Интегральная модель динамики пожара при неустановившемся режиме горения толуола Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

И. В. СИТНИКОВ, аспирант кафедры пожарной и промышленной безопасности Воронежского государственного архитектурно-строительного университета (Россия, 394006, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84; e-mail: [email protected]) П. А. ГОЛОВИНСКИЙ, д-р физ.-мат. наук, профессор, профессор кафедры инноватики и строительной физики Воронежского государственного архитектурно-строительного университета (Россия, 394006, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84; e-mail: [email protected])

А. А. ОДНОЛЬКО, канд. техн. наук, доцент, профессор кафедры пожарной и промышленной безопасности Воронежского государственного архитектурно-строительного университета (Россия, 394006, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84; e-mail: [email protected])

УДК 614.841.41

ИНТЕГРАЛЬНАЯ МОДЕЛЬ ДИНАМИКИ ПОЖАРА ПРИ НЕУСТАНОВИВШЕМСЯ РЕЖИМЕ ГОРЕНИЯ ТОЛУОЛА

Выполнен анализ основных математических моделей динамики пожара и разработана интегральная модель для определения требуемого времени эвакуации людей из производственного помещения в условиях неустановившегося режима горения толуола. Систематизированы и подробно описаны используемые в модели нелинейные эмпирические зависимости. Для проверки сформулированной модели пожара подготовлены и проведены численные эксперименты по моделированию динамики пожара в производственном помещении с толуолом при разных вариантах функционирования системы дымоудаления. Показана возможность выбора оптимального режима вентиляции для улучшения условий безопасной эвакуации людей из зоны задымления. Обсуждены пути дальнейшего совершенствования модели и ее применения. Ключевые слова: пожарный риск; моделирование пожара; горение; опасные факторы пожара; требуемое время эвакуации; противодымная вентиляция.

Введение

В России ежегодно иа объектах различного назначения происходит порядка 170 тысяч пожаров, на которых гибнет 12-15 тысяч человек и почти столько же получает травмы. Риск гибели людей составляет около 910-5, что намного превышает аналогичный показатель в зарубежных странах [1-3]. Для оценки пожарных рисков широко применяется моделирование динамики пожара. Оно необходимо при разработке и обосновании объемно-планировочных и технических решений в строительстве, при оценке пределов огнестойкости строительных конструкций, а также при разработке рекомендаций, направленных на повышение безопасности эвакуации людей [4, 5].

Существует три основных типа математических моделей динамики пожара: интегральная, зонная и полевая (дифференциальная) [2, 4]. Интегральная модель описывает в самом общем виде изменение основных параметров газовой среды в помещении, усредненных по объему [4, 6-8]. Зонная модель в отличие от интегральной предполагает разделение всего объема помещения на несколько условных зон, для каждой из которых составляются уравнения ма-

© Ситников И. В., Головинский П. А., Однолько А. А., 2014

териального и энергетического баланса [9-14]. Она позволяет более детально описать термогазодинамическую картину пожара в помещении, но усложняет математические расчеты, которые выполняются, в частности, с помощью программы CFAST (Consolidated Fire Growth and Smoke Transport Model) [15]. Полевая (дифференциальная) модель в отличие от интегральной и зонной основана на разбиении общего объема помещения на множество контрольных зон, для каждой из которых решается система уравнений в частных производных, описывающих сохранение массы, энергии и импульса [12,13]. Эту модель рекомендуется применять для помещений сложной геометрической конфигурации или с большим количеством внутренних преград [2]. Исследование динамики пожара с помощью полевой модели требует значительных вычислительных ресурсов (в частности, программа FDS — Fire Dynamic Simulation) [15, 16]. В связи с этим в настоящее время детальное моделирование динамики пожара не всегда востребовано в инженерной практике; достаточно часто используются другие, более простые модели пожара.

Перечисленные модели содержат ряд допущений и упрощений, которые снижают точность результатов и ограничивают область их применения. Одним из них, в частности, является допущение о мгновенной стабилизации скорости выгорания горючей жидкости [2, 4, 11].

Целью данной работы является разработка модели динамики пожара и определения требуемого времени эвакуации людей в производственном помещении в условиях неустановившегося режима горения толуола. Отличие данной работы состоит в численном решении нелинейных дифференциальных уравнений интегральной модели горения.

