IV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2012

Пожары в помещениях зданий и сооружений на различных объектах являются одной из наиболее вероятных причин, которые могут вывести объекты из строя. Поэтому изучению динамики развития пожаров должно уделяться постоянное повышенное внимание. В современных условиях разработка экономически оптимальных и эффективных противопожарных мероприятий немыслима без научно обоснованного прогноза динамики опасных факторов пожара. Таковыми являются (согласно ГОСТ 12.1.004-91 [1]): пламя и искры; повышенная температура окружающей среды; токсичность продуктов горения и термического разложения; дым; пониженная концентрация кислорода. Опасные факторы пожара являются физическими понятиями и, следовательно, каждый из них представлен в количественном отношении одной или несколькими физическими величинами.

Прогнозирование динамики опасных факторов пожара необходимо для решения задач обнаружения и эвакуации людей, а также повышения эффективности работы автоматических установок пожаротушения. Необходимой точности прогнозирования  невозможно достичь без учета коэффициента теплопотерь (теплопоглощения) в ограждения (φ). Коэффициент теплопотерь (теплопоглощения) представляет собой долю поглощенной теплоты от выделившейся.

где Q_w - суммарный тепловой поток в ограждения, Вт;

Q_пож - выделившееся в пламенной зоне в единицу времени тепловая энергия (скорость тепловыделения), Вт.

Исследования пожаров показали, что доля поглощенной теплоты, т.е. коэффициент φ, не является «универсальной» константой. Значение этого коэффициента зависит от большого количества параметров (размеров помещения, количества горючего материала, свойств ограждений). В работе [2] в рамках интегральной математической модели развития пожара в помещении этот коэффициент рассматривается как функция времени τ. Но при приближенных оценках времени наступления опасных факторов пожара,  в некоторых случаях, используют допущение о постоянстве величины коэффициента теплопотерь. Такое допущение приемлемо, если рассматривается достаточно малый интервал времени развития пожара. Например, в рекомендациях [3] принимается, что коэффициент теплопотерь не меняется в зависимости от времени (φ =const) и равен 0,6.

В публикации [4] в рамках интегральной модели развития пожара проведено исследование зависимости коэффициента теплопотерь от времени в случае горения твердого горючего материала (древесина), расположенного в двух различных помещениях. На основании расчетных данных сделан вывод, что расчет необходимого времени эвакуации людей из помещения по методу, предложенному в Приложении 2 ГОСТ 12.1.004-91 [1], с использованием значения коэффициента теплопотерь φ=0,6 [3] приводит к недооценке воздействия на людей такого опасного фактора пожара, как повышенная температура среды в помещении. На примере данного расчета мы можем увидеть, что коэффициент теплопотерь  зависит от средней температуры среды в помещении, и, как известно, температура с течением времени увеличивается, а также при рассмотрении двух помещений, отличающихся только размерами, несложно сделать вывод о зависимости значения среднего коэффициента теплопотерь от размеров помещения, охваченного пламенем.

Так как процесс горения твердого горючего материала существенно отличается от горения розлива горючей жидкости (например, необходимо учитывать время стабилизации горения вместо линейной скорости распространения пламени), необходимо провести исследование зависимости значения коэффициента теплопотерь от времени и других факторов, влияющих на процесс горения.

Получение уравнений баланса массы и энергии при пожаре

Как и в публикации [4], рассмотрим помещения с малой проемностью, позволяющей предположить отсутствие поступления воздуха из окружающей среды. Кроме того, в силу негерметичности помещения давление среды в помещении принимаем постоянным, равным давлению окружающей среды. Газ считаем идеальным. Тогда уравнение состояния:

где P_m- среднее давление в помещении;

R_m, ρ_m, T_m - соответственно газовая постоянная, среднеобъемные плотность и температура среды в момент времени τ.

Так как из вышесказанного следует, что P_m=const, а именно P_m=P₀ (P₀- давление окружающей среды), то из уравнения состояния (2) получим:

Воспользуемся дифференциальными уравнениями баланса массы и энергии, представленными в работе [2].

Левая часть данного уравнения есть скорость изменения внутренней тепловой энергии газовой среды в помещении за единицу времени в рассматриваемый малый промежуток времени dτ.

