Теоретические и практические основы прогнозирования опасных факторов пожара в курсовом проектировании

Введение. Актуальность и задачи прогнозирования ОФП в контексте пожарной безопасности

Ежегодно пожары наносят колоссальный социальный и экономический ущерб, унося жизни и уничтожая материальные ценности. Современный подход к обеспечению пожарной безопасности смещает акцент с реагирования и тушения на превентивные меры, где ключевую роль играет прогнозирование. Именно научно обоснованное прогнозирование динамики опасных факторов пожара (ОФП) является фундаментом для проектирования эффективных систем защиты, расчета времени эвакуации и, в конечном счете, спасения жизней.

Понимание того, как будут распространяться температура, дым и токсичные газы, позволяет еще на этапе проектирования заложить решения, которые обеспечат безопасную эвакуацию людей. Важность таких расчетов закреплена на законодательном уровне, в частности, в Федеральном законе №123-ФЗ «Технический регламент о требованиях пожарной безопасности», который вводит понятие пожарного риска как основной критерий оценки безопасности объекта.

В связи с этим, целью данной курсовой работы является разработка и апробация комплексной методики прогнозирования опасных факторов пожара на примере конкретного объекта. Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:

• Изучить теоретические основы и физическую сущность опасных факторов пожара.
• Проанализировать существующие методы математического моделирования и прогнозирования динамики пожара.
• Выбрать и обосновать наиболее подходящую методику и программное обеспечение для решения поставленной задачи.
• Провести серию вычислительных экспериментов для заданного сценария пожара.
• Проанализировать полученные результаты, определив время блокирования путей эвакуации.
• Сформулировать выводы о достаточности существующих мер безопасности и разработать рекомендации по их улучшению.

Обосновав актуальность темы и определив круг задач, необходимо детально рассмотреть, что именно представляют собой опасные факторы пожара и какие из них несут наибольшую угрозу.

1. Физическая сущность и классификация опасных факторов пожара

Опасные факторы пожара — это совокупность физических и химических явлений, возникающих при горении и оказывающих негативное воздействие на людей, имущество и окружающую среду. Их воздействие является основной причиной гибели и травматизма. Для корректного прогнозирования необходимо понимать природу каждого из них.

К основным ОФП, воздействующим непосредственно на человека, относят:

1. Повышенная температура среды. Нагретый воздух и продукты горения вызывают термические ожоги дыхательных путей и кожи, приводят к тепловому удару и потере сознания. Согласно ГОСТ 12.1.004-91, предельно допустимым значением температуры на путях эвакуации считается 70°С.
2. Тепловой поток. Это энергия, передаваемая посредством излучения от пламени и нагретых поверхностей. Интенсивное тепловое излучение вызывает сильные болевые ощущения и ожоги даже на расстоянии от очага.
3. Токсичные продукты горения. В процессе горения выделяются ядовитые газы, наиболее опасными из которых являются оксид углерода (CO), цианистый водород (HCN), оксиды азота (NOx) и хлороводород (HCl). Их вдыхание приводит к химическому отравлению и быстрой потере работоспособности.
4. Потеря видимости из-за дыма. Дым, состоящий из мельчайших частиц сажи и несгоревших продуктов, резко снижает видимость, что затрудняет ориентацию в пространстве, вызывает панику и существенно замедляет процесс эвакуации. Критическим значением считается снижение видимости до 20 метров.
5. Пониженная концентрация кислорода. В процессе горения кислород интенсивно расходуется. Снижение его концентрации во вдыхаемом воздухе ниже 17% вызывает гипоксию, нарушение координации и потерю сознания.

Помимо основных, существуют и сопутствующие (вторичные) факторы, представляющие не меньшую угрозу:

Обрушение строительных конструкций, потерявших свою несущую способность (R) под воздействием высоких температур; взрывы, вызванные достижением горючей концентрации газовоздушной смеси; разлет осколков и частей оборудования; паника, ведущая к иррациональным и опасным действиям.

По характеру воздействия ОФП можно классифицировать на тепловое (температура, тепловой поток), химическое (токсичные газы, недостаток кислорода) и физическое (дым, обрушения). После детального разбора того, что мы прогнозируем, логично перейти к обзору того, как это можно сделать.

