Анализ пожарного риска в спальне. Моделирование в Pyrosim

В данной статье приводится результаты моделирования пожара в спальне. Авторы статьи: Хун Чжан, Гаопан Янь, Минцзюнь Ли, Цзиньшэн Хань.

Аннотация

Для изучения влияния различных условий на процесс возникновения и развития пожара в помещении, в данной работе используется Pyrosim для моделирования пожара в закрытой комнате простой конфигурации. В работе сравнивается и анализируется изменение температуры, высоты дымового слоя и теплового потока для двух сценариев:

• Сценарий 1: окно и дверь открыты
• Сценарий 2: окно закрыто, дверь открывается через 30 секунд после возникновения пожара

Результаты показывают, что в первые 30 секунд после возникновения развитие пожара никак не связано с открытым или закрытым состоянием дверей и окон. На средней и последней стадиях пожара, когда дверь и окно полностью открыты, температура и тепловой поток в помещении ниже, а расчетный уровень дымового слоя выше. При моделировании пожара при закрытом окне и открытой двери максимальная температура в помещении примерно на 10 градусов выше, чем в Сценарии 1.

1. Введение

Пожар — это явление неконтролируемого горения, причиняющего ущерб. Среди всех видов чрезвычайных ситуаций пожар является одним из самых частых и распространенных событий, которое несет угрозу отдельным людям и обществу в целом. Существуют пожары в зданиях, лесные пожары, пожары транспортных средств и т.д., но среди всех видов пожаров пожары в зданиях возникают наиболее часто и наносят наибольший ущерб[1].

Изучение закономерностей возникновения и развития пожаров, прогнозирование опасных факторов пожара является ключом к эффективному предупреждению и своевременному тушению пожаров. При проведении исследований в области пожарной безопасности, из-за высокой стоимости пожарных испытаний и высокого уровня опасности, очень трудно провести натурные пожарные испытания. Поэтому использование компьютерного моделирования для анализа особенностей пожара является актуальным решением при проведении исследований.

Ключевым моментом компьютерного моделирования является разработка расчетной модели пожара, сопоставимой с реальным пожаром в здании. Это необходимо для того, чтобы анализ процесса развития пожара можно было выполнить с достаточной степенью достоверности [1].

• Cui Tiejun и др.[2] использовали в качестве модели станцию метро, выполняли моделирования пожара для изучения изменения температуры и распространения дымовых потоков при пожаре;
• Liu Xiao и др. [3] использовали FDS для моделирования опасных факторов пожара в помещениях и коридорах высотного жилого здания и определили оптимальное время эвакуации на основе характеристик концентрации дыма, концентрации CO, температуры и видимости в различных точках измерения;
• Glasa и др. [4] определили, что кинозал является наиболее опасным местом возникновения пожара, и выяснили, что место примыкания криволинейного потолка является наиболее опасным для зрителей в случае пожара. На основе этого экспериментального вывода было выполнено моделирование пожара в кинотеатре с помощью FDS[5].
• Fu Yigang и др.[6] провели моделирование пожара для ряда базовых моделей, проанализировали и сравнили численные характеристики температуры, видимости, концентрации дыма, концентрации CO₂, концентрации CO и других показателей, и обнаружили, что при моделировании опасных факторов пожара сначала видимость достигает критического значения, а затем температура.
• Gong Zhencong и другие [7] использовали FDS для моделирования пожара в ресторане с хот-потами в Нанкине, проанализировали распространение дыма, температуру и видимость в магазине, определили оптимальное время эвакуации и выяснили, что оборудование пожарной сигнализации может сократить время обнаружения пожара людьми в магазине, а увеличение количества проемов магазина может увеличить время безопасной эвакуации персонала;
• He Mingli и другие [8] обнаружили, что ранняя стадия пожара это лучшее время для тушения пожара. Когда пожар переходит в развитую стадию, потушить огонь сложнее, но спринклерная система и система дымоудаления будут явно локализовывать пожар.

В данной работе программное обеспечение FDS используется для изучения и анализа процесса изменения таких факторов, как температура, уровень дымового слоя, тепловой поток и других опасных факторов пожара в помещении, и определения наилучшего времени эвакуации при различных сценариях.

