О возможности использования экспериментально-теоретических данных по горючей нагрузке при математическом моделировании пожара

Пузач С. В., Болдрушкиев О. Б., Акперов Р. Г., Журавлев Ю. Ю. Материалы научно-практической конференции с международным участием, посвященной 90-летию со дня образования Академии ГПС МЧС России, 19 октября 2023 года, часть 2, секция 2. С. 15 — 20.

Аннотация. В статье рассмотрена необходимость использования новых экспериментально-теоретических данных по горючей нагрузке в расчетной модели прогнозирования динамики развития опасных факторов пожара. Определен перечень параметров по горючей нагрузке, влияющих на тепломассообменные и газообменные процессы, протекающие в условиях пожара. Представлена экспериментальная установка по определению пожарной опасности конденсированных веществ и материалов, методика проведения экспериментальных исследований, а также результаты экспериментов. Изложен порядок применения полученных экспериментальных данных в полевой математической модели пожара.

Современная тенденция развития системы обеспечения пожарной безопасности активно использует научно-технические методы подтверждения обеспечения пожарной безопасности различных объектов защиты. Правоприменительная практика использования результатов исследований, расчетов и (или) испытаний для подтверждения обеспечения пожарной безопасности объекта защиты закреплена статьей 6 Федерального закона от 22.07.2008 №123-ФЗ «Технический регламент о требованиях пожарной безопасности».

Помимо этого, при разработке положений специальных технических условий по пожарной безопасности (в части проектных решений по которым отсутствует требования пожарной безопасности) применяются расчетные технические методы подтверждения безопасности предусмотренных проектных решений.

С учетом вышеизложенного, очевидно, что с развитием строительной индустрии и технической сложности проектируемых зданий, должно наблюдаться развитие программных средств для решения прикладных задач пожарной безопасности. В целях решения данной задачи вводится Национальный стандарт Российской Федерации ГОСТ Р 57639-2017 (ИСО 16730-1:2015) Пожарно-технический анализ, часть 1, Валидация и верификация методов расчета. Основной целью данного нормативного документа является достижение приемлемого расчетного уровня пожарной безопасности. Данный документ предъявляет требования к программных средствам и методам расчета, а именно:

  • возможность реализации программным средством достоверной математической модели рассматриваемого физического явления;
  • соответствие используемых в методе уравнений реальному физическому процессу;
  • возможность проверки данных, на основе которых должны быть проверены прогнозируемые результаты метода расчета.

Учитывая вышеуказанные требования и правоприменительную практику использования научно-технических (расчетных) методов подтверждения обеспечения пожарной безопасности различных объектов защиты, назревает необходимость комплексного развития подхода к научно-техническим (расчетным) методам, направленного на возможность учета всех аспектов пожарной опасности объекта защиты. Развитие данного подхода позволит объективно оценивать пожарную опасность различных объектов защиты, безопасность проектных решений и разрабатывать эффективные противопожарные мероприятия.

Современные программные средства и методы расчета в достаточной степени развиты для решения прикладных задач пожарной безопасности, однако, в качестве исходных данных для моделирования горения в конденсированной фазе используются параметры по горючей нагрузке актуальной для материалов 70-80 годов 20 века.

Так, основной фонд параметров горючей нагрузки представлен в базе данных типовой горючей нагрузки, представленной в монографии Кошмарова Ю.А. [1]. Данная база включает в себя 67 наименований типовой горючей нагрузки и включает в себя следующие параметры горючей нагрузки:

  • низшая теплота сгорания, кДж/кг;
  • линейная скорость распространения пламени, м/с (плотность ГЖ, кг/м3);
  • удельная скорость выгорания, кг/м2*с;
  • дымообразующая способность, Нп*м2/кг;
  • потребление кислорода (О2), кг/кг;
  • Выделение и потребления газов:
  • углекислого газа (СО2), кг/кг;
  • угарного газа (СО), кг/кг;
  • хлористого водорода (HCl), кг/кг;
  • кислорода (О2), кг/кг

База данных типовой горючей нагрузки представляет собой информацию по параметрам материалов, характерных для жилых, общественных и производственных зданий и сооружений. Однако, данная база не представляет информацию по значительной номенклатуре современных строительных материалов. Помимо этого, данная база не включает в себя параметры, характеризующие образование высокоопасных токсичных веществ, таких как: циановодород, акролеин, фосген и т.д., а также параметры, характеризующие ослабление света на заданной длине волны на единицу массы воздушной среды (удельный коэффициент экстинкции). Использование актуализированных экспериментальных данных при математическом моделировании пожара позволят объективно рассматривать токсикологическую картину пожара, тепловые нагрузки на ограждающие и несущие конструкции, а также объективно подойти к оценке изменения дальности видимости в дыму с учетом использования удельных коэффициентов экстинкции.

