РАЗДЕЛ 2. Интегральная математическая модель пожара

в помещении ................................................................................. 24

Лекция 3. Исходные положения, основные понятия и уравнения
интегральной математической модели пожара в помещении .. 24

Лекция 4. Уравнения газообмена помещений и теплофизические
функции для замкнутого описания пожара.
Учет процессов тушения пожара .............................................. 33

Лекция 5. Численная реализация интегральной математической
модели пожара в помещении .................................................... 36

РАЗДЕЛ 3. Зонные математические модели пожара в помещении ......... 39

Лекция 6. Основные положения зонного моделирования пожара ........... 39

Лекция 7. Численная реализация зонных математических
моделей пожара в помещении ................................................... 44

РАЗДЕЛ 4. Дифференциальные математические модели пожара

в помещении ................................................................................. 46

Лекция 8. Основные положения дифференциального
моделирования пожара ............................................................. 46

Лекция 9. Численная реализация дифференциальных
математических моделей пожара в помещении ........................ 49

РАЗДЕЛ 5. Математическая постановка и решение задачи
о динамике опасных факторов в начальной стадии пожара 51

Лекция 10. Интегральная модель начальной стадии
пожара в помещении ................................................................. 51

Лекция 11. Аналитические соотношения для расчета
критической продолжительности пожара в помещении .......... 59

РАЗДЕЛ 6. Заключительные положения .................................................... 71

Лекция 12. Порядок определения времени блокирования
эвакуационных путей опасными факторами пожара
в помещении ............................................................................... 71

ЗАКЛЮЧЕНИЕ .............................................................................................. 75

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ......................................................... 76

ПРЕДИСЛОВИЕ

Целью освоения дисциплины «Прогнозирование опасных факторов пожара» является изучение термогазодинамических процессов, протекающих при пожаре в помещении (здании, сооружении), формирование представлений о принципах математического описания (моделирования) этих процессов и расчетных методах прогнозирования опасных факторов пожара в помещении.

Задачи освоения дисциплины:

– изучение сложных и взаимосвязанных физических явлений, характерных для пожара в помещении, при которых, наряду с выделением тепловой энергии (вследствие горения), изменяются со временем температура и оптические свойства газовой среды, уменьшается содержание кислорода в помещении, образуются токсичные газы, происходит газообмен помещения через проемы с внешней средой (или со смежными помещениями), прогреваются строительные конструкции;

– теоретическая и практическая подготовка будущих специалистов к осуществлению научно обоснованного математического моделирования, расчета
и прогнозирования динамики опасных факторов пожара в помещениях, а также
к проведению исследований реально произошедших пожаров при их экспертизе.

Освоение данной дисциплины базируется на знаниях, полученных студентами при изучении высшей математики, информатики, физики, химии, термодинамики, теплотехники, гидрогазодинамики, теории горения и взрыва.

В результате изучения дисциплины студенты должны:

– знать физические величины, характеризующие опасные факторы пожара в помещении (здании, сооружении), их количественные характеристики и предельно допустимые значения; базовые понятия математического моделирования физических явлений; уравнения термогазодинамических процессов, протекающих при пожаре в помещении; основные математические модели пожаров
и методы их численной реализации с помощью компьютеров; аналитические
соотношения для расчета критической продолжительности пожара в помещении; области практического применения математических моделей пожара в помещении;

– уметь работать с известными компьютерными программами, моделирующими развитие пожара в помещениях (зданиях, сооружениях); проводить численные эксперименты по моделированию динамики опасных фактов пожара применительно к решению профилактических и тактических задач (разработка рекомендаций по обеспечению безопасной эвакуации людей при пожаре, создание и совершенствование систем сигнализации и автоматических систем пожаротушения, разработка оперативных планов тушения пожаров, оценка фактических пределов огнестойкости строительных конструкций и т. д.), а также
к исследованию реально произошедших пожаров; рассчитывать критическую продолжительность пожара и определять время блокирования эвакуационных путей опасными факторами пожара в помещении.

Издание подготовлено в соответствии с требованиями ГОС ВПО по специальности 280104 (280705.65) «Пожарная безопасность» и рабочей программой по дисциплине «Прогнозирование опасных факторов пожара».

 

 

РАЗДЕЛ 1. ИСХОДНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
О МЕТОДАХ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ОПАСНЫХ ФАКТОРОВ
ПОЖАРА В ПОМЕЩЕНИЯХ

 

Лекция 1. Понятие опасных факторов пожара
и основные задачи их прогнозирования

В соответствии со статьей 2 Федерального закона № 123-ФЗ [1] опасными факторами пожара (ОФП) являются такие факторы, «воздействие которых может привести к травме, отравлению или гибели человека и (или) к материальному ущербу».

