Статистика пожаров / Центр пожарной статистики CTIF / ctif_report10_world_fire_statistics_2005

World fire statistics / Мировая пожарная статистика / Weltfeuerwehrstatistik

пассивных и активных средств борьбы с пожарами.

22.4 - Wissenschaftlich-technische Probleme der Brandsicherheit auf der Welt

In diesem Abschnitt betrachten wir in aller Kürze die grundlegenden und gleichzeitig widersprüchlichen Tendenzen in der Entwicklung der Brandsicherheit und des Niveaus der Brandrisiken auf unserem Planeten.

Fig. 22.4-5: Fire-fighting in Baltimore (USA) 1904

Auf der einen Seite wird die uns umgebende Welt durch die sich beschleunigende wissenschaftlich-technische Entwicklung der gegenwärtigen Zivilisation immer brandgefährlicher. Insbesondere nimmt der Energieverbrauch in Industrie und Haushalt ständig zu, was mit wachsender Zahl von Gerätschaften, zunehmender Komplexität der technologischen Prozesse, der Lagerung, Transport, Weiterverarbeitung von Produkten verbunden ist.

All dies und vieles mehr führt zum weiteren Anwachsen der Brandrisiken in der Weltwirtschaft.

Auf der anderen Seite bringt der gleiche wissenschaftlich-technische Fortschritt immer wirksamere Mittel und Methoden zur effizienten Brandbekämpfung hervor. Es ist wichtig, eine ausgewogene Wechselwirkung zwischen diesen beiden Prozessen zu erreichen. Der zweitgenannte Prozess muss im Vergleich mit dem zuerst genannten Prozess um einiges weiterentwickelt sein oder zumindest diesem in der Entwicklung nicht nachstehen. Der technische Fortschritt darf nicht mehr Probleme erzeugen, als er selbst zu lösen vermag. Das ist eine strategische Aufgabe, die mit der schrittweisen Minderung aller Brandrisiken und der Gewährleistung der Brandsicherheit auf der Welt einhergeht.

Dazu müssen folgende Bedingungen erfüllt sein:

wenn die Menschheit erstens eine hinreichend vollständige Vorstellung über die schon

existierenden und noch zu schaffenden Stoffe, Materialien, Produkte und die technologischen Prozesse hat,

wenn zweitens die Regeln und Vorschriften zur Brandvorbeugung und Brandverhinderung von allen Menschen in Produktion und Haushalt eingehalten werden,

wenn drittens in allen Bereichen hinreichend zuverlässige und effektive Systeme der Branderkennung und wirksamen Brandbekämpfung existieren und

wenn es viertens in den menschlichen Siedlungsgebieten gut ausgebildete und

technische ausgerüstete Feuerwehren gibt, kann man die Brandgefahren der uns umgebenen Welt prognostizieren und kontrollieren, um somit alle Brandrisiken planmäßig bis auf ein annehmbares Niveau zu senken.

Die Welt wurde also bis zur heutigen Zeit immer brandgefährlicher.

Der Umfang und Schwierigkeitsgrad aller Arbeiten zur Gewährleistung einer von Bränden gefährdeten Welt nimmt ständig zu. Ebenso wachsen die damit verbundenen Ausgaben. Es ist notwendig, das theoretische Wissen im Bereich des Brandschutzes unter Nutzung der Erkenntnisse aller grundlegenden Wissenschaftszweige und ihrer praktischen Anwendungsgebiete weit tiefgründiger zu erweitern.

Fig. 22.4-6: Berlin Fire Brigade in 1930

Fig. 22.4-7: Berlin Fire Brigade in 1910

Hierbei ist es erforderlich, eine allgemeine Theorie der Gewährleistung der Brandsicherheit in allen menschlichen Tätigkeitsbereichen (Industrie, Haushalt, Freizeit) zu schaffen. Dies erfordert eine entsprechende juristische, organisatorische und

Report №10 – CFS of CTIF

120

INTERSCHUTZ 2005

World fire statistics / Мировая пожарная статистика / Weltfeuerwehrstatistik

materiell-technische Unterstützung durch die Politik sowie die internationale Zusammenarbeit im Bereich der Brandvorbeugung und –bekämpfung.

Unter dem Begriff „Allgemeine Theorie der Gewährleistung der Brandsicherheit“ verstehen wir die Gesamtheit aller physikalisch-chemischen, mathematischen, wirtschaftsmathematischen und anderer Modelle der Brandentstehung, Brandentwicklung und Brandbekämpfung innerhalb und außerhalb von Gebäuden sowie des Schutzes von Menschen, Tieren und der Umwelt vor den gefährlichen Brandfaktoren unter den Bedingungen passiver und aktiver Schutzmaßnahmen gegen Brände.

22.5 - Formation of the theoretical basis of ensuring fire safety

As each fire is connected with the initiation of burning processes, and as each firefighting operation is connected with a targeted interruption of these combustion processes, these processes shall form the basis of the strategy to ensure fire safety.

