ВКР_Кудрявцев. Техносферная безопасность Отделение контроля и диагностики бакалаврская работа тема работы Математическое моделирование развития пожара в здании и определение времени эвакуации
 Скачать 1.94 Mb.
|
|
1. Обзор литературы по изучению лесных пожаров 1.1 Общие понятия и сведения о лесных пожарах Лесной пожар – это стихийное, неуправляемое распространение огня по лесным площадям [2]. В зависимости от происхождения лесной пожар может быть естественным или антропогенным. Зачастую причинами естественных лесных пожаров являются молнии. Размеры пожаров делают возможным их визуальное наблюдение даже из космоса [2]. Загорание от молний в первую очередь происходит в возрастных лесах, где засохшие и больные деревья возгораются в первую очередь, а вероятность зажигание молодой растительности крайне мала из-за большого количества зелени, которая достаточно влажная [3]. Но доля естественных пожаров, а то есть вызванных, например молнией всего лишь 7-8%, то оставшиеся проценты лесных пожаров в большей части реализованы деятельностью человека [4]. Таким образом, без контроля работы и надзора залесными массивами противопожарных служб пожары пагубно повлияют наш мир. Существуют управляемые пожары, где возгорание специально вызывают искусственно. Суть их такова что благодаря таким пожарам уничтожают пожароопасные продукты горения леса, производят зачистку отходов лесозаготовок, либо подготовливают земли под посадку саженцев в преимуществе с естественным удобрением(залой), борение с заболеванием леса и насекомыми [4]. В зависимости от такого, где распространяется пламя, пожары разделяют на низовые, верховые и подземные [5]. Низовые пожары распространяются со скоростью 0.25-5 км/ч по направлению ветра высота достигает до 2.5 метра, а температура пламени примерно 700 °C, при этом сжигаются опавшие ветки, мох, трава, лишайники ив общем лесная подстилка. По форме и скорости низовые пожары делятся на беглые и устойчивые. 15 Низовые пожары также разделяются на беглые и устойчивые • Беглые пожары в основном возникают весной, провоцирующий фактор является лишь только верхний слой, когда только становится сухими формирует небольшой слой горючих материалов. Исходят из названия такой пожар развивает большую скоростью распространения минуя площадь с повышенной влажностью, а поэтому остаются пространства с достигшей пламенем, притом повреждая незначительно корневую систему, кроме тех которые находятся на поверхности, в основном страдает подлесок и кора находящаяся снизу дерева. Данная форма низового пожара будет наиболее безвредна • Устойчивые пожары характерны в основном к середине лета, где после медленного сгорания живого или мёртвого покрова сгорает кара деревьев, полностью подрост, что может быть причиной возникновения верхового пожара. Бывает, что устойчивый пожар по мере течения он проходит по несколько раз по одному и тому же пути. Верховой пожар распространяется со скоростью от 5 до 30 км/ч, когда температура пламени достигает от 900 °C до 1200°C. Характерен он в засушливый и ветренный период времени переходя из низового пожара особенный вред отмечается в безветренную погоду, распространяясь по плотному подросту листьев, веток или при повальном пожаре достигая крон деревьев, считается крайним этапом пожара. Подобные пожары происходят по всему миру, выделяя град искр из очагов горения, летящих перед фронтом пожара, образуют новые низовые пожары на расстоянии от десятка до несколько сотен метров [5]. Верховые пожары разделяются аналогично низовым на ураганные (беглые) и поваленные (устойчивые) [6]. Со временем из-за метеоусловий высокие деревья под своим большим грузом прибегают к повалу, образуя многоэтажные загромождения, а также может образоваться при вырубке деревьев. При распространение лесного пожара в таких условиях образуются поваленный верховой пожар скорость 16 распространения которого достигает 8 км/ч сжигая все от надпочвенного покрова до пика дерева. Ураганные пожары — это следствие сильного ветра, такой пожар может достигнуть скорости от 7 до 30 км/ч, тем они и опасны [6]. Подземные пожары непримечательны и имеют особенность гореть без доступа кислорода на глубине до нескольких метров включительно и под водой со скорость несколько километров в сутки. Возгорание происходит из- за торфа, который получается в итоге осушения болотных участков. Подземный пожар выжигает корни деревьев, в следствии чего деревья как правило, валятся кронами к центру пожара образуя округлую или овальную форму. Главной проблемой подобных возгораний, то что торф почти не поддается тушению и очаги возгорания трудно заметны, поэтому нужен предварительный поиск подобных участков и применить профилактические меры. Подземные пожары разделяются в зависимости от глубины горения