Прогнозирование опасных факторов пожара в учебном заведении кратко

Обновлено: 02.07.2024

В результате прослушивания материала слушатели должны знать:

- интегральные уравнения для расчета параметров газообмена

- уравнения интегральной модели для определения тепловых потоков к конструкциям помещения при пожаре

- влияний внешних условий на тепло и газообмен при пожаре

Уметь: прогнозировать обстановку на пожаре с учетом теплогазообмена

2.Развивающие: выделять самое главное, самостоятельность и гибкости мышления, развитие познавательного мышления.

Литература

1. Д.М. Рожков Прогнозирование опасных факторов пожара в помещении. – Иркутск 2007. С.89

2. Ю.А.Кошмаров, М.П. Башкирцев Термодинамика и теплопередача в пожарном деле. ВИПТШ МВД СССР, М., 1987 г.

3. Ю.А.Кошмаров Прогнозирование опасных факторов пожара в помещении. – Москва 2000. С.118

4. Ю.А.Кошмаров, В.В. Рубцов, Процессы нарастания опасных факторов пожара в производственных помещениях и расчет критической продолжительности пожара. МИПБ МВД России, М., 1999 г.

ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ ИНТЕГРАЛЬНОЙ

МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ПОЖАРА ДЛЯ РАСЧЕТА

РАСХОДОВ УХОДЯЩИХ ГАЗОВ И ПОСТУПАЮЩЕГО

ЧЕРЕЗ ПРОЕМЫ ВОЗДУХА

Введение

При пожаре происходит газообмен помещения с окружающей средой через проемы различного назначения (окна, двери, технологические отверстия и т.д.).

Побудителем движения газа через проемы является перепад давлений, т.е. разность между давлением внутри помещения и давлением в окружающей атмосфере. Перепад давлений обусловлен тем, что при пожаре плотность газовой среды внутри помещения существенно отличается от плотности наружного воздуха. Кроме того, необходимо учитывать влияние ветра на величину этого перепада. Дело в том, что наружное давление на наветренной стороне здания выше, чем наружное давление на подветренной стороне. Рассмотрим условия, когда ветер отсутствует.

ЛЕКЦИЯ

по дисциплине "Прогнозирование опасных факторов пожара"

Тема №3. «ГАЗООБМЕН ПОМЕЩЕНИИ И ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ ФУНКЦИИ, НЕОБХОДИМЫЕ ДЛЯ ОПИСАНИЯ

План лекции:

Лекция 1,2. ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ ИНТЕГРАЛЬНОЙ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ПОЖАРА ДЛЯ РАСЧЕТА РАСХОДОВ УХОДЯЩИХ ГАЗОВ И ПОСТУПАЮЩЕГО ЧЕРЕЗ ПРОЕМЫ ВОЗДУХА

1.2. Распределение давлений по высоте помещения

1.3 Плоскость равных давлений и режимы работы проема

1.4. Распределение перепадов давлений по высоте помещения

1.5. Формулы для расчета расхода газа, выбрасываемого через прямоугольный проем

1.6. Формулы для расчета расхода воздуха, поступающего через прямоугольный проем

1.7. Влияние ветра на газообмен

Лекция 3,4. УРАВНЕНИЯ ИНТЕГРАЛЬНОЙ МОДЕЛИ ПОЖАРА ДЛЯ РАСЧЕТА ТЕПЛОВОГО ПОТОКА В ОГРАЖДЕНИЯ И СКОРОСТИ ВЫГОРАНИЯ ГОРЮЧИХ МАТЕРИАЛОВ

2.1 Приближенная оценка величины теплового потока в ограждения

2.2 Эмпирические методы расчета теплового потока в ограждения

2.3 Полуэмпирические методы расчета теплового потока в ограждения

2.4 Методы расчета скорости выгорания горючих материалов и скорости тепловыделения

Цели лекции:

1.Учебные

В результате прослушивания материала слушатели должны знать:

- интегральные уравнения для расчета параметров газообмена

- уравнения интегральной модели для определения тепловых потоков к конструкциям помещения при пожаре

- влияний внешних условий на тепло и газообмен при пожаре

Уметь: прогнозировать обстановку на пожаре с учетом теплогазообмена

Литература

1. Д.М. Рожков Прогнозирование опасных факторов пожара в помещении. – Иркутск 2007. С.89

2. Ю.А.Кошмаров, М.П. Башкирцев Термодинамика и теплопередача в пожарном деле. ВИПТШ МВД СССР, М., 1987 г.