Fig. 22.5-1: Fire Fighters in Ukraine in 1924

From its very beginning, the human civilisation has tried to understand the nature of burning processes. However, it could be discovered only in the mid of the 18th century that combustion processes are to be explained in view of the interrelations between combustible substances and oxidants (as a rule atmospheric oxygen). This was the beginning of the scientific research of the phenomenon “fire“.

First, the field of science examining combustion processes was a field of chemistry. During that stage, experimental data were collected about the character of oxidation reactions, thermal effects and the propagation of flames. During further stages, the development of engineering and technology (in particular of technologies for ignition of substances) led to significant needs in knowledge regarding a specific aspect of combustion processes – the combustion rate.

At the end of the 19th century, a special field of chemistry was born – the science on the rates of chemical conversion processes (kinetics). From that moment on, the knowledge on combustion processes became an independent field of science, providing the opportunity to make use

of a consolidated apparatus of mathematic analysis (differential and integral calculus) as well as of the differential equation theory (general differential equations / partial derivatives).

Fig. 22.5-2: Fire-fighting Tender in Russia (1865)

In the course of the 20th century, the theory on the combustion processes underwent an intensive development and improvement – coming to a series of important achievements. This scientific progress is very closely connected with the work of the Nobel Prize winner N.N. SEMYONOV (1896-1986). However, many combustion mechanisms are still not sufficiently investigated. While the theory about combustion processes as an independent field of science was created at the end of the 19th century, the creation of the theory about ensuring of fire safety can be dated to mid of the 20th century. This theory is based on different fire models, covering all classes and types of fire, related to outbreak of fire, fire development and fire fighting.

Around mid of the 80ies of the 20th century, the American scientist EMMONS (19121998) published a quite interesting article “The Future of the Science on Fire“, predicting that the main scientific problems related to the investigation of fire, it dynamics und consequences will be solved only towards the 23rd/24th century. The argumentation of Mr EMMONS in this respect seems to be sufficiently convincing:

He wrote: „We can imagine the years 1950 to 2000 being a period, in which the basic ideas of the fire science were initiated, the existing fire components were identified and their fundamental character investigated, during which the world recognized the necessity to set up the society’s fire safety on the basis of engineering norms that consider the laws of fire development, making the first steps towards realisation of this task.ù

Let us return to this article later. We shall state here, that different countries started with a professional investigation of fires and their dynamics during the second half of the 20th century. New methods and tools of fire-fighting were developed and applied. Problems of fire protection of certain objects and in cities were intensively discussed. The science on fire reached an accepted position among the applied sciences, developing towards an interdisciplinary science. It is quite difficult at current stage to quote a field of science,

Report №10 – CFS of CTIF

121

INTERSCHUTZ 2005

World fire statistics / Мировая пожарная статистика / Weltfeuerwehrstatistik

the research methods of which are not applied for solving fire protection problems.

Question: What is happening during a fire? Just imagining that in a certain room a fire breaks out. The room takes over the heat quantity released, the temperature increases, combustion products emerge (including toxic components). A part of the heat disappears into environment together with the combustion products. Another part of the heat is accumulated by combustible and non-combustible materials that exist in the room. These are materials, which form the building construction, certain technical equipment and appointments. As soon as the combustible components have heated the room up to a specific temperature, they ignite and burn. The non-combustible parts of the material and construction change their properties and mechanical stability. On certain conditions, they loose their load-bearing or room sealing characteristics. So, the fire can spread to neighbourhood rooms, the whole building or even to neighbourhood buildings.

In order to minimise the negative consequences of a fire, it is necessary to detect a fire as soon as possible, thus being able to initiate fire-fighting measures at earliest stage, to arrange the evacuation of people as well as the rescue of animals, and to recover material values and intangible assets.

The analysis of all aforementioned phenomena and processes requires the application of different methods belonging to physics, chemistry, physical chemistry, chemical physics, thermodynamics, mechanics of solid, liquid and gaseous substances, the theory on material resistance, physiology, toxicology, psychology, sociology, economy and – of course - mathematics.

The investigation of the complex processes related to the phenomenon "fire" and the description of the initiation, development and extinguishing of fires require the application of the whole scientific apparatus and the involvement of findings coming from different fields of science – we speak here about fire models.

22.5 - Формирование теоретических основ обеспечения пожарной безопасности

Поскольку всякий пожар связан с возникновением и развитием процесса горения, а его ликвидация означает целенаправленное прекращение этого процесса, то научные основы процессов горения составляют фундамент научных основ обеспечения пожарной безопасности.

Человечество издавна пыталось постичь сущность процессов горения, их природу. Однако только в середине XVIII в. удалось выяснить, что в основе их лежит процесс взаимодействия горючего вещества и окислителя, в качестве которого в этом процессе обычно участвует кислород воздуха. Так был установлен научный взгляд на горение.

Сначала наука о горении развивалась как один из разделов химии. В этот период накапливались экспериментальные данные о характере реакций окисления, о составе продуктов горения, его тепловом эффекте, распространении пламени. В дальнейшем потребности быстро развивающейся техники, в частности, техники сжигания, дали импульс в разработке особенно важной стороны горения –

скорости этого процесса.

