автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.03, диссертация на тему:Динамика опасных факторов пожара и расчет критической продолжительности пожара в производственных помещениях

Московский институт пожарной безопасности 7 МВД России

На правах рукописи

Рубцов Валерий Вячеславович

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

Специальность: 05.26.03 Пожарная безопасность

(технические науки)

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук профессор Ю.А. Кошмаров

Личная подпись автора

М К

ы

Москва - 1998 г.

СОДЕРЖАНИЕ

Основные обозначения и сокращения..........................................4

Введение..............................................................................9

Глава 1. Математические модели динамики ОФП и анализ методов расчёта критической продолжительности пожара.............................17

1.1. Математические модели процесса развития пожара в помещении...................................................................17

1.2. Анализ метода расчёта критической продолжительности пожара, представленного в государственном стандарте пожарной безопасности. Цель диссертации...........................................................24

1.3. Уравнения пожара и их анализ....................................28

1.4.Решения «первого приближения»...................................38

1.4.1. Процесс нарастания температуры................................38

1.4.2. Процесс снижения концентрации кислорода...................42

1.4.3. Процесс нарастания концентрации токсичного газа..............................................................................45

1.4.4. Процесс нарастания оптической плотности дыма.............................................................................52

Глава 2. Коэффициент теплопотерь.............................................56

2.1. Общие положения.......................................................56

2.2. Коэффициент теплопотерь для пожаров при круговом распространении пламени по поверхности слоя ТГМ................60

2.3. Коэффициент теплопотерь для пожаров при линейном распространении пламени по поверхности слоя ТГМ................68

2.4. Коэффициент теплопотерь при неустановившимся горении ГЖ...............................................................................70

2.5. Коэффициент теплопотерь при установившимся горении ГЖ...............................................................................72

Глава 3. Влияние проёмности на динамику ОФП в производственных помещениях. Критериальные уравнения для расчёта критической продолжительности пожара........................................................74

3.1. Процесс нарастания температуры....................................74

3.2. Процесс снижения концентрации кислорода.......................106

3.3. Процесс нарастания концентрации токсичных продуктов горения...........................................................................120

3.4. Процесс нарастания оптической плотности дыма..................126

Глава 4. Методика компьютерных экспериментов.............................136

4.1. Модифицированная интегральная математическая модель пожара и компьютерная программа её реализации...........................137

4.2. Методика обработки экспериментальных данных................152

4.3. Оценка достоверности аппроксимационных зависимостей......167

Основные выводы...............................................................175

Список литературы...............................................................179

Приложение 1. Процесс нарастания концентрации токсичного газа в

помещении с малой проёмностью............................................186

Приложение 2. Тексты компьютерных программ для форматирования и

обработки данных к-экспериментов..........................................195

Приложение 3. Акты о внедрении результатов работы.....................204

Основные обозначения и сокращения

Ь£ - эффективная ширина проёмов, м; Ьг - ширина фронта пламени, м;

су,ср - теплоёмкости газа при постоянном объёме и постоянном давлении соответственно, Дж • кг-1 • К"1;

В - дымообразующая способность горючего материала, Нп • м2 • кг ;

- площадь пожара, м2; ^ - площадь пола, м2; Рироем - площадь проёмов, м2;

^ - суммарная площадь поверхности ограждений, м2;

Ов - расход воздуха, поступающего через проёмы, кг -с"1;

О у, - расход газов, уходящих из помещения через проёмы, кг • с-1;

§ - ускорение свободного падения, м • с"2; Ь - половина высоты помещения, м;

Н - высота проёма, м;

Ь\ - стехиометрическое соотношение «кислород-горючее», кг - кг ;

Ь2 - отношение массы образующегося продукта горения к массе сгоревшего

ГМ, кг-кг4;

11512 - ширина и длина помещения, м;

Ьи - критерий люминогенной опасности ;

тг - количество ТГМ в единице объёма, кг-м~3;

- обобщённая безразмерная переменная; 0,д, - суммарный тепловой поток в ограждения, Вт; 0пож - скорость тепловыделения в очаге горения, Вт;

С>н - теплота сгорания ГМ, Дж • кг ;

Я - газовая постоянная, Дж • кг-1 • К-1; Б а - критерий оксиногенной опасности; ТЪ - критерий термической опасности; То - критерий токсикогенной опасности;

Т 0 - температура в помещении в начальный момент времени, К; Тв - температура поступающего в помещение воздуха, К; Тт - среднеобъёмная температура, К;

Ткр - критическое значение среднеобъёмной температуры, К; Тпл - температура пламени, К;

Тупред - предельно допустимая температура среды в рабочей зоне, К;

V - объём помещения, м ;

ул - линейная скорость распространения пламени, м • с ;

х01 - концентрация кислорода в окружающей атмосфере (х01 = 0,23);

у - расстояние от пола до уровня рабочей зоны, м;

у» - расстояние от пола до плоскости равных давлений, м;

Ун'Ув " расстояние от пола до нижнего и верхнего краёв проёма, м;

А - толщина слоя ТГМ, м;

ДКАВ - параметр влияния радиационного теплообмена; Ф - критерий формы помещения; Г - критерий макрокинетики горения; П - критерий проёмности;

Б .

• 100 % - проёмностъ помещения, %;

Б

пол

- скорость выгорания горючего материала, кг • с-1;

\|/уд - удельная массовая скорость выгорания, кг -с1 -м2:

б - степень черноты;

г| - коэффициент полноты горения;

Ф - среднее значение коэффициента теплопотерь;

к - отношение скорости изменения внутренней энергии среды, заполняющей помещение, к скорости тепловыделения в очаге горения; \1т - среднеобъёмная оптическая плотность дыма, Нп • м-1;

|1пред - предельно допустимая оптическая плотность дыма в рабочей зоне, Нп • м-1;

рт - среднеобъёмная плотность газовой среды, кг • м-3;

_о

р, - среднеобъёмная парциальная плотность кислорода, кг • м ;

р*р - критическая парциальная плотность кислорода, кг • м-3;

рпред _ Предельно допустимая концентрация кислорода в рабочей зоне, кг • м 3;

р2 - среднеобъёмная парциальная плотность продукта горения, кг • м-3;

о

Р2Р - критическая парциальная плотность токсичного газа, кг • м" ;

р2уСД - предельно допустимая концентрация токсичного газа в рабочей зоне,

кг • м"3; т - время, с;

тст - время стабилизации горения жидкости, с;

т^ - критическая продолжительность пожара по температуре, с;

т°2 - критическая продолжительность пожара по кислороду, с;

т г

т1ф - критическая продолжительность пожара по токсичному продукту сгорания, с;

т«ым - критическая продолжительность пожара по оптической плотности дыма, с;

о) - коэффициент, учитывающий ослабление радиационного потока из-за задымления.

СОКРАЩЕНИЯ

ОФП - опасные факторы пожара;

ГМ - горючий материал;

ТГМ - твёрдый горючий материал;

ГЖ - горючая жидкость;

ПРД - плоскость равных давлений.

Введение

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

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

Безопасность людей на пожарах в зданиях и сооружениях в настоящее время обеспечивается принятием специальных технических решений, которые разрабатываются на основе требований нормативных документов. Основополагающий документ, регламентирующий пожарную безопасность ГОСТ 12.1.004-91 «ССБТ. Пожарная безопасность. Общие требования» определяет эвакуацию как один из основных способов обеспечения безопасности людей при пожарах в зданиях и сооружениях. Эвакуация является успешной, если расчётное время эвакуации меньше необходимого времени

эвакуации. Это условие безопасности людей, сформулированное М.Я.Ройтманом, лежит в основе нормирования процесса эвакуации. В государственном стандарте указано, что необходимое время эвакуации следует принимать равным произведению критической продолжительности пожара на коэффициент безопасности (коэффициент запаса), равный 0,8. Критическая продолжительность пожара есть время достижения предельно допустимых для человека значений опасных факторов пожара (ОФП). Таким образом, для реализации указанного условия безопасности людей необходимо располагать методом расчёта критической продолжительности пожара. Вопрос о точности метода расчёта критической продолжительности пожара является ключевым в решении задачи обеспечения безопасной эвакуации. Недооценка пожарной опасности, равно как и её переоценка, может привести к большим экономическим и социальным потерям.

Методика расчёта критической продолжительности пожара представлена в ГОСТ 12.1.004-91. Эта методика аккумулировала в себе результаты значительного цикла работ, посвященных исследованию динамики ОФП в начальной стадии пожара (А.В.Матюшин, Т.Г.Меркушкина, Ю.С.Зотов, В.Н.Тимошенко и др.). Однако, результаты расчётов по этой методике не согласуются в ряде случаев с данными экспериментов, посвященных исследованию процессов нарастания ОФП в помещениях с относительно большими проёмами. Дело прежде всего в том, что указанная методика была разработана без учёта того факта, что в интервале времени, равном критической продолжительности пожара, одновременно с выбросом газов из помещения

через проёмы может иметь место поступление воздуха из окружающей атмосферы. В определённых условиях эта методика может давать результаты, отличающиеся от реальных значений критической продолжительности пожара на 200 - 300 %. Более подробное рассмотрение недостатков этой методики даётся ниже. Следует здесь отметить, что для многих производственных помещений характерным обстоятельством является наличие всегда открытых проёмов относительно больших размеров.

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

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

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

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

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

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

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

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

Научная новизна работы. Разработана теория процессов нарастания ОФП в начальной стадии пожара, которая не содержит недостатков, присущих ранее опубликованным исследованиям по этому вопросу и базирующемуся на них государственному стандарту 1991 года. В рамках этой теории разработан метод расчёта коэффициента теплопотерь. Получены формулы для определения

этого коэффициента, учитывающие особенности пожаров, протекающих в различных по размерам и конфигурации помещениях при горении твёрдых горючих материалов (ТГМ) и горючих жидкостей (ГЖ). На основе анализа полной системы дифференциальных уравнений, составляющих основу математического описания пожара, с использованием метода обобщённых переменных и обширных результатов компьютерных и натурных экспериментов установлено влияние проёмов на процессы нарастания ОФП. Показана особенность процесса нарастания концентрации токсичного газа и предложен метод расчёта этого процесса. Получены аналитические зависимости, позволяющие рассчитать изменение температуры, концентрации кислорода, концентраций токсичных компонентов продуктов горения и оптической плотности дыма с течением времени при пожарах, протекающих в помещениях с различной проёмностью. Получены новые формулы для определения критической продолжительности пожаров по условию достижения каждым ОФП предельно допустимого значения в зоне пребывания людей.

Практическое значение. Практическое значение

диссертационной работы заключается в создании более совершенной научной основы обеспечения безопасности эвакуации людей при пожаре, позволяющей осуществить повышение качества соответствующих разделов государственного стандарта пожарной безопасности. Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе в Московском институте пожарной безопасности МВД РФ, а также были использованы Управлением государственной противопожарной службой ГУВД Московской области при

рассмотрении проектно - сметной документации зданий и сооружений, на которые отсутствуют Российские нормы проектирования, а также проектов, в которых допущены отступления от требований норм, и в связи с этим, требующих разработки компенсирующих мероприятий по обеспечению пожарной безопасности людей.

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

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

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

На защиту выносятся:

• новые формулы для расчёта коэффициента теплопотерь, учитывающие особенности пожаров, протекающих в различных по размерам и конфигурации помещениях при горении ТГМ и ГЖ;

• методика исследования влияния проёмности помещений на процессы нарастания ОФП путём постановки и проведения компьютерных экспериментов на базе разработанной в диссертации модифицированной математической интегральной модели пожара, а также результаты реализации разработанной программы экспериментов;

• метод обобщения результатов экспериментов, в основу которого положены полученные в диссертации критериальные уравнения для процессов нарастания ОФП, в которых в качестве определяющих критериев, характеризующих близость момента наступления летальной опасности, выступают согласно перечню ОФП критерии термической, оксигенной, токсигенной и люминогенной опасности, а также критерии проёмности, характеризующие влияние проёмности помещений;

• формулы, полученные в результате обобщения данных компьютерных и натурных экспериментов, для расчёта критических значений критериев опасности, соответствующих моментам времени, при которых ОФП достигают своих предельно допустимых для человека величин;

• форм