Обзор моделей для расчёта динамики развития опасных факторов пожара

Уральский Институт ГПС МЧС России

Материалы учебного семинара

«РАСЧЕТ ИНДИВИДУАЛЬНОГО ПОЖАРНОГО РИСКА ДЛЯ

ОБЩЕСТВЕННЫХ ЗДАНИЙ»

Екатеринбург 19-21 мая 2009 года

ОБЗОР МОДЕЛЕЙ ДЛЯ РАСЧЕТА ДИНАМИКИ РАЗВИТИЯ ОПАСНЫХ

ФАКТОРОВ ПОЖАРА

Карькин Илья Николаевич

Директор ООО «Ситис», кандидат физико-математических наук

В предыдущих докладах мы представили информацию по времени эвакуации, по тому, какие есть модели, какие нюансы расчетов. Сейчас мы переходим к блоку вопросов, связанных с расчетом динамики развития опасных факторов пожара. Сделаем обзор моделей.

Начнем с целей и задач, которые относятся к вопросам расчета динамики ОФП.

Цели и задачи

Цель – прогнозирование динамики изменения параметров газовой среды при пожаре:

опасных факторов, прогрева ограждающих конструкций, воздействия на людей и материальные ценности.

Задачи:

1. Определение критической продолжительности пожара, необходимого времени эвакуации, как было раньше, или времени блокирования.

2. Оценка пределов огнестойкости строительных конструкций.

3. Оценка параметров систем дымоудаления и приточной вентиляции.

4. Определение времени срабатывания детекторов систем пожарной безопасности.

В основном я остановлюсь на первой и немного третьей задаче. Обычно именно эти задачи наиболее широко распространены при достижении цели оценки изменения параметров опасных факторов пожара.

Опасные факторы пожара

Согласно Федеральному Закону №123 «Технический регламент о требованиях пожарной безопасности», существует шесть опасных факторов пожара:

1. Снижение видимости в дыму 20 м

2. Повышенная температура окружающей среды 70°С

3. Повышенная концентрация токсичных продуктов горения СО2 – 0,11 кг·м3; СО – 1,16·103 кг·м3; HCL – 23·10-6 кг·м3

4. Пониженное содержание кислорода 0,226 кг·м3

5. Тепловой поток 1400 Вт/м2

6. Пламя и искры

Красным цветом отмечены критические значения, согласно методике ВНИИПО. Эти критические значения, сразу могу сказать, были и в ГОСТ 12.1.004. Единственное, что здесь добавилось – это тепловой поток и его критическое значение. Здесь я их расположил, в таком порядке, в котором обычно наступает опасность. То есть наиболее опасным является снижение видимости.

Приведу ещё несколько цитат из Технического регламента, в которых упоминается о динамике опасных факторов пожара:

Статья 51. Цель создания систем противопожарной защиты

Пункт 2. Защита людей и имущества от воздействия опасных факторов пожара и (или) ограничение его последствий обеспечиваются снижением динамики нарастания опасных факторов пожара, эвакуацией людей и имущества в безопасную зону и (или) тушением пожара.

Здесь прямо сказано, что нужно снижать динамику нарастания опасных факторов пожара.

Статья 79. Нормативное значение пожарного риска для зданий, сооружений и строений

УриГПС МЧС России. Семинар «Расчет индивидуального пожарного риска для общественных зданий».

19-21 мая 2009 года. Екатеринбург

Доклад «ОБЗОР МОДЕЛЕЙ ДЛЯ РАСЧЕТА ДИНАМИКИ РАЗВИТИЯ ОПАСНЫХ ФАКТОРОВ ПОЖАРА»Карькин И.Н.

Пункт 2. Риск гибели людей в результате воздействия опасных факторов пожара должен определяться с учетом функционирования систем обеспечения пожарной безопасности зданий, сооружений и строений.

Когда мы говорили о расчете времени эвакуации, я показывал форму для расчета вероятности эвакуации, в левую часть которой входит расчетное время эвакуации плюс время начала эвакуации, а в правую - время блокирования. Время блокирования для реального случая, особенно если у нас нет системы оповещения, будет очень маленьким, если не использовать какую-нибудь систему обеспечения пожарной безопасности, например, систему дымоудаления, либо подпора воздуха. Техрегламент четко говорит, что, мы должны определять динамику развития ОФП с учетом действия этих систем.