Вконце XIX в. возникает специальный раздел химии – учение о скоростях химических превращений (кинетика). С этого момента учение о горении начало оформляться в самостоятельную научную дисциплину и получило возможность использовать мощный аппарат математического анализа (дифференциальное и интегральное исчисления)

итеорию дифференциальных уравнений (обыкновенных и с частными производными).

Вºº в. теория горения развивалась чрезвычайно интенсивно и добилась значительных успехов, которые во многом связаны с именем лауреата Нобелевской премии Н.Н. СЕМЕНОВА (1896-1986 гг.) Однако и в конце ХХ в. механизмы многих процессов горения изучены недостаточно полно.

Если теория горения как самостоятельная научная дисциплина возникла в конце XIX в., то возникновение теории обеспечения пожарной безопасности уместно отнести к середине ХХ в. Ее основу составляют разнообразные модели пожаров всех классов и типов, их возникновения, развития и ликвидации.

Fig. 22.5-3: N.N. SEMJONOW (1896-1986)

В середине 80-х годов американский ученый ЭММОНС (к сожалению, недавно ушедший из жизни) опубликовал интересную статью «Дальнейшая история науки о пожаре», в которой он предсказал, что основные научные проблемы, связанные с изучением пожаров, их

Report №10 – CFS of CTIF

122

INTERSCHUTZ 2005

World fire statistics / Мировая пожарная статистика / Weltfeuerwehrstatistik

динамикой и последствиями, будут решены только к XXIII - XXIV столетиям нашей эры. При этом аргументация ЭММОНСА выглядит достаточно убедительно. Эммонс писал:

«Мы можем представить годы с 1950 по 2000 как период, в котором были развиты основные идеи науки о пожаре, когда были идентифицированы все существенные компоненты пожара и выяснен их фундаментальный характер, была осознана необходимость основывать пожарную безопасность общества на базе создания расчетных противопожарных норм, учитывающих законы развития пожара, и были предприняты первые шаги по реализации этой задачи».

К этой статье мы еще вернемся. Пока же заметим, что, действительно, начиная со второй половины ХХ в. все больше исследователей в разных странах мира стали профессионально изучать пожары, их динамику, разрабатывать новые способы, методы и средства борьбы с пожарами, вопросы проектирования систем противопожарной защиты объектов и городов. Наука о пожарной безопасности заняла свое место среди прикладных наук, носящих междисциплинарный характер. Сегодня трудно указать научную дисциплину, методы которой не использовались бы при решении проблем пожарной безопасности.

В самом деле, предположим, что в каком-то помещении возник пожар. В помещении нарастает количество выделяющегося тепла, растет температура, появляются продукты горения, включая их токсичные компоненты. Часть тепла рассеивается в виде продуктов горения в окружающем пространстве. Другая часть аккумулируется горючими и негорючими материалами, находящимися в помещении. Из них состоят и строительные конструкции, и различные предметы, и оборудование. Нагреваясь до определенной температуры, сгораемые конструкции, предметы и оборудование воспламеняются и горят, а несгораемые материалы и конструкции изменяют свойства, теряют механическую прочность и при определенных условиях разрушаются. Пожар может распространиться в соседнее помещение, охватить все здание, переброситься на соседние здания.

Чтобы минимизировать последствия пожара необходимо как можно быстрее обнаружить его, принять меры к ликвидации пожара, обеспечить эвакуацию людей, животных, материальных и духовных ценностей.

Для того чтобы проанализировать все перечисленные явления и процессы, нужно использовать методы общей физики, химии, физической химии, химической физики, теплофизики, механики твердых тел, жидкостей

и газов, сопротивления материалов, физиологии, токсикологии, психологии, социологии, экономики и, конечно, математики.

Fig. 22.5-4 Fire vehicles of the Berlin Fire Brigade in 1910

Только с помощью комплекса этих (и других) научных дисциплин можно изучить и описать все сложнейшие явления и процессы, сопровождающие возникновение, развитие и ликвидацию пожара, т.е. построить его модель.

22.5 - Entstehung der theoretischen Grundlagen zur Gewährleistung der Brandsicherheit

Da jedes Feuer oder Brand mit der Entstehung von Verbrennungsprozessen, sowie jede Brandbekämpfung mit der gezielten Unterbrechung eben dieser Prozesse verbunden ist, müssen diese das Fundament der Gewährleistung der Brandsicherheit sein.

Die Menschheit hat seit jeher versucht, das Wesen der Verbrennungsprozesse zu erkennen. Gleichwohl gelang es erst Mitte des XVIII. Jahrhunderts zu bestimmen, dass die Grundlage der Verbrennungsprozesse in den Wechselbeziehungen zwischen brennbarem Stoff und dem Oxidationsmittel, in der Regel der Sauerstoff der Luft, zu suchen ist. So entstand der wissenschaftliche Gedankenansatz zur Erforschung des so genannten Phänomens „Feuer“.

