Information Support for Operational Fire-Fighting Technical Calculations

Research article
DOI:
https://doi.org/10.23670/IRJ.2022.124.74
Issue: № 10 (124), 2022
Suggested:
28.09.2022
Accepted:
11.10.2022
Published:
17.10.2022
468
3
XML PDF

Abstract

A modular software package for operational fire technical calculations developed in Microsoft Office Excel with Visual Basic for Applications is presented:

- average volumetric temperature of the products of combustion in the room, using databases of fire load indicators for functionally similar rooms and different combustible materials;

- sizes and materials for fire protection coatings, thermal insulation of technological devices, pipelines, walls, partitions, floors, which ensure fire safety;

- the main features of the gas exchange as the fire develops;

- actual fire resistance limits of building constructions;

- temperatures on unheated building shells in terms of fire safety;

- temperature in an arbitrary cross-section of fences (single- and multilayered).

1. Введение

Современные методы прогнозирования опасных факторов пожара и состояния строительных конструкций в условиях пожара базируются на математических моделях пожара в помещении,  которые отличаются разным уровнем детализации описания термогазодинамических процессов горения в помещении интегральные, зонные, дифференциальные (полевые).

Математические модели пожара в общем случае описывают динамику изменений параметров состояния среды в помещениях, а также  температуры в ограждающих и несущих конструкциях. В основе математических моделей лежат уравнения, вытекающие из фундаментальных законов термодинамики и теории теплообмена. Эти уравнения отражают всю совокупность взаимосвязанных процессов характерных для внутреннего пожара.

В настоящее время компьютерная реализация математических моделей пожара в помещении является наиболее эффективной и удобной формой решения практических задач.

Примером практически используемого программного продукта, реализующего численное решение интегральной математической, является   комплекс «СИТИС: ВИМ»  [3]. В этом комплексе система уравнений интегральной модели пожара, и соответственно, алгоритмы её решения зависят от количества помещений и проёмов между ними, что требует от пользователей программного продукта качественного анализа планировки здания и автоматического построения соответствующей системы балансовых уравнений.

Одной из лучших программ, основанных на зонной модели, является комплекс CFAST (Consolidated Fire Growth and Smoke Transport Model). Модель CFAST предполагает разделение каждого расчетного помещения на две зоны – верхний (дымовой) слой и нижний слой, и позволяет производить  расчет динамики распространения дыма, газов, выделяющихся при горении, температуры в помещениях здания в течение пожара [4].

Наиболее универсальной дифференциальной (полевой) моделью пожара и получившей широкое практическое применение, является математическая модель FDS (Fire Dynamic Simulator – «Модель динамики пожара»). Математическая модель FDS базируется на использовании дифференциальных уравнений в частных производных, описывающих пространственно-временное распределение температуры и скоростей газовой среды в помещении, концентраций компонентов газовой среды (кислорода, продуктов горения т.д.), давлений и плотностей газов. Эта модель реализована в соответствующем программном комплексе  Fеniх+/Fеniх+ 2.

Общими недостатками компьютерных программ [1], [3], [6], [7], реализующих указанные математические модели представленных моделей являются:

- трудоемкость самостоятельного поиска в справочной литературе и ввода требуемых теплофизических характеристик моделируемой среды;

- детализация информации о динамике пожара, которая требует значительного объема оперативной памяти, что ограничивает использование персональных компьютеров, но при этом не требуется при проведении оперативных пожарно-технических расчетах;

- невозможность непосредственного импорта результатов моделирования пожара в модель пожара;

- необходимость самостоятельного освоения специальных навыков работы с программным продуктом.

С этих позиций в условиях объективной необходимости оперативного решения задач пожарной безопасности приобретает актуальность разработка адаптивных пожарно-технических расчетов, практическое применение которых не требует значительных временных затрат, специального компьютерного обеспечения; дополнительной подготовки сотрудника ФПС и обеспечивает автоматический перенос результатов моделирования пожара в расчет ограждающих конструкций.

2. Методы и принципы исследования

В качестве методологической основы расчета температурного режима внутреннего пожара на объектах различного назначения выбрана концепция централизованной (в рамках разработки баз данных) и распределенной информационной системы [10], [11], [12].

Функциональная схема модульного вычислительного комплекса для оперативного решения задач пожарной безопасности

Рисунок 1 - Функциональная схема модульного вычислительного комплекса для оперативного решения задач пожарной безопасности

В [13] предлагается определение информационно-справочной системы, в котором утверждается, что такой программный продукт позволяет хранить, систематизировать, анализировать и оперативно обновлять необходимую, для решения практических задач информацию.

В состав информационно-справочной системы включаются теплофизические свойства наиболее актуальных строительных и теплоизоляционных материалов, а также характеристики их зависимостей в широком температурном диапазоне. Структура информационно-справочного модуля отображена на рисунке 2.

