Динамика опасных факторов пожара и расчет критической продолжительности пожара в производственных помещениях

Ежегодно на объектах народного хозяйства и в жилом секторе происходит более 350 тысяч пожаров. Отношение величины только прямого ущерба от пожаров к произведенному национальному доходу, например, в 1990 году составляло 0,087%, а в 1992 году уже 0,321%, т. е. возросло в 3,7 раза, и продолжает расти в настоящее время. В большом списке требований пожарной безопасности особое место занимают положения, направленные на обеспечение безопасности людей в случае возникновения пожаров в зданиях различного назначения. В 1994 году на пожарах погибло 15,7 тысяч человек и 12,2 тысячи человек получили травмы и увечья.

Актуальность темы

Россия имеет самый высокий в мире уровень гибели и травмирования людей на пожарах, в несколько раз превышающий средний уровень развитых зарубежных стран.

Безопасность людей на пожарах в зданиях и сооружениях в настоящее время обеспечивается принятием специальных технических решений, которые разрабатываются на основе требований нормативных документов. Основополагающий документ, регламентирующий пожарную безопасность ГОСТ 12.1.004−91 «ССБТ. Пожарная безопасность. Общие требования» определяет эвакуацию как один из основных способов обеспечения безопасности людей при пожарах в зданиях и сооружениях. Эвакуация является успешной, если расчётное время эвакуации меньше необходимого времени эвакуации. Это условие безопасности людей, сформулированное М. Я. Ройтманом, лежит в основе нормирования процесса эвакуации. В государственном стандарте указано, что необходимое время эвакуации следует принимать равным произведению критической продолжительности пожара на коэффициент безопасности (коэффициент запаса), равный 0,8. Критическая продолжительность пожара есть время достижения предельно допустимых для человека значений опасных факторов пожара (ОФП). Таким образом, для реализации указанного условия безопасности людей необходимо располагать методом расчёта критической продолжительности пожара. Вопрос о точности метода расчёта критической продолжительности пожара является ключевым в решении задачи обеспечения безопасной эвакуации. Недооценка пожарной опасности, равно как и её переоценка, может привести к большим экономическим и социальным потерям.

Методика расчёта критической продолжительности пожара представлена в ГОСТ 12.1.004−91. Эта методика аккумулировала в себе результаты значительного цикла работ, посвященных исследованию динамики ОФП в начальной стадии пожара (А.В.Матюшин, Т. Г. Меркушкина, Ю. С. Зотов, В. Н. Тимошенко и др.). Однако, результаты расчётов по этой методике не согласуются в ряде случаев с данными экспериментов, посвященных исследованию процессов нарастания ОФП в помещениях с относительно большими проёмами. Дело прежде всего в том, что указанная методика была разработана без учёта того факта, что в интервале времени, равном критической продолжительности пожара, одновременно с выбросом газов из помещения через проёмы может иметь место поступление воздуха из окружающей атмосферы. В определённых условиях эта методика может давать результаты, отличающиеся от реальных значений критической продолжительности пожара на 200 — 300%. Более подробное рассмотрение недостатков этой методики даётся ниже. Следует здесь отметить, что для многих производственных помещений характерным обстоятельством является наличие всегда открытых проёмов относительно больших размеров.

Таким образом, исследования динамики ОФП с целью дальнейшего уточнения методики расчёта критической продолжительности пожара является актуальной задачей обеспечения безопасности людей при пожарах.

Цель и задачи работы. Целью диссертационной работы является создание более совершенной научной основы обеспечения безопасной эвакуации людей в случае возникновения пожара, позволяющей осуществить повышение точности прогнозирования ОФП и расчёта критической продолжительности пожара. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

• провести тщательный анализ недостатков и допущений известных научных разработок и методов расчёта критической продолжительности пожара в помещениях;

• разработать метод расчёта среднеинтегрального коэффициента теплопотерь, используемого при расчётах динамики ОФП, с учётом современных знаний о процессах теплового взаимодействия газовой среды в помещении с ограждениями в условиях пожара;

• разработать на основе интегральной математической модели пожара методику исследования влияния проёмности на динамику ОФП путём постановки и проведения компьютерных экспериментовпри этом уточнить математическую модель выгорания ТГМ и в связи этим осуществить модификацию компьютерной программы для численной реализации математической модели пожара, разработанной на кафедре ИТГ МИПБ, с целью обеспечения адекватности результатов моделирования натурным данным;

• разработать методические основы обобщения результатов экспериментов и установить систему определяющих критериев для процессов нарастания ОФП;

• разработать программу компьютерных экспериментов для исследования влияния проёмности помещений на динамику ОФП при горении ТГМ, реализовать её и получить обобщённые зависимости для расчёта процессов нарастания ОФП;

• получить более обоснованные новые формулы для расчёта критической продолжительности пожара по условиям достижения всех ОФП своих предельно допустимых значений в рабочей зоне.