Основные уравнения интегральной модели пожара

Для описания состояния газовой среды в интегральной модели пожара используются следующие основные средние по объему параметры [4-6]: плотность газовой среды рт; температура Тт; давление рт; оптическая плотность дыма цт, а также парциальные плотности: монооксида углерода рт(С0), диоксида углерода р т(С02), хлористого водорода Рт(нС1), кислорода рт(02). Все эти величины вычисляются как средние по объему: х = (| х ёV)V (где V — объем помещения). При формулировке интегральной модели предполагается, что газовая среда внутри помещения представляет собой смесь идеальных газов [4, 12] и состояние ее описывается уравнением Менделеева - Клапейрона. Описание процессов тепло- и массообмена осуществляется с применением среднеобъемных значений основных параметров газовой среды. Модель самого процесса выгорания материала основана на экспериментальных зависимостях, так же как и описание процесса теплопередачи в ограждающие конструкции [4].

Для описания изменения среднеобъемной плотности газовой среды используется дифференциальное уравнение [4, 6], выражающее закон сохранения массы (изменение массы газовой среды в помещении за единицу времени равно алгебраической сумме потоков масс, переносимых через границы системы):

V

ё Рт ёх

= V + Оа - с„ + - сю

(1)

где х — время развития пожара;

V — скорость выгорания (газификации) материала;

Оа — массовый расход воздуха, поступающего в помещение из окружающей среды через естественную вентиляцию за счет разности внутреннего и внешнего давлений;

— массовый расход газа (продуктов горения) из помещения в окружающую среду через естественную вентиляцию;

— массовый расход воздуха, поступающего в помещение из окружающей среды через механическую вентиляцию;

Оех — массовый расход газа, уходящего из помещения в окружающую среду через механическую вентиляцию.

Уравнение энергетического баланса газовой среды при пожаре в помещении имеет вид [4]:

v а -рл )=^+^ ) V-

+ Срг Та (Са + Ст ) - СргТт (Сг + ех /

(2)

где к — показатель адиабаты газовой среды, принимаемый равным 1,4;

Л — коэффициент полноты сгорания материала; Л = 0,97;

Qch — удельная теплота сгорания материала;

— энтальпия газовой среды в помещении, которая находится из выражения (цQch + hg)v и складывается из теплоты, поступающей в газовую среду от реакции горения (л Qch V), и теплоты, поступающей в газовую среду вместе с продуктами газификации Ог V) [4]; срг — удельная изобарная теплоемкость газовой среды в помещении, принимаемая согласно табличным данным теплоемкости воздуха при 20 °С равной 1006 Дж/(кг К);

Та — температура наружного воздуха, являющаяся постоянной величиной; Qw — суммарный тепловой поток через ограждающие конструкции.

Левая часть уравнения (2) представляет собой скорость изменения внутренней энергии газовой среды при постоянном объеме в единицу времени [4]. В правой части уравнения (2) учтены такие факторы, как количество тепла, поступающего за единицу времени в газовую среду в результате горения (тепловыделения); сумма внутренней тепловой энергии поступающего газа и работы проталкивания внешней атмосферы; сумма внутренней тепловой энергии, уносимой уходящими газами, и работы выталкивания; тепловой поток, поглощаемый ограждающими конструкциями.

Уравнение материального баланса для кислорода имеет вид [4]:

V

ё Рт

1(02)

ёх

= V +

(3)

а (02)

^а + ) - Х07(СЯ + &ех Ь

где Ь0 —количество кислорода, потребляемого при

^02 горении;

ха (02)

массовая доля кислорода в наружном

воздухе; ха (о2) = 0,23;

хо2

доля кислорода в газовой среде.

Уравнение (3) учитывает, что очаг пожара является потребителем кислорода. В роли источника кислорода выступает приток воздуха, создаваемый механической и естественной вентиляцией. Потребителем кислорода является также вытяжка, создаваемая механической и естественной вентиляцией.

Левая часть уравнения (3) описывает скорость изменения массы кислорода. В правой части учтена масса кислорода, потребляемого горючим материалом за единицу времени; количество кислорода, поступающего через системы естественной и механической вентиляции, и кислорода, уходящего через системы вентиляции.

