Математические модели развития пожара в помещении описывают в самом общем виде изменения параметров состояния среды, ограждающих конструкций и элементов оборудования с течением времени. Уравнения, математических моделей пожара в помещении базируется на фундаментальных законах физики: законах сохранения массы, энергии, количества движения. Эти уравнения отражают всю совокупность взаимосвязанных и взаимообусловленных процессов, присущих пожару – тепловыделение в результате горения, дымовыделение и изменение оптических свойств газовой среды, выделение и распространение токсичных продуктов горения с окружающей средой и со смежными помещениями, теплообмен и нагревание ограждающих конструкций и др. Интегральный метод моделирования основан на моделировании пожара в помещении на уровне усреднённых характеристик (среднеобъёмных параметров, которыми характеризуются условия в объёме пространства: температура, давление, состав газовой среды и т.д. для любого момента времени). Это наиболее простая в математическом отношении модель пожара. Она представлена системой обыкновенных дифференциальных уравнений. Искомыми функциями выступают среднеобъемные параметры газовой среды в помещении, а независимой переменной является время. Также бывают дифференциальные и зонные модели.

2. Прогнозирование опасных факторов пожара в помещении на основе зонной математической модели.

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 характерные 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 над очагом пожара, припотолочный слой нагретого газа и зона холодного воздуха. 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.

3. Прогнозирование опасных факторов пожара в помещении на основе дифференциальной математической модели. Дифференциальная математическая модель позволяет рассчитать для любого момента развития пожара значения всех локальных параметров состояния во всех точках пространства внутри помещения. Дифференциальная модель расчета тепломассообмена при пожаре состоит из системы основных дифференциальных уравнений законов сохранения импульса, массы и энергии. К основным уравнениям математической модели относятся: уравнение неразрывности газовой смеси оно является математическим выражением закона сохранения массы газовой смеси, уравнение энергии является математическим выражением закона сохранения и превращения энергии, уравнение неразрывности для компонента газовой смеси, уравнение состояния смеси идеальных газов, уравнения теплофизических параметров смеси газов учитывает химический состав смеси. К дополнительным соотношениям математической модели относятся: расчет процесса прогрева строительных конструкций (материалов стен, перекрытия, пола и колонны), расчет турбулентного тепломассобмена, расчет радиационного тепломассообмена, расчет выгорания горючей нагрузки, т.е. определение величины оставшейся массы жидкого или твердого горючего материала после частичного его выгорания, моделирование горения (моделирование области горения может осуществляться при помощи источников энергии, массы и дыма без учета химической кинетики и термогазодинамических условий в области горения).

4.Расчет критической продолжительности пожара на основе интегральной математической модели. Критическая продолжительность пожара – это время достижения предельно допустимых для человека значений ОФП в зоне пребывания людей. Формула для расчета КПП по температуре: , где Т кр – предельно допустимое значение температуры в рабочей зоне. Для расчета КПП по условию достижения концентрации кислорода в рабочей зоне своего предельно допустимого значения: . Для расчета КПП по условию достижения концентрацией токсичного газа в рабочей зоне своего предельно допустимого значения:.Для расчета КПП по потере видимости:.Эти формулы можно применять лишь для помещений с небольшими открытыми проемами.

ЛЕКЦИЯ

по дисциплине "Прогнозирование опасных факторов пожара"

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

ЗАМКНУТОГО ПОЖАРА»

План лекции:

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

1.1. Введение

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

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.

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ГПС МЧС РОССИИ ______________________________ _________________________ Кафедра Правового и Кадрового обеспечения КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА по курсу: «Физико-химические основы развития и тушения пожаров» Тема: Исходные понятия и общие сведения об опасных факторах пожара и методах их прогнозирования. Выполнил: студент института заочного и дистанционного обучения Гр. № 508 зачетная книжка № в-0876 специальность 280104.65 Габдуллин Динар Дамирович Санкт-Петербург 2011г.

