Перевод статьи о влияния размеров проемов на величину теплового потока при пожаре сербских1 и румынских2 авторов: Darko Zigar, M.Sc.1; Dusica Pesic, D.Sc.1; Ion Anghel, D.Sc.2; Ing. Nikola Misic1.
Аннотация
В научной среде пожарной безопасности, излучение теплового потока принято считать основным способом передачи тепла, которым определяется ключевое воздействие на развитие и распространение пожаров. Воздействие теплового потока представляет потенциальную опасность для жильцов и соседних зданий. Как правило, пожары из помещений распространяются через наружные проемы из-за излучения от факела пламени и дымовых потоков. По этой причине очень важно спрогнозировать возможное воздействие теплового излучения от пожара через проемы помещений.
В рамках этой статьи Fire Dynamics Simulator (FDS) и его метод конечных объемов для радиационного переноса используются для изучения теплового излучения от пожара в помещении через его проем. Моделирование проводилось для проемов с различными пропорциями ширины и высоты:
- Ш < В;
- Ш = В;
- Ш > В.
Были исследованы поля тепловых потоков на различных расстояниях от проема. Полученные результаты показывают, что с увеличением размеров проема увеличивает и излучение теплового потока.
Ключевые слова: тестовая комната; размеры окна; пожар; излучение теплового потока.
Введение
Тепло, выделяемое огнем, может передаваться путем излучения, конвекции и теплопроводности. Наиболее частым случаем распространения пожара от здания к зданию является тепловое излучение, которое также представляет собой угрозу для жизни и здоровья человека. Поэтому тепловое излучение от пламени и дымовых потоков является одной из наиболее важных деталей для анализа пожарного риска.
Пожар представляет опасность для людей, находящихся как снаружи, так и внутри помещений. На пожаре можно такие травмы как: отравление дымом, ожоги и т.д. Ожоги могут быть как восстанавливаемыми, так и нет, в зависимости от степени ожога (в зависимости от теплового потока, его интенсивности и продолжительности воздействия) [7]. Предельно допустимые величины интенсивности воздействия на людей теплового потока были определены в различных стандартах [2, 4]. В частности, критерий, используемый для определения безопасного расстояния до людей, подвергающихся воздействию теплового потока, указывает на то, что в различных стандартах существует следующее безопасное соотношение:
воздействие теплового потока в течение 30 секунд, при мощности 5 кВт/м2, превышение этого значения может привести к серьезным травмам.
С другой стороны, воспламенение в результате воздействия теплового потока является наиболее распространенным путем перехода пожара между соседними зданиями.
Распространение пожара зависит от:
- интенсивности горения;
- расстояния между зданиями;
- огнестойкости наружных стен;
- процента проемности облучаемой стены;
- соотношения ширины и высоты зданий.
Параметрами, влияющими на тепловой поток от горящего здания к облучаемой поверхности соседнего здания, являются [6]:
- проекция факела пламени из проемов;
- коэффициент излучения;
- угловой коэффициент;
- расстояние между зданиями.
Количество теплового потока, на облучаемом фасаде соседнего здания, является очень важным параметром для оценки возможности распространения пожара. Не существует международно-признанной методики проектирования зданий, которая учитывала бы распространение огня между зданиями.
В большинстве национальных строительных норм и методов расчета распространения пожара в качестве максимально допустимого уровня излучения на соседний фасад принимается значение 12,5 кВт/м2 [1, 5, 8].
По этим причинам очень важно прогнозировать излучение теплового потока как внутри пожарного отсека, так и через его проемы. В данной работе использовался Fire Dynamics Simulator (FDS), который основан на методе крупных вихрей (Large Eddy Simulation – LES), для исследования интенсивности теплового потока пожара, как одного из наиболее распространенных способов теплопередачи на стадии полного развития пожара. Основной целью этого исследования было изучение влияния размеров окон помещения на интенсивность теплового потока. В качестве модели использовалась одна испытательная комнаты с различными размерами окон, с целью изучения процесса развитие пожара, возникновение объемной вспышки, распространение огня к проему, а также полей излучения теплового потока.
