Смагин Александр Владимирович Моделирование выделения и распространения токсичных газов при пожарах в зданиях и сооружениях для обоснования их объемно-планировочных решений с целью обеспечения безопасной эвакуации людей

Подождите немного. Документ загружается.

существующих методов расчета газодинамики и тепломассобмена при пожаре в по-

мещении, являющихся основой для обоснования и разработки объёмно-

планировочных решений зданий и сооружений. Рассмотрены теоретические методы

прогнозирования ОФП на основе интегральной, зонной и полевой математических

моделей пожара в помещении, изложены их недостатки и преимущества.

Интегральная модель пожара позволяет получить информацию

о средних зна-

чениях параметров состояния среды в помещении для любого момента развития по-

жара. Система дифференциальных уравнений интегральной модели для начальной

стадии пожара дополнена уравнениями законов сохранения массы для акролеина и

циановодрорда:

()

гHCNHCNHCNНСN

GnxLV

−ηψ=ρ

, (1)

()

гакракракракр

GnxLV

−ηψ=ρ

, (2)

где τ – время, с; V – объём помещения, м

; ρ

HCN

, ρ

акр

- среднеобъёмная парциальная

плотность циановодорода и акролеина, кг/м

; L

HCN

, L

акр

- коэффициенты удельного

выделения циановодорода и акролеина, кг/кг; ψ – скорость газификации пожарной

нагрузки, кг/с; η – коэффициент полноты сгорания пожарной нагрузки; х

HCN

акр

–

средняя массовая доля циановодорода и акролеина; n

HCN,

акр

– коэффициент, учиты-

вающий отличие концентрации токсичного газа в уходящих газах от среднеобъём-

ной концентрации этого газа; G

– расход газов, удаляющихся из помещения через

проёмы, кг/с.

Используется трёхзонная математическая модель справедливая для стадии

пожара. Температура и массовый расход в сечении конвективной колонки опреде-

ляются по формулам:

)1(

пож0

ϕ−+

, (3)

()()

пож

121,0 yy

Qgp

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

χ−−=

, (4)

где Q

пож

= η Ψ Q

= η ψ

уд

; Q

пож

– скорость тепловыделения, Вт ; Q

– теплота

сгорания, Дж/кг; g – ускорение свободного падения, м/с²; Т

и ρ

– температура и

плотность холодного (окружающего) воздуха; G – расход газов через сечение струи,

отстоящее от поверхности горения на расстояние y, кг/с; с

– изобарная теплоем-

кость газа, Дж/(кг К);

пож

=χ - доля, приходящаяся на поступающую в ограждение

теплоту от выделившейся в очаге горения; y – координата сечения колонки, отсчи-

тываемая от поверхности горения, м ; y

– расстояние от фиктивного источника теп-

ла до поверхности горения, м.

Система дифференциальных уравнений зонной модели для начальной стадии

пожара дополнена уравнениями законов сохранения массы для акролеина и циано-

водоорода.

Обобщенное нестационарное трёхмерное дифференциальное уравнение поле-

вой модели имеет вид:

() ( ) ( )

Sgraddivwdiv +ΦΓ=Φρ+Φρ

∂τ

∂

, (5)

где ρ

− плотность, кг/м

; Ф − зависимая переменная (энтальпия смеси, проекции ско-

рости на координатные оси, концентрации компонентов газовой смеси (О

, СО, СО

и впервые рассматриваемые HCN и (СН

=СН-СНО) акролеин), оптическая плотность

дыма, кинетическая энергия турбулентности и скорость ее диссипации); Г − коэффи-

циент диффузии для Ф; S − источниковый член. Лучистый теплоперенос определяет-

ся с помощью метода моментов (диффузионная модель).

Система уравнений (5) решается методом контрольных объемов по неявной

конечно-разностной схеме на неравномерной шахматной сетке.

Разработана математическая

модель и методика расчёта коэффициента удель-

ного выделения токсичных газов, входящего во все рассмотренные математические

модели, на примере СО при сгорании пожарной нагрузки помещения с учётом объ-

ёмно-планировочных решений зданий и сооружений и термогазодинамических усло-

вий пожара.