3. Ю.А.Кошмаров Прогнозирование опасных факторов пожара в помещении. – Москва 2000. С.118

ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ ИНТЕГРАЛЬНОЙ

МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ПОЖАРА ДЛЯ РАСЧЕТА

РАСХОДОВ УХОДЯЩИХ ГАЗОВ И ПОСТУПАЮЩЕГО

ЧЕРЕЗ ПРОЕМЫ ВОЗДУХА

Введение

Учебные учреждения, как правило, относятся к объектам с массовым пребыванием людей, слабо представляющих структуру и направление путей эвакуации. В основном, пользуются постоянно одними и теми же путями эвакуации. При распространении опасных.

Анализ учебного учреждения с учетом требований пожарной безопасности

Анализ деятельности по осуществлению ГПН проводится ежеквартально в целях своевременного реагирования на изменение обстановки с пожарами на обслуживаемой территории по следующим направлениям: - статистика пожаров; - проверка соблюдения требований.

Статистика пожаров в УУ

В современном постиндустриальном обществе пожары - самый распространенный вид чрезвычайных ситуаций. К сожалению, количество пожаров в России из года в год не уменьшается, а масштабы их разрушительных последствий постоянно растут. Статистика.

ОЦЕНКА ПРОСТРАНСТВЕННЫХ МАСШТАБОВ ВОЗНИКАЮЩИХ В РЕЗУЛЬТАТЕ РАЗВИТИЯ ПОЖАРА В УУ

Оценка последствий через 6 минут после начала пожара Пожар произошел в помещении размером 3x6 м (см. рисунок). Линейная скорость распространения пожара - 1 м/мин. Пожарная нагрузка однородная и размещена (однородно) равномерно по площади помещения.

РАСЧЕТ ВРЕМЕНИ ЭВАКУАЦИИ ПРИ ПОЖАРЕ В ЗДАНИИ УУ

Оценка строительного проекта Здания и сооружения по огнестойкости подразделяются на пять степеней. Степень огнестойкости определяется пределами огнестойкости основных строительных конструкций и пределами распространения огня по этим конструкциям.

РАЗРАБОТКА МЕРОПРИЯТИЙ ПО ПОВЫШЕНИЮ ПОЖАРНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ УУ

Разработка первоочередных мероприятий по обеспечению пожарной безопасности объекта Пожарная профилактика -- комплекс инженерно-технических и организационных мероприятий, направленных на обеспечение противопожарной защиты объектов народного хозяйства.

Разработка долгосрочных мероприятий по обеспечению пожарной безопасности объекта

Для предотвращения гибели людей от пожаров в учреждениях социальной сферы и снижения материального ущерба требуются технические и организационные подходы, обеспечивающие своевременное обнаружение и локализацию возникших очагов возгораний.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Достоверность и обоснованность полученных результатов основывается на анализе действующих в настоящее время нормативных правовых актов, использовании научных методов исследования, а также репрезентативностью эмпирического материала, на котором.

Современные научные методы прогнозирования ОФП основываются на математическом моделировании, т.е. на математических моделях пожара. Математическая модель пожара описывает в самом общем виде изменение параметров состояния среды в помещении в течение времени, а также изменение параметров состояния ограждающих конструкций этого помещения и различных элементов технологического оборудования.

