Математическое моделирование начальной стадии пожара на складах с высотным стеллажным хранением при помощи программы Fire Dynamics Simulator

Математическое моделирование начальной стадии пожара

на складах с высотным стеллажным хранением

при помощи программы Fire Dynamics Simulator

Волков С. А.,

НИИ пожарной безопасности и проблем чрезвычайных ситуаций

МЧС Республики Беларусь, г. Минск

Астахов П. В.,

Гомельский инженерный институт МЧС Республики Беларусь, г. Гомель

Введение. Математическое моделирование процессов горения все часто используется в научных разработках, на стадии проектирования уникальных объектов, а также при расследовании пожаров. Развитие теории математического моделирования горения, а также увеличение вычислительной мощности компьютеров позволило существенно сократить требуемые ресурсы, а также повысить точность моделирования. Одной из областей применения результатов математического моделирования динамики пожара является прогнозирование алгоритмов работы средств пожарной автоматики (системы пожарной сигнализации, автоматические установки пожаротушения).

На сегодняшний день на территории Республики Беларусь большое внимание уделяется обеспечению защиты средствами пожарной автоматики логистических центров с высотными стеллажными складами (высота складирования более 5,5 м) [1], которые становятся типовыми объектами хранения и распределения тарно-штучных грузов практически во всех отраслях народного хозяйства. В высотных стеллажных складах, в отличие от обычных складов, пожароопасные грузы размещаются вертикально, к тому же их объемы, как правило, весьма значительны. В таких условиях пожар развивается чрезвычайно быстро и наносит большой материальный ущерб [2].

Основная часть. Исходя из анализа зарубежного опыта в области проектирования автоматических установок пожаротушения для данных объектов, нами было рассмотрено два различных подхода к защите складов с высотным стеллажным хранением:

- проектирование автоматических установок пожаротушения с размещением спринклерных оросителей только под покрытием здания [3-5].

- проектирование автоматических установок пожаротушения с размещением спринклерных оросителей под покрытием здания и на различных уровнях по высоте стеллажей.

При проектировании автоматических установок пожаротушения с размещением спринклерных оросителей только под перекрытием существует ряд сложностей. Так, например, высота здания от пола до теплового замка оросителя достаточно большая и может достигать до 14 м, что значительно влияет на время срабатывания установки пожаротушения в случае возникновения пожара, а также обуславливает необходимость использования специальных оросителей, позволяющих обеспечить подачу огнетушащего вещества к нижнему ярусу складируемых материалов.

Для обеспечения данных требований в мире применяют специальные оросители типа ESFR (Early Suppression Fast Response). Спринклеры ESFR - это быстродействующие спринклеры с большой производительностью, предназначенные для тушения пожаров определенных классов пожарной опасности [3]. При использовании спринклеров типа ESFR необходимо учитывать одну их особенность: они могут, в отличие от стандартных спринклеров, неправильно срабатывать при неправильных проектных решениях и отклонениях от них. В связи с этим, применяя спринклеры типа ESFR, необходимо учитывать требования, предъявляемые к автоматическим установкам пожаротушения подобного рода. Изучив нормативную базу Республики Беларусь в области проектирования автоматических установок пожаротушения с использованием оросителей типа ESFR, можно сделать вывод, что требования проектирования к таким установкам на территории нашего государства отсутствуют.

С целью определения эффективности автоматических установок пожаротушения с использованием оросителей типа ESFR только под покрытием здания, используемых на складах с высотным стеллажным хранением учреждением «Научно-исследовательский институт пожарной безопасности и проблем чрезвычайных ситуаций» МЧС Республики Беларусь были проведены исследования режимов работы подобной установки.

Одним из ключевых моментов при проведении исследования было обеспечение раннего срабатывание спринклерных оросителей, поскольку этот фактор влиял на дальнейшую эффективность автоматического пожаротушения. Скорость срабатывания оросителей зависит от многих факторов, таких как использование оросителей быстрого реагирования, схемы их размещения и места возникновения очага возгорания. Все это обусловлено процессами тепломассопере-носа, происходящими на ранней стадии пожара на территории данного склада.

Одновременно с проведением натурных исследований была разработана математическая модель исследуемого склада с использованием программы FDS (Fire Dynamics Simulator). FDS создана лабораторией строительных и пожарных исследований Национального института стандартов и технологии США (NIST) в кооперации с научно-исследовательскими организациями других стран. Программа реализует вычислительную гидродинамическую модель CFD тепломас-сопереноса при горении. Программа FDS численно решает уравнения Навье-Стокса для низкоскоростных температурно-зависимых потоков, позволяя получить картину распространения дыма и теплопередачи при пожаре. Математически модель представляет собой систему уравнений в частных производных, включающую уравнения сохранения массы, момента движения и энергии, которая решается по трехмерной регулярной прямоугольной сетке. Тепловое излучение рассчитывается методом конечных объемов на той же, что и для моделирования движения дыма, сетке [6].