Содержание

Введение………………………………………………………… ………………	3стр.
Опасные факторы пожара ………………………………………… ………...	4стр.
Пламя как опасный фактор пожара……………………………………………	4стр.
Искры как опасный фактор пожара……………………………………………	4стр.
Повышенная температура как опасный фактор пожара…………………….	5стр.
Дым как опасный фактор пожара……………………………………………...	5стр.
Пониженная концентрация кислорода как опасный фактор пожара………..	5стр.
Концентрация токсичных веществ как опасный фактор пожара…………...	5стр.
Разрушение конструкций как опасный фактор пожара……………………..	6стр.
Отравление угарным газом как опасный фактор пожара……………………	6стр.
Методы прогнозирования пожара …………………………………………..	7стр.
Классификация интегральных математических моделей пожара…………...	7стр.
Интегральная модель пожара…………………………………………………..	9стр.
Зонная модель пожара………………………………………………………….	9стр.
Полевой (дифференциальный) метод расчета………………………………..	11стр
Критерии выбора моделей пожара для расчетов……………………………..	12стр
Заключение…………………………………………………… …………………	13стр
Список использованной литературы…………………………………………..	14стр

Введение

Изучение дисциплины «Прогнозирование опасных факторов пожара» направлена на теоретическую и практическую подготовку дипломированного специалиста, пожарной охраны, с целью проведения грамотного научно обоснованного прогнозирования динамики опасных факторов пожара (ОФП) в помещениях (зданиях, сооружениях), а также для проведения исследований реально произошедших пожаров при их экспертизе.
Цель данной работы – получение слушателями знаний и навыков по прогнозированию критических ситуаций, которые могут возникнуть в ходе пожара и использование этой информации для профилактики пожаров, обеспечения безопасности людей и личной безопасности при тушении пожаров, анализе причин и условий возникновения и развития пожаров.
По окончании изучения работы обучающиеся получат общие сведения об опасных факторах пожара, методах их прогнозирования, узнают физические закономерности распространения пламени и развитие пожара на объектах различного назначения.

Опасные факторы пожара

Пожар - неконтролируемое горение, причиняющее материальный ущерб, вред жизни и здоровью граждан, интересам общества и государства.

Опасные факторы пожара (ОФП), воздействие которых приводит к травме, отравлению или гибели человека, а также к материальному ущербу.

Опасными факторами пожара (ОФП), воздействующими на людей, являются: открытый огонь и искры; повышенная температура окружающей среды, предметов и т. п.; токсичные продукты горения, дым; пониженная концентрация кислорода; падающие части строительных конструкций, агрегатов, установок и т.п.

К основные опасным факторам пожара относятся : повышенная температура, задымление, изменение состава газовой среды, пламя, искры, токсичные продукты горения и термического разложения, пониженная концентрация кислорода. Величины параметров ОФП принято рассматривать прежде всего с точки зрения их вреда для здоровья и опасности для жизни человека при пожаре.

К вторичным проявлениям ОФП относятся: осколки, части разрушившихся аппаратов, агрегатов, установок, конструкций;
радиоактивные и токсичные вещества и материалы, выпавшие из разрушенных аппаратов, оборудования;
электрический ток, возникший в результате выноса напряжения на токопроводящие части конструкций и агрегатов;

Пламя как опасный фактор пожара

Пламя чаще всего поражает открытые участки тела. Очень опасны ожоги, получаемые от горящей одежды, которую трудно потушить и сбросить. Особенно легко воспламенятся одежда из синтетических тканей. Температурный порог жизнеспособности тканей человека составляет 45 °C.

Искры как опасный фактор пожара

Самое частое и, вместе с тем банальное - это когда «из искры возгорится пламя»: здесь враг виден, если можно так выразиться - в лицо. Маленькая искра, перерастающая в открытое пламя - и, как следствие, большие неприятности: лесные и степные пожары, пожары в сельскохозяйственных и промышленных постройках, административных зданиях, жилых помещениях, движимом имуществе. Как правило, огромные материальные убытки. Однако что касается людей, то открытый огонь на них редко воздействует, людей поражают преимущественно испускаемые пламенем лучистые потоки, поражающие открытые участки тела. Весьма опасны ожоги от горящей одежды, особенно из синтетических тканей, которая трудно тушится и так же трудно сбрасывается.

Повышенная температура как опасный фактор пожара

Следующий фактор пожара - повышенная температура окружающей среды - может как усугубить действие предыдущего, так и выступить самостоятельным источником материальных убытков и физических страданий людей, вызванных пожаром от самовозгорающихся предметов и материалов. Наибольшая опасность для людей исходит от нагретого воздуха, который при вдыхании, обжигает верхние дыхательные пути и приводит к удушью и смерти. К летальному исходу приводит и вызванный этим фактором пожара перегрев, из-за чего из организма интенсивно выводятся соли, нарушается деятельность сосудов и сердца. Достаточно побыть несколько минут в среде с температурой в 100 °С - как сразу же теряется сознание и наступает смерть. Вместе с тем, губительное влияние на человека оказывает и продолжительное облучение инфракрасными лучами с интенсивностью около 540 Вт/м. Также при повышенной температуре окружающей среды часты ожоги кожи.