Основные уравнения, из которых состоит математическая модель пожара, вытекают из фундаментальных законов природы – первого закона термодинамики, закона сохранения массы и закона сохранения импульса. Эти уравнения отражают и увязывают всю совокупность взаимосвязанных и взаимообусловленных процессов, присущих пожару, таких, как тепловыделение в результате горения, дымовыделение в пламенной зоне, изменение оптических свойств газовой среды, выделение и распространение токсичных газов, газообмен помещения с окружающей средой и со смежными помещениями, теплообмен и нагревание ограждающих конструкций, снижение концентрации кислорода в помещении.

Методы прогнозирования ОФП обычно различают в зависимости от вида математической модели пожара. Математические модели пожара в помещении условно делятся на три класса (три вида): интегральные, зонные, полевые (дифференциальные). Однако, по существу, методов два – интегральный и полевой.

Перечисленные модели отличаются друг от друга объемом той информации, которую они могут дать о состоянии газовой среды в помещении и взаимодействующих с нею конструкций на разных этапах (стадиях) пожара. В этом отношении наиболее детальные сведения можно получить с помощью полевой модели.

В математическом отношении три вышеназванных вида моделей пожара характеризуются разным уровнем сложности.

2.1 Методы прогнозирования динамики опасных факторов пожара

2.1.1 Интегральный

Интегральная модель пожара позволяет получить информацию, т.е. сделать прогноз, о средних значениях параметров состояния среды в помещении для любого момента развития пожара. При этом для того, чтобы сопоставлять (соотносить) средние (т.е. среднеобъемные) параметры среды с их предельными значениями в рабочей зоне, используются формулы, полученные на основе экспериментальных исследований пространственного распределения температур, концентраций продуктов горения, оптической плотности дыма и т. д.

Интегральная модель пожара в своей основе представлена системой обыкновенных дифференциальных уравнений. Искомыми функциями, выступают среднеобъемные параметры состояния среды, независимым аргументом является время τ.

Юрий Антонович Кошмаров (19 сентября 1930 - 12 октября 2011 года) - один из крупнейших специалистов в мире в области теплофизики, прикладной газодинамики; автор математической интегральной модели пожара в помещениях, зданиях и сооружениях; полковник в отставке; доктор технических наук; профессор; Заслуженный деятель науки РФ; академик Национальной академии пожарной безопасности (НАПБ).

Профессор Ю.А. Кошмаров – первый в мире разработал интегральный метод термодинамического анализа пожаров в помещениях, позволяющий прогнозировать динамику и выявлять опасные факторы и причины пожара. Интегральная математическая модель пожара была полностью завершена в середине 70-х годов прошлого столетия.

Существенное развитие и дополнение получила интегральная математическая модель пожара в работах учеников Ю.А. Кошмарова – А.В. Матюшина, С.И. Зернова, В.М. Астапенко, Ю.С. Зотова, А.Н. Шевлякова, И.Д. Гуско, В.А. Козлова и др. В частности, интегральная модель пожара была дополнена дифференциальным уравнением, описывающим изменение оптической концентрации дыма в помещении при пожаре (Зотов Ю.С., 1988).

Различные программные реализации перечисленных выше моделей позволяют упростить и значительно автоматизировать процесс прогнозирования ОПФ. Например, FIM, Ситис ВИМ, КИС РТП.

Зонная модель позволяет получить информацию о размерах характерных пространственных зон, возникающих при пожаре в помещении, и средних параметров состояния среды в этих зонах. В качестве характерных пространственных зон можно выделить, например, в начальной стадии пожара припотолочную область пространства, область восходящего над очагом горения потока нагретых газов и область незадымленной холодной части пространства.

Основу зонной модели пожара в общем случае составляет совокупность нескольких систем обыкновенных дифференциальных уравнений. Параметры состояния среды в каждой зоне являются искомыми функциями, а независимым аргументом является время τ. Искомыми функциями являются также координаты, определяющие положение границ характерных зон.

