CC BY
55
Пожарная безопасность зданий, сооружений, объектов
УДК 614.841.33
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОЖАРОВ В ЖИЛЫХ ЗДАНИЯХ
Тхань Корольченко
Ми Зуй Александр Яковлевич
Ми Зуй Тхань
аспирант кафедры пожарной безопасности Московского государственного строительного университета
А. Я. Корольченко
доктор технических наук,профессор, академик МАНЭБ, заведующий кафедрой пожарной безопасности Московского государственного строительного университета, директор Института инженерной безопасности в строительстве
Представлены результаты моделирования и расчетов опасных факторов пожара в типовых жилых зданиях с использованием программного комплекса FDS (Fire Dynamics Simulator). Приведены сценарии развития пожара в двух-, трех- и четырехкомнатных квартирах с учетом места нахождения очага пожара и пожарной нагрузки. Определено безопасное время нахождения людей в квартире с момента начала пожара. Результаты расчетов температурного режима при различных сценариях развития пожара в квартирах могут быть использованы для определения требуемого предела огнестойкости ограждающих конструкций.
Оценка уровня пожарной безопасности жилого сектора является весьма актуальной и имеющей большое практическое значение. Среди научных исследований в данной области наиболее перспективным представляется изучение опасных факторов пожара (ОФП) на основе принципов математического моделирования возникновения и развития пожара, среди которых, в свою очередь, наиболее надежными и информативными являются методы полевого моделирования CFD (Computational Fluid Dynamics).
В данной статье представлены результаты расчетов, проведенных с использованием программного комплекса FDS (Fire Dynamics Simulator) [1, 2]. Расчеты были осуществлены с целью исследования влияния величины горючей нагрузки и размеров вентиляционных проемов на пожар в типовых квартирах при различных сценариях его возникновения и развития, в частности на значения скорости тепловыделения, среднеобъемной температуры и концентрации образующихся токсичных газов.
Полевая (СРВ) модель программного комплекса РВ5
— программный комплекс, разработанный для СББ моделирования развития пожаров в замкнутых пространствах. С помощью РББ возможно рассчитывать плотность газа, скорости потоков, температуру, давление и концентрацию образующихся при горении веществ в каждом элементарном контрольном объеме, заданном в расчетной области.
ЕББ требует следующих входных параметров: геометрии моделируемого объема, размера вычислительной сетки, задания местоположения источника зажигания, типа и величины горючей нагрузки, теплофизических свойств материалов, из которых выполнены ограждающие конструкции, положений и размеров вентиляционных отверстий.
Программный комплекс РББ позволяет вычислять температуру, плотность, давление, скорость и химический состав в пределах каждого численного контрольного объема в каждом дискретном временном шаге. Кроме того, ЕББ вычисляет температуру на поверхности, падающий тепловой поток, массо-
вую скорость выгорания и различные другие величины твердых материалов. Типичные выходные данные для газовой фазы включают:
• температуру газа;
• скорость газового потока;
• концентрацию компонентов газовой смеси (пар, С02, СО, К2);
• оптическую концентрацию дыма и расстояние видимости;
• давление;
• скорость тепловыделения в единице объема;
• долю компонента газовой смеси;
• плотность газа;
• массу воды в единице объема.
В модели дополнительные величины, которые получены на основе соответствия баланса энергии между газовой средой и твердой фазой применительно к твердым материалам, тоже прогнозируются:
• температура на поверхности и внутри материала;
• падающий радиационный и конвективный потоки;
• скорость выгорания.
0бобщенные величины, зарегистрированные в соответствии с программным комплексом ББ8, включают:
• суммарную скорость тепловыделения;
• время активации детектора и спринклера;
• массовой и тепловой потоки через проемы.
Условия моделирования пожара в исследуемых квартирах
Пожар в рассматриваемых квартирах моделируется с учетом их фактических размеров. Располо-
жение горючей нагрузки в исследуемых помещениях представлено на рис. 1. Характеристика пожарной опасности материалов принимается по значениям, приведенным в работе [3].
Горючая нагрузка была обследована по детерминистической оценке во всех квартирах рассматриваемого здания. Средняя горючая нагрузка показана в табл. 1.
