Прогнозирование опасных факторов пожара

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Компьютерный эксперимент, его преимущества и недостатки по сравнению с физическим экспериментом

1.1 Математическая модель развития пожара

1.2 Компьютерный эксперимент

Заключение

Список литературы

Введение

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.

пожар эвакуация модель

1. Компьютерный эксперимент, его преимущества и недостатки по сравнению с физическим экспериментом

1.1 Математическая модель развития пожара

Пожар в помещении сопровождается изменением состава и параметров газовой среды, заполняющей помещение. Газовая среда в помещении с проемами, соединяющими его с наружной атмосферой, как объект исследования есть открытая термодинамическая система. В газовой среде, заполняющей при пожаре помещение, в любой момент времени сохраняется локальное равновесие.

Состояние газовой среды при пожаре в помещении характеризуется полями локальных термодинамических параметров состояния. Однако его можно характеризовать и с помощью среднеобъемных термодинамических параметров состояния, связанных между собой уравнением, вытекающим из условия существования локального равновесия. С помощью среднеобъемных параметров состояния можно проследить общие закономерности процесса развития пожара, выявить его наиболее характерные особенности и обусловливающие их факторы.

Пожар представляет собой явление, недостаточно строго определенное, стохастическое, и поэтому невозможно предугадать и контролировать всю совокупность параметров, определяющих потенциальную силу пожара.

Поэтому представляется целесообразным при моделировании использовать метод, предназначенный для описания динамики развития пожара на стадии роста. В силу стохастичности процесса пожара предлагаемый метод схож с другими вероятностными методами - по оценке сейсмической опасности, волновой активности океана и т.п. В качестве основных характеристик стадии роста пожара выбраны: - период времени от начала эксперимента до воспламенения образца материала; - период времени от воспламенения до достижения пламенем потолка; - период времени от последнего момента до полного охвата пламенем помещения, часто соответствующего появлению пламени в проемах. Одним из важных следствий метода является то, что фактор вентиляции для модельного пожара в помещении должен рассматриваться как неопределенная переменная, исследуемая с помощью вероятностных методов. Если период времени в общем случае может изменяться в зависимости от вида и расположения начального источника пожара, то два других периода времени достаточно определенно могут характеризовать конкретный процесс развития пожара. Введение временных показателей как основных элементов для сравнения процессов развития пожара при использовании различных материалов можно считать достоинством метода, позволяющим также сопоставлять результаты экспериментов, проведенных в различных лабораториях.

При этом очевидно, необходим учет того, какой является пожарная нагрузка в помещении - локальной или рассредоточенной, а также возможность представления математической модели развития пожаров в помещении на уровне среднеинтегральных характеристик. При наличии в помещении технологического оборудования и вентиляционных потоков воздуха возникающий в процессе пожаров турбулентный след в свежей смеси перед фронтом горения приводит к турбулизации процесса и к увеличению площади фронта. Определение скорости горения в этом случае позволит оценить увеличение площади фронта горения и соответственно интенсивность подачи огнетушащих веществ.

Математическая модель развития пожара в помещении на уровне среднеинтегральных характеристик содержит уравнение баланса энергии, основные члены которого - скорость тепловыделения, потери тепла за счет газообмена в помещении и радиации через проемы и, потери тепла в строительные конструкции, теплота пиролиза. Режим пожара определяется соотношением между массовой скоростью входящего через проемы воздуха и массовой скоростью выгорания: при пожар регулируется вентиляцией (ПРВ); при пожар регулируется нагрузкой (ПРН), здесь - стехиометрическое соотношение воздуха и массы топлива.

Для ПРН, для ПРВ

где - коэффициент полноты горения. определяется выражением, где - скорость выгорания вне помещения; - изменение скорости выгорания за счет горения внутри помещения:

Горящая поверхность пожарной нагрузки (ПН) увеличивается согласно выражению

при, при, где - площадь ПН; - инициирующая поверхность горения ПН; -время охвата пламенем всей поверхности ПН. Скорость распространения пламени по ПН принята пропорциональной:, где -ширина проема; - высота плоскости равных давлений. Уравнение баланса энергии решается совместно с уравнением теплопроводности для строительных конструкций при граничных условиях третьего рода.