Таким образом, получение экспериментальных данных, в части определения параметров современной горючей нагрузки, позволят объективно подойти к вопросу математического моделирования пожара и решению прикладных задач пожарной безопасности.

Экспериментальные исследования по определения параметров горючей нагрузки были проведены на экспериментальной установке по определению пожарной опасности конденсированных веществ и материалов. Схема экспериментальной установки и методика проведения экспериментов представлена в работах [2-4].

О возможности использования экспериментально-теоретических данных по горючей нагрузке при математическом моделировании пожара
Рисунок 1 – Схема экспериментальной установки.
1- камера сгорания; 2 – переходной рукав; 3 – экспозиционная камера; 4 – термопары; 5 – зонд отбора газа; 6 –вентилятор;
7 – электронные весы; 8 – держатель образца; 9 – электронагревательный элемент; 10 – газоаналитическое оборудование
[15, 17, 18]

Процесс термического разложения исследуемых образцов инициировался путем падающего теплового потока на поверхность образцов в камере сгорания 1. Падающий тепловой поток реализовывался посредством работы экранированной термостатируемой радиационной панели с датчиком непрерывного контроля температуры 9. Контроль над плотностью падающего теплового потока осуществлялся с помощью водоохлаждаемого датчика Гордона и регистрирующего прибора с
диапазоном измерений от 0 до 100 мВ. В ходе термического разложения материала, образующиеся продукты горения поступали через теплоизолированный переходной рукав 2 в камеру экспозиции 3, где осуществлялся отбор проб газовой смеси газоаналитическим оборудованием 10 через зонд отбора
проб газа 5.

Подробный порядок проведения экспериментов представлен в работах [2-5]. В качестве исследуемых образцов рассмотрены образцы различных производственных масел. Обобщенные результаты экспериментальных исследований представлены в табличном виде.

О возможности использования экспериментально-теоретических данных по горючей нагрузке при математическом моделировании пожара
Таблица 1 – Результаты экспериментального определения параметров производственных масел при их горении

Сравнительный анализ параметров, полученных экспериментальным путем, и параметров указанных в [1] показал значительные отличия по всем рассматриваемым параметрам.

Учет полученных экспериментальных результатов при математическом моделировании пожара был проведен с помощью [6-7]. В качестве программного средства, реализующего математическую модель пожара, был использован Fire dynamics simulator (далее по тексту – FDS). Для использования экспериментальных данных по горючей нагрузке в FDS, необходимо преобразовать данные в корректный для программного средства формат.

Преобразование параметров, характеризующих образование газов, было проведено путем приравнивания параметров: Yi = Li (1), где Yi – доля топлива, идущая на производство газа, кг/кг; Li – удельный коэффициент образования газа, кг/кг.

Моделирование образования дыма в FDS реализуется заданием параметров удельного выхода дыма Ys (soot yield) и коэффициента экстинкции σ (mass extinction coefficient). Удельный выход дыма определяется как доля горючего материала, идущего на образование дыма [8]. Таким образом, массовая концентрация дыма в определенный момент времени будет напрямую зависеть от удельного выхода дыма Ys.

В зарубежной практике оценки образования дыма активно используется удельный выход дыма Ys, в отечественной же практике плотность дыма, образующаяся при горении и (или тлении) материалов, характеризуется коэффициентом дымообразующей способности Dm. В работах [8-10] определенно, что коэффициент дымообразующей способности Dm определяется в соответствии со следующей зависимостью:

О возможности использования экспериментально-теоретических данных по горючей нагрузке при математическом моделировании пожара

Учет экспериментальных параметров в расчетных моделях, характеризующих процесс образования дыма при горении материалов, произведен путем определения удельного выхода дыма Ys с использованием экспериментальных данных по дымообразующей способности материалов Dm и литературных значений коэффициента экстинкции [10]. Стоит отметить, что в текущих версиях FDS коэффициент экстинкции принимается равным 8700 м2/кг вне зависимости от горючей нагрузки помещения. Определение удельного выхода дыма с использованием экспериментальных данных по дымообразующей способности Dm и литературных значениях коэффициента экстинкции позволят более достоверно определять изменение полей видимости в заданных расчетных областях.