Методика
Методика расчета
FDS, разработанный Национальным институтом стандартов и Технологии, в настоящее время является популярным инструментом вычислительной гидродинамики (CFD) в исследованиях, связанных с пожарами. Он численно решает Уравнения Навье-Стокса для теплового потока. Ключевыми уравнениями являются основные уравнения сохранения массы, импульса и энергии для термически расширяющейся многокомпонентной смеси идеальных газов, как показано ниже [3]:
Сохранение массы:
\frac{\partial \rho}{\partial t}+\triangledown\cdot\rho \textbf{u}=\dot{m}'''_b \quad\quad\quad(1)
Сохранение массы отдельных видов газов:
\frac{\partial}{\partial t}(\rho Y_\alpha)+\triangledown\cdot\rho Y_\alpha\textbf{u}=\triangledown\cdot\rho D_\alpha\triangledown Y_\alpha+\dot{m}'''_\alpha+\dot{m}'''_{b,\alpha} \quad\quad\quad(2)
Сохранение импульса:
\frac{\partial}{\partial t}(\rho \textbf{u})+\triangledown\cdot\rho \textbf{u} \textbf{u}+\triangledown p=\rho \textbf{g}+\textbf{f}_b+\triangledown\cdot\tau_{ij} \quad\quad\quad(3)
Сохранение энергии, в пределах энтальпии при различных температурах:
\frac{\partial}{\partial t}(\rho h_s)+\triangledown\cdot\rho h_s \textbf{u}=\frac{D p}{D t}+\dot{q}'''-\dot{q}'''_b-\triangledown\cdot\dot{q}''+\varepsilon \quad\quad\quad(4)
где \small \rho – плотность, \small u – три составляющие скорости, \small u=\left[u,v,w\right]^T, \small T – температура, \small D_{\alpha} – коэффициент диффузии, \small Y_{\alpha} – массовая доля \small \alpha частиц , \small \dot{m}'''_{b,\alpha} – образование \small \alpha частиц через испарение, \small p – давление, \small \textbf g – ускорение свободного падения, \small \textbf{f}_b – вектор внешней силы, \small \tau_{ij} – тензор напряжений, \small h_s – энтальпия при различных температурах, \small \dot{q}''' – скорость выделения тепла на единицу объема в результате химической реакции, \small \dot{q}'''_b – энергия, передаваемая паром, \small \dot{q}'' – тепловые потоки проводимости и излучения, \small \varepsilon – скорость рассеивания, а \small t – время.
Уравнение излучения
Перенос энергии состоит из конвекции, проводимости и излучения. Конвекция тепла осуществляется путем решения основных уравнений сохранения. Поступление и потери тепла за счет проводимости и излучения представлены расхождением вектора теплового потока в уравнении сохранения энергии [3]. Уравнение переноса излучения (RTE) для поглощающей/излучающей и рассеивающей среды имеет вид:
\textbf{s}\cdot\triangledown \textbf {I}_\lambda (x,s)=-\left[\kappa(\textbf{x},\lambda)+\sigma_s(\textbf{x},\lambda) \right]\textbf {I}_\lambda(\textbf{x},\textbf{s})+B(\textbf{x},\lambda)+\\+\frac{\sigma_s(\textbf{x},\lambda)}{4\pi}\int_{4\pi} \Phi(\textbf{s},\textbf{s'})\textbf {I}_\lambda(\textbf{x},\textbf{s'})d \textbf{s'}\quad\quad\quad(5)
где \small \textbf {I}_\lambda(\textbf{x},\textbf{s}) – интенсивность излучения для длины волны \small \sigma, s – вектор направления интенсивности, \small \kappa(\textbf{x},\lambda) и \small \sigma_s(\textbf{x},\lambda) – локальные коэффициенты поглощения и рассеяния соответственно, а \small B(\textbf{x},\lambda) – источник излучения.
Интеграл в правой части описывает рассеивание с других направлений. В случае если газ не рассеивается, RTE принимает вид:
\textbf s\cdot\triangledown \textbf I_\lambda (\textbf x,\textbf s)=\kappa(\textbf x,\lambda)\left[ \textbf I_b(\textbf x)-\textbf I_\lambda(\textbf x,\textbf s)\right] \quad\quad\quad(6)
где \small \textbf I_b(\textbf x) – постоянное значение, заданное функцией Планка.