Моделирование динамики развития ОФП

Согласно методике, приложение 6, предлагается к использованию три модели динамики развития опасных факторов пожара:

1. Интегральная модель

2. Зонная

3. Полевая.

Основное их отличие – это степень детализации рассматриваемого процесса. На рисунке 10.1 степень детализации показана стрелкой. То есть, слева направо идет увеличение.

В случае интегральных моделей, моделирование производится таким образом, что мы можем узнать лишь усредненные значения, интересующих нас термодинамических параметров.

Например, при использовании интегральной модели, мы сможем узнать только среднюю

Рис.10.1. Моделирование динамики развития ОФП. температуру по всему помещению, в каждый момент времени.

Если мы будем использовать зонную модель, (как наиболее частый случай – двухзонная модель), то у нас производится усреднение в рамках каждой из рассматриваемых зон. Обычно, если смотреть двухзонную модель, верхняя зона – это зона задымления, там, где формируется дымовой слой. А нижняя зона – свободная. С течением времени, верхняя зона опускается вниз, производится оценка блокирования, на определенной высоте. В этом случае мы знаем среднее значение параметра, как в верхней зоне, так и в нижней.

И третья модель – полевая. Здесь предусматривается разделение пространства на большое количество маленьких объемов, сетку. И в рамках каждого из этих объемов производится численное решение уравнений сохранения энергии, массы, импульса. Благодаря этому, мы можем знать значение всех тех интересующих нас параметров: температуры, видимости и так далее, уже не в рамках какой-то одной зоны, среднего значения по объему, а в рамках каждого из этих объемов. Причем, чем меньше этот объем, тем может быть выше детализация, хотя, как говорилось в предыдущих докладах, совсем не обязательно.

Модели пожара и критерии их выбора

Если говорить о модели пожара, в методике ВНИИПО конкретно приводятся критерии их выбора. Я сейчас их перечислю:

Интегральный метод:

- для зданий и сооружений, содержащих развитую систему помещений малого объема простой геометрической конфигурации

УриГПС МЧС России. Семинар «Расчет индивидуального пожарного риска для общественных зданий».

19-21 мая 2009 года. Екатеринбург

Доклад «ОБЗОР МОДЕЛЕЙ ДЛЯ РАСЧЕТА ДИНАМИКИ РАЗВИТИЯ ОПАСНЫХ ФАКТОРОВ ПОЖАРА»Карькин И.Н.

- для помещений, где характерный размер очага пожара соизмерим с характерным размером помещения;

Эти критерии как раз и обусловлены спецификой самой модели, то, о чем я сказал. Я конечно еще подробнее на этом остановлюсь.

Зональный метод:

- для помещений и систем помещений простой геометрической конфигурации, линейные размеры которых соизмеримы между собой;

- для помещений большого объема, когда размер очага пожара существенно меньше размеров помещения;

- для рабочих зон, расположенных на разных уровнях в пределах одного помещения

(наклонный зрительный зал кинотеатра, антресоли и т.д);

Благодаря тому, что у нас есть верхний и нижний уровень, зоны, дымовой слой, мы можем на разных уровнях определить время блокирования. Тогда как, например, если вы помните интегральный аналитический метод, который был в ГОСТ 12.1.004, где было 4 формулы, позволяющие на основании экспоненциальной зависимости вывести из некоторого значения, значение на высоте рабочей зоны. Это конечно все было достаточно условно.

Полевой метод:

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

- для помещений, в которых один из геометрических размеров гораздо больше (меньше) остальных (тоннели, закрытые автостоянки большой площади и.т.д.);

На этот пункт я хочу обратить ваше внимание. Действительно, если геометрические размеры, один из геометрических размеров гораздо больше, чем другой, то двухзонная и интегральная модель, работают обычно плохо. Это выходит за области их применения. В этих случаях для корректного расчета приходится пользоваться только полевыми моделями.

Еще раз, кратко расскажу о том, в чем суть каждой из моделей.

