С. В. Пузач; В. М. Мустафин; Р. Г. Акперов. Новый подход к расчету времени блокирования путей эвакуации по потере видимости в дыму при пожаре в помещении

Источник: Пожаровзрывобезопасность / Fire and Explosion Safety, 2021, 30(3):76–87; DOI: 10.22227/0869-7493.2021.30.03.76-87

URL: https://www.fire-smi.ru/jour/article/view/1000

PDF: https://www.fire-smi.ru/jour/article/download/1000/648

Авторские права на публикацию принадлежат авторам и редакции журнала «Пожаровзрывобезопасность»; полный текст приведён со ссылкой на первоисточник.

LIFE SAFETY

https://doi.org/10.22227/0869-7493.2021.30.03.76-87 ОРИГИНАЛЬНАЯ СТАТЬЯ / ORIGINAL PAPER

УДК 614.841

Новый подход к расчету времени блокирования путей эвакуации по потере видимости в дыму при пожаре в помещении

Академия Государственной противопожарной службы Министерства Российской Федерации по делам гражданской обороны, чрезвычайным ситуациям и ликвидации последствий стихийных бедствий (Россия, 129366, г. Москва, ул. Бориса Галушкина, 4)

Академия гражданской защиты им. М. Габдуллина МЧС Республики Казахстан (Республика Казахстан, 020000, г. Кокшетау, ул. Акан Серэ, 136)

АННОТАЦИЯ

Введение. Точность расчета дальности видимости при пожаре в помещении существенно зависит от величины дымообразующей способности веществ и материалов, полученной экспериментально в маломасштабных установках. Поэтому для нахождения дальности видимости в полномасштабном помещении актуальной задачей является разработка метода расчета, позволяющего учесть масштабный фактор и не использующего удельный коэффициент дымообразования.

Цели и задачи. Целью данной работы является разработка нового подхода к расчету времени блокирования

путей эвакуации по потере видимости, учитывающего масштабный фактор и не использующего удельный коэффициент дымообразования. Для ее достижения проведен анализ схем развития пожара в маломасштабном и полномасштабном помещениях, для этих схем получены теоретические зависимости среднеобъемной оптической плотности дыма от других среднеобъемных параметров газовой среды помещения и выполнено сравнение результатов расчетов по полученным зависимостям с экспериментальными данными.

Методы. Решение нестационарных уравнений законов сохранения энергии газовой среды в помещении,

оптической плотности дыма и массы кислорода при закрытой и открытой схемах тепломассообмена в помещении. Проведение огневых испытаний в маломасштабной установке. Сравнение теоретических и экспериментальных данных.

Результаты. Получены аналитические зависимости среднеобъемной оптической плотности дыма от изменения среднеобъемной температуры и среднеобъемной парциальной плотности кислорода для закрытой и открытой схем протекания пожара в помещении. Проведена серия огневых испытаний кабелей ВВГнг при различной плотности падающего на образец теплового потока. Получены экспериментальные зависимости от времени оптической плотности дыма и удельного коэффициента дымообразования. Выполнено сравнение результатов расчета среднеобъемной оптической плотности дыма по предложенным аналитическим выражениям с экспериментальными данными.

Выводы. Предлагается использовать экспериментальные зависимости среднеобъемной оптической плотности дыма от изменения среднеобъемной температуры или среднеобъемной парциальной плотности кислорода, полученные в маломасштабной установке, не решая дифференциального уравнения закона сохранения оптической плотности дыма.

Ключевые слова: дымообразующая способность; коэффициент дымообразования; оптическая плотность дыма; горение; дальность видимости

Для цитирования: Пузач С.В., Мустафин В.М., Акперов Р.Г. Новый подход к расчету времени блокирования путей эвакуации по потере видимости в дыму при пожаре в помещении // Пожаровзрывобезопасность/Fire and Explosion Safety. 2021. Т. 30. № 3. С. 76–87. DOI: 10.22227/0869-7493.2021.30.03.76-87

Пузач Сергей Викторович, e-mail: puzachsv@mail.ru

A new approach to calculating the time to the blocking of the escape routes due to the loss of visibility in the smoke of an indoor fire

The State Fire Academy of the Ministry of Russian Federation for Civil Defense, Emergencies and Elimination on Consequences of Natural Disasters (Borisa Galushkina St., 4, Moscow, 129366, Russian Federation)

76 POZHAROVZRYVOBEZOPASNOST/FIRE AND EXPLOSION SAFETY 2021 VOL. 30 NO. 3

БЕЗОПАСНОСТЬ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ

Academy of Civil Protection. M. Gabdullina Ministry of Emergency Situations of the Republic of Kazakhstan (Akan Sera St., 136, Kokshetau, 020000, Republic of Kazakhstan)

ABSTRACT

Introduction. The accuracy of the visibility analysis in the event of an indoor fire strongly depends on

the smoke-generating ability of substances and materials obtained experimentally in small-scale units. Therefore, the task is to develop a method of analysis that takes account of the scale factor and does not use the specific coefficient of smoke generation to identify the range of visibility in a full-scale room.

Goals and objectives. The goal of the research project is a new approach to the calculation of the time to the blocking of the escape routes due to the loss of visibility with due regard for the scale factor and without regard for the specific coefficient of smoke generation.

To achieve this goal, the analysis of fire development patterns in small-scale and full-scale rooms was carried out;

theoretical dependences between the volumetric average optical smoke density and other volumetric average parameters of the indoor gas environment were obtained for these patterns, and calculation results, based on the obtained dependences, were compared with the experimental data.

Methods. Methods, employed by the co-authors, included solving non-stationary equations based on the principle of conservation of indoor gas energy, optical density of smoke and oxygen mass for the cases of closed and open-type indoor heat and mass transfer. Fire tests were conducted in a small-scale facility. Theoretical and experimental data were compared.