2. Аналитический обзор современных методов прогнозирования ОФП

Для прогнозирования динамики ОФП в современной инженерной практике используется несколько подходов, различающихся по сложности, точности и области применения. Их можно разделить на три основные группы.

• Аналитические (интегральные) методы. Этот подход рассматривает помещение как единый, хорошо перемешиваемый объем. Расчеты ведутся на основе усредненных по всему объему параметров (температуры, концентрации газов). Главные преимущества — простота и высокая скорость расчета. Однако этот метод применим в основном для небольших помещений простой геометрии и не позволяет анализировать локальные эффекты, например, неравномерность задымления.
• Зонные (зональные) методы. Данный подход является более сложным. Он делит объем помещения на две или три условные зоны: верхнюю зону горячих газов и дыма (припотолочный слой) и нижнюю зону относительно холодного и чистого воздуха. Модель описывает тепломассообмен между этими зонами. Этот метод обеспечивает лучшую точность по сравнению с интегральным и хорошо подходит для анализа динамики припотолочного слоя. Классическим представителем программного обеспечения, реализующего этот метод, является CFAST.
• Полевые (дифференциальные) методы, или CFD-модели. Это наиболее точный и сложный на сегодняшний день подход. Он основан на решении системы дифференциальных уравнений Навье-Стокса, описывающих законы сохранения массы, импульса и энергии. Расчетная область (помещение) разбивается на большое количество контрольных объемов (ячеек сетки), и параметры потока (скорость, температура, концентрации) определяются в каждой из них. Это позволяет детально визуализировать поля ОФП и учитывать сложные физические процессы, такие как конвекция, излучение и турбулентность. «Золотым стандартом» в этой области считается программный комплекс Fire Dynamics Simulator (FDS). Главные недостатки — высокая ресурсоемкость и сложность подготовки модели.

Вспомогательными инструментами также могут служить эмпирические зависимости, полученные на основе анализа реальных пожаров, и экспертные системы. Выбор конкретного метода зависит от целей исследования, сложности объекта и требуемой точности. Рассмотрев теоретический арсенал методов, необходимо перейти к конкретной практической задаче и описать объект, для которого будет выполняться расчет.

3. Постановка задачи и характеристика объекта исследования

Для апробации методики прогнозирования ОФП в качестве объекта исследования выбрано складское помещение. Такой выбор обусловлен характерными для складов особенностями: большие объемы, высокая и неравномерно распределенная пожарная нагрузка, что создает сложные условия для эвакуации и тушения.

Геометрические характеристики объекта:

• Размеры помещения (Д × Ш × В): 40 × 20 × 8 метров.
• Дверные проемы: двое ворот размером 4 × 4.5 метра на торцевых стенах для эвакуации и производственных нужд.
• Оконные проемы: отсутствуют, что является типичным для многих складских зданий.

Ограждающие конструкции и их свойства:

• Стены: сэндвич-панели с минераловатным утеплителем.
• Пол: бетонный, армированный.
• Потолок/покрытие: профилированный стальной лист по металлическим фермам.

Пожарная нагрузка:

• Тип горючих материалов: складируемая продукция на деревянных паллетах (древесина, картон, полиэтиленовая упаковка).
• Размещение: стеллажное хранение, высота стеллажей — 6 метров.
• Удельная пожарная нагрузка (усредненная): 1200 МДж/м².

Сценарий пожара:

Для моделирования принимается один из наиболее вероятных сценариев — возгорание упаковки с продукцией в центральной части склада у одного из стеллажей. Очаг пожара расположен на высоте 1.5 метра от уровня пола. Рост мощности пожара принимается по квадратичной зависимости (t-квадрат), характерной для такого типа материалов. Начальная мощность очага незначительна.

Имея на руках полное описание объекта и сценарий развития событий, следующий шаг — выбрать и, что самое важное, обосновать выбор конкретного метода и программного обеспечения для решения поставленной задачи.

4. Обоснование выбора полевой модели для численного моделирования

Для точного прогнозирования динамики опасных факторов пожара в помещении со сложной геометрией, большой высотой и неравномерным распределением пожарной нагрузки, каковым является склад, полевой метод (CFD) является наиболее предпочтительным. Выбор в его пользу обусловлен рядом весомых аргументов.

