Анализ влияния различных факторов на динамику развития ОФП в атриуме Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

0.0. Ворогушин

ассистент Московского государственного строительного университета, г. Москва, Россия

А. Я. Корольченко

д-р техн. наук, профессор, зав. кафедрой Московского государственного строительного университета, г. Москва, Россия

УДК 614.841

АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ РАЗЛИЧНЫХ ФАКТОРОВ НА ДИНАМИКУ РАЗВИТИЯ ОФП В АТРИУМЕ

Выполнены численные эксперименты с использованием дифференциальной гидродинамической (ОРЭ) модели пожара в атриумном здании. Проанализирована степень влияния различных факторов, таких как количество и свойства пожарной нагрузки и объемно-планировочные решения здания, на динамику развития опасных факторов пожара в атриуме. Произведена оценка эффективности применения различных средств противодымной защиты атриумного пространства.

Ключевые слова: атриум; здание; противопожарная защита; опасные факторы пожара; моделирование пожара.

Прогнозирование динамики распространения опасных факторов пожара (ОФП) в атриуме на сегодняшний день является труднорешаемой задачей. Проведение натурных испытаний в данном случае крайне затруднительно, следовательно, математическое моделирование является единственным доступным методом решения данной задачи. Вместе с тем атриумные здания получают все большее распространение в наши дни, что обуславливает необходимость анализа того, как те или иные факторы могут повлиять на динамику развития опасных факторов пожара в многосветном пространстве.

Математическая модель пожара

Для описания термогазодинамических параметров пожара в атриуме применимы две основные группы детерминистических моделей — зонные и полевые [1]. Приоритетность использования полевой модели пожара в данном случае обусловлена тем, она позволяет получать локальные значения замеряемых величин в определенных точках независимо от сложности конструктивного и объемно-планировочного исполнения здания, а также учитывать применение различных систем противопожарной защиты.

Полевая математическая модель пожара основана на уравнениях, выражающих законы сохранения массы, импульса, энергии и масс-компонентов в рассматриваемом малом объеме [2].

Уравнение сохранения массы:

Уравнение сохранения импульса:

5Р 5 . . А 57 + ~дХ~ (Р) =

(1)

1' дХ; ] 1 дх,- дх ;

5 5

^Г (ри1 ) + — (Р и;и1 ) = + + . (2)

Для ньютоновских жидкостей, подчиняющихся закону Стокса, тензор вязких напряжений определяется формулой

т — + — 1 - 2 ц 5 (з)

1] \ 5х; 5х, ) 3 5хк 4

Уравнение энергии:

- (р1г) + — (р ;) =

5р 5 ( X 5к ) 5Ч

51 5х; I ср 5х; 1 5х;

(4)

где к — статическая энтальпия смеси;

т

к = к° + 1 Ср йТ + Х (ГкИк );

т° к

Нк — теплота образования к-го компонента; ср — теплоемкость смеси при постоянном дав-

лении; ср

Л

= 1 г,

к ср, к ;

q ; — радиационный поток энергии в направлении х.

Уравнение сохранения химического компонента к: | (р Ц) + 5- (Р иЛ ) = 75- \р о Щ-)+ ®..(5)

© Ворогушин О. О., Корольченко А. Я., 2010

к

Для замыкания представленной выше системы уравнений используется уравнение состояния идеального газа. Для смеси газов оно имеет вид:

, -р * .г ZMk •

(6)

где *0 — универсальная газовая постоянная;

Mk — молярная масса k-го компонента.

Очевидно, что решение полевой модели пожара требует использования программных средств ЭВМ. На сегодняшний день существует ряд компьютерных программ, предназначенных для решения данной модели, таких как: PHOENICS, JASMINE, SOFIE, FDS, FLUENT, CFX. В рамках моделирования был использован программный комплекс Fire Dynamics Simulator (FDS), разработанный коллективом специалистов Института стандартов и технологий США (NIST).

Постановка задачи

В работе рассмотрено 11 расчетных вариантов, в каждом из которых смоделировано возгорание одного из типовых видов пожарной нагрузки в помещении, смежном с помещением атриума.