Учет экспериментальных значений удельной массовой скорости выгорания производится путем задания данного параметра в свойствах материала. Экспериментальные значения массовой скорости выгорания меньше значений, представленных в [1], в 3-4 раза. Использование экспериментальных данных повлияет на скорость тепловыделения, общую конвективную мощность пожара, а также на скорость образования дисперсной дымовой фазы и токсичных продуктов горения, так как все представленные параметры зависят от количества выгоревшего материала.

В перспективе развития данного направления будут разработаны методы определения коэффициентов экстинкции для материалов, характерных для зданий и сооружений различных функциональных назначений.

Учитывая необходимость комплексного развития подхода к научно-техническим (расчетным) методам, направленного на возможность учета всех аспектов пожарной опасности объекта защиты, актуализация экспериментальных данных, в части определения параметров горения материалов, позволит существенно повысить достоверность математического моделирования пожара.

Развитие данного подхода позволит объективно оценивать пожарную опасность различных объектов защиты, безопасность проектных решений и разрабатывать эффективные противопожарные мероприятия.

1. Кошмаров, Ю.А. Прогнозирование опасных факторов пожара в помещении [Текст] / Ю.А. Кошмаров. – М.: Академия ГПС МВД России, 2000. – 118 с.

2. Пузач, С. В. Экспериментальное определение удельного коэффициента образования монооксида углерода при пожаре в помещении [Текст] / С.В. Пузач, Р.Г. Акперов // Пожаровзрывобезопасность / Fire and Explosion Safety. – 2016. – T. 25. – № 5. – С. 18–25. DOI: 10.18322/PVB.2016.25.05.18-25.

3. Болдрушкиев, О.Б. Определение удельного коэффициента образования и критической парциальной плотности циановодорода и монооксида углерода при пожаре в помещении [Текст] / О.Б. Болдрушкиев, С.В. Пузач, Е.В. Сулейкин // Пожаровзрывобезопасность. – 2019. – Т. 28. – №5. – C. 19-26.

4. Мустафин, В.М. Новый подход к расчету времени блокирования путей эвакуации по потере видимости в дыму при пожаре в помещении [Текст] / Мустафин В.М., Пузач С.В., Акперов Р.Г. // Пожаровзрывобезопасность. – 2021. – Т.30. – №3. – С. 76-87.

5. Пузач С.В. Экспериментальное определение показателей пожарной опасности технических масел в маломасштабных установках [Текст] / С.В. Пузач, Р.Г. Акперов, О.Б. Болдрушкиев, К.П. Щетнев, Е.Н. Косьянова // Пожаровзрывобезопасность. – 2023. – №5 (в печати).

6. McGrattan, K. Fire dynamics simulator. Users Guide [Текст] / K. McGrattan, S. Hostikka, J. Floyd. – National institute of Standards and Technology, 2023. – 476 p.

7. McGrattan, K. Fire dynamics simulator. Technical reference guide. Volume 1: Mathematical model [Текст] / K. McGrattan, S. Hostikka, J. Floyd. – National institute of Standards and Technology, 2023. – 230 p.

8. Суриков, А.В. Определение значений параметров моделирования и интерпретация выходных данных в программном комплексе FDS при расчете видимости в условиях задымления [Текст] / А.В. Суриков, Н.С. Лешенюк // Вестник Университета гражданской защиты МЧС Беларуси. – 2018. – Т.2.- №3. – С. 308-319.

9. Карькин, И.Н. Работа в программном комплексе FireCat. Библиотека реакций и поверхностей горения в PyroSim [Электронный ресурс] / И.Н. Карькин // Официальный сайт ИП Карькин И.Н. – Режим доступа: https:// www.pyrosim.ru/download/Firecat_FDS_fireload_lib.pdf. – Дата доступа: 08.09.2023.

10. Суриков, А.В. Исследование процесса дымообразования с применением CFDмодели / А.В. Суриков // Чрезвычайные ситуации: образование и наука. – 2014. – № 1 (9). – С. 34–40.

11. Mulholland, G.W. Specific extinction coefficient of flame generated smoke / G.W. Mulholland, C. Croarkin // Fire and Materials. – 2000. – Vol. 24, № 5. – P. 227–230.

Добавить комментарий