Первая зонная модель пожара была предложена в диссертации польского инженера Е. Воланина, выполненной под руководством Ю.А. Кошмарова (1982г.). В последующие годы зонные модели получили существенное развитие в работах Е. Воланина и В.Н. Тимошенко и др.

Программы, реализующие зонную математическую модель пожара: Ситис Блок, Risk Manager (Z-Model), CFAST, BRANZFIRE.

2.1.3 Полевой

Наиболее сложной в математическом отношении является полевая модель. Ее основу составляет система уравнений в частных производных, описывающих пространственно-временное распределение температур и скоростей газовой среды в помещении, концентраций компонентов этой среды (кислород, оксид и диоксид углерода и т.д.), давлений и плотностей. Эти уравнения включают реологический закон Стокса, закон теплопроводности Фурье, закон диффузии, закон радиационного переноса и т.п. В более общем случае к этой системе уравнений добавляется дифференциальное уравнение теплопроводности, описывающие процесс нагревания ограждающих конструкций. Искомыми функциями в этой модели являются плотность и температура среды, скорость движения газа, концентрации компонентов газовой среды, оптическая плотность дыма (натуральный показатель ослабления света в дисперсной среде) и т.д. Независимыми аргументами являются координаты и время .

Полевая (дифференциальная) модель позволяет рассчитать для любого момента развития пожара значения всех локальных параметров состояния во всех точках пространства внутри помещения.

Полевая модель пожара впервые в законченном виде (для ограниченных условий) была реализована в диссертации А.М. Рыжова, выполненной в 1982-1985 гг. под руководством проф. Ю.А. Кошмарова. Эта модель разрабатывалась в последующие годы И.Ф. Астаховой и рядом иностранных исследователей. Существенный вклад в развитие метода прогнозирования параметров пожара на основе полевой модели внесли А.М. Рыжов, В.Л. Страхов, С.В. Пузач.

Программы, реализующие полевую математическую модель пожара: FDS, Сигма ПБ, Phoenics, Sophie, Fluent. Также существуют графические редакторы для FDS: Pyrosim, Fenix+ 3, FireGuide, Urban, Fogard, Blender.

2.2 Область применения методов прогнозирования динамики опасных факторов пожара

Выбор конкретной модели расчета времени блокирования путей эвакуации следует осуществлять исходя из следующих предпосылок:

интегральный метод:

1. для зданий, содержащих развитую систему помещений малого объема простой геометрической конфигурации;

2. для помещений, где характерный размер очага пожара соизмерим с характерными размерами помещения и размеры помещения соизмеримы между собой (линейные размеры помещения отличаются не более чем в 5 раз);

3. для предварительных расчетов с целью выявления наиболее опасного сценария пожара;

зонный (зональный) метод:

1. для помещений и систем помещений простой геометрической конфигурации, линейные размеры которых соизмеримы между собой (линейные размеры помещения отличаются не более чем в 5 раз), когда размер очага пожара существенно меньше размеров помещения;

2. для рабочих зон, расположенных на разных уровнях в пределах одного помещения (наклонный зрительный зал кинотеатра, антресоли и т.д.);

полевой метод:

1. 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.);

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

3. для иных случаев, когда применимость или информативность зонных и интегральных моделей вызывает сомнение (уникальные сооружения, распространение пожара по фасаду здания, необходимость учета работы систем противопожарной защиты, способных качественно изменить картину пожара, и т.д.).

При использовании интегральной и зонной моделей для помещения, один из линейных размеров которого более чем в пять раз превышает хотя бы один из двух других линейных размеров, необходимо это помещение делить на участки, размеры которых соизмеримы между собой, и рассматривать участки как отдельные помещения, сообщающиеся проемами, площадь которых равна площади сечения на границе участков. Использование аналогичной процедуры в случае, когда два линейных размера превышают третий более чем в 5 раз, не допускается.

