Рассмотрены результаты моделирования пожара в автобусе при помощи программы FDS. Приводятся результаты моделирования пожара из статьи китайских авторов Jian Zhang， Yiwen Tao, Xiaoying Liu and Hao Zhao.
Аннотация
Для решения задачи моделирования пожара в автомобиле в качестве объекта исследования используется стандартная модель автобуса, а в качестве инструмента для моделирования пожара используется программа PyroSim.
В этом исследовании AutoCAD использовался для создания трехмерной модели автобуса, затем она была импортирована в программу Pyrosim, и программа PyroSim использовалась для моделирования пожара модели автобуса.
В результате исследования было установлено, что пожар в автобусе имеет свои особенности, которые можно разделить на четыре стадии:
- начальная стадия;
- объемная вспышка;
- стадия развития;
- развитая стадия.
По результатам моделирования был проведен анализ моделирования дымовых газов и анализ тепловой мощности, результаты моделирования были проанализированы и подробно представлены.
В ходе исследования было установлено, что хотя применение программного обеспечения PyroSim имеет определенные ограничения при моделировании пожаров в автомобилях, результаты исследования все же могут служить ориентиром для моделирования пожаров в автомобилях, а также для профилактики и борьбы с пожарами в автомобилях.
1. Введение
Согласно статистике мировой пожарной службы, пожары транспортных средств составляют 21% от общего числа пожаров в мире, а пожары автомобилей – 18% [1]. Автобус является основным типом городского общественного транспорта. Поскольку автобус является местом большого скопления людей, угроза пожара для безопасности людей требует детального изучения.
Очень важно изучить особенности пожара, в частности механизм и пути распространение пожара в автобусах [2]. Ученые и эксперты из разных стран провели множество исследований, посвященных особенностям распространения пожаров в автомобилях, выделению тепловой энергии, особенностям распространения дыма и теплофизическим свойствам материалов. K Okamoto и др. [3] рассматривали распространение огня в автомобилях и возможные пути распространения пожара при возникновении в различных точках. Weisenpacher P и др. [4] использовали компьютер для моделирования пожара в автомобиле.
С 2010 года китайские ученые, такие как Bi Kun, Tang Xiaorong и Li Na, изучали пожары в автомобилях с помощью технологии FDS (Fire Dynamics Simulator) [5–6]. Доказано, что это программное обеспечение является эффективным и научно обоснованным для моделирования пожаров в автомобилях, но соответствующих исследований в Китае все еще относительно мало, из-за этого не обеспечивается достаточная техническая поддержка для профилактики пожаров в автомобилях, особенно в автобусах.
По указанным причинам, программное обеспечение PyroSim используется для моделирования пожара в автобусе для дальнейшего изучения особенности пожара. Это позволяет проанализировать процесс пожара в автобусе, процесс его распространения и а также характеристики пожара, это позволяет дать рекомендации по обеспечению пожарной безопасности автобусов и проектирования систем противопожарной защиты.
2. FDS и программа PyroSim
Пожар – это набор сложных химических и физических реакций, тем не менее этот процесс соответствует законам сохранения энергии, что является основой для моделирования пожара в FDS.
В целом, теория FDS включает в себя уравнение сохранения массы, уравнение сохранения импульса, уравнение сохранения энергии и уравнение сохранения компонентов. В некоторых конкретных случаях для контроля может быть добавлено уравнение идеального газа. Уравнение сохранения массы, уравнение сохранения импульса и уравнение сохранения энергии являются самыми основными уравнениями сохранения, которые существуют практически во всех реакциях.
FDS может моделировать процесс распространения пожара, и основой FDS является создание модели горения. Роль модели горения заключается в определении химических и физических реакций различных веществ в сложных химических и гидродинамических процессах. Моделирование горения обычно подразделяется на модель простой химической реакции (горение смеси) и модель химической реакции с конечной скоростью.
Программное обеспечение PyroSim используется для моделирования и анализа пожара. PyroSim использует модель горения смеси, является интерфейсом FDS и программа для визуализации результатов моделирования Smokeview, которые представляют собой простые в управлении пользовательские программы.