2. Создание модели

2.1 Особенности помещения

Размер помещения для моделирования пожара составляет 3,6 х 5,2 х 2,9 м. Размер двери – 900 х 2100 мм, размер окна – 2100 х 1800 мм, расстояние от уровня пола составляет 600 мм. В комнате находятся кровать, шкаф и прикроватные тумбы. Размер кровати – 1,5 х 2,0 м, высота – 0,45 м. На кровати лежит матрас и несколько комплектов футонов. Размер шкафа составляет 0,5 х 1,1 м, а высота – 1,9 м. Также есть две прикроватные тумбочки размером 0,3 х 0,4 х 0,5 м.

Схема помещения представлена на рисунке 1.

Рисунок 1. Схема помещения для моделирования пожара

2.2. Обстановка на месте пожара

В данной работе моделируется простая отдельная комната, в которой горючей нагрузкой является корпус кровати и шкаф, заполненный одеждой. На рисунке 2 показана 3D-модель комнаты. Стены комнаты имеет толщину 240 мм, а поверхность покрыта 20-миллиметровым слоем цементного раствора. Шкаф, прикроватная тумба и корпус кровати изготовлены из дерева с плотностью 570 кг/м³ и тепловыделением 430 кДж/кг. Матрас и постельные принадлежности на корпусе кровати состоят из слоев, первый слой из ткани толщиной 2 мм, второй слой из пенополиуретана толщиной 100 мм.

Рисунок 2. 3D модель помещения

Согласно требованиям программного обеспечения FDS, размер ячейки при разбиении сетки должен соответствовать модулю 2U, 3V и 5W, причем U, V и W – все целые числа [9]. Поэтому для достижения оптимальной точности моделирования сетка объекта моделирования разделена на ячейки 54 х 81 х 40, и каждая ячейка представляет собой куб с размером грани 0,1 м [10].

Очаг пожара размещается на кровати на поверхности одеяла, площадь очага пожара составляет 0,2 м х 0,2 м, начальная температура – 1000°C, интенсивность тепловыделения составляет – 1000 кг/м², заданы параметры парообразования. В данной работе, моделирование горения пенополиуретана производится в течение 600 с, при этом игнорируется стадия тления до момента возникновения открытого пламени [5].

В помещении установлены датчики температуры, плоскости замера дымового слоя и датчики теплового потока. Расположение датчиков показано на рисунке 3(а). Рассматриваются 2 сценария, которые описаны в таблице 1. Для замера температуры в помещении, использовались плоскости замера по оси Х. Плоскости замера показаны на рисунке 3(б), плоскость замера Х=1,3 м размещается вдоль изголовья кровати, плоскость Х=2,6 м размещается вдоль основания кровати, а плоскость Х=4,1 м размещается вдоль двери.

Рисунок 3. Расположение датчиков и плоскостей замера в помещении

Таблица 1. Описание сценариев пожара

Сценарий	Описание
Сценарий 1	Окно и дверь открыты
Сценарий 2	Окно закрыто, дверь открывается после 30 с

3. Результаты моделирования

3.1. Температура

Рисунок 4. Графики температуры в различных точках замера

На рисунке 4 показаны графики температуры в различных точках помещения для 2 сценариев. На рисунках 4(а) – 4(д) хорошо видно, что температура в точках 1-5 растет до 50 секунды, скорость роста температуры после 50 секунды постепенно замедляется и стабилизируется [5]. В первые 30 секунд температура в помещении сопоставима для двух сценариев. Во Сценарии 2 окно находится в закрытом состоянии, а дверь открывается после 30 секунды. Температура в Сценарии 1 примерно на 10℃ ниже чем в Сценарии 2. Результаты показывают, что в первые 50 секунд рост температуры в комнате никак не связан с открыванием и закрыванием двери и окна. Поскольку выделение тепла происходит быстро, и оно не успевает рассеиваться, это приводит к быстрому повышению температуры в помещении [5]. Но затем, поскольку дверь и окно в Сценарии 1 открыты, тепло будет рассеиваться через дверь и окно, поэтому температураи в Сценарии 1 явно ниже, чем в Сценарии 2.

Разница между графиками в точке 6 и точках 1-5 заключается в том, что в Сценарии 1 изменение температуры в точке 6 незначительное. В Сценарии 1, когда дверь и окно открыты, температура в точке 6 составляет около 25℃, а максимальная температура достигает 40℃. В Сценарии 2, при закрытом окне и открытой двери после 30 секунды, график температуры в точке 6 сопоставим с графиками в точках 1-5. В течение первых 50 секунд температура быстро растет и график изменяет направление после 50 секунды. После 50 секунды температуры постепенно стабилизируется.