и вида горения лесных почв, в работе по тушению их делят на последующие виды почвенные, подстилочно-гумусные, торфяные пожары. По силе распространению верховые, низовые определяют скоростью и высотой распространения. Зависит от количества от состояния и запасов ЛГМ, метеоусловий и времени суток. Таким образом при низовом не превышающей скорости 1 метра в минуту и высоту 0.5 метров относят к слабому, при скорости от 1 метра в минуту дои высотой до полутра метров к среднему и сильном свыше 3 метров в минуту и высотой свыше полутра метров. При верховом слабом скорость достигает 180 метров в час, среднем 600 метров в час и при сильном свыше 600 метров в час [7]. Для подземного пожара силу определяют глубиной перегорания, где слабый считается глубина не превышающей 0.25 метров, средним 0.25-0.5 метров и сильным от 0.5 метров [7]. По площади разделяют на загорание где огонь распространен на 0.1-2 гектара, малый от 2 до 20 гектара, средний от 20 до 200 гектара, крупный от 200 до 2000 гектара и катастрофический превышающий 2000 гектара. 17 Среднее длительность крупных лесных пожаров при выгорании размером 450 гектаров от 10 до 15 дней. Горная местность, очень сильно влияет на распространение пожаров. Поверхность земли, днём нагревается солнцем, в связи с чем поднимает нагретые слои воздуха вверх, которые были у земной поверхности. В следствии чего потоки слоёв воздуха поднимаются вверх по ложбинам, а также по склонам. Когда солнце садится происходит охлаждение земной поверхности, слои воздуха распространяются в обратном направлении, а именно опускаются вниз, к поверхности. Наклон склонов, определённая местность – эти факторы влияют на скорость распространения пожара, а также на его направление. Особенно эти факторы влияют при горных условиях. Огонь без трудности распространяется вверх по уклону, и чем круче уклон, тем более высока скорость распространения. Таким образом при угле уклона в 5° скорость может умножиться в 1.2 раза, уклоне в 10° в 1.6 раза, уклоне 15° в 2.1 раза, уклоне 20° в 2.9 раза и при 25° в 4.1 раза [8]. В отличие противоположенное направление по склону будет обратный эффект, что дает преимущество в ликвидации пожара. Огонь при распространении вверх по склону стремиться зажечь нижние части крон деревьев находящиеся недалеко от него, подсушивая и вызывая подогрев вследствие быстрое возгорание последующих деревьев. Скорость распространения огня также обусловлена тягой, из-за поднимающего теплового воздуха вверх по склону. Дополнительной проблемой крутых склонов, является то что горящие материалы могут скатываться создавая новые места горения [8]. Зависимость южного и северного направления склона, также влияет на общую воспламеняемость, обусловлено тем, что солнечное облучение может повлияет на скорость высыхания растительности (южное сильнее, чем с северным. Этот нюанс возможно применить тем более при прогнозировании распространения и качеств природного пожара, и наиболее защищать склоны с южным направлением. 18 1.2 Математические модели воздействия лесных пожаров на объекты Влиянием времени передовые технологии не стоят на месте и без них мир уже трудно представить. Изучение воздействия большого спектра факторов и характеристик на лесные пожары трудна без математических моделей. Для достижения цели производятся вычисления для множества параметров заменяя их моделью, которые описывают самые важные свойства тела. В соответствии с классификацией модели подразделяются на линейные и нелинейные, статистические и динамические, сосредоточенные и распределенные, дискретные и непрерывные. С помощью численного метода определяют различные параметры пожара, включая скорость, температуру, тепловые потоки, плотность, концентрацию компонентов. Зная свойства 21 горючих материалов, какой сезон и район можно смоделировать развитие лесного пожара. Все же лишь один способ исследования фронта пламени, среды и определение параметров распространения очагов возгорания разумен это математическое моделирование на персональном компьютере. Причиной тому является дорогостоящее и экологически небезопасное эмпирическое исследование [9]. Метод численного моделирования на сегодняшний день является актуальными перспективным для изучения возникновения и распространения лесных пожаров, поскольку он удобен в использовании и менее энергозатратен. Чтобы изучить данное явление, как протекает данный процесс и используя эти данные построить математическую модель. С другой стороны, экспериментальные исследования различных видов лесных пожаров, могут быть использованы для подтверждения достоверности результатов математического моделирования. Например с помощью экспериментов можно определить скорость распространения лесных пожаров при различных 19 материалах, условий и состояний лесных горючих материалов (запас лесных горючих материалов, влагосодержание, тип растительности и т.