Несущие конструкции здания — железобетонные с применением бетона на известняковом щебне плотностью 2250 кг/м3. Высота квартир — 2,8 м. Каждая квартира состоит из железобетонных перекрытий и полов, толщина которых составляет 0,2 м. Стены выполнены из красного кирпича на цемент-но-песчаном растворе. Толщина наружных стен квартир — 0,22 м, внутренних — 0,11м. При моделировании пожара в здании теплофизические свой-
Таблица 1. Средняя горючая нагрузка в жилых помещениях здания
№ спальни Средняя горючая нагрузка, МДж/м2
Квартира в спальне в общей комнате в квартире
Двух- 1 423 398 407
комнатная
Трехкомнатная 1 500 368 431
2 523
1 499
Четырехкомнатная 2 570 416 470
3 476
Таблица 2. Теплофизические характеристики некоторых материалов, использованных в строительных конструкциях здания [6]
Материал Средняя плотность (в сухом состоянии), кг/м3 Коэффициент теплопроводности, Вт/(м ■ К) Удельная теплоемкость, Дж/(кг ■ К) Степень черноты
Кирпич глиняный обыкновенный 1580 0,34 + 0,00017? 710 + 0,42? 0,94
Тяжелый бетон на известняковом 2250 1,14 - 0,00055? 710 + 0,83? 0,625
заполнителе
Цементно-песчаная штукатурка 1930 0,62 + 0,00033? 770 + 0,63? 0,867
Примечание: ? — температура, °С.
Таблица 3. Теплофизические характеристики материалов, используемые при моделировании пожара в помещении
Материал Т оС АЯс, кДж/кг , кДж/кг р, кг/м3 С, кДж/(кг ■ К) к, Вт/(м ■ К) с8р, (кДж ■ с)2/(м ■ К) Ж, % mmax, кг/(м2 ■ с)
0бивочный 280 30,5 1,2 28 2,05 - 0,067
Деревянный 360 15,8 3,9 440 1,36 4,5 12 0,047
Пластмасса 370 39,7 1,7 1050 4,05 - 0,034
Ковровый 290 29,7 2 750 6,07 - 0,014
Примечание: Т ^ — температура воспламенения; АИС — теплота сгорания; Ьу — теплота газификации; р — плотность; С—теплоемкость; к—теплопроводность; с5р — тепловая инерция; Ж— влажность; ттах —максимальная скорость выгорания.
Рис. 1. Расположение обстановки в плане двух- (а), трех- (б) и четырехкомнатной (в) квартир
13200
13200
Таблица 4. Размеры оконных и дверных проемов
Квартира Комната а Размер проема, м Суммарная площадь проемов, м2
о ^ ц с С с окно дверь
Двух- комнатная Спальня 15,3 1,4x1,2 0,8x2,1 3,36
Общая комната 28,05 1,2x1,2 0,9x2,1 0,8x2,1 0,8x2,1 6,69
Спальня №1 16,72 1,4x1,2 0,8x2,1 0,7x2,1 4,83
Трех-комнатная Спальня №2 15 1,4x1,2 0,8x2,1 3,36
Общая комната 40,2 0,9x2,1 0,8x2,1 0,8x2,1 0,8x2,1 6,93
Спальня №1 13,66 1,4x1,2 0,8x2,1 3,36
Спальня №2 17,31 1,4x1,2 1,4x1,2 0,8x2,1 5,04
Четырех-комнат- Спальня №3 16,07 1,4x1,2 0,8x2,1 3,36
0,9x2,1 8,61
0,8x2,1
0,8x2,1
0,8x2,1
0,8x2,1
ства железобетонных и кирпичных конструкций принимались по данным работ [4 - 6] и табл. 2, 3.
Данные о размерах дверных и оконных проемов приведены в табл. 4.
При расчетах температурного режима пожара предполагалось, что разрушение остекления окон происходит в момент, когда температура у верха оконных рам достигает 300°С.
Сценарии развития пожара
На условия развития пожара в квартирах различных типов могут оказывать влияние такие факторы, как место возникновения пожара и положение внутриквартирных дверей (открытое или закрытое). С целью определения влияния указанных факторов на температурный режим пожара были исследованы все возможные сценарии развития пожара при различных положениях внутри-квартирных дверей. Эти сценарии перечислены в табл. 5-7.
Входные двери квартиры во все время развития пожара предполагались закрытыми. Все двери, которые не представлены в табл. 5-7, предполагались открытыми.
Таблица 5. Сценарии вентиляции при пожаре в двухкомнатной квартире
Сценарий Дверь спальни Местоположение источника пожара
1 Закрыта В спальне
2 Открыта В спальне
3 Открыта В общей комнате
Таблица 6. Сценарии вентиляции при пожаре в трехкомнатной квартире
Сценарий Дверь спальни Местоположение
№1 №2 источника пожара
4 Закрыта - В спальне №1
5 Открыта Открыта В спальне №1
6 - Закрыта В спальне №2
7 Открыта Открыта В спальне №2
8 Открыта Открыта В общей комнате
Примечание: здесь и в табл. 7 прочерк означает, что дверь не устанавливается.
