Прогнозирование опасных факторов пожара в помещении

Министерство по делам  гражданской обороны, чрезвычайным ситуациям и ликвидации последствий  стихийных бедствий

Академия  Государственной противопожарной  службы

Кафедра инженерной теплофизики 

и гидравлики

Курсовой проект по дисциплине:

 «Прогнозирование опасных факторов пожара в помещении»

Вариант № 54

(З. к. №10101)

Выполнил: слушатель 4 «Б» курса Кузнецов О. С.

Проверил:  

Москва

2012 г.

Содержание 

Введение……………………………………………………………………...3

1. Исходные данные………………………………………………………..4
2. Описание интегральной модели развития пожара в помещении…….6
3. Расчет динамики опасных факторов пожара в помещении…………..7
4. Определение критической продолжительности пожара и времени блокирования эвакуационных путей…………………………………...15
5. Прогнозирование обстановки на пожаре к моменту прибытия первых подразделений на тушение………………………………………………16
6. Расчет огнестойкости ограждающих строительных конструкций с учетом параметров реального пожара………………………………….18
7. Исследовательский раздел, результаты расчетов и итоги

исследования…………………………………………………………………20

Литература……………………………………………………………………24

Введение

Для разработки экономически оптимальных и эффективных противопожарных мероприятий необходим научно-обоснованный прогноз динамики опасных факторов пожара. Прогнозирование динамики опасных факторов пожара необходимо:

• при разработке рекомендаций по обеспечению безопасной эвакуации людей при пожаре;
• при создании и совершенствовании систем сигнализации и автоматических систем пожаротушения;
• при разработке оперативных планов тушения пожаров;
• при оценке фактических пределов огнестойкости;

и для многих других целей.

Современные научные методы прогнозирования  динамики опасных факторов пожара основываются на математических моделях пожара. Математическая модель пожара описывает  в самом общем виде изменения  параметров состояния среды в  помещении с течением времени, а  также состояние ограждающих  конструкций этого помещения  и различных элементов технологического оборудования.

Математические  модели пожара в помещении состоят  из дифференциальных уравнений, отображающих фундаментальные законы природы: закон  сохранения массы и закон сохранения энергии.

Математические  модели пожара в помещении делятся  на три класса: интегральные, зонные и дифференциальные. В математическом отношении вышеназванные виды моделей пожара характеризуются разным уровнем сложности. Для проведения расчетов динамики опасных факторов пожара в помещении выбираем интегральную математическую модель развития пожара в помещении.

1. Исходные данные.

Помещение расположено в одноэтажном здании. Здание построено из сборных железобетонных конструкций и кирпича. План здания показан на рис.1.

Рисунок 1. План помещения.

«1» – дверные проёмы; «2» – открытый оконный проём; «3» – закрытые оконные проемы; «0» – место загорания.

Размеры помещения в плане:

Длина  l₁= 12 м;

Ширина  l₂= 9 м;

Высота  h= 3,6 м.

В наружных стенах складского помещения  имеется 3 одинаковых оконных проемов. Расстояние от пола до нижнего края каждого оконного проема y_н=0,8 м. Расстояние от пола до верхнего края проема y_в=2,6 м. Ширина каждого оконного проема b = 2,0 м. Суммарная ширина закрытых оконных проемов S_в(закр)= 4 м. Остекление оконных проемов выполнено из обычного стекла. Остекление в закрытых окнах разрушается при среднеобъёмной температуре газовой среды в помещении, равной 300 ⁰С. Соответственно ширина оконного проёма открытого при пожаре составляет S_в(откр)= 2 м.

Складское помещение имеет два дверных проема, соединяющий его с окружающей средой. Их высота Y_в= 1,9 м, ширина b_дв. =0,8 м. Их суммарная ширина S_в= 1,6 м. Расстояние от пола до нижнего края проема Y_н=0. При пожаре эти проемы открыты.

Геометрические  характеристики объекта указаны  на рис. 1.

Полы  бетонные, с асфальтовым покрытием. Горючий материал представляет собой  бумагу в рулонах. Размер площадки, занятой горючим материалом: длинна – 10 м, ширина – 5 м. Количество горючего материала составляет 1100 кг.

Горение начинается в центре прямоугольной  площадки, которую занимает горючий  материал.

