CC BY
102
19. Boev V.M., Kuksanov V.F., Bystryh V.V. Himicheskie kancerogeny sredy obitanija i zlokachestvennye novoobrazovanija. M., 2002. 344 s.
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ / ENGENEERING
Александренко М.В.1, Акулова М.В.2, Ибрагимов А.М.3
1 Студент, 2доктор технических наук, Советник РААСН,3 доктор технических наук, Советник РААСН,
Ивановский государственный политехнический университет МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОЖАРА
Аннотация
В статье рассмотрено - виды математических моделей пожара и их область применения. Математическое моделирование позволяет спрогнозировать динамику пожара в помещениях зданий различного назначения, а следовательно позволяет вывести исследование пожарной опасности объектов на качественно новый этап развития, обеспечить переход от сравнительных методов к прогнозным, учитывающим условия эксплуатации объекта.
Ключевые слова: математическая модель, пожар.
Alexandrenko M.V.1, Akulova M.V.2, Ibragimov A.M.3
1Student, 2Doctor of Technical Sciences, Advisor RAASN, 3Doctor of Technical Sciences, Advisor RAASN,
Ivanovo State Polytechnic University MATHEMATICAL MODELLING OF THE FIRE
Abstract
The article considers types of mathematical models of the fire and their scope. Mathematical modeling allows to predict dynamics of the fire in rooms of buildings of different function and consequently allows to bring research offire danger of objects to qualitatively new stage of development, to provide transition from comparative methods to expected, considering object service conditions.
Keywords: mathematical model, fire.
Моделирование представляет собой метод исследования свойств одного объекта посредством изучения свойств другого объекта, более удобного для исследования и находящегося в определенном соответствии с первым объектом. То есть при моделировании экспериментируют не с самим объектом, а с его заменителем, который называют моделью [1].
Моделирование пожара в помещениях основано на представлении пожара как физического явления передачи тепла и массы в соответствующих условиях его развития. Условия развития пожара характеризуются видом пожарной нагрузки и конструктивно-планировочными характеристиками здания (помещения).
По типу математического аппарата различают следующие модели: детерминированные; вероятностные; смешанные (детерминированные - вероятностные); имитационные.
Наиболее эффективным инструментом прогноза и изучения пожаров являются детерминированные математические модели.
Наряду с детерминированным моделированием следует отметить и вероятностные оценки распространения пожара на основе статистической обработки данных по реальным пожарам.
Приведём краткую характеристику каждой из моделей.
1. Детерминированные математические модели
Все многообразие детерминированных математических моделей развития пожара в помещениях (внутренние пожары) можно разделить на три группы:
-интегральные (модели первого поколения);
-зонные (модели второго поколения);
-полевые (CFD) (модели третьего поколения).
1.1. Интегральные математические модели
Интегральный (однозонный) метод является наиболее простым методом моделирования пожаров. Суть интегрального метода заключается в том, что состояние газовой среды оценивается через осредненные по всему объему помещения термодинамические параметры. Соответственно температура ограждающих конструкций и другие подобные параметры оцениваются как осредненные по поверхности. На основе интегрального метода были разработаны, в частности, рекомендации [2].
Область применения интегрального метода, в которой предсказанные моделью параметры пожара можно интерпретировать как реальные, практически ограничивается объемными пожарами, когда из-за интенсивного перемешивания газовой среды локальные значения параметров в любой точке близки к среднеобъемным. За пределами возможностей интегрального метода оказывается моделирование пожаров, не достигших стадии объемного горения, и особенно моделирование процессов, определяющих пожарную опасность при локальном пожаре. Наконец, в ряде случаев даже при объемном пожаре распределением локальных значений параметров пренебрегать нельзя.
1.2. Зонные математические модели
Развитие пожара можно описать достаточно детально с помощью зонных (зональных) моделей, основанных на предположении о формировании в помещении двух слоев: верхнего слоя продуктов горения (задымленная зона) и нижнего слоя невозмущенного воздуха (свободная зона). Таким образом, состояние газовой среды в зональных моделях оценивается через осредненные термодинамические параметры не одной, а нескольких зон, причем межзонные границы обычно считаются подвижными.
Однако при создании зонных моделей необходимо делать большое количество упрощений и допущений, основанных на априорных предположениях о структуре потока. Такая методика не применима в тех случаях, когда отсутствует полученная из пожарных экспериментов информация об этой структуре и, следовательно, нет основы для зонного моделирования. Кроме того, часто требуется более подробная информация о пожаре, чем осредненные по слою (зоне) значения параметров.
1.3. Полевые математические модели
Полевые модели, обозначаемые в зарубежной литературе аббревиатурой CFD (computational fluid dynamics), являются более мощным и универсальным инструментом, чем зональные; они основываются на совершенно ином принципе. Вместо одной или нескольких больших зон в полевых моделях выделяется большое количество (обычно тысячи или десятки тысяч) маленьких контрольных объемов, никак не связанных с предполагаемой структурой потока. Для каждого из этих объемов с помощью численных методов решается система уравнений в частных производных, выражающих принципы локального сохранения массы, импульса, энергии и масс компонентов. Таким образом, динамика развития процессов определяется не априорными предположениями, а исключительно результатами расчета[3].
Естественно, что такие модели, по сравнению с интегральными и зональными, требуют значительно больших вычислительных ресурсов. Однако в последние двадцать лет, в связи с быстрым развитием компьютерной техники, полевые модели из чисто академической концепции превратились в важный практический инструмент.