Zuerst entwickelte sich die Wissenschaft über die Verbrennungsprozesse als ein Teilgebiet der Chemie. In dieser Zeit wurden experimentelle Daten über den Charakter der Oxidationsreaktion, den Wärmeeffekt und der Ausbreitung von Flammen gesammelt. Im Weiteren wuchs, auf Grund der sich entwickelnden Technik (insbesondere von Technologien zum Entzünden von Stoffen) der Bedarf an Wissen zu einer besonderen Seite der Verbrennungsprozesse – der Verbrennungsgeschwindigkeit.

Ende des XIX. Jahrhunderts entstand ein spezifisches Fachgebiet der Chemie – die Lehre von den Geschwindigkeiten chemischer Umwandlungsprozesse (Kinetik). Von diesem Moment an formierte sich das Wissen um die Verbrennungsprozesse als eigenständige

Report №10 – CFS of CTIF

123

INTERSCHUTZ 2005

World fire statistics / Мировая пожарная статистика / Weltfeuerwehrstatistik

wissenschaftliche Disziplin und erhielt die Möglichkeit, einen fundierten Apparat der mathematischen Analyse (Differentialund Integralrechnungen) sowie die Theorie über Differentialgleichungen (allgemeine und solche mit partiellen Ableitungen) zu nutzen.

Im XX. Jahrhundert entwickelte sich die Theorie über Verbrennungsprozesse sehr intensiv und gelangte zu wichtigen Erfolgen. Dieser wissenschaftliche Fortschritt ist sehr eng mit dem Wirken des Nobelpreisträgers N.N. SEMJONOW

(1896-1986) verbunden. Gleichwohl sind auch am Ende des XX. Jahrhunderts viele Verbrennungsmechanismen noch unzureichend erforscht. Entstand die Theorie über die Verbrennungsprozesse als eigenständige wissenschaftliche Disziplin am Ende des XIX. Jahrhunderts, so ist die Entstehung der Theorie der Gewährleistung der Brandsicherheit mit Mitte des XX. Jahrhunderts zu datieren. In ihrem Fundament liegen verschiedene Brandmodelle aller Brandklassen und Brandtypen, die der Brandentstehung, Brandentwicklung und der Brandbekämpfung.

Mitte der 80er Jahre des XX. Jahrhunderts veröffentlichte der amerikanische Wissenschaftler EMMONS (1912-1998) den interessanten Beitrag

„Die Zukunft der Wissenschaft über das Feuer“, in dem er vorhersagte, dass die wesentlichen mit der Erforschung des „Feuers“ verbundenen wissenschaftlichen Probleme, ihre Dynamik und Folgen erst im XXIII./XXIV. Jahrhundert gelöst werden. Dabei ist die Argumentation EMMONS hinreichend überzeugend:

Er schrieb: „Wir können uns die Jahre 1950 bis 2000 als Periode vorstellen, in der die grundlegenden Ideen der Brandwissenschaft begründet wurden, als Zeit, in der alle existierenden Brandkomponenten identifiziert und ihr fundamentale Charakter erkannt wurden; es verbreitete sich die Erkenntnis, die Brandsicherheit der Gesellschaft auf der Basis ingenieurtechnisch berechneter Normen, welche die Gesetze der Brandentwicklung berücksichtigen, zu gründen; es wurden erste Schritte zur Realisierung dieser Aufgabe unternommen.“

Zu diesem Beitrag kehren wir später noch einmal zurück. Halten wir an dieser Stelle fest, dass in der zweiten Hälfte des XX. Jahrhunderts in verschiedenen Staaten professionell damit begonnen wurde, die Brände und deren Dynamik zu erforschen. Neue Methoden und Mittel für die Brandbekämpfung wurden ausgearbeitet. Man begann, sich intensiv mit den Fragen des Brandschutzes in Objekten und Städten auseinanderzusetzen. Die Wissenschaft über die Brände nahm unter allen angewandten Wissenschaftsdisziplinen ihren festen Platz ein. Sie wurde zu einer interdisziplinären Wissenschaft. Heute fällt es schwer einen Wissenschaftsbereich zu nennen, dessen Forschungsmethoden nicht bei der Lösung von Brandschutzproblemen zur Anwendung kämen.

Fig. 22.5-5: H.W. EMMONS (1912-1998)

Was geschieht nun bei einem Brand? Stellen wir uns vor, in einem beliebigen Raum bricht ein Brand aus. Im Raum nimmt die Menge der freigesetzten Wärme zu; die Temperatur steigt; es entstehen Verbrennungsprodukte, einschließlich ihrer toxischen Komponenten. Ein Teil der Wärme entweicht dem Raum über die Verbrennungsprodukte in die Umwelt. Ein anderer Teil der Wärme wird von den brennbaren und nicht brennbaren Materialien im Raum akkumuliert. Aus diesen Materialien bestehen die Baukonstruktion, verschiedene technische Ausrüstungen und Einrichtungsgegenstände. Haben sich die brennbaren Bestandteile des Raumes auf eine spezifische Temperatur erwärmt, so entzünden sie sich und verbrennen. Die nicht brennbaren Teile der Materialien und Konstruktionen verändern ihre Eigenschaften und mechanische Stabilität. Sie verlieren unter bestimmten Bedingungen ihre tragenden bzw. raumabschließenden Eigenschaften. Der Brand kann sich auf benachbarte Räume, das gesamte Bauwerk und sogar auf benachbarte Gebäude ausbreiten.