Научная новизна работы. Разработана теория процессов нарастания ОФП в начальной стадии пожара, которая не содержит недостатков, присущих ранее опубликованным исследованиям по этому вопросу и базирующемуся на них государственному стандарту 1991 года. В рамках этой теории разработан метод расчёта коэффициента теплопотерь. Получены формулы для определения этого коэффициента, учитывающие особенности пожаров, протекающих в различных по размерам и конфигурации помещениях при горении твёрдых горючих материалов (ТГМ) и горючих жидкостей (ГЖ). На основе анализа полной системы дифференциальных уравнений, составляющих основу математического описания пожара, с использованием метода обобщённых переменных и обширных результатов компьютерных и натурных экспериментов установлено влияние проёмов на процессы нарастания ОФП. Показана особенность процесса нарастания концентрации токсичного газа и предложен метод расчёта этого процесса. Получены аналитические зависимости, позволяющие рассчитать изменение температуры, концентрации кислорода, концентраций токсичных компонентов продуктов горения и оптической плотности дыма с течением времени при пожарах, протекающих в помещениях с различной проёмностью. Получены новые формулы для определения критической продолжительности пожаров по условию достижения каждым ОФП предельно допустимого значения в зоне пребывания людей.

Практическое значение. Практическое значение диссертационной работы заключается в создании более совершенной научной основы обеспечения безопасности эвакуации людей при пожаре, позволяющей осуществить повышение качества соответствующих разделов государственного стандарта пожарной безопасности. Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе в Московском институте пожарной безопасности МВД РФ, а также были использованы Управлением государственной противопожарной службой ГУВД Московской области при рассмотрении проектно — сметной документации зданий и сооружений, на которые отсутствуют Российские нормы проектирования, а также проектов, в которых допущены отступления от требований норм, и в связи с этим, требующих разработки компенсирующих мероприятий по обеспечению пожарной безопасности людей.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-практической конференции «Пожарная безопасность — 97» (М., 1997 г), на научно-практической конференции «Противопожарная защита жилого комплекса г. Москвы» (М., 1998 г.) на объединённом заседании кафедр «Инженерной теплофизики и гидравлики», «Пожарной безопасности в строительстве», «Процессов горения», «Теоретической механики и строительных конструкций», «Физики», «Кадрового и правового обеспечения деятельности пожарной охраны» с участием учебно — научного комплекса автоматизированных систем и информационных технологий МИПБ и отделов В НИИ ПО МВД РФ.

Публикации. Результаты диссертационной работы опубликованы в монографии и четырёх статьях.

Объём работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, списка литературы и приложений. Работа изложена на 132 страницах машинописного текста, содержит 45 рисунков. Общий объём работы составляет 203 страницы.

Основные выводы.

1. В результате анализа опубликованных работ установлено, что формулы для расчётов динамики ОФП и критической продолжительности пожара, полученные путём решения дифференциальных уравнений интегральной модели пожара с использованием допущения об отсутствии поступления воздуха в помещение, имеют ограниченный характер. Эти формулы являются первым приближением по отношению к точному решению задачи. Область применимости этих формул не определена. Отсутствует методика расчёта коэффициента теплопотерь, который содержится в этих формулах.

2. Разработан метод расчёта среднеинтегрального коэффициента теплопотерь для помещений с ограждениями из железобетона и кирпича при круговом и линейном распространении пожара по ТГМ, а также при неустановившимся и установившимся горении ГЖ. Получены аналитические зависимости коэффициента теплопотерь от критерия формы помещения и макрокинетических параметров горения.

3. Определена область применимости формул первого приближения для расчёта критической продолжительности пожара. Установлено, что эти формулы можно применять для инженерных расчётов, если критерий проёмности помещения меньше «порогового» значения этого критерия. При этом условии на большей части интервала времени, равного критической продолжительности пожара, воздух не поступает в помещение. Пороговое значение критерия проёмности Ппорог"5. Если критерий проёмности помещения меньше порогового значения, то результаты расчётов по формулам первого приближения с использованием разработанного метода определения коэффициента теплопотерь будут отличаться от точного решения задачи не более, чем на 2 4- 3%. Из этого условия следует, что формулы первого приближения применимы лишь в том случае, когда относительная площадь проёмов достаточно мала и при этом выполняется следующее неравенство: проём < пол л/^Н.