Структура информационно-справочного модуля

Рисунок 2 - Структура информационно-справочного модуля

Управление реляционными базами данных информационно-справочного модуля предполагает наличие в нем диалоговой системы, которая позволит идентифицировать взаимные связи различных факторов, которые определяют необходимые условия обеспечения пожарной безопасности обслуживаемых промышленных и социальных объектов [14], [15].

Интерфейс базы данных [16] «Теплофизические свойства газов и водяного пара» изображен на рисунке 3.

Интерфейс базы данных «Теплофизические свойства газов и водяного пара»

Рисунок 3 - Интерфейс базы данных «Теплофизические свойства газов и водяного пара»

Использование информационно-справочных систем специалистами ФПС существенно снижает трудозатраты на поиск справочной информации, что способствует оперативному принятию грамотных решений в процессе обоснования нормативно-применительной деятельности.

Для решения таких задач, как оценка огнестойкости строительных конструкций, расчет времени до срабатывания датчиков пожарной автоматики, определение требуемого времени эвакуации людей из помещения, значения среднеобъемной температуры продуктов горения в условиях развития реального пожара [19] являются исходной информацией.

Расчет параметров газового обмена при внутреннем пожаре осуществляется по циклическому алгоритму расчета параметров газообмена на внутреннем пожаре, который представлен на рисунке 4 [17].

Алгоритм расчета параметров газообмена на внутреннем пожаре

Рисунок 4 - Алгоритм расчета параметров газообмена на внутреннем пожаре

Выбор соответствующей опции из предлагаемого меню позволяет в соответствии с детерминированным аналогом или источником установить характерные для исследуемого объекта параметры пожарной нагрузки.

В ходе анализа основных закономерностей газообмена при пожаре в ограждениях необходимо определиться с массовым расходом продуктов горения Gг и притоком воздуха Gв в зависимости от координаты плоскости, где  предполагается, что абсолютные избыточные давления в центре приточной и вытяжной части проемов равны.

При этом следует учесть, что координаты могут меняться из-за изменения соотношения между параметрами газовой среды и атмосферного воздуха. Для решения этой проблемы, используя  информационно-справочный модуль, определяются значения плотностей атмосферного воздуха и среднеобъемной плотности газовой среды от температур, соответственно T0 и   Тf , затем рассчитывается среднеобъемное давление в помещении Pfпо формуле:

img

Здесь R» 296 кДж/(кг·К) – газовая постоянная.

При расчете положения нейтральной зоны предполагается, что абсолютные значения избыточных давлений в центре приточной и вытяжной части проемов равны, тогда применимо уравнение (1):

img;
(1)

где Тf– абсолютная температура продуктов горения, К; T0– абсолютная температура наружного воздуха, К;Н ‒ высота помещения, м.

Величины расходов воздуха через оконный или дверной проем изменяются по мере развития пожара в зависимости от:

- если h>Hв(верхней кромки проема), то расход продуктов горения через проем Gf=0, а расход воздуха Gв  определяется при помощи уравнения (2):

img;
(2)

- если h<Hн (нижние кромки оконного или дверного проема), то, а расход воздуха Gв=0, а расход продуктов горения Gf через проем определяется при помощи уравнения (3):

img;
(3)

- если Hн<h<Hв, то расход продуктов горения Gf через проем определяется при помощи уравнения (4), а расход воздуха Gв – уравнением (5):

img;
(4)
img;
(5)

Здесь: ζ ‒ коэффициент сопротивления при движении газового потока через проемы, в расчетах рекомендуется принимать ζ =0,8; Fпр – площадь оконного или дверного проема, [м2]; img - площадь приточной части проемов, [м2]; n- кол-во проемов; Нпр = Нв - Нн ‒ высота оконного или дверного проема, [м].

При исследовании режима прогрева ограждающих конструкций в условиях реального пожара (например, железобетонная плита перекрытия) [8], нахождение изменения температуры по одной координате, возможно  при решении дифференциального уравнения теплопроводности  [12]:

img;
(6)

В случае одностороннего равномерного прогрева ограждающей конструкции толщиной δ в условиях внутреннего пожара, необходимо учитывать изменения условий теплообмена на обогреваемой (7) и необогреваемой (8) поверхностях конструкции, соответственно:

img;
(7)
img;
(8)

где α1(τ), α2(τ) –значения коэффициентов теплообмена между обогреваемой поверхностью ограждающей конструкции и продуктами горения, а так же необогреваемой поверхностью и наружным воздухом соответственно [13]; tf(τ) – среднеобъемное значение температуры продуктов горения; to – температура наружного воздуха и температура ограждающей конструкции до начала пожара.

