CC BY
15Астахов П. В., Волков С. А.
КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОЖАРА НА СКЛАДАХ С ВЫСОТНЫМ СТЕЛЛАЖНЫМ ХРАНЕНИЕМ ПРИ ПОМОЩИ ПРОГРАММЫ «FIRE DYNAMICS SIMULATOR»
В статье проанализированы процессы тепло-массопереноса на складах с высотным стеллажным хранением, влияющие на работу средств пожарной автоматики. Описана разработка математической модели исследуемого склада с использованием программы «Fire Dynamics Simulator». Приемлемая соотносимость результатов математического моделирования и огневых натурных наблюдений позволяет говорить о возможности применения на практике математического и компьютерного моделирования.
Ключевые слова: пожар, склад, высотное стеллажное хранение, автоматическая установка пожаротушения, спринклерный ороситель, математическое моделирование.
Компьютерное моделирование процессов горения всё чаще используется в научных разработках, на стадии проектирования уникальных объектов, а также при расследовании пожаров. Развитие теории математического моделирования горения, а также увеличение вычислительной мощности компьютеров позволило существенно сократить требуемые ресурсы, а также повысить точность моделирования. Одной из областей применения результатов математического моделирования динамики пожара является прогнозирование алгоритмов работы средств пожарной автоматики (системы пожарной сигнализации, автоматические установки пожаротушения).
На сегодняшний день на территории Республики Беларусь большое внимание уделяется обеспечению защиты логистических центров с высотными стеллажными складами (высота складирования более 5,5 м) средствами пожарной автоматики [1]. Такие склады становятся ти-
повыми объектами хранения и распределения тарно-штучных грузов практически во всех отраслях народного хозяйства. В высотных стеллажных складах, в отличие от обычных, пожароопасные грузы размещаются вертикально, к тому же их объёмы, как правило, весьма значительны. В таких условиях пожар развивается чрезвычайно быстро и наносит большой материальный ущерб.
Исходя из зарубежного опыта в области проектирования автоматических установок пожаротушения для данных объектов, нами было рассмотрено два подхода к защите складов с высотным стеллажным хранением:
1) проектирование автоматических установок пожаротушения с размещением спринклерных оросителей только под покрытием здания [2];
2) проектирование автоматических установок пожаротушения с размещением спринклерных оросителей под покрытием здания и на различных уровнях по высоте стеллажей.
При проектировании автоматических установок пожаротушения с размещением спринклерных оросителей только под перекрытием существует ряд сложностей. Так, например, высота здания от пола до теплового замка оросителя достаточно большая и может достигать 14 метров, что значительно влияет на время срабатывания установки пожаротушения в случае возникновения пожара, а также обуславливает необходимость использования специальных оросителей, обеспечивающих подачу огнетушащего вещества к нижнему ярусу складируемых материалов.
Для обеспечения данных требований в мире применяют специальные оросители типа ESFR («Early Suppression Fast Response»). ESFR - это быстродействующие спринклеры с большой производительностью, предназначенные для тушения пожаров определённых классов пожарной опасности [2]. При их использовании необходимо учитывать одну особенность: в отличие от стандартных спринклеров они могут неправильно срабатывать при неверных проектных решениях или отклонениях от них. В связи с этим следует принимать в расчёт требования, предъявляемые к автоматическим установкам пожаротушения подобного рода. Анализ нормативной базы Республики Беларусь в области проектирования автоматических установок пожаротушения с использованием оросителей типа ESFR показал, что требования проектирования к таким установкам на территории нашего государства отсутствуют.
Для определения эффективности автоматических установок пожаротушения на складах с высотным стеллажным хранением с использованием оросителей типа ESFR только под покрытием здания специалисты Научно-исследовательского института пожарной безопасности и проблем чрезвычайных ситуаций МЧС Республики Беларусь провели исследования режимов работы подобной установки.
Одним из ключевых моментов исследования было обеспечение раннего срабатывания спринклерных оросителей, поскольку этот фактор влиял на дальнейшую эффективность автоматического пожаротушения. Скорость срабатывания оросителей зависит от многих факторов, таких как использование оросителей быстрого реагирования, схема их размещения и место возникновения очага возгорания.
Одновременно с проведением натурных исследований была разработана математическая модель исследуемого склада с использованием программы «Fire Dynamics Simulator» (FDS). fDS создана лабораторией строительных и пожарных иссле-
дований Национального института стандартов и технологии (США) в кооперации с научно-исследовательскими организациями других стран. Программа реализует вычислительную гидродинамическую СРО-модель тепломассопереноса при горении. Программа РОЭ численно решает уравнения Навье - Стокса для низкоскоростных температурно-зависимых потоков, позволяя получить картину распространения дыма и теплопередачи при пожаре. Математически модель представляет собой систему уравнений в частных производных, включающую уравнения сохранения массы, момента движения и энергии, которая решается по трёхмерной регулярной прямоугольной сетке. Тепловое излучение рассчитывается методом конечных объёмов на той же, что и для моделирования движения дыма, сетке [3].
Основные уравнения математической модели, реализуемой РОЭ, отражены в трудах Андерсона и др. [4]. Основной целью расчёта было определение следующих параметров:
- распределение температуры в помещении на начальном этапе возникновения пожара;
- время срабатывания первого спринклерного оросителя.
При проведении математического расчёта тепломассообмена на основании созданной модели задавались следующие основные параметры: сетка, на которой выполнялся расчёт, геометрия модели, поверхности и используемые материалы, источник пожара и выходные данные, которые нам необходимо было получить в результате расчёта. Для описания источника возгорания, поверхностей и применяемых материалов использовались справочники [5-7].
