Применение программных продуктов для моделирования опасных факторов пожара в общественных зданиях

В статье рассмотрены проблемы пожарной опасности общественных зданий, методы разработки технических решений по обеспечению пожарной безопасности общественных зданий на основе оценки пожарных рисков и методы моделирования развития опасных факторов пожара в современных программных продуктах.

Ключевые слова: пожарная безопасность, развитие пожара, противопожарная защита, эвакуация людей, пожарный риск.

В настоящее время проблема обеспечения безопасности людей в общественных зданиях при пожарах приобретает все большую актуальность. В последние годы число пожаров по России выросло до 240–300 тысяч в год. Пожары часто приводят к травмам и жертвам среди людей. В связи с этим большое значение приобретает прогнозирование опасных факторов пожара и принятие упреждающих решений по устранению пожароопасных ситуаций [8].

«Пожароопасные ситуации удается устранить далеко не всегда. Поэтому придается большое значение моделированию динамики развития пожара в помещениях, которое позволяет повысить уровень подготовки персонала противопожарных служб в области принятия эффективных решений по пожарной безопасности» [8].

Согласно приложению 6 Приказа от 30 июня 2009 года N 382 «Об утверждении Методики определения расчетных величин пожарного риска в зданиях, сооружениях и строениях различных классов функциональной пожарной опасности» сформулируем математическую модель развития пожара. Для описания термогазодинамических параметров пожара применяются три основных группы детерминистических моделей: интегральные, зонные (зональные) и полевые.

Выбор конкретной модели расчета, времени блокирования путей эвакуации в общественных зданиях, следует осуществлять исходя из предпосылок, представленных на рисунке 1.

Рис. 1. Основы выбора модели расчета пожарного риска в зданиях

Перечисленные модели отличаются друг от друга объемом той информации, которую они могут дать о состоянии газовой среды в помещении и взаимодействующих с нею конструкций на разных этапах пожара.

Благодаря развитию вычислительной техники и информационных технологий все большее распространение при оценке пожарной опасности объектов защиты получает применение математического моделирования развития пожара на базе полевых моделей. Полевые модели являются наиболее мощным и универсальным инструментом компьютерного моделирования. В полевых моделях выделяется расчетная область, которая делится на большое количество контрольных объемов. Для каждого из этих объемов с помощью численных методов решается система уравнений в частных производных, выражающих принципы локального сохранения массы, импульса, энергии и масс компонентов. С его помощью можно рассчитать температуры, скорости, концентрации компонентов смеси, тепловые потоки и т. д. в каждой точке расчетной области. Используя полевые модели, можно проводить расчеты пожара на объекте практически любой геометрической формы с учетом основных физико-химических процессов.

В настоящее время существует большой выбор различных программ, реализующих математические модели прогнозирования динамики развития пожара в общественных зданиях.

Так, например, программный комплекс PyroSim [5] предназначен для быстрой и точной работы с Fire Dynamics Simulator (FDS). Он представляет собой графический интерфейс пользователя для FDS, который дает возможность быстро и удобно создавать, редактировать и анализировать сложные модели развития пожара.

В PiroSim имеющиеся инструменты, которые помогают создавать и управлять несколькими сетками. Несколько сеток в модели позволяют использовать параллельные вычисления для ускорения расчетов, упрощать геометрию объектов для уменьшения количества ячеек сетки в модели (уменьшая этим продолжительность расчета), изменять расширения в разных частях модели.

Одной из важных новинок в FDS есть поддержка системы HVAC (отопление, вентиляция и кондиционирование) в полевом моделировании.

Систему можно описать с помощью нескольких простых компонентов: воздуховоды, узлы, вентиляторы, теплообменники и фильтры. Все это создается, редактируется и визуализируется в PiroSim.

Рис. 2. Программа Pyrosim 2

Программный комплекс CFAST является инструментом для инженера-проектировщика, так как он дает возможность достаточно быстро выполнить моделирование пожара и определить продолжительность, по которой опасные факторы пожара достигнут своих предельно допустимых значений в помещениях дома, что дает возможность определять предельный допустимый для людей продолжительность эвакуации и предложить необходимые технические решения (мероприятия) для его увеличения.

Программный комплекс Fire Dynamics Simulator (FDS) [1] реализует вычислительную гидродинамическую модель (CFD) тепломассообмена во время горения. Для визуализации результатов расчетов используется дополнительная программа SmokeView, которая позволяет просматривать трехмерную модель проекта и результаты моделирования.

На рисунке 3 приведен пример проведенных расчетов с помощью программного комплекса FDS скорости движения воздушных потоков и их визуализация с помощью программы SmokeView.

Рис. 3. Пример проведенных расчетов с помощью программного комплекса FDS скорости движения воздушных потоков и их визуализация с помощью программы SmokeView [5]

Программный комплекс FDS и программа SmokeView являются бесплатными программными продуктами с открытым кодом и позволяют использовать их на базе платформ операционных систем Windows, Linux и Mac OS.