Учитывая, что спектральная зависимость (λ) не может быть точно решена при практическом моделировании, спектр излучение делится на относительно небольшое количество излучений и для каждого излучения выводится отдельный RTE, как показано ниже:
s\cdot\triangledown \textbf I_n(\textbf x,\textbf s)=\kappa_n(\textbf x)\left[ \textbf I_{b,n}(\textbf x)-\textbf I_n(\textbf x,\textbf s) \right],\quad n=1...N \quad\quad\quad(7)
где \small I_n – интенсивность, интегрированная по излучению \small n, а \small k_n – соответствующий средний коэффициент поглощения внутри излучения \small n. Источник может быть определен как доля излучения абсолютно черного тела:
\textbf I_{b,n}=F_n(\lambda_{min},\lambda_{max})\sigma T^4/\pi
где \small \sigma – постоянная Стефана-Больцмана. Когда интенсивности, соответствующие излучениям, известны, общая интенсивность вычисляется путем суммирования всех излучений:
\textbf I(\textbf x,\textbf s)=\sum_{n=1}^N \textbf I_n(\textbf x,\textbf s)
Даже при достаточно небольшом количестве диапазонов, решение нескольких RTE занимает очень много времени. Для снижения вычислительных затрат, модель излучения по умолчанию в FDS предполагает, что в излучении преобладает непрерывное излучение без рассеивания от сажи, образующейся при пожаре, и поэтому предполагается, что излучение происходит по модели серого газе. Спектральная зависимость сводится к одному коэффициенту поглощения (N = 1), и может быть определена интенсивностью излучения абсолютно черного тела:
\textbf I_b(x)=\sigma T(x)^4/\pi
Вектор лучистого теплового потока \small q''_r определяется как:
\dot{a}''_r(\textbf x)=\int_{4\pi}\textbf s'\textbf I(\textbf x,\textbf s')d \textbf s' \quad\quad\quad(8)
Составляющая газовой фазы теплового излучения в уравнении энергии выглядит следующим образом:
-\triangledown\cdot\dot{q}''_r(\textbf x)=\kappa(\textbf x)\left[ U (\textbf x)-4\pi \textbf I_b(\textbf x)\right];\\ U(\textbf x)=\int_{4\pi} \textbf I(\textbf x,\textbf s'(\textbf x))d\textbf s'\quad\quad\quad(9)
Модель
Для моделирования в FDS используются следующие исходные данные:
- геометрия здания;
- размер расчетной ячейки;
- расположение очага пожара;
- тип горючей нагрузки;
- интенсивность тепловыделения;
- теплофизические свойства стен, потолка, пола и мебели;
- размеры проемов, условия окружающей среды и т.д.
Расчетная область (ширина 5,4 м, длина 9,0 м и высота 5,0 м) части здания была разработана для моделирования CFD. Испытательная комната, расположена на первом этаже, имеет размеры 5,2 м х 4,6 м × 2,6 м и открытое окно на высоте 0,9 м от пола. Стены и потолок комнаты облицованы гипсокартонными листами. Пожарная нагрузка помещения состоит из двух кресел, трех стульев (имеющих мягкую обивку), стола и шкафа (все из сосны) и синтетического ковра [9]. Теплофизические свойства материалов, использованных для моделирования, приведены в таблице 1. Пространство вокруг здания было спроектировано как открытое пространство без ветра.
Таблица 1
Теплофизические свойства материалов
| Материал | Толщина | Плотность | Теплопроводность | Температура воспламенения | Удельная теплота сгорания |
| Гипсокартон | 0,013 | 1440 | 0,48 | 400 | – |
| Сосна | 0,028 | 450 | – | 360 | 500 |
| Хлопок (обивка) | – | 40 | – | 280 | 1500 |
| Синтетический ковер | 0,06 | 750 | – | 290 | 2000 |
Скорость тепловыделения (HRR) пожара обычно определяется площадью очага пожара и скоростью тепловыделения на единицу площади. В данном исследовании в качестве очага пожара принималось кресло размером 0,6 м х 0,6 м, со скоростью тепловыделения 360 кВт.
При использовании метода крупных вихрей (LES) в моделировании, размер ячейки сетки является ключевым параметром, который необходимо тщательно подбирать, поскольку от этого зависит достоверность получаемых результатов. Размер ячейки сетки обычно зависит от скорости тепловыделения источника огня и свойств воздуха. Эти факторы в совокупности дают характерный диаметр пожара D*, который определяется следующим образом, [3]
D^*=\left( \frac{\dot{Q}}{\rho_\infty c_p T_\infty \sqrt{g}} \right)^{\frac{2}{5}} \quad\quad\quad(10)
где \small Q – скорость тепловыделения (HRR), \small c_p – удельная теплоемность, \small \rho_\infty – плотность окружающего воздуха, \small \rho_\infty – температура окружающего воздуха, а \small g – ускорение свободного падения.
В целом, численное решение уравнений получается тем точнее, чем меньше размер ячейки расчетной сетки. В данном исследовании сетка была однородной (0,1 м), а количество ячеек сетки составляло 243000 (54 x 90 x 50 в направлении X, Y и Z соответственно).
Продолжительность моделирования составила 1200 секунд. Моделирование проводилось при открытом оконном проеме с различным соотношением ширины и высоты (т.е. Ш < В; Ш = В; Ш > В). Окно имело размеры:
- 0,8 м x 1,2 м (сценарий Ш < В)
- 1,2 м x 1,2 м (сценарий Ш = В)
- 1,6 м х 1,2 м (сценарий Ш > В).
