Дифференциальные (полевые) математические модели пожара в помещении. Численная реализация полевой модели

 

 

8.1Допущения модели И.Ф. Астаховой

 

В инженерной практике отсутствует математический аппарат, позволяющий оценить процессы теплопереноса и напряженно-деформируемое состояние конструкций при интенсивном нагреве.

Моделирование процессов переноса тепла - одна из важнейших задач в отраслях строительной индустрии (в пожарной безопасности, в промышленной безопасности), в энергетике (в теоретических основах теплотехники) и в самолетостроении.

Применение этого метода позволяет сократить материальные и трудовые ресурсы для получения результатов, аналогичных экспериментальным исследованиям. Подобные модели нашли широкое применение в практике проектирования математических методов.

Одной из главных задач первого этапа профилактической работы по повышению надежности систем пожарной сигнализации и работы строительных конструкций в условиях интенсивного нагрева является установление двумерных температурных полей помещения и конструкций в начальной стадии пожара при проектировании, что позволит более эффективно использовать тепловые датчики, извещатели и систему защиты конструкций.

Исследования и анализ методической, научной литературы и периодической печати показали, что в настоящее время в инженерной практике отсутствуют апробированные методики и рекомендованные для практического использования материалы, указания по расчету двумерных температурных полей помещения в условиях сопряженной задачи и оценки работы металлических конструкций с учетом интенсивного нагрева методом математического моделирования.

Теоретические исследования базировались на фундаментальны* законах сохранения количества движения, энергии и массы, на результатах теории прочности, законов термоупругости и сопротивления материалов. В алгоритме реализации на ЭВМ использовалась одна и; самых эффективных схем дробных шагов - схема Писмена- Рекфорда. для оценки точности моделей применялись методы теории вероятностер и данные, полученные во Всероссийском научно-исследовательско!. институте противопожарной обороны (ВНИИПО) МВД России с использованием современных средств измерительной техники.

Главным направлением работы является развитие метода математического моделирования с целью разработки научно-обоснованной методики прогнозирования температурных режимов помещения и конструкций в начальной стадии пожара в помещении I оценки работы металлических конструкций с учетом интенсивного нагрева.

Научная новизна данной работы автора состоит:

 в комплексе математических моделей, реализующих расчет температурных полей помещения в условиях сопряженной задачи и определение напряженно-деформируемого состояния конструкций на основе сочетания теорий пожарной профилактики и огнестойкости (в пожарно{ безопасности);

в разработанных моделях по установлению динамики распределения температур по объему помещения и конструкций в начальной стадии пожара в зависимости от пожарной нагрузки;

в моделях взаимного влияния прогрева конструкций на формирование процесса теплопереноса в помещениях и оценке напряженно-деформируемого состояния металлических конструкций на базе этих результатов при реальных пожарах.

Для помещений с существенной проемностью, в которых газообменом пренебречь нельзя, необходимо из интенсивности тепловыделений вычесть разность полных энтальпий выходящего и входящего через проемы газа.

Для исследования температурных режимов рассматривается модель вязкой несжимаемой жидкости в приближении Буссинеска, сжимаемость будет учитываться только в члене с архимедовой силой.

В отличие от физического моделирования процессов, протекающих при пожарах в помещениях, метод численного эксперимента обладает рядом отличительных признаков.

Во-первых, скорость проведения имитационного эксперимента на ЭВМ сравнима со скоростью протекания реального процесса пожара. Во-вторых, перенастройка условий численного эксперимента осуществляется только за счет подготовки новой числовой информации, что также не занимает большого количества времени. И, наконец, не последнее, но очень важное на современном этапе, преимущество использования ЭЕМ для экспериментальных исследований заключается в экономии значительного количества материальных и трудовых ресурсов. Таким образом, малая стоимость экспериментов на ЭВМ и высокая оперативность в проведении исследований предопределяют широкие перспективы использования метода математического численного моделирования в исследованиях особенностей теплопередачи при пожарах в помещениях.

На основе математических моделей был разработан программный комплекс моделирования процессов теплопередачи в системе источник пожара - окружающая среда - ограждающие конструкции зданий и сооружений. Он создавался с учетом всех требований, предъявляемых к аналогичным разработкам.

Общая структура комплекса сформирована на модульном принципе, придающем системе гибкость и надежность.