Рассматриваемый атриум представляет собой мно-госветное пространство, связывающее 10 этажей. Высота каждого из этажей — 4 м. Геометрические размеры атриума: a = 20 м, b = 20 м, h = 40 м. Помещение пожара расположено в уровне 1-го этажа и имеет размеры: a = 10 м, b = 10 м, h = 4 м (рис. 1). Указанное помещение сообщается с атриумом посредством дверного проема шириной 2,5 м и высотой 2 м. Помещение атриума сообщается с внешней средой через открытый дверной проем площадью 5 м2, расположенный в уровне 1-го этажа. Остальные проемы в расчете приняты закрытыми.

В качестве материала ограждающих конструкций принят бетон со следующими теплофизически-ми свойствами: • плотность р = 2000 кг/м3;

Рис. 1. Рассматриваемое атриумное здание: 1 —помещение пожара; 2 — помещение атриума; 3 — датчики контроля параметров пожара

Таблица 1. Критические значения опасных факторов пожара

Параметр Критическое значение ОФП

Температура, °С 70

Плотность теплового потока, Вт/м2 1400

Предельная дальность видимости, м 20

Концентрация, кг/м3:

СО 1,16 • 10-3

С02 1,1 • 10-3

HCl 2,3 • 10-5

02 2,26 • 10-1

• теплопроводность X = 0,7 Вт/(м-°С);

• теплоемкость ср = 1,67 кДж/(кг-°С);

• степень черноты поверхности — 0,9.

Значения опасных факторов пожара замеряются

в объеме атриума на высоте рабочей зоны от уровня пола 1, 4, 7 и 10-го этажей.

В качестве контролируемых параметров пожара приняты основные первичные ОФП: повышенная температура, плотность теплового потока, потеря видимости, пониженная концентрация кислорода и повышенная концентрация токсичных продуктов горения. Перечень контролируемых параметров пожара и их критические значения приведены в табл. 1.

Количество и свойства пожарной нагрузки

В первых четырех расчетных вариантах оценивается влияние макрокинетических свойств пожарной нагрузки и ее количества на динамику развития ОФП в атриуме.

В 1-м расчетном варианте рассматривается возгорание мебели и тканей, размещенных в количестве, условно соответствующем категории помещения В4 по пожарной опасности согласно [3]. Принимаем, что пожарная нагрузка равномерно распределена по всей площади помещения, причем ее удельное значение g = 150 МДж/м2. При низшей теплоте сгорания Q нр = 14900 кДж/кг получаем, что удельная масса пожарной нагрузки составляет:

g 150000

Q нр

14900

10 кг/м2

(7)

Таким образом, при удельной скорости выгорания ууд = 0,0162 кг/(м2-с) получаем, что время выгорания пожарной нагрузки (с последующим прекращением горения) в каждой точке площади помещения составляет:

"уд

10

V

уд

0,0162

- 617c.

(8)

Во 2-м расчетном варианте при аналогичных условиях моделирования рассматривается возгорание

туд =

Т в -

Таблица 2. Исходные данные для типовых видов пожарной нагрузки

Свойство пожарной нагрузки Мебель и ткани Продукты пищевой промышленности (крупы, мука из них) Ацетон

Низшая теплота сгорания, кДж/кг 14900 17000 29000

Линейная скорость пламени, м/с 0,0125 0,005 790

Удельная скорость выгорания, кг/(м2-с) 0,0162 0,0080 0,0440

Дымообразующая способность, Нп-м2/кг 58,5 1096,0 80,0

Потребление кислорода (О2), кг/кг -1,437 -0,968 -2,220

Выделение углекислого газа (СО2), кг/кг 1,320 0,812 2,293

Выделение угарного газа (СО), кг/кг 0,0193 0,1630 0,2690

Выделение хлористого водорода (НС1), кг/кг 0 0 0

мебели и тканей, размещенных в количестве, условно соответствующем категории В1. Таким образом, за время моделирования пожарная нагрузка прогореть не успевает.

В 3-м расчетном варианте рассмотрено возгорание пожарной нагрузки с относительно малой низшей теплотой сгорания и высокой дымообразующей способностью. В качестве таковой приняты продукты пищевой промышленности.

В 4-м варианте, наоборот, рассмотрено возгорание пожарной нагрузки с высокой теплотворной и низкой дымообразующей способностью (в качестве модельной пожарной нагрузки принят розлив ацетона площадью 2 м2).

Исходные данные для вышеперечисленных видов пожарной нагрузки показаны в табл. 2.