2.3 Опасные факторы пожара

Предельно допустимые значения ОФП

Температура окружающей среды, 70 °С

Тепловой поток, 1400 Вт·м - ²

кислорода 0,226 кг·м -3

окиси углерода 0,00116 кг·м -3

диоксида углерода 0,11 кг·м -3

хлористого водорода 23·10 –6 кг·м -3

Дальность видимости в дыму 20 м.

Следует подчеркнуть, что основные дифференциальные уравнения всех названных математических моделей пожара вытекают из неопровержимых фундаментальных законов природы. В связи с этим уместно указать, что основные дифференциальные уравнения интегральной модели пожара можно получить, например, из уравнений полевой (дифференциальной) модели путем интегрирования последних по объему помещения. Следовательно, в принципе, результаты вычислений искомых функций, с которыми оперирует та или иная модель пожара, должны были бы иметь одинаковую степень достоверности. Однако адекватность результатов расчетов реальному пожару определяется не только системой основных (базовых) уравнений каждой модели пожара. Дело в том, что в каждой модели привлекаются дополнительные функциональные зависимости для вычисления тех или иных физических величин, содержащихся в математическом описании пожара. Например, в полевой модели могут привлекаться различные дополнительные уравнения для вычисления коэффициентов турбулентного переноса энергии, импульса и компонентов газовой среды. В интегральной и зонной моделях могут использоваться различные формулы для вычисления тепловых потоков в ограждающие конструкции. Поэтому при оценке достоверности результатов прогнозирования необходимо, прежде всего, учитывать уровень научных разработок вопросов, определяющих содержание дополнительных функциональных зависимостей.

Чтобы сделать научно обоснованный прогноз, обращаются к той или иной модели пожара. Выбор модели определяется целью (задачами) прогноза. Путем решения системы дифференциальных уравнений, которые составляют основу выбранной математической модели, устанавливают конкретный характер динамики ОФП. Следует отметить, что даже при использовании интегральной модели пожара получить аналитическое решение присущей этой модели системы обыкновенных дифференциальных уравнений в общем случае невозможно.

В силу сказанного реализация вышеназванных методов прогнозирования возможна лишь путем численного решения системы дифференциальных уравнений, присущих выбранной модели пожара. Это численное решение можно выполнить только с помощью современных компьютеров.

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

На тему: "Прогнозирование опасных факторов пожара в учебном учреждении".По дисциплине: "Прогнозирование опасных факторов пожара".Исходные данные к работе: Инженерно-техническая документация учебного учреждения.Разработка мероприятий по повышению пожарной безопасности объекта.496 с.; Основы пожарной безопасности: учеб.Анализ и оценка объекта с учетом требований пожарной безопасности.2 Анализ УУ с учетом требований пожарной безопасности.Раздел 4. Разработка Мероприятий По Повышению Пожарной Безопасности Уу.1 Разработка первоочередных мероприятий по обеспечению пожарной безопасности объекта.2 Разработка долгосрочных мероприятий по обеспечению пожарной безопасности объекта.

(Если ссылка на скачивание файла не доступна - дайте нам знать об этом в комментариях либо через форму обратной связи)

Тема 7.1. Основы дифференциального (полевого) метода прогнозирования ОФП. Численная реализация полевой модели.

Обсуждена на заседании кафедры

криминалистики и инженерно-технических экспертиз

Изложить обучающимся как используется математический аппарат для прогнозирования опасных факторов пожара, способы прогнозирования опасных факторов и меры защиты и предупреждения людей и имущества на пожаре. Закрепить уровень знаний учащихся по инженерным дисциплинам.

Продолжить формирование специальных и общенаучных навыков работы с нормативными документами, учебной и справочной литературой. Путем моделирования проблемных ситуаций вырабатывать у обучающихся способность к самостоятельному мышлению.

Показать связи между изучаемым материалом и практической деятельностью инженеров пожарной охраны. Вырабатывать у обучающихся знания об особенностях применения изучаемого материала в практике.

Воспитательные:

1.Численная реализация дифференциальной математической модели развития опасных факторов пожара.