Интегральная модель

Интегральная модель – это усреднение параметров среды внутри всего рассматриваемого объема. И для того, чтобы получить уже конкретные значения параметров, обычно используются какие-то дополнительные экспериментальные аналитические соотношения. Разумные результаты моделирования пожара на уровне усредненных характеристик можно получить в том случае, когда газовую среду с

Рис.10.2. Интегральная модель. достаточной степенью достоверности можно считать однородной, когда источник пожара настолько мощный, что дым от него полностью заполняет весь объем и можно считать, что все термодинамические характеристики имеют какие-то средние значения (рис.10.2).

Только в этом случае можно доверять результату моделирования по интегральной модели.

Это означает возможность решения при помощи интегральной модели следующих практических задач:

• задача оценки огнестойкости строительных конструкций в рамках осматриваемого объема, в котором мы проводим моделировании;

• задача определения времени блокирования путей эвакуации в небольших помещениях, где размер очага пожара уже на ранних стадиях развития пожара (первые 2-5 минут) соизмерим с площадью пола помещения. То есть, когда мы пользуемся интегральной моделью, все-таки предполагается, что площадь пожара соизмерима с площадью пола, пожар достаточно мощный.

Зонная модель

Зонная модель предполагает усреднение параметров, внутри каждого из слоев (рис.10.3). Но для

Рис.10.3. Зонная модель расчета также требуются дополнительные экспериментальные соотношения. Здесь уже упоминался конкретный пример двухзонной модели - CFAST, о котором я позже буду рассказывать.

И ряд ограничений, которые, в принципе, присущи практически любой двухзонной модели:

• Мощность не более 1 МВт на кубический метр, но достаточная для формирования дымового слоя. То есть, с одной стороны ограничения на максимальную площадь мощность источника пожара, с другой стороны - на минимальную.

• Отношение площади проемов к объему помещения не должно превышать 2 м² на м³.

В остальном двухзонная модель позволяет достаточно хорошо описывать динамику развития ОФП.

Если говорить про зонную модель, реализованную в программе CFAST, то она предназначена для оценки динамики опасных факторов пожара в жилых, общественных и промышленных зданиях. Также CFAST может использоваться для расчетного определения параметров противопожарных систем. То есть, в программе существует возможность задать противодымную естественную или механическую вентиляцию, пожарную сигнализацию и оценить параметры этих систем, каким образом они влияют на изменение динамики развития

ОФП.

Полевая модель

Ну и третья, полевая модель. Здесь поля температур, давлений и скоростей уже строятся за счет того, что мы рассчитываем все значения не в рамках усреднения какой-то зоны, а в рамках сетки, на которую мы разбили все наше пространство (рис.10.4).

Существует возможность расчета турбулентности. И в данном случае уже не требуется учет никаких априорных положений о структуре

Рис.10.4. Полевая модель. потока.

Но есть ряд ограничений.

• Регулярная геометрия. Это ограничение обусловлено непосредственно тем, что требуется разбивать на прямоугольники, весь рассматриваемый моделируемый объем.

• Полевая модель не предназначена для расчета взрывов.

А в целом, если говорить на примере полевой модели, реализованной в программе FDS, она может быть использована для широкого спектра научных и прикладных задач тепломассопереноса при пожаре. Например, для расчета времени блокирования путей эвакуации, для расчета огнестойкости, времени срабатывания спринтеров, других датчиков и так далее.

Подробно о каждой модели еще будет сделан отдельный доклад. Поэтому сейчас я достаточно коротко о них рассказал.

Использование моделей

А сейчас постараюсь привести абстрактный пример, демонстрирующий, какие результаты могут быть получены с использованием той или иной модели. Как они качественно и количественно отличаются.

Помещение – комната, где находится источник пожара, коридор и две комнаты, разные по высоте, выбрано специально (рис.10.5). Все они соединены дверями одинакового размера. Источник

Рис.10.5. Внешний вид модели.

пожара задан по всей площади комнаты, для того, чтобы соотнести результат расчета в интегральной модели по упрощенным аналитическим формулам с расчетом в полевой и зонной.

Давайте посмотрим, какие результаты получаются при моделировании.

УриГПС МЧС России. Семинар «Расчет индивидуального пожарного риска для общественных зданий».