3. Создание модели пожара
3.1. Способы построения моделей
Поскольку программа PyroSim имеет некоторые ограничения в моделировании, а она в основном используется в архитектуре, для моделирования и импорта в PyroSim выбран AutoCAD. Это необходимо для оптимизации моделирования, плоскостей замеров и ячеек [7–8]. Схема моделирования показана на рисунке 1.
Рисунок 1. Последовательность разработки модели
3.2. Параметры модели
3.2.1. Размер и расположение модели.
Модель построена на основе обычного автобуса. Ее размеры составляют 12 м * 2,5 м * 3 м. Параметры расположения модели приведены в таблице 1.
Таблица 1. Параметры расположения модели
| X | Y | Z | |
| Min(M) | 16,53 | -5,1 | -10,47 |
| Max(M) | 27,21 | 0 | 3,1 |
3.2.2. Настройка и численные значения горючей нагрузки
Горючие материалы в автобусе в основном состоят из сидений, отделочных материалов, топлива и материалов верхней одежды пассажиров. Из-за ограниченного выбора материалов в библиотеке PyroSim, для моделирования выбраны такие материалы, как пластик, резина и т.д. Параметры горючих материалов приведены в таблице 2.
Таблица 2. Параметры горючих материалов
| Наименование | Материал | Размер (м) |
| Сиденья | Пластик (Гибкий ПУ) | Сиденье: 0,6 х 0,5 х 0,05 Спинка: 1,0 х 0,5 х 0,05 |
| Отделка | Мягкий пластик (Твердый ПУ), текстиль | Равномерно |
| Топливо | Октан | 0,1 х 0,1 х 0,2 |
| Покрышки | Резина | R0,85 х 0,45 |
3.2.3. Теплофизические свойства материалов.
Теплофизические свойства материалов автобуса приведены в таблице 3.
Таблица 3. Теплофизические свойства материалов
| Наименование | Удельная теплоемкость (кДж/(кг*К) | Температура воспламенения (°С) | Теплота сгорания (кДж/кг) |
| Ткань | 1 | 350 | 15000 |
| Пластик | 1 | 350 | 30000 |
| Мягкий пластик | 1,7 | 350 | 30000 |
| Резина | 1,88 | 350 | 32000 |
| Топливо | 2,45 | 400 | 43700 |
3.3. Исходные данные и создание модели
Модель автобуса создана с учетом приведенных выше значений. Внешний вид модели автобуса показан на рис. 2. После анализа пожарной опасности автобуса, выбрано место очага пожара в салоне, который расположен в передней части кузова.
Размер очага пожара составляет 0,8 м * 0,5 м * 0,3 м, а в качестве горючего материала используется топливо. Наиболее распространенной причиной пожара в автобусе являются легковоспламеняющиеся и взрывоопасные вещества, обычно расположенные в салоне.
Очаг пожара показан на рисунке 3.
Рисунок 2. Вид модели автобуса
Рисунок 3. Расположение очага пожара
Из соображений точности и обоснованности расчета, принимается размер ячейки 10 см * 10 см * 10 см, количество ячеек – 270 000, а продолжительность моделирования 600 секунд.
В случае типичного пожара в автобусе, время распространения пожара составляет около 10 минут. Как правило, через десять минут огонь распространяется по всему салону и больше пожар не развивается, горения продолжается пока топливо не выгорит полностью.
4. Процесс моделирования и анализ
4.1. Анализ моделирования пожара
4.1.1. Начальная стадия
В моделировании начальная стадия продолжается с 0 до 100 секунд, в течение которых огонь начинает распространяться по салону, но пожар не интенсивный и скорость распространения низкая. Начальная стадия показана на рисунке 4.
Когда очаг пожара возникает, тепловыделение происходит медленно. В это время пожар все еще сосредоточен на небольшой площади и нет полного распространения.
Распространение пожара на 100 секундах показано на рисунке 5. В конце начальной стадии пожар распространяется в среднюю часть салона, занимая существенную площадь.
Рисунок 4. Начальная стадия пожара
Рисунок 5. Распространение пожара на 100 секунде
4.1.2. Стадия повторного воспламенения.