Объемно-планировочные решения

В 5-м расчетном варианте в рассматриваемый атриум добавлены поэтажные коридоры (галереи). Галереи шириной 3 м располагаются по периметру многосветного пространства в уровне этажей со 2-го по 1°-й.

Остальные условия моделирования взяты аналогично тем, что приняты во 2-м расчетном варианте.

Применение различных систем противодымной защиты

В 6-м и 7-м расчетных вариантах при сохранении прочих параметров моделирования рассмотрено применение по периметру поэтажных галерей

противодымных экранов шириной соответственно 1 и 2 м.

В 8-м и в 9-м сценариях пожара предусмотрено размещение в верхней части атриума зенитных фонарей с площадью открытого проема каждого из них соответственно 1,5 и 3 м2.

В 1°-м расчетном варианте рассмотрено применение в комплексе противодымных экранов шириной 2 м и зенитных фонарей площадью 3 м2.

И наконец, в 11-м расчетном варианте рассматривается применение системы противодымной защиты атриума с механическим побуждением тяги: в нижнюю часть атриума предусматривается подпор воздуха, из верхней части — дымоудаление. Требуемые параметры указанных выше систем взяты из расчетов, произведенных для подобного атриумно-го здания:

• расход системы дымоудаления — 194°°° м3/ч;

• расход системы подпора воздуха—122°°° м3/ч.

Результаты моделирования

Время достижения критических значений ОФП (в секундах) в уровне различных этажей в 1-ом расчетном варианте показано в табл. 3.

Поля предельной дальности видимости в вертикальной плоскости, проходящей через центр атриума, представлены на рис. 2-13.

Время достижения критических значений ОФП (в секундах) в уровне различных этажей во 2-м расчетном варианте показано в табл. 4.

Температурный режим в уровне 1-го и 1°-го этажей в 1-м и во 2-м расчетных вариантах показан на рис. 14.

Время достижения критического значения предельной дальности видимости (в секундах) в уровне различных этажей в расчетных вариантах с 5-го по 11-й представлено в табл. 5.

На рис. 15 показаны поля предельной дальности видимости в вертикальной плоскости, проходящей через центр атриума, в 5-м расчетном варианте.

Таблица 3. Время достижения критических значений ОФП в 1-м расчетном варианте, с

Этаж Темпе- Тепловой Види- Концентрация

ратура поток мость СО СО2 О2

1-й 612 711 496 507 710 Н. д.

4-й 583 1114 389 432 604 1789

7-й 545 Н. д.* 359 396 554 1726

10-й 498 Н. д. 353 387 542 1689

* Н. д. означает, что за время моделирования (т =18°° с) предельно допустимое значение данного ОФП не достигается.

Рис. 2. Поля предельной дальности видимости в плоскости у = 10 м в момент времени т = 0: 1 — атриум; 2 — помещение пожара; 3 — вертикальная плоскость, проходящая через центр атриума; 4 — дверной проем

Рис. 3. Поля предельной дальности видимости в плоскости у = 10 м в момент времени т = 30 с: 1 — формирование конвективной колонки над очагом горения

Рис. 4. Поля предельной дальности видимости в плоскости у = 10 м в момент времени т = 60 с. Происходит формирование припотолочного слоя дыма

Рис. 5. Поля предельной дальности видимости в плоскости у = 10 м в момент времени т = 90 с. Опускание нижней границы припотолочного слоя дыма до уровня дверного проема

Рис. 6. Поля предельной дальности видимости в плоскости у = 10 м в момент времени т = 120 с. Газообразные продукты горения поступают в атриумное пространство

Рис. 7. Поля предельной дальности видимости в плоскости у = 10 м в момент времени т = 180 с

Рис. 8. Поля предельной дальности видимости в плоскости у = 10 м в момент времени т = 240 с. Формирование мощной конвективной колонки над дверным проемом в атриуме

Рис. 9. Поля предельной дальности видимости в плоскости у = 10 м в момент времени т = 300 с. Дальность видимости падает до нуля в помещении пожара

Рис. 10. Поля предельной дальности видимости в плоскости у = 10 м в момент времени т = 360 с

Рис. 11. Поля предельной дальности видимости в плоскости у = 10 м в момент времени т = 420 с

Рис. 12. Поля предельной дальности видимости в плоскости у = 10 м в момент времени т = 480 с