Во-первых, высокая точность и детализация. В отличие от интегральных и зонных моделей, CFD-подход позволяет получить подробную картину распределения полей температуры, скоростей, концентраций токсичных газов и дыма по всему объему помещения в любой момент времени. Это критически важно для анализа условий на путях эвакуации, которые могут сильно отличаться в разных точках большого склада.

Во-вторых, возможность учета сложных физических процессов. Полевая модель корректно описывает ключевые механизмы развития пожара: конвективный перенос тепла и массы, тепловое излучение от пламени и горячего дыма, а также турбулентное перемешивание. Интегральный метод не способен показать локальный перегрев конструкций, а зонный плохо справляется с моделированием пожаров в высоких помещениях, где четкое разделение на две зоны не всегда корректно.

В качестве инструмента для реализации полевой модели был выбран программный комплекс Fire Dynamics Simulator (FDS). Этот выбор обоснован следующими факторами:

• Верификация и валидация: FDS разработан Национальным институтом стандартов и технологий США (NIST) и прошел множество процедур верификации и валидации на основе данных натурных экспериментов.
• Признание в профессиональной среде: FDS является де-факто международным стандартом для инженерных расчетов в области пожарной безопасности и рекомендован к использованию многими отечественными методическими пособиями.
• Функциональные возможности: Программа позволяет моделировать горение различных материалов, работу систем вентиляции и дымоудаления, а также взаимодействие пламени с системами пожаротушения.

Таким образом, использование FDS позволяет получить наиболее достоверные и подробные данные о динамике ОФП для рассматриваемого объекта и сценария. Выбрав инструмент, необходимо подробно описать его математический аппарат и подготовить исходные данные для расчета.

5. Математическая постановка задачи и формирование расчетной модели

В основе программного комплекса FDS лежит численное решение системы дифференциальных уравнений в частных производных, описывающих законы сохранения в газовой среде. Ключевыми являются:

• Уравнения Навье-Стокса для низкоскоростных, термически расширяющихся потоков, описывающие сохранение импульса (движения).
• Уравнение неразрывности, выражающее закон сохранения массы.
• Уравнение сохранения энергии, описывающее перенос тепла за счет конвекции, теплопроводности и излучения.
• Уравнения переноса компонент, отслеживающие концентрации кислорода, продуктов горения (CO, CO2, дым) и других газов.

Для численного решения этих уравнений производится дискретизация расчетной области — построение расчетной сетки. Помещение склада было разбито на прямоугольные ячейки размером 0.25 × 0.25 × 0.25 метра. Такой размер ячейки является компромиссом между точностью расчета и временем вычислений и позволяет достаточно корректно описать основные газодинамические потоки и структуру пламени.

В модель были заложены следующие входные данные и граничные условия:

1. Геометрия: Точные координаты стен, пола, покрытия и двух дверных проемов, соответствующих описанию объекта.
2. Свойства материалов конструкций: Для бетона и стали заданы стандартные значения теплопроводности, плотности и теплоемкости.
3. Параметры пожарной нагрузки: Моделировалось горение полиуретана (как аналога пластиковой упаковки) и древесины. Скорость тепловыделения (HRR) задавалась по закону αt², достигая пикового значения в 5 МВт. Также были заданы удельный выход дыма и состав продуктов горения (выход CO и сажи).
4. Граничные условия: Дверные проемы заданы как открытые, сообщающиеся с окружающей средой (давление 1 атм, температура 20°C). Начальная температура и давление внутри помещения аналогичны внешним.
5. Расположение датчиков: Для анализа динамики ОФП в модели были размещены виртуальные датчики. Ключевые датчики расположены вдоль центрального прохода (основного пути эвакуации) на высоте 1.7 метра от уровня пола для измерения температуры, видимости, концентраций O2, CO и CO2.

После того как модель полностью подготовлена и описана, можно приступать к самому главному — проведению расчета и анализу полученных данных.

6. Результаты моделирования и анализ динамики ОФП

Численное моделирование позволило получить детальную картину развития пожара во времени и пространстве. Анализ результатов проводился на основе данных с виртуальных датчиков, а также с помощью визуализаций, построенных в постпроцессоре Smokeview.

