Расчет теплового потока при пожаре между зданиями

Шаблон расчета в программном комплексе FireCat при отступлении от Приложения А СП 4.13130.2013, в части сокращения противопожарного расстояния между зданиями.
Данные расчеты носят научно-исследовательскую деятельность и не могут применяться в части обоснования отступления от добровольных сводов правил без из заключений МЧС (отсутствие методики на расчет не дает право применение данных расчетом без заключения МЧС).
Примечание. Не советую делать заключения в территориальных отделах ИПЛ МЧС России, только в научно-исследовательский институтах МЧС (Санкт-Петербург, Москва, Балашиха, Иваново, Екатеринбург)

Введение
Расчет плотности теплового потока при пожаре выполняется между объектом «***» и соседним с ним объектом «***».
Цель расчета: определить плотность теплового потока, падающего при пожаре в одном здании на ограждающие конструкции соседнего здания; определить достаточность противопожарных расстояний между зданиями.
Согласно СП 4.13130.2013, приложение А, п.А.1.1. для обоснования сокращения расстояний менее 6 метров следует использовать метод полевого моделирования. Моделирование выполняется программой FDS (Fire Dynamic Simulation) с использованием графического интерфейса Pyrosim.
Исходные данные
Сведения об объектах расчета:

	Объект «***»	Объект «***»
Высота
Размеры
Степень огнестойкости здания
Класс конструктивной пожарной опасности здания
Класс пожарной опасности строительных конструкций
Класс функциональной пожарной опасности здания

Минимальные расстояния между зданиями: ***   (требуемое расстояние – 8 метров).
Ситуационный план
Расчет выполняется в условии наихудших метеоусловй для г. *** [1, 2]: принята абсолютная максимальная температура воздуха (***°С) и максимальная среднемесячная сила ветра (*** м/с) в направлении от горящего здания в сторону рассматриваемого здания.
Описание расчетной модели
Математическая модель и программное обеспечение
Расчет выполнен в компьютерной программе FDS, которая реализует полевую модель расчета распространения опасных факторов пожара [3] с использованием графического интерфейса PyroSim.
Модель FDS представляет собой систему уравнений в частных производных, включающую уравнение сохранения массы, момента и энергии, и решается на трехмерной регулярной сетке. Тепловое излучение рассчитывается методом конечных объемов на этой же сетке. Для моделирования движения дыма используются лагранжевы частицы.
На сегодняшний день приблизительно половина приложений модели служит для проектирования противопожарных систем и изучения активации спринклеров и детекторов. Другая часть служит для восстановления картины пожара в жилых и производственных помещениях. Основной целью FDS на протяжении своего развития было решение прикладных задач пожаробезопасности и, в тоже время, обеспечение инструментарием для изучения фундаментальных процессов при пожаре.
Программа разрабатывается лабораторией строительных и пожарных исследований (BFRL) национального института стандартов и технологий США. Вклад в исследования и развитие модели внесли сотрудники комиссии по ядерному регулированию США (NRC), центра научно-технических исследований Финляндии (VTT), общества инженеров по пожарной безопасности (SFPE) и др.
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 и т.д.), давлений и плотностей.
Закон сохранения массы: 
Закон сохранения момента импульса: где тензор вязких напряжений: 
Закон сохранения энергии: где теплоперенос а энергия рассеяния Уравнение состояния газа: Эти шесть уравнений имеют шесть независимых переменных: три компоненты скорости, плотность, температура и давление.
Закон сохранения отдельных компонент: Для моделирования турбулентности   FDS использует метод LES (Large Eddy Simulation) – масштабное моделирование вихрей. LES используется для моделирования диссипативных процессов (вязкость, теплопроводность, диффузивность), масштабы которых меньше размеров явно определенной численной сетки. Это значит, что параметры m, k, D в вышеприведенных уравнениях не могут использоваться впрямую и заменяются выражениями, моделирующими их воздействие
  При использовании LES в качестве модели сгорания обычно используется модель доли в смеси (mixture fraction). «Доля в смеси» – скалярная величина, представляющая массовую долю одного или более компонентов газа в данной точке потока. По умолчанию рассчитываются два компонента смеси: массовая доля несгоревшего топлива и массовая доля сгоревшего топлива (т.е. продуктов сгорания).
Лучистый теплообмен включен в модель посредством решения уравнения переноса излучения для серого газа и, для некоторых ограниченных случаев, с использованием широкодиапазонной модели. Уравнение решается с помощью метода, аналогичного методу конечных объемов для конвективного переноса.  Коэффициенты поглощения сажей и дымом вычислены с помощью узкополосной модели RADCAL.
Подробнее с математической моделью FDS можно ознакомиться в техническом руководстве [3].
Модель FDS подверглась подробным оценочным исследованиям, проводимым специалистами Национального института стандартов и технологий США (NIST) и других организаций. Подробнее результаты валидации FDS приведены в документе «Technical Reference Guide. Volume 3: Validation» [4].
Основные этапы проведения исследований с использованием программы FDS:
1) разработка компьютерной топологии исследуемой модели;
2) внесение в модель характеристик исследуемых элементов строительных и технологических конструкций;
3) разработка расчетного сценария развития пожара (модель горючей нагрузки, место очага пожара, расположение и состояние проемов, начальная температура);
4) задание расчетной области (областей) и ее детализации, верификация модели;
5) подготовка исходных файлов, настройка серверной и клиентских частей программного обеспечения, запуск и мониторинг процесса расчета;
6) сбор и обработка полученных расчетных данных, их интерпретация и визуализация, формулирование выводов.
Возможность применения программы Pyrosim в составе программного комплекса FireCat для решения задач пожарной безопасности подтверждена сертификатом соответствия (приложение 1).
Кроме того, программный комплекс FireCat включен в Фонд алгоритмов и программ для ЭВМ МЧС России в области обеспечения пожарной безопасности (приложение 1).
Критерии безопасности

Объект	Материал	Критическая плотность потока qкр, кВт/м2	0,8* qкр, кВт/м2

Описание сценария
Пожар возникает в здании 46 на фасаде А на 2 этаже. Пожарной нагрузкой в расчете считается площадь квартир с окнами на фасад А, включая балконы. Принимается одновременное возгорание всей горючей нагрузки.
В качестве пожарной нагрузки в расчете используется «Жилые помещения» [5].
В расчете определяется плотность теплового потока, падающего на стены и крышу здания 21.
Исходные данные для расчета времени блокирования
Расчетные сетки
Пожарная нагрузка
Точки и плоскости измерения
Для измерения температуры газовой среды и плотности потока падающего излучения от пламени в модели заданы:
измерители граничных условий – для визуализации теплового потока и температуры поверхностей.
измерители максимального значения величины – для измерения теплового потока поверхности в указанной области. Измерители установлены на стену и крышу здания:
Время моделирования
Моделирование выполняется в течение 15 минут (время прибытия пожарных подразделений составляет не более 10 мин [8, ст. 76]).
Результаты моделирования
Температура газовой среды
Графики максимальной плотности теплового потока на стене, кВт/м2
Визуализация плотности падающего теплового потока на поверхности здания:
Вывод по результатам расчета сценария
Плотность теплового потока на стене здания составляет 9-11 кВт/м2, на крыше здания – 7-10 кВт/м2, что не превышает критического значения теплового потока с учетом коэффициента безопасности (11,1 кВт/м2).
Вывод
Расчет плотности теплового потока при пожаре выполняется между объектом «***» и соседним с ним объектом «***».
Было выполнено три расчетных сценария:
Сценарий №1. Пожар в здании ***
Сценарий №2. Пожар в здании ***
Величина критической плотности теплового потока в сценариях принята:
Для крыш зданий - 13,9 кВт/м2 (древесина), с учетом коэффициента безопасности 0,8 – 11,1 кВт/м2.
Результаты моделирования позволяют заключить следующее:
Плотность теплового потока, падающего на крышу здания (сценарий №1) достигает 10 кВт/м2 и не представляет опасности, так как не превышает критическую величину.
Плотность теплового потока, падающего на крышу здания (сценарии №2 и 3) достигает 5,4 кВт/м2 и не представляет опасности, так как не превышает критическую величину.
На основании вышеизложенного следует вывод, что возможно уменьшение противопожарного расстояния от нормативного (8 м) до фактического (4,3 м). Фактическое расстояние достаточно для обеспечения условий нераспространения пожара с одного здания на другое.
Список литературы
СП 131.13330.2012 «Строительная климатология».
СНиП 2.01.01-82 «Строительная климатология и геофизика».
Fire Dynamics Simulator. Technical Reference Guide. Volume 1: Mathematical Model / NIST Special Publication 1018-1. Sixth Edition
Fire Dynamics Simulator. Technical Reference Guide. Volume 3: Validation / NIST Special Publication 1018-3. Sixth Edition
Пособие по применению «Методики определения расчетных величин пожарного риска в зданиях, сооружениях и строениях различных классов функциональной пожарной опасности». – 2-е изд., испр. и доп. – М.: ВНИИПО, 2014. – 226 с.
Schudel, D., Glass Fracture Analysis for Fire Investigators, Fire and Arson Investigator 46, 28-35 (March 1996).
Пожарная профилактика в строительстве / под ред. В.Ф. Кудаленкина. – М.: ВИПТШ МВД СССР, 1985. – 454 с.
Федеральный закон от 22.07.2008 № 123-ФЗ «Технический регламент о требованиях пожарной безопасности».
Чешко И.Д. Осмотр места пожара. Методическое пособие. М., ВНИИПО, 2004.
Кошмаров Ю.А. Прогнозирование опасных факторов пожара в помещении: Учебное пособие. – М.: Академия ГПС МВД России, 2000. - 118с.
А.А Абашкин, А.В. Карпов, Д.В. Ушаков, М.В. Фомин, А.Н. Гилетич, П.М. Комков. Пособие по применению «Методики определения расчетных величин пожарного риска в зданиях, сооружениях и строениях различных классов функциональной пожарной опасности» - М.: ВНИИПО, 2012. –  83 с.
СП 4.13130.2013 с изменением №1.