Зонное моделирование пожаров: принципы, методы, области применения и ограничения (Академический реферат)

В условиях стремительного развития городской инфраструктуры и увеличения плотности застройки, проблема пожарной безопасности приобретает особую остроту. Пожары, помимо непосредственной угрозы жизни и здоровью людей, наносят колоссальный материальный ущерб и дестабилизируют экономические процессы. В этом контексте математическое моделирование становится незаменимым инструментом для глубокого анализа динамики развития пожара, прогнозирования воздействия опасных факторов пожара (ОФП) и выработки эффективных мер по предотвращению и тушению возгораний. Именно понимание этих факторов позволяет инженерам и проектировщикам создавать по-настоящему безопасные объекты.

Исторически, развитие математических моделей пожаров шло по пути увеличения детализации и сложности. Сегодня принято выделять три основных типа детерминированных математических моделей развития пожара в помещениях:

1. Интегральные (первого поколения): наиболее простые, оперирующие усредненными параметрами по всему объему помещения.
2. Зонные (второго поколения): представляют собой компромисс между простотой и детализацией, разделяя помещение на несколько зон с однородными свойствами.
3. Полевые (третьего поколения): наиболее сложные и детальные, рассчитывающие параметры газовой среды в каждой точке пространства.

В рамках данного реферата основное внимание будет уделено зонному моделированию, которое занимает промежуточное, но крайне важное положение в иерархии методов. Его значение обусловлено оптимальным соотношением между вычислительными затратами, скоростью получения результатов и достаточной точностью для решения широкого круга инженерных задач в области пожарной безопасности. Мы подробно рассмотрим принципы, математические основы, учитываемые физико-химические процессы, проведем сравнительный анализ с другими типами моделей, проанализируем области применения, обсудим программные комплексы и обозначим перспективы развития этого метода.

Зонное моделирование пожаров: определение, основные принципы и допущения

Определение и концепция зонного моделирования

Зонное (или зональное) моделирование пожаров представляет собой один из трех фундаментальных подходов к детерминированному математическому описанию динамики пожара в закрытых пространствах. Его ключевая идея заключается в разделении всего объема помещения на несколько дискретных областей, или «зон», каждая из которых характеризуется однородными термодинамическими и газодинамическими свойствами, что значительно упрощает сложную трехмерную картину течения газа при пожаре, сводя её к описанию взаимодействия между относительно крупными, усредненными объемами.

Типичным примером такого разделения является двухзонная модель, где помещение условно делится на верхний слой горячих продуктов горения (дымовой слой) и нижний слой более холодного, относительно чистого воздуха. Классическим представителем двухзонных моделей является программный комплекс CFAST, успешно применяющий этот принцип для расчета динамики пожара. Более сложный, но и более информативный подход — трехзонная модель, которая, помимо верхнего припотолочного слоя нагретого газа и нижнего воздушного слоя, дополнительно выделяет конвективную колонку (или струю) непосредственно над очагом пожара. Эта колонка является основным каналом переноса энергии и массы от горящего материала в верхний дымовой слой.

В зонных моделях состояние газовой среды в каждой зоне описывается на основе усредненных термодинамических параметров. К таким параметрам относятся среднезонные величины температуры, плотности, массовых концентраций кислорода, токсичных продуктов горения (угарного газа, углекислого газа и др.), огнетушащего вещества (если оно применяется) и оптической концентрации дыма. Также в расчет принимаются средние температуры ограждающих конструкций (стен, пола, потолка) и усредненные характеристики теплогазообмена через различные проемы, такие как двери, окна или вентиляционные отверстия. Межзонные границы в таких моделях могут быть как фиксированными, так и подвижными, адаптируясь к динамике развития пожара.

Фундаментальные основы и математическая база

Зонный метод расчета динамики опасных факторов пожара базируется на незыблемых фундаментальных законах природы – законах сохранения массы, импульса и энергии. Именно эти принципы формируют математический каркас, на котором строится вся модель, позволяя избежать решения сложных уравнений Навье-Стокса для каждой точки пространства.

Изменение температуры, концентраций веществ и других параметров в каждой зоне во времени описывается системой обыкновенных дифференциальных уравнений. Эти уравнения являются результатом интеграции законов сохранения по объему каждой зоны. Например, для закона сохранения энергии в верхнем слое можно записать уравнение, учитывающее приток энергии от конвективной колонки, теплообмен с ограждающими конструкциями, потери через проемы и выделение энергии от горения остаточных горючих газов в самом слое.

