ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ПО ОЦЕНКЕ ПРОЕКТНЫХ РЕШЕНИЙ, ОБЕСПЕЧИВАЮЩИХ НЕРАСПРОСТРАНЕНИЕ ПОЖАРА ПО ФАСАДУ ЗДАНИЯ, ТРЕБОВАНИЯМ ПОЖАРНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ

Расчет выполнен для объекта защиты: "Жилая застройка в квартале г. Волгоград.

Цель расчета - оценка принятых проектных решений, обеспечивающих нераспространение пожара по фасаду здания, требованиям пожарной безопасности, а именно: оценка возможности распространения пожара по фасаду здания при фактическом пределе огнестойкости горизонтального пояса, к которому примыкает остекление с внутренней стороны здания, не менее EI60 и его высоте не менее 0,53 м.

Расчет выполняется по следующему сценарию:

- Пожар возникает на 17-ом этаже в квартире наименьшей площади (37,9 м2), анализируется возможность распространения пожара по фасаду на вышележащий, 18-ой этаж.

Моделируемый пожар возникает в помещении, за очаг пожара приняты предметы вещественной обстановки помещения (мебель, бытовые изделия и т.п.). Возгорание начитается от источника зажигания в центре помещения, по которому равномерно распределена пожарная нагрузка, и распространяется радиально по нагрузке из центра в стороны.

В начальный момент времени окна в помещении, выходящие на фасад, принимаются закрытыми, в течение развития пожара под потолком помещения формируется дымовой слой, состоящий из горячих продуктов горения. Остекление фасада постепенно прогревается и за счет перепада температур между поверхностью со стороны горящего помещения и внешней поверхностью происходит его разрушение, оконный проем вскрывается.

За счет притока кислорода к очагу пожара горение интенсифицируется, происходит общая вспышка, и температура в помещении существенно повышается, приводя к разрушению остекленного фасада.

Разрушение остекления и вскрытие проемов в помещении очага пожара происходит при постоянной температуре свыше 95°С в течение 74 с.

Одновременно с общей вспышкой и вскрытием остекления происходит выброс пламени через образовавшиеся проемы, происходит тепловое воздействие и прогрев остекления вышележащего этажа. Температура остекления определяется расчетом.

Критерием оценки для распространения пожара по фасаду через глухое остекление является вскрытие остекления на вышележащем этаже по тем же условиям и достижение температуры, равной температуре воспламенения пожарной нагрузки (250°С [6,7]), либо прогрев до температуры самовоспламенения пожарной нагрузки через не вскрывшееся остекление (350°С [6,7]).

В качестве критерия распространения пожара по фасаду через открываемые окна принимается, в том числе, превышение теплового потока выше критических значений для горючих материалов, составляющих вещественную обстановку вблизи открытого проема на вышележащем этаже. Соответствующие значения для некоторых материалов приведены ниже в таблице.

Критическая плотность падающего теплового потока в зависимости от времени облучения для некоторых материалов [8].

Приведенные значения для хлопкового волокна, например, аппроксимируются уравнением, с учетом данных [9]:

где τ – время облучения, мин.

Таким образом, значения критического теплового потока при времени облучения 0,5, 1 и 2 мин составят 16,8, 14,2 и 12,1 кВт/м2 соответственно. Полученные и приведенные в таблице значения в дальнейшем принимаются в качестве оценочных.

Схема модели приведена на рисунке ниже:

Рисунок 1. Концептуальная схема модели.

Для расчета использовался полевой метод моделирования динамики развития опасных факторов пожара в соответствии с Методикой определения расчетных величин пожарного риска в зданиях, сооружениях и строениях различных классов функциональной пожарной опасности. Приложение к приказу МЧС России от 30.06.2009 г. №382.

Полевая модель реализуется программой Национального института стандартов и технологий США NIST: FDS 6.7.1 и графический интерфейс к ней PyroSim 2019.

FDS (Fire Dynamic Simulator) реализует вычислительную гидродинамическую модель (CFD) тепломассопереноса при горении. FDS численно решает уравнения Навье-Стокса для низкоскоростных температурно-зависимых потоков, особое внимание уделяется распространению дыма и теплопередаче при пожаре. Модель 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, спринклеров и распыла топлива используются лагранжевы частицы.

Основной целью FDS на протяжении своего развития было решение прикладных задач пожаробезопасности и в тоже время обеспечение инструментом для изучения фундаментальных процессов при пожаре.

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 моделирование турбулентности в инженерных приложениях 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 , k, D в вышеприведенных уравнениях не могут использоваться непосредственно и заменяются выражениями, моделирующими их воздействие

При использовании LES в качестве модели сгорания обычно используется модель доли в смеси (mixture fraction). «Доля в смеси» в данном смысле - 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, соответственно отсюда и название «метод конечных объемов» (FVM). Коэффициенты поглощения сажей и дымом вычислены с помощью узкополосной модели RADCAL. Капли жидкости могут поглощать и рассеивать тепловое излучение. Это крайне важно при использовании распыляющих спринклеров, но имеет значение и для других спринклеров. Коэффициенты поглощения и рассеивания основаны на теории Ми.

Подробнее о математической модели FDS можно прочитать в Техническом руководстве [3].

Модель FDS подверглась подробным оценочным исследованиям, проводимыми специалистами Национального института стандартов и технологий США (NIST) и других организаций. Подробнее о валидации FDS можно прочитать в валидационном руководстве [5].

Размеры моделируемой части окружающего пространства 2,4х7,35х9 м.

Внешний вид модели приведен на рисунках ниже.

Рисунок 2. Внешний вид модели (фасад), красный контур – противопожарный пояс, стрелками показаны датчики температуры (внизу) и датчики температур и теплового потока (сверху).

Рисунок 4. Схема модели внутри помещения.

Продолжительность моделирования составляет 3600 с (60 мин).

Температура окружающей среды принята равной 20°С. Атмосферное давление 101325 Па. Относительная влажность 40%. Воздействие ветра не учитывалось.

Горючая нагрузка принята по справочным данным [1, 2].

Параметры пожарной нагрузки

Для управления расчетом и получения данных использовались следующие измерители:

- измерители температуры остекления со стороны помещения пожара;

- измерители температуры остекления облучаемого фасада;

- измерители теплового потока на облучаемом фасаде.

Измерители температуры остекления со стороны помещения пожара располагались на поверхности остекления и были ориентированы в сторону помещения очага пожара. Измерители температуры остекления облучаемого фасада располагались внутри остекления и были ориентированы наружу, в сторону окружающей среды и воздействия пламени или дыма.

Расположение измерителей представлено в таблице далее.

В расчетных сценариях принималось, что остекление разрушается при достижении температуры стекла 95°С и устойчивом его росте в течение 74 с.

За расчетное время (3600 с) остекление 17-го этажа полностью вскрылось, критические температуры и тепловые потоки для помещения 18-го этажа, не достигли.

Ниже приведены графики температуры на измерительных датчиках.

Рисунок 93. Поле температур в поперечном сечении модели, завершение вскрытия остекления, расчетное время 520 с.

Рисунок 105. Поле температур на поверхности фасада, расчетное время 3600 с.

Расчет выполнен для объекта защиты: "Жилая застройка в квартале" г. Волгоград.

Цель расчета - оценка принятых проектных решений, обеспечивающих нераспространение пожара по фасаду здания, требованиям пожарной безопасности, а именно: оценка возможности распространения пожара по фасаду здания при фактическом пределе огнестойкости горизонтального пояса, к которому примыкает остекление с внутренней стороны здания, не менее EI60 и его высоте не менее 0,53 м.