В. —ш, А 1.

V N. л п.

0,2 ^ А где А, В, п — тоже, что в ГОСТ 12.1.004−91- остальные обозначения указаны в конце автореферата.

4. Показано, что применимость формулы ГОСТ 12.1.004−91 для расчёта критической продолжительности пожара по условию достижения концентрацией токсичного газа своего предельно — допустимого значения ограничивается не только условием, указанным в третьем пункте настоящих выводов. Установлено, что эту формулу можно применять лишь при условии, когда критическая концентрация токсичного газа мала по сравнению с «пороговой» концентрацией этого газа, значение которой вычисляется по формуле: порог Ср.

Рг ~Р" '(!-<?)¦ <31.

Если это условие не выполняется, то формула ГОСТ 12.1.004−91 может давать результат, во много раз превышающий реальное значение критической продолжительности пожара. Получена новая формула, применимость которой не ограничена указанным выше вторым условием.

5. Разработана методика исследования влияния проёмности на динамику ОФП путём проведения компьютерных экспериментовпри этом была модифицирована математическая модель процесса выгорания ТГМ в результате введения новой функции, учитывающей влияние процессов образования золы и угля, и включения в функцию режимов пожара дополнительных параметров, определяющих границу режимов ПРИ и ПРВ. С помощью данных натурных экспериментов определены значения дополнительных параметров, содержащихся в модифицированной модели выгорания ТГМ. Осуществлена модификация интегральной математической модели пожара и компьютерной программы численной реализации этой модели, разработанной на кафедре ИТГ МИПБ. Проведено тестирование этой программы.

6. Получены обобщённые дифференциальные уравнения для процессов нарастания ОФП. В результате проведённого анализа установлено, что для нормирования времени при рассмотрении процесса нарастания каждого ОФП целесообразно использовать критический временной интервал, который предопределен соответствующей для этого процесса формулой первого приближения. Этот интервал времени следует рассматривать как параметр задачи, поскольку он однозначно выражается через заданные характеристики горючего материала и объём помещения. Нормированное таким образом время является определяющим критерием, по величине которого можно оценивать близость момента наступления летальной опасности. Определяющими критериями для процессов нарастания температуры, дефицита кислорода, концентрации токсичного газа и оптической плотности дыма являются, соответственно, критерии — термической опасности ТЬ, оксигенной опасности 8а, токсигенной опасности То и люминогенной опасности 1л1. Значения этих определяющих критериев, при которых ОФП достигают своих предельно допустимых для человека значений являются критическими.

7. Установлено, что влияние проёмности помещений на процесс нарастания каждого ОФП характеризуется безразмерным комплексом, который наряду с характерным для этого процесса временным интервалом содержит в себе геометрические характеристики проёмов и объём помещения: у О.

Этот безразмерный комплекс также является для процесса нарастания ОФП определяющим критерием. Чем больше значение этого критерия, тем сильнее проявляется влияние проёмности. Критерий проёмности с формальных позиций есть параметр задачи, так как составлен из величин, заданных условием однозначности.

8. Получены критериальные уравнения для процессов нарастания ОФП, в которых в качестве определяемых критериев выступают безразмерные комплексы N1, характеризующие величину опасного фактора пожара. Установлено, что критическое значение критериев опасности зависят от критерия проёмности, т. е. ТЪкр = 8а"р = АрПО, Токр = 1Щ2), Ьи кр =.

9. Реализована обширная программа компьютерных экспериментов по исследованию влияния проёмности на динамику ОФП и получен большой массив данных о критической продолжительности пожара в широком диапазоне значений критерия проёмности при круговом распространении пожара по ТГМ. В результате обобщения данных компьютерных и натурных экспериментов получены новые формулы для расчётов процессов нарастания ОФП. Установлен конкретный вид зависимостей критических значений критериев опасности от критерия проёмности. Дана оценка достоверности полученных зависимостей.

10. Получены новые формулы для определения критической продолжительности пожара по условию достижения каждым ОФП своего предельно допустимого значения в рабочей зоне при круговом распространении пожара по ТГМ.

11. Результаты диссертации позволяют осуществить дальнейшее совершенствование государственного стандарта по пожарной безопасности и нормативных документов по пожарной безопасности в строительстве.