وزارة الاتحاد الروسي للدفاع المدني وحالات الطوارئ والإغاثة من الكوارث

الفيدرالية وكالة حكوميةمعهد أبحاث "وسام عموم روسيا" الدفاع عن الحرائق"

تطبيق الطريقة الميدانية للنمذجة الرياضية للحريق في المباني

تم تقديم وصف المعادلات الأساسية طريقة المجالنمذجة الحرائق ، والمعروفة في الأدبيات الأجنبية تحت اسم CFD (ديناميات الموائع الحسابية). يشار إلى النطاق الموصى به للطريقة. تم تحديد الإجراء الخاص بإجراء تقييم محسوب لخطر الحريق كائنات محددة.

التوصيات مخصصة للعاملين الهندسيين والفنيين في خدمة الإطفاء الحكومية والمعلمين وطلاب الإطفاء والتقنيين المؤسسات التعليميةوموظفي البحث والتصميم ، منظمات البناءوالمؤسسات.

تم تطوير التوصيات من قبل موظفي مؤسسة الدولة الفيدرالية VNIIPO EMERCOM في روسيا ، دكتوراه. تقنية. العلوم A.M. Ryzhov ، دكتور تك. العلوم I.R. خسانوف ، دكتوراه. تقنية. العلوم A.V. كاربوف ، أ.ف. فولكوف ، في. Litskevich ، دكتوراه. تقنية. العلوم A.A. ديكتيريف.

قائمة الرموز

منم من 1 , من 2 - الثوابت في نموذج الاضطراب ؛

مع R.- سعة حرارة متساوية الكتلة النوعية ، J / (كجم × ك) ؛

F- وظيفة الخلط ؛

جيك- توليد اضطراب بسبب الحمل الحراري القسري ، باسكال / ثانية ؛

جيب- توليد اضطراب بسبب الحمل الحراري الطبيعي ، باسكال / ثانية ؛

ز- تسارع السقوط الحر ، م / ث 2 ؛

حك- حرارة التكوين ك- المكون الثالث للخليط ، J / كجم ؛

المحتوى الحراري الشامل للخليط ، J / كجم ؛

ك- الطاقة الحركية للنبضات المضطربة ، م 2 / ث 2 ؛

م- الكتلة ، كجم ؛

ص- الضغط الديناميكي ، باسكال ؛

ص- انخفاض ثابت الغاز ، J / (كجم × كلفن) ؛

س- النسبة المتكافئة ؛

سФ - مصطلح المصدر ؛

ر- الوقت ، ق ؛

تي- درجة الحرارة (المطلقة) الديناميكية الحرارية ، K ؛

ش, الخامس, ث- إسقاطات متجه السرعة ، على التوالي ، على المحور X, في, ضفي الديكارتي و X, ص، ي في إحداثيات أسطوانية ، م / ث ؛

نعم ك- تركيز الكتلة ك- المكون الثالث للخليط ، كجم / كجم ؛

ب - معامل التمدد الحجمي ، 1 / ​​ك ؛

Г Ф - معامل التحويل ؛

ه هو معدل تبديد الطاقة الحركية للاضطراب ، م 2 / ث 3 ؛

F - متغير معمم ؛

ل - معامل التوصيل الحراري ، W / (م × ك) ؛

م - اللزوجة الديناميكية الصفحية ، Pa × s ؛

م ر- اللزوجة الديناميكية المضطربة ، Pa × s ؛

م إف- لزوجة ديناميكية فعالة ، Pa × s ؛

الخامس- اللزوجة الحركية ، م 2 / ث ؛

ص - الكثافة ، كجم / م 3 ؛

س ك، s e - نظائرها لمعيار برانتل لمعادلات الطاقة الحركية للتقلبات المضطربة ومعدل تبديدها ؛

ج صهي نسبة الحرارة المفقودة بسبب الإشعاع.

المقدمة

في السنوات الاخيرةفي العديد من دول العالم (إنجلترا ، الولايات المتحدة الأمريكية ، اليابان ، أستراليا ، إلخ.) كان هناك انتقال إلى نظام ترشيد مرن (موجه للكائنات) ، والذي يتيح الطريقة المثلى لضمان السلامة من الحرائق لأي كائن ، مع مراعاة خصائصه الفردية ، على عكس التقنين "الصعب" ، الذي ينص على الامتثال لأحكام معينة لأي كائن ينتمي إلى هذه الفئة.

في عدد من المعايير المحلية ، يتم أيضًا تنفيذ عناصر التنظيم المرن ، على سبيل المثال ، في GOST 12.1.004-91 * و SNiP 21-01-97 *.

في هذا الصدد ، يتزايد دور أساليب النمذجة الرياضية ، كما أن قضايا التحقق من النماذج وصلاحية تطبيقها لتقييم مخاطر الحريق وتطوير الأنظمة لها أهمية خاصة. الحماية من الحرائقكائنات محددة.

يمكن التمييز بين ثلاثة أنواع من النماذج الحتمية وفقًا لدرجة التفاصيل في وصف المعلمات الديناميكية الحرارية للحريق: التكامل ، والمنطقي (النطاقي) والميداني.

الطريقة المتكاملة (منطقة واحدة) هي الأبسط بين الأساليب الحاليةمحاكاة النار. يكمن جوهر الطريقة المتكاملة في حقيقة أن حالة وسيط الغاز يتم تقديرها من خلال المعلمات الديناميكية الحرارية التي يتم حساب متوسطها على كامل حجم الغرفة. وفقًا لذلك ، يتم تقدير درجة حرارة الهياكل المحيطة والمعلمات المماثلة الأخرى على أنها متوسط ​​فوق السطح. على أساس الأسلوب المتكامل ، تم وضع التوصيات ، على وجه الخصوص.

ومع ذلك ، إذا كان وسط الغاز يتميز بعدم تجانس كبير ، فقد يكون محتوى المعلومات الخاص بالطريقة المتكاملة غير كافٍ لحل المشكلات العملية. يحدث هذا الموقف عادة في المرحلة الأوليةأثناء الحرائق وأثناء الحرائق المحلية ، عندما يتم ملاحظة تيارات نفاثة ذات حدود محددة بوضوح في الغرفة ، بالإضافة إلى ذلك ، هناك تقسيم طبقي واضح إلى حد ما (التقسيم الطبقي) للوسط.

وبالتالي ، فإن مجال تطبيق الطريقة المتكاملة ، حيث يمكن تفسير معلمات الحريق التي تنبأ بها النموذج على أنها حقيقية ، تقتصر عمليًا على الحرائق الحجمية ، عندما تكون القيم المحلية بسبب الاختلاط المكثف للوسط الغازي من المعلمات في أي نقطة قريبة من متوسط ​​الحجم. إن نمذجة الحرائق التي لم تصل إلى مرحلة الاحتراق الحجمي ، وخاصة نمذجة العمليات التي تحدد مخاطر الحريق في حريق محلي ، تتجاوز قدرات الطريقة المتكاملة. أخيرًا ، في عدد من الحالات ، حتى مع وجود حريق حجمي ، لا يمكن إهمال توزيع قيم المعلمات المحلية.

يمكن وصف تطور الحريق بمزيد من التفصيل باستخدام نماذج المنطقة (المنطقة) بناءً على افتراض تكوين طبقتين في الغرفة: الطبقة العليا من منتجات الاحتراق (منطقة الدخان) والطبقة السفلية من الهواء غير المضطرب (الحر) منطقة). وبالتالي ، يتم تقدير حالة الوسيط الغازي في نماذج المناطق من خلال المعلمات الديناميكية الحرارية المتوسطة لمناطق واحدة ، ولكن عدة مناطق ، وعادة ما تُعتبر حدود المناطق البينية متحركة.

ومع ذلك ، عند إنشاء نماذج المنطقة ، من الضروري إجراء عدد كبير من التبسيط والافتراضات بناءً على افتراضات مسبقة حول بنية التدفق. هذه التقنية غير قابلة للتطبيق في الحالات التي لا توجد فيها معلومات حول هذا الهيكل تم الحصول عليها من تجارب الحريق ، وبالتالي ، لا يوجد أساس لنمذجة المنطقة. بالإضافة إلى ذلك ، غالبًا ما تكون هناك حاجة إلى مزيد من المعلومات التفصيلية حول الحريق من قيم المعلمات التي تم حساب متوسطها على الطبقة (المنطقة).

النماذج الميدانية ، المختصرة في الأدبيات الأجنبية على أنها CFD (ديناميات السوائل الحسابية) ، هي أداة أكثر قوة وتنوعًا من النماذج النطاقية ؛ إنها تستند إلى مبدأ مختلف تمامًا. بدلاً من منطقة واحدة أو عدة مناطق كبيرة ، تُبرز النماذج الميدانية عددًا كبيرًا (عادةً آلاف أو عشرات الآلاف) من أحجام التحكم الصغيرة التي لا علاقة لها بهيكل التدفق المتوقع. لكل من هذه المجلدات ، يتم حل نظام المعادلات التفاضلية الجزئية باستخدام الطرق العددية ، معربًا عن مبادئ الحفظ المحلي للكتلة ، والزخم ، والطاقة ، وكتلة المكونات. وبالتالي ، لا يتم تحديد ديناميكيات تطوير العمليات من خلال افتراضات مسبقة ، ولكن حصريًا من خلال نتائج الحساب.

بطبيعة الحال ، تتطلب مثل هذه النماذج ، مقارنة بالنماذج المتكاملة والمنطقية ، موارد حسابية أكثر بكثير. ومع ذلك ، في السنوات العشرين الماضية ، بسبب التطور السريع لتكنولوجيا الكمبيوتر ، تطورت النماذج الميدانية من مفهوم أكاديمي بحت إلى أداة عملية مهمة.

حاليًا ، تم إنشاء عدد من برامج الكمبيوتر التي تنفذ طريقة النمذجة الميدانية ، والتي تصف بدقة مجالات السرعات ودرجات الحرارة والتركيزات في المرحلة الأولى من الحريق.

1. أحكام عامة

اذكر الإجراء الخاص بإجراء تقييم محسوب لخطر الحريق لأشياء معينة.

1.3 لا تحتوي هذه التوصيات على تعليمات صارمة بشأن استخدام مجموعة أو أخرى من النماذج فيما يتعلق بمهام مختلفة ، لأن مثل هذا النهج يقلل من إمكانية مراعاة تفاصيل مهمة معينة. على الرغم من أن الفصول 3 و 4 من هذه الوثيقة تحتوي على توصيات بشأن صياغة المعادلات وشروط الحدود ، فإن اختيار النماذج الفرعية المستخدمة هو من اختصاص الاختصاصي الذي يقوم بالحساب ، حيث أنه فقط لديه معلومات كاملة عن المهمة المعروضة عليه. في الوقت نفسه ، يجب اختبار حزمة البرامج التي يستخدمها بدقة للتأكد من صحة تنفيذ النموذج الرياضي ، ويجب اختبار النموذج الرياضي نفسه بشكل أولي على أساس المقارنة مع تجربة مماثلة للمشكلة التي يتم حلها.

2. التطبيق

الطريقة الميدانية هي الأكثر تنوعًا بين الطرق الحتمية الحالية ، لأنها تعتمد على حل المعادلات التفاضلية الجزئية التي تعبر عن قوانين الحفظ الأساسية في كل نقطة في المجال الحسابي. يمكن استخدامه لحساب درجة الحرارة والسرعة وتركيزات مكونات الخليط ، إلخ. في كل نقطة من المجال الحسابي. في هذا الصدد ، يمكن استخدام الطريقة الميدانية:

إلى عن على بحث علميمن أجل تحديد أنماط تطور الحرائق ؛

إجراء حسابات مقارنة من أجل اختبار وتحسين نماذج المناطق والتكامل الأقل شمولية ، والتحقق من صحة تطبيقها ؛

اختيار خيار عقلاني للحماية من الحرائق لأشياء محددة.

في الأساس ، لا تحتوي الطريقة الميدانية على أي افتراضات مسبقة حول بنية التدفق ، وفي هذا الصدد ، يمكن تطبيق أي سيناريو لتطوير حريق بشكل أساسي.

ومع ذلك ، تجدر الإشارة إلى أن استخدامه يتطلب موارد حاسوبية كبيرة. يفرض هذا عددًا من القيود على حجم النظام قيد الدراسة ويقلل من إمكانية إجراء حسابات متعددة المتغيرات. لذلك ، تعد طرق النمذجة المتكاملة والمنطقة أدوات مهمة أيضًا في تقييم مخاطر حريق الكائنات في الحالات التي تكون فيها معلومات كافية والافتراضات الموضوعة في صياغتها لا تتعارض مع صورة تطور الحريق.

ومع ذلك ، استنادًا إلى البحث الذي تم إجراؤه ، يمكن القول أنه نظرًا لأن الافتراضات المسبقة لنماذج المنطقة يمكن أن تؤدي إلى أخطاء كبيرة في تقييم مخاطر حريق كائن ما ، فمن الأفضل استخدام طريقة النمذجة الميدانية في الحالات التالية:

للغرف ذات التكوين الهندسي المعقد ، وكذلك الغرف التي بها عدد كبير من الحواجز الداخلية ؛

الغرف التي يكون فيها أحد الأبعاد الهندسية أكبر بكثير من الأبعاد الأخرى ؛

الغرف التي توجد بها إمكانية تكوين تدفقات دائرية دون تكوين طبقة علوية ساخنة (وهو الافتراض الرئيسي لنماذج المنطقة الكلاسيكية) ؛

في حالات أخرى ، عندما تكون نماذج المناطق والنماذج المتكاملة غير كافية بالمعلومات لحل المهمة ، أو يكون هناك سبب للاعتقاد بأن تطور الحريق قد يختلف اختلافًا كبيرًا عن الافتراضات المسبقة لنماذج المناطق والتكامل.

3. أساسيات الطريقة الميدانية لمحاكاة الحرائق

3.1. المعادلات الأساسية

أساس النماذج الميدانية للحرائق هي المعادلات التي تعبر عن قوانين الحفاظ على الكتلة والزخم والطاقة وكتل المكونات في حجم التحكم الصغير المدروس. يتم إعطاء هذه المعادلات حسب العمل.

معادلة الحفظ الشامل:

معادلة حفظ الزخم:

بالنسبة للسوائل النيوتونية التي تخضع لقانون ستوكس ، يتم إعطاء موتر الإجهاد اللزج بواسطة

أين هو المحتوى الحراري الساكن للخليط ؛

حك- حرارة التكوين كالمكون الخامس هي السعة الحرارية للخليط عند ضغط ثابت ؛ هو تدفق الطاقة الإشعاعية في الاتجاه س ي.

معادلة حفظ المكون الكيميائي ك:

لإغلاق نظام المعادلات (3.1) - (3.5) ، يتم استخدام معادلة الغاز المثالية للحالة. بالنسبة لخليط الغازات ، يكون له الشكل التالي:

أين صس هو ثابت الغاز العالمي ؛ عضو الكنيست- الكتلة المولية كالمكون الثالث.

تصف هذه المعادلات التوازن اللحظي المحلي. فهي كافية ل وصف كاملالتدفقات الصفائحية. لسوء الحظ ، أثناء الحرائق ، وكذلك في معظم الأنظمة الأخرى المرتبطة بالاحتراق ، تتقلب معلمات السرعة والحالة عند نقطة معينة بشكل كبير ، ويتطلب حل هذه المعادلات حاليًا قدرًا هائلاً من وقت الكمبيوتر. لذلك ، عادةً ما تؤدي هذه المعادلات إلى خصائص متوسطة ، أي أنها تقسم كل متغير إلى مكون متوسط ​​الوقت ومتقلب. على سبيل المثال ، للسرعة:

بعد توسيع جميع المتغيرات بشكل مشابه للمعادلة (3.7) واستبدالها في معادلات الحفظ ، نحصل على نظام من المعادلات متوسطها بمرور الوقت. في هذه الحالة ، على سبيل المثال ، تأخذ معادلة الحفظ الشامل الشكل التالي:

هذه المعادلة مشابهة جدًا للمعادلة الأصلية (3.1). يكمن الاختلاف في ظهور مصطلح إضافي ، وهو انتقال جماعي مضطرب بسبب تقلبات الكثافة والسرعة.

