Основы дифференциального (полевого) метода прогнозирования ОФП. Численная реализация полевой модели.. Лек7.1 ПОФП ТБПТЭ49. Лекция по учебной дисциплине прогнозирование опасных факторов пожара тема Основы дифференциального (полевого) метода прогнозирования офп. Численная реализация полевой модели. Специальность
 Скачать 1.35 Mb.
|
|
УТВЕРЖДАЮ Начальник кафедры криминалистики и инженерно-технических экспертиз полковник внутренней службы Ю.Н. Бельшина «____» _____________ 202__ г. ЛЕКЦИЯ по учебной дисциплине ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ОПАСНЫХ ФАКТОРОВ ПОЖАРА Тема 7.1. Основы дифференциального (полевого) метода прогнозирования ОФП. Численная реализация полевой модели. Специальность 20.03.01 «Техносферная безопасность» профиль «Пожарно-техническая экспертиза» Уровень бакалавриата Обсуждена на заседании кафедры криминалистики и инженерно-технических экспертиз Протокол № _____ от « ___ » ____________ 202__ года I. Цели занятия Учебные: Изложить обучающимся как используется математический аппарат для прогнозирования опасных факторов пожара, способы прогнозирования опасных факторов и меры защиты и предупреждения людей и имущества на пожаре. Закрепить уровень знаний учащихся по инженерным дисциплинам. Продолжить формирование специальных и общенаучных навыков работы с нормативными документами, учебной и справочной литературой. Путем моделирования проблемных ситуаций вырабатывать у обучающихся способность к самостоятельному мышлению. Показать связи между изучаемым материалом и практической деятельностью инженеров пожарной охраны. Вырабатывать у обучающихся знания об особенностях применения изучаемого материала в практике. Воспитательные: Воспитывать у обучающихся общегражданские и профессионально значимые качества соблюдения норм российского законодательства, ответственность за принимаемые правовые и технические решения, стремление к самообразованию. II. Расчет учебного времени
III. Литература Основная: Прогнозирование опасных факторов пожара: Учебное пособие / Ю.Д. Моторыгин, В.А. Ловчиков, Ф.А. Дементьев, Ю.Н. Бельшина. – СПб.: Астерион, 2013. – 108 с. Пожарно-техническая экспертиза: Учебник / Галишев М.А., Бельшина Ю.Н., Дементьев Ф.А и др - СПб.: Санкт-Петербургский университет ГПС МЧС России, 2014. 453 с. Моторыгин Ю.Д . Математическое моделирование процессов возникновения и развития пожаров: монография / Под общей редакцией В.С. Артамонова. – СПб.: Санкт-Петербургский университет Государственной противопожарной службы МЧС России, 2011. – 184 с. Прогнозирование опасных факторов пожара / Моторыгин Ю.Д., Ловчиков В.А., Паринова Ю.Г. // Лабораторный практикум СПб.: СПб Университет ГПС МЧС России, 2008. – Дополнительная: Драйздел Д. Введение в динамику пожара.-М.: Стройиздат, 1990. – 420 с. Моделирование пожаров и взрывов. (Под ред. Брушлинского Н.Н. и Корольченко А.Я.) – М.: Из-во “Пожнаука”, 2000, – 492 с. Пузач С.В. Методы расчёта тепломассообмена при пожаре в помещении и их применение при решении практических задач пожаровзрывобезопасности зданий: монография / С.В. Пузач. – М.: Академия ГПС МЧС России, 2005. – 336 с. Нормативные, правовые акты: Федеральный закон Российской Федерации от 22 июля 2008 г. N 123-ФЗ "Технический регламент о требованиях пожарной безопасности” Федеральный закон Российской Федерации от 27 декабря 2007 г. N 184-ФЗ "О техническом регулировании” (с комментарием) с изменениями на 30 декабря 2009 г. ГОСТ 12.1.004-91 Пожарная безопасность. Общие требования. – М.: Издательство стандартов, 1992.-78 с. Постановление Правительства Российской Федерации от 7 апреля 2009 г. № 304 г. Москва «Об утверждении Правил оценки соответствия объектов защиты (продукции) установленным требованием пожарной безопасности путем независимой оценки пожарного риска» Приказ МЧС России от 30 июня 2009 г. № 382 «Об утверждении методики определения расчетных величин пожарного риска в зданиях, сооружениях и строениях различных классов функциональной пожарной опасности» Приказ МЧС России от 10 июля 2009 г. № 404 «Об утверждении методики определения расчетных величин пожарного риска на производственных объектах» IV. Учебно-материальное обеспечение 1. Технические средства обучения: учебно-мультимедийный комплекс. 2. Электронная презентация V. Вопросы для самостоятельного изучения 1 Опасные факторы пожара и процесс горения, 2. Начальный этап пожара в закрытом помещении до полного охвата пламенем. 3. Расчёт эвакуации людей в системе расчёта пожарных рисков. 