Развитие полевого моделирования пожара в помещении

 

В нашей стране центром исследований получения интегральных характеристик пожара в помещении являются Всероссийский научно-исследовательский институт противопожарной обороны МВД России и Московский институт пожарной безопасности МВД России. Творческое сотрудничество ученых этих двух организаций позволило не только теоретически получить среднеобъемные характеристики пожара в помещении, но и сравнить данные моделирования с экспериментом.

Интегральные модели, предложенные Ю.А. Кошмаровым и И.С. Молчадским, вытекают из основных законов сохранения и первого закона термодинамики. В зависимости от целей и задач, которые решаются с помощью интегральной модели, ее можно модифицировать: записать уравнения кислородного баланса, баланса продуктов горения, инертного газа. Вместе с граничными и начальными условиями уравнения, выражающие законы сохранения, образуют замкнутую систему для определения неизвестных характеристик пожара помещения, таких как концентрация, плотность, давление, температура и т.д. Несмотря на некоторые отличия, интегральные модели представляют собой систему обыкновенных дифференциальных уравнений, которая наиболее просто решается методом Рунге-Кутта.

Интегральное моделирование, представленное целой серией статей, книг, разработок, диссертаций, в сочетании с экспериментальными исследованиями, позволило определить важные характеристики пожара в помещении: среднеобъемные температурные режимы помещения и конструкций во всех стадиях с постоянной геометрией очага горения, концентрации вредных для жизни человека продуктов горения для помещений с одним проемом, несколькими проемами, сведения о законах теплообмена между конструкциями и окружающим воздухом и т.д.

Интегральное моделирование явилось началом применения вычислительного эксперимента для решения многих задач не только пожарной профилактики, но и теории огнестойкости.

В нашей стране Ю.А Кошмаров и его ученик Волянин Ежи предложили зонную модель, пригодную для исследований температурного режима и газообмена в помещении при горении ЛВЖ [8]. Все помещение авторы разбили на две зоны и рассматривали механизм изменения температур в обеих зонах в зависимости от этапа развития пожара. Однако, предложенная модель не нашла должного применения при решении задач пожарной профилактики.

Международная ассоциация пожарной науки (IAFSS) с 1985 года каждые три года организует симпозиумы по моделированию пожаров. Это обстоятельство говорит о повышенном интересе к технологии моделирования при определении характеристик пожаров.

В нашей стране в 1988 году вышла книга "Термогазодинамика пожаров в помещениях", которая послужила толчком к развитию моделирования в нашей стране. Эта книга состоит из 6 глав, ее объем — 448 страниц. В первой главе описываются модели, позволяющие определить среднеобъемные характеристики пожаров, вторая глава посвящена экспериментальным исследованиям, третья глава касается описания теплообмена в развитой стадии пожара, то есть рассматриваются объемные пожары. Авторы рассмотрели интегральные законы сохранения для пограничного слоя и описали сложный теплообмен на вертикальных и горизонтальных строительных конструкциях при ламинарной и турбулентной естественной конвекции, а также получили выражения для потоков излучения для конструкций. Все данные подтверждены экспериментальными исследованиями.

Четвертая часть посвящена исследованиям теплообмена строительных конструкций в условиях начальной стадии пожара, то есть при локальном пожаре. Авторы рассмотрели:

- конвективный теплообмен на вертикальных строительных конструкциях из негорючих, горючих и трудногорючих материалов до начала их термического разложения;

- конвективный тепломассообмен вертикальных строительных конструкций из горючих, трудногорючих материалов до момента их воспламенения;

- радиационный теплообмен, между очагом пожара и строительными конструкциями.

Приводятся результаты сравнения исследований с экспериментальными данными.

Пятая часть рассматривает основные направления моделирования теплового и температурного режимов пожара в помещениях. Представляются материалы по моделированию пожара в помещении на уровне его усредненных параметров, результаты вычислительных экспериментов сравниваются с данными физических экспериментов. В этой главе приводятся теоретические основы определения эквивалентной Продолжительности пожара и допустимой пожарной нагрузки. Эти данные являются ценным материалом при определении истинного предела огнестойкости.

Шестая глава определяет распространение пламени по поверхности строительных конструкций в условиях пожара, в ней решаются следующие проблемы:

- распространение огня по поверхности термически толстого слоя;

- распространение огня по поверхности термически тонкого слоя;

- определение предельного распространения пламени по поверхности в условиях пожара;

- сравнение результатов вычислительного и физического экспериментов;

- методы уменьшения предельного распространения пламени по поверхности в условиях их эксплуатации;

- уменьшение горючести облицовочных и отделочных материалов за счет ограничения пожарной нагрузки;

- определение величины противопожарного разрыва.

