Образовательный портал. Образование / Культура / Интегральная математическая модель начальной стадии пожара. Контрольная работа исходные понятия и общие сведения об опасных факторах пожара и методах их прогнозирования. Выбор сценария пожара

Интегральная математическая модель начальной стадии пожара. Контрольная работа исходные понятия и общие сведения об опасных факторах пожара и методах их прогнозирования. Выбор сценария пожара

15.07.2020

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 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

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.................

Интегральная модель пожара
Зонная модель пожара

Общие сведения о расчете пожаров. Опасные факторы пожара.

Расчет пожара (прогнозирование опасных факторов) необходим для оценки своевременности эвакуации и разработке мероприятий по ее совершенствованию, при создании и совершенствовании систем сигнализации, оповещения и тушения пожаров, при разработке планов пожаротушения (планирования боевых действий пожарных подразделений при пожаре), для оценки фактических пределов огнестойкости, проведении пожарно-технических экспертиз и других целей.
В развитии пожара в помещении обычно выделяют три стадии:
- начальная стадия - от возникновения локального неконтролируемого очага горения до полного охвата помещения пламенем; при этом средняя температура среды в помещении имеет не высокие значения, но внутри и вокруг зоны горения температура такова, что скорость тепловыделения выше скорости отвода тепла из зоны горения, что обуславливает само ускорение процесса горения;
- стадия полного развития пожара - горят все горючие вещества и материалы, находящиеся в помещении; интенсивность тепловыделения от горящих объектов достигает максимума, что приводит и к быстрому нарастанию температуры среды помещения до максимальных значений;
- стадия затухания пожара - интенсивность процесса горения в помещении снижается из-за расходования находящейся в нём массы горючих материалов или воздействия средств тушения пожара.
Однако в любом случае, как показывает уравнение «стандартного пожара», температура в очаге пожара через 1,125 мин достигает значения 365оС. Поэтому очевидно, что возможное время эвакуации людей из помещений не может превосходить продолжительности начальной стадии пожара.
В начальной стадии развития пожара опасными для человека факторами являются: пламя, высокая температура, интенсивность теплового излучения, токсичные продукты горения, дым, снижение содержания кислорода в воздухе, поскольку при достижении определённых уровней они поражают его организм, особенно при синергическом воздействии.
Исследованиями отечественных и зарубежных учёных установлено, что максимальная температура, кратковременно переносимая человеком в сухой атмосфере, составляет 149 0С, во влажной атмосфере вторую степень ожога вызывало воздействие температуры 55 0С в течение 20с и 70 0С при воздействии в течение 1с; а плотность лучистых тепловых потоков 3500 вт/м2 вызывает практически мгновенно ожоги дыхательных путей и открытых участков кожи; концентрации токсичных веществ в воздухе приводят к летальному исходу: окиси углерода (СО) в 1,0% за 2-3 мин, двуокиси углерода (СО2) в 5% за 5 мин., цианистого водорода (HCN) в 0,005% практически мгновенно; при концентрации хлористого водорода (HCL) 0,01- 0,015% останавливается дыхание; при снижении концентрации кислорода в воздухе с 23% до 16% ухудшаются двигательные функции организма, и мускульная координация нарушается до такой степени, что самостоятельное движение людей становится невозможным, а снижение концентрации кислорода до 9% приводит к смерти через 5 минут.
Совместное действие некоторых факторов усиливает их воздействие на организм человека (синергический эффект). Так токсичность окиси углерода увеличивается при наличии дыма, влажности среды, снижении концентрации кислорода и повышении температуры. Синергетический эффект обнаруживается и при совместном действии двуокиси азота и понижении концентрации кислорода при повышенной температуре, а также при совместном воздействии цианистого водорода и окиси углерода.
Особое воздействие на людей оказывает дым. Дым представляет собой смесь несгоревших частиц углерода с размерами частиц от 0,05 до 5,0 мкм. На этих частицах конденсируются токсичные газы. Поэтому воздействие дыма на человека также имеет, по-видимому, синергический эффект.
В действительности при пожаре выделяется значительно больше токсинов, воздействие которых достаточно хорошо изучено (табл. 1,2). Максимально допустимый уровень опасных (основных) факторов пожара, воздействие которого не приносит вреда человеку (табл.3), нормирован. Вырываясь из помещения, опасные факторы пожара, прежде всего дым, стремительно распространяются по коммуникационным путям здания.

Источники. 1-4, 6 - ГОСТ 12.1.004-91; 5 - ГОСТ 12.3.047-98; 7 - Кошмаров Ю. А. Прогнозирование опасных факторов пожара в помещении: Учеб. пособие. - М.: Академия ГПС МВД РФ, 2000.

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.

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.

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 расчитать 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.

Рис. 2. Расчеты с помощью полевой модели.

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 являютсяч недостаточно информативными для решения поставленных задач, либо есть основании считать, что развитие пожара может существенно отличаться от априорных допущений зональных и интегральных моделей пожара.

Математический аппарат модели изложен в научно-методических пособиях, приведенных в разделе «Литература» настоящего раздела.

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.);
- 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.).

Характеристика типовой пожарной нагрузки (примеры)

Здания I-II ст. огнест.; мебель+бытовые изделия
Низшая теплота сгорания, кДж/кг 13800,0
Линейная скорость пламени, м/с / Плотность ГЖ,кг/м3 0,0108
Удельная скорость выгорания, кг/м2-с 0,01450
Дымообразующая способность, Нпм2/кг 270,00
Потребление кислорода (О2), кг/кг -1,0300
Выделение газа:
углекислого (СОг), кг/кг 0,20300
угарного (СО), кг/кг 0,00220
хлористого водорода (НС1), кг/кг 0,01400

Здание I-II ст. огнест.; мебель+ткани
Низшая теплота сгорания, кДж/кг 14700,0
Линейная скорость пламени, м/с / Плотность ГЖ, кг/м3. 0,0108
Удельная скорость выгорания, кг/м2с 0,01450
Дымообразуюшая способность, Нпм2/кг. ...82,00
Потребление кислорода (O2), кг/кг -1,4370
Выделение газа:
углекислого (СО2). кг/кг...... 1,28500
угарного (СО), кг/кг 0,00220
хлористого водорода (НС1), кг/кг. 0,00600

Обществ.здания; мебель+линолеум ПВХ (0,9+0,1)
Низшая теплота сгорания, кДж/кг 14000,0
Линейная скорость пламени, м/с / Плотность ГЖ, кг/м3 0,015
Удельная скорость выгорания, кг/м2с.-. 0,01370
Дымообразуюшая способность, Нпм2/кг 47,70
Потребление кислорода (Ог), кг/кг -1,3690
Выделение газа:
углекислого (СО2), кг/кг 1,47800
угарного (СО), кг/кг 0,03000
хлористого водорода (НС1), кг/кг.. 0,00580

Библиотеки, архивы; книги, журналы на стеллажах
Низшая теплота сгорания, кДж/кг 14500,0
Линейная скорость пламени, м/с / Плотность ГЖ, кг/м3 0,0103
Удельная скорость выгорания, кг/м2с 0,01100
Дымообразуюшая способность, Нпм2/кг 49,50
Потребление кислорода (О2), кг/кг -1,1540
Выделение газа:
углекислого (СО2), кг/кг 1,10870
угарного (СО), кг/кг 0,09740
хлористого водорода (НС1), кг/кг. .0,00000

Верхняя одежда; ворс, ткани (шерсть+нейлон)
Низшая теплота сгорания, кДж/кг 23300,0
Линейная скорость пламени, м/с / Плотность ГЖ, кг/м3 0,0835
Удельная скорость выгорания, кг/м2-с 0,01300
Дьшообразуюшая способность, Нпм2/кг 129,00
Потребление кислорода (О2), кг/кг -3,6980
Выделение газа:
углекислого (СО2), кг/кг 0,46700
угарного (СО), кг/кг 0,01450
хлористого водорода (HС1), кг/кг 0,00000

Резинотехн. изделия; резина, изделия из нее
Низшая теплота сгорания, кДж/кг 36000,0
Линейная скорость пламени, м/с / Плотность ГЖ, кг/м3.... 0,0184
Удельная скорость выгорания, кг/м2-с 0,01120
Дымообразуюшая способность, Нп м2/кг 850,00
Потребление кислорода (О2), кг/кг -2,9900
Выделение газа:
углекислого (СО2), кг/кг 0,41600
угарного (СО), кг/кг.. 0,01500
хлористого водорода (НС1), кг/кг 0,00000

Автомобиль; 0,3*(резина, бензин)+0,15*(ППУ, искожа ПВХ)+0,1* эмаль
Низшая теплота сгорания, кДж/кг 31700,0
Линейная скорость пламени, м/с / Плотность ГЖ, кг/м3 0,0068
Удельная скорость выгорания, кг/м2 с 0,02330
Дымообразуюшая способность, Нп м2/кг 487,00
Потребление кислорода (О2), кг/кг. -2,6400
Выделение газа:
углекислого (СО2), кг/кг 1,29500
угарного (СО), кг/кг 0,09700