На начальном этапе (до 60 секунд) наблюдается локальное горение с формированием конвективной колонки горячих газов над очагом. Дым и нагретый воздух поднимаются к потолку и начинают формировать устойчивый припотолочный слой горячих газов. Уже на этой стадии температура под потолком непосредственно над очагом достигает 200-300°С.

В период от 60 до 300 секунд происходит интенсивный рост мощности пожара. Припотолочный слой быстро распространяется по всей площади склада и начинает опускаться вниз. Визуализации полей температуры и видимости наглядно демонстрируют этот процесс.

Графики зависимости ключевых ОФП от времени на путях эвакуации (на высоте 1.7 м в 15 метрах от очага) показывают следующую динамику:

• Температура: В течение первых 150 секунд температура на уровне роста человека меняется незначительно. Однако после 180 секунд, по мере опускания задымленного слоя, начинается ее резкий рост, и к 240-й секунде она достигает критического значения в 70°С.
• Видимость в дыму: Этот фактор становится критическим раньше всего. Уже на 120-й секунде видимость на путях эвакуации падает ниже 30 метров, а к 165-й секунде она достигает предельно допустимого значения в 20 метров, делая ориентацию в пространстве крайне затруднительной.
• Концентрация CO: Рост концентрации угарного газа происходит медленнее. Значимые для человека значения достигаются только после 300-й секунды.
• Концентрация O2: Снижение концентрации кислорода в рабочей зоне (на высоте 1.7 м) в течение первых 5-6 минут не является критическим фактором, так как основной объем горения происходит выше, в припотолочном слое.

Анализ показывает, что дым распространяется значительно быстрее, чем прогревается воздух в нижней части помещения. Горизонтальная скорость распространения припотолочного слоя достигает 0.8-1.2 м/с. Именно быстрое задымление и потеря видимости становятся главной угрозой для людей на ранней стадии пожара. Получив данные о скорости достижения критических значений ОФП, можно решить одну из важнейших практических задач — определить, сколько времени есть у людей на безопасную эвакуацию.

7. Расчет времени блокирования путей эвакуации

Время блокирования путей эвакуации (tбл) — это минимальный промежуток времени от начала пожара до момента, когда хотя бы один из опасных факторов на путях эвакуации достигает своего предельно допустимого значения, установленного нормативными документами.

Используя графики и данные, полученные в ходе моделирования, определим время достижения критических значений для каждого из основных ОФП на высоте 1.7 метра на основном пути эвакуации.

Время достижения предельно допустимых значений ОФП

Опасный фактор пожара	Предельно допустимое значение	Расчетное время достижения (сек)
Потеря видимости	20 метров	165
Повышенная температура	70 °C	240
Пониженная концентрация O₂	0.226 кг/м³ (≈17% об.)	> 360
Повышенная концентрация CO	1.16 × 10⁻³ кг/м³	> 360

Согласно определению, время блокирования путей эвакуации принимается как минимальное из полученных значений. В данном случае:

tбл = min(165, 240, >360, >360) = 165 секунд (2 минуты 45 секунд).

Таким образом, для рассматриваемого сценария пожара в складском помещении расчетное время блокирования путей эвакуации составляет 165 секунд. Доминирующим опасным фактором, раньше всего делающим эвакуацию невозможной, является потеря видимости в дыму. Этот вывод чрезвычайно важен для проектирования систем безопасности. Помимо безопасности людей, важно оценить, как пожар воздействует на само здание.

8. Оценка огнестойкости строительных конструкций и разработка рекомендаций

Предел огнестойкости — это промежуток времени, в течение которого строительная конструкция способна сохранять свои ключевые функции под воздействием пожара. Он характеризуется потерей несущей способности (R), целостности (E) и теплоизолирующей способности (I).

Анализ температурных полей, полученных в ходе моделирования, показал, что температура в припотолочном слое, где расположены несущие металлические фермы покрытия, уже через 300 секунд (5 минут) достигает 600-700°С. Стальные конструкции критически теряют свою прочность при температурах выше 500°С. Согласно СП 2.13130, требуемый предел огнестойкости несущих конструкций для зданий такой категории составляет не менее R15 (15 минут). Полученные данные моделирования показывают, что критические температуры для незащищенных стальных ферм достигаются значительно раньше нормативного срока.