д.). Полученные результаты могут быть использованы для подтверждения достоверности данных математического моделирования распространения природных пожаров. Как правило, исследуемые процессы описываются с помощью достаточно сложных систем уравнений, которые не имеют аналитического решения. Поэтому для нахождения решения применяются численные методы. Процесс получения дискретных аналогов, программирование алгоритма решения, тестирование компьютерных программ и визуализация результатов является достаточно трудоемкой процедурой, требующей высокой квалификации исследователя в различных областях знаний. Наиболее перспективным подходом для решения вышеуказанных задач механики сплошных сред является использование специального программного обеспечения, например PHOENICS, которое позволяет с помощью удобного интерфейса построить математическую модель изучаемого процесса, ввести исходные данные, получить численные результаты и визуализировать их. В 1937 году приведена оценка изменения периметра, в работе Митчела[10], чтобы увеличить точность оценки периметра он использовал зависимость диаметра пожара и длину круга. Здесь предложено 3 перемножить на скорость распространения пожара кромки фронта, где число 3 — это округленное число . Данный способ очень облегченный и применялся только для моделирования пожара в частности, формы круга — просто конфигурации. Одни из самых ранних экспериментально-аналитических анализов пожаров, происходящих в лесу, начались ещё с 1940-ых годов. Их изучали два исследователя Карри и Фонс[11], свои эксперименты они проводили на неестественных ветках и хвойниках. Исследователи начали свои изучения ещё в 1930-ых годах. Прогнозируя скорость распространения пожара Фонс вывел уравнение теплового баланса, из построенной математической модели, 20 поджигая горючее вещество. Вследствие чего в США, а также в Канаде стали заниматься построением модели распространения лесных пожаров. В 1972 году Ротермел разработал такую модель. Байрам, в 1956 году разработал модель, созданную на уравнении интенсивности пожара. На основе разработанных моделей оценивается пожароопасность по системе NFDRS, а также анализируется динамика пожара FARSITE [12]. Конец хи е годы явились периодом дальнейшего накопления сведений о свойствах растительных материалов (их изучали Амосов ГА, Дэвис К, Байрам Дж. и др, об их связи с окружающими условиями (Мелехов И.С., Нестеров В.Г., Анцышкин С.П. и др. [23,24.25] ) и с характеристиками горения (Мелехов И.С., Нестеров В.Г., Анцышкин С.П., Вонский СМ. Байрам Дж, Амосов ГА и др. [23,24,25]). Уравнение интенсивности лесного пожара, выведенное Байрамом в 1956 году, выглядит следующим образом I = HwR, (3.1) где I – интенсивность пожара, кВт/м, H – теплота сгорания топлива, кДж/кг, w – масса топлива, потребляемого на единицу площади, кг/м 2 , R – скорость распространения фронта пожарам сек Через десяток лет после релиза этого уравнения оно приобрело массовое признание в числе исследователей Канады. Потому в середине 1960- х годов стали применять уравнение Байрама для прогнозирования. В результате этот труд ввели в канадскую систему оценки пожарной опасности в лесу (CFFDRS). В процесс разработки математических моделей распространения лесных пожаров, вложил очень существенный вклад исследователь Конев ЭВ. Он изучал распространение огня от искры к искре, в твёрдой фазе, поэтому процесс осуществления его модели будет очень труден. Точность и реализацию данного метода поставили под сомнение в связи стем, что пожар 21 представляет собой значительно масштабное явление. Также, в методе Конева при пожаре не исследуется изменение газовых периодов. Для будущего совершенствования изучения данной темы, модели Конева полезны. В 1992 году канадские эксперты придумали опытную аналитическую налаженность ради моделирования действия пожара. Конструкция основана на теории теплопередачи и утилизирует итоги 495 эмпирических пожаров ради извлечения соотношений, какие исчисляют скорость распространения очага пожара, и скорость горения ЛГМ [13]. К аналитическим моделям физико-химических процессов горения относятся работы Ю.А. Гостинцева и Л.А. Суханова по аэродинамике атмосферы при больших пожарах [15], в которых описано плоское турбулентное течение в атмосфере, вызванное интенсивным точечным пожаром (характерный размер такого пожара значительно меньше высоты подъема нагретых газов. В результате анализа и численного решения модели авторами был уточнен критерий возникновения конвективной колонки, предложенный Байрамом, установлена связь профиля ветра в свободной атмосфере с направлением потоков вблизи пожара, а также рассмотрены вопросы, связанные с взаимодействием конвективных колонок между собой [13]. Одна из наиболее полных физико-химических моделей горения леса содержится в работах А.М. Гришина [16]. Модель содержит систему уравнений и граничных условий, описывающих трехмерные процессы тепло- и массообмена, фазовых и химических превращений при горении, а также движение газовых потоков, вызванное этими процессами. Однако, несмотря на свою полноту, модель имеет недостатки. Один из недостатков состоит в том, что в модели не учитывается рельеф местности. Второй недостаток – это чрезмерная сложность модели, в которой слой горючего материала рассматривается с точностью до элементарной частицы (хвоинки или листа дерева) [13]. 22 К сожалению, в основном эти работы скованы некоторыми трудностями. Если посмотреть на количество исследований по моделированию горения физиологических материалов при пожаре, то моделей достаточно учитывающие набор процессов в воздухе и горючем материале очень мало. Со временем появились работы, в которых комплекс физики- химических процессов вместе очага возгорания расширялся, такие как Конев ЭВ, Гришин А.М. и др, а в связи с познанием компьютерного моделирования разработанные модели стали использовать в разных программных обеспечениях. Но, из выше обзора заметно то, что возможности данных моделей не обладают большими возможностями. Смоделировать достаточно точный результат лесного пожара, чтобы и другие смогли пользоваться данными возможностями, прибегают модификации, а то есть комбинирование моделей, чтобы приблизится к природным условиям. Наверняка главных из проблем трудное применение физических моделей пожаров, обусловлена тем, чтобы задать точные условия нужно иметь большой спектр начальных данных (метеоусловия, параметры области и др. Факел пламени расходится в объемном пространстве. Поэтому, чтобы увеличить точность модели нужно применять физико-химические процессы, распознающиеся объемно [13]. Вид бесконечной среды усложняется набором относительно однородных пространственных элементов, находящихся в области, в которой походят эти процессы. Модель не дозволяет формализовать данные, позицию этих элементов, показатели условия погоды они слабо приблизительны [13]. 23 2. Математическое моделирования воздействия лесного пожара на здание 2.1 Физическая постановка задачи Среди видов лесных пожаров верховые более небезопасными являются верховые. Большая часть сгоревшей площади в основном из-за такого вида пожаров. Для ликвидации этого вида пожара требуются немало сил и средств, но зачастую локализация недостижима. Исследование верховых лесных пожаров всегда актуальна, так как со временем создают и модифицируют новые способы профилактики и ликвидации их. Сценарий лесного пожара в основном одинаковый, первым делом происходит возгорание в нижнем уровне леса после чего же при конкретных критериях, пламя при возможности перебегает кронам деревьев в итоге происходит переход низового в верховой пожар. В подобных случаях прибегают к математическому моделированию, так как он по сравнению с экспериментальными способами не экономически затратен, в преимуществе он правильно обрисовывает процесс от поджога до продолжительного пожара. В частности, на основе численного анализа Экспериментальные способы исследования лесных пожаров считаются дорогостоящими и не дают возможность проводить полное физическое моделирование предоставленного появления. В данных критериях предполагают внимание способ математического моделирования, который разрешает правильно обрисовывать процесс появления и распространения при лесных пожарах. К примеру, на основе численного анализа реально изучать процесс появления и распространения лесного пожара. В данной работе представлена постановка и результаты расчетов возникновения верхового лесного пожара, и его воздействие на здание. Предполагается, что очаг пожара имеет конечные размеры и над пологом леса задана скорость ветра. Ось 0x 3 направлена вверх, а оси 0x 1 и 0x 2 – параллельно 24 поверхности земли (ось 0x 1 совпадает с направлением ветра. Схема данного процесса представлена на рис. 1: Рисунок 2.1 – Схема расчетной области На данной схеме представлены • Направление ветра • Лесной массив • Очаг лесного пожара • Здание Предполагается, что 1) течение носит развитый турбулентный характер и молекулярным переносом пренебрегаем по сравнению с турбулентным, 2) плотность газовой фазы не зависит от давления из-за малости скорости течения по сравнению со скоростью звука, 3) среда находится в локально-термодинамическом равновесии, 4) известна скорость ветра над пологом леса в невозмущенных условиях, 5) газодисперсная смесь бинарная и состоит из частиц конденсированной фазы, а также газовой фазы – компонентов кислорода, газообразных горючих и инертных компонентов. |