Кабинет; мебель+бумага (0,75+0,25)
Низшая теплота сгорания, кДж/кг.14002,0
Линейная скорость пламени, м/с / Плотность ГЖ, кг/м3 0,042
Удельная скорость выгорания, кг/м2с.0,01290
Дымообразуюшая способность, Нпм2/кг.. 53,00
Потребление кислорода (О2), кг/кг. .-1,1610
Выделение газа:
углекислого (СО2), кг/кг...0,64200
угарного (СО), кг/кг....... 0,03170
хлористого водорода (НС1), кг/кг. , 0,00000

Помещение, облицованное панелями; панели ДВП
Низшая теплота сгорания, кДж/кг 18100,0
Линейная скорость пламени, м/с / Плотность ГЖ, кг/мЗ 0,0405
Удельная скорость выгорания, кг/м2с 0,01430
Дымообразуюшая способность, Нпм2/кг 130,00
Потребление кислорода (О2), кг/кг -1,1500
Выделение газа:
углекислого (СО2), кг/кг 0,68600
угарного (СО), кг/кг 0,02150
хлористого водорода (НС1), кг/кг.... г.. 0,00000

Литература

Федеральный закон РФ от 22 июля 2008 г. № 123-ФЗ «Технический регламент о требованиях пожарной безопасности».
ГОСТ 12.1.004-91* Пожарная безопасность. Общие требования.
ГОСТ 12.1.033-81* Пожарная безопасность. Термины и определения.
СП 118.13330.2012 Общественные здания и сооружения.
СНиП 21-01-97* Пожарная безопасность зданий и сооружений.
Холщевников В.В., Самошин Д.А. Парфененко А.П., Кудрин И.С., Истратов Р.Н., Белосхов И.Р.Эвакуация и поведение людей при пожарах: Учеб. пособие. - М.: Академия ГПС МЧС России, 2015. - 262 с.

Уравнения пожара описывают в самом общем виде изменение среднеобъемных параметров состояния газовой среды в помещении в течение времени (в процессе развития пожара). Эти уравнения были сформулированы в 1976г. проф. Ю.А. Кошмаровым (статья "Развитие пожара в помещении" в научном сборнике ВНИИПО МВД СССР "Горение и проблемы тушения пожаров". М.: ВНИИПО МВД СССР, 1977).

Уравнения пожара являются обыкновенными дифференциальными уравнениями. Они вытекают, как и большинство уравнений математической физики, из фундаментальных законов природы - первого закона термодинамики для открытой термодинамической системы и закона сохранения массы. Подробный вывод этих уравнений приведен в учебнике Ю.А. Кошмарова и М.П. Башкирцева "Термодинамика и теплопередача в пожарном деле" (М., ВИПТШ МВД СССР, 1987). Ограничимся здесь кратким изложением рассуждений, используемых при выводе уравнений пожара.

Первое уравнение - уравнение материального баланса пожара в помещении - вытекает из закона сохранения массы. Применительно к газовой среде, заполняющей помещение, этот закон можно сформулировать так: изменение массы газовой среды в помещении за единицу времени равно алгебраической сумме потоков массы через границы рассматриваемой термодинамической системы. Под границей системы здесь подразумевается воображаемая контрольная поверхность, ограничивающая пространство, внутри которого заключена рассматриваемая газовая среда. На рис. 1.1 эта поверхность условно показана пунктирной линией. Часть этой поверхности совпадает с поверхностью ограждений (стены, пол, потолок). Там, где находятся проемы, эта поверхность является воображаемой. Объем пространства, заключенный внутри этой поверхности, называется свободным объемом помещения и обозначается буквой V. Введем следующие обозначения:

а) G B - расход поступающего воздуха из окружающей атмосферы в помещение, который имеет место в рассматриваемый момент времени процесса развития пожара, кг∙с -1 ;

б) G Г - расход газов, покидающих помещение через проемы в рассматриваемый момент времени, кг∙с -1 ;

в) ψ - скорость выгорания (скорость газификации) горючего материала в рассматриваемый момент времени, кг∙с -1 ;

г) ρ m V - масса газовой среды, заполняющей помещение в рассматриваемый момент времени, кг.

За малый промежуток времени, равный dx , будет иметь место малое изменение массы газовой среды. В то же время можно считать, что значения G Г , G B и ψ в течение этого малого промежутка времени остаются практически неизменными. С учетом вышесказанного уравнение материального баланса для газовой среды в помещении записывается следующим образом:

где левая часть уравнения есть изменение массы газовой среды за единицу времени в интервале, равном dτ . Правая часть есть алгебраическая сумма потоков массы.

Уравнение (2.24) называется уравнением материального баланса пожара.

Аналогичные рассуждения позволяют получить дифференциальные уравнения баланса массы кислорода, баланса продуктов горения и баланса оптического количества дыма. Уравнение баланса массы кислорода:

Уравнение баланса токсичного продукта горения:

Уравнение баланса оптического количества дыма:

В этих уравнениях использованы следующие обозначения: ρ 1 , - среднеобъемная парциальная плотность кислорода, кг·м -3 ; ρ 2 - среднеобъемная парциальная плотность токсичного продукта горения, кг·м -3 ; μ м - объемная оптическая концентрация дыма, Нп·м -1 .

В правой части уравнения (2.25) - уравнения баланса массы кислорода - использованы, кроме ранее указанных, следующие обозначения: х 1в - массовая доля кислорода в поступающем воздухе; средняя массовая доля кислорода в помещении; L 1 - стехиометрический коэффициент для кислорода (количество кислорода, необходимое для сгорания единицы массы горючего материала), кг∙кг -1 ; η - коэффициент полноты сгорания; n 3 , - коэффициент, учитывающий отличие концентрации кислорода в уходящих газах от среднеобъемной концентрации кислорода.

В правой части уравнения (2.26) - уравнения баланса токсичного продукта горения - использованы, кроме ранее указанных, следующие обозначения: L 2 - стехиометрический коэффициент для продукта горения (количество продукта горения, образующегося при сгорании единицы массы горючего материала), кг∙кг -1 ; средняя массовая доля токсичного газа в помещении; п 2 - коэффициент, учитывающий отличие концентрации токсичного газа в уходящих газах от среднеобъемной концентрации этого газа.

В правой части уравнения (1.36) - уравнения баланса оптического количества дыма - использованы, кроме ранее указанных, следующие обозначения: n 3 - коэффициент, учитывающий отличие оптической концентрации дыма в уходящих газах от среднеобъемного значения оптической концентрации дыма; F w - площадь поверхности ограждений (потолка, пола, стен), м 2 ; к с - коэффициент седиментации частиц дыма на поверхностях ограждающих конструкций, Нп·с -1 . Коэффициент седиментации по физическому смыслу есть скорость осаждения частиц дыма.

На основе первого закона термодинамики выводится уравнение энергии пожара. Рассматриваемая термодинамическая система, т.е. газовая среда внутри контрольной поверхности, характеризуется тем, что она не совершает работы расширения. Кинетическая энергия видимого движения газовой среды в помещении пренебрежимо мала по сравнению с ее внутренней энергией. Потоки массы через некоторые участки контрольной поверхности (проемы) характеризуются тем, что в них удельная кинетическая энергия газа пренебрежимо мала по сравнению с удельной энтальпией.

С учетом всего сказанного получается следующее уравнение энергии пожара:

Левая часть этого уравнения есть скорость изменения внутренней тепловой энергии газовой среды в помещении за единицу времени в рассматриваемый малый промежуток времени dτ, т.е.

В правой части уравнения (2.28) первый член представляет собой количество тепла, поступающего за единицу времени в газовую среду в результате горения (скорость тепловыделения). Второй член есть поток энергии в помещение, поступающий вместе с продуктами газификации (пиролиз, испарение) горючего материала. Здесь величина i r - энтальпия этих продуктов. Третий член представляет собой сумму внутренней тепловой энергии поступающего за единицу времени воздуха и работы проталкивания, которую совершает внешняя атмосфера. Четвертый член есть сумма внутренней тепловой энергии, которую уносят за единицу времени уходящие газы, и работы выталкивания, которую совершает рассматриваемая термодинамическая система. Пятый член представляет собой тепловой поток, поглощаемый ограничивающими конструкциями и излучаемый через проемы.

Представленные выше пять дифференциальных уравнений содержат шесть неизвестных функций – p m (τ), p m (τ), Т m (τ), р 1 (τ), р 2 (τ) и m m (τ) . Эту систему уравнений дополняет алгебраическое уравнение - усредненное уравнение состояния (2.19).

Начальные значения для этих функций задаются условиями, которые имеют место в помещении перед началом пожара, т.е.