Results. Analytical dependences between the volumetric average optical density of smoke, a change in the volumetric average temperature, and the volumetric average partial oxygen density for closed and open indoor fire patterns were obtained.

The series of fire tests involving the PVC insulated and sheathed bare (coverless) cable, exposed to the effect of the varying density incident heat flux, were carried out. Experimental dependences between the time, the optical density of smoke, and the specific coefficient of smoke generation were obtained.

The obtained volumetric average optical density of smoke was compared with the experimental data using the proposed analytical expressions.

Conclusions. The co-authors suggest using experimental dependences between the volumetric average optical

density of smoke, changes in the volumetric average temperature or the volumetric average partial oxygen density obtained in a small-scale facility without solving the differential equation based on the principle of conservation of optical density of smoke.

Keywords: smoke generation ability; smoke generation coefficient; optical density of smoke; burning; visibility range

For citation: Puzach S.V., Mustafin V.M., Akperov R.G. A new approach to calculating the time to the blocking of the escape routes due to the loss of visibility in the smoke of an indoor fire. Pozharovzryvobezopasnost/

Fire and Explosion Safety. 2021; 30(3):76-87. DOI: 10.22227/0869-7493.2021.30.03.76-87 (rus).

Sergey Viktorovich Puzach, e-mail: puzachsv@mail.ru

Введение                                     Кроме того, значения коэффициента дымообразования, получаемые стандартным методом (по ГОСТ
Математическое моделирование термогазодинамики пожара позволяет оценить степень опасности                             12.1.044–891, п. 4.18), используемым при сертифинахождения человека в здании [1–7]. Согласно ра-                          кации, существенно отличаются от значений, приботам [8–12], в большинстве случаев снижение ви-                          веденных в базе данных [8]. Поэтому повышение
димости в дыму достигает критических значений                             качества проведения огневых испытаний по опрераньше других опасных факторов пожара.                                    делению дымообразующей способности веществ
Точность расчета дальности видимости суще-                            и материалов, надежность измерительного оборудоственно зависит от величины дымообразующей                                вания и методов обработки полученных результатов
способности [8, 13, 14] веществ и материалов, по-                         являются актуальными и достаточно сложными налученной экспериментально. Дымообразующая                                 учными задачами.
способность, в свою очередь, зависит от химиче-                               Вышеуказанные испытания проводятся в малоского состава и физических параметров пожарной                            масштабных экспериментальных установках. Для иснагрузки [11, 15], а также на данный показатель су-                       пользования полученных данных при расчете оптичещественно влияют параметры газовой среды поме-                            ской плотности дыма в полномасштабном реальном
щения и количество окислителя [13, 16–18].                                помещении необходимо в первую очередь учитывать
В России при расчете времени блокирования
ГОСТ 12.1.044–89. Система стандартов безопасности труда.
путей эвакуации опасными факторами пожара ис-                             Пожаровзрывоопасность веществ и материалов. Номенклатупользуется база данных типовой пожарной на-                               ра показателей и методы их определения : утвержден и введен
в действие постановлением Государственного комитета СССР
грузки [8]. Однако для большинства современных                            по управлению качеством продукции и стандартам от 12 де­
веществ и материалов такие данные отсутствуют.                            кабря 1989 г. № 3683.

LIFE SAFETY

масштабный фактор. Однако научного обоснования             Ψ — массовая скорость выгорания горючего матакого подхода в литературных источниках нет.              териала, кг/с;
Целью работы является разработка нового подхо-         QHP — низшая рабочая теплота сгорания горюда к расчету времени блокирования путей эвакуации          чего материала, Дж/кг;
по потере видимости, учитывающего масштабный               φ — коэффициент теплопотерь от газовой срефактор и не использующего удельный коэффициент             ды объема в его стенки;
дымообразования.                                           μm — среднеобъемная оптическая плотность
Для достижения цели необходимо решить сле-            дыма, Нп/м;
дующие задачи:                                             Dm — удельный коэффициент дымообразова-
●● провести анализ схем развития пожара в мало-            ния горючего материала, Нп·м2/кг;
масштабном и полномасштабном помещениях;                    — среднеобъемная парциальная плот-
●● получить для этих схем теоретические зависи-            ность кислорода, кг/м3;
мости среднеобъемной оптической плотности                  — удельный коэффициент потребления
дыма от других среднеобъемных параметров              кислорода.
газовой среды помещения;                              Совместно решая уравнения (1) и (2) и учитывая,
●● сравнить результаты расчетов по полученным          что в герметичном объеме ρm ≈ ρa, можно получить
зависимостям с экспериментальными данными.        зависимость среднеобъемной оптической плотности
дыма от изменения среднеобъемной температуры:
Зависимости среднеобъемной                                                                      (4)
оптической плотности дыма от изменения
где                        — коэффициент просреднеобъемной температуры
порциональности, Нп/(м×К);
и среднеобъемной парциальной плотности                    ρa — плотность воздуха в объеме перед горекислорода                                  нием, кг/м3;
Рассмотрим две схемы термогазодинамики по-             Ta — температура воздуха в объеме перед горежара:                                                      нием, К.
●● горение в условно герметичном объеме (мало-             После совместного решения уравнений (2) и (3)
масштабные экспериментальные установки для         получаем зависимость среднеобъемной оптической
получения параметров процесса горения веществ      плотности дыма от изменения среднеобъемной пари материалов (закрытая термодинамическая си-       циальной плотности кислорода:
стема [12, 15]) или полномасштабные помещения                                                      (5)
с малой величиной проемности);
●● проемы помещения работают только на выброс          где               — коэффициент пропорциональгаза наружу (начальная стадия пожара в полно-          ности, Нп∙м2/кг;
масштабном помещении или маломасштабные                      — среднеобъемная парциальная плотэкспериментальные установки для получения па-          ность кислорода в воздухе, кг/м3.
раметров процесса горения веществ и материалов         Из уравнений (4) и (5) видно, что величина
(открытая термодинамическая система [12, 15]).     среднеобъемной оптической плотности дыма прямо
В условно герметичном объеме законы сохра-         пропорциональна изменениям среднеобъемной темнения энергии, оптической плотности дыма и массы       пературы и среднеобъемной парциальной плотнокислорода соответственно имеют вид [8]:                сти кислорода, а также она не зависит от размеров
помещения. Поэтому зависимости (4) и (5) могут
;      (1)   использоваться при расчете как в маломасштабном,
так и в полномасштабном помещении.
;              (2)       В случае аналитического решения интегральной модели, когда проемы работают только на выброс газовой среды помещения наружу, аналитиче-
(3)   ские решения на основе законов сохранения энергии
где τ — время, с;                                      для оптической плотности дыма и массы кислорода
Tm — среднеобъемная температура, К;               соответственно имеют вид [8]:
cp — удельная изобарная теплоемкость газовой
;              (6)
среды, Дж/(кг∙К);
ρm — среднеобъемная парциальная плотность
газовой среды, кг/м3;
;          (7)
η — полнота сгорания;