Свойства  горючего материала характеризуется  следующими величинами:

Теплота сгорания…………………………………………… Q_н= 15,1 МДж/кг                                                 

Удельная  скорость выгорания………………………………Y₀= 0,008 кг/(м² ×с)

Скорость  распространения пламени по поверхности  горючего

материала……………………………………………………..V_л= 0,005 м/с

Дымообразующая  способность………………………………D = 41 Нп×м²/кг

Потребление кислорода………………………………………L_O2= -1,158 кг/кг

Выделение диоксида углерода……………………………….L_СО2= 0,6635 кг/кг

Выделение оксида углерода………………………………….L_СО= 0,1077 кг/кг

Внешние атмосферные условия:

ветер отсутствует;

температура наружного воздуха Т_в= 292 К;

давление (на уровне Y=h) Р_а=760 мм.рт.ст.= 101300 Па.

Параметры состояния газовой среды внутри помещения перед пожаром такие  же, как у наружного воздуха.

2. Описание интегральной математической модели свободного развития пожара в помещении.

Для расчета динамики опасных факторов пожара используем интегральную математическую модель развития пожара в помещении.

Согласно  исходным данным в базовой системе дифференциальных уравнений следует положить, что

G_пр= 0;  G_выт= 0;  G_ов= 0;  Q₀= 0,

где G_пр и G_выт – расходы приточного и вытяжного вентиляторов; G_ов– расход газового огнетушащего вещества; Q₀ – тепловой поток, излучаемый системой отопления.

Для пожара при заданных условиях можно  принять в уравнении энергии, что

т.е. внутренняя энергия среды в помещении  при пожаре практически остается неизменной.

С учетом сказанного система основных уравнений ИММП имеет вид:

где V – объем помещения, м³; G_в и G_г – массовые расходы поступающего воздуха и истекающих газов при естественном газообмене; Ψ – скорость газификации горючей нагрузки; r_m,T_m,P_m – соответственно среднеобъемные плотность, температура и давление; η – полнота сгорания продуктов газификации горючего материала; Q_Н – низшая теплота сгорания горючего материала; C_pa и T_a – изобарная теплоемкость и температура наружного воздуха; Q_w – тепловой поток поглощаемый конструкциями; X_O2 – среднеобъемная массовая концентрация кислорода в помещении; L_O2 – стехиометрическое соотношение «кислород-горючее»; X_O2В – массовая концентрация кислорода в воздухе; m_m –среднеобъемная оптическая плотность дыма, Нп/м; c=Х_m/L – приведенная среднеобъемная концентрация продукта горения.

Для прогнозирования использована интегральная математическая модель пожара. Для  численного решения системы дифференциальных уравнений использован метод  Рунге-Кутта-Фельберга 4-5 порядка точности с переменным шагом.

3. Расчет динамики опасных факторов пожара в помещении

Для прогнозирования динамики опасных  факторов пожара использована интегральная модель пожара, которую реализует  программа INTMODEL, разработанная на кафедре ИТ и Г Академии ГПС МЧС России.  В этой программе для численного решения системы дифференциальных уравнений использован метод Рунге-Кутта-Фельберга 4-5 порядка точности с переменным шагом.

Результаты  расчета динамики опасных факторов пожара в заданном помещении представлены в таблицах 3.1 – 3.4.

Таблица 3.1

Таблица 3.2

Таблица 3.3

Таблица 3.4

  По полученным данным строим графики зависимостей T_m(τ), μ_m(τ), X_O2(τ), X_CO2(τ), X_CO(τ), S_пож(τ), Y^*(τ), l_вид(τ):

4. Определение критической продолжительности пожара и времени блокирования эвакуационных путей

Основным  критерием обеспечения безопасности людей при пожаре является время  блокирования эвакуационных путей τ_бл.. Время блокирования эвакуационных путей вычисляется путем расчета минимального значения критической продолжительности пожара. Критическая продолжительность пожара есть время достижения предельно допустимых для человека опасных факторов пожара. Найдем её для каждого фактора.

Связь между локальными и среднеобъемными  значениями ОФП по высоте помещения  имеет следующий вид:

где ОФП – локальное (предельно допустимое) значение ОФП; ОФП₀ – начальное значение ОФП; ОФП_m – среднеобъемное значение ОФП; Z – параметр вычисляемый по формуле:

где H – высота помещения; h – уровень рабочей зоны.