Представленная здесь система уравнений описывает свободное развитие пожара. Развитие пожара называют свободным, если не осуществляется тушение, т.е. если помещение не подаются огнетушащие вещества. Эффекты, обусловленные подачей огнетушащих веществ в объем помещения, можно учесть путем введения в дифференциальные уравнения дополнительных членов. Например, при тушении инертными газами (аргон, азот, диоксид углерода) уравнение материального баланса пожара записывается следующим образом:

где G o в - массовый расход подачи огнетушащего вещества, кг∙с -1 . Соответствующим образом изменяются в этом случае и остальные дифференциальные уравнения пожара.

Как уже говорилось, в уравнениях пожара искомыми (неизвестными) функциями являются среднеобъемные параметры газовой среды, а независимой переменной является время. Кроме этих переменных величин, уравнения содержат целый ряд других физических величин, которые можно разделить на две группы. К первой группе относятся величины, заданные условиями однозначности, которые представляют собой сведения о размерах помещения (объем V и поверхность ограждений F w) и свойствах горючего материала (теплота сгорания Q р н, стехиометрические коэффициенты L 1 , L 2 , дымообразующая способность D, энтальпия продуктов горения i n . Ко второй группе относятся те величины, которые зависят, помимо всего прочего, от параметров состояния среды в помещении. К этим величинам относятся массовые расходы поступающего через проемы воздуха G B и уходящих через проемы газов G Г , тепловой поток, поглощаемый ограждающими конструкциями и излучаемый через проемы Q w , коэффициент полноты сгорания η, скорость тепловыделения ηQ p н ψ. Для вычисления значений физических величин, относящихся ко второй группе, необходимо располагать дополнительными уравнениями.

Конкретный вид дополнительных уравнений установлен путем привлечения сведений из теории конвективного и лучистого теплообмена, теории газообмена помещения с окружающей атмосферой через проемы из-за различия плотностей наружного воздуха и газовой среды внутри помещения, теории горения.

В заключение необходимо сделать некоторые замечания по поводу общих положений, касающихся сущности описания пожара на уровне осредненных параметров состояния.

В интегральной математической модели мы оперируем с интегральными характеристиками термодинамической системы. Этот подход не требует каких-либо допущений и оговорок о том, как распределены локальные значения термодинамических параметров состояния по объему помещения. Здесь не уместны оговорки такого, например, типа: "предположим, что температурное поле является однородным", или часто используемое выражение о "размазанности" того или иного параметра состояния газовой среды.

Естественным является вопрос о том, как определить значение того или иного термодинамического параметра состояния в заданной точке объема помещения, если будет известно среднеобъемное значение. К этому вопросу мы вернемся в параграфах, посвященных интегральной математической модели пожара.

Здесь лишь отметим, что процесс развития пожара в помещении можно расчленить на ряд характерных временных этапов. Каждому этапу присущи характерные законы распределения локальных термодинамических параметров состояния внутри помещения. Это обстоятельство используется для ответа на поставленный здесь вопрос.

ЛЕКЦИЯ

по дисциплине "Прогнозирование опасных факторов пожара"

Тема №2. «Основные понятия и уравнения интегральной математической модели пожара в помещении»

План лекции:

1.2 Среднеобъемная плотность газовой среды

Лекция 2.

Цели лекции:

Учебные

В результате прослушивания материала слушатели должны знать:

опасные факторы пожара, воздействующие на людей, на конструкции и оборудование
предельно допустимые значения ОФП
методы прогнозирования ОФП

Уметь: прогнозировать обстановку на пожаре.

Развивающие:

выделять самое главное
самостоятельность и гибкости мышления
развитие познавательного мышления

Литература

Д.М. Рожков Прогнозирование опасных факторов пожара в помещении. Иркутск 2007. С.89
Ю.А.Кошмаров, М.П. Башкирцев Термодинамика и теплопередача в пожарном деле. ВИПТШ МВД СССР, М., 1987 г.
Ю.А.Кошмаров Прогнозирование опасных факторов пожара в помещении. Москва 2000. С.118
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.

Лекция 1. Основные понятия математической модели пожара в помещении

1.1 Допущения интегрального метода термодинамического анализа пожара

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

1) С позиций термодинамики газовая среда, заполняющая помещение с проемами (окна, двери и т.п.), как объект исследования есть открытая термодинамическая система (рис. 1.1).

2)Ограждающие конструкции (пол, потолок, стены) и наружный воздух (атмосфера) являются внешней средой по отношению к этой термодинамической системе. Граница между термодинамической системой и внешней средой (контрольная поверхность) показана условно на рис. 1.1 пунктирной линией. Эта система взаимодействует с внешней средой путем тепло- и массообмена. В процессе развития пожара через одни проемы выталкиваются из помещения нагретые газы, а через другие поступает холодный воздух.

3) Количество вещества, т.е. масса газа в рассматриваемой открытой термодинамической системе, в течение времени изменяется. Поступление холодного воздуха обусловлено работой проталкивания, которую совершает внешняя среда.

4) Термодинамическая 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.

Рис. 1.1. Схема пожара в помещении:

Контрольная поверхность;1 - ограждения; 2 - проемы (окна, двери); 3 горящий материал; G г - расход уходящих газов; G в - расход поступающего холодного воздуха; ψ- скорость выгорания материала

Состояние рассматриваемой термодинамической системы изменяется в результате взаимодействия с окружающей средой. Приступая к изложению сути интегрального метода описания процесса изменения состояния рассматриваемой термодинамической системы, отметим прежде всего следующие два факта.

5) Всегда с большой точностью можно считать, что газовая среда внутри помещения при пожаре есть смесь идеальных газов.

6) В каждой точке пространства внутри помещения в любой момент времени реализуется локальное равновесие. Это означает, что локальные значения основных термодинамических параметров состояния (плотность, давление, температура) связаны между собой уравнением Клапейрона, т.е.

(2.1)

где р - локальное давление, Н·м -2 ; ρ - локальная плотность, кг·м -3 ; R - газовая постоянная, Дж·кг -1 К -1 ; Т - локальная температура, К.

При пожаре поля локальных термодинамических параметров состояния являются нестационарными и неоднородными. Расчет этих полей представляет собой чрезвычайно сложную математическую задачу. Интегральный метод описания состояния среды в помещении позволяет не рассматривать эту задачу.

7) Особенностью рассматриваемой термодинамической системы (т.е. газовой среды в помещении) является то, что ее объем (т.е. пространственная конфигурация) в процессе развития пожара практически не изменяется. В связи с этим в интегральном методе описания состояния термодинамической системы, коей является газовая среда в помещении, используются "интегральные" параметры состояния термодинамической системы среднеобъемные параметры - среднеобъемную плотность газовой среды и среднеобъемную (удельную) внутреннюю энергию.

Отношение этих двух интегральных параметров позволяет оценивать в среднем степень нагретости газовой среды. В процессе развития пожара значения указанных интегральных параметров состояния изменяются.

1.2 Среднеобъемная плотность газовой среды в помещении представляет собой отношение массы газа, заполняющего помещение, к объему помещения, т.е.

(2.2)

где М - масса газа, заполняющего помещение, кг; V - свободный объем помещения, м 3 . Нижний индекс т , используемый здесь и далее, представляет собой первую букву в немецком слове mittel (средний). Следует отметить, что

(2.3)

С формальных позиций среднеобъемная плотность газовой среды есть результат осреднения по объему помещения всех значений локальной плотности, т.е.

(2.4)

Газовая среда в помещении представляет собой смесь кислорода, азота и продуктов горения. В процессе развития пожара количественное соотношение между компонентами смеси изменяется. В интегральном методе описания процесса изменения массы i -го компонента смеси в течение времени используется параметр, называемый среднеобъемной парциальной плотностью i -го компонента смеси.

1.3 Среднеобъемная парциальная плотность i -го компонента представляет собой отношение массы i -го компонента смеси (например О 2 ), содержащейся в объеме помещения, к объему помещения, т.е.

(1.5)

(2.5)

где М, - масса i -го компонента, находящегося в помещении, кг. Отметим, что с формальной точки зрения среднеобъемная парциальная плотность i -го компонента есть результат осреднения по объему помещения всех значений локальной парциальной плотности этого компонента, т.е.

(2.6)

где ρ i , - локальное значение парциальной плотности i -го компонента, кг·м -3 .

1.4 Среднеобъемная (удельная) внутренняя энергия представляет собой отношение внутренней тепловой энергии всего газа, заполняющего помещение, к объему помещения, т.е.

(2.7)

где и - внутренняя энергия всей газовой среды, заполняющей помещение, Дж. С формальных позиций среднеобъемная внутренняя энергия газовой среды есть результат осреднения по объему всех значений локальной удельной (объемной) внутренней энергии, т.е.