Перенос дыма и тепла между слоями (зонами), а также через проемы помещения, рассчитывается на основании эмпирических соотношений и полуэмпирических формул. Эти соотношения, как правило, получены в результате многочисленных экспериментальных исследований и упрощенных теоретических построений. Например, для определения расхода воздуха через проемы (двери, окна) часто используется формула, выведенная из закона Бернулли, которая связывает массовый расход с перепадом давлений и высотой проема:


ṁ = C ⋅ A ⋅ √(2 ⋅ ΔP / ρ)


где:

• ṁ — массовый расход воздуха, кг/с;
• C — коэффициент расхода (безразмерный);
• A — площадь проема, м²;
• ΔP — перепад давления между зонами, Па;
• ρ — плотность газа, кг/м³.

Эта формула является существенным упрощением, но для инженерных расчетов, особенно на ранних стадиях пожара, демонстрирует приемлемую точность, что позволяет оперативно получать важные данные.

Ключевые допущения зонных моделей

Одним из важнейших аспектов понимания зонного моделирования является осознание тех упрощений и допущений, которые ложатся в его основу. Именно эти допущения определяют область применимости и потенциальные ограничения метода, как правило, основанные на априорных представлениях о структуре потоков и процессов при пожаре.

Среди основных допущений зонных моделей можно выделить следующие:

1. Существование локального термодинамического и химического равновесия: Предполагается, что в каждой точке каждой зоны система находится в состоянии равновесия, что позволяет использовать стандартные термодинамические соотношения.
2. Газовая среда как смесь идеальных газов: Газообразные продукты горения и воздух рассматриваются как смесь идеальных газов, что упрощает уравнения состояния и переноса. Это допущение хорошо работает при относительно невысоких давлениях и температурах, характерных для большинства пожаров.
3. Однородность параметров в каждой зоне: Локальные скорости, температуры компонентов газовой смеси и частиц дыма принимаются одинаковыми в каждой точке пространства в пределах одной зоны. Это ключевое допущение, которое существенно упрощает математическое описание, но одновременно является источником ограничений метода.
4. Конвективная колонка как неограниченная свободно-конвективная струя: Часто предполагается, что конвективная колонка над очагом горения ведет себя как идеальная свободно-конвективная струя, не испытывающая влияния стен и потолка помещения. Это допущение позволяет использовать хорошо разработанные эмпирические и полуэмпирические модели для описания ее характеристик (температуры, скорости, массового расхода).
5. Равенство давлений во всех зонах: Это допущение является приближенным, но для большинства реальных пожаров, где перепады давлений внутри помещения относительно невелики, оно считается применимым. Оно позволяет избежать решения сложных уравнений импульса для всего объема и сосредоточиться на энергетическом и массовом балансе.

Все эти допущения, хотя и упрощают расчеты, требуют осторожного подхода при применении зонных моделей, особенно в случаях, когда реальные условия существенно отличаются от идеализированных, иначе можно получить некорректные или даже опасные выводы.

Физические и химические процессы в зонных моделях пожаров

Динамика горения и движение продуктов горения

Пожар – это сложный комплекс физических и химических процессов, которые зонные модели стремятся описать в упрощенном, но адекватном виде. После воспламенения горючих веществ над очагом горения начинаются интенсивные преобразования. Горючий материал, нагреваясь, выделяет газообразные продукты пиролиза, которые смешиваются с окружающим воздухом и воспламеняются. Образующиеся горячие газообразные продукты горения, имеющие меньшую плотность, чем окружающий воздух, устремляются вверх под действием выталкивающей (архимедовой) силы, и этот восходящий поток формирует над очагом горения характерную структуру, известную как конвективная струя или конвективная колонка.

Динамика конвективной колонки имеет принципиальное значение. По мере подъема конвективная колонка «подмешивает» (инжектирует) в себя холодный воздух из нижнего слоя помещения. За счет этого процесса инжекции воздуха общая масса газа в колонке увеличивается, однако ее температура и средняя скорость газа с высотой постепенно уменьшаются. Одновременно происходит расширение колонки, то есть увеличивается площадь ее поперечного сечения и, соответственно, массовый расход газа в ней. Достигнув потолка помещения, поток продуктов горения не может двигаться дальше вверх и начинает растекаться под ним, формируя радиальную струю. Эта струя распространяется по потолку от центра очага к стенам. В результате этого растекания постепенно образуется припотолочный слой задымленного газа, который характеризуется повышенной температурой и высокой концентрацией продуктов горения. С течением времени, по мере продолжающегося поступления горячих газов из конвективной колонки, толщина этого припотолочного слоя увеличивается, и его нижняя граница опускается, постепенно заполняя объем помещения, что является ключевым индикатором развития опасных условий.