تؤدي البدائل المماثلة في معادلات الحفظ الأخرى إلى ظهور مصطلحات جديدة تحتوي على مكونات متقلبة للمتغيرات. حتى إذا كان من الممكن إهمال تقلبات الكثافة ، على سبيل المثال ، بعيدًا عن مصدر الحريق ، حيث لا يوجد احتراق ويكون انتقال الكتلة المضطرب ضئيلًا ، تظل شروط النموذج في معادلة الحفاظ على الزخم ، وهي تدفقات إضافية ناتجة عن التقلبات المضطربة. تُعرف هذه المصطلحات باسم إجهادات رينولدز وترجع إلى الحركة العشوائية أكثر من النشاط الجزيئي. من حيث الحجم ، فإنها عادة ما تتجاوز بشكل كبير ضغوط القص المرتبطة باللزوجة الجزيئية. في معادلات حفظ الطاقة وكتل المكونات ، توجد مصطلحات للشكل والتي تصف الانتقال المضطرب للمحتوى الحراري وكتل المكونات.

إذا تم إهمال تقلبات الكثافة ، فيمكن كتابة معادلات الحفظ بمتوسط ​​رينولدز (بمرور الوقت) بالشكل التالي:

ومع ذلك ، فإن هذا المتوسط ​​له عدد من العيوب عند وصف التدفقات ذات الكثافة المتغيرة ، والتي تعتبر نموذجية للحرائق. يمكن الحصول على وصف أكثر قبولًا باستخدام المتوسط ​​المرجح بالكثافة (متوسط ​​فافر). في هذه الحالة ، يتم عرض جميع المتغيرات ، باستثناء الكثافة والضغط ، التي يتم استخدام المتوسط ​​المعتاد لها ، في النموذج

في هذه الحالة ، تأخذ معادلات الحفظ شكلًا مشابهًا للنظام (3.9) - (3.12) ، لكنها تأخذ في الاعتبار تقلبات الكثافة ، وهو أمر ضروري عند النظر في المناطق التي يحدث فيها الاحتراق.

هذه المعادلات ، على عكس المعادلات الأصلية ، ليست نظامًا مغلقًا. نظرًا لأن أعضاء النموذج () غير معروفين ، تنشأ مشكلة تسمى الإغلاق المضطرب. في حين أنه من الممكن تدوين معادلات النقل "الدقيقة" لهذه الكميات ، فإن هذا لا معنى له لأنه سيحتوي على مجاهيل ذات ترتيب أعلى. لذلك ، في معظم الحالات ، يتم إهمال تأثير التقلبات أو يتم استخدام "نماذج الاضطراب" لإغلاق النظام.

تجدر الإشارة إلى أنه عند حرائق النمذجة ، يتم أيضًا استخدام نهج آخر ، عندما يتم حل النظام (3.1) - (3.5) على أفضل شبكة ممكنة بمساعدة عدد من الافتراضات ودون الانتقال إلى المعلمات المتوسطة. في هذه الحالة ، من الممكن محاكاة سلوك الدوامات المضطربة بشكل مباشر ، والتي يتجاوز حجمها مقياس الشبكة الحسابية. تتمثل ميزة هذا النهج في أنه لا يستخدم نموذج الاضطراب ؛ ومع ذلك ، فإنه يتطلب الكثير من وقت الكمبيوتر ولم يتم اختباره كثيرًا.

تعود العديد من الأساليب لنمذجة تأثير النقل المضطرب إلى مفهوم Boussinesq الخاص بلزوجة إيدي. في ذلك ، يُفترض أن تكون ضغوط القص المضطربة الظاهرة ، عن طريق القياس مع الضغوط اللزجة في التدفق الصفحي (المعادلة (3.3)) ، متناسبة مع مشتقات متوسط ​​السرعة:

عامل التناسب تتسمى اللزوجة المضطربة أو الدوامة ، وهي خاصية تدفق ، وليس مائع مثل اللزوجة الجزيئية ، وتختلف باختلاف الزمان والمكان.

تعتمد هذه الفرضية على التناظر بين التدفق المضطرب والنظرية الحركية للغازات. عند التفكير في الدوامات المضطربة ، يمكننا أن نفترض أنها تصطدم وتتبادل الزخم بسرعة مميزة ومقياس طول مماثل لمتوسط ​​المسار الحر في النظرية الحركية الكلاسيكية.

أين ك 1/2 - السرعة المميزة ك= / 2 - طاقة حركية مضطربة ؛ ل- طول الخلط المميز ؛ - مستمر.

عن طريق القياس مع نقل الزخم المضطرب ، غالبًا ما يتم نمذجة التدفقات العددية () و () باستخدام افتراض انتشار التدرج:

حيث ГФ هي معامل النقل الدوامي أو المضطرب المقابل للقياس Ф. مثل لزوجة الدوامة ، فهي خاصية لدرجة محلية لاضطراب التدفق ، وليست خاصية للسائل. مع هذا الوصف ، يتم تقديم افتراض ضمني حول الخواص المتناحية للاضطراب ، أي الهوية تو GF في كل الاتجاهات. غالبًا ما يُفترض أن معامل النقل للعددي يساوي نسبة اللزوجة المضطربة إلى رقم Prandtl أو Schmidt المضطرب:

قيمة تتم تحديده باستخدام نموذج الاضطراب. الأكثر استخداما في نمذجة الحرائق كنموذج ه. يحل معادلتين للنقل تشبه المعادلات (3.9) - (3.12): واحدة للطاقة الحركية المضطربة كوالثاني هو التبديد اللزج لهذه الطاقة e في الطاقة الداخلية للسائل. معادلة التحويل لـ كيمكن اشتقاقها من معادلات حفظ الزخم بمتوسط ​​الوقت:

تعبر هذه المعادلة عن توازن التغيرات في الطاقة المضطربة ، مع مراعاة عمليات النقل الحراري والانتشار ، وكذلك آليات توليدها وتبديدها.

يصف المصطلح الأول على اليمين إعادة التوزيع المكاني للانتشار للطاقة الحركية المضطربة في مجال التدفق بسبب تقلبات السرعة والتقلبات في الضغط واللزوجة الجزيئية.مساهمة الأخيرة في أعداد رينولدز العالية لا تذكر. المصطلح الثاني هو توليد الطاقة الحركية المضطربة بسبب طاقة الحركة المتوسطة ، ويلعب المصطلح الثالث بسبب تأثير قوة أرخميدس دورًا مهمًا جدًا في الحرائق ، فهو يصف تبادل الطاقة الحركية المضطربة مع الطاقة الكامنة للنظام. المصطلح الأخير ، الذي تم تحديده باستخدام معادلة النقل الثانية ، هو مصطلح الحوض ، الذي يصف انتقال الطاقة الحركية المضطربة إلى الطاقة الداخلية للسائل لحساب التبديد اللزج:

باستخدام مفهوم اللزوجة الدوامة ، يمكن كتابة المعادلة (3.18) كـ

أين من 1 , من 2 , من 3 و s e ثوابت تجريبية. يتم تحديد شروط المصدر بسبب الضغوط اللزجة والطفو من خلال التعبيرات:

غالبًا ما يتم كتابة نظام المعادلات (3.9) - (3.12) ، (3.18) ، (3.23) في شكل معادلة نقل معممة:

حيث Ф هي قيمة محافظة (عددية) ، Г Ф هي معامل التحويل المقابل لها ؛ س F هو المصطلح المصدر.

تصف المعادلة (3.26) الحفاظ على الزخم عند Ф = ح، حفظ الطاقة عند Ф = أنت أنا، الحفظ الشامل عند Ф = 1 ، الحفظ الشامل للمكونات عند Ф = نعم ك، نقل الطاقة الحركية للاضطراب عند Ф = كومعدل تبديده عند Ф = e.

3.3 نماذج الاحتراق

يقوم العديد من الباحثين بنمذجة عمليات إطلاق الحرارة والكتلة أثناء الاحتراق بطرق مختلفة. معظم بطريقة بسيطةهي محاكاة لمصدر حريق باستخدام مصدر حرارة مع طاقة إطلاق حرارة محددة مسبقًا. في هذه الحالة ، لم يتم حل معادلات الحفظ الشامل للمكونات. يأخذ التعبير عن المحتوى الحراري الشكل ، ويتم إدخال مصطلح مصدر إضافي في معادلة الطاقة. على الرغم من أن هذه النماذج تعطي نتائج جيدة في بعض الحالات ، إلا أنها لا تسمح بمراعاة اعتماد إطلاق الحرارة على ظروف التدفق والنقص المحتمل لأحد الكواشف.

الأكثر صرامة هو نهج Baum et al. ، عندما يتم نمذجة الاحتراق باستخدام مجموعة من عناصر لاغرانج ، يوجد داخل كل منها مصادر لإطلاق الحرارة وتوليد الدخان بقيم ثابتة محددة مسبقًا. وهذا يجعل من الممكن ، على سبيل المثال ، مراعاة انحراف اللهب في وجود الريح.

ومع ذلك ، في معظم برامج حديثةتم تصميم مقعد النار باستخدام نماذج الاحتراق مباشرة. هذا يجعل من الممكن ، أولاً ، محاكاة عملية خلط الوقود والهواء ، وبالتالي حساب (بدلاً من تحديد كمية الحرارة المنبعثة مسبقًا) ؛ ثانياً ، باحتساب التوليد والنقل مكونات كيميائيةتقييم التركيزات المحلية للمكونات السامة وخصائص الإشعاع للبيئة.

عند نمذجة الحرائق ، غالبًا ما يكفي تمثيل عملية الاحتراق كتفاعل من خطوة واحدة:

F + لذا® (1 + س)ص, (3.27)

أين F, او صتشير إلى كتل الوقود والمؤكسد والمنتج على التوالي.

في الحالة العامة ، تتضمن المشكلة حل معادلات الحفظ لكل مكون من مكونات التفاعل. ومع ذلك ، من الممكن إعادة كتابة معادلات الحفظ للمكونات من حيث وظيفة الخلط (القيمة المحافظة):

حيث ب = نعم و- (سنة 0 / س) هو متغير Schwab-Zel'dovich محافظ والمؤشرات Fو 0 تشير إلى الوقود والمؤكسد ، على التوالي. بافتراض أن معاملات الانتشار للمكونات متساوية ، يصبح من الممكن التخلص من مصطلح المصدر عند تحديد درجة خلط الوقود والمؤكسد. إذا كان التفاعل لا رجوع فيه ويمكن افتراض أنه يستمر بسرعة لا نهائية ، فيمكن تحديد الكسور الكتلية المحلية مباشرة من خلال القيمة المتوسطة الزمنية لوظيفة الخلط F:

أين يوكس، 0 - جزء الكتلة من الأكسجين في تدفق المؤكسد ، أ نعم و , F- جزء الكتلة من الوقود في تدفق منتجات الانحلال الحراري الغازي.

من الواضح أن هذا لا يأخذ في الاعتبار تأثير التقلبات المضطربة على التفاعل الكيميائي. يمكن أخذها في الاعتبار باستخدام نموذج الانتشار-الدوامة. في هذا النموذج ، بالإضافة إلى معادلة النقل لـ Fتم حل المعادلة من أجل نعم و.

في ذلك ، في حالة نشوب حريق مفتوح ، سيتم تحديد معدل التفاعل من خلال التركيز المحلي للوقود ، باستثناء المنطقة القريبة من مصدر منتجات الانحلال الحراري. في الحرائق الداخلية ذات التهوية ، يوجد عجز في الهواء وبالتالي يتم تحديد استهلاك الوقود من خلال تركيز الأكسجين. تم إدخال المصطلح الثالث للحد من معدل التفاعل في الخلائط الباردة:

أين من= 4 و فيمجموعة تساوي 2.

يسمح افتراض إغلاق المصطلح المصدر (الصيغة (3.31)) ، بالإضافة إلى معادلة النقل لـ F، حل معادلة الكسر الكتلي للوقود وحساب الكسر الكتلي لكل مكون من مكونات التفاعل الكيميائي المبسط. تم استخدام نماذج من هذا النوع بنجاح في حل العديد من مشكلات السلامة من الحرائق وتحسين عملية الاحتراق في المنشآت الصناعية. ميزة النموذج هي بساطته. يسمح لك بحساب إطلاق الطاقة الموزع على الحجم ، الذي تحدده هندسة الغرفة والوصول إلى الهواء. من الممكن تحديد تركيزات ثاني أكسيد الكربون وثاني أكسيد الكربون ، بافتراض أنها المنتجات الوحيدة للاحتراق.

ومع ذلك ، باستخدام مثل هذا المخطط ، من المستحيل مراعاة تأثير محدودية معدل التفاعلات الكيميائية. لحساب تركيزات منتجات الأكسدة غير الكاملة بشكل صحيح ، مثل ثاني أكسيد الكربون والسخام ، هناك حاجة إلى نموذج أكثر تعقيدًا.

واعد للغاية هو نموذج عناصر اللهب الرقائقي. يفترض أن الاحتراق يحدث فقط في عناصر اللهب الرقيقة التي تدخل مجال التدفق المضطرب. يمكن حساب العلاقة بين التركيب الكيميائي الآني ووظيفة الخلط في ظل هذه الظروف ، لأنواع الوقود البسيطة مثل الميثان والبروبان ، بحركية تفاعل كيميائي معروفة إلى حد ما. ومع ذلك ، فإن الحمل القابل للاشتعال الذي يتم مواجهته في الممارسة عادة ما يكون له تركيبة كيميائية معقدة ، وبالتالي ، نظرًا لعدم وجود علاقات مناسبة ، فإن هذا النموذج غير مفيد حاليًا للمشاكل العملية.

إن أبسط طريقة لمراعاة فقد الحرارة الإشعاعية هي ما يسمى c ص-نموذج. وهو يتألف من حقيقة أن قوة إطلاق الحرارة في مركز الاحتراق عن طريق التقليل من حرارة الاحتراق تتناقص بجزء الحرارة c صفقدت بسبب الإشعاع. يتم تعيين هذه الحصة على أساس البيانات التجريبية اعتمادًا على نوع الوقود. على الرغم من البدائية الظاهرة ، فإن مثل هذا النموذج غالبًا ما يعطي نتائج جيدة في المرحلة الأولى من الحريق.

ومع ذلك ، غالبًا ما تظهر المشكلات التي تتطلب نمذجة أكثر دقة لنقل الحرارة الإشعاعي.

يتم التعبير عن تأثير انتقال الحرارة الإشعاعي من خلال مصطلح المصدر في معادلة الحفاظ على الطاقة. بالإضافة إلى ذلك ، تؤثر تدفقات الإشعاع بشدة على درجة حرارة أسطح جدران الغرفة ، وبالتالي على انتشار اللهب.

يمكن كتابة معادلة النقل الإشعاعي الأساسية كـ

أين أنا- الشدة إشعاعفي اتجاه W س- المسافة في الاتجاه W ؛ على سبيل المثال= s - الطاقة التي يشعها غاز أسود تمامًا عند درجة حرارة الغاز تيراغرام; ك أو ك ق- معاملات الامتصاص والتشتت ؛ ص(W ، W ") - احتمال أن يسقط الإشعاع في الاتجاه W" بعد التشتت في زاوية صلبة د W بالقرب من الاتجاه W. يجب دمج هذه المعادلة في جميع الاتجاهات والأطوال الموجية. بالنسبة لمعظم المشكلات العملية ، يكون الحل الدقيق أمرًا مستحيلًا ؛ وبدلاً من ذلك ، تم تطوير عدة طرق تقريبية تُستخدم لمحاكاة ديناميات الحرائق في الغرف.

3.4.1. طرق الدفق

إذا قمنا بفصل التوزيع المكاني والزاوي لشدة الإشعاع ، فيمكن تبسيط المشكلة إلى حد كبير. يستخدم هذا النهج في "طرق التدفق". إذا افترضنا أن شدة الطيف ثابتة خلال الفترات الزمنية المحددة للزاوية الصلبة ، فإن معادلة النقل الإشعاعي يتم تقليلها إلى عدة معادلات تفاضلية خطية عادية مترابطة فيما يتعلق بكثافة متوسط ​​الفضاء أو تدفقات الإشعاع.

إذا تزامنت الزوايا الصلبة مع أسطح حجم التحكم في الفضاء الديكارتي ، وإذا افترضنا أن تدفق الإشعاع عبر كل سطح يكون موحدًا ، فإن الإشارة إلى و ط+ تدفق الحرارة يمر عبر حجم التحكم في الاتجاه الإيجابي أنا، ومن خلال و ط- - التدفق في الاتجاه السلبي أنا، نملك:

أين ك أو ك قهي معاملات امتصاص وانتثار محلية ، و هبهو مقدار الحرارة المنبعثة من الحجم المرجعي إذا كان أسود تمامًا.

