МОДЕЛИРОВАНИЕ И РАСЧЕТ ПОЖАРА В ПОМЕЩЕНИЯХ БИБЛИОТЕК.

С быстрым развитием компьютерных технологий моделирование вычислительной гидродинамики стало широко применяться для исследования турбулентных потоков, таких как пожар. Методы турбулентности, обычно используемые в моделях, включают в себя усредненное по Рейнольдсу уравнение Навье-Стокса [19].

Таким образом, возрастает важность математического моделирования. Особое внимание следует уделить тем моделям, которые способны оценить пожарную опасность для тестирования систем противопожарной защиты.

Изменение температуры во времени называется температурным режимом пожара. Есть несколько основных моделей, которые описывают температурный режим при пожаре в замкнутом пространстве:

1. Дифференциальная;

2. Зонная;

3. Интегральная.

Дифференциальная модель является наиболее полной, в которой материальный и энергетический баланс пожара представлен в виде дифференциальных уравнений [9]. Данная модель позволяет определять на любой стадии развития пожара температуру пожара в произвольной точке помещения. Точность результатов зависит от принятых при расчетах допущений. Если учесть все факторы, которые влияют на тепло и масообмен, может быть полученный довольно точный результат. Работа с данной моделью сопряжена с использованием вычислительной техники так как используются сложные математические расчеты.

Однако экспериментальное исследование пожаров очень дорогостоящее и экологически небезопасно, поэтому единственный способ изучения фронта пламени, условий и скорости распространения пожаров остается математическое моделирование на ПК.

В исследовании [19] проанализирована динамика пожара в здании и концентрация загрязняющих веществ при различных условиях вентиляции. Метод моделирования больших вихрей был использован для исследования параметров пожара внутри помещения и в шлейфе, который возникает у внешней стены здания. Авторы используют этот метод моделирования, поскольку он может предсказать неустойчивость и прерывистость структуры турбулентности, которая является наиболее важной характеристикой сильного потока, вызванного возгоранием. Гидродинамическая модель численно решает форму приближенных уравнений Навье-Стокса для низкоскоростной жидкости с тепловым приводом. Она описывает низкоскоростное движение газа, вызываемое химическим тепловыделением.

Температура дыма в работе использовалась для отображения роста теплового режима в отсеке. Возгорание возникло в результате воспламенения пара, образовавшегося над поверхностью масла для жарки в период нагрева. Позже пожар быстро распространился по всей поверхности стены здания. Радиационные и конвективные тепловые потоки на поверхности кухонных шкафов были вызваны пиролизом целлюлозы. Летучие вещества, высвобождаемые в процессе пиролиза, проходят через поры древесных частиц и смешиваются с окружающим воздухом. Далее пламя распространялось по поверхности шкафов, обеспечивая быстрое улетучивание. Также в статье была выполнена модель изучения динамики пожара и параметров шлейфа внутри и за пределами отсека здания. Результаты моделирования показывают, что образование продуктов горения в отсеке в значительной степени зависит от количества O2. Температурный эффект преобладает только в случае хорошо проветриваемых условий. Температура в отсеке изменяется с повышением температуры огненного шлейфа и полным окислением пожарной нагрузки до CO2 и H2O внутри шлейфа. Полученные результаты также показывают, что на параметры наружного шлейфа влияет разница температур пламени пожара, шлейфа и окружающего воздуха. Из-за смешивания более холодного воздуха и горячих продуктов горения как температура шлейфа, так и концентрация загрязняющих веществ снижаются с увеличением вертикального расстояния над пожарным отсеком. В работе [18] основное внимание уделяется поведению пламени вверх по потолку на самом крутом участке наклонного потолка. Повышение температуры, скорости, а также тепловые и импульсные толщины потока по Гауссу в этой ситуации принимаются в качестве основных параметров. В статье толщина теплового пограничного слоя и толщина пограничного слоя импульса определяются как расстояние между поверхностью потолка и точкой с максимальной температурой. Вдоль вертикальной центральной оси дымохода было зафиксировано расстояние между низом топливного поддона и наклонным потолком. Характеристики потока потолочной струи были измерены с помощью термопар и системы измерения скорости изображения частиц. Однако применимость разработанных формул к реальной ситуации требуют подтверждения. Соответственно, цель настоящего исследования в статье состоялась в том, чтобы изучить достоверность этих соотношений с помощью тестовых задач. Результат исследования – проведена серия испытаний на огнестойкость с использованием плоского, неограниченного натяжного потолка и источника зажигания, расположенного на максимальном расстоянии от потолка до 3,0 м. Было подтверждено, что предложенные формулы применимы к полномасштабному сценарию и описывают поведение пламени наиболее точно. Подобные модели могут быть использованы для составления прогнозов поведения реальных пожаров в помещениях, для разработки мер по предупреждению и устранению пожаров в случае их возникновения. Авторы статьи [73] анализирует поведение перемещающихся пожаров, в больших отсеках здания и последующую реакцию конструкции во время пожара. Методика перемещающихся пожаров в отсеке делит пожарный отсек на две области: ближнее поле, где происходит горение, и открытая конструкция непосредственно к движущемуся локализованному огню; дальнее поле, где структура либо подвергается предварительному нагреву из-за образования слоя горячего газа, либо подвергается медленному остыванию после того, как огонь прекратился.