Поскольку точка 6 расположена рядом с дверью, на оказывает влияние состояние двери и окна. Когда дверь и окно открыты, тепло в помещении выделяется через дверь и окно, а точка 6, находясь рядом с дверью, контактирует с внешним воздухом. Когда дверь и окно открыты, образуется обратный поток внутреннего воздуха, который снижает температуру в помещении. Когда открыта только дверь, а окно закрыто, в помещении нет обратного потока, и тепло не может быстро рассеиваться.

Плоскости замера температуры в различных плоскостях для двух сценариев показаны на рисунках 5-7 (на 510 секунде моделирования). На рисунках хорошо видно, что температура в Сценарии 1 ниже, чем в Сценарии 2 на 10°C, а максимальная температура возле дверного проема в комнате на 5°C ниже, чем температура возле кровати. Основная причина заключается в расположении очага пожара. Корпус кровати примыкает к постельному белью, при этом корпус кровати является основной горючей нагрузкой, а на температуру возле дверного проема влияет внешняя среда. Тепло рассеивается вдоль двери и окна, тем самым снижая температуру в помещении.

Рисунок 5. Температура в плоскости Х = 1,3 м на 510 с

Рисунок 6. Температура в плоскости Х = 2,7 м на 510 с

Рисунок 7. Температура в плоскости Х = 4,1 м на = 510 с

Рисунок 8. Сравнение высоты дымового слоя

3.2. Высота дымового слоя

Помимо высокой температуры и токсичных газов во время пожара, дым также оказывает влияние на возможность безопасной эвакуации людей и спасения при пожаре. Частицы дыма могут полностью блокировать видимость. Когда дым распространяется, интенсивность видимого света значительно ослабевает из-за его поглощения частицами дыма, из-за этого видимость на путях эвакуации значительно снижается. Дым при попадании в глаза оказывает сильное токсичное воздействие человека, при этом люди не могут открыть глаза, что непосредственно влияет на скорость эвакуации [11– 12]. Опасность дыма заключается не только в его физической опасности для людей, он также часто является причиной паники. Когда пожар большой, пламя и густой дым появляются в дверных и оконных проемах, что вызывает большую панику. Это в свою очередь значительно осложняет процесс эвакуации [13].

Исследования показали, если высота дымового слоя опускается ниже 2,5 м, это серьезно влияет на эвакуацию людей. Люди не могут завершить эвакуацию, когда высота дымового слоя опускается ниже 1,5 м. Из графика высоты дымового слоя на рисунке 8 видно, что изменение высоты дымового слоя в двух сценариях сопоставимо. Уровень дымового слоя быстро снижается до самой низкой точки через 30 секунд, а в Сценарии 2 сильно варьируется в течение 30 секунд после открытия двери, а затем выравнивается. Оба сценария имеют одинаковый риск в первые 30 секунд пожара. Однако в более поздний период, когда дверь и окна открыты, дверь и окна могут рассеивать дым наружу, а дым в Сценарии 2 может рассеиваться только через дверной проем. Поэтому после 30 секунды высота дымового слоя ниже, когда дверь и окна полностью открыты, чем высота в сценарии с закрытым окном.

Из рисунка 8 видно, что наилучшее время эвакуации для Сценариев 1 и 2 – в течение 30 секунд. Через 30 с высота дымового слоя в Сценарии 1 достигает уровня 1,8 м, и эвакуация людей будет затруднена. Высота дымового слоя в Сценарии 2 опускается ниже 1,5 м, и эвакуация людей не может быть выполнена.

3.3 Тепловой поток

Рисунок 9а. Графики теплового потока в дверном проеме

Рисунок 9б. Совокупный график теплового потока в помещении

На рисунке 9а показан тепловой поток в дверном проеме. Результаты показывают, когда дверь и окно открыты, тепловой поток двери всегда находится на одном уровне, и практически не изменяется. График Сценария 2 аналогичен Сценарию 1 до момента открытия двери, после открытия двери тепловой поток быстро возрастает до максимального значения, затем уменьшается и выравнивается.

Поскольку через окно происходит рассеивание теплового потока наружу, тепловой поток в помещении в Сценарии 1 намного ниже, чем в Сценарии 2. Максимальный тепловой поток в дверном проеме составляет 30 кВт, а тепловой поток в помещении – 15 кВт.