Вывод: Фактическая огнестойкость незащищенных несущих конструкций покрытия является недостаточной и не обеспечивает их устойчивость в течение требуемого времени. Существует высокий риск их обрушения на ранней стадии пожара.

На основе проведенных расчетов и анализа можно сформулировать следующие конкретные рекомендации по повышению уровня пожарной безопасности объекта:

1. Повышение огнестойкости конструкций: Необходимо провести обработку несущих стальных ферм покрытия огнезащитными составами (вспучивающимися красками) или конструктивную огнезащиту (облицовка плитами, штукатурка) для обеспечения требуемого предела огнестойкости не менее R15.
2. Управление дымовыми потоками: Учитывая, что доминирующим ОФП является потеря видимости, необходимо оборудовать склад автоматической системой дымоудаления. Установка зенитных фонарей или вытяжных вентиляторов, согласно расчету по СП 7.13130, позволит замедлить опускание припотолочного слоя и значительно увеличить время блокирования путей эвакуации.
3. Системы оповещения и пожаротушения: Объект должен быть оснащен автоматической пожарной сигнализацией для раннего обнаружения возгорания и системой оповещения и управления эвакуацией (СОУЭ) соответствующего типа для своевременного информирования людей. Рассмотреть целесообразность установки автоматической системы пожаротушения (спринклерной), которая сможет подавить или локализовать очаг на ранней стадии.

Завершив все расчеты и разработав рекомендации, необходимо подвести итоги всей проделанной работы.

Заключение. Основные выводы и практическая значимость работы

В ходе выполнения курсовой работы была достигнута ее основная цель — разработана и апробирована методика прогнозирования опасных факторов пожара с использованием современного программного обеспечения.

На основе проведенного исследования были сделаны следующие ключевые выводы:

• Выбор метода: Для задачи прогнозирования ОФП в помещении большого объема со сложным характером горения полевая (CFD) модель, реализованная в комплексе FDS, является наиболее адекватным и точным инструментом, позволяющим учесть ключевые физические процессы.
• Результаты моделирования: Установлено, что для рассматриваемого сценария пожара на складе развитие событий происходит стремительно. Формирование плотного задымленного припотолочного слоя и его опускание являются основными процессами, определяющими уровень опасности в помещении.
• Время блокирования: Расчетное время блокирования путей эвакуации составило 165 секунд. Доминирующим фактором, ограничивающим время безопасной эвакуации, является потеря видимости в дыму.
• Огнестойкость конструкций: Выявлено несоответствие фактической огнестойкости незащищенных стальных ферм покрытия нормативным требованиям, что создает риск их преждевременного обрушения.

Практическая значимость работы заключается в том, что полученные результаты и разработанные на их основе рекомендации могут быть напрямую использованы для проектирования систем противопожарной защиты конкретного объекта. Расчетное значение времени блокирования является исходной величиной для определения необходимого времени эвакуации и требований к СОУЭ. Анализ динамики ОФП обосновывает необходимость установки системы дымоудаления, а оценка температурного воздействия доказывает потребность в огнезащите конструкций.

Таким образом, данная работа демонстрирует, что современные методы математического моделирования являются мощным и эффективным инструментом в руках инженера по пожарной безопасности, позволяющим на количественном уровне оценивать риски и принимать обоснованные проектные решения для защиты жизни и здоровья людей.

Список литературы

1. Пузач С.В. Методические указания по прогнозированию опасных факторов пожара в помещении.- М.: Академия ГПС МЧС России, 2009.
2. Федеральный закон «Технический регламент о требованиях пожарной безопасности». 2008.
3. Методика определения расчётных величин пожарного риска в зданиях, сооружениях и строениях различных классов функциональной пожарной опасности. Приложение к приказу МЧС России от 30.06.2009 №382.
4. Методика определения расчётных величин пожарного риска на производственных объектах. Приложение к приказу МЧС России от 10.07.2009. №404.
5. Пособие по определению пределов огнестойкости конструкций, пределов распространения огня по конструкциям и групп возгораемости материалов (к СНиП II-2-80).-М., 1985.