Исходные понятия и общие сведения об опасных факторах пожара и методах их прогнозирования

     1. 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.

     2. 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, припотолочную область пространства, в начальной стадии пожара, область восходящего над очагом горения потока нагретых газов и область незадымленной холодной части пространства.

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

     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.

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

     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. Искомыми функциями являются также координаты, определяющие положение границ характерных зон.

     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, описывающее 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 х, у, z и время т. 

Для прогнозирования  опасных факторов пожара в настоящее  время используются интегральные (прогноз  средних значений параметров состояния  среды в помещении для любого момента развития пожара), зонные (прогноз размеров характерных пространственных зон, возникающих при пожаре в помещении и средних значений параметров состояния среды в этих зонах для любого момента развития пожара. Примеры зон – припотолочная область, восходящий на очагом горения поток нагретых газов и область незадымленной холодной зоны) и полевые (дифференциальные) модели пожара (прогноз пространственно-временного распределения температур и скоростей газовой среды в помещении, концентраций компонентов среды, давлений и плотностей в любой точке помещения). 

  Для  проведения расчетов, необходимо  проанализировать следующие данные:

- объемно-планировочных  решений объекта;

- теплофизических  характеристик ограждающих конструкций  и размещенного на объекте  оборудования;

- вида, количества и расположения горючих материалов;

- количества  и вероятного расположения людей  в здании;

- материальной  и социальной значимости объекта;

- систем  обнаружения и тушения пожара, противодымной защиты и огнезащиты, системы обеспечения безопасности людей.

 При  этом учитывается:

- вероятность  возникновения пожара;

- возможная  динамика развития пожара;

- наличие  и характеристики систем противопожарной  защиты (СППЗ);

- вероятность  и возможные последствия воздействия  пожара на людей, конструкцию здания и материальные ценности;

- соответствие  объекта и его СППЗ требованиям  противопожарных норм. 

 Далее  необходимо обосновать сценарий  развития пожара. Формулировка сценария  развития пожара включает в  себя следующие этапы:

- выбор  места расположения первоначального очага пожара и закономерностей его развития;

- задание  расчетной области (выбор рассматриваемой  при расчете системы помещений,  определение учитываемых при  расчете элементов внутренней  структуры помещений, задание  состояния проемов);

- задание параметров окружающей среды и начальных значений параметров внутри помещений. 

Интегральная  модель пожара 

 Интегральная  математическая модель пожара  описывает в самом общем виде  процесс изменения во времени  состояния газовой среды в  помещении. 

 С  позиций термодинамики газовая среда, заполняющая помещение с проемами (окна, двери и т.п.), как объект исследования есть открытая термодинамическая система. Ограждающие конструкции (пол, потолок, стены) и наружный воздух (атмосфера) является внешней средой по отношению в этой термодинамической системе. Эта система взаимодействует с внешней средой путем тепло- и массообмена. В процессе развития пожара через одни проемы выталкивается из помещения нагретые газы, а через другие поступает холодных воздух. Количество вещества, т.е. масса газа в рассматриваемой термодинамической системе, в течении времени изменяется. Поступление холодного воздуха обусловлено работой проталкивания, которую совершает внешняя среда. Термогазодинамическая система в свою очередь совершает работу, выталкивая нагретые газы во внешнюю атмосферу. Эта термодинамическая система взаимодействует также с ограждающими конструкциями путем теплообмена. Кроме того, в эту систему с поверхности горящего материала (т.е. из пламенной зоны) поступает вещество в виде газообразных продуктов горения.

 Состояние  рассматриваемой термодинамической  системы изменяется в результате  взаимодействия с окружающей  средой. В интегральном методе  описания состояния термодинамической  системы, коей является газовая  среда в помещении, используются «интегральные» параметры состояния – такие, как масса всей газовой среды и ее внутренняя тепловая энергия. Отношение этих двух интегральных параметров позволяет оценивать в среднем степень нагретости газовой среды. В процесс развития пожара, значения указанных интегральных параметров состояния изменяются.  