(2.8)

где U V - локальное значение удельной (объемной) внутренней энергии, Дж·м -3 . Локальные значения удельной объемной внутренней энергии и удельной массовой внутренней энергии связаны между собой простым соотношением, которое имеет следующий вид:

(2.9)

где и - локальное значение удельной массовой внутренней энергии газа, Дж·кг. Отметим здесь, что между локальным значением удельной массовой внутренней энергии и локальной температурой идеального газа существует простая взаимосвязь, а именно

(2.10)

где c v - изохорная теплоемкость газа, Дж·кг·К.

В интегральном методе описания процесса изменения состояния термодинамической системы (т.е. газовой среды в помещении) вместо среднеобъемной внутренней энергии используется параметр состояния, называемый среднеобъемным давлением. Эти два параметра в формальном отношении являются взаимозаменяемыми. Покажем это. Формулу (2.8) можно преобразовать с помощью выражений (2.9) и (2.10)

(2.11)

Если теперь воспользоваться уравнением Клапейрона (2.1), то формулу (2.11) можно преобразовать и получить следующее выражение:

(2 . 12)

где p - локальное давление, Н·м -2 ;

к = C p / C V - отношение изобарной и изо хорной теплоемкостей идеального газа (показатель адиабаты). С достаточной для практики точностью можно считать, что показатель адиабаты во всех точках внутри помещения есть одна и та же постоянная величина. С учетом этого замечания формулу (2.12) можно преобразовать:

(2.13)

Выражение в прямоугольных скобках представляет собой операцию осреднения всех локальных значений давления по объему помещения. Результат этого осреднения называют среднеобъемным давлением, т.е.

(2.14)

где р т - среднеобъемное давление, Н·м -2

Сравнивая выражения (2.13) и (2.14), получим следующее соотношение между среднеобъемной внутренней энергией и среднеобъемным давлением:

(2.15)

Из последней формулы следует, что среднеобъемное давление прямо пропорционально среднеобъемной внутренней энергии. Среднеобъемное давление необходимо знать при расчетах газообмена помещения с внешней атмосферой, что будет показано в дальнейшем.

Степень нагретости газовой среды характеризуется в среднем отношением внутренней энергии этой среды к ее массе. Отношение этих физических величин можно представить с помощью формул (2.2), (2.7) и (2.15) в следующем виде:

(2.16)

Если правую и левую части равенства (2.16) поделить на изохорную теплоемкость, то получится следующее выражение:

(2.17)

Комплекс в левой части выражения (2.17) имеет размерность "Кельвин". Этот комплекс представляет собой параметр состояния рассматриваемой термодинамической системы, который называется среднемассовой температурой газовой среды, т.е.

(2.18)

С помощью выражения (2.18) можно преобразовать формулу (2. ] 7) и в результате получить следующее уравнение:

(2.19)

Вывод: Уравнение 2.19 является основным и связывает между собой три важных параметра состояния газовой среды в помещении при пожаре. По внешнему виду это уравнение такое же, как уравнение Клапейрона для локальных параметров состояния. В дальнейшем уравнение (2.19) для краткости будем называть усредненным уравнением состояния газовой среды, заполняющей помещение.

1.5 Дым и его влияние на термодинамические параметры среды

Газовая среда, заполняющая помещение при пожаре, содержит в себе мельчайшие твердые частицы. Следует отметить, что доля тепловой энергии, приходящейся на эти частицы, пренебрежимо мала по сравнению с внутренней энергией газовой среды, находящейся в помещении. Не существенным является также вклад этих частиц в суммарную массу среды, заполняющей помещение при пожаре. Поэтому можно не учитывать присутствие этих частиц при вычислениях таких параметров состояния среды, как среднеобъемная плотность, среднеобъемное давление и среднемассовая температура. Однако присутствие этих частиц сильно изменяет оптические свойства среды в помещении. В результате рассеяния энергии световых волн из-за многократного диффузного отражения от этих мельчайших частиц (их диаметр приблизительно равен 0,2-4 мкм) ухудшается видимость. Оптические свойства среды, находящейся в помещении, характеризуются среднеобъемной оптической плотностью дыма.

Среднеобъемная плотность (концентрация) дыма представляет собой отношение оптического количества дыма, находящегося в помещении, к объему помещения, т.е.

(2.20)

где S - оптическое количество дыма, Нп·м 2 ; µ m - среднеобъемная оптическая плотность дыма, Нп·м -1 . Здесь сокращением «Нп» обозначено слово "Непер". Оптическое количество дыма в помещении есть произведение средней концентрации твердых частиц на объем помещения и эффективное сечение экстинкции, т.е.

S = NVx , (2.21)

где N - средняя концентрация частиц, т.е. число частиц, приходящееся на единицу объема, м -3 ; χ - эффективное сечение экстинкции, м 2 . Чем выше оптическая плотность (концентрация) дыма, тем хуже видимость в помещении. Оптическая плотность дыма и дальность видимости связаны между собой следующим приближенным соотношением:

(2.22)

где l вид - дальность видимости, м.

К числу важнейших понятий, используемых в дальнейшем, относятся упомянутые ранее теплота сгорания, стехиометрические коэффициенты и дымообразующая способность горючих материалов. Последнее понятие требует некоторых пояснений.

Дымообразующая способность горючего материала есть оптическое количество дыма, образующегося при сгорании единицы массы горючего материала, т.е.

D = J χ , (2.23)

где D - дымообразующая способность ГМ, Нп·м 2 ·кг -1 ; J - число частиц, образующихся при сгорании единицы массы горючего материала, кг -1 ; χ - эффективное сечение экстинкции частиц, м 2 .

Лекция 2. Дифференциальные уравнения пожара

Первое уравнение - уравнение материального баланса пожара в помещении - вытекает из закона сохранения массы. Применительно к газовой среде, заполняющей помещение, этот закон можно сформулировать так: изменение массы газовой среды в помещении за единицу времени равно алгебраической сумме потоков массы через границы рассматриваемой термодинамической системы. Под границей системы здесь подразумевается воображаемая контрольная поверхность, ограничивающая пространство, внутри которого заключена рассматриваемая газовая среда. На рис. 1.1 эта поверхность условно показана пунктирной линией. Часть этой поверхности совпадает с поверхностью ограждений (стены, пол, потолок). Там, где находятся проемы, эта поверхность является воображаемой. Объем пространства, заключенный внутри этой поверхности, называется свободным объемом помещения и обозначается буквой V . Введем следующие обозначения:

а) G B - расход поступающего воздуха из окружающей атмосферы в помещение, который имеет место в рассматриваемый момент времени процесса развития пожара, кг∙с -1 ;

б) G Г - расход газов, покидающих помещение через проемы в рассматриваемый момент времени, кг∙с -1 ;

г) ρ m V - масса газовой среды, заполняющей помещение в рассматриваемый момент времени, кг.

За малый промежуток времени, равный dx , будет иметь место малое изменение массы газовой среды. В то же время можно считать, что значения G Г , G B и ψ в течение этого малого промежутка времени остаются практически неизменными. С учетом вышесказанного уравнение материального баланса для газовой среды в помещении записывается следующим образом:

(2.24)

Уравнение (2.24) называется уравнением материального баланса пожара.

(2.25)

Уравнение баланса токсичного продукта горения:

(2.26)

Уравнение баланса оптического количества дыма:

(2.27)

В этих уравнениях использованы следующие обозначения: ρ 1 , - среднеобъемная парциальная плотность кислорода, кг · м -3 ; ρ 2 - среднеобъемная парциальная плотность токсичного продукта горения, кг · м -3 ; μ м - объемная оптическая концентрация дыма, Нп · м -1 .

В правой части уравнения (2.25) - уравнения баланса массы кислорода - использованы, кроме ранее указанных, следующие обозначения: х 1в - массовая доля кислорода в поступающем воздухе; средняя массовая доля кислорода в помещении; L 1 - стехиометрический коэффициент для кислорода (количество кислорода, необходимое для сгорания единицы массы горючего материала), кг∙кг -1 ; η - коэффициент полноты сгорания; n 3 , - коэффициент, учитывающий отличие концентрации кислорода в уходящих газах от среднеобъемной концентрации кислорода.

В правой части уравнения (2.26) - уравнения баланса токсичного продукта горения - использованы, кроме ранее указанных, следующие обозначения: L 2 - стехиометрический коэффициент для продукта горения (количество продукта горения, образующегося при сгорании единицы массы горючего материала), кг∙кг -1 ; средняя массовая доля токсичного газа в помещении; п 2 - коэффициент, учитывающий отличие концентрации токсичного газа в уходящих газах от среднеобъемной концентрации этого газа.

В правой части уравнения (1.36) - уравнения баланса оптического количества дыма - использованы, кроме ранее указанных, следующие обозначения: n 3 - коэффициент, учитывающий отличие оптической концентрации дыма в уходящих газах от среднеобъемного значения оптической концентрации дыма; F w - площадь поверхности ограждений (потолка, пола, стен), м 2 ; к с - коэффициент седиментации частиц дыма на поверхностях ограждающих конструкций, Нп · с -1 . Коэффициент седиментации по физическому смыслу есть скорость осаждения частиц дыма.