4. Моделирование и расчет движения людских потоков. VI. Вопросы для самоконтроля 1. Понятия и общие сведения об опасных факторах пожара. Математические модели прогнозирования опасных факторов пожара. Описание процесса распространения пожара. Ориентация поверхности и направление распространения пламени. Факторы, влияющие на скорость распространения пламени .В чем заключается основная сложность исследования пожара как физического явления? Поясните сущность метода анализа сложных процессов; Какие свойства горючей нагрузки (ГН) и каким образом влияют на динамику пожара и его опасных факторов? В чем сущность полевого метода? Почему невозможно подробно изучить влияние свойств ГН на протекание пожара только на основании физических экспериментов? На какие этапы делится пожара в закрытом помещении? VII. Текст лекции ВВЕДЕНИЕ Любое здание возводится для создания объема пространства с безопасными и удобными условиями жизни и деятельности людей, защищенными от неблагоприятных воздействий окружающей среды (рис. 1.1) и природных или техногенных чрезвычайных ситуаций. Безопасность – первоочередная жизненная потребность человека. Данное утверждение является обоснованием принятого в нашей стране комплекса федеральных законов (ФЗ) – технических регламентов о безопасности, цель которых: – «защита жизни или здоровья граждан, имущества физических или юридических лиц, государственного или муниципального имущества; – охрана окружающей среды, жизни или здоровья животных и растений; – предупреждение действий, вводящих в заблуждение приобретателей» [1]. Численная реализация дифференциальной математической модели развития опасных факторов пожара. Наиболее подробное описание процессов тепломассообмена при пожаре в помещении дают полевые (дифференциальные) модели. Основным их достоинством является то, что искомыми параметрами являются поля температур, скоростей, давлений, концентраций компонентов газовой среды и частиц дыма по всему объему помещения. Полевые модели наиболее сложны в математическом описании, так как они состоят из системы трех- или двумерных нестационарных дифференциальных уравнений в частных производных, описывающих пространственно-временное распределение температур и скоростей газовой среды в помещении, концентраций компонентов газовой среды (кислорода, продуктов горения и т.д.), давлений и плотностей. Полевые модели, обозначаемые в зарубежной литературе аббревиатурой CFD (computational fluid dynamics), являются более мощным и универсальным инструментом, чем зонные; они основываются на совершенно ином принципе. Наиболее детальный уровень моделирования могут обеспечить полевые модели пожара. Эти модели называют дифференциальными. Полевые модели базируются на использовании дифференциальных уравнений в частных производных, описывающих пространственно-временное распределение температур и скоростей газовой среды в помещении, концентраций компонентов газовой среды (кислорода, продуктов горения и т.д.), давлений и плотностей. Эти уравнения включают реологический закон Стокса, закон теплопроводности Фурье, законы диффузии, законы радиационного переноса и т.п. Система уравнений, описывающих изменения во времени указанных параметров газовой среды в каждой точке пространства внутри помещения чрезвычайно громоздка. Решение названной системы осуществляется с помощью мощных компьютеров. Результаты решения получаются в форме полей скоростей, температур, концентраций продуктов горения и кислорода в любой момент времени протекания пожара. Реализация полевых моделей ограничена возможностями современной вычислительной техники, а главное - уровнем современных знаний о таких, например, явлениях, как турбулентность и радиационно-конвективный тепломассоперенос в поглощающей и рассеивающей среде, каковой является задымленный газ в помещении при пожаре. По этой причине разработанные к настоящему времени полевые модели носят ограниченный характер. Полевые модели, обозначаемые в зарубежной литературе аббревиатурой CFD (computational fluid dynamics), являются более мощным и универсальным инструментом, чем зональные; они основываются на совершенно ином принципе. Вместо одной или нескольких больших зон в полевых моделях выделяется большое количество (обычно тысячи или десятки тысяч) маленьких контрольных объемов, никак не связанных с предполагаемой структурой потока. Для каждого из этих объемов с помощью численных методов решается система уравнений в частных производных, выражающих принципы локального сохранения массы, импульса, энергии и масс компонентов. Таким образом, динамика развития процессов