19-21 мая 2009 года. Екатеринбург.

Доклад «ОБЗОР МОДЕЛЕЙ ДЛЯ РАСЧЕТА ДИНАМИКИ РАЗВИТИЯ ОПАСНЫХ ФАКТОРОВ ПОЖАРА»Карькин И.Н

На таблице «Параметры источника пожара» показывается, какая была задана пожарная нагрузка:

Таблица «Параметры источника пожара»

Параметр Обозна Единица Значение

-чение измерения параметра

Низшая теплота Hf МДж/кг 14,7 сгорания

Линейная скорость v м/с 0,0108 распространения пламени

Удельная массовая кг/м2с 0,0145 скорость выгорания

Дымообразующая Dm Нпм2/кг способность

Рис.10.6. График скорости тепловыделения.

Потребление Lo2 кг/кг 1,437 кислорода

Источник пожара, как я уже сказал,

Выделение Lco2 кг/кг 1,285 углекислого газа занимает всю площадь помещения, пожар

Выделение Lco кг/кг 0,0022 начинается в центре и распространяется угарного газа радиально. Параметры источника выбраны из

Коэффициент 0.93 справочника Ю.А. Кошмарова «Здания полноты сгорания первой и второй степени огнестойкости.

Мебель + ткани».

Здесь специально приведен график скорости тепловыделения (рис.10.6), я об этом еще более подробно расскажу, когда буду рассказывать про двухзонную модель. Очень важно контролировать расчетную и заданную мощность. Выбрав тот или иной параметр источника пожара, вы задаете, таким образом, скорость тепловыделения, но при проведении моделирование, она может и не совпадать с заданной. И очень важно проверять, чтобы то, что вы задали, соответствовало тому, что вы получаете в результате расчета. Почему могут быть несовпадения?

Например, может не хватать кислорода и пожар, за счет этого, не может развиться до той мощности, которую вы пытаетесь задать.

Рассмотрим результаты сравнения трех моделей.

Результаты сравнения

Здесь использован «СИТИС: Блок

1», реализующий упрощенную аналитическую интегральную модель,

CFAST, который реализует двухзонную модель и FDS (полевая).

Температура в помещении пожара (рис.10.7). Результат, который можно видеть на этом графике, зависимость температуры от времени, для трех моделей, получился очень хороший. Потому что интегральная и полевая модель достигают критического значения практически в одно и то же время, а двухзонная несколько раньше, в силу того, что дымовой слой опускается несколько быстрее, чем, если это посчитано по эмпирической зависимости, использованной в интегральной модели. Что демонстрирует этот результат? Что

Рис.10.7. Сравнение трех моделей: Блок1, CFAST, FDS. Температура. упрощенную аналитическую интегральную модель, действительно, можно использовать для оценки времени блокирования, в рамках ее области определения. В

УриГПС МЧС России. Семинар «Расчет индивидуального пожарного риска для общественных зданий».

19-21 мая 2009 года. Екатеринбург

Доклад «ОБЗОР МОДЕЛЕЙ ДЛЯ РАСЧЕТА ДИНАМИКИ РАЗВИТИЯ ОПАСНЫХ ФАКТОРОВ ПОЖАРА»Карькин И.Н.

приложении 6 последней версии методики, раньше просто была описана интегральная модель. Но затем, в последней редакции, включили все те же самые 4 формулы, которые были в ГОСТ

12.1.004, исправили ряд ошибок, которые там присутствовали. И, для таких простых расчетов, в рамках ее области определения (то есть одного помещения, высотой не более 6-ти метров), результат, мы видим, совпадает с полевой моделью.

Дальность видимости (рис.10.8).

Здесь, мы видим, что картина, получающаяся при моделировании с помощью полевой модели и интегральной, качественно совпадает, а количественно нет. Двухзонная модель находится опять же в хорошем согласовании с одной и с другой моделью. Но, для помещения пожара, если считать по дальности видимости, значения времени блокирования, отличаются в полтора раза между всеми моделями.

На следующих рисунках 10.9 и

10.10 представлены результаты уже по двум моделям, потому что это результаты уже следующих за помещением пожара, коридора и двух комнат. Если вы помните модель, там за

Рис.10.8. Сравнение трех моделей: Блок 1, CFAST, FDS. Дальность помещением был коридор и две видимости.