Уравнение материального баланса для токсичных продуктов горения (монооксид углерода, диоксид углерода, хлористый водород) газовой среды имеет следующий общий вид [4]:

V —-^ = ^ ^ - °е + Сех):

(4)

где рш& — парциальная плотность рассматриваемого токсичного газа (монооксида углерода, диоксида углерода, хлористого водорода); Ьг — количество рассматриваемого токсичного газа, выделяемого при горении материала; х( — массовая доля рассматриваемого токсичного газа в газовой среде; хщ = рт^ /рт . Левая часть уравнения (4) задает скорость изменения массы токсичного газа. В правой части первый член представляет собой массу токсичного газа, поступающего с поверхности горючего материала за единицу времени; второй — массу токсичного газа, уходящего через системы естественной и механической вентиляции.

Уравнение баланса частиц дыма имеет вид [4,6]:

V-Цт = Бу -ц, -т

- К

(5)

где — плотность дымовых частиц;

Б — дымообразующая способность горючего материала, Нп-м2/кг;

кс — коэффициент седиментации частиц дыма на поверхности ограждающих конструкций; ГК — площадь поверхности ограждающих конструкций.

Левая часть уравнения (5) задает скорость изменения полной массы частиц дыма. В правой части учитывается масса частиц дыма, поступающих с поверхности горючего материала за единицу времени; количество дыма, уходящего через системы вентиляции и осаждающегося на поверхности ограждающих конструкций помещения.

Дополнительные уравнения интегральной модели и начальные условия

Для полноты математической формулировки уравнений модели их необходимо дополнить явным видом входящих в них функций и начальными условиями. Часть необходимых функциональных зависимостей может быть получена в точной форме, а часть носит характер аппроксимаций эмпирических данных. Уравнение скорости выгорания горючего материала, т. е. газификации, имеет вид [4]:

У = У^/, (6)

где у^—удельная скорость выгорания горючего материала;

Г/ — площадь очага пожара.

Площадь очага пожара определяется по уравнениям:

• при горении жидкости

Т-г 2

Г/ = пг ;

• при горении твердого материала Г/ = п (V/ т)2,

(7)

(8)

где г — радиус розлива горючей жидкости;

v/ — линейная скорость распространения пламени по поверхности, определяемая по табличным данным.

Формула (8) справедлива при условии v/ т < /т1п (где /тЬ — минимальный геометрический размер помещения).

Удельная скорость выгорания горючего материала

0,23 (Оа + О ы)

У s = К +

Ь02 Г/

(1 - К), (9)

где у^0 — удельная скорость выгорания материала на открытом воздухе;

К — функция режима пожара, введенная Кош-маровым Ю. А. [4] для описания скорости выгорания при любом из трех режимов горения (с достаточным количеством окислителя, при нехватке окислителя и промежуточном режиме). Эмпирическая функция режима пожара

(

К=

Х02 0,23

ехр

(

1

0,23

(10)

Массовый расход воздуха, поступающего в помещение из окружающей среды через естественную вентиляцию за счет разности внутреннего и внешнего давлений, определяется по формуле [4, 17], суммирование в которой проводится по всем N проемам:

Оа = Р а (Р а -Р т ) Х

*£ [( | - уи| )1,5 - ( | у, - 2| )1,5]. (11) 1 = 1

т

Массовый расход газа (продуктов горения) из помещения в окружающую среду через естественную вентиляцию определяется по формуле [4, 17]:

= Р т (Р а -Р т ) Х

[( I - Ун\)1,5 - ( I У* - | )1,5]. (12)

г = 1

В(11)и(12) Ра — плотность наружного воздуха; ё—ускорение свободного падения; ё = 9,81 м/с2; — коэффициент сопротивления ,-го проема = 1 — проем полностью открыт; = 0 — проем закрыт);

Ь1 — ширина ,-го проема; У* — высота плоскости равных давлений; уи — высота нижнего края ,-го проема; уй — высота верхнего края ,-го проема; 21 — формальный параметр ,-го проема. Формальный параметр 21 для проема определяется из условий

[ Ун, У* ^ Ун; =] У*> Ун < У* < Ун; I Ун > У* > Ун ■

(13)

Высота плоскости равных давлений вычисляется по формуле

Н Рт - Ра

У* =

2 ё (Р а -Р т )

(14)

где Н — высота помещения, в котором происходит пожар;

ра — наружное атмосферное давление на уровне половины высоты помещения. Массовый расход газа, уходящего из помещения в окружающую среду через механическую вентиляцию, определяется соотношением [17, 18]:

Сех = Рт^ех , (15)

где Жех — объемный расход газа, уходящего из помещения в окружающую среду через механическую вентиляцию.