Зонная  модель пожара 

 Зонный  метод расчета динамики ОФП  основан на фундаментальных законах  природы – законах сохранения  массы, импульса и энергии.  Газовая среда помещений является открытой термодинамической системой, обменивающейся массой и энергией с окружающей средой через открытые проемы в ограждающих конструкциях помещения. Газовая среда является многофазной, т.к. состоит из смеси газов (кислород, азот, продукты горения и газификация горючего материала, газообразное огнетушащие вещество) и мелкодисперсных частиц (твердых или жидких) дыма и огнетушащих веществ.

 В  зонной математической модели  газовый объем помещения разбивается  на характерных зоны, в которых  для описания тепломассобмена используются соответствующие уравнения законов сохранения. Размеры и количество зон выбирается таким образом, что бы в пределах каждой из них неоднородность температурных и других полей параметров газовой среды были возможно минимальными, или из каких-то других предположений, определяемых задачами исследования и расположением горючего материала.

 Наиболее  распространенной является трехзонная  модель, в которой объем помещения  разбит на следующие зоны: конвективная  колонка, припотолочный слой и  зона холодного воздуха, рис. 1. 

Рисунок 1 

В результате расчета по зонной модели находятся  зависимости от времени следующих  параметров тепломассообмена:

- среднеобъемных  значений температуры, давления, массовых концентраций кислорода, азота, огнетушащего газа и продуктов горения, а также оптической плотности дыма и дальности видимости в нагретом задымленном припотолочном слое в помещении;

- нижнюю  границу нагретого задымленного  припотолочного слоя;

- распределение  по высоте колонки массового расхода, осредненных по поперечному сечению колонки величин температуры и эффективной степени черноты газовой смеси;

- массовых  расходов истечения газов наружу  и притока наружного воздуха  внутрь через открытые проемы;

- тепловых  потоков, отводящих в потолок, стены и пол, а также излучаемых через проемы;

- температуры  (температурных полей) ограждающих конструкций. 
 
 
 
 

Полевой (дифференциальный) метод расчета 

 Полевой  метод является наиболее универсальным  из существующих детерминистических методов, поскольку он основан на решении уравнений в частных производных, выражающих фундаментальные законы сохранения в каждой точке расчетной области. С его помощью можно рассчитать температуру, скорость, скорость, концентрации компонентов смеси и т.п.в каждой точки расчетной области, см. рис. 2. В связи с этим полевой метод может использоваться:

 •  для проведения научных исследований  в целях выявления закономерностей  развития пожара;

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

 •  Выбора рационального варианта  противопожарной защиты конкретных  объектов:

 •  моделирования распространения  пожара в помещениях высотой  более 6м.

Рисунок 2 

В своей  основе полевой метод не содержит никаких априорных допущений  о структуре течения, и связи  с этим принципиально применим для  рассмотрения любого сценарий развития пожара.

 Вместе  с тем, следует отметить, что его использование требует значительных вычислительных ресурсов. Это накладывает ряд ограничений на размеры рассматриваемой системы и снижает возможность проведения многовариантных расчетов. Поэтому, интегральный и зональный методы моделирования также являются важным инструментами в оценке пожарной опасности объектов в тех случаях, когда они обладают достаточной информативностью и сделанные при их формулировке допущения не противоречат картине развития пожара.

  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:

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

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

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

 •  в иных случаях, когда зонные  и интегральные модели являются  недостаточно информативными для  решения поставленных задач, либо  есть основании считать, что  развитие пожара может существенно отличаться от априорных допущений зональных и интегральных моделей пожара.  

Критерии  выбора моделей пожара для расчетов 

 В  соответствии с проектом документа  «Методика оценки рисков для  общественных зданий» для описания  термогазодинамических параметров пожара применяются три основных группы детерминистических моделей: интегральные, зонные (зональные) и полевые.