определяется не априорными предположениями, а исключительно результатами расчета. Полевой метод может использоваться: для проведения научных исследований в целях выявления закономерностей развития пожара; проведения сравнительных расчетов в целях апробации и совершенствования менее универсальных зональных и интегральных моделей, проверки обоснованности их применения; выбора рационального варианта противопожарной защиты конкретных объектов. Однако на основе проведенных исследований можно утверждать, что поскольку априорные допущения зонных моделей могут приводить к существенным ошибкам при оценке пожарной опасности объекта, предпочтительно использовать полевой метод моделирования в следующих случаях: для помещений сложной геометрической конфигурации, а также помещений с большим количеством внутренних преград; помещений, в которых один из геометрических размеров гораздо больше остальных; помещений, где существует вероятность образования ре-циркулярных течений без формирования верхнего прогретого слоя (что является основным допущением классических зонных моделей); Естественно, что такие модели, по сравнению с интегральными и зональными, требуют значительно больших вычислительных ресурсов. Однако в последние двадцать лет, в связи с быстрым развитием компьютерной техники, полевые модели из чисто академической концепции превратились в важный практический инструмент. В настоящее время создан целый ряд компьютерных программ, реализующих полевой метод моделирования, которые достаточно точно описывают поля скоростей, температур и концентраций на начальной стадии пожара. Наиболее детальный уровень моделирования могут обеспечить полевые модели пожара. Эти модели называют дифференциальными. Полевые модели базируются на использовании дифференциальных уравнений в частных производных, описывающих пространственно-временное распределение температур и скоростей газовой среды в помещении, концентраций компонентов газовой среды (кислорода, продуктов горения и т.д.), давлений и плотностей. Эти уравнения включают реологический закон Стокса, закон теплопроводности Фурье, законы диффузии, законы радиационного переноса и т.п. Система уравнений, описывающих изменения во времени указанных параметров газовой среды в каждой точке пространства внутри помещения чрезвычайно громоздка. Решение названной системы осуществляется с помощью мощных компьютеров. Результаты решения получаются в форме полей скоростей, температур, концентраций продуктов горения и кислорода в любой момент времени протекания пожара. Реализация полевых моделей ограничена возможностями современной вычислительной техники, а главное - уровнем современных знаний о таких, например, явлениях, как турбулентность и радиационно-конвективный тепломассоперенос в поглощающей и рассеивающей среде, каковой является задымленный газ в помещении при пожаре. По этой причине разработанные к настоящему времени полевые модели носят ограниченный характер. Полевые модели, обозначаемые в зарубежной литературе аббревиатурой CFD (computational fluid dynamics), являются более мощным и универсальным инструментом, чем зональные; они основываются на совершенно ином принципе. Вместо одной или нескольких больших зон в полевых моделях выделяется большое количество (обычно тысячи или десятки тысяч) маленьких контрольных объемов, никак не связанных с предполагаемой структурой потока. Для каждого из этих объемов с помощью численных методов решается система уравнений в частных производных, выражающих принципы локального сохранения массы, импульса, энергии и масс компонентов. Таким образом, динамика развития процессов определяется не априорными предположениями, а исключительно результатами расчета. Полевой метод может использоваться: для проведения научных исследований в целях выявления закономерностей развития пожара; проведения сравнительных расчетов в целях апробации и совершенствования менее универсальных зональных и интегральных моделей, проверки обоснованности их применения; выбора рационального варианта противопожарной защиты конкретных объектов. Однако на основе проведенных исследований можно утверждать, что поскольку априорные допущения зонных моделей могут приводить к существенным ошибкам при оценке пожарной опасности объекта, предпочтительно использовать полевой метод моделирования в следующих случаях: для помещений сложной геометрической конфигурации, а также помещений с большим количеством внутренних преград; помещений, в которых один из геометрических размеров гораздо больше остальных; помещений, где