Последняя глава посвящена расчету термогазодинамических параметров при развитии пожара в помещении с проемами. Авторы рассматривают в этой главе помещение с одним круглым проемом и с двумя круглыми проемами, распространение пожара в этих помещениях.

Эта книга является ценным материалом для развития полевого моделирования в нашей стране.

За рубежом полевое моделирование начало развиваться в середине 70-х годов. Одним из первых авторов полевой модели был J.A. Rockett. За последние 10 лет произошел бурный рост полевого моделирования, появились трехмерные модели. Однако, трехмерные полевые модели требуют больших затрат машинного времени, что делает их применение при решении задач пожарной профилактики мало эффективным. Есть еще и другие причины, по которым создатели полевых моделей остановились на двухмерных моделях:

- грубая постановка граничных условий;

- неточность модели эффективной вязкости.

Эти недостатки делают высокую точность трехмерных моделей малозначительной.

За рубежом появились интересные модели Morita. Им используется модель вязкой сжимаемой теплопроводной жидкости над очагом горения, в модели рассматривается источник тепла и дыма требуемой мощности. С помощью этой модели проанализирован ряд важных для практики вопросов, отмечено, что тепловые и дымовые пожарные извещатели могут не среагировать на раннюю стадию пожара из-за сильной стратификации среды.

Интересная модель предлагается группой авторов H.R. Baum, K.B. Mc Grattan, R.G. Rehm. B своей двухмерной полевой модели они опираются на уравнения Навье-Стокса и уравнение энергии, записанные для безразмерных функций плотности и вихря; определяющими критериями их модели являются числа подобия Рейнольдса, Прандтля и Фруда. Эффективная вязкость описывается k-e моделью, однако, они не рассматривали вопроса определения температурных полей помещения и конструкций в условиях сопряженной задачи.

В нашей стране развитие полевого моделирования и его использование для решения задач пожарной профилактики связано с именами Ю.А. Кошмарова, И.С, Молчадского, Г.М. Махвиладзе, A.M. Рыжова.

С самых первых шагов в силу математических трудностей описания процесса пожара как единого целого в системе очаг горения - окружающая среда - ограждающие конструкции появились полевые модели, не рассматривающие одно из перечисленных звеньев, как изменяющийся параметр.

Одними из первых работ по двухмерному моделированию были статьи Ю.А. Кошмарова, И.С. Молчадского, А.М. Рыжова и Г.М. Махвиладзе.

Г.М. Махвиладзе и его соавторы провели исследования по расчету поля вихря с помощью предложенной ими модели, вытекающей из законов сохранения, записанных в двухмерных координатах для сжимаемого вязкого теплопроводного газа. Предложенная авторами модель учитывает наличие в газовой фазе частиц сажи, излучающих по законам абсолютно черного тела. Для численной реализации модели использовался итерационный метод. В результате численного эксперимента, проведенного для помещения, выяснился механизм влияния стен помещения и скорости распространения пожара на вихреобразование. Установлено, что преобладающим среди этих факторов для вихреобразования является сила тяжести. Эта работа показала перспективность использования полевого моделирования для решения задач пожарной профилактики. С помощью этой модели авторы получили только качественные характеристики.

Двухмерное полевое моделирование наиболее полно представлено в работах Ю.А. Кошмарова, И.С. Молчадского, A.M. Рыжова. Авторами разработана двухмерная математическая модель для условий обычного пожара (без детонаций). Результаты, полученные авторами, позволили сделать вывод о необходимости дальнейшего развития метода полевого моделирования, однако, существенным недостатком работы является использование изотермических или адиабатических граничных условий, применение аппарата явных схем при реализации не позволило авторам получить качественные характеристики пожара на некотором значительном промежутке времени от начала загорания.

С точки зрения теории огнестойкости, одной из самых интересных полевых моделей является модель И.С. Молчадского и И.У. Атабекова. Авторами используется модель вязкой несжимаемой жидкости для определения температурных режимов помещения и конструкций. Для расчета температурных режимов конструкций решалась краевая задача в сопряженной постановке с граничными условиями IV рода с учетом излучения в случае использования приближения оптически толстого пограничного слоя для задымленных помещений. Одним из недостатков работы является использование постоянного по мощности и геометрии очага горения. Сложности, возникшие при реализации модели, не позволили провести вычислительный эксперимент даже для начальной стадии пожара.

Эти исследования были продолжены И. С. Молчадским и И.Ф. Астаховой. Авторы рассмотрели модель вязкой несжимаемой жидкости в приближении Буссинеска, сжимаемость учитывается только в члене с архимедовой силой, оптические свойства газовой среды таковы, что она считается прозрачной для тепловых потоков излучением, излучение будет учитываться при расчете теплообмена с, конструкциями, замыкает модель предположение о постоянстве коэффициента турбулентной вязкости. Такая модель достаточно достоверно описывает начальную стадию пожара.