78 POZHAROVZRYVOBEZOPASNOST/FIRE AND EXPLOSION SAFETY 2021 VOL. 30 NO. 3

БЕЗОПАСНОСТЬ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ

В результате совместного решения уравнений
, (8)   (7) и (8) можно получить зависимость среднеобъемной оптической плотности дыма от изменения
где                                — характерная оптиче-        среднеобъемной парциальной плотности кислорода:
ская плотность, Нп/м;                                                                                             (10)
— размерный комплекс, кг;                                                  где                             — коэффициент пропорциональности, Нп‧м /кг.2
n — показатель степени, зависящий от вида го-
Из уравнений (9) и (10) видно, что величина
рючего материала (твердый или жидкий) и хасреднеобъемной оптической плотности дыма прямо
рактера процесса выгорания;
пропорциональна относительному изменению сред-
A — размерный комплекс, зависящий от вида                   необъемной температуры и изменению среднеобъгорючего материала (твердый или жидкий)                     емной парциальной плотности кислорода. Поэтому
и характера процесса выгорания, кг/сn.                      зависимости (9) и (10) могут использоваться при
Совместно решая уравнения (6) и (7), можно                  расчете как в маломасштабном, так и в полномасполучить зависимость среднеобъемной оптической                  штабном помещении.
плотности дыма от относительного изменения сред-                     Таким образом, в рассматриваемых схемах тернеобъемной температуры:                                         могазодинамики пожара величину среднеобъемной
оптической плотности дыма можно рассчитывать,
(9)    не решая уравнение закона ее сохранения.
Для экспериментальной проверки прямой прогде                                        — коэффициент        порциональности величины среднеобъемной оптипропорциональности, Нп/м;                                 ческой плотности дыма от изменения среднеобъем-
ρa — плотность воздуха в объеме перед горе-               ной температуры и среднеобъемной парциальной
нием, кг/м3;                                              плотности кислорода были проведены эксперимен-
Ta — температура воздуха в объеме перед горе-             тальные исследования на маломасштабной установнием, К.                                                  ке [12, 15].

2 1

6 7

Рис. 1. Схема модифицированной экспериментальной установки [12, 15]: 1 — камера сгорания; 2 — переходной рукав;

3 — экспозиционная камера; 4 — лазерный модуль; 5 — термопары; 6 — зонд отбора газа; 7 — вентилятор; 8 — фоточувствительный элемент; 9 — электронные весы; 10 — держатель образца; 11 — электронагревательный излучатель; 12 — регистрирующая аппаратура

Fig. 1. The diagram of a modified experimental facility [12, 15]: 1 — combustion chamber; 2 — adapter hose; 3 — exposure chamber; 4 — laser module; 5 — thermocouples; 6 — a gas extraction probe; 7 — fan; 8 — photosensitive element; 9 — electronic scales; 10 — sample holder; 11 — electric heating emitter; 12 — recording equipment

LIFE SAFETY

Описание экспериментальной установки Определение величины оптической плотности и исходных данных при проведении дыма аналогично стандартному методу основано огневых испытаний на законе Бугера – Ламберта – Бера [20] и выполняется по формуле:

Коэффициент дымообразования строительных и отделочных материалов определяется с использо- (11) ванием стандартного метода (по ГОСТ 12.1.044–89, п. 4.18). Однако данный метод имеет ряд существен- где L — длина пути луча света в задымленной сре­ ных недостатков [15]. Поэтому в целях определения де, м;

коэффициента дымообразования, необходимого для I0, Imin — соответственно, значения начального расчета времени блокирования путей эвакуации и конечного светопропускания, %.

по потере видимости в дыму на объектах энерге- Коэффициент дымообразования определялся тики, используем модифицированную эксперимен- по следующему выражению (ГОСТ 12.1.044–89, тальную установку [12, 15], схема которой пред- п. 4.18):

ставлена на рис. 1. V I

Согласно работам [17, 19], в зависимости Dm = ln 0 , (12)

Lm I min от размеров помещения и типа горючего материгде V — объем экспозиционной камеры, м3;

ала при проведении огневых испытаний могут m — масса образца, кг.

создаваться различные по величине тепловые по-

В качестве образцов для огневых испытаний токи. Также считается, что при среднем пожаре был выбран кабель ВВГнг. Данный выбор был обос­ величина теплового потока, падающего на обранован тем, что одной из основных пожарных нагрузец, составляет 35 кВт/м2 [17, 19]. Использованная зок на объектах энергетики является кабельная проустановка позволяет проводить огневые испытания дукция, а в базе данных типовой пожарной нагрузки при различной плотности падающего на образец

[8] представлены только шесть видов кабелей. Ветеплового потока.

