Применение компьютерного моделирования динамики распространения пожара для установления месторасположения очага пожара

ПРИМЕНЕНИЕ КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ДИНАМИКИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ПОЖАРА ДЛЯ УСТАНОВЛЕНИЯ МЕСТОРАСПОЛОЖЕНИЯ ОЧАГА ПОЖАРА

Т.П. Сысоева, кандидат технических наук; С.Ф. Лобова; А.А. Кухарев.

Санкт-Петербургский университет ГПС МЧС России

Рассматривается применение компьютерного моделирования динамики распространения пожара при установлении расположения очага пожара в ходе проведения пожарно-технической судебной экспертизы.

Ключевые слова: численное моделирование, FDS, очаг пожара, распространение пожара, разрушение остекления

APPLICATION OF COMPUTER MODELING OF THE DYNAMICS OF FIRE SPREAD TO ESTABLISH THE LOCATION OF THE INITIAL POINT OF COMBUSTION

T.P. Sysoeva; S.F. Lobova; A.A. Kukharev.

Saint-Petersburg university of State fire service of EMERCOM of Russia

The article discusses the use of computer simulation of fire propagation dynamics in determining the location of the fire in the course of fire-technical forensic examination. Keywords: numerical simulation, FDS, fire, spread of fire, destruction of the glazing

В соответствии с методологией пожарно-технической судебной экспертизы [1] установление очага (места возникновения) пожара проводится на основании имеющихся в материалах дела данных - описания объекта пожара и его термических поражений, фото и видеоматериалов по пожару, результатов инструментальных исследований материалов, конструкций и их обгоревших остатков, а также показаний свидетелей и других материалов, содержащих криминалистически значимую информацию, необходимую для установления очага пожара. Данная статья посвящена еще одному способу установления очага пожара на примере конкретной комплексной пожарно-технической экспертизы.

Для производства пожарно-технической экспертизы поступили материалы дела, из которых было известно, что в результате пожара в деревянном гостевом доме погибли люди, дом сгорел полностью. На момент производства экспертизы на месте пожара уже выросла трава, и произвести осмотр места происшествия не представлялось возможным. Однако экспертам на разрешение был поставлен вопрос о местонахождении очага пожара. Эксперты в проведенных ранее экспертизах расходились в выводах о месте расположения очага пожара.

В общих случаях очаг возгорания пожара совпадает с местом наибольшего выгорания и разрушения материалов, так как наибольшее разрушение обусловлено более длительным горением, то есть фактором времени. Однако помимо продолжительности горения на степень термических повреждений также влияют условия газообмена, тактика и средства тушения, степень горючести материалов и т.д. В идеальном случае, при ликвидации пожара на ранней стадии его развития, место первоначального возникновения горения характеризуется выраженной максимальной степенью термических повреждений.

В рассматриваемом случае при анализе представленной в распоряжение экспертов объективной информации было установлено, что высокотемпературные повреждения наблюдались по всей площади сгоревшего дома. Явных выраженных очаговых признаков не установлено. Следовательно, вывод о месте расположения очага пожара классическим (традиционным) способом установить не представлялось возможным. В подобных случаях может применяться компьютерное моделирование динамики распространения пожара в заданных условиях как дополнительный способ проведения исследований вкупе с инструментальными, органолептическими способами. Проведение компьютерного моделирования не всегда может дать однозначный результат, потому как модельная среда всегда отличается от реальной. Основной причиной тому является несовершенное описание параметров процесса горения, в рамках программы ограничивающееся усредненной реакцией горения какого-либо материала, в лучшем случае протекающее в несколько стадий, чему в реальности противостоит целый набор одновременно протекающих реакций горения различных материалов. В то же время в зависимости от целей моделирования получаемыми погрешностями можно пренебречь. В данном случае необходимо было смоделировать процесс распространения пожара внутри небольшой группы помещений, используя при этом достаточно подробное описание расстановки мебели и расположение вещей до пожара, а также используя информацию, которая, по сути, и сделала возможным применение компьютерного моделирования в данном конкретном случае, а именно, о последовательном разрушении остекления сгоревшего дома.

Таким образом, для определения наиболее вероятного месторасположения очага пожара, в условиях, воссозданных по показаниям очевидцев пожара и фотоматериалам, и используя эти показания для «кастинга» сценариев, было применено компьютерное моделирование динамики распространения пожара.

Моделирование пожара было произведено с использованием специализированного компьютерного кода FDS ver.5 в оболочке PyroSim. Данная программа разработана Национальным институтом стандартов и технологий США (№КТ) и создана специально для решения задач по проблемам пожарной безопасности [2]. Для математического расчета динамики пожара в заданных условиях в программе FDS применяется полевой метод моделирования. Описание данного метода можно найти, например, в работах [3, 4].

Сведения о геометрических размерах помещений, имеющихся проемах, расположении мебели, виде и количестве материалов, находящихся в доме, были взяты из объяснений очевидцев пожара и фотоматериалов.