4. Заключение

Анализируя результаты моделирования двух сценариев пожара в помещении, можно сделать следующие выводы:

• 1) Состояние открытия и закрытия дверей и окон не влияют на изменение температуры в течение первых 30 секунд пожара, и опасность пожара примерно одинакова для Сценария 1 и 2. На более поздней стадии пожара общая температура в помещении в Сценарии 1 ниже, чем в Сценарии 2, поскольку все двери и окна открыты. Максимальная температура в помещении с сценариях отличается на 10°C, максимальная температура достигается около корпуса кровати, температура в других точках отличается примерно на 5°C.
• 2) Сравнивая расчетный уровень дымового слоя в Сценарии 1 и 2, можно обнаружить, что когда дверь и окно полностью открыты, дым выходит дверь и окно, что способствует его рассеиванию.
• 3) В Сценарии 1 и 2 суммарный тепловой поток в помещении сопоставим в первые 30 секунд пожара. После 30 секунды суммарный тепловой поток помещения в Сценарии 2 примерно на 5 кВт выше, чем в Сценарии 1. Часть тепла расходуется на повышения температуры в помещении, а небольшая часть тепла рассеивается через дверь и окно.
• 4) Для пожаров в спальнях характерно большое количество мебели, а также горючих материалов склонных к тлению. Стадию тления сложно обнаружить, поэтому к моменту появления открытого пламени, горение происходит интенсивно. Развившийся пожар, как правило, трудно локализовать, и на этой стадии затруднена эвакуация.

Ссылки

[1] Экспериментальное исследование и численное моделирование вспышки в помещении. Wang L.Y. (2015) Experimental Research and Numerical Simulation of Conflagration Indoor. Shandong University of Science and Technology.

[2] Моделирование пожара и план эвакуации при строительстве станции метро на основе FDS. Cui T.J., Ma Y.D. (2013) Fire Simulation and Evacuation Plan of Construction Subway Station Based on FDS. Journal of Natural Disasters, 22: 178.

[3] Исследование численного моделирования пожара в высотном здании на основе FDS. Liu X., Cai Z.Y., Ma S.J., et al. (2019) Research on Numerical Simulation of High-rise Building Fire Based on FDS. Value Engineering, 38: 131-133.

[4] Моделирование пожара в кинотеатре с помощью FDS. Glasa J., Valasek L., Weisenpacher P., et al. (2013) Cinema fire modelling by FDS, 410: 12013-12016.

[5] Анализ моделирования пожара в здании общежития на основе Pyrosim. Long X.F., Zhang X.Q., Lou B. (2017) Fire Simulation Analysis of Dormitory Building Based on Pyrosim. Journal of Safety and Environment, 17: 1348-1353.

[6] Исследование моделирования пожара базовой модели на основе FDS. Fu Y.G., Dong H.R. (2019) Research on Fire Simulation of Basic Model Based on FDS. Construction Technology, 50: 369-371.

[7] Исследование численного моделирования пожара в ресторане с хот-потами на основе FDS. Gong Z.C., Zheng Z.Q. (2019) Research on Fire Numerical Simulation of a Hot Pot Restaurant Based on FDS. China Water Transport (second half of the month),19: 87-88.

[8] Исследование моделирования пожара в квартире. He M.L., Liu J., Zhao H. (2015) Research on Fire Simulation of Tenglong Apartment. Journal of Hubei Institute of Technology, 31: 12-16.

[9] Исследование по моделированию пожара и прогнозированию риска для кирпично-деревянных древних зданий (группы). Wang P.F. (2018) Research on Fire Simulation and Risk Prediction of Brick-wooden Ancient Buildings (groups). Changan University.

[10] Руководство пользователя FDS. Mcgrattan K., Hostikka S., Mcdermott R., et al. (2013) Fire Dynamics Simulator, User’s Guide. Nist Special Publication.

[11] Численное исследование особенностей дымовых потоков и явления образования пробок под боковым дымовым каналом при пожаре в туннеле. Yang J., Pan X.H., Wang Z.L., et al. (2018) Numerical study on the smoke flow characterization and phenomenon of plug－ holing under lateral smoke exhaust in tunnel fire. Journal of Applied Fluid Mechanics, 11: 115-126.

[12] Распределение температуры в дымовых потоках при пожаре в зале пересадочной станции метро. Hao Y.L., Chen J.M., Chen K.H., et al. (2018) Temperature Distribution of Fire Smoke in Underground Transfer Hall. Chinese Journal of Safety Science, 28: 80-85.

[13] Исследование токсикологии пожарного дыма. Tong C.Y., Lin F.S. (2003) Huang QB. Research Progress of Fire Smoke Toxicology. Chinese Journal of Pharmacology and Toxicology, 17: 319-320.