личины удельных коэффициентов дымообразования этих кабелей варьируются от 407 до 850 Нп·м2/кг, что составляет достаточно большой разброс.

Испытания для определения дымообразующей способности сначала проводились на образцах стандартного размера (4 × 4 см2) вместе с токопроводящей частью, как показано на рис. 2. Однако такое количество горючего материала по отношению к объему экспозиционной камеры оказалось избыточным, так как фотометрическая система должна обеспечивать измерение светового потока в ра-

Рис. 2. Образцы кабеля ВВГнг для проведения огневых ис- бочем диапазоне светопропускания от 2 до 90 % пытаний с площадью обогрева Sо = 16 см2

(по ГОСТ 12.1.044–89, п. 4.18), но в данных усло-

Fig. 2. Samples of the PVC insulated and sheathed bare виях светопропускание достигало 0 % практически

(coverless) cable used in the fire tests with a heating area of

Sh = 16 cm2 сразу после начала огневого испытания.

Рис. 3. Образцы кабеля ВВГнг для проведения огневых испытаний с площадью обогрева Sо = 1 см2

Fig. 3. Samples of the PVC insulated & sheathed bare (coverless) cable used in the fire tests with a heating area of Sh = 1 cm2

80 POZHAROVZRYVOBEZOPASNOST/FIRE AND EXPLOSION SAFETY 2021 VOL. 30 NO. 3

БЕЗОПАСНОСТЬ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ

Поэтому было принято решение уменьшить Dm, Нп·м2/кг / Dm, Np·m2/kg размер образца (рис. 3) до величины, при которой значение минимального светопропускания попа- дало в рабочий диапазон (по ГОСТ 12.1.044–89, п. 4.18). Однако данный размер образца (площадь поверхности Sо = 1 см2) привел к тому, что за время 900 850 достижения светопропусканием 0 % среднеобъем- 635

600 556 578,6 ная парциальная плотность кислорода практически не изменялась. Поэтому на данной установке, рабо- тающей по условно герметичной схеме, проверить экспериментально зависимость оптической плотно- 1 2 3 4 5 6 7 8

сти дыма от концентрации кислорода не представ- Рис. 4. Гистограмма значений дымообразующей способноляется возможным. Однако при работе установки сти из базы данных типовой пожарной нагрузки [4] и усредненных значений, полученных на новой экспериментальной по проточной схеме [21] в дальнейшем такие экспеустановке [3, 11] и установке по ГОСТ 12.1.044–89 п. 4.18:

рименты будут выполнены. 1 — резинотехнические изделия (резина и изделия из нее)

Образцы с уменьшенной площадью обогрева [4]; 2 — кабельный подвал/лоток кабели АВВГ + АПВГ [4];

были испытаны при различной плотности падаю- 3 — электрокабель АВВГ ПВХ оболочка + изоляция [4]; 4 — электрокабель АПВГ ПВХ оболочка + полиэтилен [4]; 5 — щего теплового потока, а именно при 20, 25, 35, 50 телефонный кабель ТПВ ПВХ + полиэтилен [4]; 6 — провода и 65 кВт/м2. в резиновой изоляции типа КПРТ, ПТ, ВПРС [4]; 7 — кабель

Также огневые испытания данного материала + провода 0,75(АВВГ, АПВГ, ТПВ) + 0,25 (КПРТ, ПР, ШРПС) проводились на стандартной установке (по ГОСТ [4]; 8 — кабель ВВГнг (экспериментальная установка) [3, 11];

9 — кабель ВВГнг (стандартная установка ГОСТ 12.1.044–89

12.1.044–89, п. 4.18) для сравнения коэффициента п. 4.18) дымообразования. Размеры образцов для проведения

Fig. 4. A histogram of the smoke generation ability, extracted испытаний на обеих установках были идентичны. from the database of standard fire loads [4] and averaged values obtained in the new experimental unit [3, 11] and the unit

Обработка и анализ результатов made according to GOST 12.1.044-89 p. 4.18: 1 — Rubber products: rubber, rubber products [4]; 2 — Cable basement / огневых испытаний tray, AVVG + APVG cables [4]; 3 — Electric cable AVVG PVC

Обработка данных огневых испытаний осу- shell + insulation [4]; 4 — Electric cable APVG PVC shell +

+ polyethylene [4]; 5 — Telephone cable TPV PVC + polyethylene ществлялась при помощи программы MS Excel.

[4]; 6 — Wires having rubber insulation such as KPRT, PT, VPRS

Значения удельного коэффициента дымообра- [4]; 7 — Cable + wires 0.75 (AVVG, APVG, TPV) + 0.25 (KPRT, зования при различном тепловом воздействии, по- PR, SRPS) [4]; 8 — PVC insulated & sheathed bare (coverless) лученные на данной экспериментальной установке, reduced fire hazard rating cable ( an experimental unit) [3, 11];

9 — PVC insulated & sheathed bare (coverless) cable (GOST представлены в таблице.

12.1.044-89 p. 4.18)

Из таблицы видно, что величина удельного коэффициента дымообразования существенно зависит периментальной установки. Поэтому использование от плотности падающего на образец теплового по- вышеуказанной величины при решении уравнений тока, т.е. от режима горения в камере сгорания экс- закона сохранения оптической плотности дыма (2) и (7) требует дополнительного обоснования ее вы-

Значения дымообразующей способности бора при расчете пожара в полномасштабном поме-

Smoke generation ability values щении.

Показатель Значения Из таблицы видно, что среднее значение ко-

Indicator Values эффициента дымообразования для кабеля ВВГнг равно 578,6 Нп·м2/кг. Это значение существенно

Плотность отличается от величины 1675 Нп·м2/кг, полученной падающего на стандартной установке по ГОСТ 12.1.044–89.