К опасным факторам пожара, воздействующим на людей и имущество, относятся (статья 9 Федерального закона № 123-ФЗ [1]):

1) пламя и искры;

2) тепловой поток;

3) повышенная температура окружающей среды;

4) повышенная концентрация токсичных продуктов горения и термического разложения (CO, CO₂, HCl, HCN, COCl₂, NO₂, H₂S);

5) пониженная концентрация кислорода;

6) снижение видимости в дыму.

К сопутствующим проявлениям опасных факторов пожара относятся (статья 9 Федерального закона № 123-ФЗ [1]):

1) осколки, части разрушившихся зданий, сооружений, строений, транспортных средств, технологических установок, оборудования, агрегатов, изделий и иного имущества;

2) радиоактивные и токсичные вещества и материалы, попавшие в окружающую среду из разрушенных технологических установок, оборудования, агрегатов, изделий и иного имущества;

3) вынос высокого напряжения на токопроводящие части технологических установок, оборудования, агрегатов, изделий и иного имущества;

4) опасные факторы взрыва, произошедшего вследствие пожара;

5) воздействие огнетушащих веществ.

Опасные факторы пожара являются физическими понятиями и, следовательно, каждый из них представлен в количественном отношении одной или несколькими физическими величинами.

Пламя – это видимая часть пространства (пламенная зона), внутри которой протекает процесс окисления (горения) и происходит тепловыделение, а также генерируются токсичные газообразные продукты горения и поглощается забираемый из окружающего пространства кислород. Кроме того, в границах этой части пространства (зоны) образуется специфическая дисперсная среда, особые оптические свойства которой обусловлены процессами рассеяния энергии световых волн вследствие их многократного отражения от мельчайших твердых (жидких) частиц. Этот процесс образования дисперсной среды, ухудшающей видимость, принято называть процессом дымообразования.

По отношению к объему помещения, заполненному газом, пламенную зону можно рассматривать, с одной стороны, как «источник», поставляющий в помещение тепловую энергию и токсичные продукты горения, а также мельчайшие твердые (жидкие) частицы, из-за которых ухудшается видимость. С другой стороны, пламенную зону можно рассматривать как «сток», в который уходит кислород из помещения.

Содержание понятия «пламя» представлено в количественном отношении следующими величинами:

1) характерными размерами пламенной зоны (очага горения), например площадью горения (площадью пожара) F _Г, м²;

2) количеством сгорающего (окисляемого) за единицу времени горючего материала (ГМ) (скоростью выгорания) ψ, кг∙с^–1;

3) мощностью тепловыделения Q _пож , Вт: Q_пож = ψ∙ , где  – низшая рабочая теплота сгорания горючего материала, Дж∙кг ^–1;

4) количеством генерируемых за единицу времени в пламенной зоне токсичных газов ψ∙ L_i , кг∙с^–1, где L_i – количество i-го токсичного газа, образующегося при сгорании единицы массы ГМ;

5) количеством кислорода, потребляемого в зоне горения ψ∙ L ₁, кг∙с^–1,
где L ₁ – количество кислорода, необходимое для сгорания (окисления) единицы массы горючего;

6) оптическим количеством дыма, образующегося в очаге горения ψ∙ D,
Непер∙м²∙с^–1, где D – дымообразующая способность горючего материала,
Непер∙м²∙кг^–1.

Тепловой поток количественно характеризуется плотностью q, Вт∙м^–2.

Температура окружающей среды (температура среды, заполняющей помещение) является параметром состояния (обозначается Т, если используется размерность «Кельвин», или τ, если используется размерность «градус
Цельсия»).

Токсичные продукты горения количественно характеризуются парциальной плотностью (или концентрацией) каждого токсичного газа. Парциальная плотность компонентов газовой среды в помещении является параметром состояния, обозначается ρ _i, кг∙м^–3. Сумма парциальных плотностей всех компонентов газовой среды равна плотности газа ρ. Концентрацией токсичного i-гo газа обычно называют отношение парциальной плотности этого газа ρ _i к плотности газа ρ:

 

 

Концентрация кислорода в помещении количественно определяется значением парциальной плотности кислорода ρ₁ или отношением ее к плотности газовой среды в помещении:

 

Дым количественно представляют параметром, называемым оптической концентрацией дыма. Этот параметр обозначают буквой μ, его размерность – Непер∙м^–1. (Иногда параметр μ называют натуральным показателем ослабления.) Расстояние видимости в дыму l _вид и оптическая концентрация дыма связаны между собой соотношением:

 

 

Вышеприведенные величины: температура среды, парциальные плотности (концентрации) токсичных газов и кислорода, оптическая плотность дыма – являются параметрами состояния среды, заполняющей помещение при пожаре. Они характеризуют свойства газовой среды в помещении. Начиная с момента возникновения пожара и далее в процессе его развития эти параметры состояния непрерывно изменяются во времени, что и определяет сущность динамики ОФП.