Основные химические реакции образования СО и СО

представлены ниже:

С+О

→СО

, С+0,5О

↔СО, СО+0,5О

↔СО

, С+СО

↔СО. (6)

Система основных уравнений разработанной математической модели расчёта

удельного коэффициента выделения токсичных газов, учитывающей зависимость

изменения температуры пожара, концентрации кислорода в помещении и коэффи-

циента теплопотерь (в случае выделения СО) имеет вид:

нСО

СО

)1(

Тс

ϕ−ρ

, (7)

ат

оо

РrР

⋅

, (8)

5,0

ррр

со

)(

432

ККК

Р ⋅

⋅

, (9)

пСО

СО

ТR

⋅

=ρ

. (10)

где ρ

СО

– парциальная плотность СО, кг/м

; Q

— низшая рабочаятеплота сгорания

материала, МДж/кг; ϕ — коэффициент теплопотерь; L

СО

— удельный коэффициент

выделения СО при сгорании 1 кг материала, кг/кг; К

р1

, К

р2

, К

р3

, К

р4

- константы

равновесия химических реакций (6) соответственно; R

CО

– газовая постоянная СО,

Дж/(кг·К); Р

СО

– парциальное давление СО, Па; r

О2

- объёмная доля кислорода в

воздухе помещения; Т

– температура пожара, К.

В случае расчёта значений выделения для других токсичных газов (акролеина,

циановодорода, хлороводорода и т.д.) в ур. (7)-(10) меняются с учётом химических

реакций образования этих веществ соответствующие члены на ρ

HCN

, ρ

акр

и т.д.

Удельный коэффициент выделения L

СО

определяется по ур. (7), и получен из

уравнения предельной плотности токсичного в аналитическом решении интеграль-

ной модели и учитывает объёмно-планировочные решения (в первую очередь высо-

ту и объём помещения).

Математическая модель (6)-(10) и методика расчёта позволяет, зная константы

равновесия химических реакций, получить значения удельного коэффициента выде-

ления любого вещества, или измеряя

плотность токсичного газа, теплоту сгорания,

коэффициент теплопотерь, температуру пожара и концентрацию кислорода в случае

вещества неизвестного химического состава.

Пример результатов расчёта представлен на рис. 1.

0,2

0,4

0,6

0,8

300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400

Т, К

co, кг/кг

Рис. 1. Зависимость удельного коэффициента выделения СО от температуры при r

О2

=0,23 и φ=0,2.

□ – химическое вещество: ацетон; ∆ - радиоматериалы: поли(этилен, стирол, пропил), гетинакс;

◊ – хвойные древесные материалы: штабель.

Проведён сравнительный анализ полученных расчётных данных с экспери-

ментальными данными из различных научно-технических источников, отмечена

достаточная, для инженерных расчётов, сходимость расчётных и эксперименталь-

ных данных. Сопоставление с экспериментальными данными [Breulet H., Standard

toxic potency indexes, InterFlam 2007 Conference, London, 2007.] показало, что отли-

чие теоретического значения отношения концентраций окиси и двуокиси углерода к

его экспериментальной величине не превышает 11,77 %, например:

горение древесины (r

О2

= 0,013): (X

CO2

)

теор

= 0,398; (X

CO2

)

эксп

= 0,36;

- горение резины (r

О2

= 0,0737): (X

CO2

)

теор

= 0,29; (X

CO2

)

эксп

= 0,26.

Определена сходимость расчётных данных выделения токсичных газов с экс-

периментальными данными Ю. А. Кошмарова и Л. К. Исаевой. Результаты сравни-

тельного анализа по СО представлены в табл. 2 и 3, а по акролеину в табл. 4, а также

определены значения параметров пожара, при которых зафиксированы значения

выделения токсичных газов у этих авторов.

Таблица 2.

Сопоставление расчётных и экспериментальных данных по выделению СО.