Дым как опасный фактор пожара

Особо опасным фактором пожара является дым, которого, как известно, без огня не бывает. При этом основной вред в этом случае может исходить не так от огня, как от дыма, который буквально «косит» попавших в сферу его распространения. Вещества, которые входят в состав дыма, в зависимости от того, продуктами горения каких материалов они являются, могут быть настолько ядовитыми, что смерть тех, кто лишь сделал один глоток отравленной смеси, наступает практически мгновенно. А ещё вследствие задымления теряется видимость, что затрудняет процесс эвакуации людей, делает её неуправляемой, потому что движения в дыму становятся хаотичными, эвакуируемые перестают чётко видеть указатели выходов и сами эвакуационные выходы, тогда как успешная эвакуация при пожаре возможна лишь при беспрепятственном передвижении людей.

Пониженная концентрация кислорода как опасный фактор пожара

Пониженная концентрация кислорода всего лишь на 3 процента нарушает мозговую деятельность человека и оказывает ухудшающее воздействие на двигательные функции его организма и, во многих случаях, становится причиной смерти людей. Потому пониженную концентрацию кислорода в условиях пожара также относят к его особо опасным факторам.

Концентрация токсичных веществ как опасный фактор пожара

Также особо опасным фактором пожара является повышенная концентрация токсичных продуктов термического разложения и горения. Губительное воздействие пылающих, горячих, тлеющих, просто сверх допустимой меры нагретых полимерных и синтетических материалов всё в больших масштабах и разнообразиях отмечается в последнее время, когда на рынок строительных и отделочных изделий вышли сотни до этого не известных и никогда прежде не применявшихся материалов с не до конца изученными свойствами или не ко всякому использованию пригодные. Из токсичных продуктов горения наиболее опасными признан оксид углерода, который, вступая со скоростью в двести-триста раз большей, нежели кислород, в реакцию с гемоглобином крови, приводит организм к кислородному голоданию. Вследствие чего человек от нахлынувшего головокружения цепенеет, его охватывает равнодушие, депрессия, он становится безучастным к опасности, движения его раскоординируются, и в результате - остановка дыхания и смертельный исход.

Разрушение конструкций как опасный фактор пожара

Разрушение конструкций это еще один из опасных факторов пожара приводящих к травмам увечьям и гибели людей находящихся в зоне разрушения.
В первые 10-20 минут пожар распространяется вдоль горючего материала и в это время помещение заполняется дымом. Температура воздуха поднимается в помещении до 250-300 градусов. Через 20 минут начинается объёмное распространение пожара.
Спустя ещё 10 минут наступает разрушение остекления. Увеличивается приток свежего воздуха, резко прогрессирует развитие пожара и температура достигает 900 градусов.
После того, как выгорают основные вещества, конструкция здания теряет свою несущую способность и в это время происходит обрушение выгоревших конструкций.

Отравление угарным газом как опасный фактор пожара

Отравление угарным газом это одна из основных причин отравления или гибели людей на пожаре. При отравлении угарным газом возникает острое патологическое состояние, развивающееся в результате попадания угарного газа в организм человека, является опасным для жизни и здоровья, и без адекватной медицинской помощи может привести к летальному исходу.
Угарный газ попадает в атмосферный воздух при любых видах горения. Угарный газ активно связывается с гемоглобином, образуя карбоксигемоглобин, и блокирует передачу кислорода тканевым клеткам, что приводит к гипоксии гемического типа. Угарный газ также включается в окислительные реакции, нарушая биохимическое равновесие в тканях.

Методы прогнозирования пожара

Классификация интегральных математических моделей пожара

Современные научные методы прогнозирования Опасных Факторов Пожара 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.
Методы прогнозирования ОФП различают в зависимости от вида математической модели пожара. Математические модели пожара в помещении условно делятся на три класса (три вида): интегральные, зонные, полевые (дифференциальные).
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.
Выбор конкретной модели расчета времени блокирования путей эвакуации следует осуществлять исходя из следующих предпосылок:
интегральный метод:

для зданий и сооружений, содержащих развитую систему помещений малого объема простой геометрической конфигурации
проведении имитационного моделирования для случаев, когда учет стохастического характера пожара является более важным, чем точное и детальное прогнозирование его характеристик;
для помещений, где характерный размер очага пожара соизмерим с характерным размером помещения;

зональный метод:

для помещений и систем помещений простой геометрической конфигурации, линейные размеры которых соизмеримы между собой;
для помещений большого объема, когда размер очага пожара существенно меньше размеров помещения;
для рабочих зон, расположенных на разных уровнях в пределах одного помещения (наклонный зрительный зал кинотеатра, антресоли и т.д);