Массовый расход воздуха, поступающего в помещение из окружающей среды через механическую вентиляцию, определяется соотношением [17, 18]:

От = Ра^„ , (16)

где — объемный расход воздуха, поступающего в помещение из окружающей среды через механическую вентиляцию.

Энтальпия газовой среды при пожаре в помещении

hg срё Тт . (17)

Суммарный тепловой поток через ограждающие конструкции помещения [4, 19, 20]

Qv, = а^м (Тт - ТД (18)

где а — коэффициент теплопередачи между газовой средой и ограждающими конструкциями при пожаре в помещении;

Тм—температура внутренней поверхности ограждающих конструкций помещения при пожаре. Предполагается, что коэффициент теплопередачи между газовой средой и ограждающими конструкциями, а также температура их внутренних поверхностей не зависят от пространственного расположения очага пожара и типа конструкций.

Коэффициент теплопередачи между газовой средой и ограждающими конструкциями при пожаре в помещении определяется по эмпирической формуле [4]:

а

= [4,07^Тт - Тм , Тт < 333 К;

[ 11,6ехр[0,0023(Тт - 273)], Тт > 333К.

Температура Тм определяется формулой

(19)

Тм = Те + 0,2(Тт - Те) + 0,00065(Тт - Те)2, (20)

где Т0 — температура газовой среды в помещении

перед пожаром.

Исходные характеристики (начальные условия) в помещении до пожара при нормальных условиях: начальная среднеобъемная плотность газовой среды Рт0 = 1,2041 кг/м3; среднеобъемное давлениерт0 = = 101325 Па; среднеобъемная парциальная плотность кислорода рт(0)0 = 0,2315-1,2041 « 0,2787 кг/м3; среднеобъемная парциальная плотность монооксида углерода, диоксида углерода и хлористого водорода соответственно Рт(С0)0 = 0 Рт(С02)0 = 0 Рт(НС1)0 = = 0; среднеобъемная оптическая плотность среды цт0 = 0 (среда прозрачна).

Введенные дополнительные уравнения и начальные условия делают систему дифференциальных уравнений полной, однако решить полученную систему дифференциальных уравнений интегральной модели пожара удается лишь численными методами.

Численное моделирование пожара в производственном помещении

Для проверки сформулированной модели пожара были подготовлены и проведены численные эксперименты. Моделирование динамики пожара в производственном помещении с обращением толуола было выполнено для трех сценариев функционирования системы дымоудаления:

1) система работает с постоянной объемной производительностью вытяжки 7,5 м3/с;

2) система работает с постоянной объемной производительностью вытяжки 7,5 м3/с в течение 150 с, после чего происходит аварийная остановка;

3) система работает с постоянной объемной производительностью вытяжки 7,5 м3/с в течение 150 с, после чего происходит аварийная остановка; через

30с включается резервная система с производительностью 11,25 м3/с.

Массовый расход вытяжки системы дымоуда-ления для каждого из рассматриваемых сценариев можно описать следующими зависимостями: • первый сценарий:

Оех рт Ж'ех

второй сценарий:

Оех ^ 0,

^ех, т < 150; т > 150;

третий сценарий:

Оех =

р 0,

11,5 р

Ж

"ех '

Ж

\ ех '

т < 150; 150 < т < 180; т > 180.

(21)

(22)

(23)

Для численного моделирования пожара в рассматриваемых сценариях функционирования системы дымоудаления использовались исходные данные, приведенные в таблице. Численное моделирование было проведено в среде Ма1:ЬАВ.

На рис. 1 приведен график изменения массовых расходов вытяжки системы дымоудаления во времени для рассматриваемых сценариев ее функционирования.

Как видно из рис. 1, с момента времени 180 с производительность вытяжной системы дымоуда-ления для каждого из трех сценариев функционирования существенно расходится.

График изменения парциальной плотности кислорода газовой среды во времени при заданных сценариях функционирования системы дымоудале-ния представлен на рис. 2.

