Моделирование пожаров на складах лесоматериалов

Пожары, возникающие на предприятиях деревообработки, приносят значительный материальный ущерб, нередко они переходят на окружающую жилую застройку. Наиболее опасны пожары на открытых складах лесоматериалов. В этом случае они имеют классический вид массового пожара. Для таких пожаров характерны: разброс искр и головней в радиусе до 300 м, а при штормовой скорости ветра – в радиусе более 1км, большая скорость распространения пламени по штабелям.

В нашей стране проблемой тушения пожаров на складах лесоматериалов начали заниматься еще в 40–50 годы прошлого века. В эти годы изучение пожаров происходило в основном экспериментально на натуральных объектах. Древесина укладывалась в штабеля высотой до 6 м.

Установлено, что скорость распространения огня по штабелям зависит от многих факторов, в первую очередь, от вида и способа укладки древесины, ее влажности, направления ветра.

Проводимые опыты были чрезвычайно трудоемкими, поэтому их количество было ограничено, а полученные результаты практически не воспроизводимы.

Учитывая это обстоятельство, была предпринята попытка изучить процессы горения штабелей на моделях. Одним из первых во ВНИИПО такие исследования провел П.П. Девлишев.

При изучении горения штабелей на моделях автор попытался установить влияние геометрических размеров штабелей и отдельных элементов (брусков, досок), плотности распределения горючего в объеме на физические параметры горения: длительность, скорость распространения огня, скорость выгорания древесины, размеры факела пламени и др. Хотя в результате проделанной работы и не удалось получить критериальных уравнений, тем не менее, были установлены некоторые важные закономерности горения штабелей.

По экспериментальным данным, полученным П.П. Девлишевым, Н.А.Иванов, с использованием метода анализа размерностей получил эмпирические зависимости для скорости распространения фронта пламени по штабелям:

- при отсутствии ветра , м/с:

; (6.2)

- при ветре , м/с:

; (6.3)

где - скорость выгорания древесины, кг/(м² ×с);

- плотность укладки древесины, кг/м³;

- влагосодержание древесины;

- величина поверхности древесины в единице объема штабеля;

- высота штабеля, м;

- длина фронта пламени, м;

- скорость ветра, м/с.

Эти зависимости непригодны для расчета скорости распространения фронта пламени по территории лесосклада при наличии противопожарных разрывов.

С конца 70-х годов ХХ в. во ВНИИПО начали развиваться методы математического моделирования развития пожара на складах лесоматериалов.

В моделях распространения пожара теплоизлучением принимается следующая схема лучистого теплообмена: излучающая поверхность (как правило, плоскость) – одна из боковых граней штабеля.

Эта поверхность увеличивается на высоту факела пламени, формирующегося над штабелем; в зависимости от ориентации облучаемой и излучающей поверхностей по известным соотношениям рассчитываются коэффициенты теплообмена; степень черноты пламени разными авторами принимается от 0,6 до 1,0; температура факела варьируется в пределах от 900 до 1200 ^оС; за критерий воспламенения принимается либо соответствующее значение падающего теплового потока и время его действия, либо достижение на поверхности древесины температуры ее воспламенения.

Как показали эксперименты, при моделировании распространения пожара теплоизлучением важно учитывать влияние ветра на положение факела в пространстве. Под действием ветра факел отклоняется от вертикального положения над крышей штабеля, и тепловой поток с подветренной стороны от очага пожара увеличивается.

На рисунке 6.2 приведен график изменения скорости распространения пожара в зависимости от скорости ветра и направления движения фронта огня. Аналогичные зависимости были получены для определения периметра и площади пожара. Представленные фрагменты математической модели дают возможность учесть факторы, влияющие на процесс развития пожара.