Было известно, что сгоревший дом был одноэтажным, деревянным, размерами 9,0x6,0 м. Внутри дом был разделен на три помещения: гостиная и два спальных помещения размерами 3,0х3,0 м. В гостиной находился стол, две лавки, мойка, стеллажи и полки. В каждом спальном помещении были кровать и ковер.

Суть алгоритма использования компьютерного моделирования развития пожара для установления наиболее вероятного местонахождения очага пожара состоит в следующем: последовательно производится моделирование сценариев пожара с расположением очага пожара в различных частях объекта. Далее результаты моделирования сравниваются, в данном случае - с показаниями очевидцев пожара, то есть производится так называемый экспертный «кастинг» сценариев. Тот сценарий (сценарии), в результате расчета которого последовательность событий пожара наиболее приближена к показаниям очевидцев, и будет содержать информацию о вероятном расположении очага пожара.

В качестве первого сценария пожара была рассмотрена ситуация, при которой происходило загорание в западной части дома, рядом со столом, то есть в гостиной (рис. 1).

Расчетная область представляла собой объем, моделирующий окружающее пространство размерами 16,0x20,0x8,0 м. Расчетные сетки строились равномерными, размер ячеек сеток в области дома - 0,05x0,05x0,05 м, размер ячеек сеток в области улицы -

0,1x0,1x0,1 м. Общее количество ячеек составило 5 360 000. Характеристики материалов и веществ, используемых в расчетах, были взяты из работ [5, 6].

Предполагаемый очаг пожара

Рис. 1. Расчетная область

В качестве второго сценария была рассмотрена ситуация, при которой загорание происходило в правой спальне дома (с южной стороны) (рис. 2).

Северное спальное помещение

ное спальное мещение

Рис. 2. Расчетная область для сценария № 2

Для измерения температуры внутри помещений и для учета разрушения остекления при достижении критической температуры, значение которой были взяты из работы [6], в расчетной области были установлены датчики температуры. Двери и окна в расчете задавались с зазорами для учета процесса газообмена между помещениями дома и улицей и для недопущения вычислительной ошибки, связанной с ростом давления среды в замкнутом объеме.

В связи с большим количеством расчетных ячеек (более 5 млн), что ведет к продолжительным вычислительным операциям и неконтролируемому увеличению сроков производства экспертизы, время расчета определялось динамикой пожара, то есть расчет останавливался при выявлении следующих характеристик:

- разрушение остекления во всех комнатах;

- наличие видимых различий в сценариях пожара.

Результаты расчета сценария № 1

На рис. 3-5 показано распространение фронта пламени по помещениям дома.

№2

№3

№4

№1

Очаг пожара

Рис. 3. Стадия пожара через 20 с от начала расчета

На рис. 3 показана начальная стадия пожара. Нумерация окон сохраняется для всех результатов расчетов: окно № 1 находится в северной спальне (левой); окно № 2 находится в южной спальне (правой); окна № 3 и № 4 находятся в гостиной.

Дымоход печи закрыт (известно из показаний очевидцев), то есть дым через дымоход не распространялся.

Рис. 4. Стадии пожара через 200 и 300 с от начала расчета

Из рис. 4 видно, что по прошествии 5 мин от момента начала горения все помещение гостиной объято пламенем (развитая стадия пожара). Окна в гостиной отсутствуют, так как на поверхности стекла достигнута критическая температура. На рис. 5 видно, что по прошествии 7 мин от момента начала горения фронт пожара распространился в оба спальных помещения. Окна в обоих помещениях отсутствуют.

Рис. 5. Стадия пожара через 420 с от начала расчета

На графиках показаны времена разрушения остекления. Значение контрольного параметра на остеклении, равное 1, соответствует наличию остекления. Значение контрольного параметра, равное -1, соответствует отсутствию остекления.

Рис. 6. Значение контрольного параметра для окна № 1

Рис. 7. Значение контрольного параметра для окна № 2

Рис. 8. Значение контрольного параметра для окна № 3

Рис. 9. Значение контрольногопараметра для окна № 4

Из графиков на рис. 6-9 видно, что разрушение остекления в гостиной комнате происходит практически одновременно через 4,1 мин после начала горения. Разрушение остекления в спальных помещениях также происходит одновременно через 6,7 мин после начала горения. Таким образом, можно заключить, что в случае месторасположения очага пожара в гостиной фронт пожара распространяется с относительно одинаковой скоростью и в одинаковые временные интервалы в оба спальных помещения дома, разрушение остеклений происходит во всех комнатах дома. Данная хронология событий пожара противоречит показаниям очевидцев пожара, которые утверждали, что в помещении северной спальни остекление было целым.

Результаты моделирования сценария № 2

На рис. 10-13 показано распространение фронта пожара по помещениям дома.

Предполагаемый очаг пожара

Рис. 10. Стадия пожара через 20 с от начала расчета

Рис. 11. Стадия пожара через 400 с от начала расчета

Из рис. 11 видно, что в случае сценария № 2 интенсивное горение в южной спальне начинается по прошествии 6,0 мин от начала расчета (горения). Далее на рис. 12 видно, что через 11,7 мин от начала горения фронт пожара распространяется в гостиную. Также происходит разрушение остекления в южной спальне - помещении очага пожара и в одном окне гостиной. Остекление остальных окон дома не повреждено.