Рис. 13. Поля предельной дальности видимости в плоскости у = 10 м в момент времени т = 720 с. Видимость в атриуме падает до нуля: 1 — наружный воздух подсасывается через дверной проем

Таблица 4. Время достижения критических значений ОФП во 2-м расчетном варианте, с

Этаж Темпе- Тепловой Види- Концентрация

ратура поток мость СО СО2 О2

1-й 612 71° 496 5°7 7°6 1796

4-й 583 1°98 389 432 6°4 1735

7-й 545 Н. д. 359 396 554 1662

1°-й 498 Н. д. 353 387 542 1599

Таблица 5. Время блокирования дымом этажей в расчетных вариантах с 5-го по 11-й, с

Этаж Расчетный вариант

5 6 7 8 9 1° 11

1-й 424 415 453 Н. д. Н. д. Н. д. Н. д.

4-й 426 422 444 476 555 6°1 613

7-й 429 431 446 482 587 617 624

1°-й 427 436 452 485 568 6°7 639

250

О О 200

ей

Й 150

се

в- 100

1=1

?!

£ 50

0

250

и о 200

л

Й 150

св

5Т 100

С

г

£ 50

0

240 480 720 960 1200 1440 1680

240 480

720 960 1200 Время, с

1440 1680

Рис. 14. Зависимость температуры от времени в уровне

1-го (а) и 1°-го (б) этажей в 1-м (-) и во 2-м (---)

расчетных вариантах

На рис. 16 показаны поля предельной дальности видимости в горизонтальной плоскости, расположенной на высоте к = 2 м от уровня пола 1-го этажа в 11-м расчетном варианте.

Анализ результатов и их обсуждение

Из табл. 3 следует, что наиболее опасным фактором пожара в 1-м расчетном варианте является потеря видимости. Предельно допустимые значения всех ОФП достигаются раньше в уровне 1°-го этажа и далее последовательно в уровне 7, 4 и 1-го этажей.

Рис. 15. Поля предельной дальности видимости в плоскости у = 1° м в момент времени т, равный 9° с (а), 24° с (б), 36° с (в) и 42° с (г) (5-й расчетный вариант): 1 — открытые поэтажные коридоры (галереи)

Рис. 16. Поля предельной дальности видимости в плоскости к = 2 м в момент времени т = 1800 с (11-й расчетный вариант)

При принятых в 1-м и во 2-м расчетных вариантах условиях моделирования (объемно-планировочные решения, вид пожарной нагрузки и схема ее размещения, схема распространения пламени и пр.) изменение количества пожарной нагрузки не оказало влияния на время блокирования этажей в атриуме, так как критические значения наиболее опасных факторов пожара достигаются раньше, чем успевает прогореть пожарная нагрузка. Другими словами, необходимое время эвакуации в данном случае не изменилось.

Следует отметить, однако, что в данном случае не учитывался тот факт, что при большем удельном размещении пожарной нагрузки возрастает удельная площадь горения.

Существенное влияние изменение количества пожарной нагрузки оказало на температурный режим в помещении атриума (см. рис. 14). В конце времени моделирования разность между значениями температуры в 1-м и во 2-м расчетных вариантах в уровне 1-го этажа составляет почти 200 %.

При анализе влияния свойств пожарной нагрузки на динамику развития опасных факторов пожара в атриуме (3-й и 4-й расчетные варианты) сделаны следующие выводы:

1. Распространение продуктов горения в атриуме происходит подобным образом независимо от свойств и количества пожарной нагрузки: над двер-

ным проемом образуется мощная конвективная колонка, далее дым стелется под потолком и вдоль противоположной стены; затем происходит завихрение потока задымленных газов и формирование припотолочного слоя с последующим его опусканием до уровня пола (см. рис. 2-13).

2. Значение температуры в атриуме в каждый момент времени увеличивается от нижней отметки атриума до его верха относительно равномерно: оценить нижнюю границу припотолочного слоя прогретых газов не представляется возможным.

3. Несмотря на относительно высокую удельную теплоту сгорания и низкую дымообразующую способность ацетона, предельно допустимое значение предельной дальности видимости в 3-м расчетном варианте достигается раньше, чем предельно допустимое значение температуры. Это можно объяснить, во-первых, тем, что дым (как это видно из рис. 2-13) стелется вдоль стены, у которой замеряются значения ОФП, и, во-вторых, достаточно большим объемом атриумного пространства, газовая среда которого прогревается относительно равномерно.

Добавление поэтажных открытых коридоров (галерей) по периметру атриумного пространства (см. рис. 15, а) существенно изменило динамику распространения продуктов горения в атриуме. В уровне 1-го этажа происходит завихрение конвективной колонки. В результате в отличие предыдущих расчетных вариантов в данном случае 1-й этаж блокируется дымом раньше, чем остальные (см. рис. 15, б-г).

Эффективность применения различных средств противодымной защиты (расчетные варианты с 6-го по 11-й) оценивалась как изменение времени блокирования этажей атриума с учетом их применения и без него. Результаты приведены в табл. 6.

Из табл. 6 видно, что противодымные экраны эффективны только в случае комплексного применения их с зенитными фонарями. Оборудование ат-риумного здания системой дымоудаления с естественным побуждением тяги также не является достаточно эффективным решением. В случае применения системы противодымной защиты с механическим побуждением тяги требуется проведение соответствующего расчета требуемой производительности системы.

Таблица 6. Эффективность применения различных средств противодымной защиты

Расчетный вариант

6 7 8 9 10 11

Применяе- Экраны, Экраны, Фонари, Фонари, Экраны + Дымоудаление с механическим мое решение Ь = 1 м Ь = 2м ^ =1,5 м2 ^ = 3м2 фонари побуждением тяги

Эффектив- <5 <10 « 15 «30 «40 >100

ность, %

Из табл. 5 видно, что в расчетных вариантах с 8-го по 11-й блокирование дымом 1-го этажа не происходит. Это объясняется тем, что при наличии открытых проемов в верхней и нижней частях атриума движение воздушных потоков происходит по принципу аэродинамической трубы: за счет разности давлений внутри здания и снаружи его значительное количество холодного воздуха подсасывается через дверной проем, а нагретые газы в большом количестве выбрасываются через проемы в покрытии. Важно отметить, однако, что незадымленной в уровне 1-го этажа остается лишь небольшая зона у открытого дверного проема (см. рис. 16).

Выводы

В данной статье произведена оценка влияния различных факторов на динамику развития опасных факторов пожара в атриуме. Проведенный анализ является достаточно грубым и пригоден лишь для описания основных процессов и закономерностей, сопровождающих пожар в атриумном здании. Из приведенных в статье данных очевидно, что лю-

бое изменение условий моделирования в той или иной степени влияет на динамику развития ОФП. Таким образом, подобные расчеты необходимо производить индивидуально для каждого конкретного здания, с учетом всех особенностей защищаемого объекта. Результаты выполненной работы свидетельствуют о возможности оптимизации способов обеспечения нормативного значения уровня пожарного риска (на этапе проектирования зданий) варьированием архитектурных решений, а также состава и способов размещения пожарной нагрузки.

Практически во всех рассмотренных сценариях развития пожара наиболее опасным фактором является потеря видимости. Таким образом, можно заключить, что эффективность работы применяемой на объекте системы противодымной защиты играет важнейшую роль в обеспечении безопасности людей при пожаре в здании. Поэтому поиск наиболее эффективных схем размещения и параметров работы средств противодымной защиты представляется авторам наиболее перспективным и важным направлением для дальнейших исследований в этой области.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Методика определения расчетных величин пожарного риска в зданиях, сооружениях и строениях различных классов функциональной пожарной опасности : приложение к Приказу МЧС России от 30 июня 2009 г. № 382 : зарегистр. в Минюсте РФ 6 августа 2009 г., рег. № 14486 [электронный ресурс]. URL : http://www.mchs.gov.ru (дата обращения: 20.07.2010).

2. Кошмаров Ю. А. Прогнозирование опасных факторов пожара в помещении. — М. : Академия ГПС МВД России, 2000.

3. СП 12.13130.2009. Определение категорий помещений, зданий и наружных установок по взрывопожарной и пожарной опасности : утв. Приказом МЧС РФ от 25.03.2009 № 182 : введ. в действие 01.05.2009. — М. : ФГУ ВНИИПО МЧС России, 2009.

Материал поступил в редакцию 26 июля 2010 г.

Электронный адрес авторов: [email protected].

3о| ISSN 0869-7493 ППЖАРПНЗРЫНПБЕЗППАСНПСТЬ 2010 ТОМ 19 №9