Основным результатом работы следует считать разработку комплекса математических моделей расчета температурных режимов помещения в условиях сопряженной задачи и оценки деформаций металлических конструкций при сочетании классических методов гидродинамики, теплофизики, механики твердого деформируемого тела, математического моделирования, сопротивления материалов, программирования, вычислительной математики, что позволило решить актуальную научную проблему, имеющую важное народно-хозяйственное значение и являющуюся обобщением и дальнейшим•развитием вопросов теории и практики в строительной индустрии (в пожарной безопасности, в промышленной безопасности), в самолетостроении и в теплотехнике.

Выводы по диссертационной работе и полученные в ней результаты можно обобщить следуюшим образом:

1. Создан комплекс математических моделей расчета температурных полей начальной стадии пожара в помещении в условиях сопряженной задачи и величины прогибов металлических конструкций в условиях реального пожара в помещении, что позволяет оценить напряженно-деформируемое состояние конструкций в зависимости от геометрии, пожарной нагрузки помещения и материала конструкции.

2. Разработана математическая модель геометрии и интенсивности очага горения для помещений с пожаром, регулируемым нагрузкой, что дает возможность рассмотреть очаг с разными теплофизическими и геометрическими параметрами.

3. Создана математическая модель расчета температурных полей помещения в зависимости от характеристик очага, что определяет температурные режимы в разных точках помещения в зависимости от места расположения возможного очага горения, его геометрии и интенсивности тепловыделений.

4. Получены математические модели взаимодействия очага горения с горизонтальными и вертикальными конструкциями, что позволяет рассчитать температурные поля конструкций в зависимости от теплофизических и геометрических параметров конструкций и возможного очага горения.

5. Разработаны математические модели определения напряженно-деформируемого состояния конструкций и их прогибов в зависимости от нестационарного температурного поля конструкций, пожарной нагрузки и проемности помещения.

6. Для комплекса математических моделей разработан алгоритм их совместной реализации, основой которого является одна из схем дробных шагов - схема писмена-рекфорда, что обеспечивает сходимость численного решения к точному.

7. На базе математического аппарата разработано программное обеспечение автоматизированного расчета:

- температурных полей помещения при пожаре, регулируемым нагрузкой;

- температурных полей конструкций;

- прогибов металлических конструкций.

Результаты совпадают с известными экспериментальными данными с удовлетворительной точностью. Сравнение проводилось вероятностными методами. Это позволяет говорить о применимости комплекса моделей при решении задач, связанных с интенсивным нагревом.

9. Эксплуатация разработанного программного обеспечения автоматизированных расчетов температурных полей помещения, конструкций для начальной стадии реального пожара в составе АСУ БНИИПО и НИИ АСПК позволит сократить время на производство инженерных расчетов, облегчить труд проектировщиков, снизить материальные затраты по определению температурных режимов помещения и конструкций при проектировании пожарных датчиков и систем защиты конструкций.

Интегральная модель термогазодинамики пожара требует существенной модификации, которая заключается в учете трехмерных эффектов тепломассообмена с помощью введения поправочных коэффициентов в формулы для расчета массовых расходов через проем и тепловых потоков в ограждающие конструкции.

Значения таких коэффициентов могут быть получены на основе экспериментальных исследований или численных экспериментов с использованием полевой модели.

 Применение интегральной модели достаточно обосновано в режиме стабилизации термогазодинамической картины пожара и при расположении пожарной нагрузки в области взаимной "нечувствительности" горючего материала и проема[16].

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Астахова, И. Ф. Моделирование процессов теплопереноса при интенсивном нагреве для оценки деформаций конструкций [Электронный ресурс]. Режим доступа // http://tekhnosfera.com/modelirovanie-protsessov-teploperenosa-pri-intensivnom-nagreve-dlya-otsenki-deformatsiy-konstruktsiy

2. Кошмаров, Ю.А. Прогнозирование опасных факторов пожа-ра в помещении: учеб. пособие. – М.: Академия ГПС МВД России, 2000. – 118 с.

3. Кошмаров, Ю.А. Прогнозирование опасных факторов пожара в помещении: Учебное пособие. - М.: Академия ГПС МВД России, 2009

4. Кошмаров, Ю.А. Процессы нарастания опасных факторов пожара в производственных помещениях и расчет критической продолжительности пожара / Ю.А. Кошмаров, В.В. Рубцов. – М.: МИПБ МВД России, 1999. –       89 с

5. Матвиенко, О. В. Численное исследование формирования конвективной колонки и огненного смерча при лесных пожарах // Инженерно-физический журнал, 2014 г. сентябрь–октябрь.- том 87-№ 5.

6. Моделирование пожаров и взрывов / под ред. Н.Н. Брушлинского, А.Я. Корольченко. – М.: «Пожнаука», 2000. – 492 с.