جمع هذه المعادلات وتمييزها بالنسبة إلى س طنحن نحصل:

المعادلة لها نفس شكل معادلة الحفظ المعممة (3.26) ويمكن حلها باستخدام نفس الخوارزمية العددية. مساهمة الإشعاع في المصطلح المصدر لمعادلة الطاقة لكل حجم تحكم:

هذا النموذج جذاب للغاية للاستخدام في النماذج الميدانية لأنه يستخدم نفس الطريقة العددية لحل معادلات ديناميكا الموائع. ومع ذلك ، فإن هذه الطريقة لها عدد من العيوب ، من بينها أحد أهمها ، فيما يتعلق بالحرائق ، عدم دقة الطريقة عند نمذجة نقل الإشعاع بزاوية إلى الشبكة الديكارتية.

طرق التدفق مناسبة ، على سبيل المثال ، في تحديد النقل الإشعاعي من طبقة السقف إلى أرضية الغرفة ، لكنها غير دقيقة بالقرب من المصدر ، حيث قد تعتمد سرعة انتشار اللهب الأمامية على انتقال الحرارة الموجه بزاوية إلى جريد.

يتغلب هذا النموذج ، الذي طوره Lockwood and Shah ، على العيب الرئيسي لطرق التدفق. وتتميز ببعض سمات طرق مونت كارلو وهي مرور "أشعة" الإشعاع الكهرومغناطيسي عبر المنطقة الحسابية بين الحدود. ومع ذلك ، على عكس طرق مونت كارلو ، حيث يتم إنشاء اتجاهات الأشعة بشكل عشوائي ، يتم تحديدها مسبقًا في هذا النموذج ، بنفس الطريقة التي يتم بها اختيار موقع الشبكة الهيدروديناميكية. تتضمن الطريقة حل معادلة النقل الإشعاعي على طول مسارات هذه الأشعة ، والتي يتم اختيارها عادةً بطريقة تصل إلى مراكز الأسطح الحدودية لوحدات التحكم الهيدروديناميكية.

يتم تحديد عدد واتجاه الأشعة لكل نقطة مسبقًا لتوفير المستوى المطلوب من الدقة ، على غرار كيفية اختيار شبكة الفروق المحدودة للحسابات الهيدروديناميكية. ينقسم نصف الكرة حول كل نقطة إلى مقاطع ذات مساحات سطحية متساوية في نصف الكرة الأرضية ، حيث يُفترض أن تكون الكثافة موحدة.

يتم حل معادلة النقل الإشعاعي (3.32) لكل شعاع أثناء مروره من حد إلى آخر. للإيجاز نقدم: معامل التوهين ك ه = ك أ + ك ق، العمق البصري للعنصر س* = ك ه سوطاقة الإشعاع المعدلة

ثم يمكن إعادة كتابة معادلة النقل كـ

بالنسبة لحجم التحكم الأولي ، حيث يمكن اعتبار درجة الحرارة ثابتة ، يمكن دمج المعادلة وتقليلها إلى النموذج

إذا أخذنا في الاعتبار القيمة ه* ثابت داخل حجم التحكم ، وهو ما يتوافق تمامًا مع الممارسة المعتادة لتطبيق نهج الفروق المحدودة على معادلات ديناميكيات الموائع ، يتم الحصول على علاقة تكرار بسيطة:

أين فيو في+1 - على التوالي ، قيم شدة الإشعاع التي تدخل وتخرج من نحجم التحكم

ds * - الطول البصري لمستوى التحكم.

ثم ، في كل حجم تحكم ، مع الأخذ في الاعتبار جميع الأشعة العابرة له ، يتم حساب قيمة صافي الامتصاص أو إطلاق الطاقة الإشعاعية ، والتي ، كما ذكرنا سابقًا ، يمكن استخدامها في معادلة الحفاظ على الطاقة. إلى عن على نال حجم التحكم

أين نهو العدد الإجمالي للأشعة ، و dA هي مساحة سطح الخلية.

4. إغلاق النظام الأساسي للمعادلات.

شروط التفرد

من أجل صياغة مشكلة حسابية محددة والحصول على نظام مغلق من المعادلات لحلها ، يجب استكمال المعادلات الأساسية الموصوفة في الفصل 3 بشروط تفرد ، أي الشروط الأولية والحدية.

تحدد الشروط الأولية الموقف في الغرفة المدروسة قبل بدء الحريق (أو قبل بدء محاكاة الحريق) وتتضمن وصفًا لهندسة الغرفة وإعداد المعلمات التي تميز حالة النظام قيد الدراسة في تلك اللحظة. الظروف الأولية في الغرفة ، كقاعدة عامة ، معروفة جيدًا ، ولا تمثل مهمتهم صعوبات خطيرة.

يستحق بيان شروط الحدود دراسة أكثر تفصيلاً. يمكن تقسيمها إلى الفئات التالية:

الظروف على الأسطح الصلبة غير القابلة للاحتراق ؛

الشروط على مستوى (محور) التناظر ؛

الظروف التي تميز تشغيل تهوية الإمداد والعادم ؛

الظروف على الحدود الحرة ؛

ظروف سطح الوقود.

تتميز الأسطح الصلبة غير القابلة للاحتراق (الهياكل المحيطة) ، كقاعدة عامة ، بغياب نفاذية الغاز ، وبالنسبة لمعادلات الحفاظ على الزخم عليها ، تُستخدم شروط عدم الانزلاق (تساوي صفرًا لجميع مكونات السرعة) تقليديًا.

تعد طرق تحديد الشروط الحدودية لمعادلة الطاقة أكثر تنوعًا. هنا يمكننا التمييز بين نوعين متطرفين من الظروف الحدودية (ثابت الحرارة ومتساوي الحرارة) والظروف التي تأخذ في الاعتبار ، بطريقة أو بأخرى ، تسخين الهياكل المغلقة بسبب التفاعل مع الوسط الغازي داخل الغرفة.

لا يمكن تبرير استخدام شروط الحدود الثابتة (تدفق الحرارة إلى الهياكل المغلقة يساوي الصفر) إلا إذا كانت الهياكل المحيطة بها قصور ذاتي حراري منخفض ، و ص-نموذج. عند استخدام طرق تدفق أكثر دقة أو طريقة النقل الإشعاعي المنفصل ، فمن المحتمل حدوث أخطاء خطيرة ، لأنه في هذه الحالة يتراكم جزء من الحرارة المشعة ، التي يجب أن تمتصها الهياكل المحيطة ، في الطبقة القريبة من الجدار للوسط الغازي .

استخدام شروط الحدود متساوي الحرارة له ما يبرره أكثر مع القصور الذاتي الحراري الكبير للهياكل. يمكن التوصية باستخدامها بشكل كامل إذا كان الغرض من الحساب ليس تحديد نظام درجة حرارة الهياكل المغلقة والنمذجة مقصورة على المرحلة الأولية من الحريق. على سبيل المثال ، إذا تم حساب وقت إغلاق طرق الهروب أو وقت استجابة أجهزة الكشف عن الحريق.

أصبحت الشروط الحدودية من النوع الثالث منتشرة على نطاق واسع لحساب انتقال الحرارة مع الهياكل ، باستخدام الارتباطات التجريبية المختلفة لحساب معامل نقل الحرارة ، ولكن الطريقة الأكثر شمولاً هي استخدام وظائف بالقرب من الجدار. في الوقت الحاضر ، تتطلب مسألة اختيار النوع الأمثل للوظائف القريبة من الجدار لحساب انتقال الحرارة لغازات المداخن بالجدار بحثًا إضافيًا. كمثال ، نقدم وضع شروط الحدود بمساعدة وظائف شبه الجدار المستخدمة في العمل.

يتم حساب المسافة بلا أبعاد في+ إلى أقرب عقدة حائط:

أين kpهي قيمة الطاقة الحركية للاضطراب المحسوب عن طريق حل معادلة النقل المقابلة باستخدام شرط الحدود على الحائط ك = 0; ص ص- مسافة الأبعاد من أقرب عقدة حائط إلى الحائط ، م.

يتم حساب قيمة السرعة بلا أبعاد و + :

يتم تحديد قيمة المحتوى الحراري عديم الأبعاد ح + :

ح + = العلاقات العامة ر(ش+ + P) ،

أين العلاقات العامة ر- عدد Prandtl مضطرب ؛ P - مقاومة الطبقة الفرعية الطبقية لنقل الطاقة:

يتم حساب قيمة التدفق الحراري الحراري بين الجدار والوسط الغازي:

أين هوهو المحتوى الحراري لأقرب عقدة داخل الجدار ؛ حصانهو المحتوى الحراري لأقرب عقدة حائط.

يتم تحديد قيمة معدل تبديد الطاقة الحركية المضطربة من العلاقة

على مستوى (محور) التناظر ، يتم استخدام الشرط بشكل تقليدي ت= 0 لمكون السرعة العادية والشرط د F/ dn= 0 - للمتغيرات الأخرى.

لوصف تدفق التهوية المقدم (تمت إزالته) عبر حدود المجال الحسابي ، كقاعدة عامة ، يتم تحديد قيمة سرعة التدفق. في هذه الحالة ، في حالة التدفق الوارد ، يتم أيضًا تعيين قيم الكميات المحافظة المتبقية ؛ في حالة التدفق الصادر ، يتم استخدام الشرط لها د F/ dn = 0.

عند نمذجة الحرائق ، غالبًا ما تكون هناك أقسام من الحدود يمكن للوسط الغازي أن يتدفق من خلالها إلى المجال الحسابي وخارجه (فتحات الأبواب والنوافذ ، وفتحات الدخان ، وما إلى ذلك). يمكن تقسيم شروط الحدود المستخدمة في مثل هذه الحدود إلى نوعين: شروط ذات سرعة عادية معينة وشروط ذات ضغط معين. في شروط النوع الأول ، لا يتم تحديد قيمة السرعة بشكل صريح ، ولكن في شكل شروط من النوع dvn/dn= 0 أو د 2 ت/dn 2 = 0. في هذه الحالة ، يتم تحديد قيمة الضغط عند الحد من المعادلات التي يتم حلها. في ظل ظروف النوع الثاني ، يمكن تحديد الضغط بشكل صريح وفي الشكل موانئ دبي/dn= 0. في هذه الحالة ، يتم حساب قيمة السرعة العادية باستخدام قيمة الضغط. بالنسبة لمكونات السرعة المماسية في كلتا الحالتين ، يتم استخدام الشروط عادةً دي في/dn = 0.

لا تسمح لنا المعلومات المتوفرة حاليًا باستنتاج أن نوعًا ما من شروط الحدود هو الأفضل. تتمثل التوصيات العامة في إحالة الحدود الحرة إلى أقصى حد ممكن من المباني المدروسة (نظام المباني) عن طريق إدخال منطقة خارجية لتقليل تأثير شرط الحدود على نتائج الحساب. لذلك ، في أحد الأعمال ، وصلت المساحة الخارجية المستخدمة لهذا الغرض إلى 5 أحجام للغرفة المدروسة. في الوقت نفسه ، أظهرت الدراسات التي أجريت في VNIIPO أنه إذا كانت موارد الحوسبة لا تسمح بالتخلص من تأثير شرط الحدود بالطريقة الموضحة أعلاه ، فمن المستحسن تثبيت حدود حرة مباشرة عند الفتح من أجل تقليل تأثير الحدود الحرة بتقليص مساحتها.

هناك طريقتان الأكثر شيوعًا لمحاكاة مقعد النار. الأول هو تحديد مصدر بخار الوقود مباشرة داخل المجال الحسابي. والثاني هو ضبط تدفق بخار الوقود عبر السطح الحدودي. هناك عدد من السيناريوهات حيث يكون للطريقة الأولى مزايا معينة. على سبيل المثال ، عند نمذجة احتراق كومة من الخشب ، فإنه يسمح لك بمراعاة تدفق الهواء داخل المكدس. ومع ذلك ، في الممارسة العملية ، يتم استخدام الطريقة الثانية في أغلب الأحيان.

في هذه الحالة ، يتم تحديد سرعة ودرجة حرارة تدفق بخار الوقود إما من الاعتبارات التجريبية أو باستخدام نموذج إطلاق الغاز المستخدم في الحساب. يجب إيلاء اهتمام خاص لتحديد الشروط الحدودية للمعلمات المضطربة كو ه. كما تظهر الدراسات التجريبية ، في طبقة رقيقة بالقرب من حدود الوقود ، هناك انخفاض حاد في حجم الطاقة الحركية المضطربة من القيم المميزة للعمليات التي تحدث في منطقة اللهب إلى القيم المميزة لتدفق بخار الوقود.

اساسي كلا يسمح نموذج -e المضطرب بنمذجة هذا التأثير ، لذا فإن استخدام القيم كظروف حدودية كو e ، المقابلة لمعلمات تدفق الوقود ، يؤدي إلى التقليل من قيم اللزوجة المضطربة في منطقة اللهب ، ونتيجة لذلك ، إلى المبالغة في تقدير قيم السرعات ودرجات الحرارة في منطقة اللهب والطائرة النفاثة ذات الحمل الحراري الصاعد. حل صارم لمشكلة وضع هذه الشروط الحدودية هذه اللحظةغير موجود. بالنسبة للحسابات العملية ، يتم استخدام القيم الاصطناعية كشرط حد كو هـ ، توفير قيمة معقولة من اللزوجة المضطربة في منطقة اللهب دون مراعاة العمليات التي تحدث في طبقة رقيقة بالقرب من سطح الوقود. وهكذا ، فقد أظهرت الدراسات أن النتائج جيدة عند الاستخدام كنموذج -e بالاشتراك مع نموذج احتراق الانتشار-الدوامة يعطي استخدام القيم ك\ u003d 0.3 م 2 / ث 2 و e \ u003d 1 × 10 -6 م 2 / ث 3.

5. إجراء حساب تقييم مخاطر الحريق لمنشأة معينة

يوضح الشكل إجراء إجراء تقييم محسوب لخطر الحريق لجسم معين في شكل مخطط كتلة. واحد.

جمع البيانات الأوليةيشمل الدراسة:

قرارات تخطيط الفضاء للكائن ؛

الخصائص الفيزيائية الحرارية لإحاطة الهياكل والمعدات الموجودة في المرفق ؛

نوع وكمية وموقع المواد القابلة للاحتراق ؛

العدد والموقع المحتمل للأشخاص في المبنى ؛

الأهمية المادية والاجتماعية للكائن ؛

أنظمة الكشف عن الحرائق والإطفاء ، الحماية من الدخان والحماية من الحرائق ، أنظمة سلامة الأفراد.

بناءً على البيانات التي تم جمعها ، التحليل النوعي لمخاطر الحريقهدف. هذا يأخذ في الاعتبار:

احتمال نشوب حريق

الديناميات الممكنة لتطوير النار ؛

توافر وخصائص أنظمة الحماية من الحرائق (SPPS) ؛

الاحتمال و العواقب المحتملةتأثير الحريق على الناس ، وبناء الهيكل والأصول المادية ؛

امتثال الكائن و SPZ الخاص به لمتطلبات معايير السلامة من الحرائق.

على أساس التحليل الذي تم إجراؤه ، يتم تعيين مهمة البحث وصياغة المعيار الكمي المقابل لتقييم خطر الحريق لكائن ما. على سبيل المثال ، إذا كان الغرض من الحسابات هو تقييم تأثير الحريق على الهياكل أو مستوى سلامة الأشخاص في حالة نشوب حريق ، فإن المعايير ذات الصلة ستكون مقاومة الحريق الفعليةتحددها ديناميات هياكل التدفئة و يحجب الوقتطرق الإخلاء ، يتم تحديدها من خلال توزيع قيم مؤشرات RPP في حجم الغرفة.

منصة التحليل الكمي لمخاطر الحريقيبدأ بتعريف خبير لسيناريو الحريق أو السيناريوهات التي بموجبها يتوقع أن يصل المعيار إلى القيمة "الأسوأ".

