МЕТОДЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПОЖАРА

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОЖАРА — разработка математической модели пожара и соответствующей программы расчета, их усовершенствование (отладка) и проведение расчетов (вычислительный эксперимент) [1].

Математическая модель пожара (см. ПОЖАР) — приближенное описание совокупности процессов, его сопровождающих, и основанное на законах сохранения. Моделирование пожара необходимо для получения информации по развитию пожара в случае его возникновения, воздействию ОФП (см. ОПАСНЫЕ ФАКТОРЫ ПОЖАРА) и выявлению последствий пожара. Полученная при этом информация позволяет принять эффективные меры по противопожарной защите объекта (см. СИСТЕМА ПРОТИВОПОЖАРНОЙ ЗАЩИТЫ) [1].

Рисунок 1. Моделирование распространения пожара

Математическое моделирование пожара

Моделирование пожара в помещениях основано на представлении пожара как физического явления передачи тепла и массы в соответствующих условиях его развития. Условия развития пожара характеризуются видом пожарной нагрузки (см. ПОЖАРНАЯ НАГРУЗКА) и конструктивно-планировочными характеристиками здания (помещения).

По типу математического аппарата различают следующие модели:

· детерминированные;

· вероятностные;

· смешанные (детерминированные – вероятностные);

· имитационные.

I. Наиболее эффективным инструментом прогноза и изучения пожаров являются детерминированные математические модели

Наряду с детерминированным моделированием следует отметить и вероятностные оценки распространения пожара на основе статистической обработки данных по реальным пожарам.

Детерминированные математические модели.

Все многообразие детерминированных математических моделей развития пожара в помещениях (внутренние пожары) можно разделить на три группы:

· интегральные (модели первого поколения);

· зонные (модели второго поколения);

· полевые (CFD) (модели третьего поколения).

1. Интегральные математические модели

Интегральный (однозонный) метод является наиболее простым методом моделирования пожаров. Суть интегрального метода заключается в том, что состояние газовой среды оценивается через осредненные по всему объему помещения термодинамические параметры. Соответственно, температура ограждающих конструкций и другие подобные параметры оцениваются как осредненные по поверхности [2].

Рисунок 2. Структура интегральной модели

В интегральных методах расчета и моделирования находятся среднеобъемные величины:

· температуры (см. ТЕМПЕРАТУРА);

· плотности, массовых концентраций кислорода (см. КИСЛОРОД);

· токсичных продуктов горения (см. ТОКСИЧНОСТЬ ПРОДУКТОВ ГОРЕНИЯ);

· огнетушащего вещества (см. ОГНЕТУШАЩЕЕ ВЕЩЕСТВО);

· оптической концентрации дыма;

· средние температуры ограждающих конструкций и усредненные характеристики тепло- газообмена через проемы.

Рисунок 3. Схема теплообмена: 1 – стены; 2 – перекрытие; 3 – открытый проем; 4 – горючий материал; 5 – очаг горения; 6 – нейтральная плоскость; 7 – система пожаротушения; 8 – механическая приточно-вытяжная вентиляция

Область применения интегрального метода, в которой предсказанные моделью параметры пожара можно интерпретировать как реальные, практически ограничивается объемными пожарами, когда из-за интенсивного перемешивания газовой среды локальные значения параметров в любой точке близки к среднеобъемным. За пределами возможностей интегрального метода оказывается моделирование пожаров, не достигших стадии объемного горения (см. ГОРЕНИЕ), и особенно моделирование процессов, определяющих пожарную опасность при локальном пожаре. Наконец, в ряде случаев даже при объемном пожаре распределением локальных значений параметров пренебрегать нельзя.

Преимущества:

· быстрый и низко трудоемкий инженерный расчет динамики опасных факторов пожара (см. ОПАСНЫЕ ФАКТОРЫ ПОЖАРА).

Недостатки:

· область корректного применения интегральной модели (по объемам и геометрии помещений, расположению горючего материала и т. д.) является нерешенной проблемой;

· необходимость использования дополнительной экспериментальной информации или моделей более высокого уровня (зонных или полевых) для получения распределения параметров тепломассообмена по объему помещения;

· величины ОФП на уровне рабочей зоны не зависят от вида, свойств, места расположения горючего материала (см. ГОРЮЧИЕ ВЕЩЕСТВА И МАТЕРИАЛЫ) и геометрии помещений.

2. Зонные математические модели

Развитие пожара можно описать достаточно детально с помощью зонных (зональных) моделей, основанных на предположении о формировании в помещении двух слоев (см. ЗОНА ПОЖАРА):

· верхнего слоя продуктов горения (задымленная зона);

· нижнего слоя невозмущенного воздуха (свободная зона).

Таким образом, состояние газовой среды в зональных моделях оценивается через осредненные термодинамические параметры не одной, а нескольких зон, причем межзонные границы обычно считаются подвижными.

Рисунок 4. Структура зонной модели

В зонных методах расчета определяются среднезонные величины:

· температуры;

· плотности, массовых концентраций кислорода;

· токсичных продуктов горения;

· огнетушащего вещества (см. ОГНЕТУШАЩЕЕ ВЕЩЕСТВО);

· оптической концентрации дыма;

· средние температуры ограждающих конструкций и усредненные характеристики тепло- газообмена через проемы.

Рисунок 5. Схема теплообмена: 1 – стены; 2 – перекрытие; 3 – открытый проем; 4 – горючий материал; 5 – очаг горения; 6 – нейтральная плоскость; 7 – система пожаротушения; 8 – механическая приточно-вытяжная вентиляция, I, II, III

Однако при создании зонных моделей необходимо делать большое количество упрощений и допущений, основанных на априорных предположениях о структуре потока. Такая методика не применима в тех случаях, когда отсутствует полученная из пожарных экспериментов информация об этой структуре и, следовательно, нет основы для зонного моделирования. Кроме того, часто требуется более подробная информация о пожаре, чем осредненные по слою (зоне) значения параметров.