Расчётные данные по методике

Параметры пожара

Вид ПН

CО

, кг/кг

[Кошмаров]

CО

кг/кг

Т, К r

о2

, % φ

Погрешность,

Древесина 0,024 0,0248 1100 14 0,5 3,33

Радиоматериа-

лы

0,1 0,1 1100 14 0,2 0

Ацетон

0,269 0,296 1400 14 0,5 10,03

Таблица 3.

Сопоставление расчётных и экспериментальных данных

по выделению СО при сгорании древесины.

Параметры пожара

Источник данных

СО

кг/кг

Т, К

φ r

, %

Л. К. Исаева 10

-0,25 - - -

Погрешность, %

Расчёт по методике 0,0018-0,2632 800-1400 0,2-0,8 14-0,8 5,2

Таблица 4

Сопоставление расчётных и экспериментальных данных по выделению акролеина.

Расчётные данные по методике

Параметры пожара

Вид ПН

акролеин

кг/кг

[Исаева]

акролеин

кг/кг

Т, К r

о2

, % φ

Погрешность,

Древесина 0,00443 0,00443 - 19 0,89 0

Бумага

0,0035 0,00359 - 19 0,89 2,57

Отмечено, что, используя данную методику, можно рассчитывать величины

выделения других токсичных газов при наличии соответствующих исходных данных

(перечень химических реакций, константы равновесия соответствующих химиче-

ских реакций). Полученные данные по выделению токсичных газов позволяют более

точно рассчитывать критическую продолжительность пожара по газообразным про-

дуктам горения с учётом объёмно-планировочных решений зданий и сооружений.

В третьей главе

произведены расчёты по определению критической продол-

жительности пожара по отдельным факторам (повышенная температура, понижен-

ная концентрация кислорода, потеря видимости в дыму, по газообразным продуктам

горения: СО

, СО, НСl, HCN, акролеин) и эффективности использования портатив-

ных фильтрующих самоспасателей при пожарах в зданиях и сооружениях, с исполь-

зованием формул интегральной математической модели расчёта динамики опасных

факторов пожара.

Предложена методика расчёта, позволяющая определить виды пожарных на-

грузок, при сгорании которых токсичные газы (СО, СО

, НСl, HCN, акролеин) в по-

мещении и в подмасочном пространстве самоспасателя, будут представлять угрозу

раньше, чем повышенная температура.

ZLB

кр

т.г.

кр

)273(

1ln

⎪

⎭

⎪

⎬

⎫

⎪

⎩

⎪

⎨

⎧

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

⋅+

−

+=τ≤

⎪

⎭

⎪

⎬

⎫

⎪

⎩

⎪

⎨

⎧

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

⋅⋅

⋅

−

=τ

. (11)

где τ

кр

т.г.

– критическая продолжительность пожара по i-му токсичному продукту

горения, с; τ

кр

– критическая продолжительность пожара по повышенной темпера-

туре, с;

Vс

ηϕ−

)1(

353

— размерный комплекс, зависящий от теплоты сгорания мате-

риала и свободного объема помещения, кг; t

— начальная температура воздуха в

помещении, °С; n ⎯ показатель степени, учитывающий изменение массы выгораю-

щего материала во времени; А — размерный параметр, учитывающий удельную

массовую скорость выгорания горючего материала и площадь пожара, кг/с

; z —

безразмерный параметр, учитывающий неравномерность распределения ОФП по

высоте помещения; V — свободный объем помещения, м

; Х

— предельно допусти-

мое содержание i-го токсичного газа в помещении (в подмасочном пространстве са-

моспасателя - по данным производителя), кг/м

. Принимаем Х

СО2

=0,11 кг/м

; Х

СО

1,16⋅10

-3

кг/м

; X

HCL

=23⋅10

-6

кг/м

; Х

НСN

=1⋅10

-5

кг/м

; Х

акр

=1⋅10

-6

кг/м

; L

— удельное

выделение i-го токсичного газа, кг/кг.

Если неравенство (11) выполняется, то повышенная температура при пожаре в

помещении достигнет критических значений (70

С) позже, чем рассматриваемый

токсичный газ достигнет своего предельно-допустимого значения (ПДЗ).

