Применение математического моделирования для оценки эффективности работы систем противодымной защиты при пожаре

Аннотация. Система противодымной вентиляции является одной из основных систем противопожарной защиты зданий и сооружений, действие которой предусматривается для обеспечения безопасной эвакуации людей из помещений, с этажа или из здания, либо для создания необходимых условий работы пожарно-спасательных подразделений при пожаре.

В статье рассматриваются результаты исследований эффективности систем дымоудаления. Анализируются существующие методы и математические модели для моделирования пожаров. Описывается наиболее эффективный метод математического моделирования систем дымоудаления на основе методов вычислительной газодинамики (CFD). Приведен расчет оценки эффективности систем противодымной вентиляции с использованием математического моделирования развития пожара. Полученные результаты исследования позволяют сделать выводы об эффективности математических методов, используемых при моделировании систем противодымной вентиляции. Проведенное исследование демонстрирует широкие возможности и гибкий подход к моделированию развития пожаров, включая учет дымоудаления и систем естественной вентиляции.

Введение

Как известно, существует несколько основных математических моделей для моделирования пожара, утвержденных в установленном порядке: интегральная, зонная, полевая [1].

Интегральная модель пожара позволяет получить данные о средних значениях параметров воздушной среды при пожаре в помещении. Суть интегрального метода заключается в том, что состояние газовой среды оценивается через осредненные по всему объему помещения термодинамические параметры.

Зонная модель позволяет получить представление о размерах характерных зон, возникающих при пожаре в помещении, а также о средних параметрах состояния воздушной среды внутри этих зон. Предполагается формирование в помещении двух слоев: верхнего слоя продуктов горения (задымленная зона) и нижнего слоя невозмущенного воздуха (свободная зона).

При математическом моделировании пожара с применением интегральной или зонной моделей, с учетом работы систем противодымной вентиляции или естественного проветривания, основным ограничением является моделирование сложных в плане геометрической формы помещений (многосветные пространства, атриумы, открытые пешеходные галереи, открытые лестницы, помещения со сложной планировкой и т. д.). Данные математические модели, также как и зависимости, приведенные в методике [1], не позволяют учитывать все физические процессы (турбулентность, эжекцию и т. д.), проходящие в газовоздушной среде помещения при пожаре.

Полевая математическая модель позволяет учитывать, как сложные в геометрическом плане помещения, так и физические процессы (дымообразующую способность пожарной нагрузки, турбулентность, эжекцию и т. д.), проходящие в газовоздушной среде при пожаре, в том числе с учетом работы систем противодымной вентиляции, существенно влияющие на распространение опасных факторов пожара (далее – ОФП). Также данная модель позволяет оценить распространение ОФП при пожаре для любого момента его развития в любой точке помещения.

Ввиду того, что полевая математическая модель является наиболее универсальной с точки зрения возможностей моделирования, остановимся более подробно на обзоре данной модели.

Условия применения противодымной вентиляции по продольной схеме в тоннеле

В данном примере приведены результаты работы по исследованию эффективности применения системы противодымной вентиляции, выполненной по продольной схеме с применение струйных (импульсных) осевых вентиляторов, смонтированных в транспортной зоне тоннеля. Экспертным методом принята область моделирования и построена математическая модель с геометрическими параметрами, позволяющими оценить работоспособность рассматриваемых
систем.

Основной задачей тоннельной вентиляции при пожаре, реализованной по продольной схеме, является предотвращение противотока продуктов горения в направлении пути эвакуации посредством создания продольной скорости воздуха V_vent со значением, большим, чем критическая скорость противотока V_c, в направлении движения автотранспорта V_vent > V_c, с целью удаления продуктов горения через выездной портал автодорожного тоннеля либо системами вытяжной
противодымной вентиляции (при большой длине тоннеля).