Из рис. 2 видно, что в третьем сценарии (функционирование резервной системы дымоудаления с производительностью 11,25 м3/с) парциальная плотность кислорода не достигает предельно допустимого значения, что обеспечивает безопасную эвакуацию людей.

12-

и

и 10! в-□

а Л

па о и

£

2

151 301 451 601 Время, с

751

901

Рис. 1. Изменение массовых расходов вытяжки системы ды-моудаления во времени для трех сценариев ее функционирования: — первый сценарий; — второй сценарий; — третий сценарий

Исходные данные для помещения

Характеристика Значение

Размеры помещения, м:

длина 30

ширина 30

высота 6

Параметры оконного проема, м:

ширина 2

координата нижнего края 2

координата верхнего края 4

Параметры системы дымоудаления — объемный расход вытяжки, м3/с, для сценария:

1 — работа на протяжении всего времени пожара 7,5

2 — отключение через 150 с после начала пожара 7,5

3 — отключение через 150 с после начала пожара 7,5

включение аварийной системы через 30 с после отключения основной 11,25

Физико-химические характеристики толуола:

радиус розлива, м 1

низшая теплота сгорания, МДж/кг 40,9

удельная скорость выгорания, кг/(м2-с) 0,043

дымообразующая способность, Нп-м2/кг 562

количество кислорода, потребляемого на горение, кг/кг 3,098

количество газа, выделяемого при горении, кг/кг:

монооксида углерода 0,148

диоксида углерода 3,677

хлористого водорода 0

301 451 601 Время, с

Рис. 2. Изменение парциальной плотности кислорода во времени для трех сценариев функционирования системы дымо-

удаления (обозначения см. на рис. 1):-----предельно

допустимое значение для человека

Время, с

Рис. 3. Изменение температуры газовой среды во времени для трех сценариев функционирования системы дымоудале-ния (обозначения см. на рис. 1 и 2)

Время, с

Рис. 4. Изменение парциальной плотности диоксидауглеро-да во времени для трех сценариев функционирования системы дымоудаления (обозначения см. на рис. 1)

Динамика изменения температуры газовой среды для рассматриваемых сценариев представлена на рис. 3.

Как следует из рис. 3, при третьем сценарии развития пожара значение среднеобъемной температу-

ры газовой среды не намного превышает предельно допустимое значение и после небольшого промежутка времени снижается.

График изменения парциальной плотности диоксида углерода при заданных сценариях функционирования системы дымоудаления представлен на рис. 4.

Совокупность зависимостей (21)—(23) показывает эффективность применения резервных защищенных источников питания, обеспечивающих при пожаре усиленный режим вентиляции в течение короткого времени эвакуации людей.

Выводы

В работе предложена новая версия интегральной модели динамики пожара в производственном помещении, позволяющая определить требуемое время эвакуации людей в условиях неустановившегося режима горения толуола. Выполнено численное моделирование пожара в производственном помещении с обращением толуола в условиях функционирования системы дымоудаления в различных режимах. С целью увеличения допустимого значения времени эвакуации при пожаре предложен новый подход, заключающийся в использовании системы дымоудаления с переменной мощностью. Такая система позволяет увеличить требуемое время эвакуации за счет того, что после аварийного отключения источников питания включаются резервные источники и массовая производительность вентиляторов выходит на максимальное значение, резко замедляя тем самым динамику задымления. Дальнейшее совершенствование модели связано с переходом к зонной модели, что, по нашим предположениям, должно сохранить относительную простоту описания и быстродействие алгоритма.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. International Association of Fire and Rescue Services. Center of Fire Statistics. URL : http://www.ctif.org (дата обращения: 09.09.2013 г.).

2. Методика определения расчетных величин пожарного риска в зданиях, сооружениях и строениях различных классов функциональной пожарной опасности : приказ МЧС России от 30.06.2009 г. № 382. — М. : ФГУ ВНИИПО МЧС России, 2009. — 71 с.

3. Корольченко А. Я., Бушманов С. А. Количественная оценка величины пожарного риска // Пожаро-взрывобезопасность. — 2010. — Т. 19, № 6. — С. 27-29.

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

5. ОднолькоА.А., Колодяжный С. А., СтарцеваН.А. Особенности тушения пожаров на различных объектах. — 2-е изд., перераб. и доп. — М. : ГОУВПО ВГАСУ, 2009. — 109 с.