2. Подобие и критерии подобия пожаров

III. Литература

Прогнозирование опасных факторов пожара: Учебное пособие / Ю.Д. Моторыгин, В.А. Ловчиков, Ф.А. Дементьев, Ю.Н. Бельшина. – СПб.: Астерион, 2013. – 108 с.
Пожарно-техническая экспертиза: Учебник / Галишев М.А., Бельшина Ю.Н., Дементьев Ф.А и др - СПб.: Санкт-Петербургский университет ГПС МЧС России, 2014. 453 с.
Моторыгин Ю.Д . Математическое моделирование процессов возникновения и развития пожаров: монография / Под общей редакцией В.С. Артамонова. – СПб.: Санкт-Петербургский университет Государственной противопожарной службы МЧС России, 2011. – 184 с.
Прогнозирование опасных факторов пожара / Моторыгин Ю.Д., Ловчиков В.А., Паринова Ю.Г. // Лабораторный практикум СПб.: СПб Университет ГПС МЧС России, 2008. –

Драйздел Д. Введение в динамику пожара.-М.: Стройиздат, 1990. – 420 с.
Моделирование пожаров и взрывов. (Под ред. Брушлинского Н.Н. и Корольченко А.Я.) – М.: Из-во “Пожнаука”, 2000, – 492 с.
Пузач С.В. Методы расчёта тепломассообмена при пожаре в помещении и их применение при решении практических задач пожаровзрывобезопасности зданий: монография / С.В. Пузач. – М.: Академия ГПС МЧС России, 2005. – 336 с.

IV. Учебно-материальное обеспечение

1. Технические средства обучения: учебно-мультимедийный комплекс.

2. Электронная презентация
V. Вопросы для самостоятельного изучения

1 Опасные факторы пожара и процесс горения,

2. Начальный этап пожара в закрытом помещении до полного охвата пламенем.

3. Расчёт эвакуации людей в системе расчёта пожарных рисков.

4. Моделирование и расчет движения людских потоков.
VI. Вопросы для самоконтроля

Описание процесса распространения пожара. Ориентация поверхности и направление распространения пламени.
Факторы, влияющие на скорость распространения пламени .В чем заключается основная сложность исследования пожара как физического явления?
Поясните сущность метода анализа сложных процессов;
Какие свойства горючей нагрузки (ГН) и каким образом влияют на динамику пожара и его опасных факторов?
В чем сущность полевого метода?
Почему невозможно подробно изучить влияние свойств ГН на протекание пожара только на основании физических экспериментов?
На какие этапы делится пожара в закрытом помещении?

VII . Текст лекции
ВВЕДЕНИЕ
Любое здание возводится для создания объема пространства с безопасными и удобными условиями жизни и деятельности людей, защищенными от неблагоприятных воздействий окружающей среды (рис. 1.1) и природных или техногенных чрезвычайных ситуаций.

Безопасность – первоочередная жизненная потребность человека. Данное утверждение является обоснованием принятого в нашей стране комплекса федеральных законов (ФЗ)

– технических регламентов о безопасности, цель которых:

– «защита жизни или здоровья граждан, имущества физических или юридических лиц, государственного или муниципального имущества;

– охрана окружающей среды, жизни или здоровья животных и растений;

Численная реализация дифференциальной математической модели развития опасных факторов пожара.

Наиболее подробное описание процессов тепломассообмена при пожаре в помещении дают полевые (дифференциальные) модели.
Основным их достоинством является то, что искомыми параметрами являются поля температур, скоростей, давлений, концентраций компонентов газовой среды и частиц дыма по всему объему помещения.
Полевые модели наиболее сложны в математическом описании, так как они состоят из системы трех- или двумерных нестационарных дифференциальных уравнений в частных производных, описывающих пространственно-временное распределение температур и скоростей газовой среды в помещении, концентраций компонентов газовой среды (кислорода, продуктов горения и т.д.), давлений и плотностей.
Полевые модели, обозначаемые в зарубежной литературе аббревиатурой CFD (computational fluid dynamics), являются более мощным и универсальным инструментом, чем зонные; они основываются на совершенно ином принципе.