Тепломассообмен и состав газовой среды

В зонных моделях акцент делается на оценке среднезонных величин, которые позволяют охарактеризовать общие условия в каждой выделенной зоне. Это включает в себя:

• Температуру: Усредненная температура газа в каждой зоне.
• Плотность: Усредненная плотность газовой среды.
• Массовые концентрации: Концентрации ключевых компонентов, таких как кислород (потребляемый в процессе горения), азот (инертный компонент), различные продукты горения (диоксид углерода (СО₂), монооксид углерода (СО), водяной пар (Н₂О)), а также потенциально токсичные вещества и несгоревшие углеводороды. Если используются системы пожаротушения, учитывается и концентрация огнетушащего вещества.
• Оптическая концентрация дыма: Параметр, характеризующий задымленность среды и видимость, что критически важно для оценки путей эвакуации.

Важно понимать, что газовая среда в помещении при пожаре является многофазной. Она состоит не только из смеси различных газов, но и из мелкодисперсных частиц – дыма, которые образуются в процессе неполного сгорания или пиролиза материалов. Эти частицы существенно влияют на оптическую плотность среды, а также могут служить носителями токсичных веществ. Пренебрежение этим фактом может привести к недооценке рисков для здоровья людей.

Актуальные исследования в области зонного моделирования направлены на повышение точности и адекватности моделей. Одним из таких направлений является модификация зонных моделей с учетом реальной формы конвективной колонки. Классическое допущение о неограниченной свободно-конвективной струе является упрощением. В реальности стены и потолок помещения оказывают существенное влияние на развитие колонки, изменяя ее форму, скорость инжекции воздуха и распределение параметров. Учет этих факторов, например, через введение корректирующих коэффициентов или более сложных эмпирических зависимостей, позволяет значительно улучшить точность прогнозирования динамики пожара и является важной научной и практической задачей.

Сравнительный анализ: зонные, полевые и интегральные модели пожаров

Для глубокого понимания места и роли зонного моделирования необходимо провести его сравнительный анализ с двумя другими основными типами моделей пожара: интегральными (первого поколения) и полевыми (третьего поколения). Каждый из этих подходов имеет свои уникальные особенности, преимущества и ограничения, которые определяют их область применения.

Интегральные модели (первое поколение)

Интегральные модели являются самыми простыми с точки зрения математического аппарата и вычислительной реализации. Их основополагающее допущение – это полная однородность всех термодинамических и газодинамических параметров (температуры, концентраций примесей, плотности) по всему объему помещения. Это означает, что в любой момент времени весь объем помещения рассматривается как единое целое с одной усредненной температурой и одной усредненной концентрацией каждого вещества.

Преимущества:

• Высокая скорость расчетов: Благодаря максимальному упрощению, интегральные модели позволяют получить результаты практически мгновенно.
• Минимальные вычислительные ресурсы: Не требуют мощных компьютеров.
• Простота использования: Не требуют высокой квалификации пользователя.

Ограничения:

• Низкая точность и детализация: Не способны предсказывать пространственное распределение параметров. Не подходят для оценки локальных эффектов, таких как распределение дыма или тепла.
• Ограниченная применимость: Могут быть полезны для очень грубых оценок в начальной стадии пожара или для малых, хорошо перемешиваемых объемов.

Зонные модели (второе поколение)

Зонные модели представляют собой эволюционное развитие интегральных моделей. Их главное отличие – это разделение помещения на несколько зон (чаще всего две: верхний горячий слой и нижний холодный слой, иногда с добавлением конвективной колонки), в каждой из которых параметры считаются однородными, но могут существенно различаться между зонами. Это позволяет учесть вертикальную неоднородность газовой среды, которая является характерной чертой большинства пожаров.

Преимущества:

• Оптимальное соотношение «скорость-точность»: Позволяют получить результаты быстрее и с меньшей трудоемкостью по сравнению с полевыми моделями.
• Меньшая требовательность к вычислительным ресурсам: Требуют значительно меньше ресурсов, чем полевые модели, что делает их доступными для более широкого круга пользователей и для проведения большого количества оценочных расчетов.
• Хорошо подходят для оценки общих параметров: Эффективны для прогнозирования средней температуры газа в слоях, высоты пламени, скорости выгорания горючих материалов и времени достижения критических условий (например, критической температуры или концентрации токсичных веществ).
• Применимость в нормативных документах: Расчеты с дымоудалением в зонной модели CFAST, например, хорошо соответствуют требованиям СП 7.13130.2013, который сам определяет параметры систем дымоудаления на основе принципов зонной модели.

Ограничения:

• Ограниченный учет неоднородности: Не могут детально описать распространение дыма и огня в помещениях сложной формы и с большим количеством препятствий.
• Трудности при моделировании сложных объектов: Испытывают трудности при моделировании многоуровневых объектов, лестничных клеток, атриумов, а также помещений, где один из геометрических размеров значительно превосходит остальные (например, длинные коридоры или большие залы).
• Неточность для локальных эффектов: Результаты зонного моделирования могут быть недостаточно точными для детальной оценки времени блокирования путей эвакуации, особенно когда требуется точное пространственное распределение опасных факторов.
• Проблемы с системами дымоудаления: Могут приводить к существенным ошибкам при некорректном учете геометрических характеристик систем дымоудаления, что влияет на их эффективность.
• Риск ошибок при рециркуляции: Априорные допущения зонных моделей могут приводить к существенным ошибкам, когда существует вероятность образования рециркуляционных течений без формирования четкого верхнего прогретого слоя, что является основным допущением классических зонных моделей. В таких случаях предпочтительнее полевой метод.
• Применимость на начальной стадии: Зонные модели наиболее эффективно используются для исследования динамики опасных факторов пожара в начальной стадии, когда распределение параметров газовой среды характеризуется выраженной неоднородностью слоев.

Полевые модели (третье поколение)

Полевые модели являются наиболее детализированными и сложными. Они не делают упрощающих предположений о температуре и концентрациях, а рассчитывают их (а также скорости потоков газа, концентрации кислорода и токсичных веществ) в каждой точке расчетной области. Это достигается путем численного решения полных уравнений Навье-Стокса для газовой среды, уравнений тепломассопереноса и химической кинетики. Примерами таких программных комплексов являются FDS (Fire Dynamics Simulator) и ANSYS Fluent.

Преимущества:

• Высочайшая точность и детализация: Обеспечивают наиболее подробные и точные результаты, позволяя визуализировать динамику распространения дыма, тепла и пламени.
• Учет сложной геометрии: Способны моделировать помещения любой сложности, с препятствиями, вентиляционными системами и другими архитектурными элементами.
• Всесторонний анализ: Позволяют оценивать локальные параметры в любой точке, что критически важно для проектирования систем противодымной защиты и оценки условий эвакуации.

Ограничения:

• Значительные вычислительные ресурсы: Требуют высокопроизводительных компьютеров и длительного времени расчета, особенно для крупных и сложных объектов.
• Высокая квалификация пользователей: Требуют глубоких знаний в области вычислительной гидродинамики, тепломассопереноса и пожарной безопасности для корректной постановки задачи и интерпретации результатов.
• Сложность настройки: Требуют тщательного создания расчетной сетки, выбора моделей турбулентности и других численных параметров.

В заключение сравнительного анализа можно представить следующую таблицу:

Критерий	Интегральные модели	Зонные модели	Полевые модели
Детализация	Низкая	Средняя (слои)	Высокая (поточечно)
Точность	Низкая	Средняя	Высокая
Вычислительные ресурсы	Минимальные	Умеренные	Значительные
Сложность использования	Низкая	Средняя	Высокая
Область применения	Грубые оценки	Общие параметры, простые объекты	Сложные объекты, детальный анализ
Время расчета	Мгновенно	Быстро	Длительно
Учет неоднородности	Нет	Вертикальная (слои)	Полная (пространственная)

Таким образом, выбор конкретного типа моделирования зависит от поставленной задачи, требуемой точности, доступных ресурсов и квалификации специалиста. Зонные модели занимают нишу быстрых, но достаточно информативных инструментов для широкого круга инженерных расчетов, особенно когда необходимо оценить общие параметры развития пожара и взаимодействия с системами дымоудаления, параметры которых, согласно СП 7.13130.2013, базируются на зонных принципах.

Методология построения и практическое применение зонных моделей

Цели и задачи моделирования пожаров

Моделирование пожара — это не просто абстрактное научное упражнение, а критически важный инструмент в арсенале инженера по пожарной безопасности. Его основная цель — получить максимально полную и достоверную информацию о динамике развития пожара, воздействии образующихся опасных факторов (ОФП) и прогнозируемых последствиях. Эта информация, в свою очередь, становится основой для принятия научно обоснованных и эффективных мер по противопожарной защите объекта.

Конкретные задачи, решаемые с помощью моделирования пожаров, включают:

1. Оценка своевременности эвакуации: Прогнозирование времени достижения критических значений ОФП (температуры, концентрации токсичных газов, видимости) на путях эвакуации, что позволяет определить, успеют ли люди безопасно покинуть здание.
2. Разработка и совершенствование мероприятий по эвакуации: На основе анализа динамики ОФП могут быть предложены изменения в организации эвакуации, маршрутах, системах оповещения.
3. Проектирование систем пожарной сигнализации и оповещения: Определение оптимального расположения пожарных извещателей, времени их срабатывания, а также зон оповещения.
4. Разработка систем тушения пожаров: Оценка эффективности различных систем (водяных, газовых, пенных), определение необходимого расхода огнетушащего вещества и стратегии его подачи.
5. Разработка планов пожаротушения: Предоставление информации о наиболее опасных зонах, распространении ОФП, что помогает пожарным подразделениям более эффективно планировать свои действия.
6. Оценка пределов огнестойкости строительных конструкций: Прогнозирование температурного режима и его воздействия на несущие элементы зданий.
7. Проведение пожарно-технических экспертиз: Восстановление картины развития пожара, установление причин и условий возникновения, а также оценка действий участников.

Области применения зонных моделей

Зонные модели, благодаря своей относительной простоте и скорости расчетов, нашли широкое применение в различных аспектах инженерных расчетов и оценки пожарной безопасности. Они являются мощным инструментом для прогнозирования размеров характерных пространственных зон, возникающих при пожаре (например, высота нижнего края дымового слоя), а также средних значений параметров состояния среды в этих зонах для любого момента развития пожара.

Среди наиболее распространенных областей применения можно выделить:

• Оценка различных вариантов объемно-планировочных решений: Сравнение различных конфигураций помещений, расположения проемов, мебели на распространение ОФП.
• Оценка параметров работы противопожарных систем: Анализ эффективности систем дымоудаления, вентиляции, подпора воздуха. Здесь стоит особо отметить, что расчеты с дымоудалением в зонной модели CFAST демонстрируют хорошее соответствие с требованиями СП 7.13130.2013 «Отопление, вентиляция и кондиционирование. Требования пожарной безопасности». Это обусловлено тем, что сам свод правил определяет параметры систем дымоудаления на основе принципов зонной модели, что делает зонные расчеты в этом контексте особенно релевантными и практически значимыми.
• Предварительная оценка сценариев пожара: Зонные модели часто используются для проведения серии оценочных расчетов на начальных этапах проектирования. Это позволяет быстро отсеять наименее опасные сценарии и выявить наиболее критические, которые затем могут быть детально проработаны с использованием более ресурсоемких полевых моделей. Такой подход оптимизирует процесс проектирования и экономит вычислительные ресурсы.
• Анализ пожара в простых помещениях: Зонные модели наиболее эффективно применимы для помещений и систем помещений простой геометрической конфигурации, где линейные размеры отличаются не более чем в пять раз. Они также подходят для помещений большого объема, когда размер очага пожара существенно меньше размеров помещения, и для рабочих зон, расположенных на разных уровнях в пределах одного помещения, например, в наклонном зрительном зале кинотеатра или на антресолях.

Актуальные нормативные документы

Применение математического моделирования в России строго регламентировано. В соответствии с проектом документа «Методика оценки рисков для общественных зданий» для описания термогазодинамических параметров пожара применяются три основных группы детерминистических моделей: интегральные, зонные (зональные) и полевые.

Ключевым документом, определяющим порядок проведения расчетов по оценке пожарного риска, является Методика определения расчетных величин пожарного риска в зданиях, сооружениях и пожарных отсеках различных классов функциональной пожарной опасности, утвержденная приказом МЧС России № 1140 от 14.11.2022 г. (введена в действие с 1 сентября 2023 г.). Этот документ является фундаментальным для специалистов по пожарной безопасности, определяя требования к моделированию и интерпретации результатов для оценки соответствия объектов требованиям пожарной безопасности. Применение зонных моделей должно соответствовать положениям этой Методики, что подчеркивает их официальный статус и практическую значимость.

Программные комплексы для зонного моделирования

Для реализации зонного моделирования на практике разработано несколько программных комплексов, которые позволяют инженерам и специалистам по пожарной безопасности проводить расчеты без необходимости глубокого погружения в программирование математических моделей.

CFAST

Одним из наиболее известных и широко используемых программных комплексов, реализующих зонную модель, является CFAST (Consolidated Model of Fire Growth and Smoke Transport). Разработанный Национальным институтом стандартов и технологий США (NIST), CFAST является двухзонной моделью, которая делит каждое расчетное помещение на верхний (дымовой) и нижний слои. Он предназначен для моделирования развития пожара и распространения дыма в простых и сложных многокомнатных зданиях. CFAST позволяет прогнозировать изменения температуры, концентрации токсичных газов, видимости и других опасных факторов пожара во времени, что делает его ценным инструментом для оценки пожарной безопасности и проектирования систем противопожарной защиты.

FIM

FIM (Fire Information Model) — это программа, которая расширяет возможности работы с зонными моделями, в частности, с CFAST. Она позволяет выполнить расчет в зонной модели CFAST, используя в качестве исходных данных входной файл формата FDS (Fire Dynamics Simulator), который обычно ассоциируется с полевыми моделями. Такой подход значительно упрощает интеграцию данных и рабочих процессов. На выходе FIM получаются файлы результатов, аналогичные FDS, что является значительным преимуществом. Эти результаты затем могут быть просмотрены и проанализированы с помощью специализированных визуализаторов, таких как Smokeview, а графики опасных факторов пожара могут быть построены в программе FireRisk. Это позволяет пользователям, работающим с FDS, легко переключаться на зонное моделирование для быстрых оценок или предварительных расчетов.

Взаимодействие с полевыми моделями

Хотя FDS (Fire Dynamics Simulator) и ANSYS Fluent являются программами, реализующими полевые модели пожара и требующими значительно больших вычислительных ресурсов, они могут взаимодействовать с зонными моделями. Например, FIM, как уже упоминалось, позволяет использовать входные данные FDS для расчетов в зонной модели CFAST. Такое взаимодействие ценно для итеративного процесса проектирования, где зонные модели могут использоваться для быстрого перебора множества сценариев и определения наиболее критических, которые затем будут детально анализироваться с помощью полевых моделей.

Важно отметить, что такие программы, как FDS и SmokeView, являются бесплатными программными продуктами с открытым кодом, доступными для операционных систем Windows, Linux и Mac OS, что делает их широкодоступными для научного сообщества и инженеров.

Что касается PHOENICS, это универсальное программное обеспечение для вычислительной гидродинамики (CFD), способное имитировать сценарии, связанные с потоком жидкости, тепло- и массопереносом, химическими реакциями и сжиганием. Оно может быть использовано для численного решения уравнений, описывающих процессы тепло- и массопереноса при пожаре в зданиях, что соответствует полевому моделированию, а не специализированному зонному симулятору. Хотя PHOENICS обладает широкими возможностями, его применение для зонного моделирования требует самостоятельной реализации зонной логики, тогда как CFAST и FIM предоставляют готовые зонные решения.

Перспективы развития и совершенствования зонных моделей пожаров

Мир пожарной безопасности находится в постоянном движении, и математические модели, как его отражение, непрерывно совершенствуются. Процесс развития математических моделей в этой области, начавшийся еще в 1970-х годах, продолжается и по сей день, движимый как академическими исследованиями, так и насущными практическими потребностями.

Хронология и постоянное совершенствование

История моделирования пожаров – это путь от простых интегральных моделей к сложным полевым симуляциям. Каждый новый этап привносил большую детализацию и точность. Развитие компьютерной техники за последние двадцать лет стало настоящим катализатором, позволив полевым моделям перейти из категории академической концепции в статус важного и доступного практического инструмента. Современные вычислительные мощности позволяют решать задачи, которые ранее казались немыслимыми.

Тем не менее, несмотря на триумфальное шествие полевых моделей, интегральные и зонные методы моделирования продолжают оставаться важными инструментами в оценке пожарной опасности объектов. Их значимость сохраняется, когда они обладают достаточной информативностью для решения поставленной задачи, а их допущения не противоречат фактической картине развития пожара. Зачастую, именно скорость и относительная простота зонных моделей делают их незаменимыми для быстрых оценок, предварительных расчетов и массового анализа различных сценариев. Почему же эти «устаревшие» методы до сих пор актуальны?

Актуальные направления исследований

Совершенствование зонных моделей не прекращается. Актуальные направления исследований направлены на расширение их применимости и повышение точности в более сложных условиях. Одним из таких направлений является модификация зонных моделей, учитывающих, например, форму конвективной колонки. Как уже упоминалось, классическое допущение о неограниченной свободно-конвективной струе является упрощением. В реальных условиях геометрия помещения, наличие препятствий и близость к стенам могут существенно искажать форму колонки, влияя на скорость инжекции воздуха и, соответственно, на динамику развития дымового слоя. Разработка более точных эмпирических или полуэмпирических моделей для описания модифицированной формы конвективной колонки является важной задачей, которая позволит повысить адекватность зонных расчетов.

Другие перспективные направления могут включать:

• Улучшение моделей теплообмена: Более точный учет конвективного и лучистого теплообмена с ограждающими конструкциями, а также между зонами.
• Расширение спектра учитываемых химических реакций: Включение более сложных моделей горения и образования токсичных продуктов.
• Интеграция с другими системами: Разработка методов совместного использования зонных моделей с системами вентиляции, кондиционирования и автоматического пожаротушения.
• Учет неопределенности и стохастических факторов: Внедрение вероятностных подходов для оценки рисков, связанных с неопределенностью исходных данных и параметров пожара.

В контексте современных технологий зонные модели могут получить новое развитие благодаря интеграции с методами машинного обучения и искусственного интеллекта. Эти технологии могут быть использованы для оптимизации параметров моделей, быстрого анализа больших объемов экспериментальных данных и даже для разработки новых, более адаптивных зонных алгоритмов.

Таким образом, зонные модели, несмотря на появление более сложных полевых аналогов, не теряют своей актуальности. Их развитие сосредоточено на повышении точности в специфических условиях и расширении функционала, что позволит им и дальше оставаться неотъемлемым элементом комплексной оценки пожарной безопасности.

Заключение

Зонное моделирование пожаров представляет собой мощный и востребованный инструмент в арсенале инженера по пожарной безопасности. Занимая промежуточное положение между упрощенными интегральными и высокодетализированными полевыми моделями, оно предлагает оптимальный баланс между вычислительной эффективностью и достаточной точностью для решения широкого круга практических задач.

В основе зонного моделирования лежат фундаментальные законы сохранения массы, импульса и энергии, которые, в сочетании с рядом обоснованных допущений, позволяют описывать динамику развития пожара путем разделения помещения на несколько зон с однородными параметрами. При этом детально учитываются ключевые физические и химические процессы: воспламенение, формирование и динамика конвективной колонки, растекание дымового слоя под потолком, а также тепломассообмен и изменение состава газовой среды.

Сравнительный анализ показал, что зонные модели превосходят интегральные по детализации и точности, значительно уступая полевым моделям в пространственной разрешающей способности. Однако их преимущества – быстрота расчетов, меньшие требования к вычислительным ресурсам и относительная простота использования – делают их незаменимыми для предварительных оценок, анализа различных объемно-планировочных решений и проектирования систем дымоудаления, параметры которых, согласно СП 7.13130.2013, базируются на зонных принципах.

Важно помнить об ограничениях зонных моделей, особенно при моделировании сложных геометрических конфигураций, многоуровневых объектов или при наличии рециркуляционных течений. В таких случаях априорные допущения могут привести к существенным ошибкам, и требуется применение полевых методов.

Современные программные комплексы, такие как CFAST и FIM, предоставляют удобные средства для реализации зонного моделирования, а постоянное совершенствование математических моделей, включая учет формы конвективной колонки и интеграцию с новыми технологиями, открывает новые перспективы для этого метода.

В конечном итоге, выбор адекватной модели для конкретного сценария пожара – это ключевой фактор успешной оценки пожарной опасности. Зонное моделирование, при грамотном применении и учете его особенностей, остается высокоэффективным и актуальным инструментом, способствующим повышению уровня пожарной безопасности объектов и защите человеческих жизней.