1.2 Компьютерный эксперимент

01 мая 2009 г. вступил в силу федеральный закон «Технический регламент о требованиях пожарной безопасности», в соответствии с которым проектирование новых зданий может выполняться на основании положений сводов правил («норм добровольного применения»), или на основе расчетов пожарного риска. При пожарном аудите существующих, построенных зданий и сооружений оценка соответствия объектов защиты требованиям пожарной безопасности также может быть проведена путем выполнения положений сводов правил, или расчетом пожарного риска. В связи с этим, большую актуальность имеют вопросы методологии расчетов пожарного риска и оценки достоверности их результатов, источники данных о статистике пожаров, величинам пожарной нагрузки, свойствах горючих материалов, методики и компьютерные модели эвакуации и динамики развития опасных факторов пожаров.

За два года, прошедшие с опубликования утвержденной методики расчета пожарного риска, у специалистов-разработчиков и экспертов накопился опыт практического применения моделирования пожаров для обоснования проектных решений, и для оценки существующих объектов защиты. Вместе с тем выявился спектр вопросов, которые требуют дальнейшего осмысления и уточнения.

Перед строительством любого объекта необходимо решить ряд задач, связанных с его будущей эксплуатацией. Одной из важнейших (а порой и самой важной) задачей является обеспечение требуемого уровня пожарной безопасности. Для решения этой задачи уже долгое время используются упрощенные интегральные методы расчета, которые из-за своих грубых приближений, не позволяют в полной мере оценить угрозу для жизни людей. Современный уровень развития теории тепломассообмена позволил создать математическую модель. А развитие компьютерных технологий позволило создать компьютерную модель пожара.

Вид комнаты до начала пожара

Рисунок №1

Рисунок №2

Визуализация расчетной компьютерной модели с температурной плоскостью, которая позволяет определить температуру в любой точке плоскости

Рисунок №3

В основу математической модели заложены трехмерные нестационарные уравнения, законов сохранения масс, импульса и энергии. Моделирование проводится с учетом множества параметров, основными из которых, являются свойства пожарной нагрузки, теплофизические свойства материалов ограждающих конструкций, действия систем дымоудаления, вентиляции и пожаротушения.

Модель настолько универсальна, что позволяет проводить расчеты для объектов практически любого назначения: жилых, торгово-развлекательных, офисных, промышленных и многих других.

Модель позволяет предсказать наихудший для безопасности людей вариант развития пожара. Это свойство используется для определения необходимого времени эвакуации людей, выдачи рекомендаций по повышению пожарной безопасности объекта, проведения экспертизы объемно-планировочных и конструктивных решений. Моделирование предоставляет возможность проведения оптимизации затрат на системы противопожарной защиты (не снижая уровень пожарной безопасности объекта в целом!), что порой является одним из определяющих факторов для Заказчика.

Техническая характеристика FDS

Первая версия FDS официально была выпущена в феврале 2000 года. На сегодняшний день приблизительно половина приложений модели служит для проектирования систем управления дымом и изучения активации спринклеров и детекторов. Другая половина служит для восстановления картины пожара в жилых и промышленных помещениях. Основной целью FDS на протяжении своего развития было решение прикладных задач пожаробезопасности и в тоже время обеспечение инструментом для изучения фундаментальных процессов при пожаре.

Гидродинамическая модель

FDS численно решает уравнения Навье-Стокса для низкоскоростных температурно-зависимых потоков, особое внимание уделяется распространению дыма и теплопередаче при пожаре. Основным алгоритмом является определенная схема метода предиктора-корректора второго порядка точности по координатам и времени. Турбулентность выполняется с помощью модели Смагоринского «Масштабное моделирование вихрей» (LES). Прямое численное моделирование (DNS) можно выполнять, если лежащая в основе расчетная сетка достаточно точна. Масштабное моделирование вихрей - режим работы по умолчанию.