На рис. 13 видно, что по прошествии 13,3 мин от момента начала горения все помещение гостиной объято пламенем (развитая стадия пожара). Оба окна в гостиной отсутствуют, так как на поверхности стекла достигнута критическая температура. Также на рис. 13 видно, что фронт пожара достигает левого спального помещения.

Рис. 12. Стадия пожара через 700 с от начала расчета

Рис. 13. Стадия пожара через 800 с от начала расчета

На графиках ниже показаны времена разрушения остекления (рис. 14-17).

СТШ. 1

1.10

ЦК

« 3

В иоо

МО -1-1-1-1-1-1-1-1

ол 100.0 а» а мол аоол я»л аоол тоо л аоол Ите

Рис. 14. Значение контрольного параметра для окна № 1

Рис. 15. Значение контрольного параметра для окна № 2

Рис. 16. Значение контрольного параметра для окна № 3

Рис. 17. Значение контрольного параметра для окна № 4

Из графиков на рис. 14-17 видно, что разрушение остекления в южной спальне -помещении очага пожара происходит на 11 мин от момента начала горения. Далее еще через одну минуту происходит разрушение остекления в гостиной. На 14 мин остекление окна в северном спальном помещении (левой спальне) не повреждено. Таким образом, можно заключить, что в случае расположения очага пожара в южном спальном помещении, фронт пожара распространяется сначала в гостиную, затем в левую спальню. В данном сценарии, хронология событий пожара не противоречит показаниям очевидцев пожара, которые утверждали, что в помещении северной спальни остекление было целым.

Таким образом, основываясь на показаниях очевидцев пожара, в частности, на данных

0 последовательном разрушении остекления, можно прийти к выводу, что результаты моделирования распространения пожара в сценарии № 2 наиболее приближены к описанию хронологии событий произошедшего пожара, имеющемуся в материалах дела. Также нужно отметить, что получаемые временные метки стадий пожара могут отличаться от тех, которые были в действительности. Дело в том, что при производстве данного моделирования была пропущена начальная стадия зажигания. Расчет начинался с момента распространения фронта горения из уже сформировавшейся зоны горения. Следовательно, временные интервалы смещены и не отражают реальное наступление событий пожара. Однако указанная погрешность вычислений не влияет на результаты расчетов в рассмотренном конкретном случае, потому как целью данного моделирования было качественно оценить наступление последствий пожара, выразившихся в разрушении остекления окон дома.

На основании информации, имевшейся в материалах дела, о том, что «окно левой спальни еще было, но внутри был открытый огонь, не было видно ничего», с учетом расположения в северо-восточной части дома спального помещения и, принимая во внимание результаты компьютерного моделирования распространения пожара, выразившиеся в присутствии зависимости путей распространения фронта пожара от месторасположения очага пожара, можно предположить, что очаг пожара располагался в юго-восточной части дома (в спальном помещении).

Литература

1. Методология судебной пожарно-технической экспертизы пожаров: основные принципы. М.: ФГБУ ВНИИПО, 2013. 23 с.

2. Методика определения расчетных величин пожарного риска в зданиях, сооружениях и строениях различных классов функциональной пожарной опасности: Приложение к Приказу МЧС России от 30 июня 2009 г. № 382 (в ред. от 2 дек. 2015 г.). Доступ из информ.-правового портала «Гарант».

3. Kevin McGrattan, Howard Baum ets. Fire Dynamics Simulator (Version S) Technical Reference Guide. NIST Special Publication 1018-S.

4. Qintire, James G. Principles of fire behavior // Delmar Publishers. 1998. 2S8 p.

5. Кошмаров Ю.А. Прогнозирование опасных факторов пожара в помещении: учеб. пособие. М.: Акад. ГПС МвД России, 2000. 118 с.

6. NIST. URL: www.nist.gov. (дата обращения: 11.08.2019).

References

1. Metodologiya sudebnoj pozharno-tekhnicheskoj ekspertizy pozharov: osnovnye principy. M.: FGBU VNIIPO, 2013. 23 s.

2. Metodika opredeleniya raschetnyh velichin pozharnogo riska v zdaniyah, sooruzheniyah

1 stroeniyah razlichnyh klassov funkcional'noj pozharnoj opasnosti: Prilozhenie k Prikazu MCHS Rossii ot 30 iyunya 2009 g. № 382 (v red. ot 2 dek. 201S g.). Dostup iz inform.-pravovogo portala «Garant».

3. Kevin McGrattan, Howard Baum ets. Fire Dynamics Simulator (Version S) Technical Reference Guide. NIST Special Publication 1018-S.

4. Qintire, James G. Principles of fire behavior // Delmar Publishers. 1998. 2S8 p.

5. Koshmarov Yu.A. Prognozirovanie opasnyh faktorov pozhara v pomeshchenii: ucheb. posobie. M.: Akad. GPS MVD Rossii, 2000. 118 s.

6. NIST. URL: www.nist.gov. (data obrashcheniya: 11.08.2019).