Преимущества:

· быстрый и низко трудоемкий инженерный расчет динамики опасных факторов пожара;

· используются закономерности теплового и гидродинамического взаимодействия струйного течения со строительными конструкциями с условным разбиением на характерные области (критическая точка, область ускоренного течения, переходная область и область автомодельного течения).

Недостатки:

· область корректного применения зонной модели (по объемам и геометрии помещений; расположению горючего материала и т. д.) является нерешенной проблемой;

· необходимость использования дополнительной экспериментальной информации или модели более высокого уровня (полевой) для получения распределения параметров тепломассообмена по объемам зон помещения;

· в случае сложной термогазодинамической картины пожара основных допущений зонной модели (равномерно прогретый притолочный слой и т. д.) не соответствуют реальным условиям.

3. Полевые математические модели

Полевые модели являются более мощным и универсальным инструментом, чем зональные; они основываются на совершенно ином принципе.

Рисунок 6. Полевая модель пожара

Вместо одной или нескольких больших зон в полевых моделях выделяется большое количество (обычно тысячи или десятки тысяч) маленьких контрольных объемов, никак не связанных с предполагаемой структурой потока. Для каждого из этих объемов с помощью численных методов решается система уравнений в частных производных, выражающих принципы локального сохранения массы, импульса, энергии и масс компонентов. Таким образом, динамика развития процессов определяется не априорными предположениями, а исключительно результатами расчета [3].

Естественно, что такие модели, по сравнению с интегральными и зональными, требуют значительно больших вычислительных ресурсов.

В настоящее время создан целый ряд компьютерных программ, реализующих полевой метод моделирования, которые достаточно точно описывают поля скоростей, температур и концентраций на начальной стадии пожара.

Преимущества:

· полевая модель представляет возможность рассмотрения динамики развития опасных факторов пожара во всем здании (на всем этаже, в группе помещений);

· полевая модель позволяет с достаточной точностью прогнозировать динамику развития опасных факторов пожара в атриумных зданиях и тоннелях, т. е. в объемах, где одна из координат значительно отличается от двух остальных;

· полевая модель позволяет оценивать эффективность применения различных систем противодымной защиты (см. СИСТЕМА ПРОТИВОДЫМНОЙ ЗАЩИТЫ) (с механическим и естественным побуждением тяги, противодымных экранов (см. ПРОТИВОДЫМНЫЙ ЭКРАН)) и различных объемно-планировочных решений здания для снижения пожарного риска (см. ПОЖАРНЫЙ РИСК).

II. Вероятностные математические модели

Вероятностная модель — модель, которая в отличие от детерминированной модели содержит случайные элементы. Таким образом, при задании на входе модели некоторой совокупности значений, на ее выходе могут получаться различающиеся между собой результаты в зависимости от действия случайного фактора.

С помощью вероятностного моделирования и программ вероятностного анализа безопасности возможно подсчитать вероятность риска пожаров с учетом человеческого фактора, определять приоритетные направления уменьшения величины риска пожаров. Представляется возможным учесть все важные причины пожаров и факторы, которые оказывают содействие распространению или усложняют тушение пожара, и, путем создания и изучения модели, выявлять дефициты пожарной безопасности (см. ПОЖАРНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ) по аналогии с моделированием безопасности сложных систем.

III. Смешанные (детерминированные – вероятностные) математические модели

В последнее время в безопасности жизнедеятельности все шире стали применять детерминировано-вероятностные модели катастроф, а также комплексный физико-математический метод исследования катастроф с использованием современной компьютерной техники и оригинальных лабораторных установок. Детерминированно-вероятностная модель прогноза пожаров учитывает сценарий совместного появления антропогенной нагрузки и грозовой активности, метеорологические условия.

IV. Имитационные математические модели

Имитационное моделирование представляет интерес в исследовании сложных систем при априорной неопределенности. В модели может быть задано вероятное протекание пожара, вероятные законы распределения и распространения тепловых потоков, имитируется процесс работы конструкций.

Моделирование пожара в помещении и оценка его воздействия на строительные конструкции состоит из следующих основных этапов:

· анализ конструктивно-планировочных характеристик помещения;

· определение вида, количества и размещения пожарной нагрузки;

· определение вида возможного пожара и его базовых параметров;

· выбор метода расчета и проведение расчета, оценка вероятностных характеристик пожара;

· анализ огнестойкости конструкций (см. ПРЕДЕЛ ОГНЕСТОЙКОСТИ КОНСТРУКЦИИ), определение эквивалентной продолжительности стандартного испытания.

Статью «Сравнение программ для расчета пожарного риска» см. по ссылке.

Статью «Описание программного комплекса для расчета пожарного риска FENIX+3» см. по ссылке.

Статью «Моделирование распространения ОФП и эвакуации в программе для расчета пожарного риска СИГМА ПБ» см. по ссылке.

Статью «Описание программного комплекса для расчета пожарного риска URBAN» см. по ссылке.

Литература

1. ЭНЦИКЛОПЕДИЯ ПОЖАРНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ, ФГУ ВНИИПО МЧС РОССИИ, 2019.

2. Расчет необходимого времени эвакуации людей из помещений при пожаре: Рекомендации. – М.: ВНИИПО МВД СССР, 1989.

3. Методические рекомендации «Применение полевого метода математического моделирования пожара в помещениях».

4. ГОСТ 12.1.004-91 Система стандартов безопасности труда (ССБТ). Пожарная безопасность. Общие требования.