Для определения величины коэффициента теплообмена между обогреваемой поверхностью ограждающей конструкции и продуктами горения α1(τ) в соответствие с [14] можно использовать эмпирическое уравнение (4):

img;
(9)

Тепловые потери от необогреваемой поверхности ограждающей конструкции наружному воздуху, характеризующиеся значением  α2(τ) включают в себя конвективную αки лучистую αл составляющую, так, что:

img;
(10)

Квалифицируя процесс теплообмена между охлаждающим воздухом и необогреваемой поверхностью ограждающей конструкции как естественную конвекцию в большом объеме в соответствии с основными положениями теории подобия и [15], критериальное уравнение (11) позволяет определить величину конвективной составляющей тепловых потерь (12).

img;
(11)
img;
(12)

Лучистая составляющая тепловых потерь от необогреваемой поверхности ограждающей конструкции наружному воздуху учитываются уравнением (13):

img;
(13)

В условиях реального пожара происходит изменение температуры продуктов горения, а, следовательно, и температуры в массиве ограждающей конструкции, поэтому температурная зависимость свойств материалов ограждающей конструкции для каждого слоя учитывается в информационно-справочном модуле по средней температуре tm=(ti,j+ti+1,j)/2. Решение дифференциального уравнения (6) относительно температур ограждающей конструкции осуществляется методом конечных разностей с использованием явной разностной  [16].

3. Основные результаты

Разработанный программный комплекс содержит модули, являющиеся автономными программными продуктами с собственным функциональным назначением:

-вычислительный модуль по расчету среднеобъемной температуры продуктов горения в помещении с использованием баз данных показателей пожарной нагрузки для функционально однотипных помещений и различных горючих материалов, не только  показывает динамику изменения температуры, но и предоставляет исходную информацию для решения  различных пожарно-технических задач;

- вычислительный модуль по расчету расходов поступающего воздуха и газовой среды, удаляемой из помещения в условиях развития пожара, может использоваться с целью установления термогазодинамической картины пожара;

- вычислительный модуль по расчету теплового поля в ограждающих конструкциях в условиях реального температурного режима внутреннего пожара дает возможность произвести оценку огнестойкости конструкции;

- вычислительный модуль по расчету прогрева защищённых и незащищённых металлических элементов конструкций в условиях реального внутреннего пожара с учетом температурных зависимостей теплофизических характеристик материалов огнезащиты и металлов  может быть использован для оценки огнестойкости и разработки проектов огнезащиты металлических несущих конструкций;

- справочно-вычислительный модуль, представляющий собой базу данных теплофизических свойств веществ и значений показателей пожарной опасности по типовой горючей нагрузке, может использоваться как один из элементов автоматизированной системы тепловых расчетов, а также выполнять функции самостоятельного электронного справочника.

Создание единого модульного вычислительного комплекса с оперативным поиском и редактированием исходных данных позволяет не только упростить, но и существенно снизить трудоемкость решения некоторых задач пожарной безопасности применительно к условиям внутреннего пожара в помещениях зданий различного назначения.

На рисунке 5 представлен интерфейс информационно-операционного комплекса в режиме ввода начальных условий, реализующего интегральную модель пожара в ограждениях [18].

На рисунке 6 представлены результаты теплового расчета потолочного перекрытия при огневом воздействии продуктов горения разлившегося мазута.

Интерфейс информационно-операционного комплекса в режиме ввода начальных данных

Рисунок 5 - Интерфейс информационно-операционного комплекса в режиме ввода начальных данных

Результаты теплового расчета потолочного перекрытия при огневом воздействии продуктов горения разлившегося мазута

Рисунок 6 - Результаты теплового расчета потолочного перекрытия при огневом воздействии продуктов горения разлившегося мазута

Апробированные расчетные схемы  были реализованы в операционном модуле расчета температурного прогрева ограждающих конструкций при одностороннем огневом воздействии пожара.

Следует подчеркнуть, что объединение разноуровневых задач (температурный режим внутреннего пожара задача первого уровня и задачи, связанные с прогнозированием воздействия этого параметра на другие опасные факторы задачи второго уровня) в едином вычислительном комплексе позволяет существенно  снизить трудоемкость их решения, так как осуществляется автоматический перенос результатов моделирования пожара в расчет ограждающих конструкций.

4. Заключение

Разработан модульный программный комплекс, практическое использование которого не требует специального компьютерного обеспечения и дополнительной подготовки сотрудника ФПС для оперативного решения задач пожарной безопасности.

Предложенная в модульном программном продукте оптимизация поиска и ввода теплофизических характеристик в среде Microsoft Office Excel с применением Vissual Basicfor Applications, а также простота и доступность выполнения оперативных пожарно-технических расчетов должны обусловить рост числа специалистов ФПС, которые смогут самостоятельно и оперативно осуществлять в процессе профессиональной деятельности  поиск конструктивных объемно-планировочных решений для предотвращения негативного воздействия высокотемпературного режима на личный состав, персонал объекта и материальные ценности.

Статья может быть полезна преподавателям вузов пожарно-технического профиля в процессе профессиональной подготовки специалистов в области пожарной и техносферной безопасности.

Article metrics

Views:468
Downloads:3
Views
Total:
Views:468