С учетом всего сказанного получается следующее уравнение энергии пожара:

(2.28)

Левая часть этого уравнения есть скорость изменения внутренней тепловой энергии газовой среды в помещении за единицу времени в рассматриваемый малый промежуток времени dτ , т.е.

(2.29)

В правой части уравнения (2.28) первый член представляет собой количество тепла, поступающего за единицу времени в газовую среду в результате горения (скорость тепловыделения). Второй член есть поток энергии в помещение, поступающий вместе с продуктами газификации (пиролиз, испарение) горючего материала. Здесь величина i r - энтальпия этих продуктов. Третий член представляет собой сумму внутренней тепловой энергии поступающего за единицу времени воздуха и работы проталкивания, которую совершает внешняя атмосфера. Четвертый член есть сумма внутренней тепловой энергии, которую уносят за единицу времени уходящие газы, и работы выталкивания, которую совершает рассматриваемая термодинамическая система. Пятый член представляет собой тепловой поток, поглощаемый ограничивающими конструкциями и излучаемый через проемы.

Представленные выше пять дифференциальных уравнений содержат шесть неизвестных функций p m (τ), p m (τ), Т m (τ), р 1 (τ), р 2 (τ) и  m (τ) . Эту систему уравнений дополняет алгебраическое уравнение - усредненное уравнение состояния (2.19).

(2.30)

(2.31)

где G o в - массовый расход подачи огнетушащего вещества, кг∙с -1 . Соответствующим образом изменяются в этом случае и остальные дифференциальные уравнения пожара.

Как уже говорилось, в уравнениях пожара искомыми (неизвестными) функциями являются среднеобъемные параметры газовой среды, а независимой переменной является время. Кроме этих переменных величин, уравнения содержат целый ряд других физических величин, которые можно разделить на две группы. К первой группе относятся величины, заданные условиями однозначности, которые представляют собой сведения о размерах помещения (объем V и поверхность ограждений F w ) и свойствах горючего материала (теплота сгорания Q р н , стехиометрические коэффициенты L 1 , L 2 , дымообразующая способность D , энтальпия продуктов горения i n . Ко второй группе относятся те величины, которые зависят, помимо всего прочего, от параметров состояния среды в помещении. К этим величинам относятся массовые расходы поступающего через проемы воздуха G B и уходящих через проемы газов G Г , тепловой поток, поглощаемый ограждающими конструкциями и излучаемый через проемы Q w , коэффициент полноты сгорания η , скорость тепловыделения ηQ p н ψ . Для вычисления значений физических величин, относящихся ко второй группе, необходимо располагать дополнительными уравнениями.

Введение

В современных условиях разработка экономически оптимальных и эффективных противопожарных мероприятий немыслима без научно-обоснованного прогноза динамики опасных факторов пожара (ОФП).

Прогнозирование ОФП необходимо:

· при создании и совершенствовании систем сигнализации и автоматических систем пожаротушения;

· при разработке оперативных планов тушения (планировании действий боевых подразделений на пожаре);

· при оценке фактических пределов огнестойкости;

· для расчета пожарного риска и многих других целей.

Современные методы прогнозирования ОФП позволяют не только спрогнозировать вероятные пожары, но и смоделировать уже произошедшие пожары для их анализа и оценки действия РТП.

Опасными факторами пожара, воздействующими на людей и материальные ценности (согласно Федеральному закону Российской Федерации от 22 июля 2008 г. №123-ФЗ «Технический регламент о требованиях пожарной безопасности»), являются:

· пламя и искры;

· повышенная температура окружающей среды;

· пониженная концентрация кислорода;

· токсичные продукты горения и термического разложения;

· снижение видимости в дыму;

· тепловой поток.

С научных позиций опасные факторы пожара являются физическими понятиями и, следовательно, каждый из них представлен в количественном отношении физической величиной.

Современные научные методы прогнозирования ОФП основываются на математических моделях пожара. Математическая модель пожара описывает в самом общем виде изменение параметров состояния среды в помещении с течением времени, а также 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 и закона сохранения массы. 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 различают в зависимости от вида математической модели пожара. Математические модели пожара в помещении условно делятся на три вида: интегральные, зонные и полевые (дифференциальные).

Чтобы сделать научно обоснованный прогноз, необходимо обратиться к той или иной модели пожара. Выбор модели определяется целью (задачами) прогноза (исследования) для заданных условий однозначности (характеристики помещения, горючего материала и т.д.) путем решения системы дифференциальных уравнений, которые составляют основу выбранной математической модели.

Интегральная модель пожара позволяет получить информацию (т.е. позволяет сделать прогноз) о среднеобъемных 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.

Однако даже при использовании интегральной модели пожара получить аналитическое решение системы обыкновенных дифференциальных уравнений в общем случае невозможно. Реализация выбранного метода прогнозирования возможна только путем ее численного решения при помощи компьютерного моделирования.

1. Тема и задачи курсовой работы

Курсовая работа является одним из видов самостоятельной учебной работы слушателей по освоению учебного материала и завершающим этапом изучения методов прогнозирования ОФП на базе математических моделей пожара, рассматриваемых на дисциплине «Прогнозирование опасных факторов пожара», а также формой контроля со стороны учебного заведения за уровнем соответствующих знаний и умений курсантов.

Курсовая работа ставит перед слушателями следующие задачи:

· закрепить и углубить знания в области математического моделирования динамики опасных факторов пожара;

· на конкретных примерах получить сведения о степени взаимообусловленности и взаимосвязанности всех физических процессов, присущих пожару (газообмен помещения с окружающей средой, тепловыделение в пламенной зоне и нагревание строительных конструкций, дымовыделение и изменение оптических свойств газовой среды, выделение и распространение токсичных газов и др.);

· усвоить методику прогнозирования ОФП с помощью компьютерной программы, реализующей интегральную математическую модель пожара;

· получить навыки пользования компьютерными программами при исследовании пожаров.

Тема и цель курсовой работы - прогнозирование опасных факторов пожара в помещении (назначение и другие характеристики которого определяются вариантом задания).

2. Требования к содержанию и оформлению курсовой работы

Курсовая работа выполняется в соответствии с методическими указаниями и состоит из расчетно-пояснительной записки и графической части. Расчетно-пояснительная записка состоит из пояснительного текста, результатов расчетов в виде таблиц, чертежей и схем, отражающих геометрические характеристики объекта и картину газообмена в помещении при пожаре. Графическая часть представлена графиками развития опасных факторов пожара в помещении в течение времени.

Необходимый справочный материал дан в приложениях к указаниям и в рекомендуемой литературе.

Прежде чем приступить к выполнению курсовой работы, необходимо: изучить материал по дисциплине, ознакомиться с методическими указаниями, подобрать рекомендуемую учебную, справочную и нормативную литературу. Ответы по каждому пункту задания выдаются в развернутом виде с обоснованием.

Работа должна быть выполнена аккуратно, чернилами черного цвета или напечатана черным шрифтом на печатных листах формата А4. Текст в пояснительной записке следует писать разборчиво, без сокращений слов (за исключением общепринятых сокращений), на одной стороне листа. Компьютерный вариант работы набирается в текстовом процессоре Word, шрифт Times New Roman с 1-1,5 межстрочным интервалом. Размер шрифта для текста - 12 или 14, для формул - 16, для таблиц - 10, 12 или 14. Размеры полей на листе - 2 см со всех сторон. Абзацный отступ не менее 1 см.

При расчете необходимого времени эвакуации следует приводить формулы и подставляемые в них величины, единицы измерения физических величин, получаемых в ответе.

Заголовки разделов и глав пишутся прописными буквами. Заголовки подразделов - строчными буквами (кроме первой прописной). Переносы слов в заголовках не допускаются. Точка в конце заголовка не ставится. Нумерация таблиц, рисунков и графиков должна быть сквозной.

Страницы курсовой работы должны быть пронумерованы арабскими цифрами. Первой страницей является титульный лист, второй - задание на выполнение курсовой работы, третьей - содержание и т.д. На первой странице курсовой работы номер не ставится. Страницы курсовой работы, кроме титульного листа, и задания на курсовую работу должны быть пронумерованы. Бланк задания на выполнение курсовой работы приведен в приложении 1.

На титульном листе должны быть указаны:

наименование министерства, учебного заведения и кафедры, на которой выполняется курсовая работа;

тема курсовой работы и вариант задания;

Ф.И.О. слушателя, выполнившего курсовую работу;

звание, должность, Ф.И.О. научного руководителя;

город и год выполнения курсовой работы.

В конце работы необходимо указать использованную литературу (фамилия и инициалы автора, полное наименование книги, издательство и год издания). Оформленную курсовую работу слушатель должен подписать, поставить дату и сдать на проверку на факультет заочного обучения. Наличие допуска к защите является основанием для вызова слушателя на лабораторно-экзаменационную сессию.