6. Овсянников М. Ю., Родионов Е. Г. Частные решения уравнений интегрального метода описания пожара в помещении. Дымоудаление, линейное распространение горения по ТГМ. Критическая продолжительность пожара// Пожаровзрывобезопасность. — 2004.—Т. 13, № 5. — С. 81-85.

7. Однолько А. А., Ситников И. В. Проблемы применения математических моделей, определяющих время блокирования путей эвакуации опасными факторами пожара при расчете пожарного риска // Инженерные системы и сооружения: ВГАСУ. — 2010. — № 1(2). — С. 185-191.

8. Однолько А. А., Ситников И. В. Определение величины пожарного риска в производственном помещении с выделением горючих жидкостей и газов // Научный вестник ВГАСУ: Строительство и архитектура. — 2011. —№ 3. — С. 125-133.

9. Пузач С. В., Нгуен Тхань Хаи. О достоверности применения эмпирических формул расчета массового расхода системы дымоудаления при пожаре в атриуме // Пожаровзрывобезопасность. — 2009. — Т. 18, № 9. — С. 35-44.

10. ВасюковГ. В., Кожин П. А. Анализ исследований пожарной опасности водорода при нормальных условиях // Пожаровзрывобезопасность. — 2010. — Т. 19, № 7. — С. 4-21.

11. Пузач С. В., Фролов И. Е., Лебедченко О. С., Абакумов Е. С., Нгуен Тхань Хай. Сравнительный анализ методов расчета массовых расходов системы дымоудаления при пожаре в помещении // Пожаровзрывобезопасность. — 2008. — Т. 17, № 4. — С. 34-41.

12. Пузач С. В., Абакумов Е. С. Некоторые особенности термогазодинамической картины пожара в высоких помещениях // Пожаровзрывобезопасность. — 2010. — Т. 19, № 2. — С. 28-33.

13. Головинский П. А. Математические модели.—М.: Книжный дом "Либроком", 2012.—Ч. 1,240с.; Ч. 2, 232 с.

14. NIST Special Publication 1026. CFAST — Consolidated Model of Fire Growth and Smoke Transport (Version 6). Technical Reference Guide. —NIST, 2005. — 92 р.

15. NIST Special Publication 1018-5. Fire Dynamics Simulator (Version 5). Technical Reference Guide. Volume 1: Mathematical Model — NIST, 2008. — 86 p.

16. ВарнатцЮ. Горение. Физические и химические аспекты, моделирование, эксперименты, образование загрязняющих веществ / Пер. с англ. Г. Л. Агафонова.; под ред. П. А. Власова. — М. : Физматлит, 2003. — 352 с.

17. Батурин В. В. Основы промышленной вентиляции. — М. : Профиздат, 1990. — 448 с.

18. Chow W. K., Li Y. Z., Cui E., Huo R. Natural smoke filling in atrium with liquid pool fires up to 1. 6 MW // Building and Environment. — 2001. — Vol. 21, No. 36. — P. 121-127.

19. ФокинК. Ф. Строительная теплотехника ограждающих частей зданий. —М.: Стройиздат, 1973. — 287 с.

20. Chow W. K., Li Y.Z., Huo R. A simple two-layer zone model on mechanical exhaust in an atrium // Building and Environment. — 2005. — Vol. 40, No. 7. — P. 869-880.

Материал поступил в редакцию 11 октября 2013 г.

= English

INTEGRATED DYNAMICAL MODEL OF FIRE FOR UNSTABILIZED BURNING OF TOLUENE

SITNIKOV I. V., Postgraduate Student of Fire and Industrial Safety Department, Voronezh State University of Architecture and Civil Engineering (20-letiya Oktyabrya St., 84, Voronezh, 394006, Russian Federation; e-mail address: [email protected])

GOLOVINSKIY P. A., Doctor of Physical and Mathematical Sciences, Professor, Professor of Innovation and Building Physics Department, Voronezh State University of Architecture and Civil Engineering (20-letiya Oktyabrya St., 84, Voronezh, 394006, Russian Federation; e-mail address: [email protected])

ODNOLKO A. A., Candidate of Technical Sciences, Docent, Professor of Fire and Industrial Safety Department, Voronezh State University of Architecture and Civil Engineering (20-letiya Oktyabrya St., 84, Voronezh, 394006, Russian Federation; e-mail address: [email protected])

ABSTRACT

This article gives an analysis of the basic fire mathematical models: integral, zone and differential.