На этой стадии огонь затухает и практически исчезает. Это переходная стадия между начальной стадией и стадией развития. Стадия объемной вспышки показана на рисунке 6.
Рисунок 6. Стадия объемной вспышки
4.1.3. Стадия развития
Стадия развития продолжается со 100 до 240 секунд. На этой стадии воспламеняется отделка автобуса, сиденья, ковры и рекламные щиты, и пожар распространяется по всему салону. Распространение пожара на 180 секунде показано на рисунке 7.
Рисунок 7. Распространение пожара на 180 секунде
В конце стадии развития огонь распространяется по всему салону, происходит интенсивное горение. Через 30 секунд интенсивность пожара снижается, но при этом сохраняется достаточно сильный уровень, происходит переход в развитую стадию. Распространение пожара на 240 секунде показано на рисунке 8.
Рисунок 8. Распространение пожара на 240 секунде
4.1.4. Развитая стадия
Последняя, развитая стадия пожара продолжается с 240 до 600 секунд. Это последняя стадия. Пожар остается стабильным, и горение будет поддерживаться до окончания пожара. Объем топлива ограничен. Распространение пожара на 450 секунде показано на рисунке 9.
Рисунок 9. Распространение пожара 450 секунде
4.2. Анализ моделирования дымовых газов
При пожаре около 70% жертв приходится на отравление токсичными газами. Поэтому анализ моделирования дымовых газов очень важен.
На всем протяжении начальной стадии концентрация дыма невелика, так как при распространении огня не происходит воспламенения автобусных принадлежностей. Эта стадия также является наиболее благоприятной для эвакуации пассажиров.
На более поздних стадиях, в связи с развитием пожара, горением отделки салона, текстильных материалов, рекламных щитов и т.д., начинает выделяться большое количество токсичных газов, которые опасны для пассажиров.
На стадии объемной вспышки, хотя интенсивность пожара снижается, токсичные газы все еще заполняют весь салон, видимость снижается, концентрация токсичных газов достигает максимума.
На стадии развития образуется большое количество дыма. Однако, благодаря большой циркуляции воздуха, концентрация дыма уменьшается, но все еще остается на достаточно высоком уровне. Такой уровень задымления сохраняется до окончания процесса горения.
4.3. Анализ тепловой мощности
В программе PyroSim программа моделирования автоматически рассчитывает значение интенсивности тепловыделения в течение всего процесса моделирования, и эта величина имеет большое значение для исследования процесса распространения пожара. Интенсивность тепловыделения во время пожара показана на рисунке 10.
Рисунок 10. Интенсивность тепловыделения
На начальной стадии тепловыделение возрастает, что связано с распространением пожара в салоне. Однако, из-за низкой скорости распространения, тепловыделение хотя и растет, но очень медленно, достигая значения 4000 кВт на следующей стадии.
На стадии объемной вспышки тепловыделение начинает уменьшаться и исчезает.
На стадии развития пожар быстро распространяется, и интенсивность тепловыделения начинает выделяться до максимума, принимая значение около 13000 кВт.
На развитой стадии интенсивность тепловыделения стабилизируется и продолжается до окончания пожара, и будет уменьшаться по мере расхода горючих материалов до нуля.
4.4. Анализ и обсуждение результатов моделирования
4.4.1. Анализ результатов моделирования.
- (1) Весь процесс моделирования длится 600 секунд, начальная стадия – это первая стадия, выделение тепловой энергии происходит плавно, скорость распространения пожара равномерна, и дымовые газы начинают выделяться. Во время этой стадии интенсивность горения и выделения дыма обусловлена горючими материалами, находящимися рядом с очагом пожара, что соответствует особенностям начальной стадии.
- (2) Стадия развития – стадия интенсивного распространения пожара, интенсивное выделение тепловой энергии, огонь быстро распространяется, образуя дымовые потоки. На этой стадии приток воздуха вызывает быстрый рост интенсивности тепловыделения, и огонь распространяется по всей площади салона. Максимальная интенсивность тепловыделения модели составляет приблизительно 13000 кВт, что в целом соответствует экспериментальным дынным пожаров автомобилей, приведенным в документе [2]. Таким образом, подтверждается, что результаты моделирования верны.