теплового потока, 20 25 35 50 кВт/м2 Сравнение полученной величины удельного

Incident heat flux коэффициента дымообразования со значениями density, kW/m2 в базе данных [8] представлено на рис. 4, из которо-

Коэффициент го видно, что использование стандартной установки дымообразования, по ГОСТ 12.1.044–89 приводит к существенно завы-

Нп‧м2/кг 412 634 632 628 587 шенным значениям вышеуказанного коэффициента.

Smoke generation Экспериментальные зависимости от времени coefficient, Np‧m2/kg проведения экспериментов удельного коэффициента

LIFE SAFETY

Dm, Нп·м2/кг / Dm, Np·m2/kg Dm, Нп·м2/кг / Dm, Np·m2/kg Dm, Нп·м2/кг / Dm, Np·m2/kg

500 800

450

400

350

300

250 400

200

100

50 τ, мин 0 τ, мин 0 τ, мин

0 2 4 6 8 10 τ, min 0 2 4 6 8 10 τ, min 0 2 4 6 8 10 τ, min a b c

Dm, Нп·м /кг / Dm, Np·m /kg

2 2 Dm, Нп·м /кг / Dm, Np·m /kg

2

800

300

200

100

0 τ, мин τ, мин

10 τ, min

0 2 4 6 8 0 2 4 6 8 10 τ, min d e

Рис. 5. Зависимости удельного коэффициента дымообразования от времени проведения экспериментов при плотности теплового потока: а — 20 кВт/м2; b — 25 кВт/м2; c — 35 кВт/м2; d — 50 кВт/м2; e — 65 кВт/м2

Fig. 5. Dependences between the specific smoke generation coefficient and the time of experiments at the heat flux density: a — 20 kW/m2, b — 25 kW/m2, c — 35 kW/m2; d — 50 kW/m2; e — 65 kW/m2

μm, Нп/м / μm, Np/m                                        μm, Нп/м / μm, Np/m                                                   μm, Нп/м / μm, Np/m
1,2 2
1,8
1                                                   1,6                                                                       2,5
0,8                                                  1,4
1,2
0,6                                                    1                                                                       1,5
0,8
0,4
0,6
0,2                                                  0,4                                                                       0,5
τ, мин 0,2                                                      τ, мин                                                          τ, мин
0    2     4        6        8       10 τ, min 0           0       2       4       6             8   10 τ, min                0              2     4          6   8   10 τ, min
a                                                               b                                                                          c
μm, Нп/м / μm, Np/m                                                 μm, Нп/м / μm, Np/m
3                                                                  2,5

2,5

1,5

1,5

0,5

0,5 τ, мин τ, мин

0

0 2 4 6 8 10 τ, min 0 2 4 6 8 10 τ, min d e

Рис. 6. Зависимости оптической плотности дыма от времени проведения экспериментов при плотности теплового потока: а —

20 кВт/м2; b — 25 кВт/м2; c — 35 кВт/м2; d — 50 кВт/м2; e — 65 кВт/м2

Fig. 6. Dependences between the optical density of smoke and the time of experiments at the heat flux density: a — 20 kW/m2, b —

25 kW/m2, c — 35 kW/m2; d — 50 kW/m2; e — 65 kW/m2

82 POZHAROVZRYVOBEZOPASNOST/FIRE AND EXPLOSION SAFETY 2021 VOL. 30 NO. 3

БЕЗОПАСНОСТЬ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ

μm, Нп/м / μm, Np/m                                                              дымообразования показаны на рис. 5, от оптической
2,5                                                                                          плотности дыма –– на рис. 6.
Для оценки адекватности использования уравнения (2) интегральной модели на рис. 7 показаны результаты сопоставления расчетных величин
среднеобъемной оптической плотности дыма с их
1,5                                                                                          экспериментальными значениями при плотности
теплового потока 65 кВт/м2. При этом в качестве
1                  исходных данных к уравнению (2) использовались
1                                                                                        экспериментальные значения удельного коэффициента дымообразования и массовой скорости выгорания горючего материала.
0,5                                                                                               Из рис. 7 видно, что совпадение расчета с экспериментом — удовлетворительное для инженерного
τ, мин         метода расчета. Существенное расхождение после
0 1 2 3 4 5 6
τ, min         прохождения 100 с с начала процесса объясняется
тем, что в этот момент времени были открыты ши-
Рис. 7. Зависимости оптической плотности дыма от времени проведения экспериментов при плотности теплового                                              берные отверстия в экспозиционной камере для удапотока 65 кВт/м2: 1 — эксперимент; 2 — расчет (уравне-                                             ления дыма, и процесс горения перестал проходить
ние (2))                                                                                           в герметичном объеме.
Fig. 7. Dependences between the optical density of smoke and                                            Экспериментальные и теоретические (выражеthe time of experiments at a heat flux density of 65 kW/m2: 1 —                                    ние (4)) зависимости среднеобъемной оптической
experiment; 2 — calculation (equation (2))                                                         плотности дыма от изменения среднеобъемной тем-

μm, Нп/м / μm, Np/m μm, Нп/м / μm, Np/m μm, Нп/м / μm, Np/m

1,2 2 3,5

1,8

1

1,6

0,8 1,4 2,5

1,2

0,6

0,8 1,5

0,4

0,6

0,2 0,4

0,5

ΔT, K 0,2 ΔT, K ΔT, K

0 ΔT, K 0 ΔT, K 0 ΔT, K

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 0 3 6 9 12 15 18 21 24 a b c

μm, Нп/м / μm, Np/m μm, Нп/м / μm, Np/m

3

2,5

2

1,5

1

0,5
ΔT, K                                                          ΔT, K
0                                                   ΔT, K         0                                                ΔT, K
0        5       10       15       20        25                   0   5    10   15          20   25       30
d                                                           e