Если работа удовлетворяет требованиям, предъявляемым к ней, то руководитель допускает ее к защите. Работа, признанная не отвечающим предъявленным требованиям, возвращается обучаемому на доработку.

Защита курсовых работ слушателями факультета заочного обучения может проводиться во время сессии. Результаты защиты оцениваются по четырехбалльной системе: «отлично», «хорошо», «удовлетворительно», «неудовлетворительно». Руководитель проекта проставляет оценку на титульном листе работы, в ведомости, зачетной книжке обучаемого и заверяет подписью. Проставляются только положительные оценки.

При получении неудовлетворительной оценки слушатель обязан повторно выполнить работу по новой теме или переработать прежнюю.

3. Выбор варианта задания и исходные данные

Вариант задания на выполнение курсовой работы определяется по номеру в списке учебной группы (по номеру в журнале группы). Номер варианта указывается на титульном листе курсовой работы. В зависимости от года поступления слушателей на обучение (набор 2010 г., 2011 г. и т.д.) исходные данные для расчетов (температура атмосферного воздуха и внутри помещения, размеры помещения и проемов, параметры горючей нагрузки и т.д.) приведены в таблицах 1-5 (Приложение 2).

Данные, полученные с помощью компьютерного моделирования и необходимые для выполнения главы 3, выдаются по вариантам индивидуально в электронном виде на установочной лекции по дисциплине.

Дополнительные данные для всех вариантов:

критическая температура для остекления - 300°С;

число проемов - 2 (окна и дверь);

противодымная механическая вентиляция - отсутствует;

автоматическая установка пожаротушения (АУП) - отсутствует;

все остальные не указанные параметры принять по умолчанию.

Сокращения , принятые при изложении курса «Прогнозирование опасных факторов пожара»:

ОФП - опасные факторы пожара;

ПДЗ - предельно-допустимое значение опасного фактора пожара;

ПРД - плоскость равных давлений (нейтральная плоскость);

ГМ - горючий материал.

1. В соответствии с вариантом задания в 1 главе курсовой работы произвести расчет исходных параметров горючей нагрузки в рассматриваемом помещении.

2. Начертить план здания, указать на плане размеры помещения и горючей нагрузки.

В главе 2 привести описание системы дифференциальных уравнений, на основе которых создана интегральная математическая модель пожара в помещении, с полным разъяснением всех вошедших в нее физических величин.

В соответствии с вариантом задания на выполнение курсовой работы взять у преподавателя готовые табличные данные (таблица 1) по динамике развития среднеобъемных значений ОФП при свободном развитии пожара, рассчитанные с помощью компьютерной программы INTMODEL, реализующей интегральную математическую модель пожара в помещении.

5. По табличным данным построить соответствующие графические зависимости среднеобъемных параметров от времени развития пожара: m (t);

µ m (t); l вид (t); (t); (t); (t); с m (t); Y*(t); S пож (t); G в (t); G г (t); ДP(t).

6. Сделать описание и сравнительные выводы по полученным графикам, объяснить скачки на графиках (при их наличии).

7. Руководствуясь рассчитанными с помощью компьютерной программы данными и графическими зависимостями ОФП от времени, в 4 главе курсовой работы охарактеризовать динамику развития отдельных ОФП, последовательность наступления различных событий, в целом описать прогноз развития пожара.

Определить критическую продолжительность пожара по условию достижения каждым опасным фактором пожара предельно допустимого (среднеобъемного) значения и необходимое время эвакуации людей из рассматриваемого помещения:

а) по данным математического моделирования (свести результаты в таблицу 2);

b) по методике определения времени от начала пожара до блокирования эвакуационных путей в результате распространения на них опасных факторов пожара согласно приложению №5 к приказу МЧС России от 10.07.2009 №404 к пункту 33 (Методики определения расчетных величин пожарного риска на производственных объектах).

Полученные результаты расчетов отразить в 4 главе курсовой работы, там же сделать выводы: в чем сходство и различие этих методик, чем можно объяснить различие в результатах расчетов.

9. Согласно результатам таблицы 2 сделать вывод о своевременности срабатывания пожарных извещателей, установленных в помещении. В случае их неэффективной работы предложить им альтернативную замену (приложение 3).

10. Провести расчеты параметров ОФП для уровня рабочей зоны (ОФП л) при свободном развитии пожара в момент времени 11 минут, согласно формуле:

(ОФП л - ОФП 0) = (ОФП m - ОФП 0)·Z,

где ОФП л - локальное значение ОФП;

ОФП 0 - начальное значение ОФП;

ОФП m - среднеобъемное значение опасного фактора пожара;- безразмерный параметр, вычисляемый по формуле:

, при H £ 6 м,

где h - высота рабочей зоны, м;

Н - высота помещения, м.

11. Результаты расчетов ОФП для уровня рабочей зоны внести в таблицу в 5 главе курсовой работы.

12. На основании полученных расчетов для времени 11 минут:

а) привести схему газообмена в помещении для времени развития пожара 11 минут при свободном развитии пожара;

b) дать подробную характеристику оперативной обстановки на пожаре по расчетам ОФП для уровня рабочей зоны, предложить меры по проведению безопасной эвакуации людей.

13. Сделать общий вывод по курсовой работе. Вывод должен включать:

а) краткое описание объекта;

b) анализ ОФП, достигших своего предельно допустимого значения на 11 минуте при свободном развитии пожара;

c) сравнение критического времени наступления ПДЗ по опасным факторам пожара согласно расчетам компьютерной программы INTMODEL и методики определения времени от начала пожара до блокирования эвакуационных путей в результате распространения на них опасных факторов пожара согласно приложению №5 к приказу МЧС России от 10.07.2009 №404;

d) анализ своевременности срабатывания установленных в помещении пожарных извещателей при необходимости предложения по их замене;

e) описание действий персонала объекта при возникновении пожара, исходя из данных, полученных при расчетах;

f) описание действий пожарных подразделений, исходя из положения, что время их прибытия - 10 минута от начала развития пожара;

g) рекомендации владельцу помещения и пожарным расчетам, позволяющие обеспечить безопасную эвакуацию в случае возникновения пожара в помещении. Рекомендации следует увязать с результатами прогнозирования динамики ОФП для данного помещения;

h) вывод о целесообразности и перспективах использования компьютерных программ для расчета динамики ОФП при пожаре.

14. В конце курсовой работы привести список использованной литературы.

5. Образец выполнения курсовой работы

МЧС РОССИИ

Федеральное Государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего профессионального образования

«Уральский институт Государственной противопожарной службы

Министерства Российской Федерации по делам гражданской обороны,

чрезвычайным ситуациям и ликвидации последствий стихийных бедствий»

Кафедра физики и теплообмена

КУРСОВАЯ РАБОТА

Тема: Прогнозирование опасных факторов пожара в складском помещении

Вариант №35

Выполнил:

слушатель учебной группы З-461

старший лейтенант внутренней службы Иванов И.И.

Проверил:

старший преподаватель кафедры

физики и теплообмена, к.п.н., капитан внутренней службы

Субачева А.А.

Екатеринбург

на выполнение курсовой работы

по дисциплине «Прогнозирование опасных факторов пожара»

Слушатель Иванов Иван Иванович

Вариант №35 Курс 4 Группа З-461

Наименование объекта: склад хлопка в тюках

Исходные данные

Блок атмосфера
давление, мм. рт. ст.		температура, 0 С
Блок помещение
		высота, м
ширина, м		температура, 0 С
проем 1 - штатный (дверь)
нижний срез, м		∑ ширина, м
верхний срез, м		вскрытие, 0 С
проем 2 - штатный (окна)
∑ ширина, м		нижний срез, м
вскрытие, 0 С		верхний срез, м
вид горючего материала	хлопок в тюках	дымовыделение Нп*м 2 /кг
		выделение СО, кг/кг
ширина, м		выделение СО 2 , кг/кг
количество ГН, кг		удельная скорость выгорания, кг/м 2 *с
выделение тепла МДж/кг		скорость распространения пламени, м/с
		потребление кислорода кг/кг

Срок сдачи: «____»__________

Слушатель____________________ Руководитель_______________

1. Исходные данные

Помещение пожара расположено в одноэтажном здании. Здание построено из сборных железобетонных конструкций и кирпича. В здании наряду с помещением склада находятся два рабочих кабинета. Оба помещения отделены от склада противопожарной стеной. План объекта приведен на рисунке 1.

(Требуется проставить на схеме размеры помещения и расчетную массу горючей нагрузки согласно своему варианту!)

Рис. 1. План здания

Размеры склада:

длина l 1 = 60 м;

ширина l 2 = 24 м;

высота 2h = 6 м.