Um die Folgen eines Brandes zu minimieren ist erforderlich, den Brand so frühzeitig als möglich zu entdecken, um rechtzeitig Maßnahmen zur Brandbekämpfung zu ergreifen, die Evakuierung der Menschen sowie der Rettung von Tieren, materiellen und geistigen Werten sicherzustellen.

Um alle oben aufgeführten Erscheinungen und Prozesse zu analysieren, müssen die Methoden der Physik, der Chemie, der physikalischen Chemie, der chemischen Physik, der Wärmelehre, die Mechanik fester, flüssiger und gasförmiger Stoffe, die Materialwiderstandslehre, die Physiologie, die Toxikologie, die Psychologie, die

Report №10 – CFS of CTIF

124

INTERSCHUTZ 2005

World fire statistics / Мировая пожарная статистика / Weltfeuerwehrstatistik

Soziologie, die ¶konomie und natürlich die Mathematik angewandt werden.

Nur unter Einbeziehung dieses gesamten wissenschaftlichen Apparates und den Erkenntnissen weiterer Disziplinen ist es möglich, die komplexen Erscheinungen und Prozesse des so genannten Phänomens „Feuer“ zu erforschen sowie die Entstehung, Entwicklung und das Löschen von Bränden zu beschreiben, d.h. es geht um die Fragen der Brandmodelle.

22.6 - Fire modelling

In order to ensure a realistic assessment of and an efficient dealing with the real fire risks (ensuring fire safety) in different objects of the national economy (buildings, technical constructions etc.), it is necessary to investigate the conformities with physical laws that belong to fires of all classes and types as detailed and profound as possible, taking the current scientific understanding of the phenomenon “fire” as a basis.

Primarily, it is necessary to mathematically describe the motions of heat and gas flows during a fire in a certain object. For elaborating relevant models, mainly the equations by NOVIER-STOKES - differential equations describing motions of viscous liquids or gases - are applied. These equations are the mathematical term describing the physical law of conservation of momentum and mass. For analysing flows under pressure (gases, liquids), certain constitutive equations that describe the interrelation between pressure, density and temperature have to be incorporated. The model shall be completed by an equation describing the energy budget of a burning object.

These equations were deducted for the first time by the French scientist NOVIER (1785-1836) in 1822, later on also by the French POISSON (17811840) and the English scientist STOKES (18191903). However, up to now - about 150 years later - there is no strong mathematical conclusion appropriate to solve the boundary conditions of the relevant processes (particularly regarding the hydro-mechanics of the equation for gases under pressure).

The mathematical theory may provide certain conclusions describing the dynamics of viscous non-compressed liquids. The existing mathematical formula system uses approximate values and calculations on the basis of simplified models.

A number of sufficiently effective ITalgorithms were elaborated in order to solve certain classes of problems related to the dynamics of viscous liquids or of gases, based on difference schemes. But, these respective algorithms were broadly applied only form the years1960-70 on – due to a lack of an appropriate computer technology.

The active construction of fire models started just at that time, first applying a two-

dimensional, later a three-dimensional scheme. Nowadays, “four-dimensional” models are discussed (see the models by MINKOVSKY (18641909) in a spatiotemporal continuum). These models are based on the aforementioned equation systems applied in the mechanics of media deformation:

rheological law by STOKES,

physical law of heat conduction by FOURIER,

diffusion laws,

physical laws of heat radiation in gases,

etc.

However, such a fire model (as a system of differential equations in form of partial derivatives) has some significant disadvantages:

It is too voluminous, as the calculation of a fire scenario, even if modern IT-technology is used, necessitates an enormous expenditure of time;

A multitude of versions has to be calculated, in order to reach reliable results;

There is a categorical dependency of the calculation results on the characteristics of the selected seat of fire (fire ground);

There is a categorical dependency on the

selected versions of fire spread in the burning object.

Another problem of applying differential models (field models) is the still insufficient analysis of turbulences (uncontrollable and unforeseeable massive motions of gases in space), while their consideration is a necessity.

Notwithstanding these difficulties, several efficient computer-based field models were jointly developed by scientists in different countries over the last 15 years:

SOFIE

JASMINE

PHOENICS

and others.

In Eastern Europe, the Soviet Union almost exclusively dealt with the problem of elaborating field models for fire modelling (since the 70ies):

KOSHMAROV Y.A., MOLSHTADSKIY I.C.;

RIGOV A.M., ATABEKOV I.U.;

MACHVILADZE G.M., ASTACHOVA I.F., SNEGIREV A.Y.