Рис. 8. Зависимости оптической плотности дыма от изменения среднеобъемной температуры при плотности теплового потока:

а — 20 кВт/м2; b — 25 кВт/м2; c — 35 кВт/м2; d — 50 кВт/м2; e — 65 кВт/м2; штриховая линия — эксперимент; сплошная линия — расчет с использованием выражения (4)

Fig. 8. Dependences between the optical density of smoke and changes in the volumetric average temperature at the heat flux density:

a — 20 kW/m2; b — 25 kW/m2; c — 35 kW/m2; d — 50 kW/m2; e — 65 kW/m2; dashed line — the experiment; solid line — the calculation performed using expression (4)

LIFE SAFETY

пературы при различных плотностях теплового по-                   парциальной плотности кислорода в каждый
тока представлены на рис. 8.                                      момент времени;
Из рис. 8 видно, что расчетные зависимости              ●●   расчет по существующей методике [8] величисреднеобъемной оптической плотности дыма от из-                   ны оптической плотности дыма на высоте раменения среднеобъемной температуры качественно                    бочей зоны путей эвакуации в каждый момент
соответствуют экспериментальным зависимостям.                     времени, по которой по известной формуле [8]
Отличия в количественных значениях отра-                     определяется дальность видимости.
жают то, что коэффициент теплопотерь в формуле
(4) не измеряется на данной установке, а принят                                     Выводы
равным его среднему экспериментальному значе-                    В предложенном экспериментально-теоретичению для данной установки, полученному в работе               ском подходе к расчету времени блокирования путей
[22].                                                        эвакуации по потере видимости при пожаре в полно-
Таким образом, расчет времени блокирования              масштабном помещении предлагается использовать
путей эвакуации по потере видимости при пожаре               экспериментальные зависимости среднеобъемной
в полномасштабном помещении без использования                оптической плотности дыма от изменения среднеуравнений закона сохранения оптической плотно-               объемной температуры или среднеобъемной парцисти дыма (2) и (7) можно проводить следующим                 альной плотности кислорода, полученные в маломасобразом:                                                     штабной экспериментальной установке.
●● нахождение зависимостей от времени средне-                    При этом отпадает необходимость решения
объемной температуры или среднеобъемной                 дифференциального уравнения закона сохранепарциальной плотности кислорода;                        ния оптической плотности дыма, в которое входит
●● определение величины среднеобъемной опти-                 удельная дымообразующая способность, сущеческой плотности дыма по величине средне-               ственно зависящая от условий проведения экспериобъемной температуры или среднеобъемной                 мента.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Александренко М.В., Акулова М.В., Ибрагимов А.М. Математическое моделирование пожара // Международный научно-исследовательский журнал. 2015. № 4–1 (35). C. 28–29.

URL: https://research-journal.org/technical/matematicheskoe-modelirovanie-pozhara.

2. Ярош А.С., Чалаташвили М.Н., Кроль А.Н., Попова Е.А., Романова В.В., Сачков А.В. Анализ математических моделей развития опасных факторов пожара в системе зданий и сооружений // Вестник научного центра по безопасности работ в угольной промышленности/

Industrial safety. 2019. № 1. С. 50–56.

3. Dennai B., El M., Khelfaoul R. Numerical investigation of flow dynamic in mini-channel: case of a mini diode Tesla // Fluid Dynamics & Materials Processing. 2016. Vol. 12 (3). Pp. 102–110.

DOI: 10.3970/fdmp.2016.012.102

4. Du J., Wu X., Li R., Cheng R. Numerical simulation and optimization of a mid-temperature heat pipe exchanger // Fluid Dynamics & Materials Processing. 2019. Vol. 15 (1). Pp. 77–87.

DOI: 10.32604/fdmp.2019.05949

5. Ihdene M., Malek T.B., Aberkane S., Mouderes M., Spiterri P., Abderrahmane G. Analytical and numerical study of the evaporation on mixed convection in a vertical rectangular cavity // Fluid

Dynamics & Materials Processing. 2017. Vol. 13 (2). Pp. 85–105.

6. Ja A., Cheddadi A. Numerical simulation of thermosolutal convective transitions in a very narrow porous annulus under the influence of Lewis Number // Fluid Dynamics & Materials Processing.

2017. Vol. 13 (4). Pp. 235–249. DOI: 10.3970/fdmp.2017.013.235

7. Triveni M.K., Panua R. Numerical study of natural convection in a right triangular enclosure with sinusoidal hot wall and different configurations of cold walls // Fluid Dynamics & Materials

Processing. 2018. Vol. 14 (1). Pp. 1–21. DOI: 10.3970/fdmp.2018.014.001

8. Кошмаров Ю.А. Прогнозирование опасных факторов пожара в помещении : учебное пособие. М. : Академия ГПС МВД России, 2000. 118 с.

9. Колодяжный С.А., Переславцева И.И. Математическое моделирование динамики основных опасных факторов в начальной стадии пожара // Известия Казанского государствен-

84 POZHAROVZRYVOBEZOPASNOST/FIRE AND EXPLOSION SAFETY 2021 VOL. 30 NO. 3

БЕЗОПАСНОСТЬ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ

ного архитектурно-строительного университета. 2014. № 4 (30). С. 403–412. URL: https:// elibrary.ru/item.asp?id=23419307

10. Husted B.P., Carlsson J., Goransonn U. Visibility through inhomogeneous smoke using CFD proceedings of interflam. Edinburgh, 2004. Pp. 697–702.

11. Драйздейл Д. Введение в динамику пожаров / пер. с англ. М. : Стройиздат, 1990. 424 c.

12. Мустафин В.М., Пузач С.В. Влияние начальной освещенности и дымообразующей способности на расчетное время блокирования путей эвакуации по потере видимости // Без­ опасность жизнедеятельности. 2020. № 2. С. 17–22.