Подставив соответствующие величины в уравнение (11), получим

. (12)

Выполнено три варианта расчёта в случае помещений различных по высоте и

объёму для всех 67 комбинированных пожарных нагрузок и горючих веществ:

1- сравнительный анализ опасности от токсичных газов (СО, НСl, СО

) в поме-

щении с использованием данных Ю.А. Кошмарова и Л.К. Исаевой;

2- сравнительный анализ опасности образования концентраций токсичных газов

(СО, НСl, НСN, акролеин) в помещении и подмасочном пространстве самоспасате-

ля, ориентированного на повышенную защиту от СО, с использованием данных

только Л.К. Исаевой;

3- сравнительный анализ опасности от токсичных

газов (СО, НСl, СО

) в поме-

щении и подмасочном пространстве самоспасателя с использованием данных толь-

ко Ю.А. Кошмарова.

В табл. 4, при исходных данных Л.К. Исаевой показано в каком количестве

пожарных нагрузок, концентрация токсичного газа достигла критического значения

раньше, чем повышенная температура (но позже потери видимости от которой, не-

посредственно, гибель людей не происходит).

Таблица 4

Статистика выполненных расчётов (из 67 пожарных нагрузок)

Помещение Подмасочное пространство

Токсичный газ

Кол-во ПН Проценты Кол-во ПН Проценты

Монооксид углерода 25 37,31 0 0

Хлороводород 2 0 0 0

Циановодород 2 2,98 2 2,98

Акролеин 30 44,77 0 0

Из табл. 4 видно, что акролеин является одним из самых опасных факторов

пожара.

Оценка эффективности использования самоспасателей на различных объектах

с использованием формул аналитического решения интегральной математической

модели пожара в помещении и формул ГОСТ 12.1.004-91* выполнена с целью опре-

деления критической продолжительности пожара (КПП) по отдельным факторам.

Кроме основных параметров (КПП по

повышенной температуре, потере видимости

в дыму, по пониженному содержанию кислорода, по одному из газообразных про-

дуктов горения (СО, НСl, HCN, СН

=СН-СНО (акролеин), определялась КПП по

достижению одним из токсичных газов ПДЗ в подмасочном пространстве само-

спасателя (по ур. (18)) - подставляется соответствующее значение ρ

ПДЗ

равное

концентрации токсичного газа, от которого самоспасатель обеспечивает защиту

(принимается по данным производителя)), а также определялась температура в по-

мещении на этот момент (ур. (19)).

ПДЗ

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

−

=τ

∗

, (18)

eTТ

, (19)

где ρ

ПДЗ

- ПДЗ для i-го токсичного газа, кг/м

; τ

= τ

- время, за которое плотность

исследуемого токсичного газа достигнет ПДЗ в помещении без использования само-

спасателя (ур. (18) - критическая продолжительность пожара по газообразным про-

дуктам горения); τ

=τ

- время, за которое плотность исследуемого токсичного газа

достигнет ПДЗ в подмасочном пространстве самоспасателя (ур. (18)).

За время эффективного использования самоспасателя принималась разница по

времени между:

- достижением плотности токсичного газа ПДЗ в подмасочном пространстве

самоспасателя и достижением плотности токсичного газа в помещении без исполь-

зования самоспасателя (τ

эф1

= τ

-τ

), при условии, что первым опасным фактором

пожара в помещении не наступала ни повышенная температура (Т

кр

=70°С), ни по-

ниженная концентрация кислорода (τ

кр.

О2

);

- достижением концентрации токсичного газа в помещении ПДЗ и достиже-

нием температурой или пониженной концентрацией кислорода воздуха критических

параметров в помещении (τ

эф2

= τ

кр

- τ

или τ

эф2

= τ

кр

О2

- τ

Данные по выделению токсичных газов взяты из научных работ Ю.А. Кошма-

рова и Л.К. Исаевой. Фрагмент выполненных расчётов представлен в табл. 5.