Численно исследовались поля теплового потока пламени и дымовых газов внутри помещения и на разных расстояниях от окна помещения.
Результаты
Расчет для окна 0,8 м x 1,2 м (сценарий Ш < В)
Полученные результаты развития пожара в помещении и его распространения через окно показаны на рисунке 1.
Рисунок 1. Развитие пожара, (a) 560 с; (b) 650 с
Как показано на рисунке 1, объемная вспышка произошла через 560 секунд с момента начала моделирования. Однако из-за небольших размеров окна в помещение поступало небольшое количество окружающего воздуха. Горение горючих веществ происходило в условиях слабой вентиляции (пожар регулируемый вентиляцией). То есть, при недостатке кислорода (O2), необходимого для полного сгорания, количество O2 уменьшилось, и пожар самозатух за 650 секунд, когда концентрация O2 в помещении снизилась до уровня 12%.
Поля теплового потока в вертикальной плоскости X = 2,6 м и на расстояниях 1 м и 2 м от окна помещения показаны на рисунке 2.
Рисунок 2. Поля теплового потока: (а) X = 2,6 м; (b) 1 м от окна; (c) 2 м от окна
Максимальные значения теплового потока были достигнуты после вспышки, через 565 секунд от начала моделирования. Как видно на рисунке 2, максимальное значение теплового потока и факела пламени внутри помещения и возле окна составляло 96,5 кВт/м2. Это значение потока было достигнуто под потолком комнаты и в верхней части окна. Максимальные значения теплового потока в зависимости от расстояния от окна составили:
- 1 м – 9,2 кВт/м2;
- 2 м – 4,2 кВт/м2.
Результаты моделирования показывают, что риск распространения пожара на соседнее здание отсутствует. Тепловой поток имеет опасное для людей значение как внутри помещения, так и снаружи на расстоянии 1 м от окна.
Расчет для окна 1,2 м x 1,2 м (сценарий Ш = В)
Результаты моделирования развития пожара внутри и снаружи помещения показаны на рисунке 3.
Рисунок 3. Развитие пожара, (a) 306 с; (b) 1200 с
В этом случае из-за большего количества воздуха в помещении, объемная вспышка произошла примерно через 200 секунд после начала моделирования. Из-за больших размеров окна и большего притока воздуха в помещение, самозатухание пожара не произошло.
Поля теплового потока в вертикальной плоскости X = 2,6 м и на расстояниях 1 м, 2 м и 3 м от окна, через 503 секунды после начала моделирования, показаны на рисунке 4.
Рисунок 4. Поля теплового потока: (a) х = 2,6 м; (b) 1 м от окна; (c) 2 м от окна; (d) 3 м от окна
Как видно из рисунка 4, из-за больших размеров окна и более высокой вентиляции в помещении, пожар развился сильнее, а высота факела пламени составила около 4,8 м. Следовательно, значения излучаемого теплового потока выше, чем в случае с меньшими размерами окна в помещении. Максимальное значение теплового потока в вертикальной плоскости (X = 2,6 м) составляло 150 кВт/м2. Максимальные значения теплового потока в зависимости от расстояния от окна составили:
- 1 м – 31,5 кВт/м2;
- 2 м -11,2 кВт/м2;
- 3 м -7,2 кВт/м2.
Полученные результаты показывают, что в данном случае существует риск распространения пожара на соседнее здание, если оно расположено на расстоянии менее 2 м от помещения, в котором произошел пожар. Тепловой поток имеет опасное для людей значение как внутри помещения, так и снаружи на всех расстояниях от окна.
Расчет для окна 1,6 м x 1,2 м (Ш > В)
Полученные результаты развития пожара внутри и снаружи помещения показаны на рисунке 5.
Рисунок 5. Развитие пожара, (a) 150 с; (b) 1200 с
Очевидно, что в условиях повышенной вентиляции, как следствие увеличения размеров окна, пожар был более интенсивным. Объемная вспышка произошла через 150 секунд после начала моделирования. Факел пламени из окна имел высоту более 4,8 м. Соответственно, наблюдались самые высокие значения теплового потока внутри и снаружи помещения. Пол теплового потока в вертикальной плоскости X = 2,6 м и на разных расстояниях от окна, через 670 секунд от начала моделирования, показаны на рисунке 6.
Максимальные значения излучения теплового потока в плоскости X = 2,6 м составляли 250 кВт/м2. Этот тепловой поток интенсивнее, чем в двух других сценариях (96,5 кВт/м2 и 150 кВт/м2 соответственно). Максимальные значения теплового потока в зависимости от расстояния от окна составили:
- 1 м – 56,5 кВт/м2;
- 2 м – 21,5 кВт/м2;
- 3 м – 11,7 кВт/м2;
- 4 м – 4,7 кВт/м2.
Рисунок 6. Поля теплового потока: (a) X = 2,6 м; (b) 1 м от окна; (c) 2 м от окна; (d) 3 м от окна; (e) 4 м от окна
В этом сценарии результаты моделирования показывают, что существует риск распространения пожара на соседнее здание, если оно расположено на расстоянии менее 3 м от помещения, в котором происходит пожар. Тепловой поток имеет опасное для людей значение как внутри помещения, так и снаружи на расстоянии менее 4 м от окна.
Заключение
Метод FDS LES использован для исследования интенсивности излучения теплового потока факела пламени и дымовых потоков внутри помещения и за его пределами через окно. Описанный сценарий был предназначен для оценки степени опасности от теплового излучения как для людей, так и для распространения пожара на соседние здания.
Полученные результаты показали, что интенсивность пожара увеличивается, а время полного охвата пламенем помещения уменьшается при увеличении размеров окна. Причиной этого является больший приток воздуха в помещение с окном большего размера и более интенсивное горение горючих материалов. Результаты показали, что с увеличением размеров окна увеличивается интенсивность теплового излучения. Что касается зависимости излучения теплового потока от высоты, то можно сделать вывод, что наибольшие значения излучения теплового потока регистрируются под потолком помещения, а также в верхней части окна, на высоте от 1,5 м до 3,6 м, что соответствует геометрии пламени. Также можно сделать вывод, что интенсивность теплового потока уменьшается с увеличением расстояния от окна помещения.
Результаты моделирования показывают, что потоки тепла зависят от скорости развития пожара, времени полного охвата пламенем помещения, количества дыма, факела пламени и дымовых потоков, выходящих из окна помещения. Однако существует множество других факторов, влияющих на тепловое излучение во время пожара в помещении, таких как направление и скорость ветра. Количественная оценка этих факторов для изучения теплового излучения могла бы стать предметом дальнейших исследований.
Библиография
[1] Распространение огня снаружи здания, Строительные нормы и правила. Approved Document B.: Section B4 – External fire spread, The Building Regulations 1991, 2000., Department of the Environment and the Welsh Office, HMSO, London.
[2] Европейский стандарт по установке и оборудованию для сжиженного природного газа – проектирование береговых установок. EN 1473, European Standard on the Installation and Equipment for Liquefied Natural Gas – Design of On-shore Installations, 2005., Technical Committee CEN/TC 282, Brussels.
[3] Fire Dynamics Simulator (версия 5.4) Техническое руководство. McGrattan, K.; Hostikka, S.; Floyd, J.; Baum, H.: Mell RRW, McDermott R, 2009. Fire Dynamics Simulator (version 5.4) Technical reference guide. National Institute of Standards and Technology, Washington.
[4] Стандарт производства, хранения и обращения со сжиженным природным газом (СПГ). NFPA.: Standard for the Production, Storage, and Handling of liquefied Natural Gas (LNG), 2006., National Fire Protection Association, Quincy, MA.
[5] Рекомендуемая практика защиты зданий от внешнего воздействия огня. NFPA 80A.: Recommended Practice for Protection of Buildings from Exterior Fire Exposure. 2001. National Fire Protection Association, Quincy, MA.
[6] Расстояние между зданиями для обеспечения противопожарной защиты. Международная научная конференция “Вызовы и угрозы общественному порядку и безопасности”. Pesic, D.; Zigar, D.; Živković, LJ.; Živković, N.; Blagojević, M. 2014.: Separation distance between buildings in function of fire protection. International scientific conference “Challenges and threats to public order and safety”, Police Academy “Alexanrdu Ioan Cuza”, Bucharest, 33-41.
[7] Обзор критериев воздействия на людей лучистого теплового потока от пожаров. Raj, P.K. 2008.: A review of the criteria for people exposure to radiant heat flux from fires, Journal of hazardous materials 159, 61-71.
[8] Технические рекомендации по противопожарной защите жилых, коммерческих и общественных зданий. Tehnička preporuka za zaštitu od požara stambenih, poslovnih i javnih zgrada. 2002. Savezni zavod za standardizaciju, Beograd.
[9] Распространение теплового потока через отверстия в помещении. Zigar, D.: Raspodela toplotnog zračenja plamena kroz otvore prostorije, 2006., Fakultet zaštite na radu, Niš.