These systems laid down the basis for initiating and analysing fire scenarios of different types and kinds. Generally speaking, we are now only at the very beginning of a complex and longlasting process of establishing adequate mathematical field models, to be used for computerised simulation in objects of different types and for their efficient application in practice (including application outside of a research centre). In comparison with other mathematical fire models, field models in principle allow collecting sufficiently complete and precise information regarding a fire process; however, such information is not necessarily required for all fire protection

Report №10 – CFS of CTIF

125

INTERSCHUTZ 2005

World fire statistics / Мировая пожарная статистика / Weltfeuerwehrstatistik

applications. Their application bears unjustifiable efforts in comparison to the benefits.

That's why other (often more simple) mathematical fire models are applied in many cases. These are primarily the so-called integral models (zonal models). These models describe the changes of the averaged (related to volume) parameters of gas systems in a burning object (density, pressure, concentration of diverse media, temperature) in case of a room fire.

Fig. 22.6-1: JOSEPH FOURIER (1768-1830)

The determination of the arithmetic means of these parameters is reached theoretically through application of mean averages and practically through simplified arithmetical algorithms. Further, the so-called „fire equations“ are deducted on the basis of the physical law of conservation of mass und the First law of thermodynamics:

material balance,

oxygen balance,

balance of combustion products,

balance of inert gases,

energy balance.

Than

the averaged constitutive equation of media of burning (substances that exist in the burning object),

the averaged room temperature caused (respectively intended to be reached) by these media, and

the medium density and pressure component are added to it.

Finally, fixed starting conditions (the averaged parameters regarding the burning object prior to fire outbreak) are added to the fire scenario.

The totality of all afore-mentioned relative

equations, the majority of which are differential equations of 1st order, constitutes the basis for the mathematical description of a room fire on the level of averaged thermodynamic constitutive parameters

of the medium of burning. Even these interrelations are referred to as integral fire models. Such models were described for the first time towards the end of the 70ies of the last century.

The analytical solution of such a system of differential equations for describing fires in a closed room may apply to some specific cases only. Generally speaking, such a system is compiled in form of mathematical algorithms und afterwards translated into computer code. The so-called „RUNGE-KUTTA-method (KUTTA M.V. - 18671944, RUNGE K.D.T - 1856-1927) can serve as an example here.

For analysing a fire within a burning object by means of mathematical models, it seems to be efficient in many cases to divide the object into several zones, which means, that the burning objects are artificially divided into partitions. For each zone, an own integral fire model is developed. The totality of models constitutes the zonal models of a room fire.

Zonal models are for instance applied to analyse the cumulative processes of hazardous fire factors within rooms or to calculate the critical fire duration within a fire scenario.

The following list provides an overview of zonal models, as developed in Western industrial countries:

ASET, CFAST, COMPBURN, COMPF2, FAST, FIRST (HARVARD V) – all U.S.;

BRI2 (Japan);

CFIRE-X (Germany/Norway);

CiFi, FISBA, MAGIC (France);

DSLAYV, Sfire (Sweden);

NRCC 1 und 2 (Canada);

RADISM (Norway).

In the Soviet Union, the first zonal models were developed during the 70ies:

single-zonal models (KOSHMAROV Y. A., MOLSHTADSKIY I. C., ZOTOV S. V., V. N.

GUTOV);

multi-zonal models (KOSHMAROY Y. A., VOLYANIN E. (Poland)).

So far, the description given was

concentrated here to the problem of fire modelling within rooms, illustrating only the analytically determined models. The attention focused on the impossibility to get precise and definite solutions and on the necessity of applying different numerical methods of modern mathematics (but also of applying computer technologies). One might get the impression that the basic problems of fire modelling are already solved.

In practice, the problems seem to be much more complicated than described so far. This belongs both to the modelling of fires in closed rooms and to the fire models outside of buildings. Examples are:

-area fires,

-fire in liquid tanks,

-fires in mines,

-fires in tunnels,

Report №10 – CFS of CTIF

126

INTERSCHUTZ 2005

World fire statistics / Мировая пожарная статистика / Weltfeuerwehrstatistik

-fires of gas and oil fountains,

-fires in transport means (trains, aircrafts, ships, etc.),

-prairie and forest fires.

Fig. 22.6-2: GEORGE GABRIEL STOKES (1819-1903)

From mid of the 20th century on, the elaboration of fire models was in the focus of investigations in a lot of special areas of fire protection. Let us provide here a rough overview of the work done in the Soviet Union:

modelling of passenger flows since 1940

(BELYAEV S.V., PREDTETSHENSKIY V.M., MILINSKIY A.I., CHOLTSCHEVNIKOV V.V.,

GELEYEV G.A., NIKONOV S.A.);

models of forest fires since 1970 (VALENDIK E.N., GRISHIN A.M., GRUZIN A.D., VOROBYEV O.J., ZVEREYEV V. G.);

modelling of fires in underground trains (ILIN V.V., BELJAVSKIY V.P.);

modelling of large fires (KOPYLOV N.P., RYSHOV A. M., CHAZANOV I.P.);

modelling of fires at industrial sites (SHEBEKO J.N., KOROLTSHENKO A.J., VOGMAN L.P.);

modelling of fire-fighting in cities

(BRUSHLINSKIY N.N.).