Моделирование в РОЭ позволило получить картину распределения тепловых потоков в моделируемом помещении на начальной стадии пожара. Результаты математического моделирования с использованием РОЭ были проанализированы
17 секунд с момента начала испытания
т
65 секунд с момента начала испытания, сработал спринклерный ороситель
126 секунд с момента начала испытания
Спустя 3 минуты 40 секунд с момента начала испытаний
Распределение тепловых потоков в помещении склада при проведении натурных исследований. Состояние пожарной нагрузки соседних стеллажей
и сопоставлены с результатами натурных испытаний (см. рисунок). Начало испытаний соответствует времени поджога очага возгорания. Изображения справа получены с помощью тепловизора.
Сравнение параметров температурного распределения, полученного расчётным путём, и температур, измеренных в ходе эксперимента, показывает, что результаты математического моделирования динамики опасных факторов пожара, описанные в данной статье, с приемлемой точностью соотносятся с экспериментальными данными. Это позволяет говорить об адекватности рассматриваемой математической модели в рамках данных исследований.
Таким образом, применение на практике математического и компьютерного
моделирования является менее трудоёмким, затратным и опасным по сравнению с огневыми натурными исследованиями. Использование на практике РОЭ позволит обеспечить количественное описание физико-химических явлений при пожаре, зависящих от источника зажигания, геометрии помещений и вида горящих материалов. Эти данные могут быть эффективно использованы для прогнозирования динамики возможного пожара на стадии проектирования объектов, оптимизации средств пожарной автоматики, восстановления картины пожара при проведении экспертизы, прогнозирования ущерба в зависимости от возможных сценариев развития пожара, для обобщения полученных ранее экспериментальных данных.
ЛИТЕРАТУРА
1. ТКП 45-2.02-190-2010. Пожарная автоматика зданий и сооружений. Строительные нормы проектирования.
2. VdS CEA 4001:2008-11. Sprinkler Systems: Planning and Installation.
3. McGrattan K. B, Hostikka S, Floyd J. E, Baum H. R., Rehm R. G. Fire Dynamics Simulator (Version 5), User's Guide // NIST Special Publication 1019-5. - National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg, Maryland, October 2007.
4. Anderson D. A, Tannehill J. C, Pletcher R. H. Computational Fluid Mechanics and Heat Transfer. - Hemisphere Publishing Corporation, Philadelphia, Pennsylvania, 1984.
5. James G. Quintiere Fundamentals of Fire Phenomena. - USA, John Wiley & Sons Ltd, 2006.
6. Кошмаров Ю. А. Прогнозирование опасных факторов пожара в помещении. - М., 2000.
7. ТР-5044. Пожарная нагрузка. Обзор зарубежных источников / Под ред. В. Ю. Грачёва. -Екатеринбург: СИТИС, 2009.
Astakhov P., Volkov S.
FIRE COMPUTER MODELLING IN WAREHOUSES WITH HIGH-RISE SHELF STORAGE BY USING THE PROGRAM
"FIRE DYNAMICS SIMULATOR"
Purpose. The purpose of this research is examining calculation methods and analysing the physical processes connected with heat-mass transfer in warehouses with high-rise shelf storage in order to optimize the placement of automatic firefighting equipment. The object of the research includes the process of heat conduction, convection and diffusion in fires at warehouses with high-rise shelf storage.
Methods. The methods of mathematical physics and field calculation method for heat-mass exchange estimation in a fire were applied to conduct mathematical modelling.
Findings. Modelling in the "Fire Dynamics Simulator" program gave a chance to get a distribution pattern of thermal streams in a room at the initial stage of a fire. The results of mathematical modelling of fire hazards dynamics with the acceptable accuracy correlate with the experimental data.
Research application field. The identified features of heat-mass exchange in a fire in warehouses with high-rise shelf storage can be used in designing automatic fire-protection installations as well as in developing regulatory basis for planning fire automatics systems.
Conclusions. Mathematical modelling methods application provides quantitative description of physical and chemical effects in a fire. These data can be efficiently used for dynamics prediction of a fire at the stage of objects planning, optimization of fire automatics facilities, fire scene reconstruction during expert investigation.
Key words: fire, warehouse, high-rise shelf storage, automatic fire protection installation, sprinkler, mathematical modelling.
REFERENCES
1. TKP 45-2.02-190-2010. Fire automatics of buildings and constructions. Building design regulations. Minsk, 2010. (in Russ.).
2. VdS CEA 4001:2008-11. Sprinkler systems: Planning and installation. Brussels, 2011.
3. McGrattan K., Hostikka S., Floyd J., Baum H., Rehm R. Fire Dynamics Simulator (Version 5), NIST Special Publication 1019-5, October 2007.
4. Anderson D., Tannehill J., Pletcher R. Computational fluid mechanics and heat transfer. Philadelphia, Hemisphere Publ. Corp., 1984.
5. Quintiere J. G. Fundamentals of fire phenomena. John Wiley & Sons Ltd, 2006.
6. Koshmarov Yu.A. Prognozirovanie opasnykh faktorov pozhara v pomeshchenii [Prediction of fire hazards in a room]. Moscow, Akademiia GPS MVD Rossii Publ., 2000. 118 p.
7. TR-5044. Fire load. Review of foreign sources. Ekaterinburg, 2009. (in Russ.).
Pavel Astakhov
SERGEi VOLKOV
Candidate of Physical and Mathematical Sciences, Associate Professor Gomel Engineering Institute of EMERCOM of Belarus, Gomel, Belarus
Research Institute of Fire Safety and Emergencies of EMERCOM of Belarus, Minsk, Belarus