Список использованной литературы

1. Брушлинский, Н. Н. Моделирование пожаров и взрывов / под ред. Н.Н. Брушлинского и А.Я. Корольченко. – М.: Асс. «Пожнаука», 2000. 482 с.
2. Астапенко, В. М., Кошмаров, Ю. А., Молчадский, И. С., Шевляков, А. Н. Термогазодинамика пожаров в помещениях. М.: Стройиздат, 1986. 370 с.
3. Воланин, Е. Температурный режим и газообмен в помещениях в условиях пожара при горении ЛВЖ: автореф. дис. … канд. техн. наук. М., 1983. 143 с.
4. Гузанов, Б. Н., Субачева, А. А. Реализация деятельностного подхода в условиях информатизации образовательного процесса // Информационные технологии и их приложения: сб. статей VIII междунар. научн.-техн. конференции. Пенза, 2008. С. 124–127.
5. Гутов, В. Н., Лицкевич, В. В. Математическая модель развития пламенного горения в здании // Пожаровзрывобезопасность. 1994. Т.3, №4. С. 58–65.
6. Есин, В. М., Ильминский, И. И., Попов, П. Н., Стецовский, М. П. Математическая модель движения продуктов горения по зданию при пожаре // Пожарная техника и тушение пожаров: Сб. науч. тр. М., 1982. С. 147–149.
7. Журавлев, Ю. Г., Теребнев, В. В., Холошня, Н. С. Пожарная тактика: методические указания к выполнению курсовой работы. М.: Академия ГПС МВД России, 2000. 54 с.
8. Моделирование пожара: инструменты, методы и результаты. URL: https://mst.su/blog/modelirovanie-pozhara/ (дата обращения: 24.10.2025).
9. FIM — интегральная и зонная модели пожара. URL: https://firecat.ru/fim-integralnaya-i-zonnaya-modeli-pozhara (дата обращения: 24.10.2025).
10. Методы моделирования пожаров. URL: https://propb.ru/entsiklopediya/metody-modelirovaniya-pozharov.html (дата обращения: 24.10.2025).
11. Качественное сравнение зонных и полевых моделей развития пожара. URL: https://sigma-pb.ru/blog/kachestvennoe-sravnenie-zonnyh-i-polevyh-modeley-razvitiya-pozhara/ (дата обращения: 24.10.2025).
12. Основные положения зонного моделирования пожара, численная реализация зонной математической модели. URL: https://studfile.net/preview/13813337/page:14/ (дата обращения: 24.10.2025).
13. Кошмаров, Ю. А. Прогнозирование опасных факторов пожара в помещении: Учебное пособие. URL: https://pozhproekt.ru/books/koshmarov-yu-a-prognozirovanie-opasnyh-faktorov-pozhara-v-pomeshchenii-uchebnoe-posobie (дата обращения: 24.10.2025).
14. Моделирование/расчет пожара. URL: https://safety.ru/articles/modeling-fire (дата обращения: 24.10.2025).
15. Сивков, А. М. Сравнение интегральной и зонной моделей пожара. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/sravnenie-integralnoy-i-zonnoy-modeley-pozhara (дата обращения: 24.10.2025).
16. Прогнозирование опасных факторов пожара. URL: https://studfile.net/preview/2627918/page:5/ (дата обращения: 24.10.2025).
17. Применение программных продуктов для моделирования опасных факторов пожара в общественных зданиях // Молодой ученый. URL: https://moluch.ru/archive/373/83549/ (дата обращения: 24.10.2025).
18. Глава 5. Зонная математическая модель пожара в помещении. URL: https://studfile.net/preview/16283592/page:37/ (дата обращения: 24.10.2025).
19. Математическое моделирование пожара // Международный научно-исследовательский журнал. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/matematicheskoe-modelirovanie-pozhara (дата обращения: 24.10.2025).
20. Брушлинский, Н. Н. Моделирование в области обеспечения пожарной безопасности (обзор). URL: https://cyberleninka.ru/article/n/modelirovanie-v-oblasti-obespecheniya-pozarnoy-bezopasnosti-obzor (дата обращения: 24.10.2025).
21. Оценка возможности применения полевого моделирования пожара для проведения расчетов пожаров в зданиях и помещениях // Вестник НИЦ «Строительство». URL: https://cyberleninka.ru/article/n/otsenka-vozmozhnosti-primeneniya-polevogo-modelirovaniya-pozhara-dlya-provedeniya-raschetov-pozharov-v-zdaniyah-i-pomeschyeniyah (дата обращения: 24.10.2025).
22. Полевой метод математического моделирования пожара в помещении. URL: https://fireman.club/normalativnye-dokumenty/polevoj-metod-matematicheskogo-modelirovaniya-pozhara-v-pomeshhenii/ (дата обращения: 24.10.2025).
23. Тимаков, П. И. Обзор математических программ для расчета опасных факторов пожара при установлении очага пожара. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/obzor-matematicheskih-programm-dlya-rascheta-opasnyh-faktorov-pozhara-pri-ustanovlenii-ochaga-pozhara (дата обращения: 24.10.2025).
24. Зайцев, А. М., Грошев, М. Д., Рудаков, О. Б., Сазонова, С. А., Николенко, С. Д. и др. Применение зонной математической модели при анализе развития пожара. URL: https://elibrary.ru/item.asp?id=28882772 (дата обращения: 24.10.2025).
25. Программные комплексы моделирования опасных факторов пожара. URL: https://safety.ru/articles/programmnie-kompleksi-modelirovaniya-opasnih-faktorov-pozhara (дата обращения: 24.10.2025).
26. Пузач, С. В., Мустафин, В. М., Акперов, Р. Г. Модифицированная зонная модель расчета термогазодинамики пожара в помещении, учитывающая форму конвективной колонки. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/modifitsirovannaya-zonnaya-model-rascheta-termogazodinamiki-pozhara-v-pomeschchenii-uchityvayuschaya-formu-konvektivnoy-kolonki (дата обращения: 24.10.2025).