7. ОСТ Р 54081-2010 (МЭК 60721-2-8:1994) Воздействие природных внешних условий на технические изделия. Общая характеристика. Пожар.

8. Прогнозирование опасных факторов пожара: определение расчетных величин пожарного риска общественных зданий и сооружений: учебное пособие. / Ю.И. Иванов, Д.А. Бесперстов, А.С. Мамонтов, Е. И. Стабровская. Кемеровский технологический институт пищевой промышленности. – Кемерово, 2013. – 122 с.

9. Рекомендации Средства пожарной автоматики. Область применения. Выбор типа. Рекомендации  [Электронный ресурс]. Режим доступа://http://www. znaytovar. ru/gost/2 / RekomendaciiSredstva_pozharnoj.html.

10. Электронная энциклопедия пожарной безопасности [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://wiki-fire.org/Опасные факторы пожара.ashx.

[1] Прогнозирование опасных факторов пожара: определение расчетных величин пожарного риска общественных зданий и сооружений: учебное пособие. / Ю.И. Иванов, Д.А. Бесперстов, А.С. Мамонтов, Е. И. Стабровская. Кемеровский технологический институт пищевой промышленности. – Кемерово, 2013. – 122 с

[2] Прогнозирование опасных факторов пожара: определение расчетных величин пожарного риска общественных зданий и сооружений: учебное пособие. / Ю.И. Иванов, Д.А. Бесперстов, А.С. Мамонтов, Е. И. Стабровская. Кемеровский технологический институт пищевой промышленности. – Кемерово, 2013. – 122 с

[3] Прогнозирование опасных факторов пожара: определение расчетных величин пожарного риска общественных зданий и сооружений: учебное пособие. / Ю.И. Иванов, Д.А. Бесперстов, А.С. Мамонтов, Е. И. Стабровская. Кемеровский технологический институт пищевой промышленности. – Кемерово, 2013. – 122 с

[4] Прогнозирование опасных факторов пожара: определение расчетных величин пожарного риска общественных зданий и сооружений: учебное пособие. / Ю.И. Иванов, Д.А. Бесперстов, А.С. Мамонтов, Е. И. Стабровская. Кемеровский технологический институт пищевой промышленности. – Кемерово, 2013. – 122 с

[5]Электронная энциклопедия пожарной безопасности [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://wiki-fire.org/Опасные факторы пожара.ashx

 

[6] Кошмаров, Ю.А. Прогнозирование опасных факторов пожа-ра в помещении: учеб. пособие. – М.: Академия ГПС МВД России, 2000. – 118 с.

[7] Моделирование пожаров и взрывов / под ред. Н.Н. Брушлинского, А.Я. Корольченко. – М.: «Пожнаука», 2000. – 492 с.

 

[8] Кошмаров, Ю. А. Прогнозирование опасных факторов пожара в помещении: Учебное пособие. - М.: Академия ГПС МВД России; 2000. -118с.

[9] Кошмаров, Ю.А. Прогнозирование опасных факторов пожара в помещении: Учебное пособие. - М.: Академия ГПС МВД России, 2009

 

[10] ОСТ Р 54081-2010 (МЭК 60721-2-8:1994) Воздействие природных внешних условий на технические изделия. Общая характеристика. Пожар

 

[11] ОСТ Р 54081-2010 (МЭК 60721-2-8:1994) Воздействие природных внешних условий на технические изделия. Общая характеристика. Пожар

 

[12] ОСТ Р 54081-2010 (МЭК 60721-2-8:1994) Воздействие природных внешних условий на технические изделия. Общая характеристика. Пожар

[13] Рекомендации Средства пожарной автоматики. Область применения. Выбор типа. Рекомендации [Электронный ресурс]. Режим доступа //http://www.znaytovar.ru/gost/2/RekomendaciiSredstva_pozharnoj.html

 

[14] Рекомендации Средства пожарной автоматики. Область применения. Выбор типа. Рекомендации [Электронный ресурс]. Режим доступа //http://www.znaytovar.ru/gost/2/RekomendaciiSredstva_pozharnoj.html

 

[15] Матвиенко, О. В. Численное исследование формирования конвективной колонки и огненного смерча при лесных пожарах // Инженерно-физический журнал, 2014 г. сентябрь–октябрь.- том 87-№ 5.

 

[16] Астахова, И. Ф. Моделирование процессов теплопереноса при интенсивном нагреве для оценки деформаций конструкций [Электронный ресурс]. Режим доступа // http://tekhnosfera.com/modelirovanie-protsessov-teploperenosa-pri-intensivnom-nagreve-dlya-otsenki-deformatsiy-konstruktsiy