спринклерный ороситель

126 секунд с момента начала испытания

Спустя 3 минуты 40 секунд с момента начала испытаний

Распределение тепловых потоков в помещении склада при проведении натурных исследований.

Состояние пожарной нагрузки соседних стеллажей

Защита логистических центров

и сопоставлены с результатами натурных                 моделирования является менее трудо-
испытаний (см. рисунок). Начало испы-                  ёмким, затратным и опасным по срав-
таний соответствует времени поджога                    нению с огневыми натурными исследо-
очага возгорания. Изображения справа                   ваниями. Использование на практике
получены с помощью тепловизора.                        FDS позволит обеспечить количествен-
Сравнение параметров температур-                  ное описание физико-химических явле-
ного распределения, полученного рас-                   ний при пожаре, зависящих от источ-
чётным путём, и температур, измеренных                 ника зажигания, геометрии помещений
в ходе эксперимента, показывает, что ре-               и вида горящих материалов. Эти данные
зультаты математического моделирова-                   могут быть эффективно использованы
ния динамики опасных факторов пожара,                  для прогнозирования динамики возмож-
описанные в данной статье, с приемле-                  ного пожара на стадии проектирования
мой точностью соотносятся с экспери-                   объектов, оптимизации средств пожар-
ментальными данными. Это позволяет                     ной автоматики, восстановления карти-
говорить об адекватности рассматрива-                  ны пожара при проведении экспертизы,
емой математической модели в рамках                    прогнозирования ущерба в зависимости
данных исследований.                                   от возможных сценариев развития по-
Таким образом, применение на прак-                жара, для обобщения полученных ранее
тике математического и компьютерного                   экспериментальных данных.

ЛИТЕРАТУРА
1. ТКП 45–2.02–190–2010. Пожарная авто-                4. Anderson D. A., Tannehill J. C., Pletcher R. H.
матика зданий и сооружений. Строительные нор-          Computational Fluid Mechanics and Heat Trans-
мы проектирования.                                     fer. – Hemisphere Publishing Corporation, Phila-
2. VdS CEA 4001:2008–11. Sprinkler Sys-         delphia, Pennsylvania, 1984.
tems: Planning and Installation.                              5. James G. Quintiere Fundamentals of Fire
3. McGrattan K. B., Hostikka S., Floyd J. E.,   Phenomena. – USA, John Wiley & Sons Ltd, 2006.
Baum H. R., Rehm R. G. Fire Dynamics Simula-                  6. Кошмаров Ю. А. Прогнозирование опас-
tor (Version 5), User’s Guide // NIST Special          ных факторов пожара в помещении. – М., 2000.
Publication 1019–5. – National Institute of Stan-             7. ТР–5044. Пожарная нагрузка. Обзор за-
dards and Technology, Gaithersburg, Maryland,          рубежных источников / Под ред. В. Ю. Грачёва. –
October 2007.                                          Екатеринбург: СИТИС, 2009.

2-14   Пожары и чрезвычайные ситуации: предотвращение, ликвидация

Astakhov P., Volkov S.

FIRE COMPUTER MODELLING IN WAREHOUSES

WITH HIGH-RISE SHELF STORAGE BY USING THE PROGRAM

“FIRE DYNAMICS SIMULATOR”

Purpose. The purpose of this research is                                   Research application field. The identified
examining calculation methods and analysing the                            features of heat-mass exchange in a fire in
physical processes connected with heat-mass transfer                       warehouses with high-rise shelf storage can be used
in warehouses with high-rise shelf storage in order                        in designing automatic fire-protection installations
to optimize the placement of automatic firefighting                        as well as in developing regulatory basis for planning
equipment. The object of the research includes the                         fire automatics systems.
process of heat conduction, convection and diffusion                               Conclusions. Mathematical modelling methods
in fires at warehouses with high-rise shelf storage.                       application provides quantitative description of
Methods. The methods of mathematical                               physical and chemical effects in a fire. These data can
physics and field calculation method for heat-                             be efficiently used for dynamics prediction of a fire
mass exchange estimation in a fire were applied                            at the stage of objects planning, optimization of fire
to conduct mathematical modelling.                                         automatics facilities, fire scene reconstruction during
Findings. Modelling in the “Fire Dynamics                          expert investigation.
Simulator” program gave a chance to get a distribution
pattern of thermal streams in a room at the initial
stage of a fire. The results of mathematical modelling                            Key words: fire, warehouse, high-rise shelf
of fire hazards dynamics with the acceptable accuracy                      storage, automatic fire protection installation,
correlate with the experimental data.                                      sprinkler, mathematical modelling.

REFERENCES
1. TKP 45–2.02–190–2010. Fire automatics of buildings                      5. Quintiere J. G. Fundamentals of fire phenomena. John
and constructions. Building design regulations. Minsk, 2010. (in Russ.).   Wiley & Sons Ltd, 2006.
2. VdS CEA 4001:2008–11. Sprinkler systems: Planning                       6. Koshmarov Yu.A. Prognozirovanie opasnykh faktorov
and installation. Brussels, 2011.                                          pozhara v pomeshchenii [Prediction of fire hazards in a room].
3. McGrattan K., Hostikka S., Floyd J., Baum H., Rehm R.           Moscow, Akademiia GPS MVD Rossii Publ., 2000. 118 p.
Fire Dynamics Simulator (Version 5), NIST Special Publication                      7. TR–5044. Fire load. Review of foreign sources.
1019–5, October 2007.                                                      Ekaterinburg, 2009. (in Russ.).
4. Anderson D., Tannehill J., Pletcher R. Computational
fluid mechanics and heat transfer. Philadelphia, Hemisphere Publ.
Corp., 1984.

Candidate of Physical and Mathematical Sciences, Associate Professor

Pavel Astakhov

Gomel Engineering Institute of EMERCOM of Belarus, Gomel, Belarus

Research Institute of Fire Safety and Emergencies of EMERCOM of Belarus,

Sergei Volkov

Minsk, Belarus