Несмотря на эти отдельные области, в большинстве примеров, выполненных с использованием перемещающихся пожаров, коэффициент конвективной теплопередачи в дальней зоне имеет постоянное значение и равен эквиваленту, который используется для моделирования конвективного нагрева при стандартном воздействии огня (единичная область пожара с коэффициентом 25 Вт/[м²К]). Это способствует предварительному нагреву конструкций перед воздействием ближнего поля и это приводит к тому, что перемещающиеся пожары могут сильно повреждать конструкции зданий. В пожарно-строительной экспертизе было признано, что перемещающиеся пожары могут оказывать и другое более опасное воздействие на конструкции здания, а в следствие представлять угрозу человеку. Таким образом, имеется интерес исследовать эту проблему как экспериментально, так и с помощью численных расчетов и математических моделей, чтобы можно было выяснить физические процессы, участвующие в таком явлении. Тем самым, подчеркивает автор, моделирование и численный расчет позволяет наиболее точно понимать возникновение и распространение пожаров в отсеках здания и оценивать температурные пределы конструкций здания для предотвращения чрезвычайных ситуаций.

В последние годы наука о пожарах и их процессах протекания быстро продвинулась вперед в связи с увеличением количества исследований в этой области. Немало книг написано о новейших достижениях по этим аспектам в рамках инженерной науки о горении. Книги, написанные ведущими экспертами, направлена на определение роли огня в спектре науки о горении. В основном авторы книг освещают темы твердофазного горения, турбулентного диффузионного пламени. Также подробно исследуются последствия возгорания внутри ограждения от возгорания через перекрытие и до полностью развившейся фазы. В тексте используются различные методы и методики с учетом химического состава пожаров, а также рассматриваются последние исследования в области численного моделирования пожаров в ограждениях. Такой литературой, в основном, интересуются специалисты по горению, занимающиеся вопросами пожарной безопасности и противопожарной защиты [12].

Однако инновационные открытия продолжают совершенствоваться и сложно представить наш мир без современных технологий. Благодаря численному решению задач и математическому моделированию можно наиболее точно изучить процессы, протекающие в пожаре Для решения проблемы представляются расчеты для различных значений параметров, которые в определенной системе заменяются значениями модели [13].

Экспериментальное исследование процессов развития пожара проводилось в помещении с размерами 6 м * 6 м * 6 м (Рисунок 4). Стены были выполнены из красного кирпича на цементно-песчаном растворе. Верхнее перекрытие выполнено в виде рамы из стальных швеллеров, облицованной сверху и снизу стальными листами. Нижняя поверхность этого перекрытия, обращенная внутрь помещения, была покрыта слоем огнеупорной штукатурки по металлической сетке. Над перекрытием находилось помещение второго этажа [13].

Рисунок 4 – Геометрическая схема экспериментального помещения

1 – оконные проемы; 2 – платформа весов для материалов пожарной нагрузки; 3 – начальный очаг горения; 4 – датчики устройства контроля перемещения фронта пламени

Экспериментальное помещение имело два оконных проема, расположенных друг над другом в середине одной из стен помещения. На одной из боковых стен экспериментального помещения имелся дверной проем, необходимый для подготовки опытов. В момент начала опытов этот проем закрывался металлической дверью.

Во всех опытах начальный очаг пожара создавался в центре слоя сгораемого материала.

Помещение, где проводился опыт было оборудовано специальными устройствами для определения температуры газа более, чем в 40 точках – внутри помещения, в сечениях каждого проема, поверхности ограждения, оконные проемы. Параметры, которые измерялись – температура уходящих газов, температура поверхностей, плотность теплового потока, скорости потоков газов и воздуха, распределение статического давления, концентрация кислорода и т.п. [14].

Измерение площади пожара и линейной скорости распространения пламени по поверхности горючего материала.

Система датчиков, установленных на поверхности горючего материала, была использована для измерения площади горной породы и линейной скорости распространения пламени. Датчик представлял собой пару разомкнутых контактов под электрическим напряжением. Расстояние между этими контактами было выбрано на основе специальных экспериментов и составило 1,5 см. Каждая пара контактов подключена к цепи с источником постоянного тока и неоновой лампой. Когда фронт пламени приближался к датчику, проводимость была обусловлена газификацией пламени и горением горючего материала. В тот момент, когда электрическая цепь была замкнута, загорелась неоновая лампа на индикаторной панели. Этот момент был зафиксирован часами со второй шкалой [14].

По полученным в эксперименте данным о координатах фронта пламени в каждый момент времени вычислялись площадь пожара и линейная скорость распространения пламени по поверхности пола.

На поверхности потолка было установлено девятнадцать, а на поверхности пола девять температурных датчиков. Датчики температуры, установленные на поверхностях ограждений, были изготовлены из хромель-алюмелевой проволоки диаметром 0,7 м [13].

Результаты экспериментов.

1. Проведенные при вышеуказанных условиях экспериментальные исследования процесса развития пожара показали, что температура уходящего через проем газа отличается от измеренной в тот же момент времени среднеобъемной температуры среды, заполняющей помещение.

2. В результате экспериментальных исследований был получен обширный материал о характере распределения давления внутри камеры на разных стадиях развития пожара.

3. На основе результатов измерений расходов газов через проемы и распределений давлений по высоте помещения были получены данные о расходных коэффициентах проемов.

4. Экспериментальные исследования показали, что концентрация кислорода в уходящем через проем газе отличалась от измеренной в тот же момент среднеобъемной концентрации.

5. На основе результатов измерений были получены данные о коэффициентах полноты сгорания при различных стадиях развития пожара.

Сравнение теории с опытом.

Теоретические расчеты процессов развития пожара в помещении проводились путем численного решения системы уравнений:

При численном решении системы уравнений, описывающих развитие пожара, использовались полученные опытным путем зависимости скорости выгорания материалов и средней температуры поверхностей ограждений от времени. Расчеты проводились на компьютере. Для интегрирования системы дифференциальных уравнений, описывающих развитие пожара, использовалась схема Эйлера. Экспериментальные данные хорошо согласуются с результатами теоретических расчетов.