13. Orzel R.A. Toxicological aspects of firesmoke: polymer pyrolysis and combustion // Occupational

Medicine. 1993. Vol. 8 (3). Pp. 414–429.

14. Пузач С.В., Смагин А.В., Лебедченко О.С., Абакумов Е.С. Новые представления о расчете необходимого времени эвакуации людей и об эффективности использования портативных фильтрующих самоспасателей при эвакуации на пожарах. М. : Академия ГПС МЧС

России, 2007. 222 с.

15. Мустафин В.М., Пузач С.В., Акперов Р.Г. Влияние условий проведения испытаний в камере сгорания мелкомасштабной экспериментальной установки на дымообразующую способность древесины // Пожаровзрывобезопасность/Fire and Explosion Safety. 2020. Т. 29.

№ 1. С. 23–31. DOI: 10.18322/PVB.2020.29.01.23-31

16. Rasbash D.J., Drysdale D.D. Fundamentals of smoke production // Fire Safety Journal. 1982.

Vol. 5. Issue 1. Рp. 77–86.

17. Барботько С.Л., Вольный О.С. Оценка тепловыделения при горении электрических кабелей // Пожаровзрывобезопасность/Fire and Explosion Safety. 2016. Т. 25. № 11. С. 35–44.

DOI: 10.18322/PVB.2016.25.11.35-44

18. Пузач С.В. Методы расчета тепломассообмена при пожаре в помещении и их применение при решении практических задач пожаровзрывобезопасности. М. : Академия ГПС МЧС

России, 2005. 336 с.

19. Mouritz A.P., Gibson A.G. Fire properties of polymer composite materials. Dordrecht, Netherlands :

Springer, 2006. 398 p.

20. Widmann J.F. Evaluation of the planck mean absorption coefficients for radiation transport through smoke // Combustion Science and Technology. 2003. Vol. 175. Pp. 2299–2308.

DOI: 10.1080/714923279

21. Пузач С.В., Сулейкин Е.В. Новый теоретико-экспериментальный подход к расчету распространения токсичных газов при пожаре в помещении // Пожаровзрывобезопасность/Fire and Explosion Safety. 2016. Т. 25. № 2. С. 13–20. DOI: 10.18322/PVB.2016.25.02.13-20

22. Пузач С.В., Акперов Р.Г. Экспериментальное определение удельного коэффициента образования монооксида углерода при пожаре в помещении // Пожаровзрывобезопасность/Fire and Explosion Safety. 2016. Т. 25. № 5. С. 18–25. DOI: 10.18322/PVB.2016.25.05.18-25

REFERENCES

1. Aleksandrenko M.V., Akulova M.V., Ibragimov A.M. Mathematical modelling of the fire.

Meždunarodnyj naučno-issledovatel’skij žurnal /International research journal. 2015; 4-1(35):28-29.

URL: https://research-journal.org/technical/matematicheskoe-modelirovanie-pozhara/ (rus).

2. Yarosh A.S., Chalatashvili M.N., Krol A.N., Popova E.A., Romanova V.V., Sachkov A.V. The system of buildings and structures dangerous fire factors development mathematical models alysis.

Bulletin of research center for safety in coal industry/Industrial safety. 2019; 1:50-56. (rus).

3. Dennai B., El M., Khelfaoul R. Numerical investigation of flow dynamic in mini-channel: case of a mini diode Tesla. Fluid Dynamics & Materials Processing. 2016; 12(3):102-110. DOI: 10.3970/ fdmp.2016.012.102

4. Du J., Wu X., Li R., Cheng R. Numerical simulation and optimization of a mid-temperature heat pipe exchanger. Fluid Dynamics & Materials Processing. 2019; 15(1):77-87. DOI: 10.32604/ fdmp.2019.05949

5. Ihdene M., Malek T.B., Aberkane S., Mouderes M., Spiterri P., Abderrahmane G. Analytical and numerical study of the evaporation on mixed convection in a vertical rectangular cavity.

Fluid Dynamics & Materials Processing. 2017; 13(2):85-105. DOI: 10.3970/fdmp.2017.013.235

LIFE SAFETY

6. Ja A., Cheddadi A. Numerical simulation of thermosolutal convective transitions in a very narrow porous annulus under the influence of Lewis Number. Fluid Dynamics & Materials Processing. 2017;

13(4):235-249. DOI: 10.3970/fdmp.2017.013.235

7. Triveni M.K., Panua R. Numerical study of natural convection in a right triangular enclosure with sinusoidal hot wall and different configurations of cold walls. Fluid Dynamics & Materials Processing.

2018; 14(1):1-21. DOI: 10.3970/fdmp.2018.014.001

8. Koshmarov Yu.A. Forecasting of fire hazards in the case of indoor fire. Moscow, State Fire Academy of Emercom of Russia Publ., 2000; 118. (rus).

9. Kolodyazhny S.A., Pereslavtseva I.I. Mathematical modeling of the dynamics of the main hazards in the initial stage of fire. News of the Kazan State University of Architecture and Engineering. 2014;

4(30):403-412. URL: https://elibrary.ru/item.asp?id=23419307 (rus).

10. Husted B.P., Carlsson J., Goransonn U. Visibility through Inhomogeneous smoke using CFD Proceedings of Interflam. Edinburgh, 2004; 697-702.

11. Drayzdel D.D. An introduction to fire dynamics. Chichester, John Wiley and Sons, 1985.

12. Mustafin V.M., Puzach S.V. The effect of primary illumination and smoke-forming ability on the estimated time of blocking escape routes because of poor visibility. Bezopasnostʼ zhiznedeyatelʼnosti/

Life Safety. 2020; 2:17-22. (rus).

13. Orzel R.A. Toxicological aspects of firesmoke: polymer pyrolysis and combustion. Occupational

Medicine. 1993; 8(3):414-429.