Наиболее детальный уровень моделирования могут обеспечить полевые модели пожара. Эти модели называют дифференциальными. Полевые модели базируются на использовании дифференциальных уравнений в частных производных, описывающих пространственно-временное распределение температур и скоростей газовой среды в помещении, концентраций компонентов газовой среды (кислорода, продуктов горения и т.д.), давлений и плотностей. Эти уравнения включают реологический закон Стокса, закон теплопроводности Фурье, законы диффузии, законы радиационного переноса и т.п. Система уравнений, описывающих изменения во времени указанных параметров газовой среды в каждой точке пространства внутри помещения чрезвычайно громоздка. Решение названной системы осуществляется с помощью мощных компьютеров. Результаты решения получаются в форме полей скоростей, температур, концентраций продуктов горения и кислорода в любой момент времени протекания пожара.

Реализация полевых моделей ограничена возможностями современной вычислительной техники, а главное - уровнем современных знаний о таких, например, явлениях, как турбулентность и радиационно-конвективный тепломассоперенос в поглощающей и рассеивающей среде, каковой является задымленный газ в помещении при пожаре. По этой причине разработанные к настоящему времени полевые модели носят ограниченный характер.

Полевые модели, обозначаемые в зарубежной литературе аббревиатурой CFD ( computational fluid dynamics ), являются более мощным и универсальным инструментом, чем зональные; они основываются на совершенно ином принципе. Вме сто одной или нескольких больших зон в полевых моделях вы деляется большое количество (обычно тысячи или десятки ты сяч) маленьких контрольных объемов, никак не связанных с предполагаемой структурой потока. Для каждого из этих объемов с помощью численных методов решается система уравне ний в частных производных, выражающих принципы локаль ного сохранения массы, импульса, энергии и масс компонен тов. Таким образом, динамика развития процессов определяет ся не априорными предположениями, а исключительно резуль татами расчета.

Полевой метод может использоваться:

для проведения научных исследований в целях выявле ния закономерностей развития пожара;

проведения сравнительных расчетов в целях апробации и совершенствования менее универсальных зональных и интегральных моделей, проверки обоснованности их применения;

выбора рационального варианта противопожарной защиты конкретных объектов.

Однако на основе проведенных исследований можно утверждать, что поскольку априорные допущения зон ных моделей могут приводить к существенным ошибкам при оценке пожарной опасности объекта, предпочтительно использовать полевой метод моделирования в следующих случаях:

для помещений сложной геометрической конфигурации, а также помещений с большим количеством внутренних преград;

помещений, в которых один из геометрических размеров гораздо больше остальных;

помещений, где существует вероятность образования ре- циркулярных течений без формирования верхнего прогретого слоя (что является основным допущением классических зон ных моделей);

Естественно, что такие модели, по сравнению с инте гральными и зональными, требуют значительно больших вы числительных ресурсов. Однако в последние двадцать лет, в связи с быстрым развитием компьютерной техники, полевые модели из чисто академической концепции превратились в важный практический инструмент.

Полевые модели, обозначаемые в зарубежной литературе аббревиатурой CFD ( computational fluid dynamics ), являются более мощным и универсальным инструментом, чем зональные; они основываются на совершенно ином принципе. 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.

Полевой метод может использоваться:

для проведения научных исследований в целях выявления закономерностей развития пожара;

выбора рационального варианта противопожарной защиты конкретных объектов.

