Компьютерное моделирование снижения пожарной опасности на объектах столярного производства

В данной работе для моделирования развития пожара в здании столярного производственного предприятия использовался симулятор динамики пожара Fire Dynamics Simulator (FDS). FDS – это программное обеспечение для вычислительной гидродинамики (CFD), разработанное Национальным институтом стандартов и технологий (NIST) для моделирования пожаров [1]. На основе полевых исследований была создана модель объекта. Размеры модели соответствовали реальным, с небольшими корректировками в некоторых областях для соответствия требованиям сетки FDS. Размеры секции составляли 42 м × 9,4 м × 5,4 м с открытыми границами сетки. Предполагалось, что источник пожара находится на столе в центре объекта.

Для определения зависимости скорости распространения огня от времени использовалась наиболее распространённая модель распространения огня «t²». Скорость тепловыделения Q при пожаре t² определяется по формуле (1):

Q = at², (1)

где a – коэффициент распространения огня, а t – время, при котором интенсивность тепловыделения достигает максимального значения. Значение Q принимали равным 1 МВт/м², a – равным 0,047.

Отсюда можно получить время t, которое составляет около 146 с. Материалы всех частей объекта считались одинаковыми, а параметры кинетики реакции древесины определялись по данным термогравиметрического испытания. Температура окружающей среды была установлена равной 20 °C.

Для обеспечения точности результатов моделирования необходимо выбрать подходящий размер сетки. В руководстве пользователя FDS рекомендуется, чтобы размер сетки δ_x составлял от 1/4 до 1/16 характерного диаметра очага пожара D* [2], что можно выразить уравнением (2).

D* = (Q/(ρ₀c_pT₀g))^2/5, (2)

где Q – скорость тепловыделения (СТВ) источника пожара, ρ₀ – плотность газа, c_p – удельная теплоемкость, T₀ – температура окружающей среды, g – ускорение свободного падения. Согласно полученным результатам, диапазон δ_x составил от 7,5 см до 30,3 см.

Для обеспечения точности результатов моделирования размер сетки для каждой деревянной секции был установлен на уровне 5 см. По мере приближения размера сетки к 0,1 м кривые скорости тепловыделения (СТВ) становятся более последовательными. Поэтому размер сетки для секции деревянной доски был установлен на уровне 5 см, а для других областей – на уровне 0,1 м. Общее количество сеток во всей вычислительной области составило 1,72 миллиона.

Точки измерения располагались по центру каждого помещения на высоте 1,5 м. Измерялись температура, плотность теплового потока, плотность дыма, видимость, концентрация CO и концентрация CO₂. Кроме того, на крыше был установлен ряд термопар.

Разработана комплексная модель оценки пожарного риска, включающая целевой уровень, уровень критерия и индексный уровень. В качестве целевого уровня был выбран пожарный риск. Затем характеристики материала, опасность возгорания, риск задымления и факторы эвакуации были выделены в критериальный уровень.

Наконец, на основе результатов эксперимента и моделирования было выбрано 12 параметров для формирования индексного уровня.

Сложная модель пиролиза древесины, использованная в этом исследовании, была настроена в FDS с учетом влаги и остатка как неотъемлемых частей материала и входной массовой доли. При моделировании сценарии пожара в здании столярного производственного предприятия можно было разделить на несколько стадий. На начальном этапе очаг возгорания горел очень медленно, выделяя лишь небольшое количество дыма. На 146-й секунде огонь достиг максимальной скорости тепловыделения, при этом высота пламени достигла почти потолка, сопровождаясь большим количеством поднимающегося дыма, заполняющего верхнюю часть помещения. По мере продолжения горения материала, между 400-й и 450-й секундами произошло возгорание панелей крыши, при этом пламя начало распространяться наружу. Примерно на 670-й секунде огонь распространился по всей длине крыши. Впоследствии зона горения расширилась в ширину, воспламеняя всё больше и больше участков, что привело к быстрому увеличению общей СТВ. На 811-й секунде одновременно возгорелись почти все деревянные элементы. На 1084-й секунде также произошло возгорание консольных балок в основании, интенсивность пожара достигла пика, и объект оказался на грани обрушения, теряя свою несущую способность. В данном исследовании рассматривался только пожар, развившийся до этого момента.

Можно выделить две стратегии уменьшения и предотвращения ущерба.

1. Огнезащитная обработка

Обработка огнезащитным составом может эффективно повысить огнестойкость древесины, повысить температуру воспламенения и уменьшить дымообразование. Самые современные покрытия могут не только обеспечивать отличную огнестойкость, но и значительно повышать долговечность материалов [3; 4, с. 191-237; 5, с. 57-66]. В FDS энергия активации материала была установлена выше, чтобы имитировать эффект огнезащитных покрытий.

2. Система пожаротушения водяным туманом

В отличие от огнезащитной обработки, система тушения тонкораспыленной водой тушит пожар с физической точки зрения [3]. Система тушения тонкораспыленной водой может быть интегрирована с датчиками для автоматической активации при обнаружении пожара, что экономит время для проведения пожарно-спасательных работ. Система тушения тонкораспыленной водой была смоделирована в FDS со спринклерами, расположенными над источником огня. Температура активации была установлена на значении 200 °C, а индекс времени реагирования был установлен на 100. Время вспышки на объекте составило 1035 с, что на 27,6% позже по сравнению с необработанными материалами. На момент 811 с максимальная температура на крыше для каждой точки измерения составила 345,9 °C, а на высоте 1,5 м – 219,2 °C, что на 66,3 °C и 2,1 °C ниже, чем у необработанной древесины, что указывает на то, что обработка антипиреном может значительно улучшить огнестойкость.

Важно отметить, что в FDS источник огня был настроен на непрерывное горение, что привело к вспышке примерно на момент времени 1500 с. В реальной ЧС постоянного источника огня не существует, поэтому система пожаротушения тонкораспылённой водой может эффективно предотвратить возгорание.

Таким образом, при использовании симулятора динамики пожара (FDS) создана сложная модель пиролиза древесины в соответствии с ее характеристиками. Смоделирован процесс развития пожара на объекте столярного производства. Рассмотрены некоторые стратегии уменьшения и предотвращения ущерба. Показано, что одной из наиболее эффективных мер по снижению воздействия пожара является обработка огнезащитными составами.