We return here to room fires again. The

most important fire parameter of a room fire is the so-called specific quantity of heat of a fire per time unit. For its estimation, the following conditions must be already known or shall be defined:

the type of fire load (physical-chemical properties, quantity proportions),

special features of any kind in construction and architecture of the burning object,

possible fire conditions and scenarios of fire development in the burning object (degree of demolition paned areas and room-partitioning

constructions),

The character of heat and mass exchange in the burning object during a fire depends on these

conditions, as well as the consequences of fire and conditions of fire-fighting do.

Obviously, the majority of the factors and parameters listed here cannot be illustrated within one single scenario. In principle, a broad diversity of figures in a variety of different combinations is necessary. Further, the approach must be completed by a probability-oriented estimation of the reliability and efficiency of automatic fire-alarm systems and fire-fighting installations and by the required conditions for the evacuation of persons. Only then, certain conclusions can be made illustrating the fact that each real fire can and shall be looked upon as a complex and random process (according to probability). This process is characterised by certain indeterminacy. To our mind, the theory on the fire resistance of buildings, building materials and constructions shall be analysed based on stochastics. Consequently, besides the analytically determined fire models of different classes and types that already exist, several types of analytical probably-oriented fire models have to be developed.

However, considering the limited capacities all analytical models have (in view of the current status of the mathematics as a science), the elaboration of complex simulation fire models can show the way out of the appearing crisis in fire model development. A real imitation model, that means a substantial simulation model, consists of the entirety of computer programmes that display all respective algorithms and procedures describing the properties and the dynamics of the respective processes. The application of imitation models supports a rapid development of mathematics and computer technology and vice versa.

Let us return to the article written by EMMONS again. According to EMMONS, the progress in the development of the fire science during the 21st century can be predicted as follows:

the creation and broad application of noncombustible materials on a mineral basis (up to 2025),

the development of a new generation of optic

computers, leading to a fundamental revision of all theoretical concepts in fire sciences (2030 to 2080).

At the beginning of the 22nd century, by vision of EMMONS , new ideas, mathematical methods and high-performance computers do finally open the way to a complete understanding of the problem of turbulent flows in gases and liquids, which definitely solves all questions related to fire dynamics. Lastly, the author made the prediction for the 23rd century that the fundamental findings made in the field of quantum chemistry initiate the final stage of fire science development: first adequate physical-chemical fire models are elaborated. According to EMMONS this marks

„... the ultimate triumph of the human society over the fire problem“. The authors of the present article would like to add the following: These estimated

Report №10 – CFS of CTIF

127

INTERSCHUTZ 2005

World fire statistics / Мировая пожарная статистика / Weltfeuerwehrstatistik

results will probably be limited to the theoreticalscientific aspects of the problem.

However, there is no doubt about, that the research and analysis of many fires of the 21st century will already be successfully executed applying existing fire models and thus will allow new insights (as for instance the idea of a flexible scaling.

22.6 - Моделирование пожаров

Чтобы реально оценить пожарные риски на том или ином объекте защиты и эффективно управлять ими для обеспечения пожарной безопасности объекта, необходимо с позиций современных научных представлений как можно глубже и детальнее познать закономерности развития пожаров всех классов

итипов. Именно для этого и нужны модели пожаров.

Сущность всех модельных представлений о развитии пожаров в объектах различного назначения и разной природы заключается в том, чтобы знать в любой момент времени и в каждой точке данного объекта значения всех величин, характеризующих пожар (температуру, давление и концентрации газов и дыма, скорости газовых потоков и т.д.). Иными словами, нужно знать поля всех этих величин в любой момент времени. Эта информация необходима для решения вопросов о проектировании объектов, требуемой огнестойкости их конструкций, размещения и устройства различных датчиков, об устройстве автоматических систем пожаротушения, систем дымоудаления, о путях эвакуации людей, о дислокации пожарных подразделений и многих других, связанных с предупреждением пожаров

иэффективной борьбой с ними в тех или иных объектах.

Следовательно, необходимо прежде всего научиться математически описывать движение тепловых и газовых потоков в помещениях и сооружениях различного назначения в условиях пожара. Для построения таких моделей пожара чаще всего используют уравнения НАВЬЕ-СТОКСА, т.е. дифференциальные уравнения движения вязкой жидкости или газа, представляющие математическое выражение законов сохранения импульса и массы. Для исследования сжимаемых течений к этим уравнениям необходимо добавить уравнение состояния, связывающее между собой давление, плотность

итемпературу, и уравнение энергии.

Впервые эти уравнения вывел в 1822 г. французский ученый АНРИ НАВЬЕ (несколько позже это сделал француз С.Д. ПУАССОН, затем англичанин Д.Г. СТОКС). Однако до настоящего времени, спустя более чем полтора столетия, строгий математический анализ разрешимости краевых задач гидроаэромеханики для уравнений НАВЬЕ-СТОКСА сжимаемого газа

отсутствует (имеются некоторые результаты в математической теории динамики вязкой несжимаемой жидкости). Существуют приближенные решения, основанные на упрощающих предположениях.