Основные уравнения математической модели, реализуемой FDS отражены в трудах Андерсона и др [7]. Основной целью расчета было определение следующих параметров:

- распределение температуры в помещение на начальном этапе возникновения пожара;

- времени срабатывания первого спринклерного оросителя. При проведении математического расчета тепломассообмена на основании созданной модели задавались следующие основные параметры: сетка на которой выполнялся расчет, геометрия модели, поверхности и используемые материалы, источник пожара и выходные данные, которые нам необходимо было получить в результате расчета. Для описания источника возгорания, поверхностей и используемых материалов использовались справочники [8 - 13].

17 секунд с момента начала испытания

65 секунд с момента начала испытания, сработал спринклерный ороситель

126 секунд с момента начала испытания

Состояние пожарной нагрузки соседних стеллажей спустя 3 минуты 40 секунд с момента начала испытаний

Рис. Распределение тепловых потоков в помещении склада при проведении натурных исследований

В результате моделирования была в FDS получена картина распределения тепловых потоков в моделируемом помещении на начальной стадии пожара.

Результаты, полученные в результате математического моделирования с использованием FDS, были проанализированы и сопоставлены с данными полученными в результате натурных испытаний (рис.). Начало испытаний соответствует времени поджога очага возгорания. Правая часть рисунка получена с помощь тепловизора.

Из сравнения параметров температурного распределения, полученного расчетным путем, и температур, измеренных в ходе эксперимента (рис.), видно, что результаты математического моделирования динамики опасных факторов пожара, описанные в данной статье, с приемлемой точностью соотносятся с экспериментальными данными. Это позволяет говорить об адекватности рассматриваемой математической модели в рамках данных исследований.

Заключение. Таким образом, применение на практике математического и компьютерного моделирования является менее трудоемким, затратным и опасным по сравнению с огневыми натурными исследованиями.

Использование на практике FDS позволит обеспечить количественное описание физико-химических явлений при пожаре, зависящих от источника зажигания, геометрии помещений и вида горящих материалов.

Эти данные могут быть эффективно использованы для прогнозирования динамики возможного пожара на стадии проектирования объектов, оптимизации средств пожарной автоматики, восстановления картины пожара в ходе проведения экспертизы, прогнозирования ущерба в зависимости от возможных сценариев развития пожара, для обобщения полученных ранее экспериментальных данных.

Библиографический список

1. ТКП 45-2.02-190-2010 Пожарная автоматика зданий и сооружений. Строительные нормы проектирования

2. В. А. Былинкин, Р. Ю. Губин, Л. М. Мешман, Е. Ю. Романова «Высотные стеллажные склады: состояние и развитие установок пожаротушения»

3. VDS CEA 4001:2008-11 Sprinkler Systems: Planning and Installation

4. NFPA 13 Sprinkler Systems

5. FM Approvals. Approval Standard for Suppression Mode [Early Suppression - Fast Response (ESFR)] Automatic Sprinklers

6. K. B. McGrattan, S. Hostikka, J. E. Floyd, H. R. Baum, and R. G. Rehm. Fire Dynamics Simulator (Version 5), User's Guide. NIST Special Publication 1019-5, National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg, Maryland, October 2007

7. D. A. Anderson, J. C. Tannehill, and R. H. Pletcher. Computational Fluid Mechanics and Heat Transfer. Hemisphere Publishing Corporation, Philadelphia, Pennsylvania, 1984

8. SFPE Handbook of Fire Protection Engineering, 2008 Edition

9. James G. Quintiere. Fundamentals of Fire Phenomena. John Wiley & Sons Ltd, 2006

10. Кошмаров Ю. А. Прогнозирование опасных факторов пожара в помещении: Учебное пособие. - М.: Академия ГПС МВД России, 2000. — 118 с.

11. Корольченко А. Я., Корольченко Д. А. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов и средства их тушения. Справочник: в 2-х ч. - 2-е изд., пе-рераб. и доп. - М.: Асс. «Пожнаука», 2004 -713 с.

12. ТР-5044. Пожарная нагрузка. Обзор зарубежных источников; под редакцией Грачева В. Ю.(с) — СИТИС, 2009.