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

В начальной стадии пожара наблюдается специфический режим газообмена. Особенности этого режима заключаются в том, что процесс газообмена идет в одном направлении через все имеющиеся проемы и щели. Поступление воздуха в помещение из окружающей среды в этот период развития пожара совсем отсутствует. Лишь спустя некоторое время, когда средняя температура среды в помещении достигает определенного значения. Процесс газообмена становится двусторонним, т.е. через одни проемы из помещения вытекают нагретые газы, а через другие поступает свежий воздух. Продолжительность начальной стадии пожара, при которой наблюдается «односторонний» газообмен, зависит от размеров проемов.

При условии отсутствия поступление воздуха извне в дифференциальных уравнениях пожара можно отбросить члены, содержащие расход воздуха (G B = 0.).

Кроме того, будем рассматривать негерметичные помещения, в которых среднее давление среды остается практически постоянным, равным давлению наружного воздуха, так что с достаточной точностью можно принять, что:

где r 0 , Т 0 – плотность и температура среды перед началом пожара; r m , Т m – соответственно средние значения плотности и температуры среды в рассматриваемый момент времени; Р m – среднее давление в помещении.

Интервал времени, в течении которого наблюдается односторонний газообмен, является относительно небольшим. Средняя температура и концентрация кислорода в помещении изменяются за этот промежуток времени незначительно. По этой причине можно принять, что величины h, D, R в этой стадии пожара остаются неизменными. Кроме того, примем, что п 1 = п 2 = n 3 = т = 1 и V = const.

С учетом сказанного, уравнения пожара для начальной его стадии в помещении с малой проемностью, принимают следующий вид:

; (2)

, (4)

, (5)

(6)

В дальнейшем принимается еще одно допущение:

с р = с рВ = const. (7)

Для того чтобы получить аналитическое решение этих уравнений, используется прием, заключающийся в следующем. Поскольку рассматривается процесс развития пожара на относительно малом промежутке времени, то можно принять, что отношение теплового потока в ограждении к тепловыделению есть величина постоянная, равна своему среднему значению на этом интервале:

(8)

где Q пож = ψ η Q н;

τ * – время окончания начальной стадии пожара;

φ – коэффициентом теплопотерь.

Из уравнения баланса энергии (3) можно определить расход выталкиваемых газов из помещения.

С учетом уравнений (3) и (8) расход выталкиваемых газов в каждый момент времени определяется по формуле:

(9)

Следовательно, для начальной стадии пожара с учетом условия (1) расход выталкиваемых газов определяем по формуле:

(10)

Таким образом, уравнения пожара для начальной его стадии в помещении примут вид:

, (11)

, (12)

, (13)

. (14)

Эти уравнения представляют собой частный случай основной (неупрощенной) системы уравнений пожара.

Зависимость среднеобъемной плотности от времени можно описать следующим выражением:

, (15)

тогда процесс нарастания средней температуры среды в помещении описывается формулой:

, (16)

где

где b Г – ширина фронта пламени, м;

,

где – теплота сгорания, Дж·кг -1 ;

с p – теплоемкость газовой среды в помещении, Дж∙кг -1 ·K -1 (1,01);

ρ 0 , Т 0 – начальное значение плотности (кг·м -3) и температуры (К) соответственно;

V – свободный объем помещения, м 3 ;

Из дифференциального уравнения (12), описывающего процесс снижения парциальной плотности кислорода в помещении, находим парциальную плотность кислорода в зависимости от времени:

. (17)

где ρ 0 = 0,27 кг·м -3 , ρ 01 / ρ 0 = 0,23.

С использованием дифференциального уравнения (13) определим среднюю парциальную плотность токсичного газа в зависимости от времени по формуле:

, (18)

где – пороговая плотность, кг·м -3 .

Наконец рассмотрим дифференциальное уравнение (14), описывающее изменение критической плотности дыма в помещении. Разделим переменные в этом уравнении и затем, интегрируя с учетом начального условия, получаем формулу для определения оптической концентрации дыма:

, (19)

где .

Значение μ * зависит от свойств горючего материала (ГМ). Например, для древесины при ее горении на открытом воздухе μ * ≤ 5 Нп · м -1 .

Оптическая плотность дыма связана с дальностью видимости следующим соотношением:

.

где l вид – дальность видимости, м.