28
В настоящее время создан целый ряд компьютерных программ, реализующих полевой метод моделирования, которые достаточно точно описывают поля скоростей, температур и концентраций на начальной стадии пожара.
2. Вероятностные математические модели
Вероятностная модель - модель, которая в отличие от детерминированной модели содержит случайные элементы. Таким образом, при задании на входе модели некоторой совокупности значений, на ее выходе могут получаться различающиеся между собой результаты в зависимости от действия случайного фактора.
С помощью вероятностного моделирования и программ вероятностного анализа безопасности возможно подсчитать вероятность риска пожаров с учетом человеческого фактора, определять приоритетные направления уменьшения величины риска пожаров. Представляется возможным учесть все важные причины пожаров и факторы, которые оказывают содействие распространению или усложняют тушение пожара, и, путем создания и изучения модели, выявлять дефициты пожарной безопасности по аналогии с моделированием безопасности сложных систем.
3. Смешанные (детерминированные - вероятностные) математические модели
В последнее время в безопасности жизнедеятельности все шире стали применять детерминировано-вероятностные модели катастроф, а также комплексный физико-математический метод исследования катастроф с использованием современной компьютерной техники и оригинальных лабораторных установок. Детерминированно-вероятностная модель прогноза пожаров учитывает сценарий совместного появления антропогенной нагрузки и грозовой активности, метеорологические условия.
4. Имитационные математические модели
Имитационное моделирование представляет интерес в исследовании сложных систем при априорной неопределенности. В модели может быть задано вероятное протекание пожара, вероятные законы распределения и распространения тепловых потоков, имитируется процесс работы конструкций.
Моделирование пожара в помещении и оценка его воздействия на строительные конструкции состоит из следующих основных этапов:
-анализ конструктивно-планировочных характеристик помещения;
-определение вида, количества и размещения пожарной нагрузки;
-определение вида возможного пожара и его базовых параметров;
-выбор метода расчета и проведение расчета, оценка вероятностных характеристик пожара;
-анализ огнестойкости конструкций, определение эквивалентной продолжительности стандартного испытания.
Заключение
Математическое моделирование позволяет спрогнозировать динамику пожара в помещениях зданий различного назначения, а следовательно позволяет вывести исследование пожарной опасности объектов на качественно новый этап развития, обеспечить переход от сравнительных методов к прогнозным, учитывающим условия эксплуатации объекта. Это можно считать ещё одним шагом на пути решения проблемы обеспечения пожарной безопасности здания или сооружения в целом, и строительных конструкций в частности.
Литература
1. Клуб студентов «Технарь». Конспекты по математическим моделям [Электронный курс] URL: http://www.c-stud.ru (дата обращения 10.03.2015)
2. Расчет необходимого времени эвакуации людей из помещений при пожаре: Рекомендации. - М.: ВНИИПО МВД СССР, 1989. - 22 с.
3. Методические рекомендации «Применение полевого метода математического моделирования пожара в помещениях.
4. ГОСТ 12.1.004-91* Пожарная безопасность. Общие требования.
5. СНиП 21-01-97* Пожарная безопасность зданий и сооружений.
References
1. Club of students "Technician". Abstracts on mathematical models [An electronic course] of URL: http://www.c-stud.ru (date of the address 10.03.2015)
2. Calculation of necessary time of evacuation of people from rooms at the fire: Recommendations. - M.: VNIIPO MVD USSR, 1989. -
22 s.
3. Methodical recommendations "Application of a field method of mathematical modeling of the fire in rooms.
4. GOST 12.1.004-91 * Fire safety. General requirements.
5. SNiP 21-01-97 * Fire safety of buildings and constructions.
Александренко М.В.1, Акулова М.В.2, Ибрагимов А.М.3
'Студент, 2доктор технических наук, Советник РААСН,3 Доктор технических наук, Советник РААСН,
Ивановский государственный политехнический университет СИЛИКАТНЫЙ КИРПИЧ В УСЛОВИЯХ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ
Аннотация
В статье рассмотрено - проведение и анализ эксперимента по определению минимальной температуры нагрева силикатного кирпича, чтобы после резкого охлаждения в воде нарушалась его целостность и в теле кирпича появились трещины. Потребность в глубоком исследовании влияния высокотемпературных воздействиях на конструкции из силикатного кирпича вызвана необходимостью в более точном прогнозировании состояния конструкций из силикатного кирпича после пожара, а так же в прогнозировании дальнейшей эксплуатации конструкций.
Ключевые слова: силикатный кирпич, пожар, термостойкость.
Alexandrenko M.V.1, Akulova M.V.2, Ibragimov A.M.3
'Student, 2Doctor of Technical Sciences, Advisor RAASN, 3Doctor of Technical Sciences, Advisor RAASN, Ivanovo State Polytechnic
University
SILICATE BRICK IN THE CONDITIONS OF HIGH-TEMPERATURE INFLUENCES
Abstract
The article considers carrying out and the analysis of experiment by determination of the minimum temperature of heating of a silicate brick that after sharp cooling in water its integrity was broken and in a body of a brick there were cracks. The need for in-depth study of influence high-temperature impacts on designs from a silicate brick is caused by need for more exact forecasting of a condition of designs from a silicate brick after the fire, and also in forecasting offurther operation of designs.
Keywords: silicate brick, fire, thermal stability.
29