Таблица 7. Сценарии вентиляции при пожаре в четырехкомнатной квартире
Сце- Дверь спальни Местоположение
нарий №1 №2 №3 источника пожара
9 Открыта Открыта Открыта В спальне №1
10 - Закрыта - В спальне №2
11 Открыта Открыта Открыта В спальне №2
12 Открыта Открыта Открыта В спальне №3
13 Открыта Открыта Открыта В общей комнате
Определение размеров вычислительной сетки
Одним из наиболее значительных параметров, влияющих на время расчетов, является размер вычислительной сетки. Этот параметр имеет важное значение для определения соответствующего контрольного объема, который оптимизирует точность и время решения. Размер соответствующей сетки моделирования пожара определялся безразмерным параметром по формуле [7]:
Я * = шах(дх, ду, дг )/в * . (1)
Значение Я* приводит к оптимальному решению при величине, равной 0,07 м [8]. Характеристический диаметр пожара В* представляет комбинированный эффект средних параметров и размера пожара и определяется следующим образом:
В * = б/(р„ерГ^)2/5, (2)
где б—максимальная скорость тепловыделения, кВт;
Общая 41,5 комната
ная
рю — плотность среды при Тж (1,2), кг/м3; ср — теплоемкость газа (1,0), кДж/(кг • К); Тх — температура окружающей среды, равная 298 К;
g—ускорение свободного падения, g = 9,8 м/с2. При скорости тепловыделения 6412 кВт значение В*, вычисленное по формуле (2), равно 2. Оптимальный размер вычислительной сетки для моделирования составляет 0,14 м (шах(дх, ду, дг) = = Я*В* = 0,07 2,0 = 0,14), а размер всех контрольных объемов принимается равным 0,14x0,14x0,14 м.
Результаты моделирования температурного режима пожара
При реализации математической модели в расчетной области использовался контрольный объем размером 0,14x0,14x0,14 м. Источник пожара располагался на полу, имел начальный размер
0,28x0,28 м и скорость тепловыделения 150 кВт. Местоположение источника выбиралось в зависимости от сценариев вентиляции при пожаре (см. табл. 5 - 7).
Иллюстрации некоторых сценариев развития пожара показаны на рис. 2.
Выходными данными, полученными по каждому сценарию развития пожара, являются:
• скорость тепловыделения пожара;
• температура газа в точках, расположенных на расстоянии 0,1 м от перекрытия, стены и двери (на высоте 2,6 м от пола для стен, перекрытий и на высоте 1,9 м — для входной двери);
• концентрация газовой среды в общей комнате квартиры на уровне 1,5 м от пола. Расчетные значения скорости тепловыделения
при пожарах в квартирах и величины температур припотолочного слоя показаны на рис. 3 и 4.
10000 9000 8000 7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0
500
1000
1500
2000 Время, с
2500
3000
3500
4000
14000
12000
10000
8000
6000
4000
2000
500
1000
1500
2000 Время, с
2500
3000
3500
Сценарий 4 Сценарий 5 Сценарий 6 Сценарий 7 Сценарий 8
4000
13000 12000 11000 10000 9000 8000 7000 6000
5000
4000
3000
2000
1000
0 0
500
1000
1500
2000 Время, с
2500
_ 1 —Ж— Сценарий 9 —■— Сценарий 10 —■— Сценарий 11 —А— Сценарий 12 —Н— Сценарий 13
н ■
т
3000
3500
4000
Рис. 3. Расчетная скорость тепловыделения при пожаре в двух- (а), трех- (б) и четырехкомнатной (в) квартирах
а
0
б
0
0
в
С
о Й
ур
ута р
С
О
ура ут
1200 1100 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0
1200 1100 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0
С
а р
ер п
1400 1300 1200 1100 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0
- Стандартный
*— Сценарий 1 в спальне Ш— Сценарий 2 в спальне — Сценарий 3 в общей комнате
500
1000
1500
2000 Время, с
2500
3000
3500
4000 6
Стандартный Сценарий 5 в спальне №1 Сценарий 7 в спальне №2 Сценарий 8 в общей комнате
Сценарий 4 в спальне №1 Сценарий 6 в спальне №2 Сценарий 8 в спальне №1
500
1000
1500
2000 Время, с
2500
3000
3500
4000
- Стандартный
ч— Сценарий 10 в спальне №2 -■— Сценарий 12 в спальне №3
Сценарий 9 в спальне №1 Сценарий 11 в спальне №2 Сценарий 13 в общей комнате
500
1000
1500
2000 Время, с
2500
3000
3500
4000
Рис. 4. Температура припотолочного нагретого слоя при пожаре в двух- (а), трех- (б) и четырехкомнатной (в) квартирах
а
0
0
в
0
2
и а
с<
о
о
к
к
я я
й &
н я со я я
£
0,32 0,30 0,28 0,26 0,24 0,22 0,20 0,18 0,16 0,14 0,12 0,10 0,08 0,06 0,04 0,02 0
5000
4500
4000
3500
