Контакты
Подписка
МЕНЮ
Контакты
Подписка

Моделирование тепломассообмена при пожаре для оптимизации систем противопожарной безопасности

В рубрику "Пожарная безопасность" | К списку рубрик  |  К списку авторов  |  К списку публикаций

Моделирование тепломассообмена при пожаре для оптимизации систем противопожарной безопасности

В автоматизированных системах комплексной безопасности объектов (АС КБО) одно из важных мест занимает пожарная автоматика. В настоящее время усилиями специалистов в этой области обеспечен достаточно высокий уровень чувствительности, быстродействия, защищенности от внешних воздействий различного рода и других характеристик пожарных извещателей и используемых в сочетании с ними приемно-контрольных и управляющих приборов

Однако защищенность объекта не зависит только от индивидуальных качеств элементов систем пожарной сигнализации. Важно также то, как эти устройства (в первую очередь - пожарные извещатели) поведут себя в реальной обстановке, на определенном участке защищаемого объекта. Иными словами, речь идет о том, чтобы оптимальным образом выбрать места установки пожарных извещателей, исходя из минимизации запаздывания восприятия им фактора, на который он рассчитан. Подобная проблема на практике достаточно часто возникает, в первую очередь, потому, что нормативные документы (НПБ-88-2001 "Установки пожаротушения и сигнализации. Нормы и правила проектирования" и др.) не учитывают всего многообразия возможных условий работы ПИ и требуют творческого подхода к их применению. Например, в НПБ-88-2001 п. 12.19 предписывает следующее: "Размещение точечных тепловых и дымовых пожарных извещателей следует производить с учетом воздушных потоков в защищаемом помещении, вызываемых приточной или вытяжной вентиляцией". Однако, как конкретно можно учитывать эти потоки и как они будут взаимодействовать с конвективными потоками дымовых газов в случае возникновения очага горения, не сказано.

Обоснование моделирования тепломассообмена

В настоящее время математическое моделирование пожаров становится определяющим при решении различных задач пожарной безопасности в связи с начавшимся переходом к гибкому объектно-ориентированному противопожарному нормированию. Особое место отводится при этом задачам обеспечения безопасности людей при эвакуации и пожаротушении. Следует отметить, что в большинстве действующих нормативных документов по пожарной безопасности заложены упрощенные методики расчета (интегральные и зонные модели), не отражающие сложную термогазодинамическую картину реального пожара, которая характеризуется существенной трехмерностью и нестационарностью. Вместе с тем точность и научная обоснованность метода расчета тепломассообмена в условиях начальной стадии пожара являются ключевыми принципами, дающими гарантию получения надежных результатов, используемых при решении задач обеспечения безопасности людей, при выборе типов, параметров и мест размещения датчиков систем пожаровзрывобезопасности, а также при проведении эффективных противопожарных мероприятий. Сложность разработки такого метода заключается в многофакторности и нелинейности задачи, в том, что реальный пожар как неконтролируемое горение является не изученным до конца теплофизи-ческим процессом, сопровождающимся изменением химического состава и параметров газовой среды помещения. Турбулентный конвективный и лучистый тепломассообмен в очаге горения с химическими реакциями, теплообмен между горячими газами и ограждающими конструкциями помещения и т.д. осложняются тепломассообменом с окружающей средой через проемы и вследствие работы систем механической приточно-вытяжной вентиляции, дымоудаления и пожаротушения, что приводит к существенной неоднородности температурных, скоростных и концентрационных полей продуктов горения в объеме помещения (нестационарность и трехмерность задачи).

Вместе с тем работы в этом направлении активно ведутся. Как дань уважения сложности решения такой задачи и признание актуальности проблемы можно рассматривать тот факт, что математическое моделирование турбулентного тепломассообмена в сложных термогазодинамических условиях вместе с другими задачами нелинейной физики входит в составленный Российской академией наук перечень особо важных и интересных проблем физики на ближайшие годы. Уже существующая и непрерывно совершенствующаяся математическая модель расчета тепломассообмена при пожаре в помещении позволяет рассчитать динамику трехмерных полей температур и оптической плотности дыма в условиях реального пожара. Это дает возможность выбрать тип пожарных извещателей, реагирующих на первый по времени опасный фактор пожара, а также оптимальный с точки зрения времени срабатывания вариант размещения пожарных извещателей на объекте.