В наружных стенах помещения склада имеется 10 одинаковых оконных проемов. Расстояние от пола до нижнего края каждого оконного проема Y H = 1,2 м. Расстояние от пола до верхнего края проема Y B = 2,4 м. Суммарная ширина оконных проемов = 24 м. Остекление оконных проемов выполнено из обычного стекла. Остекление разрушается при среднеобъемной температуре газовой среды в помещении, равной 300°С.

Помещение склада отделено от рабочих кабинетов противопожарными дверьми, ширина и высота которых 3 м. При пожаре эти проемы закрыты. Помещение склада имеет один дверной проем, соединяющий его с наружной средой. Ширина проема равна 3,6 м. Расстояние от пола до верхнего края дверного проема Y в = 3, Y н =0. При пожаре этот дверной проем открыт, т.е. температура вскрытия 20 0 C.

Полы бетонные, с асфальтовым покрытием.

Горючий материал представляет собой хлопок в тюках. Доля площади, занятая горючей нагрузкой (ГН) = 30%.

Площадь пола, занятая ГН, находится по формуле:

где − площадь пола.

Количество горючего материала на 1 Р 0 = 10. Общая масса горючего материала .

Горение начинается в центре прямоугольной площадки, которую занимает ГМ. Размеры этой площадки:

Свойства ГН характеризуются следующими величинами:

теплота сгорания Q = 16,7 ;

удельная скорость выгорания = 0,0167 ;

скорость распространения пламени по поверхности ГМ ;

дымообразующая способность D = 0,6 ;

потребление кислорода = 1,15 ;

выделение диоксида углерода = 0,578 ;

выделение оксида углерода = 0,0052 .

Механическая вентиляция в помещениях отсутствует. Естественная вентиляция осуществляется через дверные и оконные проемы.

Отопление центральное водяное.

Внешние атмосферные условия:

ветер отсутствует, температура наружного воздуха 20 0 C = 293 К (согласно выбранному варианту);

давление (на уровне Y=h) Р а = 760 мм. рт. ст., т.е. = 101300 Па.

Параметры состояния газовой среды внутри помещения перед пожаром :

Т = 293 К (согласно выбранному варианту);

Р = 101300 Па;

Другие параметры:

критическая температура для остекления − 300 о С;

материал ограждающих конструкций - железобетон и кирпич;

температура воздуха в помещении - 20 о С;

автоматическая система пожаротушения − отсутствует;

противодымная механическая вентиляция − отсутствует.

2. Описание интегральной математической модели свободного развития пожара в складском помещении

Интегральная математическая модель пожара в помещении разработана на основе уравнений пожара, изложенных в работах . Эти уравнения вытекают из основных законов физики: закона сохранения вещества и первого закона термодинамики для открытой системы и включают в себя:

уравнение материального баланса газовой среды в помещении :

V(dс m /dф) = G B + ш - G r , (1)

где V - объем помещения, м 3 ; с m - среднеобъемная плотность газовой среды кг/м 3 ; ф - время, с; G B и G r - массовые расходы поступающего в помещение воздуха и уходящих из помещения газов, кг/с; ш - массовая скорость выгорания горючей нагрузки, кг/с;

уравнение баланса кислорода :

Vd(p 1)/dф = x 1в G B - x 1 n 1 G r - ш L 1 Ю, (2)

где x 1 - среднеобъемная массовая концентрация кислорода в помещении; х 1в - концентрация кислорода в уходящих газах; n 1 - коэффициент, учитывающий отличие концентрации кислорода в уходящих газах х 1г от среднеобъёмного значения x 1 , n 1 = х 1г /x 1 ; L 1 - скорость потребления кислорода при горении, p 1 - парциальная плотность кислорода в помещении;

уравнение баланса продуктов горения :

Vd(p 2)/dф = ш L 2 Ю - x 2 n 2 G r , (3)

где X i - среднеобъемная концентрация i-гo продукта горения; L i - скорость выделения i-гo продукта горения (СО, СО2); n i - коэффициент, учитывающий отличие концентрации i-гo продукта в уходящих газах x iг от среднеобъёмного значения x i , n i = x iг /х i ; р 2 - парциальная плотность продуктов горения в помещении;

уравнение баланса оптического количества дыма в помещении :

Vd ()/d =Dш - n 4 G r / р m - к c S w , (4)

где - среднеобъемная оптическая плотность дыма; D - дымообразующая способность ГМ; n 4 - коэффициент, учитывающий отличие концентрации дыма в уходящих из помещения нагретых газах от среднеобъемной оптической концентрации дыма, n4= м mг /м m ;

уравнение баланса энергии U:

dU/dф = hQ p н ш + i г ш + С рв Т в G в - С р Т m m G r - Q w , (5)

где P m - среднеобъемное давление в помещении, Па; С р m , Т m - среднеобъемные значения изобарной теплоемкости и температуры в помещении; Q p н - низшая рабочая теплота сгорания ГН, Дж/кг; С рв, Т в - изобарная теплоемкость и температура поступающего воздуха, К; i г - энтальпия газификации продуктов горения ГН, Дж/кг; m - коэффициент, учитывающий отличие температуры Т и изобарной теплоемкости С рг уходящих газов от среднеобъемной температуры Т m и среднеобъемной изобарной теплоемкости С р m ,

m = С рг Т г /С р m Т m ;

Ю - коэффициент полноты сгорания ГН; Q w - тепловой поток в ограждение, Вт.

Среднеобъемная температура Т m связана со среднеобъёмным давлением Р m и плотностью р m уравнением состояния газовой среды в помещении:

P m = с m R m T m . (6)

Уравнение материального баланса пожара с учетом работы приточно-вытяжной системы механической вентиляции, а так же с учетом работы системы объемного тушения пожара инертным газом примет следующий вид:

VdP m / dф = ш + G B - G r + G пр - G выт + G ов, (7)

Вышеуказанная система уравнений решается численными методами с помощью компьютерной программы. Примером может служить программа INTMODEL.

. Расчет динамики ОФП с помощью компьютерной программы INTMODEL

Результаты компьютерного моделирования

Учебная компьютерная программа INTMODEL реализует описанную выше математическую модель пожара и предназначена для расчета динамики развития пожара жидких и твердых горючих веществ и материалов в помещении. Программа позволяет учитывать вскрытие проемов, работу систем механической вентиляции и объемного тушения пожара инертным газом, а также учитывает кислородный баланс пожара, позволяет рассчитывать концентрацию оксидов углерода СО и СО 2 , задымленность помещения и дальность видимости в нем.

Таблица 1. Динамика развития параметров газовой среды в помещении и координат ПРД

Вpемя, мин Температура t m , 0 С Оптическая плотность дыма µ m , Нп/м Дальность видимости l m , м ,

масс.%,

масс.%, масс.%с m , кг/м 3 Нейтральная плоскость - ПРД Y*, мG в, кг/сG г, кг/сДP, ПаS пож, м 2

Изменение среднеобъемных параметров газовой среды во времени

Рис. 2. Изменение среднеобъемной температуры газовой среды во времени

Описание графика: Рост температуры в первые 22 минуты пожара можно объяснить горением в режиме ПРН, что обусловлено достаточным содержанием кислорода в помещении. С 23 минуты пожар переходит в режим ПРВ в связи со значительным снижением концентрации кислорода. С 23 минуты по 50 минуту интенсивность горения постоянно снижается, несмотря на продолжающееся возрастание площади горения. Начиная с 50 минуты, пожар снова переходит в режим ПРН, что связано с увеличением концентрации кислорода в результате выгорания горючей нагрузки.

Выводы по графику: На графике температуры можно условно выделить 3 стадии развития пожара. Первая стадия - нарастание температуры (приблизительно до 22 мин.), вторая - квазистационарная стадия (с 23 мин. до 50 мин.), и третья - стадия затухания (с 50 мин. до полного выгорания горючей нагрузки).

Рис. 3. Изменение оптической плотности дыма во времени

Описание графика: В начальной стадии пожара выделение дыма незначительно, полнота сгорания максимальна. В основном дым начинает выделяться после 22 минуты от начала возгорания, а превышение ПДЗ по среднеобъемному значению плотности дыма произойдет примерно на 34 минуте. Начиная с 52 минуты, с переходом в режим затухания, задымление уменьшается.

Выводы по графику: Выделение значительных количеств дыма началось только с переходом пожара в режим ПРВ. Опасность снижения видимости в дыму в данном помещении невелика - ПДЗ будет превышено ориентировочно только после 34 минут от начала возгорания, что так же можно объяснить наличием в помещении открытых проемов большого размера (дверь).

Рис. 4. Изменение дальности видимости в помещении во времени

Описание графика: На протяжении 26 минут развития пожара дальность видимости в горящем помещении остается удовлетворительной. С переходом в режим ПРВ видимость в горящем помещении быстро ухудшается.

Выводы по графику: Дальность видимости связана с оптической плотностью дыма соотношением . То есть дальность видимости обратно пропорциональна оптической плотности дыма, поэтому при увеличении задымления дальность видимости уменьшается и наоборот.