комнаты.

Рис.10.9. Сравнение двух моделей: CFAST, FDS.   Рис.10.11. Сравнение двух моделей: CFAST, FDS. Дальность
Температура.                                          видимости.

Получены следующие результаты:

• по температуре (рис.10.9). Здесь пунктирной линией изображены результаты расчета по зонной модели для каждой из комнат и для коридора, а сплошной линией для коридора и комнат рассчитаны по полевой модели. Вывод здесь однозначный: так как обе модели применены в рамках области их применения, то результаты по времени блокирования, по температуре при использовании двухзонной модели и полевой, совпадают.

• по дальности видимости (рис.10.10). Практически одинаковое время, во всяком случае, для коридора. Вы видите, что время, блокирования видимости на 20-ти метрах, рассчитанное в полевой модели, совпадает с двухзонной.

УриГПС МЧС России. Семинар «Расчет индивидуального пожарного риска для общественных зданий».

19-21 мая 2009 года. Екатеринбург

Доклад «ОБЗОР МОДЕЛЕЙ ДЛЯ РАСЧЕТА ДИНАМИКИ РАЗВИТИЯ ОПАСНЫХ ФАКТОРОВ ПОЖАРА»Карькин И.Н.

Пример с системой дымоудаления

И, в конце, хочу привести в качестве примера вариант, когда мы в ту же самую геометрию, в то же самое помещение, коридор и две комнаты, добавим систему дымоудаления

(рис.10.11 и 10.12). Например, нас не устраивает то время блокирования, которое получается в коридоре (90 секунд). И мы решили добавить в коридор систему дымоудаления.

В данном случае она представляет собой 10 вентиляционных отверстий, площадью 0,1 м каждое, с расходом воздуха на 0,1 м\с через каждое отверстие. Что мы видим в результате?

На комнату пожара система влияния не оказывает. Расчет сделан только с помощью двухзонной модели.

Пунктирной линией изображен расчет без системы дымоудаления, а сплошной линией - с дымоудалением. При расчете комнаты пожара время совпадает. А в

Рис.10.11. CFAST: с системой дымоудаления и без нее. Температура. коридоре, благодаря дополнительным параметрам, нам удалось увеличить время блокирования примерно в полтора раза, а по температуре (рис.10.11), можно сказать, даже в два. Значения по дальности видимости (рис.10.12) для комнаты пожара практически совпадают, а для коридора, следующего за комнатой, было 90 секунд, а с системой дымоудаления стало 140. То есть время блокирования в расчете мы увеличили в полтора раза, применяя систему дымоудаления.

Следующий рисунок 10.13 изображает, как это выглядит. Один и тот же промежуток времени: 40 секунд, без дымоудаления и с дымоудалением.

Вы видите, что в комнаты вообще дым практически не перешел, ну а в коридоре

Рис.10.12. CFAST: с системой дымоудаления и без нее. Дальность видимости.

тоже уровень несколько ниже. Этим примером я хотел продемонстрировать, что в принципе существует инструментарий, позволяющий выполнять приложения методики, выполнять расчеты динамики распространения опасных факторов пожара, как с учетом систем, так и без них. И соответственно оценивать время блокирования.

УриГПС МЧС России. Семинар «Расчет индивидуального пожарного риска для общественных зданий».

19-21 мая 2009 года. Екатеринбург.

Доклад «ОБЗОР МОДЕЛЕЙ ДЛЯ РАСЧЕТА ДИНАМИКИ РАЗВИТИЯ ОПАСНЫХ ФАКТОРОВ ПОЖАРА»Карькин И.Н

Рис.10.13. CFAST: с системой дымоудаления и без нее.

УриГПС МЧС России. Семинар «Расчет индивидуального пожарного риска для общественных зданий».

19-21 мая 2009 года. Екатеринбург.

Доклад «ОБЗОР МОДЕЛЕЙ ДЛЯ РАСЧЕТА ДИНАМИКИ РАЗВИТИЯ ОПАСНЫХ ФАКТОРОВ ПОЖАРА»Карькин И.Н