2.6.3. Зонные методы расчета

Зонная модель позволяет получить информацию о размерах характерных пространственных зон, возникающих при пожаре в помещении, и средних параметров состояния среды в этих зонах. В качестве характерных пространственных зон можно выделить, например, в начальной стадии пожара припотолочную область пространства, область восходящего над очагом горения потока нагретых газов и область незадымленной холодной части пространства.

Основу зонной модели пожара в общем случае составляет совокупность нескольких систем обыкновенных дифференциальных уравнений. Параметры состояния среды в каждой зоне являются искомыми функциями, а независимым аргументом является время τ. Искомыми функциями являются также координаты, определяющие положение границ характерных зон.

В зонных методах расчета определяются среднезонные величины температуры, плотности, массовых концентраций кислорода, токсичных продуктов горения и оптической концентрации дыма, а также средние температуры ограждающих конструкций и усредненные характеристики теплогазообмена через проемы. На рисунке 2.3 изображена схема тепломассообмена. Структура зонной модели представлена на рисунке 2.4.

Рис. 2.3. Схема тепломассообмена : 1 – стены; 2 – перекрытие; 3 - открытый проем;

4 - горючий материал; 5 - очаг горения; 6 - нейтральная плоскость;

7 - система пожаротушения; 8 - механическая приточно-вытяжная вентиляция;

I, II, III - номера зон

Рис.2.4. Структура зонной модели

Основные преимущества зонной модели:

- быстрой и низкотрудоемкий инженерный расчет динамики опасных факторов пожара;

- используются закономерности теплового и гидродинамического взаимодействия струйного течения со строительными конструкциями с условным разбиением на характерные области (критическая точка, область ускоренного течения, переходная область и область автомодельного течения).

Основные недостатки зонной модели:

- область корректного применения зонной модели (по объемам и геометрии помещений, расположению горючего материала и т.д.) является нерешенной проблемой;

- необходимость использования дополнительной экспериментальной информации или модели более высокого уровня (полевой) для получения распределения параметров тепломассообмена по объемам зон помещения;

- в случае сложной термогазодинамической картины пожара основные допущения зонной модели (равномерно прогретый припотолочный слой и т.д.) не соответствуют реальным условиям.

Область применения зонального метода:

- для помещений и систем помещений простой геометрической конфигурации, линейные размеры которых соизмеримы между собой (линейные размеры помещения отличаются не более чем в 5 раз).

В отличие от интегральных моделей зональный метод может использоваться:

- для помещений большого объема, когда размер очага пожара существенно меньше размеров помещения;

- для рабочих зон, расположенных на разных уровнях в пределах одного помещения (наклонный зрительный зал кинотеатра, антресоли и т.д.)

2.6.4. Полевые методы расчета

Полевая дифференциальная модель позволяет рассчитать для любого момента развития пожара значения всех локальных параметров состояния во всех точках пространства внутри помещения.

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 (стадиях) пожара. В этом отношении наиболее детальные сведения можно получить с помощью полевой модели.

Наиболее сложной в математическом отношении является полевая модель. Ее основу составляет система уравнений в частных производных, описывающих пространственно-временное распределение температур и скоростей газовой среды в помещении, концентраций компонентов этой среды (кислород, оксид и диоксид углерода и т.д.), давлений и плотностей, Эти уравнения включают реологический закон Стокса, закон теплопроводности Фурье, закон диффузии, закон радиационного переноса и т.п. В более общем случае к этой системе уравнений добавляется дифференциальное уравнение теплопроводности, описывающее процесс нагревания ограждающих конструкций. Искомыми функциями в этой модели являются плотность и температура среды, скорость движения газа, концентрации компонентов газовой среды, оптическая плотность дыма (натуральный показатель ослабления света в дисперсной среде). Независимыми аргументами являются координаты x, y, z и время τ.

Наиболее подробное описание процессов тепломассообмена при пожаре в помещении дают полевые дифференциальные модели. Основным их достоинством является то, что искомыми параметрами являются поля температур, скоростей, давлений, концентраций компонентов газовой среды и частиц дыма по всему объему помещения.

Пожар в помещении протекает в сложных термогазодинамических условиях при одновременном воздействии ряда возмущающих течение факторов:

- неизотермичность (отличие температур твердых поверхностей и газовых потоков);

- сжимаемость (плотность газа не является постоянной величиной);

- продольный и поперечный градиенты давления;

- вдув на стенке (поступление в помещение продуктов внутренней деструктуризации материала твердых конструкций, тепломассообменная защита конструкций);

- излучение;

- протекание химических реакций;

- двухфазность (одновременное сосуществование нескольких фаз – газ + твердые частицы, газ + жидкость, газ + твердые частицы + жидкость);

- шероховатость поверхностей конструкций;

- кривизна поверхности;

- турбулентность;

- скачки уплотнения;

- переход ламинарного режима течения в турбулентный.