14. Puzach S.V., Smagin A.V., Lebedchenko O.S., Abakumov E.S. New ideas about the calculation of ne­ cessary time of evacuation of people and the effectiveness of using a portable filter self-rescuers during evacuation at fires. Moscow, State Fire Academy of Emercom of Russia Publ., 2007; 222. (rus).

15. Mustafin V.M., Puzach S.V., Akperov R.G. Influence of conditions in the combustion chamber of small-scale installation on smoke generating ability of wood. Pozharovzryvobezopasnost/Fire and

Explosion Safety. 2020; 29(1):23-31. DOI: 10.18322/PVB.2020.29.01.23-31 (rus).

16. Rasbash D.J., Drysdale D.D. Fundamentals of smoke production. Fire Safety Journal. 1982; 5(1):77-86.

17. Barbotko S.L., Volnyy O.S. Heat release assessment at burning electric cables. Pozharovzryvobez­ opasnost/Fire and Explosion Safety. 2016; 25(11):35-44. DOI: 10.18322/PVB.2016.25.11.35-44

(rus).

18. Puzach S.V. Methods for calculating the heat and mass exchange in a fire in the room and their application in solving practical tasks of fire and explosion protection. Moscow, State Fire Academy of Emercom of Russia Publ., 2005; 336. (rus).

19. Mouritz A.P., Gibson A.G. Fire properties of polymer composite materials. Dordrecht, Netherlands,

Springer, 2006; 398. (rus).

20. Widmann J.F. Evaluation of the planck mean absorption coefficients for radiation transport through smoke. Combustion Science and Technology. 2003; 175:2299-2308. DOI: 10.1080/714923279 (rus).

21. Puzach S.V., Suleykin E.V. New united theoretical and experimental approach to the calculation of the distribution of toxic gases in case of fire in the room. Pozharovzryvobezopasnost/Fire and Explosion Safety. 2016; 25(2):13-20. DOI: 10.18322/PVB.2016.25.02.13-20 (rus).

22. Puzach S.V., Akperov R.G. Experimental determination of the specific coefficient of release of carbon monoxide during a fire in the room. Pozharovzryvobezopasnost/Fire and Explosion Safety. 2016;

25(5):18-25. DOI: 10.18322/PVB.2016.25.05.18-25 (rus).

Поступила 30.01.2021, после доработки 15.02.2021;

принята к публикации 02.03.2021

Received January 30, 2021; Received in revised form February 15, 2021;

Accepted March 2, 2021

Информация об авторах                                      Information about the authors
ПУЗАЧ Сергей Викторович, д-р техн. наук, профессор,             Sergey V. PUZACH, Dr. Sci. (Eng.), Professor, Honoured Sciзаслуженный деятель науки РФ, начальник кафедры инже-           entist of the Russian Federation, Head of Thermal Physics and
нерной теплофизики и гидравлики, Академия Государствен-         Hydraulic Department, The State Fire Academy of the Ministry
ной противопожарной службы Министерства Российской              of Russian Federation for Civil Defense, Emergencies and Elimi-
Федерации по делам гражданской обороны, чрезвычайным            nation on Consequences of Natural Disasters, Moscow, Russian
ситуациям и ликвидации последствий стихийных бедствий,          Federation; ID RISC: 18265; Scopus Author ID: 7003537835; Re-

86 POZHAROVZRYVOBEZOPASNOST/FIRE AND EXPLOSION SAFETY 2021 VOL. 30 NO. 3

БЕЗОПАСНОСТЬ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ

г. Москва, Российская Федерация; РИНЦ ID: 18265; Scopus      searcherID: U-2907-2019; ORCID: 0000-0001-7234-1339; e-mail:
Author ID: 7003537835; ResearcherID: U-2907-2019; ORCID:     puzachsv@mail.ru
0000-0001-7234-1339; e-mail: pzachsv@mail.ru

МУСТАФИН Валихан Мухтарович, адъюнкт, Академия               Valikhan M. MUSTAFIN, Postgraduate Student, The State Fire
Государственной противопожарной службы Министерства Рос-     Academy of the Ministry of Russian Federation for Civil Defense,
сийской Федерации по делам гражданской обороны, чрезвычай-   Emergencies and Elimination on Consequences of Natural Disным ситуациям и ликвидации последствий стихийных бедствий,   asters, Moscow, Russian Federation; Lecturer of Operational and
г. Москва, Российская Федерация; преподаватель кафедры       Tactical Disciplines Department, Academy of Civil Protection. M.
оперативно-тактических дисциплин, Академия гражданской       Gabdullina Ministry of Emergency Situations of the Republic of
защиты им. М. Габдуллина МЧС Республики Казахстан, г. Кок-   Kazakhstan, Kokshetau, Republic of Kazakhstan; ORCID: 0000-
шетау, Республика Казахстан; ORCID: 0000-0001-8391-7241;     0001-8391-7241; e-mail: GeneralPK@bk.ru
e-mail: GeneralPK@bk.ru

АКПЕРОВ Руслан Гянджавиевич, канд. техн. наук, стар-         Ruslan G. AKPEROV, Cand. Sci. (Eng.), Senior Lecturer of Fire
ший преподаватель кафедры пожарной безопасности в стро-      Safety in Building Department, The State Fire Academy of the
ительстве, Академия Государственной противопожарной          Mi­nistry of Russian Federation for Civil Defense, Emergencies
службы Министерства Российской Федерации по делам            and Elimination on Consequences of Natural Disasters, Moscow,
гражданской обороны, чрезвычайным ситуациям и ликвида-       Russian Fe­deration; ID RISC: 766879; ORCID: 0000-0002-2524-
ции последствий стихийных бедствий, г. Москва, Российская    8710; e-mail: akperov01@mail.ru
Федерация; РИНЦ ID: 766879; ORCID: 0000-0002-2524-8710;
e-mail: akperov01@mail.ru