В рамках поставленной задачи для проведения численных исследований была установлена область моделирования, в которую входит общая площадь, полная высота и конфигурация поперечных сечений тоннелей, уклонов для каждого участка, проемов в перекрытиях, расстановка автомобилей и пр. При моделировании учтены системы противодымной защиты с расчетными техническими характеристиками и проектным расположением, а также установленный алгоритм работы. Геометрические размеры рассматриваемого тоннеля установлены по архитектурным чертежам, графически область моделирования представлена ниже (рис. 1).

В процессе моделирования замерялись значения ОФП с помощью группы измерительных плоскостей и групп измерительных датчиков в области моделирования, в том числе поля скорости движения газовоздушной среды (рис. 2). Критерии оценки эффективности систем противодымной вентиляции соответствуют нормативно установленным критическим значениям воздействия ОФП на человека [1]. Размер ячеек сетки в принятой области моделирования составил 0,25 × 0,25 × 0,25 м.

По результатам проведенных расчетов установлено, что для исследуемого объекта защиты допустимо применение продольной схемы вентиляции, использующей в своей основе струйные вентиляторы взамен классической продольно-поперечной схемы противодымной защиты, нормативно описанной в работе [5]. Также следует отметить образование эффекта «backlayering» [6], свидетельствующего о недостаточной величине расчетных значений продольной скорости воздуха V_vent по отношению к скорости противотока V_c [7].

Оценка проектных решений по обеспечению естественного проветривания

В данном примере рассмотрена возможность обеспечения естественного проветривания при пожаре в подтрибунном пространстве стадиона, без устройства механических систем противодымной защиты. Экспертным методом выбрана область моделирования и построена математическая модель, с геометрическими параметрами, позволяющими оценить распространение ОФП в аварийной зоне.

В ходе анализа представленных на рассмотрение материалов была установлена область моделирования, в которую входит общая площадь, полная высота и конфигурация рассмотренного аварийного участка трибуны, включая зрительские трибуны, участок окружающей среды, технические и вспомогательные помещения, исполнение фасада здания и т. д. Геометрические размеры рассматриваемого участка здания установлены по архитектурным чертежам. Графически область моделирования показана на рис. 3.

При моделировании учтена полная конфигурация фасада здания, выполненная в виде металлических каркасов с негорючей облицовкой декоративными стеклянными панелями (триплекс), в чередующейся цветовой гамме. Фасад вентилируемый, закругленной формы как по горизонтали, так и по вертикали. Облицовочные панели расположены равноудаленно друг от друга, верхний ряд панелей имеет вставки из алюминиевых решеток. Ввиду ограничений FDS, аппроксимирующего геометрию на прямолинейной сетке, а также невозможности задания более мелкой сетки в области фасада для соблюдения разрешения геометрии, при моделировании фасада был применен метод погруженных границ (Immersed Boundary Method) [7 (рис. 4, а и б).

В процессе моделирования замерялись значения ОФП с помощью группы измерительных плоскостей и групп измерительных датчиков в области моделирования на эвакуационных путях и выходах в рассматриваемой области моделирования. Критерии оценки эффективности естественного проветривания соответствуют нормативно установленным критическим значениям воздействия ОФП на человека [1]. Размер ячеек сетки в принятой области моделирования составил 0,25 × 0,25 × 0,25 м.

Анализ полученных расчетных данных показал, что при принятых объемно-планировочных решениях обеспечиваются достаточные условия по проветриванию (незадымляемости) подтрибунного пространства и обеспечивается безопасность эвакуирующихся людей при пожаре.

Выводы авторов статьи

Проведенный обзор методов математического моделирования, в частности полевой модели как наиболее эффективной и универсальной, примеров возможностей ее применения для решения конкретных задач, показал большие возможности и гибкий подход при моделировании развития пожаров полевой моделью, в том числе с учетом систем противодымной вентиляции и естественного проветривания.

Необходимо акцентировать внимание на возможности проведения математического моделирования (расчетов) квалифицированными специалистами в области воздухораспределения, гидродинамики, термогазодинамики и тепломассопереноса. Специалисты должны адекватно оценивать применяемые исходные данные и полученные расчетные результаты.

Перейти к содержимому PDF