أرز. 1. الإجراء الخاص بإجراء تقييم التصميم لخطر حريق كائن ما

ثم تتم صياغة نموذج رياضي يتوافق مع هذا السيناريو ، وتتم محاكاة ديناميكيات تطور الحرائق. بناءً على النتائج التي تم الحصول عليها ، يتم حساب قيمة المعيار المحدد ، والتي تتم مقارنتها بالقيمة القصوى المسموح بها. إذا كانت قيمة المعيار غير مقبولة ، يتم تعديل SPP وقرارات تخطيط المساحة وتنسيب الأشخاص وما إلى ذلك. من أجل تحسين مستوى السلامة من الحرائق وإعادة الحساب للسيناريو المعدل. إذا كانت قيمة المعيار مقبولة ، بناءً على الصورة الكمية التي تم الحصول عليها للحريق ، يقوم الخبير بتقييم ما إذا كان سيناريو الحريق المقبول هو "أسوأ حالة" ، وإذا لزم الأمر ، يتم تصحيح السيناريو (من حيث الحدوث و تطوير حريق) وحساب التحقق من معلمات الحريق. النتيجة النهائية للتقييم هي استنتاج حول درجة خطر الحريق للكائن وتوصيات بشأن تدابير الحماية من الحريق.

طلب

مثال على الحساب

سمة الكائن

يعتبر المبنى المكون من خمسة طوابق من الدرجة الثانية لمقاومة الحريق مجمعًا متعدد الوظائف ويتضمن منطقة نوم مع غرف وجزء إداري وجزء للراحة و غرف الدراسة. يمثل عبء الحريق الأثاث المكتبي والمنزلي والمعدات المكتبية ومواد التشطيب القابلة للاحتراق. يمكن أن يكون هناك 255 شخصًا في المبنى في نفس الوقت ، موزعين على الطوابق على النحو التالي: في الطابق الأول 34 شخصًا ؛ في اليوم الثاني - 48 ؛ في الثالث - 96 ؛ في الرابع - 59 ؛ في اليوم الخامس - 18 شخصًا.

يتم تمثيل نظام الحماية من الحريق من خلال:

كاشفات الحريق الحرارية

سلالم خالية من التدخين

نظام الإنذار بالحريق من النوع 2 ؛

إمداد مياه الحريق الداخلي ووسائل إطفاء الحريق الأولية.

التحليل النوعي لخطر الحريق للمنشأة

من وجهة نظر خطر الحريق ، فإن ميزات الكائن قيد الدراسة هي:

وجود عدد من المباني التي تحتوي على كمية كبيرة من المواد والمنتجات القابلة للاحتراق التي تنطوي على مخاطر حريق عالية ومصادر محتملة للنيران ؛

إمكانية نشر نواتج الاحتراق عموديًا عبر الأذين ؛

وجود طرق الإخلاء من خلال صالات العرض والغرف المفتوحة على حجم الردهة ؛

عدم وجود جدار حريق من النوع 1 يفصل أماكن النوم عن أماكن الأغراض الوظيفية الأخرى ؛

إمكانية تواجد جماعي للناس في غرفة واحدة.

لا يشكل عدد وموقع حمولة الحريق تهديدًا لاستقرار الهياكل الحاملة الرئيسية في النصف ساعة الأولى من الحريق ، وستكون المشكلة الرئيسية هي إغلاق طرق الهروب بواسطة منتجات الاحتراق. أخطرها حدوث حريق في غرفة تقع في الطابق الأرضي ، مع احتمال انتشار الدخان إلى الطوابق العليا من خلال حجم الردهة.

اختيار معيار خطر الحريق

الغرض من الحساب هو تقييم إمكانية الإخلاء الآمن للأشخاص ، وبالتالي ، فإن معيار تقييم خطر حريق كائن ما سيكون وقت إغلاق طرق الإخلاء. نعتقد أن إغلاق طريق الإخلاء يحدث عندما يكون مليئًا بالدخان على ارتفاع 1.7 متر من الأرض. حيث لا توجد مصادر أخرى لانطلاق الحرارة باستثناء مصدر الحريق ودرجة الحرارة بيئةمساوية لدرجة الحرارة داخل الغرفة ، كحدود لانتشار الدخان ، نأخذ درجة الحرارة المعزولة 1 كلفن أعلى من الدرجة الأولى. وبالتالي ، لتحديد قيمة المعيار ، من الضروري حساب نظام درجة الحرارة في الغرفة.

اختيار سيناريو الحريق

كان مخطط تصميم نظام الغرف (الشكل 2) عبارة عن ردهة من خمسة طوابق مع أروقة داخلية مفتوحة ، متصلة بغرفة البلياردو في الطابق الأول والقاعة في الطابق الثاني. تعتبر الغرف المطلة على صالات العرض مغلقة. مخرج الاخلاء من الطابق الاول الى الشارع مفتوح.

أخطرها حدوث حريق في الطابق الأرضي ، بسبب احتمالية انتشار الدخان إلى جميع الطوابق من خلال الحجم الحر للأتريوم. من وجهة نظر موقع الحمولة القابلة للاحتراق ، فإن أخطر مكان في الطابق الأرضي هو غرفة البلياردو ، لذلك تم اعتماد السيناريو التالي لتطوير مصدر الحريق.

نشأ الحريق في غرفة البلياردو في الطابق الأرضي. ينتشر اللهب فوق الأثاث (طاولة بلياردو ، كرسي بذراعين ، خزانة مفتوحة). تبلغ مساحة سطح الاحتراق القصوى 5.2 م 2 ، وقوة النار القصوى 2 ميغاواط. يتم تحديد ديناميكيات تطوير مقعد النار من خلال السرعة المميزة لانتشار جبهة اللهب على طول 3 سم / ثانية أفقيًا وعلى طول الأسطح الرأسية - 0.1 سم / ثانية ويغطي السطح الكامل للمواد القابلة للاحتراق في 120 ثانية.

أرز. 2. رسم تخطيطي لنظام الغرفة

صياغة النموذج الرياضي

تضمن النموذج الرياضي المستخدم المعادلات التالية: معادلة الاستمرارية ، ثلاث معادلات لحفظ الزخم على طول كل إحداثيات ، معادلة حفظ الطاقة ، معادلة النقل لكتلة بخار الوقود ووظيفة الخلط ، والمعادلة ك- نماذج الاضطراب المصححة لتأثيرات الحمل الحراري الطبيعي. تم تصميم عملية الاحتراق باستخدام نموذج Magnussen-Hjertager diffusion-vortex.

نظرًا لأن مهمة الحساب هي تقييم سلامة إخلاء الأشخاص وتقتصر المحاكاة على المرحلة الأولية من الحريق ، يتم إجراء عملية حساب مبسطة. ص- نموذج. تم أخذ حصة خسائر الإشعاع في هذه الحالة بقيمة 0.3 ، وهو ما يتوافق مع بيانات الأدبيات الخاصة بالخشب. وفقًا لتوصيات القسم 4.1 ، تم استخدام شروط الحدود المتساوية على جدران الغرفة لمعادلة الطاقة.

تم تنفيذ هذا النموذج الرياضي باستخدام حزمة البرامجسوفي.

نتائج المحاكاة

في البداية ، يحدث نشوب حريق داخل مقر النار (غرفة البلياردو). بحلول الوقت 30 ثانية ، يمتلئ الجزء العلوي من غرفة الموقد بالدخان وتبدأ منتجات الاحتراق في الخروج من خلال المدخل المفتوح (باب مزدوج 2 × 1.7 م) ، ويدخل الهواء الداعم للاحتراق الغرفة من خلال الجزء السفلي من الافتتاح. ثم تخرج منتجات الاحتراق إلى حجم الأذين (الشكل 3) وتنتشر تحت رواق الطابق الثاني.

أرز. الشكل 3. مجالات درجة الحرارة (K) في القسم الرأسي من الأذين في الوقت 90 ثانية

يتكون عمود حمل مسطح يرتفع إلى سقف الأذين. بحلول الوقت 90 ثانية ، ترتفع نفاثة منتجات الاحتراق إلى مستوى الطابق الرابع. لا يوجد دخان في صالات العرض في الطابقين الثاني والثالث. في الوقت نفسه ، يستمر انتشار منتجات الاحتراق تحت معرض الطابق الثاني. بحلول الوقت 120 ثانية ، يصل العمود الحراري إلى سقف الأذين ويبدأ الانتشار الشعاعي لمنتجات الاحتراق (الشكل 4 ، أ). في هذه الحالة ، يتم تدخين جزء المعرض الموجود في الطابق الخامس الأقرب إلى العمود وواحد من مخارج الطوارئ(الشكل 4 ، في).

أرز. الشكل 4. مجالات درجة الحرارة (K) في القسم الرأسي للردهة (أ) ، والقسم الأفقي تحت سقف الطابق الأول (ب) والمقطع عند مستوى 1.7 متر من أرضية الطابق الخامس عند الوقت 120 ثانية

بحلول الوقت 180 ثانية ، تنخفض منتجات الاحتراق في حجم الأذين إلى مستوى الطابق الثاني (الشكل 5). في هذه الحالة ، فإن المعرض في الطابق الخامس ممتلئ تمامًا بالدخان ويتم حظر مخارج الطوارئ في الطابق الرابع. في الطابق الثالث (الشكل 6 ، أ) يظل معظم المعرض خاليًا من التدخين ولا يتم حظر سوى مخرج طوارئ واحد. دخان في الطابق الثاني (الشكل 6 ، ب) عند مستوى 1.7 متر لا يكاد يذكر ، وجميع مخارج الطوارئ مجانية. تظل مخارج الإخلاء في الطابق الأول مجانية. بحلول الوقت 240 ثانية ، تهبط غازات المداخن إلى أرضية الطابق الأول وتكون مخارج الطوارئ في جميع الطوابق مسدودة تمامًا (الشكل 7).

5th الكلمة - ر 5.1 = 120 ثانية ؛ ر 5.2 = 180 ثانية ؛

الطابق الرابع - ر 4.1 = 180 ثانية ؛ ر 4.2 = 180 ثانية ؛

الطابق 3 - ر 3.1 = 180 ثانية ؛ ر 3.2 = 240 ثانية ؛

الطابق 2 - ر 2.1 = 240 ثانية ؛ ر 2.2 = 240 ثانية ؛ ر 2.3 = 240 ثانية ؛

الطابق الأول - ر 1.1 = 240 ثانية ؛ ر 1.2 = 240 ثانية.

مقارنة القيم المحسوبة لمعيار خطر الحريق بالقيم الحرجة

وبالتالي ، نتيجة للحساب ، تم الحصول على القيم الكمية لمعيار تقييم مخاطر الحريق. يجب مقارنة هذه القيم بالقيم الحرجة ، أي مع قيم وقت إخلاء الأشخاص ، التي تم الحصول عليها وفقًا لطريقة GOST 12.1.004-91 * ، الملحق 2 ، البند 2.4. يتم إعطاء قيم وقت الإخلاء المقدر ووقت الإغلاق لطرق الإخلاء لكل طابق من المبنى في الجدول. واحد.

الجدول 1

اسم موقع الاخلاء	عدد الأشخاص ، بيرس.	الوقت المقدر للإخلاء tp، مع	طريق الهروب يحجب الوقت رbl، مع	استيفاء الشرط tp £ رbl
الطابق الأول				إجراء
الطابق الثاني				إجراء
الطابق الثالث				إجراء
الطابق الرابع				إجراء
الطابق الخامس				إجراء

توضح مقارنة القيم الواردة في الجدول أنه تم استيفاء شروط الإخلاء الآمن للأشخاص.

تحليل اختيار السيناريو

البيانات التي تم الحصول عليها نتيجة النمذجة على ديناميكيات نظام درجة الحرارة لا تعطي أسبابًا للاعتقاد بأن السيناريو المختار ليس هو الأسوأ. لذلك ، ليست هناك حاجة لضبط سيناريو تطوير مقعد النار.

استنتاج بشأن مخاطر الحريق للمنشأة

أظهرت نتائج التقييم المحسوب لمخاطر الحريق للمنشأة أنه لا يلزم اتخاذ تدابير إضافية لمنع الحرائق لضمان الإخلاء الآمن للأشخاص.

المؤلفات

1. GOST 12.1.004-91 * السلامة من الحرائق. المتطلبات العامة.

2. SNiP 21-01-97 * سلامة المباني والهياكل من الحريق.

3. حساب الوقت اللازم لإخلاء المبنى في حالة نشوب حريق: التوصيات. - م: VNIIPO MVD اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية ، 1989. - 22 ص.

4. Ryzhovأ. م. نمذجة الحرائق في المباني مع مراعاة الاحتراق في ظل ظروف الحمل الحراري الطبيعي // فيزياء الاحتراق والانفجار. - 1991. - ت 27 ، رقم 3. - س 40-47.

5- النمذجة الحاسوبية للديناميكا الهوائية وحركة الهباء الجوي بأحجام هندسية معقدة / ل. كامينشيكوف ، ف. Bykov ، S.P. Amel "chugov، A.A. Dekterev// بروك. من 2nd Int. ندوة عن مخاطر الحريق والانفجار للمواد والتنفيس عن الاحتراق. موسكو ، 1997. - ص 512-521.

6. كوكس جي ، كومار س.النمذجة الميدانية للحريق في حاويات التهوية القسرية // مشط. العلوم والتكنولوجيا. - 1987. - المجلد. 52. - ص 7-23.

7. لويس إم جي ، موس إم بي. و روبيني ب.(1997) نمذجة CFD للاحتراق ونقل الحرارة في حرائق المقصورة // Proc. من V Int. سيمب. في علوم السلامة من الحرائق. - ص 463-474.

8. باتانكار س.الطرق العددية لحل مشاكل انتقال الحرارة وديناميكيات الموائع. - م: Energoatomizdat ، 1984. -150 ص.

9. إجراء البحوث ووضع توصيات منهجية لتطبيق الأسلوب الميداني الأساسي لنمذجة ديناميات تطور الحرائق وانتشارها عوامل خطيرةفي مباني المباني لأغراض مختلفة: تقرير عن البحث (الملخص) // VNIIPO من وزارة الشؤون الداخلية لروسيا. -P.3.4.D.002.2001 ؛ كود "مؤسسة". - المرحلة 1. - م ، 2001. - 51 ص.

10. إجراء بحث أساسي حول عملية تطوير الحرائق داخل وخارج المباني والمباني لأغراض مختلفة باستخدام أساليب ديناميات السوائل الحسابية ، ودراسة أنماط العملية وصياغة المقترحات في NPB: تقرير بحثي (نهائي) // VNIIPO of the Ministry of Internal شؤون روسيا. - ص 4.3.D.001.98 رمز "القواعد النظامية". - م ، 2000. - 144 ص.

11. سوهج.أساسيات احتراق النار. - لندن: المطبعة الأكاديمية ، 1995. - 476 ص.

12. بوم إتش آر ، ماكغراتان كب ، رم آر جي.محاكاة ثلاثية الأبعاد لديناميات عمود النار // Proc. من V Int. مستنقع. "علم السلامة من الحرائق" ، 1997. - ص 511-522.

13. ماجنوسن ب.و Hjertager B.H.(1976) حول النمذجة الرياضية للاحتراق المضطرب مع التركيز بشكل خاص على تكوين السخام والاحتراق. 16 حوض. (Int.) معهد الاحتراق. - بيتسبرغ ، بنسلفانيا. - ص 719-729.

14. بيترز ن.(1986) مفهوم اللهب الرقائقي في الاحتراق المضطرب. السند الحادي والعشرون. (Int.) معهد الاحتراق. - بيتسبرغ ، بنسلفانيا. - ص 1231-1250 /

15. باتانكار إس.و سبالدينج دي.(1973) نموذج حاسوبي للتدفق ثلاثي الأبعاد في الأفران. السند الرابع عشر. (Int.) معهد الاحتراق. - بيتسبرغ ، بنسلفانيا. - ص 605-614.

16. توفينين هـ.(1994) نمذجة لهب الانتشار الرقائقي في بيئة مفسدة ، Proc. من IV Int. سيمب. في علوم السلامة من الحرائق. - ص 113-124.

17. لوكوود إف سي.و شاه ن.(1981) طريقة جديدة لحل الإشعاع لإدراجها في إجراءات التنبؤ العام بالاحتراق. السيمب الثامن عشر. (Int.) معهد الاحتراق. -بيتسبرغ ، بنسلفانيا. - ص 1405-1414.

18. طرق حساب نظام درجة حرارة حريق داخل المباني لأغراض مختلفة: التوصيات. - م: VNIIPO MVD اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية ، 1988. - 56 ص.

19. الديناميكا الحرارية للحرائق في الغرف / في. أستابينكو ، يو. الكوابيس ، آي. مولتشادسكي ، أ. شيفلياكوف. - م: Stroyizdat، 1988. - 448 ص.

20. Belov I.A.، Isaev S.A.، Korobkov V.A. مشاكل وطرق حساب التدفقات المنفصلة لسائل غير قابل للضغط. - لام: بناء السفن ، 1989. - 150 ص.

21. Jayatillake C.L.V.تأثير عدد Prandtl وخشونة السطح على مقاومة الطبقة الفرعية الصفحية للزخم وانتقال الحرارة // التقدم في نقل الحرارة والكتلة. - 1969. - رقم 1. - ص 193-329.

22. توفينين هـ.(1997) نمذجة CFD للحرائق قليلة التهوية // Proc. من 2nd Int. ندوة حول مخاطر المواد والانفجار والتنفيس عن الاحتراق ، موسكو ، 1997. - ص 113-124.

23. ويكمان إي.و قوي أ.التحقيق التجريبي للهيكل المضطرب لحرائق برك الميثانول متوسطة الحجم // الاحتراق واللهب. - 1996. - المجلد. 105 ، رقم 3. - ص 245-266.

24. كاربوف إيه في ، كريوكوف إيه بي ، ريزهوفأ. م. النمذجة الميدانية لعمليات نقل الحرارة والكتلة في لهب وطائرة حمل حرارية صاعدة حرة // سلامة الحريق والانفجار. - 2001. - T. 10، No. 2. - S. 35-41.

25- نمذجة الإشعاع الحراري في حرائق تجمع السوائل المفتوحة / ك. أديجا ، دي. راماكر ، ب. تاتم ، م. وليامز// بروك. من الثالث سيمب. على علم السلامة من الحرائق. - 1989. - ص 241-250.

26. لهب إنتشار مضطرب ذو تأثيرات طفو كبيرة E. Gengembre ، P. Cambray ، D. Karmedو ج. بيليه// علوم الاحتراق والتكنولوجيا. - 1984. - المجلد. 41. - ص 55-67.

27- نمذجة اللهب المنتشر العائم المضطرب في نموذج متماسك من صفائح اللهب / من.أ Blunsdon، Z. Beeri، W.M.G. Malalesekera، J.C. صدمه خفيفه// ندوة حول الحريق والاحتراق ، الاجتماع السنوي الشتوي ASME شيكاغو: ASME. - 1994. - ص 79-88.

28. ويلش س ، روبيني ب. SOFIE ، محاكاة الحرائق في الحاويات ، دليل المستخدم. - جامعة كرانفيلد 1996.

قائمة الرموز

مقدمة

1. أحكام عامة

2. نطاق

3. أسس أسلوب نمذجة الحرائق الميدانية

3.1. المعادلات الأساسية

3.2 نمذجة الاضطراب

3.3 نماذج الاحتراق

3.4. نقل الحرارة الإشعاعي

3.4.1. طرق الدفق

3.4.2. طريقة النقل الإشعاعي المنفصل

4. إغلاق نظام المعادلات الرئيسي.

شروط التفرد

4.1 شروط الحدود على الأسطح الصلبة غير القابلة للاحتراق

4.2 شروط الحدود على مستوى (محور) التناظر

4.3 الظروف الحدودية التي تميز تشغيل تهوية الإمداد والعادم

4.4 شروط الحدود على الحدود الحرة

4.5 شروط الحدود على سطح الوقود

5. الإجراء الخاص بتنفيذ الحساب عند تقييم خطر الحريق لجسم معين

طلب. مثال على الحساب

يسمح نموذج الحرائق المتكامل بالحصول على المعلومات ، أي قم بالتنبؤ بمتوسط ​​قيم معلمات حالة البيئة في الغرفة في أي لحظة من تطور الحريق. في هذه الحالة ، من أجل مقارنة متوسط ​​(أي متوسط ​​الحجم) معلمات الوسيط مع قيمها المحددة في منطقة العمل ، يتم استخدام الصيغ التي تم الحصول عليها على أساس الدراسات التجريبية للتوزيع المكاني لدرجات الحرارة ، تركيزات منتجات الاحتراق ، والكثافة البصرية للدخان ، وما إلى ذلك.

الوسيط الغازي الذي يملأ الغرفة بالفتحات (النوافذ والأبواب وما إلى ذلك) ككائن للدراسة هو نظام ديناميكي حراري مفتوح.

يتفاعل هذا النظام مع البيئة من خلال نقل الحرارة والكتلة. سنفترض أنه في المرحلة الأولى من عملية تطوير الحريق ، يتم دفع الغازات الساخنة خارج الغرفة من خلال بعض الفتحات ، ويدخل الهواء البارد من خلال فتحات أخرى (الشكل 1.1). تتغير كمية المادة في النظام الديناميكي الحراري المفتوح المدروس بمرور الوقت. يعمل النظام الديناميكي الحراري عن طريق دفع الغازات الساخنة في الغلاف الجوي الخارجي. دخول الهواء البارد يرجع إلى عمل الاختراق الذي يقوم به بيئة خارجية. يتفاعل هذا النظام الديناميكي الحراري أيضًا مع الهياكل المغلقة من خلال التبادل الحراري. بالإضافة إلى ذلك ، تدخل مادة في هذا النظام من سطح المادة المحترقة في شكل منتجات احتراق غازي. تتغير حالة النظام الديناميكي الحراري المدروس نتيجة للتفاعل مع البيئة. في الطريقة المتكاملة لوصف عملية تغيير حالة النظام الديناميكي الحراري المدروس ، تم وضع افتراضين.

أرز. 1.1 مخطط نموذج متكامل للحريق في الغرفة

أولاً ، يمكن دائمًا اعتبار أن الوسط الغازي داخل الغرفة أثناء الحريق هو مزيج من الغازات المثالية بدقة كبيرة.

ثانيًا ، في كل نقطة في الفضاء داخل الغرفة في أي وقت ، يتحقق التوازن المحلي. هذا يعني أن القيم المحلية للمعلمات الديناميكية الحرارية الرئيسية للحالة (الكثافة والضغط ودرجة الحرارة) مترابطة بواسطة معادلة Clapeyron ، أي

P = rRT ،

ص- الضغط المحلي ، نانومتر 2 ؛

ص- الكثافة المحلية ، كجم م -3 ؛

ص-ثابت غاز محدد ، J · (kg · K) -1 ؛

تي- درجة الحرارة المحلية ، K.

نفترض أنه أثناء الحريق ، تكون مجالات معلمات الحالة الديناميكية الحرارية المحلية غير ثابتة وغير متجانسة. يعد حساب هذه الحقول مشكلة رياضية معقدة للغاية. تسمح لنا الطريقة المتكاملة لوصف حالة البيئة في الغرفة بتجاهل هذه المشكلة.

في الطريقة المتكاملة لوصف حالة النظام الديناميكي الحراري ، وهو الوسط الغازي في الغرفة ، يتم استخدام معلمات الحالة "المتكاملة" - مثل كتلة الوسط الغازي بأكمله وطاقته الحرارية الداخلية. تتيح نسبة هاتين المعلمتين المتكاملتين تقدير درجة تسخين الوسط الغازي في المتوسط. في عملية تطوير الحريق ، تتغير قيم معلمات الحالة المتكاملة المشار إليها.

تتمثل إحدى سمات النظام الديناميكي الحراري المدروس (أي البيئة الغازية في الغرفة) في أن حجمها (أي التكوين المكاني) لا يتغير عمليًا أثناء نشوب حريق. في هذا الصدد ، بدلاً من معلمات الحالة المتكاملة المذكورة أعلاه ، يُنصح باستخدام ، عند دراسة عملية تغيير حالة النظام الديناميكي الحراري ، متوسط ​​المعلمات الحجمية - متوسط ​​الكثافة الحجمية للوسط الغازي والمتوسط ​​الحجمي (محدد) ) الطاقة الداخلية.

متوسط ​​الكثافة الحجمية للوسط الغازيفي الغرفة هي نسبة كتلة الغاز التي تملأ الغرفة إلى حجم الغرفة ، أي

مساءً = م/الخامس,

م -كتلة الغاز تملأ الغرفة ، كجم ؛

الخامس-الحجم الحر للغرفة ، م 3 ؛

تجدر الإشارة إلى أن

من وجهة نظر رسمية ، فإن متوسط ​​الطاقة الداخلية الحجمية للوسط الغازي هو نتيجة المتوسط ​​على حجم جميع قيم الكثافة المحلية ، أي

بيئة الغاز في الغرفة عبارة عن مزيج من الأكسجين والنيتروجين ومنتجات الاحتراق. في عملية تطوير النار ، تتغير النسبة الكمية بين مكونات الخليط. في طريقة متكاملة لوصف عملية التغيير الشامل أنا- المكون الثالث للخليط بمرور الوقت باستخدام متغير يسمى متوسط ​​الحجم الكثافة الجزئية أناالمكون الخامس للخليط.

متوسط ​​الحجم الكثافة الجزئية ط- المكون الثالث هو نسبة كتلة المكون الأول من الخليط (على سبيل المثال ، O 2) الموجود في حجم الغرفة إلى حجم الغرفة ، أي

م, - وزن أناالمكون الثاني الموجود في الغرفة ، كجم.

لاحظ أنه من وجهة نظر رسمية ، فإن متوسط ​​الكثافة الجزئية الحجمية للمكون i هو نتيجة متوسط ​​حجم الغرفة لجميع قيم الكثافة الجزئية المحلية لهذا المكون ، أي

ρ ، - القيمة المحلية للكثافة الجزئية أناالمكون الخامس ، كجم م -3.

متوسط ​​حجم الطاقة الداخلية (المحددة)هي نسبة الطاقة الحرارية الداخلية لكل الغاز الذي يملأ الغرفة إلى حجم الغرفة ، أي

ش- الطاقة الداخلية للوسط الغازي بأكمله الذي يملأ الغرفة.

من وجهة نظر رسمية ، فإن متوسط ​​الطاقة الداخلية الحجمية للوسط الغازي هو نتيجة المتوسط ​​على حجم جميع قيم الطاقة الداخلية المحددة (الحجم) المحلية ، أي

ترتبط القيم المحلية للطاقة الداخلية الحجمية المحددة والطاقة الداخلية للكتلة النوعية بعلاقة بسيطة لها الشكل التالي:

ش-القيمة المحلية للكتلة النوعية للطاقة الداخلية للغاز ، J · kg -1.

نلاحظ هنا أن هناك علاقة بسيطة بين القيمة المحلية للطاقة الداخلية النوعية للكتلة ودرجة الحرارة المحلية لغاز مثالي ، وهي

السيرة الذاتية -السعة الحرارية المتساوية للغاز ، J · kg -1 · K -1.

في الطريقة المتكاملة لوصف عملية تغيير حالة النظام الديناميكي الحراري (أي الوسط الغازي في الغرفة) ، بدلاً من متوسط ​​الطاقة الداخلية الحجمية ، يتم استخدام معلمة حالة تسمى متوسط ​​الضغط الحجمي. هاتان المعلمتان قابلة للتبادل رسميًا. يمكن تحويل الصيغة باستخدام التعبيرات

إذا استخدمنا الآن معادلة Clapeyron ، فيمكننا التحويل والحصول على التعبير التالي:

P-الضغط المحلي ، نانومتر -2 ؛

كهي نسبة السعات الحرارية متساوي الضغط ومتساوي الضغط للغاز المثالي (الأس ثابت الحرارة).

مع الدقة الكافية للممارسة ، يمكننا أن نفترض أن مؤشر ثابت الحرارة في جميع النقاط داخل الغرفة هو نفس القيمة الثابتة. مع وضع هذه الملاحظة في الاعتبار ، يمكن تغيير الصيغة:

التعبير الموجود بين قوسين مربعين هو عملية حساب متوسط ​​جميع قيم الضغط المحلي على حجم الغرفة. تسمى نتيجة هذا المتوسط ​​ضغط الحجم المتوسط ​​، أي

مساءً-متوسط ​​ضغط الحجم ، نانومتر -2.

بمقارنة التعبيرات ، نحصل على العلاقة التالية بين متوسط ​​الطاقة الداخلية الحجمية ومتوسط ​​الضغط الحجمي:

ويترتب على الصيغة الأخيرة أن متوسط ​​الضغط الحجمي يتناسب طرديًا مع متوسط ​​الطاقة الداخلية الحجمية. يجب معرفة متوسط ​​الضغط الحجمي عند حساب تبادل الغازات في الغرفة مع الغلاف الجوي الخارجي ، والذي سيظهر لاحقًا.

تتميز درجة تسخين الوسط الغازي ، في المتوسط ​​، بنسبة الطاقة الداخلية لهذا الوسط إلى كتلته. يمكن تمثيل نسبة هذه الكميات المادية باستخدام الصيغ بالشكل التالي:

إذا تم تقسيم الجزأين الأيمن والأيسر من المعادلة بواسطة السعة الحرارية المتساوية ، فسيتم الحصول على التعبير التالي:

المركب الموجود على الجانب الأيسر من التعبير له البعد "كلفن". هذا المركب هو معلمة حالة للنظام الحراري الديناميكي المدروس ، والذي يسمى متوسط ​​درجة حرارة الكتلة للوسط الغازي ، أي

باستخدام التعبير ، يمكنك تحويل الصيغة ونتيجة لذلك تحصل على المعادلة التالية:

تتعلق هذه المعادلة بثلاث معلمات حالة. في المظهر ، هذه المعادلة هي نفسها معادلة Clapeyron لمعلمات الحالة المحلية. فيما يلي ، للإيجاز ، ستسمى المعادلة بالمعادلة المتوسطة لحالة الوسط الغازي الذي يملأ الغرفة.

يبدو سؤال مهمحول كيفية التعبير عن متوسط ​​درجة حرارة الكتلة من حيث قيم درجة الحرارة المحلية. يطرح هذا السؤال عند إجراء التجارب الطبيعية. ونقتصر هنا على تحليل هذه القضية فيما يتعلق بالحرائق التي تحدث دون انفجارات مصحوبة موجات الصدمة. من سمات هذه الحرائق حقيقة أن قيم الضغوط المطلقة المحلية في جميع النقاط داخل الغرفة تختلف اختلافًا طفيفًا جدًا عن متوسط ​​الضغط الحجمي في جميع مراحل تطور الحريق. بمعنى آخر ، أثناء مثل هذه الحرائق ، لا تختلف نسبة الضغط المطلق المحلي عند كل نقطة داخل الغرفة إلى متوسط ​​الضغط الحجمي عن الوحدة تقريبًا.

للحصول على صيغة يمكن استخدامها لحساب متوسط ​​درجة حرارة الكتلة بتوزيع معروف لدرجات الحرارة المحلية على حجم الغرفة ، نستخدم معادلة الحالة المتوسطة ، والتي نحولها باستخدام معادلة Clapeyron

T-درجة الحرارة المحلية ، ك.

مع مراعاة ما يتحول إلى ما يلي:

تتيح الصيغة حساب متوسط ​​درجة حرارة الكتلة إذا كان توزيع درجات الحرارة المحلية على حجم الغرفة معروفًا (على سبيل المثال ، إذا تم قياس درجات الحرارة المحلية في تجربة طبيعية بعدد كبير بما يكفي من النقاط داخل الغرفة).

من وجهة نظر رسمية ، يمكن اعتبار المعادلة كواحدة من طرق حساب متوسط ​​جميع قيم درجات الحرارة المحلية. إلى جانب ذلك ، في ممارسة الدراسات التجريبية للحرائق ، يتم استخدام طريقة حساب متوسط ​​جميع قيم درجات الحرارة المحلية باستخدام الصيغة التالية:

- متوسط ​​درجة حرارة البيئة ، ك.

متوسط ​​درجة حرارة الحجم ومتوسط ​​درجة حرارة الكتلة متساويان في مجال درجة حرارة موحدة. في حالة مجال درجة الحرارة غير المتجانس ، فإن درجات الحرارة هذه ، بشكل عام ، ليست هي نفسها. يكون الفرق بين درجات الحرارة هذه أكبر ، وكلما زاد عدم تجانس مجال درجة الحرارة.

تعتمد طبيعة نشوب حريق في الغرفة على حجم الفتحات وموقعها ونوع المواد القابلة للاحتراق وكميتها والخصائص الفيزيائية الحرارية لغلاف المبنى وعوامل أخرى. يمكن تقسيم الحرائق في أماكن العمل إلى مجموعات (فئات) من وجهة نظر تحليل الديناميكا الحرارية. يتم وصف الحرائق المدرجة في نفس المجموعة بواسطة معادلات الأبعاد من نفس الشكل وشروط التفرد. على وجه الخصوص ، يمكن تخصيص الحرائق لمجموعة واحدة فقط إذا حدثت في غرف متشابهة هندسيًا. يمكن تحديد ظروف التشابه باستخدام طرق مطورة جيدًا في الفيزياء الحرارية. إحدى طرق تحليل التشابه هي طريقة تقليل معادلات النار إلى شكل بلا أبعاد.

لا يمكن الحصول على حل تحليلي لنظام المعادلات التفاضلية التي تصف تطور الحريق إلا في حالات خاصة. في الحالة العامة ، يتم حل النظام بالطرق العددية.

قبل الشروع في الحل العددي لنظام المعادلات التي تصف الحريق في ظل الظروف المذكورة أعلاه ، من المستحسن تقليل معادلات النار إلى شكل بلا أبعاد.

تمت صياغة المعادلات التفاضلية للنار المتضمنة في النموذج المتكامل في عام 1976 بواسطة البروفيسور Yu.A. كوشماروف. في وقت لاحق ، في عام 1987 ، قام Yu.A. تم استكمال كوشماروف من قبل تلميذه يوس. معادلة Zot ، التي تصف في نظرة عامةتغير في متوسط ​​التركيز البصري للدخان بمرور الوقت.

تتبع معادلات النار ، مثل معظم معادلات الفيزياء الرياضية ، من القوانين الأساسية للطبيعة - القانون الأول للديناميكا الحرارية لنظام ترموديناميكي مفتوح وقانون حفظ الكتلة.

المعادلة الأولى - معادلة التوازن المادي للنار في الغرفة - تأتي من قانون الحفاظ على الكتلة. كما هو مطبق على الوسط الغازي الذي يملأ الغرفة ، يمكن صياغة هذا القانون على النحو التالي: التغيير في كتلة الوسيط الغازي في الغرفة لكل وحدة زمنية يساوي المجموع الجبري لتدفق الكتلة عبر حدود النظام الديناميكي الحراري تحت الاعتبار. يُطلق على الحجم الداخلي لمساحة غرفة الاحتراق الحجم الحر للغرفة ويُشار إليه بالحرف الخامس; G's- معدل تدفق الهواء الوارد من الغلاف الجوي إلى الغرفة ، والذي يحدث في النقطة الزمنية المحددة لعملية تطوير الحريق ، كجم / ثانية ؛ ز ز- استهلاك الغازات التي تخرج من المبنى من خلال الفتحات ، في الوقت المحدد ، كجم / ثانية ؛ ذ- معدل الاحتراق (معدل التغويز) للمواد القابلة للاحتراق في الوقت المحدد ، كجم / ثانية ؛ ص م الخامس- كتلة الوسيط الغازي تملأ الغرفة في الوقت المحدد ، كجم.

لفترة قصيرة من الزمن تساوي د، سيكون هناك تغيير طفيف في كتلة الوسط الغازي. في نفس الوقت ، يمكننا أن نفترض أن القيم ز ز, G'sو ذخلال هذه الفترة القصيرة من الوقت تبقى عمليا دون تغيير. ثم تتم كتابة معادلة توازن المواد للوسط الغازي في الغرفة على النحو التالي

حيث يكون الجانب الأيسر من المعادلة هو التغير في كتلة الوسيط الغازي لكل وحدة زمنية خلال فترة زمنية تساوي ، د. الجانب الأيمن هو المجموع الجبري لتدفقات الكتلة.

وبالمثل ، يمكن الحصول على معادلات تفاضلية لتوازن كتلة الأكسجين ، وتوازن منتج الاحتراق ، وتوازن كمية الدخان البصري.

معادلة توازن كتلة الأكسجين:

معادلة التوازن لمنتج الاحتراق السام:

معادلة توازن الكمية الضوئية للدخان:

أين ص 1 - حجم متوسط ​​الكثافة الجزئية للأكسجين ، كجم × م -3 ؛

ص 2 - متوسط ​​الحجم للكثافة الجزئية لمنتج الاحتراق السام ، كجم × م -3 ؛

مم- متوسط ​​حجم التركيز البصري للدخان ، Np × m -1 ؛

x 1في- جزء من كتلة الأكسجين في الهواء الداخل ( x 1في = 0,27);

متوسط ​​نسبة الأكسجين في الغرفة ؛

إل 1 - معامل القياس المتكافئ للأكسجين (كمية الأكسجين المطلوبة لاحتراق كتلة وحدة من مادة قابلة للاحتراق) ، كجم / كجم ؛

ح- معامل اكتمال الاحتراق ؛

ن 1 - معامل مع مراعاة الاختلاف في تركيز الأكسجين في غازات العادم عن متوسط ​​حجم تركيز الأكسجين ؛

إل 2 - معامل القياس المتكافئ لمنتج الاحتراق (كمية ناتج الاحتراق المتكون أثناء احتراق كتلة وحدة من مادة قابلة للاحتراق) ، كجم / كجم ؛

متوسط ​​الكسر الكتلي للغازات السامة في الغرفة ؛

ن 2 - معامل مع مراعاة الاختلاف في تركيز الغازات السامة في غازات العادم عن متوسط ​​التركيز الحجمي لهذا الغاز ؛

ن 3 - معامل مع مراعاة الاختلاف في التركيز البصري للدخان في غازات العادم عن متوسط ​​القيمة الحجمية للتركيز البصري للدخان ؛

مهاجم- مساحة الأسوار (السقف والأرضية والجدران) ، م 2 ؛

كيه سي- معامل ترسيب جزيئات الدخان على أسطح الهياكل المغلقة ، Np × s -1. معامل الترسيب بمعناه المادي هو معدل ترسيب جزيئات الدخان.

على أساس القانون الأول للديناميكا الحرارية ، يمكن اشتقاق معادلة طاقة النار.

النظام الديناميكي الحراري قيد الدراسة ، أي يتميز الوسط الغازي الموجود داخل سطح التحكم بحقيقة أنه لا يؤدي أعمال التمدد أو الأعمال الميكانيكية الأخرى. الطاقة الحركية للحركة المرئية لوسط الغاز في الغرفة لا تذكر مقارنة بطاقتها الداخلية. تتميز تدفقات الكتلة عبر بعض أقسام سطح التحكم (الفتحات) بحقيقة أن الطاقة الحركية المحددة للغاز فيها لا تذكر مقارنة بالمحتوى الحراري المحدد.

يصف نظام المعادلات المعروض هنا التطور الحر للنار.

نموذج حريق متكامل
نموذج المنطقةنار

معلومات عامة حول حساب الحرائق. مخاطر الحريق.

يعد حساب الحريق (التنبؤ بالعوامل الخطرة) ضروريًا لتقييم توقيت الإخلاء ووضع تدابير لتحسينه ، وإنشاء وتحسين أنظمة الإنذار والإنذار وإطفاء الحرائق ، ووضع خطط إطفاء الحرائق (تخطيط العمليات القتالية لإدارات مكافحة الحرائق في حالة نشوب حريق) ، لتقييم الحدود الفعلية لمقاومة الحريق ، وإجراء الفحوصات الفنية للحريق وأغراض أخرى.
عادة ما يتم تمييز ثلاث مراحل عند نشوب حريق في الغرفة:
- المرحلة الأولية - من حدوث مصدر احتراق محلي غير متحكم فيه إلى التغطية الكاملة للمباني باللهب ؛ حيث معدل الحرارةلا تحتوي البيئة في الغرفة على قيم عالية ، ولكن داخل منطقة الاحتراق وحولها تكون درجة الحرارة بحيث يكون معدل إطلاق الحرارة أعلى من معدل إزالة الحرارة من منطقة الاحتراق ، مما يؤدي إلى تسريع عملية الاحتراق نفسها ؛
- مرحلة التطوير الكامل للحريق - تحترق جميع المواد والمواد القابلة للاحتراق في الغرفة ؛ تصل شدة إطلاق الحرارة من الأجسام المحترقة إلى الحد الأقصى ، مما يؤدي أيضًا إلى زيادة سريعة في درجة حرارة بيئة الغرفة إلى القيم القصوى ؛
- مرحلة توهين الحريق - تنخفض شدة عملية الاحتراق في الغرفة بسبب استهلاك كتلة المواد القابلة للاحتراق فيها أو تأثير عوامل إطفاء الحريق.
ومع ذلك ، على أي حال ، كما تظهر معادلة "النار القياسية" ، فإن درجة الحرارة في مقعد النار بعد 1.125 دقيقة تصل إلى 365 درجة مئوية. لذلك ، من الواضح أن الوقت المحتمل لإجلاء الأشخاص من المبنى لا يمكن أن يتجاوز مدة المرحلة الأولية من الحريق.
في المرحلة الأولى من نشوب حريق ، العوامل الخطرة على الإنسان هي: اللهب ، ودرجة الحرارة المرتفعة ، وشدة الإشعاع الحراري ، ومنتجات الاحتراق السامة ، والدخان ، وانخفاض محتوى الأكسجين في الهواء ، منذ الوصول إلى مستويات معينة ، أنها تؤثر على جسده ، خاصة مع تأثير تآزري.
أثبتت الدراسات التي أجريت على العلماء المحليين والأجانب أن درجة الحرارة القصوى التي يتحملها الشخص في جو جاف لفترة قصيرة هي 149 درجة مئوية ، وفي جو رطب ، كانت الدرجة الثانية من الحرق ناتجة عن التعرض لدرجة حرارة 55 درجة مئوية لمدة 20 ثانية. و 70 درجة مئوية لمدة 1 ثانية ؛ وكثافة التدفقات الحرارية المشعة البالغة 3500 واط / م 2 تسبب حروقًا في الجهاز التنفسي ومناطق الجلد المفتوحة على الفور تقريبًا ؛ تركيزات المواد السامة في الهواء قاتلة: أول أكسيد الكربون (CO) في 1.0٪ في 2-3 دقائق ، وثاني أكسيد الكربون (CO2) في 5٪ في 5 دقائق ، وسيانيد الهيدروجين (HCN) في 0.005٪ على الفور تقريبًا ؛ بتركيز كلوريد الهيدروجين (HCL) 0.01-0.015٪ ، يتوقف التنفس ؛ عندما ينخفض ​​تركيز الأكسجين في الهواء من 23٪ إلى 16٪ ، تتدهور الوظائف الحركية للجسم ، ويضطرب التنسيق العضلي لدرجة أن الحركة المستقلة للأشخاص تصبح مستحيلة ، ويقل تركيز الأكسجين إلى 9٪ يؤدي إلى الموت في 5 دقائق.
العمل المشترك لبعض العوامل يعزز تأثيرها على جسم الإنسان (تأثير تآزري). لذلك تزداد سمية أول أكسيد الكربون في وجود الدخان والرطوبة وانخفاض تركيز الأكسجين وزيادة درجة الحرارة. تم العثور على تأثير تآزري أيضًا مع العمل المشترك لثاني أكسيد النيتروجين وانخفاض تركيز الأكسجين عند درجات الحرارة المرتفعة ، وكذلك مع العمل المشترك لسيانيد الهيدروجين وأول أكسيد الكربون.
للدخان تأثير خاص على الناس. الدخان عبارة عن مزيج من جزيئات الكربون غير المحترقة بأحجام جسيمات تتراوح من 0.05 إلى 5.0 ميكرون. هذه الجسيمات تكثف الغازات السامة. لذلك ، يبدو أن تعرض الإنسان للدخان له تأثير تآزري.
في الواقع ، تطلق النار كمية أكبر من السموم ، والتي تمت دراسة آثارها جيدًا (الجدولان 1 و 2). يتم تطبيع الحد الأقصى المسموح به من عوامل الحريق (الأساسية) الخطرة ، التي لا يؤذي تأثيرها الشخص (الجدول 3). عند الهروب من المبنى ، تنتشر مخاطر الحريق ، وخاصة الدخان ، بسرعة على طول مسارات الاتصال بالمبنى.

مصادر. 1-4 ، 6 - GOST 12.1.004-91 ؛ 5 - GOST 12.3.047-98 ؛ 7 - كابوس يو أ. التنبؤ بالعوامل الخطيرة للحريق في الغرفة: Proc. مخصص. - م: أكاديمية خدمة الإطفاء الحكومية التابعة لوزارة الشؤون الداخلية للاتحاد الروسي ، 2000.

للتنبؤ بالعوامل الخطرة للحريق ، تكامل (التنبؤ بمتوسط ​​قيم معلمات حالة البيئة في الغرفة في أي لحظة من نشوب حريق) ، المنطقة (التنبؤ بحجم المكاني المميز المناطق التي تحدث أثناء نشوب حريق في غرفة ومتوسط ​​قيم معلمات حالة البيئة في هذه المناطق لأي لحظة من تطور الحريق أمثلة على المناطق هي المنطقة المثبتة في السقف ، وتصاعد تدفق الغازات الساخنة مصدر الاحتراق ومنطقة المنطقة الباردة غير المدخنة) ونماذج الحرائق الميدانية (التفاضلية) (التنبؤ بالتوزيع الزماني المكاني لدرجات الحرارة وسرعات الوسط الغازي في الغرفة ، وتركيزات المكونات المتوسطة والضغوط والكثافة عند أي نقطة في الغرفة).
للحسابات ، من الضروري تحليل البيانات التالية:
- قرارات تخطيط الفضاء للكائن ؛
- الخصائص الفيزيائية الحرارية لإحاطة الهياكل والمعدات الموجودة في المرفق ؛
- نوع وكمية وموقع المواد القابلة للاحتراق ؛
- عدد الأشخاص وموقعهم المحتمل في المبنى ؛
- الأهمية المادية والاجتماعية للكائن ؛
- انظمة الكشف عن الحرائق واطفاءها ، الحماية من الدخان والحماية من الحرائق ، انظمة سلامة الافراد.
هذا يأخذ في الاعتبار:
- احتمال نشوب حريق ؛
- الديناميات الممكنة لتطوير النار ؛
- توافر وخصائص أنظمة الحماية من الحرائق (SPPS) ؛
- الاحتمالية والعواقب المحتملة لتأثير الحريق على الناس ، وهيكل المبنى والقيم المادية ؛
- امتثال الكائن و SPZ الخاص به لمتطلبات معايير السلامة من الحرائق.

بعد ذلك ، تحتاج إلى تبرير سيناريو نشوب حريق. تتضمن صياغة سيناريو تطوير الحريق الخطوات التالية:
- اختيار موقع المصدر الأولي للحريق وأنماط تطوره ؛
- تحديد منطقة الحساب (اختيار نظام المباني في الاعتبار في الحساب ، وتحديد العناصر التي تؤخذ في الاعتبار في الحساب الهيكل الداخليأماكن العمل ، وتحديد حالة الفتحات) ؛
- تحديد معلمات البيئة والقيم الأولية للمعلمات داخل المبنى.

نموذج حريق متكامل

يصف النموذج الرياضي المتكامل للحريق في الشكل الأكثر عمومية عملية تغيير حالة الوسط الغازي في الغرفة بمرور الوقت.
من وجهة نظر الديناميكا الحرارية ، فإن الوسيط الغازي الذي يملأ الغرفة بالفتحات (النوافذ والأبواب وما إلى ذلك) ككائن للدراسة هو نظام ديناميكي حراري مفتوح. الهياكل المغلقة (الأرضية ، السقف ، الجدران) والهواء الخارجي (الغلاف الجوي) هي البيئة الخارجية فيما يتعلق بهذا النظام الديناميكي الحراري. يتفاعل هذا النظام مع البيئة من خلال نقل الحرارة والكتلة. أثناء نشوب حريق ، يتم دفع الغازات الساخنة خارج الغرفة من خلال بعض الفتحات ، ويدخل الهواء البارد من خلال فتحات أخرى. كمية المادة ، أي تتغير كتلة الغاز في النظام الديناميكي الحراري المدروس بمرور الوقت. يرجع تدفق الهواء البارد إلى عمل الدفع الذي تقوم به البيئة الخارجية. يؤدي النظام الديناميكي الحراري بدوره العمل عن طريق دفع الغازات الساخنة إلى الغلاف الجوي الخارجي. يتفاعل هذا النظام الديناميكي الحراري أيضًا مع الهياكل المغلقة من خلال التبادل الحراري. بالإضافة إلى ذلك ، تدخل المادة في هذا النظام من سطح المادة المحترقة (أي من منطقة اللهب) في شكل منتجات احتراق غازية.
تتغير حالة النظام الديناميكي الحراري المدروس نتيجة للتفاعل مع البيئة. في الطريقة المتكاملة لوصف حالة النظام الديناميكي الحراري ، وهو الوسط الغازي في الغرفة ، يتم استخدام معلمات الحالة "المتكاملة" - مثل كتلة الوسط الغازي بأكمله وطاقته الحرارية الداخلية. تتيح نسبة هاتين المعلمتين المتكاملتين تقدير درجة تسخين الوسط الغازي في المتوسط. في عملية تطوير الحريق ، تتغير قيم معلمات الحالة المتكاملة المشار إليها.

نموذج حريق المنطقة

تعتمد طريقة المنطقة لحساب ديناميكيات RPP على القوانين الأساسية للطبيعة - قوانين حفظ الكتلة والزخم والطاقة. بيئة الغاز في المبنى عبارة عن نظام ديناميكي حراري مفتوح يتبادل الكتلة والطاقة مع البيئة من خلال الفتحات المفتوحة في الهياكل المغلقة للمباني. وسط الغاز متعدد الأطوار ، لأن يتكون من خليط من الغازات (أكسجين ، نيتروجين ، نواتج الاحتراق وتغويز مادة قابلة للاحتراق ، غازية عامل إطفاء) وجسيمات دقيقة (صلبة أو سائلة) من مواد دخان وإطفاء حريق.
في النموذج الرياضي للمنطقة ، ينقسم حجم الغاز في الغرفة إلى مناطق مميزة ، حيث تُستخدم المعادلات المقابلة لقوانين الحفظ لوصف الحرارة وانتقال الكتلة. يتم اختيار أحجام وعدد المناطق بطريقة تجعل ، داخل كل منها ، عدم تجانس درجة الحرارة وغيرها من مجالات معلمات الوسط الغازي أقل ما يمكن ، أو من بعض الافتراضات الأخرى التي تحددها أهداف دراسة وموقع المواد القابلة للاحتراق.
الأكثر شيوعًا هو نموذج المناطق الثلاث ، حيث يتم تقسيم حجم الغرفة إلى المناطق التالية: عمود الحمل الحراري ، وطبقة السقف ومنطقة الهواء البارد ، الشكل. واحد.

الصورة 1.

نتيجة للحساب وفقًا لنموذج المنطقة ، تم العثور على تبعيات الوقت لمعلمات نقل الحرارة والكتلة التالية:
- متوسط ​​قيم حجم درجة الحرارة والضغط وتركيزات الكتلة للأكسجين والنيتروجين وغاز إطفاء الحرائق ومنتجات الاحتراق ، فضلاً عن الكثافة البصرية للدخان ومدى الرؤية في طبقة دخان قريبة من السقف في الغرفة ؛
- الحد السفلي للطبقة المدخنة القريبة من السقف المسخن ؛
- التوزيع على طول ارتفاع عمود التدفق الكتلي ودرجة الحرارة والانبعاثية الفعالة لخليط الغاز المتوسط ​​على المقطع العرضي للعمود ؛
- معدلات التدفق الكتلي لتدفق الغازات إلى الخارج وتدفق الهواء الخارجي إلى الداخل من خلال فتحات مفتوحة ؛
- تدفقات الحرارة المؤدية إلى السقف والجدران والأرضية ، وكذلك تشعها من خلال الفتحات ؛
- درجة حرارة (مجالات درجة الحرارة) للهياكل المغلقة ؛
يتم وصف الجهاز الرياضي للنموذج في الأدلة العلمية والمنهجية الواردة في قسم "الأدب" من هذا القسم.

طريقة الحساب الميداني (التفاضلي)

الطريقة الميدانية هي الأكثر تنوعًا بين الطرق الحتمية الحالية ، لأنها تعتمد على حل المعادلات التفاضلية الجزئية التي تعبر عن قوانين الحفظ الأساسية في كل نقطة في المجال الحسابي. يمكن استخدامه لحساب درجة الحرارة والسرعة والسرعة وتركيزات مكونات الخليط وما إلى ذلك في كل نقطة من المنطقة الحسابية ، انظر الشكل. 2. في هذا الصدد ، يمكن استخدام الطريقة الميدانية:
. لإجراء بحث علمي لتحديد أنماط تطور الحرائق ؛
. لإجراء حسابات مقارنة من أجل اختبار وتحسين النماذج الأقل عالمية ومنطقية وتكاملية ، للتحقق من صحتها وتطبيقها ؛
. اختيار خيار عقلاني للحماية من الحرائق لأشياء معينة:
. نمذجة انتشار الحريق في الغرف التي يزيد ارتفاعها عن 6 أمتار.

أرز. 2. الحسابات باستخدام النموذج الميداني.

في الأساس ، لا تحتوي الطريقة الميدانية على أي افتراضات مسبقة حول بنية التدفق ، وبالتالي فهي قابلة للتطبيق بشكل أساسي للنظر في أي سيناريو لتطور الحريق.
ومع ذلك ، تجدر الإشارة إلى أن استخدامه يتطلب موارد حاسوبية كبيرة. يفرض هذا عددًا من القيود على حجم النظام قيد الدراسة ويقلل من إمكانية إجراء حسابات متعددة المتغيرات. لذلك ، تعد طرق النمذجة المتكاملة والمنطقة أدوات مهمة أيضًا في تقييم مخاطر حريق الكائنات في الحالات التي تكون فيها معلومات كافية والافتراضات الموضوعة في صياغتها لا تتعارض مع صورة تطور الحريق.
ومع ذلك ، استنادًا إلى البحث الذي تم إجراؤه ، يمكن القول أنه نظرًا لأن الافتراضات المسبقة لنماذج المنطقة يمكن أن تؤدي إلى أخطاء كبيرة في تقييم مخاطر حريق كائن ما ، فمن الأفضل استخدام طريقة النمذجة الميدانية في الحالات التالية:
. للمباني ذات التكوين الهندسي المعقد ، وكذلك للمباني التي بها عدد كبير من الحواجز الداخلية ؛
. الغرف التي يكون فيها أحد الأبعاد الهندسية أكبر بكثير من الأبعاد الأخرى ؛
. الأماكن التي توجد فيها إمكانية لتشكيل تدفقات إعادة التدوير دون تكوين طبقة علوية ساخنة (وهو الافتراض الرئيسي لنماذج المنطقة الكلاسيكية) ؛
. في حالات أخرى ، عندما تكون نماذج المناطق والنماذج المتكاملة غير كافية بالمعلومات لحل المهام المحددة ، أو إذا كان هناك سبب للاعتقاد بأن تطور الحريق قد يختلف اختلافًا كبيرًا عن الافتراضات المسبقة لنماذج الحرائق المنطقية والمتكاملة.

يتم وصف الجهاز الرياضي للنموذج في الأدلة العلمية والمنهجية الواردة في قسم "الأدب" من هذا القسم.

معايير اختيار نماذج النار للحسابات

وفقًا لمسودة وثيقة "منهجية تقييم المخاطر للمباني العامة" ، يتم استخدام ثلاث مجموعات رئيسية من النماذج الحتمية لوصف المعلمات الديناميكية الحرارية للحريق: التكامل ، والمنطقة (المنطقة) والميدانية.
يجب أن يتم اختيار نموذج معين لحساب وقت إغلاق طرق الهروب على أساس المتطلبات الأساسية التالية:
طريقة متكاملة:
 للمباني والهياكل التي تحتوي على نظام متطور للغرف صغيرة الحجم ذات التكوين الهندسي البسيط
 إجراء نمذجة محاكاة للحالات عندما يكون أخذ الطبيعة العشوائية للحريق في الاعتبار أكثر أهمية من التنبؤ الدقيق والمفصل لخصائصه ؛
 للغرف التي يتناسب فيها الحجم المميز لمقعد النار مع الحجم المميز للغرفة ؛

طريقة المنطقة:
 للمباني وأنظمة المباني ذات التكوين الهندسي البسيط ، والتي تتناسب أبعادها الخطية مع بعضها البعض ؛
 للغرف ذات الحجم الكبير ، عندما يكون حجم مقعد النار أقل بكثير من حجم الغرفة ؛
 لمناطق العمل الواقعة على مستويات مختلفة داخل نفس الغرفة (قاعة مائلة للسينما ، وميزانين ، وما إلى ذلك) ؛

الطريقة الميدانية:
- للغرف ذات التكوين الهندسي المعقد ، وكذلك الغرف التي بها عدد كبير من الحواجز الداخلية (الردهات مع نظام صالات العرض والممرات المجاورة ، مراكز متعددة الوظائفمع نظام معقد من الاتصالات الرأسية والأفقية ، وما إلى ذلك) ؛
- للغرف التي يكون فيها أحد الأبعاد الهندسية أكبر (أصغر) بكثير من الأبعاد الأخرى (الأنفاق ، مواقف السيارات المغلقة لمساحة كبيرة ، إلخ) ؛
- بالنسبة للحالات الأخرى التي يكون فيها قابلية التطبيق أو المحتوى المعلوماتي للمنطقة والنماذج المتكاملة موضع شك (الهياكل الفريدة ، وانتشار الحريق على طول واجهة المبنى ، والحاجة إلى مراعاة تشغيل أنظمة الحماية من الحرائق التي يمكن أن تغير صورة حريق ، وما إلى ذلك).

خاصية حمل النار النموذجي (أمثلة)

المباني I-II Art. الحرائق؛ أثاث + منتجات منزلية
صافي القيمة الحرارية ، كيلوجول / كجم 13800.0
السرعة الخطية للهب ، كثافة م / ث / جيجاهيرتز ، كجم / م 3 0.0108
معدل الإرهاق المحدد ، كجم / م 2-ث 0.01450
قدرة توليد الدخان ، Npm2 / kg 270.00
استهلاك الأكسجين (О2) ، كجم / كجم -1.0300
إطلاق الغاز:
ثاني أكسيد الكربون (COg) ، كجم / كجم 0.20300
أول أكسيد الكربون (CO) ، كجم / كجم 0.00220
كلوريد الهيدروجين (HC1) ، كجم / كجم 0.01400

مبنى I-II Art. الحرائق؛ أثاث + أقمشة
صافي القيمة الحرارية ، كيلو جول / كجم 14700.0
السرعة الخطية للهب ، كثافة م / ث / جيجاهرتز ، كجم / م 3. 0.0108
معدل الإرهاق النوعي ، 0.01450 كجم / م 2
قدرة توليد الدخان ، Npm2 / kg. ... 82.00
استهلاك الأكسجين (O2) كجم / كجم -1.4370
إطلاق الغاز:
ثاني أكسيد الكربون (CO2). كجم / كجم ...... 1.28500
أول أكسيد الكربون (CO) ، كجم / كجم 0.00220
كلوريد الهيدروجين (HC1) ، كجم / كجم. 0.00600

المباني العامة؛ أثاث + مشمع PVC (0.9 + 0.1)
صافي القيمة الحرارية ، كيلو جول / كجم 14000.0
سرعة اللهب الخطية ، كثافة م / ث / جيجاهيرتز ، كجم / م 3 0.015
معدل الإرهاق المحدد ، كجم / م 2. 0.01370
قدرة توليد الدخان ، Npm2 / kg 47.70
استهلاك الأكسجين (Og) ، كجم / كجم -1.3690
إطلاق الغاز:
ثاني أكسيد الكربون (CO2) ، كجم / كجم 1.47800
أول أكسيد الكربون (CO) ، كجم / كجم 0.03000
كلوريد الهيدروجين (HC1) ، كجم / كجم .. 0.00580

المكتبات ودور المحفوظات ؛ الكتب والمجلات على الرفوف
صافي القيمة الحرارية ، كيلو جول / كجم 14500.0
سرعة اللهب الخطية ، كثافة م / ث / جيجاهيرتز ، كجم / م 3 0.0103
معدل الإرهاق المحدد ، 0.01100 كجم / م 2
قدرة توليد الدخان ، Npm2 / كجم 49.50
استهلاك الأكسجين (О2) ، كجم / كجم -1.1540
إطلاق الغاز:
ثاني أكسيد الكربون (CO2) ، كجم / كجم 1.10870
أول أكسيد الكربون (CO) ، كجم / كجم 0.09740
كلوريد الهيدروجين (HC1) ، كجم / كجم. .0.00000

ملابس. وبر ، أقمشة (صوف + نايلون)
صافي القيمة الحرارية ، كيلو جول / كجم 23300.0
سرعة اللهب الخطية ، كثافة م / ث / جيجاهيرتز ، كجم / م 3 0.0835
معدل الإرهاق النوعي ، كجم / م 2-ث 0.01300
قدرة ظفورمينغ ، Npm2 / كجم 129.00
استهلاك الأكسجين (О2) ، كجم / كجم -3.6980
إطلاق الغاز:
ثاني أكسيد الكربون (CO2) ، كجم / كجم 0.46700
أول أكسيد الكربون (CO) ، كجم / كجم 0.01450
كلوريد الهيدروجين (HC1) ، كجم / كجم 0.00000

Rezinotehn. منتجات؛ منتجات المطاط والمطاط
صافي القيمة الحرارية ، كيلو جول / كجم 36000.0
السرعة الخطية للهب ، كثافة م / ث / جيجاهيرتز ، كجم / م 3 .... 0.0184
معدل الإرهاق المحدد ، كجم / م 2-ث 0.01120
قدرة توليد الدخان ، Np m2 / kg 850.00
استهلاك الأكسجين (О2) ، كجم / كجم -2.9900
إطلاق الغاز:
ثاني أكسيد الكربون (CO2) ، كجم / كجم 0.41600
أول أكسيد الكربون (CO) ، كجم / كجم .. 0.01500
كلوريد الهيدروجين (HC1) ، كجم / كجم 0.00000

سيارة 0.3 * (مطاط ، بنزين) + 0.15 * (PPU ، جلد PVC) + 0.1 * مينا
صافي القيمة الحرارية ، كيلوجول / كجم 31700.0
سرعة اللهب الخطية ، كثافة م / ث / جيجاهيرتز ، كجم / م 3 0.0068
معدل الإرهاق المحدد ، كجم / م 2 ثانية 0.02330
قدرة توليد الدخان ، Np m2 / kg 487.00
استهلاك الأكسجين (О2) كجم / كجم. -2.6400
إطلاق الغاز:
ثاني أكسيد الكربون (CO2) ، كجم / كجم 1.29500
أول أكسيد الكربون (CO) ، كجم / كجم 0.09700

خزانة؛ أثاث + ورق (0.75 + 0.25)
صافي القيمة الحرارية ، كيلوجول / كجم 14002.0
سرعة اللهب الخطية ، كثافة م / ث / جيجاهيرتز ، كجم / م 3 0.042
معدل الإرهاق النوعي ، كجم / م 2 × 0.01290
قدرة توليد الدخان ، Npm2 / kg .. 53.00
استهلاك الأكسجين (О2) كجم / كجم. . - 1.1610
إطلاق الغاز:
ثاني أكسيد الكربون (CO2) كجم / كجم ... 0.64200
أول أكسيد الكربون (CO) ، كجم / كجم ....... 0.03170
كلوريد الهيدروجين (HC1) ، كجم / كجم. ، 0.00000

غرفة مبطنة بألواح الألواح الليفية
صافي القيمة الحرارية ، كيلوجول / كجم 18100.0
سرعة اللهب الخطية ، كثافة م / ث / جيجاهيرتز ، كجم / م 3 0.0405
معدل الإرهاق النوعي ، 0.01430 كجم / م 2
قدرة توليد الدخان ، Npm2 / kg 130.00
استهلاك الأكسجين (O2) ، كجم / كجم - 1.1500
إطلاق الغاز:
ثاني أكسيد الكربون (СО2) ، كجم / كجم 0.68600
أول أكسيد الكربون (CO) ، كجم / كجم 0.02150
كلوريد الهيدروجين (HC1) كجم / كجم .... جم .. 0.00000

المؤلفات

القانون الاتحادي للاتحاد الروسي المؤرخ 22 يوليو / تموز 2008 رقم 123-FZ " اللائحة الفنيةبشأن متطلبات السلامة من الحرائق.
GOST 12.1.004-91 * السلامة من الحرائق. المتطلبات العامة.
GOST 12.1.033-81 * السلامة من الحرائق. المصطلحات والتعريفات.
SP 118.13330.2012 المباني والمنشآت العامة.
SNiP 21-01-97 * سلامة المباني والهياكل من الحريق.
Kholshchevnikov V.V. ، Samoshin D.A. Parfenenko A.P.، Kudrin I.S.، Istratov R.N.، Belokhov I.R. إخلاء وسلوك الناس في حالة نشوب حرائق: Proc. مخصص. - م: أكاديمية روسيا لنظام تحديد المواقع العالمي (EMERCOM) ، 2015. - 262 ص.

النموذج الرياضي المتكامل للحريق هو نظام من المعادلات التفاضلية العادية التي تصف التغيير في متوسط ​​معلمات الحجم لحالة البيئة الغازية في الغرفة أثناء نشوب حريق. هل يتبعون القوانين الأساسية للطبيعة؟ القانون الأول للديناميكا الحرارية لنظام ديناميكي حراري مفتوح وقانون حفظ الكتلة. لأول مرة ، تم صياغة النموذج المتكامل بواسطة البروفيسور Yu.A. كوشماروف في عام 1976.

تم وصف نموذج الحريق المتكامل بمزيد من التفصيل في الملحق 6 لأمر وزارة الطوارئ الروسية بتاريخ 30 يونيو 2009 رقم 382.

حدود النموذج المتكامل

ينطبق النموذج المتكامل في الحالة التي يمكن فيها اعتبار حالة الوسيط الغازي بدرجة كافية من اليقين كما هي في جميع أنحاء حجم الغرفة بالكامل. هذا الافتراض صحيح إذا كان النموذج يحتوي على:

مصدر نار كبير بدرجة كافية ؛

حجم صغير نسبيًا من المباني ؛

تبادل غازات داخلي جيد ، يضمن خلطًا موحدًا لمنتجات الاحتراق.

وبالتالي ، يمكن تطبيق النموذج المتكامل في ظل الشروط التالية:

للمباني التي تحتوي على نظام متطور للغرف صغيرة الحجم ذات التكوين الهندسي البسيط ؛

بالنسبة للغرف التي يتناسب فيها الحجم المميز لمقعد النار مع الأبعاد المميزة للغرفة وتتناسب أبعاد الغرفة مع بعضها البعض (تختلف الأبعاد الخطية للغرفة بما لا يزيد عن 5 مرات) ؛

لإجراء حسابات أولية من أجل تحديد سيناريو الحريق الأكثر خطورة.

إذا كان أحد الأبعاد الخطية للغرفة أكبر بخمس مرات من واحد على الأقل من البعدين الخطيين الآخرين ، فمن الضروري تقسيم هذه الغرفة إلى أقسام ، تتناسب أبعادها مع بعضها البعض ، والنظر في الأقسام كغرف منفصلة متصلة بواسطة فتحات ، والتي تساوي مساحة المقطع العرضي على حدود قطع الأراضي. لا يُسمح باستخدام إجراء مماثل في حالة تجاوز البعدين الخطيين الثالث بأكثر من 5 مرات.

يتيح نموذج المنطقة الحصول على معلومات حول حجم المناطق المميزة التي تحدث أثناء نشوب حريق في المبنى والمتغيرات المتوسطة لحالة البيئة في هذه المناطق.

تُستخدم النماذج الرياضية للمنطقة بشكل أساسي لدراسة ديناميكيات عوامل الحريق الخطرة في المرحلة الأولى من الحريق. في المرحلة الأولية ، يتميز توزيع معلمات حالة الوسيط الغازي على حجم الغرفة بعدم التجانس الكبير (التفاوت). خلال هذه الفترة (الجزء) من الوقت ، يمكن تقسيم المساحة داخل الغرفة بشكل مشروط إلى عدد من المناطق المميزة بدرجات حرارة مختلفة بشكل كبير وتركيبات الوسائط الغازية. لا تبقى حدود هذه المناطق ثابتة وثابتة مع تطور الحريق. بمرور الوقت ، يتغير التكوين الهندسي للمناطق ويختفي اختلاف التباين بين معلمات حالة الغاز في هذه المناطق. من حيث المبدأ ، يمكن تقسيم المساحة داخل الغرفة إلى أي عدد من المناطق. في هذه المحاضرة ، سننظر في أبسط نموذج منطقة للحريق ، والذي يمكن تطبيقه في ظل ظروف تكون فيها أبعاد مصدر الاحتراق أصغر بكثير من أبعاد الغرفة. يمكن تمثيل عملية تطوير الحريق على النحو التالي. بعد اشتعال المواد القابلة للاحتراق ، تندفع المنتجات الغازية الناتجة إلى الأعلى ، وتشكل نفاثة الحمل الحراري فوق مركز الاحتراق. بعد أن وصلت إلى سقف الغرفة ، تنتشر هذه الطائرة ، وتشكل طبقة من الغاز الدخاني بالقرب من السقف. بمرور الوقت ، يزداد سمك هذه الطبقة. 1. بيان مشكلة نمذجة المنطقة. وفقًا لما سبق ، يمكن تمييز ثلاث مناطق مميزة في حجم الغرفة: عمود الحمل الحراري فوق النار ، وطبقة من الغاز المسخن بالقرب من السقف ، ومنطقة هوائية مع معلمات حالة غير متغيرة عمليًا تساوي قيمها الأولية. يُطلق على النموذج الرياضي للنار ، المستند إلى تقسيم الفضاء إلى مناطق مميزة ، نموذج المناطق الثلاث.

فيما يلي ، نقتصر على النظر في المرحلة الأولى من المرحلة الأولى من الحريق. مفهوم "المرحلة الأولى من المرحلة الأولية من الحريق" يعني طول الفترة الزمنية التي يصل خلالها الحد السفلي للطبقة القريبة من السقف ، المتناقص باستمرار ، إلى الحافة العلوية للمدخل. في المرحلة الأولى من المرحلة الأولى من الحريق ، تتراكم الغازات الساخنة فقط في منطقة السقف. في المرحلة الثانية ، يقع الحد السفلي للمنطقة الثانية أسفل الحافة العلوية للمدخل. مع بداية المرحلة الثانية ، تبدأ عملية تدفق الغازات الساخنة من الغرفة عبر المدخل. قبل بداية هذه المرحلة ، يحدث فقط إزاحة (من خلال المدخل) للهواء البارد من المنطقة الثالثة.

يتيح نموذج المجال (التفاضلي) إمكانية حساب قيم جميع معلمات الحالة المحلية في جميع نقاط الفضاء داخل الغرفة في أي لحظة من تطور الحريق.

نموذج المجال التفاضلي. يسمح نموذج الحريق المتكامل بالحصول على معلومات حول القيم المتوسطة لمعلمات البيئة في الغرفة لأي لحظة من تطور الحريق. يسمح نموذج المنطقة للفرد بالحصول على فكرة عن حجم المناطق المميزة التي تحدث أثناء نشوب حريق في الغرفة ، بالإضافة إلى متوسط ​​معلمات حالة البيئة داخل هذه المناطق. وأخيرًا ، يتيح نموذج المجال التفاضلي إمكانية حساب قيمة جميع معلمات الحالة المحلية في أي نقطة في مساحة الغرفة لأي لحظة من تطور الحريق. تتميز جميع النماذج الثلاثة رياضيًا بمستويات مختلفة من التعقيد. النموذج الأكثر سهولة في التنفيذ هو النموذج المتكامل ، كما أنه الأقل دقة. الواعدة ، من حيث تطبيق عمليهو نموذج احتراق ميداني.

تعتمد النماذج الميدانية على نظام المعادلات التفاضلية الجزئية. نتائج حل نظام المعادلات هذا هي مجالات توزيع درجات الحرارة والسرعات وتركيزات مكونات الوسط الغازي في كل لحظة من الزمن. يقوم برنامج FDS (Fire Dynamics Simulator) بتنفيذ نموذج هيدروديناميكي حسابي (CFD) لنقل الحرارة والكتلة أثناء الاحتراق. يحل FDS معادلات Navier-Stokes للتدفقات المعتمدة على درجة حرارة منخفضة السرعة. الخوارزمية الأساسية عبارة عن مخطط محدد لاستخدام طريقة مصحح التنبؤ من الدرجة الثانية من الدقة في الإحداثيات والوقت.

يتم تنفيذ الاضطراب باستخدام نموذج Smagorinsky "Vortex Scale Modeling". نحن مهتمون بشكل أساسي بالوقت الأولي للحريق ، عند تشغيل الأوتوماتيكي إنذار حريقيمكن أن يؤدي إلى أداء النظام لوظائفه المستهدفة (إخلاء الأشخاص ، إطفاء حريق فعال). هذا الوقت قصير نسبيًا ، وخلال هذه الفترة الزمنية ، تحتوي النار على بعض الميزات التي تجعل من الممكن تبسيط النموذج الرياضي بشكل أكبر. الميزة الأساسية هذه العمليةهو نقص تبادل الغازات بين الغرفة والبيئة.

لا يوجد هواء يدخل الغرفة من البيئة ، ويتم تحديد ديناميكيات الإشعال فقط من خلال حمل النار. لذلك ، فإن نموذج الحريق الميداني الذي تم تناوله في هذه الورقة محدود زمنيًا ولا يكون صالحًا إلا في اللحظة الأولى من تطور الحريق ، بينما لا يوجد تدفق هواء إلى الغرفة ،

تختلف النماذج المدرجة عن بعضها البعض في كمية المعلومات التي يمكن أن تقدمها عن حالة البيئة الغازية في الغرفة والهياكل التي تتفاعل معها في مراحل مختلفة من الحريق.

رياضياً ، تتميز الأنواع الثلاثة المذكورة أعلاه من نماذج النار بمستويات مختلفة من التعقيد. الأكثر تعقيدًا من الناحية الرياضية هو النموذج الميداني.

محاكاة التنبؤ بالحرائق الخطرة

تصف النماذج الرياضية لتطور حريق في غرفة ما ، في الشكل الأكثر عمومية ، التغييرات في معلمات حالة البيئة ، وإرفاق الهياكل وعناصر المعدات بمرور الوقت. تعتمد المعادلات والنماذج الرياضية لنار في غرفة على القوانين الأساسية للفيزياء: قوانين حفظ الكتلة والطاقة والزخم. تعكس هذه المعادلات المجموعة الكاملة من العمليات المترابطة والمترابطة المتأصلة في الحريق - إطلاق الحرارة نتيجة الاحتراق ، وانبعاث الدخان والتغيرات في الخصائص البصرية للوسط الغازي ، وإطلاق وتوزيع منتجات الاحتراق السامة مع البيئة ومع المباني المجاورة ، ونقل الحرارة وتسخين مظاريف المبنى ، وما إلى ذلك. تعتمد نمذجة الطريقة المتكاملة على نمذجة حريق في غرفة على مستوى متوسط ​​الخصائص (متوسط ​​معلمات الحجم التي تميز الظروف في حجم المساحة: درجة الحرارة ، والضغط ، والتركيب من الوسط الغازي ، وما إلى ذلك في أي لحظة من الزمن). هذا هو نموذج النار الأكثر بساطة من الناحية الحسابية. يتم تمثيله بنظام المعادلات التفاضلية العادية. الوظائف المرغوبة هي متوسط ​​المعلمات الحجمية للوسط الغازي في الغرفة ، والمتغير المستقل هو الوقت. هناك أيضًا نماذج تفاضلية ونماذج منطقية.

2. التنبؤ بالعوامل الخطرة لحريق في غرفة بناءً على نموذج رياضي للمنطقة.

طريقة المنطقةيعتمد حساب ديناميكيات RPP على القوانين الأساسية للطبيعة - قوانين حفظ الكتلة والزخم والطاقة. بيئة الغاز في المبنى عبارة عن نظام ديناميكي حراري مفتوح يتبادل الكتلة والطاقة مع البيئة من خلال الفتحات المفتوحة في الهياكل المغلقة للمباني. وسط الغاز متعدد الأطوار ، لأن يتكون من مزيج من الغازات (الأكسجين والنيتروجين ومنتجات الاحتراق وتغويز المواد القابلة للاحتراق وعامل إطفاء الحريق الغازي) وجزيئات دقيقة (صلبة أو سائلة) من الدخان وعوامل إطفاء الحريق. في النموذج الرياضي للمنطقة ، ينقسم حجم الغاز في الغرفة إلى مناطق مميزة ، حيث تُستخدم المعادلات المقابلة لقوانين الحفظ لوصف انتقال الحرارة والكتلة. يتم اختيار أحجام وعدد المناطق بطريقة تجعل ، داخل كل منها ، عدم تجانس درجة الحرارة وغيرها من مجالات معلمات الوسط الغازي أقل ما يمكن ، أو من بعض الافتراضات الأخرى التي تحددها أهداف دراسة وموقع المواد القابلة للاحتراق. الأكثر شيوعًا هو نموذج المناطق الثلاث ، حيث يتم تقسيم حجم الغرفة إلى المناطق التالية: عمود الحمل فوق مقعد النار ، وطبقة الغاز المسخنة بالقرب من السقف ، ومنطقة الهواء البارد. نتيجة لحساب نموذج المنطقة ، تم العثور على تبعيات الوقت لمعلمات نقل الحرارة والكتلة التالية: قيم متوسط ​​الحجم لدرجة الحرارة والضغط وتركيزات كتلة الأكسجين والنيتروجين وغاز إطفاء الحرائق ومنتجات الاحتراق ، وكذلك الكثافة الضوئية للدخان ومدى الرؤية في طبقة الدخان الساخنة بالقرب من السقف في الغرفة ؛ الحد السفلي للطبقة المدخنة القريبة من السقف ؛ التوزيع على طول ارتفاع عمود التدفق الكتلي ، ومتوسط ​​قيم درجة الحرارة على المقطع العرضي للعمود ، والانبعاثية الفعالة لخليط الغاز ؛ معدلات التدفق الكتلي لتدفق الغازات إلى الخارج وتدفق الهواء الخارجي إلى الداخل من خلال الفتحات المفتوحة ؛ تتدفق الحرارة المؤدية إلى السقف والجدران والأرضية ، وكذلك تشع من خلال الفتحات ؛ درجة الحرارة (مجالات درجة الحرارة) لإحاطة الهياكل.

3. التنبؤ بالعوامل الخطرة لحريق في غرفة بناءً على نموذج رياضي تفاضلي. يتيح النموذج الرياضي التفاضلي إمكانية حساب قيم جميع معلمات الحالة المحلية في جميع نقاط الفضاء داخل الغرفة في أي لحظة من تطور الحريق. يتكون النموذج التفاضلي لحساب انتقال الحرارة والكتلة أثناء الحريق من نظام من المعادلات التفاضلية الأساسية لقوانين حفظ الزخم والكتلة والطاقة. تشمل المعادلات الرئيسية للنموذج الرياضي: معادلة استمرارية خليط الغازات ، إنها تعبير رياضي لقانون حفظ كتلة خليط الغازات ، معادلة الطاقة هي تعبير رياضي لقانون الحفظ والتحول الطاقة ، معادلة الاستمرارية لمكون خليط الغازات ، معادلة حالة خليط الغازات المثالية ، معادلات البارامترات الفيزيائية الحرارية لخليط من الغازات تأخذ في الاعتبار التركيب الكيميائي للخليط. تشمل العلاقات الإضافية للنموذج الرياضي: حساب عملية تسخين هياكل المباني (مواد الجدران والأرضيات والأرضيات والأعمدة) ، وحساب الحرارة المضطربة وانتقال الكتلة ، وحساب الحرارة الإشعاعية وانتقال الكتلة ، وحساب احتراق الأحمال القابلة للاحتراق ، بمعنى آخر. تحديد قيمة الكتلة المتبقية من المواد السائلة أو الصلبة القابلة للاحتراق بعد الاحتراق الجزئي لها ، ومحاكاة الاحتراق (يمكن إجراء نمذجة منطقة الاحتراق باستخدام مصادر الطاقة والكتلة والدخان دون مراعاة الحركية الكيميائية والظروف الديناميكية الحرارية للغاز في منطقة الاحتراق) .

4. حساب المدة الحرجة للحريق على أساس نموذج رياضي متكامل. المدة الحرجة للحريق هي الوقت المناسب للوصول إلى الحد الأقصى للقيم المسموح بها لـ RPP لشخص في المنطقة التي يقيم فيها الناس. معادلة حساب نقطة التفتيش حسب درجة الحرارة: ، حيث T cr هي أقصى درجة حرارة مسموح بها في منطقة العمل. لحساب نقطة التفتيش وفقًا لشرط الوصول إلى تركيز الأكسجين في منطقة العمل بالقيمة القصوى المسموح بها: . لحساب CPP وفقًا لشرط وصول تركيز الغازات السامة في منطقة العمل إلى الحد الأقصى المسموح به: لحساب نقطة التفتيش على أساس فقدان الرؤية: لا يمكن استخدام هذه الصيغ إلا للغرف ذات الفتحات الصغيرة المفتوحة.