Однако на основе проведенных исследований можно утверждать, что поскольку априорные допущения зонных моделей могут приводить к существенным ошибкам при оценке пожарной опасности объекта, предпочтительно использовать полевой метод моделирования в следующих случаях:

помещений, в которых один из геометрических размеров гораздо больше остальных;

помещений, где существует вероятность образования ре-циркулярных течений без формирования верхнего прогретого слоя (что является основным допущением классических зонных моделей);

Естественно, что такие модели, по сравнению с интегральными и зональными, требуют значительно больших вычислительных ресурсов. Однако в последние двадцать лет, в связи с быстрым развитием компьютерной техники, полевые модели из чисто академической концепции превратились в важный практический инструмент.

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.
Основой для полевых моделей пожаров являются уравнения, выражающие законы сохранения массы, импульса, энергии и масс компонентов в рассматриваемом малом контрольном объеме.

Уравнение сохранения массы:

Уравнение сохранения импульса:

Для ньютоновских жидкостей, подчиняющихся закону Стокса, тензор вязких напряжений определяется выражением

где - статическая энтальпия смеси;

H_k - теплота образования k-ro компонента; C_р =

онный поток энергии в направлении x_j .

Уравнение сохранения химического компонента k:

Для замыкания системы уравнений используется уравнение состояния идеального газа. Для смеси газов оно имеет следующий вид:

где R₀ - универсальная газовая постоянная; М_k - молярная масса k-ro компонента.

Данные уравнения описывают локальный мгновенный баланс. Их вполне достаточно для полного описания ламинарных потоков. К сожалению, при пожарах, так же, как и в большинстве других систем, связанных с горением, скорость и параметры состояния в конкретной точке совершают значительные флуктуации и решение данных уравнений в настоящее время требует огромных затрат машинного времени. Поэтому обычно данные уравнения приводят к осредненным свойствам, то есть разделяют каждую переменную на среднюю по времени и пульсационную составляющую. Например, для скорости:

После разложения всех переменных и их подстановки в уравнения сохранения получаем систему уравнений, осредненных по времени. При этом, например, уравнение сохранения массы принимает следующий вид

Отличие состоит в появившемся дополнительном члене , который представляет собой турбулентный перенос массы из-за флуктуации плотности и скорости.

Аналогичные подстановки в другие уравнения сохранения приводят к появлению новых членов, содержащих пульсационные составляющие переменных. Даже если можно пренебречь флуктуациями плотности, например, вдали от источника пожара, где горение отсутствует и турбулентный перенос массы незначителен, в уравнении сохранения импульса остаются члены вида , представляющие собой дополнительные потоки, вызванные турбулентными флуктуациями. Эти члены известны как напряжения Рейнольдса и обусловлены в большей степени случайным движением, чем молекулярной активностью. По величине они обычно значительно превосходят касательные напряжения, связанные с молекулярной вязкостью. В уравнениях сохранения энергии и масс компонентов присутствуют члены уравнений, которые описывают турбулентный перенос энтальпии и масс компонентов.

Однако полученная система уравнений имеет ряд недостатков при описании потоков с переменной плотностью, характерных для пожаров. Более приемлемое описание может быть получено при использовании осреднения, взвешенного по плотности. При этом все переменные, кроме плотности и давления, для которых используется обычное осреднение, представляются в виде
,
Эти уравнения, в отличие от исходных, не являются замкнутой системой. Поскольку члены вида ( ) неизвестны, возникает проблема, называемая турбулентным замыканием. Хотя возможно записать "точные" уравнения переноса для этих величин, в этом мало смысла, поскольку они будут содержать неизвестные более высокого порядка. Поэтому в большинстве случаев влиянием флуктуации либо пренебрегают, либо используют для замыкания системы "модели турбулентности".

Следует отметить, что при моделировании пожаров используется и другой подход, когда система уравнений с помощью ряда допущений и без перехода к осредненным параметрам решается на самой мелкой сетке, какая возможна. При этом удается впрямую смоделировать поведение турбулентных вихрей, масштаб которых превышает масштаб расчетной сетки. Достоинством такого подхода является то, что в нем не используется модель турбулентности, однако он требует больших затрат машинного времени и мало апробирован.

Читайте также: