Для расчета величины индивидуального пожарного риска зданий и сооружений общественного назначения фирмой «СИТИС» разработан комплекс необходимых компьютерных программ:

программа «СИТИС: Флоутек» – предназначена для определения времени эвакуации людей из зданий и сооружений;

программы «СИТИС: Блок» и «СИТИС: ВИМ» – предназначены для моделирования развития пожаров в зданиях и сооружениях и определения времени блокирования путей эвакуации опасными факторами пожара с использованием зонной модели пожара на основе расчётного модуля CFAST (Блок) и вероятностной интегральной модели пожара (ВИМ), разработанной в Уральском институте Государственной противопожарной службы МЧС России;

программа «СИТИС: Спринт» – предназначена для анализа результатов расчёта множества сценариев развития пожара и эвакуации людей и определения индивидуального пожарного риска на основе этих данных в соответствии с утверждённой методикой.

Более подробную информацию о назначении, области применения и математических моделях, используемых в программах можно ознакомиться в документации к этим программам, а в данной работе мы хотим представить результаты валидационных экспериментов программы «СИТИС: ВИМ».

Вероятностная интегральная модель пожара в здании разработана относительно недавно, точнее сказать, объединение известной интегральной модели пожара и новой вероятностной модели распространения пожара по площади, и сравнение результатов моделирования с данными реальных (натурных) экспериментов до настоящего времени не проводилось.

Для сравнения мы взяли результаты различных натурных экспериментов, проводимых научно-исследовательскими институтами и лабораториями США, которые приведены в документации по валидации полевой модели FDS (Fire Dynamics Simulator). Были отобраны те эксперименты, которые входят в область определения интегральной модели пожара.

Необходимо отметить, что под термином «валидация» («validation») обычно понимают процесс определения правильности допущений и основных уравнений модели, процесс определения того, насколько метод расчёта (моделирование) является точным отражением реального мира. Но кроме этого мы, как разработчики модели и соответствующей программы, включаем в это понятие ещё и процесс корректировки модели с целью построения алгоритмов, позволяющих получить максимально достоверные результаты.

Первую такую корректировку мы произвели после сравнения результатов моделирования с результатами экспериментов под наименованием «NBS_Multi-Room», которые были проведены Национальным бюро стандартов (ныне Национальный институт стандартов и технологий) США.

Экспериментальная инсталляция состояла из двух помещений, соединенных между собой коридором, имеющим один выход наружу. Источник тепловыделения (газовая горелка) мощностью 100 кВт, располагался в дальнем от выхода помещении. Замер температуры производился с помощью нескольких шлейфов термопар (по 10 шт. равномерно распределенных по высоте в каждом). Среднеобъёмное значение температуры мы определяли путем интегрирования показаний термопар в шлейфе по высоте.

По первым результатам моделирования стало понятно, что методика расчёта теплообмена требует уточнения. По упрощенной методике, предложенной М.П. Башкирцевым и ранее используемой в интегральной модели, температура стен определялась только исходя из температуры газовой среды. Это приводило к быстрой стабилизации параметров пожара и стационарному режиму горения (рис. 1, VIM_old).

Поэтому нами была реализована методика расчёта температуры ограждающих конструкций с учетом их постепенного прогрева. С увеличением температуры стен теплоотдача в них постепенно уменьшается, доля энергии, расходуемой на нагрев воздуха, увеличивается, и его температура возрастает (постепенно, в течение всего времени нагрева конструкций). За основу расчёта конвективного теплообмена была взята методика, описанная в главе 3.4.5 технического руководства двухзонной модели пожара CFAST с учётом отвода тепла в пол, стены и потолок.

При этом результаты моделирования качественно стали намного более схожими с экспериментальными данными, а в количественном отношении сходимость результатов стала лучше при увеличении коэффициента пропускания «виртуальных проёмов» в местах соединений частей, на которые разбит коридор в соответствии с методикой, в 2 раза
(рис. 1, VIM_new).

Рис 1. Среднеобъёмная температура воздуха в помещении очага пожара при упрощенной (VIM_old)

и уточнённой (VIM_new) методике расчёта теплообмена

Кроме этого нами была проведена большая работа по сравнению результатов моделирования с рядом других экспериментов («ATF_Corridors», «NIST_NRC», «WTC_Spray_Burner» и др.), однако описать их в рамках данной публикации не представляется возможным. Мы лишь ограничимся краткими выводами и озвучим направления дальнейшей работы по валидации интегральной модели на основе этих исследований.

1. В результате сравнения ряда экспериментальных данных выявлена необходимость увеличения коэффициента пропускания виртуальных проёмов в 2 раза. Эти «проёмы» должны пропускать воздушные потоки с меньшим сопротивлением, чем дверные или оконные проёмы, так как в них не наблюдается завихрение воздуха. Воздух по длине коридора распространяется равномерным, ламинарным потоком, и большое сопротивление излишне.

2. Необходимо уточнить тепловые характеристики различных строительных материалов, необходимые для расчёта теплообмена конвекцией, а также добавить расчёт теплообмена излучением, так как в случаях с интенсивным пламенным горением (например, в эксперименте «WTC_Spray_Burner» происходило горение газовых струй мощностью 2МВт) интегральная модель даёт большую погрешность.

3. Необходимо разработать и реализовать алгоритмы расчёта газообмена в горизонтальных (междуэтажных) проёмах не только за счёт разности давлений, но и за счёт разности температур воздуха.

Более подробную информацию о валидационных экспериментах можно будет получить в готовящемся к выпуску руководстве по валидации ВИМ.

Г.С. Ракитина, С.И. Долгов

ООО «Газпром ВНИИГАЗ»