The advantages and disadvantages of these models were considered. It was developed fire

mathematical model, that determines the blocking escape routes of fire hazards in the workplace in terms of unsteady combustion mode of toluene. The analysis of additional equations and initial conditions of the fire model was carried out. Testing of a new fire model was carried out by numerical simulation experiments of exhaust mass flow smoke, temperature, partial densities of oxygen and carbon dioxide gas environment. Industrial building with circulation of toluene and three variants of the system smoke were used in the experiments. The analysis of the numerical experiment results has shown the possibility of selecting the optimum ventilation to improve the safe evacuation of people from the smoke area. The ways to further improve the model and its application were discussed.

Keywords: firerisk; modeling fire; burning; fire hazards; required the evacuation; smoke ventilation.

REFERENCES

1. International Association of Fire and Rescue Services. Available at: http://www.ctif.org (Accessed 9 September 2013).

2. Methods of determining the calculated values offire risk in buildings, structures and buildings of various classes offunctional fire hazard. Moscow, All-Russian Research Institute for Fire Protection of Emercom of Russia Publ., 2009. 71 p. (in Russian).

3. Korol'chenko A. Ya., Bushmanov S. A. Kolichestvennaya otsenka velichiny pozharnogo riska [A quantitative estimate of the magnitude of fire risk]. Pozharovzryvobezopasnost — Fire and Explosion Safety, 2010, vol. 19, no. 6, pp. 27-29.

4. Koshmarov Yu. A. Prognozirovaniye opasnykh faktorov pozhara v pomeshchenii [Prediction of fire hazards in the room]. Moscow, State Fire Academy of Emercom of Russia Publ., 2000. 118 p.

5. Odnolko A. A., Kolodyazhnyy S. A., StartsevaN. A. Osobennosti tusheniyapozharov na razlichnykh obyektakh. 2-e izd., pererab. i dop. [Features of fighting fires at various sites. 2nd ed.]. Moscow, Voronezh State University of Architecture and Civil Engineering Publ., 2009. 109 p.

6. Ovsyannikov M. Yu., Rodionov E. G. Chastnyye resheniya uravneniy integralnogo metoda opisaniya pozhara v pomeshchenii. Dymoudaleniye, lineynoye rasprostraneniye goreniya po TGM. Kritiche-skaya prodolzhitelnost pozhara [Private solutions of integral equations method of describing a fire in the room. Smoke removal, linear propagation of combustion by TGM. Critical duration of fire]. Pozharovzryvobezopasnost — Fire and Explosion Safety, 2004, vol. 13, no. 5, pp. 81-85.

7. Odnolko A. A., Sitnikov I. V. Problemy primeneniya matematicheskikh modeley opredelyayushchikh vremya blokirovaniya putey evakuatsii opasnymi faktorami pozhara pri raschete pozharnogo riska [Problems using mathematical models that determine the blocking time of evacuation routes hazards of fire in the calculation of fire risk]. Inzhenernyye sistemy i sooruzheniya. VGASU — Engineering Systems and Constructions, 2010, no. 1(2), pp. 185-191.

8. Odnolko A. A., Sitnikov I. V. Opredeleniye velichiny pozharnogo riska v proizvodstvennom pomeshchenii s vydeleniyem goryuchikh zhidkostey i gazov [Determination of the fire risk in the manufacturing premises-chamber release of flammable liquids and gases]. Nauchnyy vestnik VGASU: Stroitelstvo i arkhitektura — Scientific Bulletin. Construction and Architecture, 2011, no. 3, pp. 125-133.

9. Puzach S. V., Nguen Than Hai. O dostovernosti primeneniya empiricheskikh formul rascheta masso-vogo raskhoda sistemy dymoudaleniya pri pozhare v atriume [On the reliability of the use of empirical formulas for calculating mass flow of smoke in case of fire in the atrium]. Pozharovzryvobezopasnost

— Fire and Explosion Safety, 2009, vol. 18, no. 9, pp. 35-44.