PHOENICS — это надежная и экономичная программа с проверенным опытом, имитирующим сценарии, связанная с потоком жидкости, теплом или массопереносом, химическими реакциями и сжиганием для широкого спектра применений [5].

Структура PHOENICS представлена на рисунке 4.

Рис. 4. Структура PHOENICS

С помощью PHOENICS разрабатывается программа для решения численных уравнений, позволяющая прогнозировать и формализовать описание чрезвычайных ситуаций (ЧС) природного и техногенного характера с использованием пакета PHOENICS состоящего из:

— VR-Editor — для постановки задачи,

— VR-Viewer — для визуализации результатов;

— POLIS — для информации.

Возможно решение 1D, 2D и 3D задач с учетом тепло- и массопереноса и химических реакций. При этом необходимо определить:

1. Необходимые размеры объектов;
2. Материалы, т. е. свойства твердых и жидких тел;
3. Явления, которые должны быть решены (реагирование материалов или их инертность, ламинарность или турбулентность течения, есть ли напряжений в твердых телах);
4. Установка контрольных объемов в исследуемой области, параметров, влияющих на определенные значения такие, как температура окружающей среды, скорость, давление, концентрация и т. п.

Применяя данную программу, у пользователя есть возможность моделировать и создавать различные физико-химические процессы, которые описываются благодаря дифференциальным уравнениям. Созданные модели, характеризующие законы физики и термодинамики, соединяют параметры температуры, скорости и давления в моменте времени.

Также ПО PHOENICS может отображать результаты моделирования в самых разнообразных формах (изолинии, изоповерхности, векторные поля скорости). Он имеет свой собственный автономный графический пакет, и он также может экспортировать результаты в пакеты сторонних производителей, как Techplot и другие.

Таким образом, прогнозирование динамики развития пожара в общественных зданиях с помощью моделирования в современных программных продуктах, дает возможность на основании полученных данных максимально точно предсказать, где и когда может случиться пожар. Данные расчеты могут позволять моделировать динамику параметров развития и тушения пожара в зданиях с учетом введения средств подачи огнетушащих веществ. Благодаря трехмерной визуализации процессов развития и тушения пожаров пользователь наблюдает за развитием опасных факторов пожара в общественных зданиях, что позволяет ему рассмотреть отдельные аспекты данного процесса и использовать полученную информацию при принятии решений. Современные программы за счет совокупного взаимодействия модулей позволяет производить анализ обстановки на месте пожара за счет решения систем дифференциальных уравнений, описывающих процесс развития пожара во времени. Все это позволяет подойти комплексно к решению вопроса пожарной безопасности общественных зданий и внедрять в системы противопожарной защиты зданий новые способы обнаружения и сбора информации о параметрах пожара.

Литература:

1. Коржова А. Ю. Математическое моделирование распространения двумерного фронта верхового природного пожара / А. Ю. Коржова // Ресурсосберегающие технологии в контроле, управлении качеством и безопасности: сборник научных трудов IX Международной конференции школьников, студентов, аспирантов, молодых ученых «Ресурсоэффективные системы в управлении и контроле: взгляд в будущее», 11–13 ноября 2020 г., г. Томск. — Томск: Изд-во ТПУ, 2021. — С. 103–106.
2. Пожарная и аварийная безопасность: сборник материалов XV Международной научно-практической конференции, посвященной 30-й годовщине МЧС России, Иваново, 17–18 ноября 2020 г. — Иваново: ФГБОУ ВО Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России, 2020. — 577 с.
3. Ситков М. А. Обеспечение пожарной безопасности в российской федерации: проблемы административно-правового регулирования // Символ науки. 2020. № 6. URL: https://cyberleninka.ru/ (дата обращения: 03.12.2021).
4. Сметанкина Г. И., Романченко С. А. Актуальные проблемы обеспечения пожарной безопасности общественных зданий // Современные технологии обеспечения гражданской обороны и ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций. 2016. № 1 (7). URL: https://cyberleninka.ru/ (дата обращения: 03.12.2021).
5. Студенческий форум: научный журнал. — № 13(149). Часть 2. М., Изд. «МЦНО», 2021. — 108 с.
6. Указ Президента РФ от 31 декабря 2015 г. № 683 «О Стратегии национальной безопасности Российской Федерации» // [Электронный ресурс]- http://base.garant.ru/71296054/# (дата обращения: 28.11.2021).
7. Федеральный закон от 21.12.1994 № 69-ФЗ «О пожарной безопасности»// [Электронный ресурс] — http:// consultant.ru/ (дата обращения: 01.07.2021).
8. Цвиркун А. Д., Резчиков А. Ф., Самарцев А. А., Иващенко В. А., Кушников В. А., Богомолов А. С., Филимонюк Л. Ю. Математическая модель динамики развития пожара в помещениях // УБС. 2018. № 74. URL: https://cyberleninka.ru/ (дата обращения: 19.12.2021).
9. Щапова А. Е. Методика обеспечения пожарной безопасности в библиотеке // Пожарная безопасность: проблемы и перспективы. 2017. № 8. URL: https://cyberleninka.ru/ (дата обращения: 03.12.2021).