3000
2500
2000
1500
200 250
Время, с
450
а
Ч
с
О
О
я
я я
й
р
н я
е я я
£
1000
500
--Концентрация О2 по сценарию 2
-•— Концентрация О2 по сценарию 5 —— Концентрация О2 по сценарию 11
Концентрация СО2 по сценарию 2 Концентрация СО2 по сценарию 5 Концентрация СО2 по сценарию 11
—■— Концентрация СО по сценарию 2 —^— Концентрация СО по сценарию 5 ~ Концентрация СО по сценарию 11
Рис. 5. Концентрации СО2, СО и О2 в общей комнате при развитии пожара по сценариям 2, 5 и 11
При рассмотрении воздействия ОФП на людей используются так называемые предельно допустимые значения параметров состояния среды в зоне
Таблица 8. Результаты расчетов скорости и температурного режима пожара
тепловыделения
Сценарий Максимальная Максимальная
Квартира развития скорость тепло- температура
пожара выделения, кВт при пожаре, °С
1 2450 621
Однокомнатная 2 5320 1095
3 9152 1186
4 10954 1125
5 11150 1192
Двухкомнатная 6 2350 545
7 4340 1045
8 12230 1174
9 6105 1072
10 5720 1118
Трехкомнатная 11 12756 1305
12 5015 1103
13 5268 425
пребывания людей. Предельно допустимые значения ОФП [9] получены в результате обширных медико-биологических исследований, в процессе которых установлен характер воздействия ОФП на людей в зависимости от значений их количественных характеристик. Сравнение предельно допустимых значений газовой среды с концентрацией образующихся токсичных газов приведено на рис. 5. Результаты сравнения показывают, что жители могут оставаться в квартире в течение не более 250 с после момента возникновения пожара.
Расчетные температурные режимы при пожаре в квартирах свидетельствуют, что продолжительность начальной стадии пожара составляет примерно 400 с, а время развития пожара достигает 2500 с.
Результаты расчетов скорости тепловыделения и температурного режима пожара при различных сценариях развития представлены в табл. 8.
Выводы
Методом математического моделирования с использованием программного комплекса исследована динамика развития пожара в жилых помещениях.
0
При закрытой входной двери квартиры время развития пожара в ней достигает 2500 с, в большинстве пожаров максимальная температура изменяется в диапазоне от 1000 до 1100°С. Время образования опасных концентраций токсичных газов находится в интервале от 250 до 310 с.
Результаты расчетов температурного режима пожара при различных сценариях развития в квартирах могут использоваться для вычисления требуемого предела огнестойкости ограждающих конструкций при условии нераспространения пожара на другие квартиры.
ЛИТЕРАТУРА
1. McGrattan Kevin В., Baum Howard R., Rehm Ronald G., Hamins Anthony, Forney Glenn P., Floyd Jason E., Hostikka Simo, Prasad Kuldeep. Fire Dynamics Simulator: Technical Reference Guide. — National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg, MD., NISTIR 6783, 2002.
2. McGrattan Kevin B. Fire Dynamics Simulator (Version 4): Technical Reference Guide. — National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg, MD., NISTIR 1018, January 2004.
3. Ми Зуи Тхань. Горючая нагрузка в современных жилых помещениях // Пожаровзрывобез-опасность. — 2005. — Т. 14, № 4. — С. 30 - 37.
4. Fam N. D., Fam D. N., Lyong M. Vat lyxay dung / Nhiet va khi hau — phan 1. Nhaxuat ban xay dung. 1981. T. 233.
5. Dariel Gross. Data sources for parameters used in predictive modeling of growth and smoke spread. NBSIR 85-3223. — National Bureau of Standards National Engineering Laboratory Center for Fire Research Gaithersburg, MD. 20899, 1985.
6. Демехин В. H., Мосалков И. Л., Плюснина Г. Ф., Серков Б. Б., Фролов А. Ю., Шурин Е. Т. Здания, сооружения и ихустойчивость при пожаре. — М.: АГПС, 2003. — С. 648.
7. Ma T. G., Quintiere J. G. Numerical simulation of axi-symmetric fire plumes: accuracy and limitations // Fire Safety Journal. — 2003. — № 38. — P. 467 - 492.
8. Bounagui A., Benichou N., McCartney C., Kashef A. Optimizing the Grid Size Used in CFD Simulations to Evaluate Fire Safety in Houses // 3rd NRC CFD Symposium on Computational Fluid Dynamics, High Performance Computing and Virtual Reality, Ottawa, December 4, 2003.
9. ГОСТ 12.1.004-91. Пожарная безопасность. Общиетребования.
Поступила в редакцию 05.08.05.