10. VasyukovG. V.,KozhinP. A. Analizissledovaniypozharnoyopasnostivodorodaprinormalnykhuslo-viyakh [Analysis research fire hazard hydrogen under normal conditions]. Pozharovzryvobezopasnost

— Fire and Explosion Safety, 2010, vol. 19, no. 7, pp. 4-21.

11. Puzach S. V., Frolov I. E., Lebedchenko O. S., Abakumov E. S., Nguen Than Hai. Sravnitelnyy analiz metodov rascheta massovykh raskhodov sistemy dymoudaleniya pri pozhare v pomeshchenii [Comparative analysis of methods for calculating the mass flow of smoke in case of fire in the room]. Pozharovzryvobezopasnost — Fire and Explosion Safety, 2008, vol. 17, no. 4, pp. 34-41.

12. Puzach S. V., Abakumov E. S. Nekotoryye osobennosti termogazodinamicheskoy kartiny pozhara v vysokikh pomeshcheniyakh [Some features termogazodinamicheskih pictures of fire in high spaces]. Pozharovzryvobezopasnost — Fire and Explosion Safety, 2010, vol. 19, no. 2, pp. 28-33.

13. Golovinskiy P. A. Matematicheskiye modeli [Mathematical models]. Moscow, Librocom Publ., 2012. Part 1,240 p. Part 2, 232 p.

14. NIST Special Publication 1026. CFAST— Consolidated Model of Fire Growth and Smoke Transport (Version 6). Technical Reference Guide. NIST, 2005. 92 p.

15. NIST Special Publication 1018-5. Fire Dynamics Simulator (Version 5). Technical Reference Guide. Volume 1: Mathematical Model. NIST, 2008. 86 p.

16. Varnatts Yu. Physical and chemical aspects, modeling, experimentation, creation of pollutants, 2003. 352 p. (Rus. Ed.: Vlasov P. A., Agafonova G. L. Goreniye. Fizicheskiye i khimicheskiye aspecty, mode-lirovaniye, eksperimenty, obrazovaniyezagryaznyayushchikhveshchestv, FizmatlitPubl., 2003.352 p.).

17. Baturin V. V. Osnovy promyshlennoy ventilyatsii [Fundamentals of industrial ventilation]. Moscow, Profizdat, 1990. 448 p.

18. Chow W. K., Li Y. Z., Cui E., Huo R. Natural smoke filling in atrium with liquid pool fires up to 1.6 MW.

Building and Environment, 2001, vol. 21, no. 36, pp. 121-127.

19. Fokin K. F. Stroitelnaya teplotekhnika ograzhdayushchikh chastey zdaniy [Thermal engineering enclosing parts of buildings]. Moscow, Stroyizdat, 1973. 287 p.

20. Chow W. K., Li Y. Z., Huo R. A simple two-layer zone model on mechanical exhaust in an atrium. Building and Environment, 2005, vol. 40, no. 7, pp. 869-880.

Издательство «П0ЖНАУКА»

Л. П. Пилюгин ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ПОСЛЕДСТВИЙ ВНУТРЕННИХ АВАРИЙНЫХ ВЗРЫВОВ

Настоящая книга посвящена проблеме прогнозирования последствий внутренних взрывов газо-, паро- и пылевоздушных горючих смесей (ГС), образующихся при аварийных ситуациях на взрывоопасных производствах. В книге материал излагается применительно к дефлаграционным взрывам, которые обычно имеют место при горении ГС на этих производствах.

В качестве основных показателей при прогнозировании последствий аварийных взрывов ГС рассматриваются ожидаемый характер и объем разрушений строительных конструкций в здании (сооружении), в котором происходит аварийный взрыв.

Книга продолжает исследования автора в области проектирования зданий взрывоопасных производств и оценки надежности строительных конструкций (на основе метода преобразования рядов распределения случайных величин).

С использованием методов теории вероятностей разработаны методики: определения характеристик взрывной нагрузки как случайной величины; оценки вероятностей разрушения конструкций, характера и объема разрушений в здании при внутреннем аварийном взрыве. Приведенные методики сопровождаются примерами расчетов для зданий различных объемно-планировочных решений.

тел./факс: (495) 228-09-03; e-mail: [email protected]

Предлагает вашему вниманию

Г1Р°гнсцИрКга

■ Ж//

ft ц -¿Jrj

-v^-vi'V-,^.