В результате выполненной работы в главе 3 сделан вывод о том, что опас-

ность представляемая СО преувеличена, т.к. в большинстве случаев, предельных

концентраций СО достигает спустя значительный

промежуток времени, к которому

другие ОФП уже достигли предельных значений, а температура в помещении очень

высока. Следовательно, общая картина опасности, представляемая другими токсич-

ными газами (акролеин, циановодород) недооценена, а методики прогнозирования

опасных факторов пожара вообще не учитывают эффекты воздействия многих дру-

гих токсичных газов, выделяющихся при сгорании пожарной нагрузки.

Таблица 5.

Эффективность использования самоспасателей в помещениях различного функциональ-

ного назначения объёмом V=500 м

, высотой h = 4 м, z =0,77.

В помещении

Подмасочное

пространство

В помещении Токсичный

газ

, с Т

,º С τ

, с Т

,º С τ

кр

, с τ

кр

, с τ

кр

дым

, с

Вывод об эффектив-

ности, с

1. Мебель + бытовые изделия ( здание I-II СО (СО - степень огнестойкости ))

СО 113 50,5 113 50,5

НСl н.д.

Акролеин

39 21,2 207 268,9

НСN н.д.

142 168 53 74

2. Верхняя одежда: ворс, ткани (шерсть + нейлон)

СО н.д.

НСl

6 20,4 14 25,1

Акролеин н.д.

НСN

9 21,5 30 72,5

32 45 18 8

3. Сырьё для легкой промышленности: шерсть

СО н.д.

НСl н.д.

Акролеин н.д.

НСN

17 21,4 53 68,5

58 69 30 36

- «н.д.» – нет данных о выделении токсичного газа;

- в расчёте определялось время эффективности использования самоспасателя, ориентированного

на повышенную защиту от акролеина.

Обобщённые результаты выполненных расчётов представлены в табл. 6.

Таблица 6.

Сведения об ОФП, наступивших в первую очередь, при сгорании пожарной нагрузки

в помещениях различного объёма.

V= 108 м

h=3 м, z=1,252

V= 500 м

h=4 м, z=0,77

V= 1000 м

h=5 м, z=0,54

ОФП

Кол-во ПН % Кол-во ПН % Кол-во ПН %

Монооксид углерода 0 0 0 0 0 0

Хлороводород 1 1,49 1 1,49 1 1,49

Акролеин 30 44,78 30 44,78 30 44,78

Циановодород 1 1,49 1 1,49 1 1,49

Повышен. температура 35 52,23 35 52,23 35 52,23

Кислород

0 0 0 0 0 0

Наиболее опасным фактором пожара, в соответствии с выполненными расчё-

тами, является акролеин, что также подтверждается исследованиями других специа-

листов. Акролеин – сильнейший токсикант раздражающего действия, при первых

вдохах человеком вызывает обильное слезоточение и кашель, достаточно часто дос-

тигает ПДЗ в интервале повышения температур на 20-30

С, когда другие ОФП ещё

долго не проявляют себя, кроме того, процент наступлений акролеина, как первого

ОФП, очень высок, учитывая, что для многих пожарных нагрузок сведения о выде-

лении акролеина при горении отсутствуют.

В четвёртой главе проведены численные эксперименты по прогнозированию

ОФП с помощью полевой и зонной математических моделей в зданиях и сооруже-

ниях различного функционального назначения при типовых объёмно-

планировочных решениях, характеристики и геометрические размеры для 4-х объ-

ектов из 8-ми рассматриваемых представлены в табл. 7.

Помещения имели сложную геометрию (криволинейные коридоры; атриумы

объединяющие несколько этажей,;

перепады высот перекрытий этажей и т.д.)

Представлены результаты численного расчёта критической продолжительно-

сти пожара по различным опасным факторам пожара в этих зданиях. Для иллюстра-

ции результатов на рис. 2 представлены характерные поля концентраций токсичных

газов СО и СО

) при пожаре в зрительном кинозале, расположенном в комплексе

придорожного развития (д. Барвиха).

Анализ результатов численных экспериментов показывает, что в зданиях и

сооружениях различного назначения с типовыми объёмно-планировочными реше-

ниями критическая для человека массовая концентрация монооксида углерода, рав-

ная 0,00116 кг/м

, не наступила за рассматриваемое время от начала пожара при

следующих видах пожарных нагрузок: мебель + ткани (здание I-II ст. огнестойко-

сти); бензин А-76; сценическая часть зрительного зала (древесина); штабель древе-

сины; дерево + лаковое покрытие 0,95 древесина + 0,05 (ФЛ+РХО).

