Как прогнозируют развитие пожара — от интегральных до CFD моделей

Введение. Почему прогнозирование пожаров — это вопрос жизни и смерти

Большинство трагедий на пожарах происходит не от прямого воздействия огня, а от сопутствующих ему опасных факторов (ОФП). Люди чаще всего гибнут от удушья в дыму, отравления токсичными продуктами горения или воздействия экстремально высоких температур. Именно поэтому разработка современных противопожарных мер и планирование безопасной эвакуации немыслимы без точного прогноза динамики этих факторов. За сухими математическими расчетами и моделями стоит главная цель — заглянуть в будущее развитие пожара, чтобы предотвратить катастрофические последствия, спасти человеческие жизни и сохранить инфраструктуру. Математическое моделирование становится ключевым инструментом, позволяющим превратить хаос огня в набор прогнозируемых величин и разработать эффективные стратегии защиты.

Фундамент прогноза. Какие опасные факторы пожара мы должны предвидеть

Чтобы эффективно бороться с последствиями пожара, нужно четко понимать, что именно представляет наибольшую угрозу. К основным опасным факторам пожара (ОФП), воздействующим на людей и конструкции, относят:

• Пламя и искры — непосредственное термическое воздействие.
• Повышенная температура окружающей среды — вызывает ожоги, тепловой удар и разрушение конструкций.
• Токсичные продукты горения — такие газы, как угарный (CO) и углекислый (CO2), вызывают отравление.
• Дым и снижение видимости — дезориентирует людей, мешает эвакуации и вызывает панику.
• Пониженная концентрация кислорода — приводит к удушью.

Каждый из этих факторов способен нанести непоправимый вред. Поэтому в пожарной науке введено ключевое понятие — критическая продолжительность пожара (КПП). Это время от момента возгорания до того момента, когда хотя бы один из ОФП в зоне эвакуации достигает своего предельно допустимого значения для человека. Именно вычисление этого времени и является главной задачей для всех методов прогнозирования, так как оно напрямую определяет, успеют ли люди безопасно покинуть здание.

Сердце предсказаний. Как математика описывает хаос огня

На первый взгляд пожар — это стихийный и непредсказуемый процесс. Однако в его основе лежат фундаментальные физические законы, которые можно описать языком математики. Любая модель прогнозирования пожара — это, по сути, сложная система дифференциальных уравнений, которая базируется на двух китах: законе сохранения массы и законе сохранения энергии. Эти уравнения описывают ключевой процесс для любого пожара — газообмен. Модель учитывает, как свежий воздух (с кислородом) поступает в зону горения и как раскаленные продукты горения (дым, газы) отводятся из нее, заполняя помещение. Всё многообразие существующих подходов к математическому моделированию принято делить на три основных класса, различающихся по уровню детализации и сложности:

1. Интегральные модели
2. Зонные (или зональные) модели
3. Полевые (или дифференциальные, CFD) модели

Рассмотрим каждый из этих методов, двигаясь от простого к сложному.

Первый уровень точности. Суть и применение интегральных моделей

Интегральный метод — это самый простой и исторически первый подход к моделированию пожара. Его суть заключается в том, что все параметры (температура, концентрация дыма и газов) усредняются по всему объему помещения. Модель не делает различий между потолком и полом, рассматривая комнату как единый, однородно перемешанный «котел». Это можно сравнить с попыткой измерить «среднюю температуру по больнице».

Преимущества этого подхода очевидны:

• Высокая скорость расчета: вычисления занимают минуты.
• Низкие требования к ресурсам: не нужен мощный компьютер.
• Простота: идеален для быстрой экспресс-оценки на начальных этапах проектирования.

Однако за простоту приходится платить недостатками:

• Низкая точность: усредненные значения могут сильно отличаться от реальной картины в разных точках помещения.
• Ограниченность: метод плохо применим для помещений со сложной геометрией и не учитывает расположение окон и дверных проемов.

На практике интегральная модель полезна для предварительного расчета времени блокирования путей эвакуации в небольших помещениях простой формы, когда нужно быстро получить общее представление о масштабе угрозы.

Второй уровень точности. Как зонные модели повышают детализацию прогноза

Зонный (или зональный) метод стал логическим развитием интегрального подхода. Он решает главную проблему своего предшественника — полное усреднение. Принцип работы зонной модели заключается в условном разделении объема помещения на две основные зоны:

1. Верхняя зона: слой горячих, задымленных газов, который скапливается под потолком.
2. Нижняя зона: слой относительно чистого и холодного воздуха.

Параметры (температура, плотность дыма) теперь усредняются не по всему помещению, а отдельно внутри каждой из этих зон. Это позволяет с гораздо большей точностью предсказать ключевой для эвакуации параметр — высоту нижней границы дымового слоя и время, когда она опустится до критического уровня.

Преимущества зонного метода:

• Значительно более высокая точность по сравнению с интегральным.
• Хорошее предсказание границы дыма.
• Все еще относительно быстрые расчеты, не требующие суперкомпьютеров.

Недостатки метода также вытекают из его принципа:

• Он неприменим для помещений очень сложной геометрии (например, атриумов, театральных залов, тоннелей), где четкое разделение на две зоны невозможно.
• Плохо учитывает сложные потоки воздуха, вызванные, например, работой системы вентиляции.

Зонные модели — это «золотой стандарт» для стандартного проектирования. Они идеально подходят для расчета времени задымления в больших помещениях правильной формы, таких как торговые залы, офисы открытого типа или склады, где высота потолков значительна.

Высший пилотаж. Возможности и сложность полевых (CFD) моделей

Полевые, или CFD (Computational Fluid Dynamics), модели представляют собой вершину современных технологий прогнозирования пожаров. В отличие от предыдущих методов, здесь нет никаких усреднений. Принцип работы основан на том, что все пространство помещения разбивается на сетку из сотен тысяч или даже миллионов крошечных ячеек. Для каждой такой ячейки компьютер решает полную систему уравнений гидрогазодинамики, описывающих перенос массы и энергии.

В результате получается невероятно детализированная картина пожара — поле температур, скоростей потоков, концентраций кислорода и токсичных газов в любой точке пространства и в любой момент времени. Результаты обычно представляются в виде наглядных и интуитивно понятных 3D-визуализаций.

Преимущества CFD-моделей огромны:

• Максимально возможная точность и детализация прогноза.
• Возможность моделировать пожары в зданиях любой геометрической сложности.
• Способность учитывать влияние систем вентиляции, дымоудаления, а также работы спринклерных систем пожаротушения.

Однако за такие возможности приходится платить высокую цену, что является главным недостатком:

• Колоссальные требования к вычислительным ресурсам (требуются мощные серверы или суперкомпьютерные кластеры).
• Длительное время расчета, которое может составлять от нескольких часов до дней и даже недель для одного сценария.
• Высокая стоимость программного обеспечения и необходимость привлечения высококвалифицированных специалистов.

Полевое моделирование используется для самых ответственных и сложных задач: анализ безопасности уникальных объектов (стадионов, аэропортов, станций метро), проектирование систем дымоудаления в атриумах и высотных зданиях, а также для детальной экспертизы и реконструкции причин крупных промышленных аварий.

Выбор инструмента. Сравнительный анализ трех методов прогнозирования

Мы рассмотрели три фундаментально разных подхода к прогнозированию пожаров. Каждый из них имеет свою нишу и является оптимальным для определенного круга задач. Выбор конкретной модели — это всегда поиск компромисса между требуемой точностью результата и доступными ресурсами (временем, бюджетом, вычислительными мощностями). Итоговое сравнение удобно представить в виде таблицы.

Сравнительный анализ методов моделирования пожара

Критерий	Интегральная модель	Зонная модель	Полевая (CFD) модель
Точность/Детализация	Низкая (усреднение по объему)	Средняя (деление на 2 зоны)	Высокая (расчет по ячейкам)
Требования к ресурсам	Низкие	Средние	Очень высокие
Скорость расчета	Минуты	Часы	Дни / Недели
Сложность геометрии	Только простая	Простая/Средняя	Любая
Основная область применения	Экспресс-оценка, предварительные расчеты	Стандартное проектирование, расчеты для зданий правильной формы	Уникальные и сложные объекты, научные исследования, экспертиза

Таким образом, не существует «плохой» или «хорошей» модели. Есть лишь инструмент, который либо подходит для конкретной задачи, либо нет.

Заключение. Куда движется наука о прогнозировании пожаров

Мы убедились, что современная пожарная безопасность неразрывно связана с математическим моделированием. От простых интегральных методов до сложнейших полевых моделей — каждый подход вносит свой вклад в спасение жизней, позволяя заранее оценить риски и разработать эффективные защитные меры. Развитие методов прогнозирования напрямую определяет, насколько безопасными будут наши здания и промышленные объекты.

Наука не стоит на месте, и в ближайшем будущем можно ожидать появления новых трендов. Среди них — активная интеграция моделей с искусственным интеллектом для анализа данных с датчиков в реальном времени, переход от детерминированных (описывающих один сценарий) к вероятностным подходам, оценивающим риски с учетом множества возможных вариантов развития событий. Постоянный рост вычислительных мощностей сделает CFD-моделирование более доступным для широкого круга инженеров. Глубокое понимание принципов, преимуществ и ограничений каждого из этих методов уже сегодня становится обязательной компетенцией для любого специалиста в области пожарной безопасности.

Список используемой литературы

1. Вахтин А.К. Меры безопасности при ликвидации последствий стихийных бедствий и производственных аварий. — М.: Энергоатомиздат, 1984. — 288с.
2. Гринин А.С., Новиков В.Н. Экологическая безопасность. Защита территории и населения при чрезвычайных ситуациях: Учебное пособие. — М.: ФАИР — ПРЕСС, 200. — 336с.
3. Безопасность жизнедеятельности_ГриценкоВ.С_Уч. пос_МЭСИ, 2004, -244с.
4. Русак О.Н., Малаян К.Р., Занько Н.Г. Безопасность жизнедеятельности. СПб.: Лань, 2001. — 448с.
5. ГОСТ Р 22.1.07 — 99. Мониторинг и прогнозирование опасных метеорологических явлений и процессов. Общие требования. — М.: Госстандарт, 1999. — 11с.
6. Драйздел Д. Введение в динамику пожара. — М.: Стройиздат, 1990. — 420 с.
7. Кошмаров Ю. А. Прогнозирование опасных факторов пожара в помещении: Учебное пособие. — М.: Академия ГПС МВД России, 2000. 118 с.
8. Чешко И.Д. Экспертиза пожаров (объекты, методы, методики исследования). — СПб.: СПбИПБ МВД РФ, 1997.