3 ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1. Используя основные теоретические положения рассчитать согласно варианту исходных данных (таблица 3):

а) парциальную плотность кислорода в зависимости от времени;

б) среднюю парциальную плотность токсичного газа;

в) оптическую концентрацию дыма;

г) оптическую плотность дыма.

2. Занести в таблицу полученные промежуточные и конечные результаты.

3. Подготовить отчет.

1) Краткие теоретические сведения.

2) Исходные данные.

3) Количественные показатели произведенных расчетов.

4) Ответы на контрольные вопросы.

Работа выполняется на листах формата А4, печатным текстом, в виде пояснительной записки содержащей краткую реферативную часть, требуемые расчеты и графики. Оформление работы должно соответствовать общим требованиям, предъявляемым к оформлению работ студентов в университете.

Таблица 3 – Данные по вариантам для выполнения расчета начальной стадии пожара

№ варианта	Размер помещения	t о, о С	Высота рабочей зоны, h , м	Горючее вещество	Масса, кг	Форма поверхности горения (таблица 4)	Период развития пожара, мин	Ширина фронта пламени, м	Площадь горения, F , м 2
	20х10х5		1,7	бензин		в
	15х15х6			ацетон		в
	10х30х4		1,8	древесина		б
	20х20х4		2,1	полиэтилен		б
	40х10х3		1,8	резина		б
	25х30х5		2,0	турбинное масло		в
	30х10х5		1,8	лен		б
	20х20х6		2,5	дизельное топливо		в
	40х10х5		2,2	хлопок		а
	30х8х4		1,9	хлопок		а
	20х10х4		2,3	бензин		в
	20х20х3		1,8	толуол		а
	30х6х3		1,7	древесина		а
	30х10х5		2,4	полиэтилен		а
	20х10х6		2,0	резина		а
	25х10х4		1,8	турбинное масло		в
	30х10х5		2,2	лен		а
	15х15х4		2,0	дизельное топливо		в
	30х10х4		2,3	пенопласт		а
	30х20х5		2,0	хлопок		а
	30х30х4		1,8	бензин		в
	40х10х4		2,0	толуол		а
	25х10х3		2,2	древесина		а
	25х25х4		2,0	полиэтилен		б
	30х20х3		2,0	резина		а
	25х25х4		1,8	турбинное масло		в
	40х10х5		2,4	лен		а
	20х20х6		2,0	дизельное топливо		в
	25х10х4		1,8	пенопласт		б
	30х20х6		2,2	хлопок		а

Таблица 4 – Форма поверхности горения

Таблица 5 – Средняя скорость выгорания, низшая теплота сгорания, дымообразующая способность, удельное потребление газов и линейная скорость распространения пламени веществ и материалов

Вещества и материалы	Y F , удельная массовая скорость выгорания, х10 –3 , кг м –2 с –1	Низшая теплота сгорания, Q , кДж·кг –1	Дымообразующая способность, D m , м 2 ·кг –1	Удельное потребление газов, L , кг·кг –1	Линейная скорость распространения пламени, J·10 2 , м/с
Бензин	61,7			0,25	0,45
Ацетон	59,6			0,26	0,44
Дизельное топливо	42,0				0,4
Турбинное масло				0,282	0,5
Толуол					0,388
Древесина	39,3			1,15
Резина	11,2				1,7-2
Пенопласт ПВХ-9	2,8				0,37
Полиэтилен	10,3				0,32
Хлопок	2,4			2,3	4,2
Лен	21,3		33,7	1,83

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Стадии пожара и их характеристики.

2. Процесс горения и основными условиями.

3. Массовая скорость выгорания и от чего зависит.

4. Линейная скорость распространения горения

5. Температура пожара в ограждениях и на открытых пространствах

6. Дым – это.

7. Развитие пожара и периоды

ЛИТЕРАТУРА

1. Кошмаров Ю.А. Прогнозирование опасных факторов пожара в помещении. Учебное пособие. АГПС МВД РФ, М. - 2000.

2. Применение полевого метода математического моделирования пожаров в помещениях. Методические рекомендации. ФГУ ВНИИПО МЧС России, 2003.

3. Пузач С.В. Методы расчета тепломассообмена при пожаре в помещении и их применение при решении практических задач пожаровзрывобезопасности. Монография. - М.: Академия ГПС МЧС России, 2005. - 336 с.

4. Пузач С.В., Смагин А.В., Лебедченко О.С., Абакумов Е.С. Новые представления о расчете необходимого времени эвакуации людей и об эффективности использования портативных фильтрующих самоспасателей при эвакуации на пожарах. Монография. - М.: Академия ГПС МЧС России, 2007. 222 с.