При следующих видах пожарных нагрузок время критической продолжитель-

ности пожара по монооксиду углерода больше критической

продолжительности

пожара по повышенной температуре:

- автомобиль: на 189,9 с;

- упаковка: бумага +картон +поли (этилен+стирол) (0,4+0,3+0,15+0,15): на 39 с;

- промышленные товары: при пожаре на третьем этаже на 27-28 с на втором этаже и

на 145-168 с на третьем этаже (пример двухсветного атриума, находящегося в цен-

тре трехэтажного торгового и культурно-развлекательного центра (г. Новосибирск).

Время защитного действия портативных фильтрующих самоспасателей от на-

чала пожара до достижения температурой ее критического значения на высоте ра-

бочей зоны (эффективность самоспасателей) составляла:

- здание I-II ст. огнестойкости (мебель + ткани): 209-743 с;

- автомобиль: 250,7 с;

- бензин: 114 с;

- сценическая часть зрительного зала (древесина): 430 с;

- штабель древесины: 269 с;

- упаковка: бумага +картон +поли (этилен

+стирол) (0,4+0,3+0,15+0,15): 155 с;

- промышленные товары: 393-950 с.

Таблица 7

Характеристики многофункциональных зданий с массовым пребыванием людей

№

Название, адрес и краткая ха-

рактеристика здания

Наименование основных поме-

щений, горючий материал

Размеры (площадь

пола (м

), х высота

(м))

Свободный

объем, м

Коридор 6.1-36-001; здание

I-II ст. огнестойкости; ме-

бель + ткани (в номере) на

отметке 0.000

151,33х3,6

435,8

Чайный салон 2.1-1-002 –

2.1-5-002 на отметке +4.000;

мебель + ткани

340,7х6,0 1635,4

Гостиничный комплекс; г.

Екатеринбург, Верх-

Исетский район; состоит из

20 уровней надземных эта-

жей и подземного паркинга;

высота 1-го и 4-19 этажей

составляет 3,6 м; 2-го этажа -

6,0 м, 3-го этажа – 5,6 м

Тематический ресторан 2.2-

1-003, 2.2-2-003, 2.2-3-003 на

отметке +12.000; мебель +

ткани

355,62х5,6

1593,2

Комплекс придорожного об-

служивания в дер. Барвиха

Зрительный кинозал; сцени-

ческая часть зрительного за-

ла; древесина

814х21

13675

Помещение склада, бакалея;

упаковка: бумага +картон

+поли (этилен+стирол)

(0,4+0,3+0,15+0,15)

132х2,7

285,1

Склад;

размеры: 24х17х2,7 м

Коридор, примыкающий к

помещению склада

116х2,7 250,6

Государственный Академи-

ческий Мариинский театр; г.

Санкт-Петербург

Атриум с 4-го по 10-ый уро-

вень; здание I-II ст. огне-

стойкости; мебель + ткани

750х43

---

Примечание:

- суммарная высота атриума.

В конце главы сделаны выводы, о том, что опасность, представляемая моноок-

сидом углерода при сгорании пожарной нагрузки зданий и сооружений преувеличе-

на, т.к. для многих пожарных нагрузок критические концентрации этого токсичного

газа не образовывались в помещении за всё рассматриваемое время от начала разви-

тия пожара.

На основании выполненных расчётов разработаны

научно-обоснованные реко-

мендации по эффективному использованию портативных фильтрующих самоспаса-

телей при эвакуации людей на пожарах в зданиях и сооружениях, с учётом особенно-

стей объёмно-планировочных решений этих зданий. Использование портативных

фильтрующих самоспасателей на пожаре будет эффективным в случае сгорания сле-

дующих видов пожарных нагрузок: мебель + бытовые изделия, мебель + бумага +

ковровое покрытие, линолеум ПВХ, упаковка, древесина и её производные, ковролин.