Модель горения

В большинстве случаев в FDS применяется одноступенчатая химическая реакция, результаты которого передаются через двухпараметрическую модель доли в смеси (mixturefractionmodel). «Доля в смеси» в данном смысле - это скалярная величина, которая предоставляет массовую долю одного или более компонентов газа в данной точке потока. По умолчанию рассчитываются два компонента смеси: массовая доля несгоревшего топлива и массовая доля сгоревшего топлива (т.е. продуктов сгорания). Двухступенчатая химическая реакция с трехпараметрическим разложением доли в смеси раскладывается на одноступенчатые реакции - окисление топлива до монооксида углерода и окисление монооксила до диоксида. Три компонента в данном случае - несгоревшее топливо, масса топлива, которая завершила первый шаг реакции и масса топлива, которая завершила второй шаг реакции. Массовая концентрация всех основных реагентов и продуктов может быть получена с помощью «соотношения состояния». И, наконец, можно использовать многошаговую реакцию с конечной скоростью протекания.

Перенос излучения

Лучистый теплообмен включен в модель посредством решения уравнения переноса излучения для серого газа и, для некоторых ограниченных случаев, с использованием широкодиапазонной модели. Уравнение решается с помощью метода, аналогичного методу конечных объемов для конвективного переноса, соответственно отсюда и название «метод конечных объемов» (FVM). При использовании приблизительно 100 дискретных углов вычисления лучистого теплообмена занимает примерно 20 % общего времени загрузки центрального процессора, небольшой расход задан уровнем сложности лучистого теплообмена. Коэффициенты поглощения сажей и дымом вычислены с помощью узкополосной модели RADCAL. Капли жидкости могут поглощать и рассеивать тепловое излучение. Это крайне важно при использовании распыляющих спринклеров, но имеет значение и для других спринклеров. Коэффициенты поглощения и рассеивания основаны на теории Ми.

Геометрия

FDS решает основные уравнения на прямоугольной сетке. Препятствия обязаны быть прямоугольными, чтобы удовлетворять сетке.

Составные сетки

Этот термин используется для описания более чем одной прямоугольной сетки при вычислении. Несколько сеток стоит задавать, например, в случаях, когда вычислительный домен имеет неправильную форму и его сложно описать с помощью одной сетки.

Граничные условия

На всех твердых поверхностях задаются тепловые граничные условия, плюс данные о горючести материала. Тепло- и массоперенос с поверхности и обратно рассчитывается с помощью эмпирических соотношений, хотя при выполнении прямого численного моделирования (DNS) можно вычислить передачу тепла и массы впрямую.

Программа FDS разрабатывалась почти 25 лет. Однако официально она была выпущена только в 2000 году. С первого ее выпуска выполнялись постоянные обновления, в большой степени, основанные на замечаниях и предложениях от пользователей.

Обнаружив, что модели FDS могут использоваться для вероятностной оценки рисков ядерных установок, комиссия по ядерному регулированию США финансировала обслуживание и развитие FDS.

В России программное обеспечение разработано в поддержку ФЗ№123 "Технический регламент о требованиях пожарной безопасности", в соответствии с "Методикой определения расчетных величин пожарного риска в зданиях, сооружениях и строениях различных классов функциональной пожарной опасности", утвержденная приказом МЧС России № 382 от 30.06.2009 и "Методикой определения расчетных величин пожарного риска на производственных объектах", утвержденная приказом МЧС РФ № 404 от 10.07.2009.