Рисунок 6.2 – Скорость распространения фронта пламени для склада круглого леса: 1 - 1 м·с ^–1 ; 2 - 4 м·с ^–1; 3 - 7 м·с ^–1; 4 - 10 м·с ^–1; 5 - 13 м·с ^–1; 6 – 16 м·с ^–1 ; 7- 19 м·с ^–1

При расчете тепловых потоков факел пламени разбивается на две плоские прямоугольные излучающие системы:

- - боковая поверхность штабеля;

- - факел над крышей штабеля, наклоненный ветром на угол .

Таким образом, были установлены зависимости величин потоков не только от характеристик горящей древесины, но и от параметров атмосферы.

Угол наклона конвективной колонки вычисляют по формуле:

, (6.4)

где - вертикальная координата оси конвективной колонки, формирующейся над горячими штабелями, м.

Вертикальная координата оси конвективной колонки вычисляют по формуле:

, (6.5)

где - параметр плавучести;

- горизонтальная координата оси конвективной колонки, м.

Параметр плавучести вычисляют по формуле:

, (6.6)

где - низшая теплота сгорания древесины, Дж/кг;

- скорость выгорания древесины, кг/(м² ×с);

- площадь пожара, м²;

- температура воздуха, ˚С;

- скорость ветра, м/с.

Моделирование взрывов

Использование пожаровзрывоопасных материалов в различных сферах жизнедеятельности людей неизбежно. Предусмотренное регламентом наличие горючей смеси в технологическом оборудовании, аварийные утечки или выбросы веществ в помещения с последующими пожарами и взрывами могут привести к значительному материальному ущербу, травмированию и гибели людей.

Проблема защиты от взрывов напрямую связана с проблемой противопожарной защиты. Зачастую пожары сопровождаются взрывами или инициируются ими. Моделирование динамики взрыва необходимо для прогнозирования развития аварийной ситуации и предотвращения ее катастрофических последствий. Ежегодно в Европе происходит около 2000 взрывов. Происходят взрывы на объектах различного назначения. Так в 1979 году на атомной станции Three Mile Island (США) произошел взрыв практически гомогенной 8% водородо - воздушной смеси. К счастью, достаточно высокое избыточное давление этого взрыва (186 кПа) оказалось ниже прочности бетонного корпуса станции.

В 1987 году произошел взрыв на фабрике в Харбине (Китай), погибло 58 и ранено 177 человек. В 1988 году в Великобритании произошла крупнейшая за 50 лет катастрофа на нефтедобывающей платформе Piper Alpha: взрыв и пожар унесли 167 жизней.

Взрывы углеводородо – воздушных смесей изучались интенсивно в конце ХХ века. В результате фундаментальных исследований существенно улучшено понимание физики явления и получены корреляции для инженерного подхода к расчету параметров систем защиты от взрывов. Причем указанные модели должны быть достаточно точными и в тоже время простыми, допускающими их использование, как в инженерных расчетах, так и при численном анализе последовательности развития аварийных событий. Далеко не все описанные в научной литературе математические модели протекания физических явлений отвечают этим условиям.

Так, при взрыве паровоздушного облака избыточное давление в ударной волне , кПа рассчитывается по формуле:

, (6.7)

где – атмосферное давление, кПа ,( =101 кПа);

– приведенная масса пара, кг;

– расстояние от эпицентра взрыва, м.

Приведенная масса пара , кг вычисляется по формуле:

, (6.8)

где - масса паров ЛВЖ, поступивших в результате аварии в окружающее пространство, кг;

- коэффициент участия пара во взрыве, значение которого допускается принимать равным 0,1;

- удельная теплота сгорания ЛВЖ, Дж/кг;

- константа, равная 4,52·10 ⁶ Дж/кг.

6.4 Контрольные вопросы

6.4.1 Что называется моделью?

6.4.2. Что является предметом теории подобия?

6.4.3 Модель, используемая при испытаниях строительных конструкций на огнестойкость.

6.4.4. Что понимается под полевыми (дифференциальными) моделями?

6.4.5. Основные проблемы, ограничивающие использование полевых моделей.

6.4.6. От каких факторов зависит скорость распространения огня по штабелям?

6.4.7. Как определяется давление в ударной волне при взрыве паровоздушного облака?