существует вероятность образования ре-циркулярных течений без формирования верхнего прогретого слоя (что является основным допущением классических зонных моделей); Естественно, что такие модели, по сравнению с интегральными и зональными, требуют значительно больших вычислительных ресурсов. Однако в последние двадцать лет, в связи с быстрым развитием компьютерной техники, полевые модели из чисто академической концепции превратились в важный практический инструмент. В настоящее время создан целый ряд компьютерных программ, реализующих полевой метод моделирования, которые достаточно точно описывают поля скоростей, температур и концентраций на начальной стадии пожара. Основой для полевых моделей пожаров являются уравнения, выражающие законы сохранения массы, импульса, энергии и масс компонентов в рассматриваемом малом контрольном объеме. Уравнение сохранения массы:  Уравнение сохранения импульса:  Для ньютоновских жидкостей, подчиняющихся закону Стокса, тензор вязких напряжений определяется выражением  Уравнение энергии:  где  - статическая энтальпия смеси;Hk - теплота образования k-ro компонента; Cр =  теплоемкость смеси при постоянном давлении;  - радиаци-онный поток энергии в направлении xj . Уравнение сохранения химического компонента k:  Для замыкания системы уравнений используется уравнение состояния идеального газа. Для смеси газов оно имеет следующий вид:  где R0 - универсальная газовая постоянная; Мk - молярная масса k-ro компонента. Данные уравнения описывают локальный мгновенный баланс. Их вполне достаточно для полного описания ламинарных потоков. К сожалению, при пожарах, так же, как и в большинстве других систем, связанных с горением, скорость и параметры состояния в конкретной точке совершают значительные флуктуации и решение данных уравнений в настоящее время требует огромных затрат машинного времени. Поэтому обычно данные уравнения приводят к осредненным свойствам, то есть разделяют каждую переменную на среднюю по времени и пульсационную составляющую. Например, для скорости:  где   .После разложения всех переменных и их подстановки в уравнения сохранения получаем систему уравнений, осредненных по времени. При этом, например, уравнение сохранения массы принимает следующий вид  Отличие состоит в появившемся дополнительном члене  , который представляет собой турбулентный перенос массы из-за флуктуации плотности и скорости.Аналогичные подстановки в другие уравнения сохранения приводят к появлению новых членов, содержащих пульсационные составляющие переменных. Даже если можно пренебречь флуктуациями плотности, например, вдали от источника пожара, где горение отсутствует и турбулентный перенос массы незначителен, в уравнении сохранения импульса остаются члены вида  , представляющие собой дополнительные потоки, вызванные турбулентными флуктуациями. Эти члены известны как напряжения Рейнольдса и обусловлены в большей степени случайным движением, чем молекулярной активностью. По величине они обычно значительно превосходят касательные напряжения, связанные с молекулярной вязкостью. В уравнениях сохранения энергии и масс компонентов присутствуют члены уравнений, которые описывают турбулентный перенос энтальпии и масс компонентов.Однако полученная система уравнений имеет ряд недостатков при описании потоков с переменной плотностью, характерных для пожаров. Более приемлемое описание может быть получено при использовании осреднения, взвешенного по плотности. При этом все переменные, кроме плотности и давления, для которых используется обычное осреднение, представляются в виде  , Эти уравнения, в отличие от исходных, не являются замкнутой системой. Поскольку члены вида (  ) неизвестны, возникает проблема, называемая турбулентным замыканием. Хотя возможно записать "точные" уравнения переноса для этих величин, в этом мало смысла, поскольку они будут содержать неизвестные более высокого порядка. Поэтому в большинстве случаев влиянием флуктуации либо пренебрегают, либо используют для замыкания системы "модели турбулентности".Следует отметить, что при моделировании пожаров используется и другой подход, когда система уравнений с помощью ряда допущений и без перехода к осредненным параметрам решается на самой мелкой сетке, какая возможна. При этом удается впрямую смоделировать поведение турбулентных вихрей, масштаб которых превышает масштаб расчетной сетки. Достоинством такого подхода является то, что в нем не используется модель турбулентности, однако он требует больших затрат машинного времени и мало апробирован. |