В правой части уравнения (4) первый член представляет собой количество теплоты, поступающей за единицу времени в газовую среду в результате горения, второй член - поток энергии в помещение, поступающий вместе с продуктами газификации (пиролиз, испарение) горючего материала; i_г - энтальпия этих продуктов. Третий член - сумма внутренней тепловой энергии воздуха, поступающего за единицу времени, и работы проталкивания, которую совершает внешняя атмосфера. Четвертый член - сумма внутренней тепловой энергии, которую уносят за единицу времени уходящие газы, и работы выталкивания, которую совершает рассматриваемая термодинамическая система. Пятый член - тепловой поток, поглощаемый ограничивающими конструкциями и излучаемый через проемы.

Уравнение материального баланса пожара представляет собой:

где G_в - массовый расход воздуха;

G_г - массовый расход газа;

G_ов - массовый расход подачи огнетушащего вещества;

Ψ - скорость газификации пожарной нагрузки.

Учитывая указанные выше предположения, получим:

- уравнение баланса массы:

- уравнение баланса энергии:

где V - объем помещения, V=const;

Q_н^р - низшая теплота сгорания горючей нагрузки при P=const;

η - коэффициент полноты сгорания;

c_p - удельная массовая теплоемкость газовой среды при P=const.

Начальные условия для дифференциальных уравнений:                  

                                     T_m(0)=T₀, ρ(0)=ρ₀,(8)

причем

 

где P₀ - давление на уровне половины высоты помещения.

Далее используем соотношение:

где Ψ_уд - удельная скорость выгорания на единице поверхности пожарной нагрузки;

F_г - площадь поверхности горючего материала, охваченная пламенем. При горении горючей жидкости F_г полагается равной площади ее зеркала;

τ_ст - время стабилизации горения горючей жидкости. Выражение (10) применимо лишь при τ≤τ_ст [5]. Таким образом, в случае, если стабилизация горения происходит мгновенно, то:

Для расчета суммарного конвективного теплового потока в ограждения использованы уравнения теплообмена Ньютона и эмпирические соотношения для термически толстых строительных конструкций.

 где T_w и F_w - соответственно суммарная температура и площадь внутренней поверхности помещения;

α - коэффициент теплоотдачи, принятый по ГОСТ [1].  

В первый момент времени поступление теплоты в ограждения происходит главным образом за счет лучеиспускания от пламени. Поток лучистой энергии от пламени к ограждениям по мере задымления помещения постепенно уменьшается. При сильном задымлении излучение от пламени рассеивается в задымленной среде, заполняющей помещение. С учетом этого радиационный поток от очага горения к ограждениям при      F_RAD << F_w можно определить по формуле:

где C - коэффициент излучения абсолютно черного тела;

ε - степень черноты пламени;

F_RAD - площадь поверхности излучения, м², F_RAD=F_г;

Т_пл - температура пламени, К;

ω - коэффициент, учитывающий ослабление радиационного потока из-за задымления;

где T_кр - критическое значение средней температуры в помещении.

Скорость тепловыделения с учетом соотношения (11) вычисляется по формуле:                                              

                                         Определение изменения средней температуры во времени при пожаре

С учетом вышесказанного, уравнение, описывающее изменение средней температуры во времени, имеет следующий вид:

Воспользуемся размерными эмпирическими константами, рассмотренными в работе [2].

В случае, если T_m<333K ...

В случае, если T_m≥333K...     

      Выводы

Коэффициент теплопотерь φ зависит от множества факторов и для получения более точного прогноза динамики опасных факторов пожара для каждого конкретного случая должен вычисляться отдельно.

Библиографический список

1. Пожарная безопасность. Общие требования: ГОСТ 12.1.004-91: введ. в действие 1992-01-07. - М., 1991. - 128 с.
2. Кошмаров, Ю.А. Прогнозирование опасных факторов пожара в помещении / Ю.А. Кошмаров. - М.: Академия ГПС МВД России, 2000. - 214 с.
3. Расчет необходимого времени эвакуации людей из помещения при пожаре. - М.: ВНИИПО МВД СССР, 1989. - 98 с.
4. Горячева, М.Н. Расчет коэффициента теплопотерь при определении критической продолжительности пожара в помещении / М.Н. Горячева, С.В. Пузач, В.В. Андреев // Пожаровзрывобезопасность. - 2007. - Т. 16. - №6. - С. 21-24.
5. Сушко, Е.А. Разработка методики расчета рациональных режимов систем вентиляции производственных помещений / Е.А. Сушко, К.Н. Сотникова, С.Л. Карпов // Научный вестник ВГАСУ. Строительство и архитектура. - 2011. - №2 (22). -  С. 143-149.

Код для цитирования: Скопировать