- (3) Развитая стадия является основной. На этой стадии огонь распространяется на все пространство, интенсивность выделения тепла и дымовых газов становятся стабильными. Поскольку пожар распространился по всей площади, горение происходит интенсивно и стабильно.
4.4.2. Обсуждение стадии объемной вспышки
Стадия объемной вспышки – это особая стадия. Из-за процесса горения в начальной стадии и высокой температуры воздуха после возникновения пожара, горючие вещества во внутреннем пространстве автобуса продолжают подвергаться реакции пиролиза и это приводит к постепенному накапливанию большого количества горючего газа.
После увеличения вентиляции, к горючему газу самотеком добавляется воздух. Когда смесь воспламеняется от огня, образуется пламя, которое быстро распространяется с большой интенсивностью. При этом в процессе вентиляции образуется огромный огненный шар, создающий угрозу как внутри, так и снаружи помещения.
Явление объемной вспышки также называют обратной тягой. Причину обратной тяги можно объяснить следующим образом: модель автобуса изначально является замкнутой. На начальной стадии пожар начинает распространяться, и пламя сжигает воздух. Когда количество воздуха снижается, огонь начинает ослабевать. В этот момент из-за таких факторов, как эвакуация людей и высокотемпературный пиролиз, приток свежего воздуха делает пожар более интенсивным, что также является причиной возникновения стадии развития.
5. Заключение
В данном исследовании было проведено моделирование пожара в автобусе с помощью программного обеспечения PyroSim. Согласно результатам моделирования, распространение огня, распространение дыма и выделение тепловой энергии были проанализированы в трех аспектах.
Результаты показывают, что распространение пожара в автобусе имеет явную дифференциацию по стадиям, которые делятся на начальную стадию, стадию объемной вспышки, стадию развития и развитую стадию.
Стадия объемной вспышки – это особая стадия, причиной ее возникновения может быть вскрытие окна при пожаре или открытие дверей при эвакуации пассажиров, что обеспечивает приток свежего воздуха.
В будущем на основе данной работы можно провести следующие последующие исследования:
- (1) тестирование и проверка причин возникновения объемной вспышки;
- (2) предложение плана оптимизации конструкции автобуса с целью предотвращения пожара.
Благодарности
Исследование проведено благодаря Программе 2020 года по обучению инновациям и предпринимательству Университета Паньчжихуа, Китай (Грант: 2020cxcy080).
Библиография
[1] Пожарная служба Министерства общественной безопасности. Fire Department of the Ministry of Public Security. (2015) China Fire Services. China Personnel Press, Beijing.
[2] Исследование и проектирование пожарной сигнализации и системы пожаротушения для автомобилей. Yijun Hu. (2017) Research and Design of Automobile Fire Alarm and Automatic Fire Extinguishing System. Southwest Jiaotong University.
[3] Особенности пожаров легковых автомобилей-седанов. Okamoto K, Watanabe N, Hagimoto Y, et al. (2009) Burning behavior of sedan passenger cars. Fire Safety Journal, 44(3):301-310.
[4] Пожар в салоне автомобиля и его распространение на соседний автомобиль: параллельное моделирование. Weisenpacher P, Glasa J, Halada L. (2016) Automobile interior fire and its spread to an adjacent vehicle: parallel simulation. Journal of Fire Sciences, 34(4)： 34-37.
[5] Численное моделирование характеристик пожара в автобусе. Numerical Simulation of Bus Fire Characteristics. University of Science and Technology of China.
[6] Моделирование раннего оповещения автомобильных пожаров на основе PyroSim. Na Li. (2018) Automotive Fire Early Warning Simulation Based on PyroSim. Jilin University.
[7] Исследование пожара в жилом доме на основе численного моделирования. Peng Jiang, Rong Qiu, Yong Jiang. (2007) Investigation of a Mansion Fire Based on Numerical Simulation. Journal of Combustion Science and Technology, (01):76-80.
[8] Исследование пожара в жилом доме на основе численного моделирования. Xiaoqiang Niu, Xiang Zhou, Peng Jiang, et al. (2007) Investigation of a mansion fire based on numerical simulation. Journal of Safety Science and Technology, (06):8-12.