Fig. 22.6-3: SIMEON-DENIS POISSON (1781-1840)

Для решения некоторых классов задач динамики вязких жидкостей и газов были разработаны достаточно эффективные вычислительные алгоритмы, основанные на использовании разностных схем. Однако их широкое использование сдерживалось отсутствием соответствующей вычислительной техники, которая появилась только в 60-70–х годах ºº столетия.

Именно в это время и началось активное конструирование моделей пожара, сначала в двумерной, затем в трехмерной постановке (можно говорить также о четырехмерном пространстве Минковского «пространство-время»). Эти модели основаны на упоминавшихся уже уравнениях механики сплошной среды, включающих в себя реологический закон СТОКСА, закон теплопроводности ФУРЬЕ, законы диффузии, законы радиационного переноса в газовой среде и т.п. Однако, эта модель пожара – система дифференциальных уравнений в частных производных, описывающих изменения во времени плотности, температуры и состава газовой среды в каждой точке пространства внутри исследуемого объекта, - достаточно громоздка и ее численное решение даже с помощью современных высокопроизводительных ЭВМ связано с большими трудностями (большое время вычислений для каждого варианта расчетов, принципиальная зависимость результатов от характеристик очага горения и выбранных вариантов развития пожара на объекте защиты).

Report №10 – CFS of CTIF

128

INTERSCHUTZ 2005

World fire statistics / Мировая пожарная статистика / Weltfeuerwehrstatistik

Fig. 22.6-4: Example of a result of a 2D-fire- modeling using the field model SOPHIE - temperature fields at the burning of methanol in a room

Рис. 22.6-4: Пример результата 2Dмоделирования пожарав с помощью полевой моделью SOPHIE - поля температур при горении метанола в помещении

Bild 22.6-4: Beispiel für Ergebnis einer 2DBrandmodellierung mit dem Feldmodell SOPHIE –

Temperaturfelder bei der Verbrennung von Methanol in einem Raum

Существуют и другие проблемы, ограничивающие пока возможности практического использования дифференциальных (полевых) моделей (например, недостаточная изученность явления турбулентности, которую необходимо учитывать в этих моделях).

Тем не менее, за последние полтора десятилетия объединенными усилиями специалистов ряда стран (Великобритании, США, Японии и др.) созданы мощные вычислительные комплексы «Sofie», «Jasmine», «Phoenics» и др., которые позволяют реализовывать и исследовать разнообразные модели пожаров. Но пока мы находимся в самом начале этого сложного и длительного процесса: создания адекватных математических полевых моделей пожара для различных объектов и их эффективного использования на практике.

ºотя полевые модели пожара в принципе позволяют получить наиболее полную и точную информацию об исследуемом процессе по сравнению с любыми другими математическими моделями пожара, однако не для всех прикладных пожарно-технических задач необходима такая детальная информация. Поэтому во многих случаях на практике успешно используются и другие, более простые математические модели пожара, среди которых прежде всего нужно отметить так называемые интегральные модели.

Эти модели описывают изменение среднеобъемных параметров состояния газовой среды (плотности, давления, концентрации различных компонентов среды, температуры) во времени при пожаре в помещении.

µсреднение всех этих параметров теоретически осуществляется с помощью интегральной теоремы о среднем, на практике – упрощенным расчетным путем. Далее, на основе закона сохранения массы и первого закона термодинамики составляются так называемые уравнения пожара: уравнение материального баланса, уравнение кислородного баланса, уравнение баланса продуктов горения, уравнение баланса инертного газа и уравнение энергии пожара. К этим уравнениям добавляется усредненное уравнение состояния среды, находящейся в помещении при пожаре, которое связывает среднеобъемную температуру со среднеобъемными давлением и плотностью. Наконец, задаются начальные условия, характеризующие значения среднеобъемных параметров состояния среды в помещении перед пожаром.

Совокупность всех этих соотношений (большая часть которых представляет собой обыкновенные дифференциальные уравнения первого порядка) обеспечивает математическое описание пожара в помещении на уровне усредненных термодинамических параметров состояния среды. Именно эти соотношения и называют интегральной моделью пожара в помещении. Они были получены в конце 70-х годов.

Аналитическое решение системы дифференциальных уравнений, описывающих развитие пожара в помещении, может быть получено (как это бывает практически всегда) только для некоторых частных случаев. В общем же случае эта система решается численными методами с помощью ЭВМ (например, методом РУНГЕ-КУТТА).

Во многих случаях при исследовании пожара в помещении целесообразно выделить в этом помещении несколько зон, для каждой из которых составить свою интегральную модель пожара. Совокупность таких моделей называют зонными моделями пожара в помещении.

Интегральная модель пожара используется, например, для исследования процессов нарастания опасных факторов пожара в помещениях и расчета критической продолжительности пожара.

До сих пор мы в самом общем виде рассматривали вопросы моделирования пожаров в помещении. При этом говорили только об аналитических детерминированных моделях, часто обращая внимание читателя на невозможность получения их точного решения и необходимость использования разнообразных численных методов современной вычислительной математики, требующих для их

Report №10 – CFS of CTIF

129

INTERSCHUTZ 2005