Многочисленными исследованиями [10, 11, 17, 26, 28] установлено, что во влажной атмосфере вторую степень ожога вызывает воздействие температуры 55 °С в течение 20 с и 70 °С – в течение 1 с, а плотность лучистых тепловых потоков 3500 Вт∙м^–2 вызывает ожоги дыхательных путей и открытых участков кожи практически мгновенно. К летальному исходу приводят следующие объёмные концентрации токсичных веществ в воздухе: 1,0 % окиси углерода (СО) – за 2–3 мин, 5 % двуокиси углерода (СО₂) – за 5 мин, 0,005 % цианистого водорода (HCN) – практически мгновенно. При объемной концентрации хлористого водорода (HCL) 0,01–0,015 % останавливается дыхание. При снижении концентрации кислорода в воздухе с 23 до 16 % ухудшаются двигательные функции организма, а мускульная координация нарушается до такой степени, что самостоятельное движение людей становится невозможным. Снижение концентрации кислорода до 9 % приводит к смерти через 5 мин.

Совместное действие некоторых факторов усиливает их воздействие на организм человека (синергетический эффект). Так токсичность окиси углерода увеличивается при наличии дыма, снижении концентрации кислорода и повышении температуры и влажности среды; токсичность двуокиси азота – при понижении концентрации кислорода и повышении температуры. Синергетический эффект обнаруживается при совместном воздействии цианистого водорода и окиси углерода.

Особое воздействие на людей оказывает дым, представляющий собой смесь несгоревших частиц углерода размером частиц от 0,05 до 5,0 мкм. На этих частицах конденсируются токсичные газы. Поэтому воздействие дыма на человека также имеет синергетический эффект.

В настоящее время при пожарах в виду применения новых строительных, отделочных и конструктивных материалов выделяется значительное число токсинов, пагубно воздействующих на человека (табл. 1.1, 1.2).

Таблица 1.1

Источники образования токсичных компонентов
газовоздушной смеси при пожарах

Источник образования (материал)	Токсичные компоненты
Горючие материалы, содержащие углерод	Окись и двуокись углерода
Целлулоид, полиуретаны	Оксиды азота
Древесина, шелк, целлюлозные материалы, вискоза, азотосодержащие пластмассы	Цианистый водород
Древесина, бумага	Акролеин
Резина, тиоколы	Диоксиды серы
Поливинилхлорид, фторированные пластмассы	Соляная, бромистоводородная, плавиковая кислоты, фосфоген
Меламин, нейлон, мочевиноформальдегид	Аммиак
Древесина, нейлон, полиэфирные смолы, фенолформальдегид	Альдегиды
Полистирол	Бензол
Пенополиуретан	Изоцианаты

Таблица 1.2

Характер и результаты воздействия на человека токсичных веществ,
выделяющихся при пожаре

Токсичное вещество, формула	Характер воздействия	Концентрация	Результат воздействия
Оксид углерода (угарный газ), СО	В результате соединения с гемоглобином крови образуется неактивный комплекс – карбоксигемоглобин, вызывающий нарушение доставки кислорода к тканям организма. Выделяется при горении полимерных материалов. Выделению способствует медленное горение и недостаток кислорода	0,2–1 % об.	Гибель человека за период от 3 до 60 мин
Диоксид углерода (углекислый газ), СО2	Вызывает учащение дыхания и увеличение легочной вентиляции, оказывает сосудорасширяющее действие, вызывает сдвиг рН крови, способствует повышению уровня адреналина	12 % об.	Потеря сознания, смерть в течение нескольких минут
		20 % об.	Немедленная потеря сознания и смерть
Хлороводород (хлористый водород), HCl	Снижает возможность ориентации человека: соприкасаясь с влажным глазным яблоком, превращается в соляную кислоту. Вызывает спазмы дыхания, воспалительные отеки и, как следствие, нарушение функции дыхания. Образуется при горении хлоросодержащих полимеров, особенно ПВХ	2000–3000 мг/м3	Гибель человека в течение нескольких минут

 

Нормативными документами [2, 3] установлены критические (предельно допустимые) значения (ПДЗ) опасных факторов пожара (табл. 1.3).

Таблица 1.3