Для иллюстрации возможностей предложенного метода расчета рассмотрим пожар, возникающий в офисной комнате административных помещений торгово-развлекательного центра. На рис. 1-3 приведены наложенные на план помещений схемы течения, поля температур (в кельвинах) и оптической плотности дыма (Нп/м) в плоскости, параллельной потолку и расположенной на расстоянии 0,05 м от него, через 15 с и 30 с от начала возгорания. Координаты х и у направлены вдоль длины и ширины здания. Жирными линиями выделены изотермы 70 °С (порог срабатывания тепловых извещателей) и оптической плотности дыма, равной 0,1 Нп/м (порог срабатывания дымовых извещателей). Из рис. 1 видно, что при возникновении пожара в офисной комнате дымовые извещатели срабатывают раньше, чем тепловые. Через 15 с после начала пожара зона срабатывания дымовых извещателей охватывает практически половину поверхности потолка офисного помещения, в то время как зона срабатывания тепловых детекторов ограничена небольшой областью вокруг лобовой точки конвективной колонки, образующейся над источником горения. Через 30 с начинают срабатывать дымовые датчики, расположенные на потолке в коридоре вблизи выхода из офисной комнаты. Как видно из примера, использование разработанного метода расчета позволяет оптимизировать системы обнаружения возгорания, размещенные на объектах со сложной геометрией, чего невозможно достичь иными известными способами.

Значение новых методов расчетов

Целью подобных расчетов является прогнозирование динамики изменения параметров газовой среды помещения (в первую очередь, опасных факторов пожара), прогрева ограждающих конструкций (при решении задач о необходимости и целесообразности выполнения требований дополнительной огнезащиты строительных конструкций, обосновании целесообразности того или иного типа установки автоматического пожаротушения), теплового или иного воздействия пожара на людей и материальные ценности. С помощью расчетов могут решаться самые разнообразные задачи, учитывающие положение законодательства о том, что предприниматель, с тем чтобы обезопасить себя от ответственности за последствия возможного пожара на принадлежащем ему объекте, должен обеспечить адресную противопожарную защиту, исходя из реальных пожарных рисков, а также с учетом ограничений, предусмотренных федеральным законодательством. Имеющиеся в настоящее время разработки позволяют с высокой точностью спрогнозировать параметры, характеризующие динамику пожара во времени и в пространстве. Подобные расчеты были проведены по целому ряду крупных общественных, производственных и складских комплексов в нашей стране, что значительно сэкономило средства, позволив уйти от не всегда оправданных догматов строительных норм и правил в той их части, которая касается пожарной безопасности.

Нормативно-правовой основой для этого подхода, помимо Конституции РФ и Гражданского кодекса РФ, являются Федеральный закон "О техническом регулировании" и СНиП 21.01-97* "Пожарная безопасность зданий и сооружений". Последний представляет собой основу нового подхода к системе противопожарного нормирования в строительстве, предусматривающего уход от сложившегося в предшествующий период формализма. Использование расчетных сценариев развития пожара, осуществление расчетного обоснования параметров и характеристик адресных систем противопожарной защиты объектов отвечает духу времени и прямо допускается современными нормативными документами СНиП 21-01-97* "Пожарная безопасность зданий и сооружений" и др. В частности, в п. 4.5. СНиП 21.01-97* прямо указано: "При анализе пожарной опасности зданий могут быть использованы расчетные сценарии, основанные на соотношении временных параметров развития и распространения опасных факторов пожара, эвакуации людей и борьбы с пожаром". На важность учета положений законодательства при разработке систем и выборе средств противопожарной защиты неоднократно обращалось внимание на страницах журнала "Системы безопасности". Реализация этих положений позволяет достигать существенного повышения надежности и эффективности систем и средств обеспечения противопожарной защиты объектов при реальном снижении затрат на нее. Особенно эффективно использование математического моделирования в тех случаях, когда объект имеет сложную конфигурацию, является многофункциональным, а его пожаровзрывоопасность является переменной характеристикой, зависящей от того, какие конкретно вещества и материалы поступили на объект в данный момент. В подобных ситуациях применение указанной методики позволяет просчитать наиболее опасные варианты развития пожара в зависимости от того, в каком месте возникнет горение, и подобрать в соответствии с полученными результатами наиболее приемлемый вариант противопожарной защиты.

Д.ю.н., проф. Академии ГПС МЧС России
СИ. Зернов

К.т.н., доц. Академии ГПС МЧС России
Д.И. Богатищев

Д.т.н., проф. Академии ГПС МЧС России
СВ. Пузач

Опубликовано: Журнал "Системы безопасности" #1, 2004
Посещений: 9552


  Автор
 

Зернов С. И.

Д.ю.н., проф. Академии ГПС МЧС России

Всего статей:  1


  Автор
 

Богатищев Д. И.

К.т.н., доц. Академии ГПС МЧС России

Всего статей:  1


  Автор
 

Пузач С. В.

Д.т.н., проф. Академии ГПС МЧС России

Всего статей:  1

В рубрику "Пожарная безопасность" | К списку рубрик  |  К списку авторов  |  К списку публикаций