CC BY
104
© Ю.В. Соловьёв, В.А. Умнов, 2011
Ю.В. Соловьёв, В.А. Умнов
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ПОЖАРОВ В ТРАНСПОРТНЫХ ТОННЕЛЯХ
Приведен алгоритм моделирования распространения пожара в транспортном тоннеле. Сформулированы основные задачи, которые позволяет решить конечная готовая модель пожара.
Ключевые слова: транспортный тоннель, пожар, моделирование пожара.
~П современных условиях автомобильные дороги все чаще -Я-М размещают в подземном пространстве, а тоннельные сети становятся разветвленнее и многофункциональнее. За последние 30 лет в мире введено в эксплуатацию более 1100 км автодорожных тоннелей. В настоящее время реализуется около 650 проектов крупных тоннельных сооружений. Подземные дороги и в России, наиболее крупные из них: Лефортовский и Серебряноборский тоннели в Москве, Орловский тоннель в Санкт-Петербурге.
Интенсивное развитие тоннелестроения, требует и качественно нового подхода к безопасности при строительстве и эксплуатации тоннелей. Существенную опасность для транспортных тоннелей представляют пожары, последствия которых могут быть трагичны. Так, например, в 1999 г. в автодорожном тоннеле «Монблан» (Франция - Италия) в результате пожара погибли 39 человек, после чего тоннель был закрыт для проезда транспорта на три года. В октябре 2001 года произошел другой катастрофический пожар в тоннеле Сент-Готард (Швейцария), погибло 11 человек.
Анализ пожаров в тоннелях показывает, что их ликвидация требует огромных материальных затрат и вовлечения большого количества людей. Снижение затрат и потерь при пожарах требует тщательно разработанных технических, профилактических и организационных решений. Для этого необходима информация о процессах распространении пожаров. В этой связи предлагается использование современных технологий моделирования, с целью
дальнейшего анализа рисков возникающих в результате пожара в тоннеле.
Моделирование тепломассообмена при пожаре представляет собой сложную, в полном виде не решенную проблему [1]. Реальный пожар как неконтролируемое горение является сложным, до конца не изученным, нестационарным и трехмерным теплофизическим процессом, сопровождающимся изменением химического состава и параметров газовой среды помещения. Турбулентный конвективный и лучистый тепломассообмен в очаге горения с химическими реакциями, теплообмен между горячими газами и ограждающими конструкциями тоннеля и т.д. осложняются тепломассообменом с окружающей средой, работой систем механической приточно-вытяжной вентиляции и пожаротушения, что приводит к существенной неоднородности температурных, скоростных и концентрационных полей продуктов горения в объеме тоннеля.
О сложности и значимости решения такой задачи также говорит тот факт, что математическое моделирование турбулентного тепломассообмена в сложных термогазодинамических условиях вместе с другими задачами нелинейной физики входит в список, составленный Российской академией наук, тридцати особо важных и интересных проблем физики на ближайшие годы [2].
В действующей нормативно-технической базе проектирование систем пожаротушения, дымоудаления и механической вентиляции основано на упрощенных методах расчета тепломассообмена при пожаре. Не учитываются реальные условия пожара, такие как, реальный термогазодинамический режим пожара, теплофизические и химические свойства находящейся в помещении горючей нагрузки, геометрические размеры помещения, размеры и расположение проемов, параметры систем пожаротушения, дымоудаления и механической вентиляции и т.д.
Для определения условий безопасной эвакуации людей необходимым исходным показателем является время критической продолжительности пожара от начала возникновения горения до достижения величины хотя бы одного опасного фактора пожара ее критического для человека значения на уровне рабочей зоны [3]. Однако в российских стандартах безопасности для определения этого времени заложены упрощенные интегральные методы расчета тепломассообмена при пожаре. Использование методов расчета более высокого уровня (зонных и полевых) позволяет более надеж-
но определять величину критической продолжительности пожара, что в свою очередь дает возможность свести к минимуму влияние опасных факторов пожара для человека, а так же снизить экономический ущерб от пожара.
Конечная готовая модель пожара позволяет решить ряд актуальных задач, среди которых можно выделить следующие:
- прогнозирование наихудшего для безопасности людей вариант развития пожара;
- определения необходимого времени эвакуации людей;
- разработка рекомендаций по повышению пожарной безопасности объекта;
- проведение экспертизы объемно-планировочных и конструктивных решений;
- оптимизация затрат на системы противопожарной защиты.
Основными действиями для моделирования систем пожаротушения, дымоудаления и механической вентиляции при пожарах в транспортных тоннелях являются: сбор исходных данных, формирование сценариев развития пожара, учет параметров систем пожаротушения, дымоудаления и механической вентиляции, моделирование тепломассообмена при пожаре и прогрева ограждающих конструкций и анализ полученных результатов (рисунок).
Сбор исходных данных включает в себя выбор численных значений параметров, входящих в математическую модель, таких как, объемно-планировочные решения объекта, проектноконструкторская документация несущих и ограждающих строительных конструкций объекта, размещение вида и количества горючей нагрузки.
Формирование сценариев развития пожара в конечном счете сводится к определению наиболее неблагоприятного варианта его развития, при котором необходимое время эвакуации людей из помещений стоянки легковых автомобилей является минимальным, а прогрев строительных конструкций помещений стоянки легковых автомобилей является наиболее интенсивным.
Алгоритм моделирования распространения пожара в транспортном тоннеле
Для проведения оптимизационных расчетов задаются различные возможные варианты параметров систем пожаротушения, дымоудаления и механической вентиляции (массовые расходы и координаты устройств для подачи огнетушащего вещества, массовые расходы и координаты отверстий (дымовых люков и дымовых клапанов) системы дымоудаления, массовые расходы и координаты отверстий системы механической вентиляции.
Моделирование тепломассообмена при пожаре в тоннеле и прогрева конструкций по разработанной модели проводится с использованием персонального компьютера. Моделирование производится из условий достижения одной из ниже перечисленных ситуаций:
- достижение строительной конструкцией предельного состояния по огнестойкости (потеря несущей способности, потеря теплоизолирующей способности или потеря целостности);
- полное выгорание горючей нагрузки;
- недостаток кислорода, при котором прекращается горение;
- прекращение горения в результате применения средств пожаротушения.
Анализ результатов модели проводится исходя из рассмотрения следующих параметров: трехмерных полей температур внутри тоннеля, несущих и ограждающих конструкций, массовых концен-
траций кислорода и токсичных компонентов (окись и двуокись углерода), а также величин дальности видимости внутри тоннеля в различные моменты времени.
Таким образом, в условиях интенсивного строительства транспортных тоннелей стоит задача максимального увеличения их безопасности при минимальных экономических затратах. Одним из способов осуществления данной задачи может служить моделирование чрезвычайных ситуаций в транспортных тоннелях, в нашем случае это моделирование пожаров.
------------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.Пузач С.В. Математическое моделирование газодинамики и тепломассообмена при решении задач пожаровзрывобезопасности. М., Академия ГПС МЧС России, 2003;
2.Гинзбург В.Л. Успехи физических наук, 1999. Т. 169, № 4;
3.Кошмаров Ю.А. Прогнозирование опасных факторов пожара в помещении: Учебное пособие. М., Академия ГПС, 2000.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ ---------------------------
Умнов В.А. - профессор, доктор экономических наук, Соловьёв Ю.В. - аспирант кафедры БЖГО, Московский государственный горный университет, Moscow State Mining University, Russia, ud@msmu.ru