Рис. 5. Изменение среднеобъемной концентрации кислорода во времени

Описание графика: В первые 9 минут развития пожара (начальная стадия) среднеобъемная концентрация кислорода почти не изменяется, т.е. потребление кислорода пламенем низкое, что может быть объяснено малыми размерами очага горения в это время. По мере увеличения площади горения содержание кислорода в помещении снижается. Примерно с 25 минуты от начала горения содержание кислорода стабилизируется на уровне 10-12 масс.% и остается почти неизменным примерно до 49-й минуты пожара. Таким образом, с 25-й по 49-ю минуту в помещении реализуется режим ПРВ, т.е. горение в условиях недостатка кислорода. Начиная с 50-й минуты содержание кислорода увеличивается, что соответствует стадии затухания, при которой поступающий воздух снова постепенно заполняет помещение.

Выводы по графику: график концентрации кислорода, аналогично графику температуры, позволяет выявить моменты смены режимов и стадий горения. Момент превышения ПДЗ по кислороду на данном графике отследить нельзя, для этого понадобится пересчитать массовую долю кислорода в его парциальную плотность, используя значение среднеобъемной плотности газа и формулу .

Рис. 6. Изменение среднеобъемной концентрации СО во времени развития пожара

Описание графика: сделать описание и выводы по графикам по аналогии с вышеприведенными.

Выводы по графику:

Рис. 7. Изменение среднеобъемной концентрации СО 2 во времени

Описание графика:

Выводы по графику:

Рис. 8. Изменение среднеобъемной плотности газовой среды во времени

Описание графика:

Выводы по графику:

Рис. 9. Изменение положения плоскости равных давлений во времени

Описание графика:

Выводы по графику:

Рис. 10. Изменение притока свежего воздуха в помещение от времени развития пожара

Описание графика:

Выводы по графику:

Рис. 11. Изменение оттока нагретых газов из помещения от времени развития пожара

Описание графика:

Выводы по графику:

Рис. 12. Изменение разности давлений во времени

Описание графика:

Выводы по графику:

Рис. 13. Изменение площади горения при пожаре во времени

Описание графика:

Выводы по графику:

Описание обстановки на пожаре в момент времени 11 минут

Согласно п. 1 ст. 76 ФЗ-123 «Технический регламент о требованиях пожарной безопасности», время прибытия первого подразделения пожарной охраны к месту вызова в городских поселениях и городских округах не должно превышать 10 минут. Таким образом, описание обстановки на пожаре проводится на 11 минуту от начала пожара.

В начальные моменты времени при свободном развитии пожара параметры газовой среды в помещении достигают следующих значений:

− достигается температура 97°С (переходит пороговое значение 70°C);

− дальность видимости практически не изменилась и составляет 64,62 м, т.е. еще не переходит пороговое значение в 20 м;

− парциальная плотность газов составляет:

с= 0,208 кг/м 3 , что меньше предельной парциальной плотности по кислороду;

с= 0,005 кг/м 3 , что меньше предельной парциальной плотности по углекислому газу;

с= 0,4*10 -4 кг/м 3 , что меньше предельной парциальной плотности по угарному газу;

ПРД будет находиться на уровне 0,91 м;

площадь горения составит 24,17 м 2 .

Таким образом, расчеты показали, что на 11 минуту свободного развития пожара, следующие ОФП достигнут своего предельно допустимого значения: среднеобъемная температура газовой среды (на 10 минуте).

. Время достижения пороговых и критических значений ОФП

Согласно ФЗ-123 «Технический регламент о требованиях пожарной безопасности», необходимым временем эвакуации считается минимальное время достижения одним из опасных факторов пожара своего критического значения.

Необходимое время эвакуации из помещения по данным математического моделирования

Таблица 2. Время достижения пороговых значений

	Пороговые значения	Время достижения, мин
	Предельная температура газовой среды t = 70°C
	Критическая дальность видимости 1 кр = 20 м
	Предельно допустимая парциальная плотность кислорода с = 0,226 кг/м 3 10
	Предельно допустимая парциальная плотность двуокиси углерода (с) пред = (с) пред = 0,11 кг/м 3 не достигается
	Предельно допустимая парциальная плотность оксида углерода (с) пред = (с) пред = 1,16*10 -3 кг/м 3 не достигается
	Максимальная среднеобъемная температура газовой среды Т m = 237 + 273 = 510 К
	Критическая температура для остекления t = 300°C	не достигается
	Пороговая температура для тепловых извещателей ИП-101-1А t п opor = 70°C

В данном случае минимальным временем для эвакуации из помещения склада является время достижения предельной температуры газовой среды, равное 10 мин.

Вывод:

а) охарактеризовать динамику развития отдельных ОФП, последовательность наступления различных событий и в целом описать прогноз развития пожара;

b ) сделать вывод о своевременности срабатывания пожарных извещателей, установленных в помещении (см. п. 8 таблица 2). В случае неэффективной работы пожарных извещателей предложить им альтернативу (приложение 3).

Определение времени от начала пожара до блокирования
эвакуационных путей опасными факторами пожара

Рассчитаем необходимое время эвакуации для помещения с размерами 60·24·6, пожарной нагрузкой в котором является хлопок в тюках. Начальная температура в помещении 20°С.

Исходные данные:

помещение

свободный объем

безразмерный параметр

;

температура t 0 = 20 0 С;

вид горючего материала - хлопок в тюках - ТГМ, n=3;

теплота сгорания Q = 16,7 ;

удельная скорость выгорания = 0,0167

под знаком логарифма получается отрицательное число, поэтому данный фактор не представляет опасности.

Критическая продолжительность пожара:

t кр = miníý = í746; 772; ý = 746 с.

Критическая продолжительность пожара обусловлена временем наступления предельно допустимого значения температуры в помещении.

Необходимое время эвакуации людей из складского помещения:

t нв = 0,8*t кр /60 = 0,8*746/60 = 9,94 мин.

Сделать заключение о достаточности / недостаточности времени на эвакуацию по данным расчета.

Вывод: сравнить необходимое время эвакуации, полученное различными методами, и, при необходимости, объяснить различия в результатах.

. Расчет динамики ОФП для уровня рабочей зоны. Анализ обстановки на пожаре на момент времени 11 минут

Уровень рабочей зоны согласно ГОСТ 12.1.004-91 «Пожарная безопасность. Общие требования» принимается равным 1,7 метра.

На 11 минуте горения газообмен протекает со следующими показателями: приток холодного воздуха составляет 3,26 кг/с, а отток нагретых газов из помещения - 10,051 кг/с.

В верхней части дверного проема идет отток задымленных нагретых газов из помещения, плоскость равных давлений находится на уровне 1,251 м, что ниже уровня рабочей зоны.

Вывод: на основании результатов расчетов дать подробную характеристику оперативной обстановки на момент прибытия пожарных подразделений, предложить меры по проведению безопасной эвакуации людей.

Общий вывод по работе

Сделать общий вывод по работе, включающий:

а) краткое описание объекта;

b ) общая характеристика динамики ОФП при свободном развитии пожара;

c ) сравнение критического времени наступления ПДЗ по опасным факторам пожара согласно расчетам компьютерной программы INTMODEL и методики определения времени от начала пожара до блокирования эвакуационных путей в результате распространения на них опасных факторов пожара согласно приложению №5 к приказу МЧС России от 10.07.2009 №404;

d ) анализ срабатывания установленных в помещении пожарных извещателей при необходимости предложения по их замене;

e ) характеристика оперативной обстановки на момент прибытия пожарных подразделений, предложения по проведению безопасной эвакуации людей;

f ) вывод о целесообразности и перспективах использования компьютерных программ для расчета динамики ОФП при пожаре.

Литература

1. Терентьев Д.И. Прогнозирование опасных факторов пожара. Курс лекций / Д.И. Терентьев, А.А. Субачева, Н.А. Третьякова, Н.М. Барбин // ФГБОУ ВПО «Уральский институт ГПС МЧС России». - Екатеринбург, 2012. - 182 с.

2. Кошмаров Ю.А. Прогнозирование ОФП в помещении: Учебное пособие / Ю.А. Кошмаров/ - М.: Академия ГПС МВД России, 2000. -118 с.

Федеральный закон Российской Федерации от 22 июля 2008 г. №123-ФЗ «Технический регламент о требованиях пожарной безопасности».

Приказ МЧС РФ от 10.07.2009 №404 (с изменениями от 14 декабря 2010 г.) «Об утверждении методики определения расчетных величин пожарного риска на производственных объектах». - Пожаровзрывобезопасность. - №8. - 2009. - Стр. 7-12.

Приказ МЧС РФ от 30.06.2009 №382 (с изменениями от 11 апреля 2011) «Об утверждении методики определения расчетных величин пожарного риска в зданиях, сооружениях и строениях различных классов функциональной пожарной опасности». - Пожарная безопасность №3. - 2009. - Стр. 7-13.

Материалы по теме:

Карта сайта