Эватек (моделирование индивидуального движения людей, получение данных о всем процессе эвакуации: время эвакуации людей из здания, время эвакуации из частей здания, плотности потоков в любой момент времени в любой части зданий и другие)

Блок (предназначена для расчета динамики развития опасных факторов пожара по двухзонной модели CFAST согласно Приложения 6 «Методики определения расчетных величин пожарного риска в зданиях, сооружениях и строениях различных классов функциональной пожарной опасности»)

PyroSim - программа предоставляет пользовательский графический интерфейс для моделирования динамики развития опасных факторов пожара полевым методом на основе FireDynamicsSimulator (FDS).

Вим (предназначена для расчета динамики развития опасных факторов пожара по интегральной модели согласно Приложения 6 «Методики определения расчетных величин пожарного риска в зданиях, сооружениях и строениях различных классов функциональной пожарной опасности»

Заключение

Опасности и угрозы всегда указывают на взаимодействие двух сторон:

- той, которая выступает источником и носителем опасности (явление, процесс, субъект, объект);

- той, на которую направлена опасность или угроза - объект, субъект;

Источники опасности - это условия или факторы, которые таят в себе и при определенных условиях сами по себе (либо в различной совокупности) проявляют или обнаруживают враждебные намерения, реальные или потенциально вредные действия. Источники опасности по своей сути имеют естественно-природное (земное), космическое, техническое и социально- экономическое происхождение.

Известно, что объект - философская категория, выражающая то, что противостоит субъекту в его предметно-практической или познавательной деятельности, т.е. обладает нулевым значением суверенитета.

Субъект же - это носитель предметно-практической деятельности и познания (индивид, социальная группа, государство и т.д.), источник активности, направленной на объект и обладает максимальным суверенитетом;

Объектом угроз и опасностей являются человек, общество, государство. Эта триада представляет собой целостную систему.

Человек в системе (и, прежде всего, личность - творец) является высшей целью общественно-политического и социально-экономического развития страны.

Общество - это социальная среда, включающая реальные условия всестороннего развития творчества личности в системе общественных отношений.

Государство представляет собой организационно-политический механизм реализации общественных отношений и обеспечения гарантии и прав граждан в определенных рамках морали и нравственности. Государство должно возвышаться над личностью, так как его задача - создать механизм, чтобы творческое развитие личности на самом деле было высшей национальной целью, с одной стороны, но с другой - государство является владельцем (носителем) живого капитала.

Объектами угроз в государственном масштабе являются практически все сферы жизнедеятельности общества. В любой из них существуют специфические особенности опасности и угроз.

Человек выступает как объект и субъект опасностей и угроз. Диапазон проявлений человеческой сущности многообразен и противоречив. В ней необъяснимо уживаются эгоизм, иррациональность, агрессивность с отрицающими их подвижничеством, жертвенностью, благодеянием. Современный человек не торопится расставаться со своими пороками, выйти за рамки субъективного, индивидуально-алчного мира.

Известно, что мир представляется человеку в виде объективной и субъективной реальности. Человек преобразует природу и изменяет ее сам. Отсюда вывод, что человек одновременно является и субъектом толкования мира и его объектом.

Известное стремление человека жить лучше не получило еще необходимого приложения. Человек пока остается носителем различных по виду опасностей и угроз, регулятором "безопасности".

Таким образом, человек прямо или опосредованно включен в разнообразную, сложноорганизованную систему отношений и процессов, выполняя в них активно-созидательную, пассивно-созерцательную или разрушительную роль.

Список литературы

ГОСТ 12.1.004-91 Пожарная безопасность. Общие требования. -М.: Издательство стандартов, 1992.-78 с.

Драйздел Д Введение в динамику пожара.-М.: Стройиздат, 1990. - 420 с.

Кошмаров Ю. А. Прогнозирование опасных факторов пожара в помещении: Учебное пособие. - М.: Академия ГПС МВД России, 2000. 118 с.

Чешко И.Д. Экспертиза пожаров (объекты, методы, методики исследования). - СПб.: СПбИПБ МВД РФ, 1997.

Размещено на Allbest.ru