Быстрее всего критического значения достигает  температура газовой среды в  помещении, следовательно, τ_пр = 4,2 мин.

5. Прогнозирование обстановки на пожаре к моменту прибытия первых подразделений на тушение

Первые  подразделения прибывают на пожар  через 4 мин. после его начала. В это время складывается следующая тактическая обстановка:

• Площадь пожара составляет ;
• Среднеобъемная температура в помещении , тогда температура на уровне рабочей зоны (по формулам из п 4)

При такой температуре личный состав должен работать в средствах защиты от повышенной температуры.

• Высота плоскости равных давлений

Это ухудшает видимость при пожаре. Все  имеющиеся открытые проёмы будут  работать в смешанном режиме газообмена. Следовательно, возможно задымление помещений и прилегающей территории с подветренной стороны. План помещения и схемы газообмена через открытые проемы показаны в графической части проекта.

• Среднеобъемная оптическая плотность дыма , тогда оптическая плотность дыма на уровне рабочей зоны ;
• Дальность видимости на уровне рабочей зоны
• Среднеобъемная концентрация кислорода , что соответствует . Тогда парциальная плотность кислорода на уровне рабочей зоны составит

Полученное  значение выше критического, следовательно, работа в средствах индивидуальной защиты органов дыхания необязательна. Данный ОФП для личного состава не опасен.

• Среднеобъемная концентрация оксида углерода , что соответствует . Тогда парциальная плотность оксида углерода на уровне рабочей зоны составит

Полученное  значение ниже критического, следовательно, работа в средствах индивидуальной защиты органов дыхания необязательна. Данный ОФП для личного состава не опасен.

• Концентрация диоксида углерода , что соответствует . Тогда парциальная плотность диоксида углерода на уровне рабочей зоны составит

Полученное  значение ниже критического, следовательно, работа в средствах индивидуальной защиты органов дыхания необязательна. Данный ОФП для личного состава не опасен.

6. Расчет огнестойкости ограждающих строительных конструкций с учетом параметров реального пожара

Рассчитываем  температурное поле в перекрытии через 30 мин. после начала нагревания и время достижения на рабочей  арматуре температуры 550⁰C. Перекрытие представляет собой сплошную железобетонную плиту толщиной 200 мм. Толщина бетона от нижней грани до центра тяжести 20 мм. Плита изготовлена из бетона на гранитном щебне.

Перекрытие  подвергается одностороннему нагреву  в условиях пожара. Зависимость среднеобъемной температуры греющей среды от времени берется из п. 3. Начальная  температура перекрытия 19⁰С, такую же температуру имеет воздух над перекрытием.

Для расчетов используем метод конечных разностей.

Принимаем среднюю температуру плиты за весь период нагревания равной 200 ⁰С. Тогда усредненные за весь период нагревания коэффициенты теплопроводности и температуропроводности будут соответственно равны λ = 1,2 Вт/(м×К), а =6,3×10^-7 м²/с.

Максимальная  температура среды за период нагревания может быть определена по следующей  формуле:

,

где T_m – среднеобъемная температура, y – координата отсчитываемая по вертикали от поверхности пола, y₀ – половина высоты помещения, x – координата отсчитываемая по горизонтали от очага горения, x₀ – половина расстояния от очага до места выхода газов из помещения.

Подставляя  значения соответствующих величин определяем максимальную температуру среды за период нагревания

Максимальный  коэффициент теплоотдачи между  средой и поверхностью плиты:

Максимальная  расчетная толщина слоя:

Минимальное число слоев:

Выбираем 10 слоев. При этом толщина слоя будет:

Расчетный интервал времени:

Расчет  температурного поля в плите ведется  по явной разностной схеме, которая  при имеет вид .

В начальный момент времени ( ) температура во всех слоях равна начальной:

  Рассчитываем температурное поле  в моменты времени  и так далее, учитывая следующие соотношения:

- температура греющей среды:

;

- коэффициент теплоотдачи с обогреваемой  стороны:

- толщина пограничного слоя:  λ/α_i,τ 

- температура в i-том слое в момент τ+Δτ : ;

- температура 0-го слоя в момент τ+Δτ:

- температура обогреваемой поверхности  .

Результаты  заносим в таблицу: