Исходные понятия и общие сведения о методах прогнозирования ОФП в помещениях

ЛЕКЦИЯ

по дисциплине "Прогнозирование опасных факторов пожара"

Тема №1. «Исходные понятия и общие сведения о методах прогнозирования ОФП в помещениях»

План лекции:

1. Введение
2. Опасные факторы пожара. Предельно допустимые значения ОФП.
3. Современные научные методы прогнозирования ОФП.

Цели лекции:

1. Учебные

В результате прослушивания материала слушатели должны знать:

• опасные факторы пожара, воздействующие на людей, на конструкции и оборудование
• предельно допустимые значения ОФП
• методы прогнозирования ОФП

Уметь: прогнозировать обстановку на пожаре.

1. Развивающие:

• выделять самое главное
• самостоятельность и гибкости мышления
• развитие познавательного мышления

Литература

1. Ю.А.Кошмаров Прогнозирование опасных факторов пожара в помещении. – Москва 2000. С.118
2. Лекция на тему: Состав и свойства продуктов горения. Лекарственные средства для медицинской защиты от токсичных продуктов горения. – Иркутск. Автор: д.х.н., профессор Скушникова А.И.
3. Лабораторный практикум «Прогнозирование опасных факторов пожара». Ю.А.Кошмаров, Ю.С.Зотов. 1997 г.

1. Введение

Понятие модели является центральным в современной теории познания. Рассмотрим его несколько подробнее.

В процессе познавательной деятельности человека постепенно вырабатывается система представлений о тех или иных свойствах изучаемого объекта и их взаимосвязях. Эта система представлений закрепляется, фиксируется в виде описания объекта на обычном языке, в виде рисунка, схемы, графика, формулы, в виде макетов, механизмов, технических устройств. Все это обобщается в едином понятии "модель", а исследование объектов познания на их моделях называют моделированием.

Таким образом, модель- это специально создаваемый объект, на котором воспроизводятся вполне определенные характеристики реального исследуемого объекта с целью его изучения. Моделирование является важнейшим инструментом научной абстракции, позволяющим выделить, обосновать характеристики изучаемого реального объекта: свойства, взаимосвязи, структурные и функциональные параметры и др.

Метод моделирования как метод научного познания имеет историю, исчисляемую тысячелетиями. Его нельзя считать недавно открытым методом научного исследования. Однако только в середине XX в. само моделирование стало предметом как философских, так и специальных исследований. Объясняется это, в частности, тем, что метод моделирования переживает сейчас подлинную революцию, связанную с развитием, во-первых, теории подобия и, во-вторых, кибернетики и электронной вычислительной техники.

Именно эта революция и позволила специалистам в последние десятилетия приступить к созданию и активному использованию, прежде всего, в научных исследованиях, а затем и на практике различных моделей возникновения, развития и ликвидации пожаров. Поясним это утверждение только на двух примерах. Первый пример относится к так называемому материальному (физическому) моделированию, о котором подробнее будет сказано ниже. В первой половине XX в., когда начиналось интенсивное развитие авиастроения и кораблестроения, строительство крупных гидротехнических сооружений, связанное с этими процессами развитие металлургии и других отраслей промышленности, сложные инженерные расчеты приходилось проверять на моделях самолетов, кораблей, плотин и др. В результате возникла острая необходимость в развитии специфической теории физического моделирования. Так сформировалась теория подобия, зачатки которой тоже можно обнаружить задолго до нашего века.

Теория подобия — это учение об условиях подобия физических явлений, процессов и систем, которое опирается на учение о размерностях физических величин и положено в основу экспериментов с физическими моделями.

Физические явления, процессы и системы считаются подобными, если в сходственных точках пространства в сходственные моменты времени величины, характеризующие состояние системы, пропорциональны соответствующим величинам другой системы. Такими величинами являются так называемые критерии подобия — безразмерные числовые характеристики, составленные из размерных физических параметров, определяющих исследуемые физические явления. Равенство однотипных критериев подобия для двух физических процессов и систем — необходимое и достаточное условие их физического подобия. Предметом теории подобия является установление критериев подобия для различных физических явлений.

В интересующей нас области автором теории физического моделирования процессов теплопередачи и тепловых устройств явился наш соотечественник М.В. Кирпичев (1879-1955 гг.). Теория подобия в целом и его работы в частности послужили импульсом в использовании методов физического моделирования при изучении закономерностей динамики пожаров.

Итак, модель — это объект любой природы, который заменяет реальный исследуемый объект так, что его изучение дает новую информацию о реальном объекте. Естественно, модели выбираются таким образом, чтобы они были проще и удобнее для исследования, чем интересующие нас объекты (тем более, что существуют и такие объекты, которые вообще нельзя активно исследовать).

В зависимости от средств, с помощью которых реализованы модели, различают, прежде всего, материальное (предметное) и идеальное (абстрактное) моделирование.

Материальным называется моделирование, в котором исследование ведется на основе модели, воспроизводящей основные геометрические, физические, динамические и функциональные характеристики изучаемого объекта. Частным случаем материального моделирования является физическое моделирование, при котором моделируемый объект и модель имеют одну и ту же физическую природу.

Идеальные модели связаны с использованием каких-либо символических схем (графических, логических, математических и др.).

Математические модели тоже имеют свою классификацию (и не одну). Нам удобно подразделить математические модели, во-первых, на аналитические и имитационные. В случае аналитических моделей исследуемый объект и его свойства описывают отношениями-функциями в явной или неявной форме (дифференциальными или интегральными уравнениями; операторами) таким образом, что становится возможным непосредственно с помощью соответствующего математического аппарата сделать необходимые выводы об изучаемом объекте и его свойствах.

Одной из первых и простейших аналитических моделей пожара была модель, отражающая зависимость температуры "стандартного" пожара от времени, используемая при испытании строительных конструкций на огнестойкость. Ее обычно называют стандартной кривой "температура-время" и задают либо в виде таблицы, либо в виде эмпирической формулы. В отечественной литературе ее часто записывают в виде:

T= Т0 + 345lg(8 + 1),

где — время, мин; Т0 — начальная температура, °С; Т- текущая температура пожара, °С.

2. Опасные факторы пожара. Физические величины, характеризующие ОФП в количественном отношении.

В современных условиях разработка экономически оптимальных и эффективных противопожарных мероприятий немыслима без научно обоснованного прогноза динамики опасных факторов пожара (ОФП).

Прогнозирование ОФП необходимо:

• при разработке рекомендаций по обеспечению безопасной эвакуации людей при пожаре;
• при создании и совершенствовании систем сигнализации и автоматических систем пожаротушения;
• при разработке оперативных планов тушения (планировании действий боевых подразделений на пожаре);
• при оценке фактических пределов огнестойкости;
• и для многих других целей.

Современные методы прогнозирования ОФП не только позволяют заглядывать в «будущее», но и дают возможность снова «увидеть» то, что уже когда-то произошло. Другими словами, теория прогнозирования позволяет воспроизвести восстановить картину развития реально произодшего пожара, т.е. «увидеть» прошлое. Это необходимо, например, при криминалистической или пожарно-технической экспертизе пожара.

Различают первичные и вторичные проявления ОФП.

Первичными опасными факторами, воздействующими на людей и материальные ценности (согласно ГОСТ 12.1.004-91), являются:

- пламя и искры;

- повышенная температура окружающей среды;

- токсичность продуктов горения и термического разложения;

- дым;

- пониженная концентрация кислорода.

Вторичными опасными факторами, воздействующими на людей и материальные ценности (согласно ГОСТ 12.1.004-91), являются:

- осколки, части разрушившихся аппаратов, агрегатов, установок, конструкций;

- радиоактивные и токсичные вещества и материалы, вышедшие из разрушенных аппаратов и установок;

- электрический ток, возникший в результате выноса высокого напряжения на токопроводящие части конструкций, аппаратов, агрегатов;

- опасные факторы взрыва по ГОСТ 12.1.010-76*, происшедшего вследствие пожара;

- огнетушащие вещества.

Основными факторами, характеризующими опасность взрыва, ГОСТ 12.1.010-76* «Взрывобезопасность общие требования» являются:

- максимальное давление и температура взрыва;

- скорость нарастания давления при взрыве;

- давление во фронте ударной волны;

- дробящие и фугасные свойства взрывоопасной среды.

Опасными и вредными факторами, воздействующими на работающих в результате взрыва, являются:

- ударная волна, во фронте которой давление превышает допустимое значение;

- пламя;

- обрушивающиеся конструкции, оборудование, коммуникации, здания и сооружения и их разлетающиеся части;

- образовавшиеся при взрыве и (или) выделившиеся из поврежденного оборудования вредные вещества, содержание которых в воздухе рабочей зоны превышает предельно допустимые концентрации.

С научных позиций опасные факторы пожара являются физическими понятиями и, следовательно каждый из них представлен в количественном отношении одной или несколькими физическими величинами. С этих позиций рассмотрим вышеперечисленные ОФП.

1. Пламя – это видимая часть пространстве (пламенная зона), внутри которой протекает процесс окисления (горения) и происходит тепловыделение, а также генерируются токсичные газообразные продукты и поглощается забираемый из окружающего пространства кислород.

По отношению к объему помещения, заполненного газом, пламенную зону можно рассматривать, с одной стороны, как «генератор», тепловой энергии, поступающей в помещение, токсичных продуктов горения и мельчайших твердых частицы, ухудшающих видимость. С другой стороны, пламенная зона потребляет кислород из помещения.

В связи с выше сказанным содержание понятия «пламя» представлено в количественном отношении следующими величинами:

• характерными размерами пламенной зоны (очага горения), например, площадью горения (площадью пожара) FГ, м2.
• количеством сгорающего за единицу времени горючего материала (скоростью выгорания) , кг. с-1
• мощностью тепловыделения Qпож.= .Qнр, где Qнр – теплота сгорания, Дж.кг-1
• количеством генерирумых за единицу времени в пламенной зоне токсичных газов . li . кг. с-1 , где li – количество токсичного газа образующегося при сгорании
• количеством кислорода, потребляемого в зоне горения . lТ . кг. с-1, lТ – количество кислорода для сгорания единицы массы
• оптическим количеством дыма, образующегося в очаге горения.

1. Повышенная температура окружающей среды и температура среды, заполняющей помещение, является параметром состояния. Физическое состояние этого параметра рассматривалось по дисциплинам ТГиВ, ФХОР и ТП, он обозначается Т, если используется размерность Кельвин или t, если используется размерность градусы Цельсия.

Примеры:

• температура окружающей среды при тушении газонефтяных пожаров
• при тушении кабельных туннелей, галерей и др. замкнутых помещений.

1. Токсичные продукты горения – этот фактор количественно характеризуется парциальный плоскостью (или концентрацией) каждого токсичного газа. Под токсичностью обычно понимают степень вредного воздействия химического вещества на живой организм (при горении полимерных материалов – высоко токсичные соединения, трудно предсказуемые классической химией и не всегда обнаруживаемые современными тех.средствами). В последнее время в печати – сведения о супертоксикантах – диоксинах. Эти ядовитые вещества могут образовываться при пожарах в кабельных туннелях, трансформаторах и на обычных городских свалках. Таким образом, широкий спектр токсичных продуктов горения и трудность установления свойств и состава компонентов парогазоаэрозольного комплекса, который мы просто и обычно называем дымом (Кабельный завод г.Шелехово). При нарушении транспортировки и передачи кислорода тканям развивается кислородная недостаточность (СО – угарный газ). Во время пожаров в зданиях, имеющих полимерные материалы, наибольшие содержания СО в дыме (1,3 – 5%) – эти концентрации намного больше смертельных (АЦИЗОЛ).
2. Пониженная концентрация кислорода в помещении. Этот фактор количественно характеризуется значением парциальной плоскости кислорода р1 или отношением ее к плоскости газовой среды в помещении, т.е.

Все вышеперечисленные величины – являются параметрами состояния среды, заполняющей помещение при пожаре. Начиная с возникновения пожара в процессе его развития эти параметры непрерывно изменяются во времени, т.е. Т = Х()

5. Дым — устойчивая дисперсная система, состоящая из мелких твёрдых частиц, находящихся во взвешенном состоянии в газах. Дым — типичный аэрозоль с размерами твёрдых частиц от 10-7 до 10-5 м. В отличие от пыли — более грубодисперсной системы, частицы дыма практически не оседают под действием силы тяжести. Частицы дыма могут служить. Процесс образования дисперсной среды, ухудшающей видимость, принято называть процессом дымообразования.

Совокупность этих зависимостей составляет суть динамики ОФП.

При рассмотрении воздействия ОФП на людей используются так называемые предельно допустимые значения (ПДЗ) параметров состояния среды в зоне пребывания людей. ПДЗ ОФП получены в результате обширных медико-биологических исследований, в процессе которых установлен характер воздействия ОФП на людей, в зависимости от значений их количественных характеристик.

Так, например, установлено, что если концентрация кислорода уменьшается вдвое по сравнению с нормальной концентрацией его в воздухе ( составляет 23% т.е. приблизительно 270 г. О2 в м3 воздуха) , т.е. будет составлять 135 г О2 в м3 воздуха, то нарушается деятельность сердечно-сосудистой системы и органов дыхания человека, а также он теряет способность реальной оценки событий. При уменьшении концентрации кислорода в 3 раза – останавливается дыхание и через 5 минут останавливается работа сердца ( Руководство по борьбе за живучесть подводной лодки)

Следует отметить, что в условиях пожара имеет место одновременное воздействие на человека всех ОФП. Вследствие этого опасность многократно увеличивается. Предельно допустимые значения ОФП указаны в ГОСТ 12.1.004-91.

Далее рассмотрим воздействие ОФП на элементы конструкций и оборудование термическое воздействие пожара на них. Например, при оценке воздействия пожара на железобетонные конструкции применяется понятие критического значения температуры арматуры этих конструкций. Обычно считается, что при нагревании арматуры до температуры, равный 400-4500С, происходит разрушение железобетонной конструкции.

Следующее, металла открытой металлической конструкции (л.марта, регилей кран.балки и т.д.) – при температуре 9000С через 15 минут.

При оценке воздействия пожара на остекление предполагается, что при температуре газовой среды в помещении, равной 300-3500С будет происходить разрушение остекления.

А скорость роста температуры в кабельных помещениях (условно и в подвалах) по опытным данным составляет в среднем 35-500 в минуту.

3. Современные научные методы прогнозирования ОФП.

Современные научные методы прогнозирования ОФП основываются на математическом моделировании, т.е. на математических моделях пожара. Математическая модель пожара описывает в самом общем виде изменение параметров состояния среды в помещениях в течение суток, а также изменение параметров состояния ограждающих конструкций и оборудования.

Основные уравнения, из которых состоит математическая модель пожара, вытекает из фундаментальных законов природы – первого закона термодинамики, закона сохранения массы и закона импульса.

Эти уравнения отражают и увязывают всю совокупность взаимосвязанных процессов, присущих пожару, таких как тепловыделение в результате горения, дымовыделения в пламенной зоне, выделение и распространение токсичных газов, газообмен помещений с окружающей средой и со смежными помещениями, теплообмен и нагревание ограждающих конструкций, снижение концентрации кислорода в помещении.

Методы прогнозирования ОФП различают в зависимости от вида математической модели пожара и делятся на три класса (три вида) : интегральные, зонные, полевые (дифференциальные).

Интегральная модель пожара позволяет получить информацию, т.е. сделать прогноз, о средних значениях параметров состояния среды в помещении для любого момента развития пожара.

Зонная модель позволяет получить информацию о размерах характерных зон, возникающих при пожаре в помещениях и средних параметров состояния среды в этих зонах.

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

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

В математическом отношении три вышеуказанных вида моделей пожара характеризуются разным уровнем сложности. Наиболее сложной в математическом отношении является полевая модель.

Вывод по лекции: Следует подчеркнуть, что основные дифференциальные уравнения всех названных математических моделей пожара вытекают из неопровержимых фундаментальных законов природы.

PAGE 8

Исходные понятия и общие сведения о методах прогнозирования ОФП в помещениях