Авторы О.С. Пранцуз, Харьковский государственный технический университет строительства и архитектуры, В.Е. Костюк, Национальный аэрокосмический университет им. Н.Е. Жуковского «Харьковский авиационный институт»

Введение

Ввиду основательной застройки центральной части современных мегаполисов, возведение высотных зданий является единственным способом увеличить производственные и общественно-бытовые площади. Такие здания относятся к объектам массового пребывания людей. В случае возникновения пожара или других чрезвычайных ситуаций в высотном здании должны быть обеспечены возможность эвакуации людей и проведение аварийно-спасательных работ в наиболее безопасном режиме. Защита людей на путях эвакуации обеспечивается комплексом объёмно-планировочных, конструктивных, инженерно-технических и организационных мероприятий, в число которых входит противодымная защита здания [1].

Противодымная защита зданий устраивается для обеспечения эвакуации людей в пожаробезопасные зоны и содействия успешному тушению пожара. Противодымная защита зданий повышенной этажности включает в себя:

• ❏ удаление дыма из коридоров и холлов в случае пожара с целью проведения безопасной эвакуации людей на начальной стадии пожара;
• ❏ подачу воздуха в лифтовые шахты, противопожарные тамбур-шлюзы, незадымляемые лестничные клетки типа Н2, Н4 и другие защищаемые объёмы для создания в них избыточного давления (подпора воздуха) и предотвращения влияния на людей опасных факторов пожара [2].

Работа системы противодымной защиты подвержена действию множества с трудом поддающихся учету факторов, в основе которых лежат сложные, многообразные явления, наблюдаемые при пожаре: химические реакции горючих материалов с кислородом воздуха, сложный теплообмен, диффузия, турбулентное перемешивание пространственных неизотермических потоков воздуха и продуктов горения (дыма).

Сложность физической картины пожара и его вероятностная природа объективно затрудняют теоретический анализ процесса задымления помещений. В связи с этим действующие нормативные методики проектировочного расчёта систем противодымной защиты зданий [3-6] основаны на очень грубых допущениях (об одномерности течения в целом, равномерном распределении параметров в пределах условно выделяемых зон и т. п.). Проблема заключается в том, что в рамках традиционных подходов невозможно учесть реальное разнообразие архитектурных форм, характерных для интерьеров современных зданий, и соответственно реализовать их эффективные и безопасные проектные решения.

Ситуация стала активно меняться с появлением компьютеров, ростом их производительности, развитием численных методов, прикладных и комплексных разделов механики жидкости и газа, теории тепломассообмена и горения, разработкой средств компьютерной графики и визуализации, что в совокупности привело к становлению во второй половине прошлого века новой области знаний — вычислительной аэрогидродинамики (С FD — Computational Fluid Dynamics ) [7-10].

Вычислительная аэрогидродинамика использует в качестве базовой физическую модель вязкой жидкости и ее математическую модель — систему уравнений Навье-Стокса с соответствующими начальными и граничными условиями. К ним могут быть добавлены модели локальных явлений: химических реакций, дисперсной фазы и излучения. Численное решение дифференциальных уравнений в частных производных осуществляется итерационно методами конечных разностей, конечных (контрольных) объёмов или конечных элементов, а обыкновенных дифференциальных уравнений — методами типа Рунге-Кутта. В результате современные методы вычислительной аэрогидродинамики позволяют определять значения термогазодинамических и физико-химических параметров среды практически в каждой точке помещения с учетом турбулентного характера течения, наличия горения, частиц дыма и излучения, что открывает возможность прогнозирования развития пожара и задымления с минимальным привлечением эмпирических данных [11].

К настоящему времени различными коллективами разработано большое количество СFD-кодов, пригодных для расчёта процесса задымления помещений, как исследовательских, так и коммерческих (например, JASMINE , SOFIE , PHOENICS , Star -С D , Fluent, СFX и др.), благодаря чему может быть поставлена и решена задача расчётной оценки эффективности системы противодымной защиты в конкретной объёмно-планировочной обстановке для предполагаемого сценария пожара.

Описание объекта исследования

В качестве объекта исследования была выбрана система противодымной защиты десятиэтажного здания высотой 33 м в г. Харькове по ул. Богдана Хмельницкого, реконструируемого под офисный центр ( рис. 1 ).

Здание имеет две лестничных клетки: одна категории Н2 — с подпором воздуха в лестничную клетку в случае пожара и с естественным освещением на каждом надземном этаже через застекленные проемы в наружных стенах, и другая категории Н3 — с входом на лестничную клетку на каждом надземном этаже через противопожарный тамбур-шлюз 1-го типа с подпором воздуха в случае пожара и с естественным освещением на каждом этаже через застекленные проемы в наружных стенах. Лестничная клетка категории Н2 разделена пожарной преградой между 5-м и 6-м этажами. В каждый отсек в случае пожара предусмотрена подача свежего воздуха.

Фасад здания ориентирован на запад. На кровле здания установлен вентилятор дымоудаления радиальный крышный с выходом потока вверх ВРКВ-10ДУ производства завода «ВЕЗА» . Данный вентилятор может перемещать газы с температурой до 600 °С не менее 120 минут. Выброс газовоздушной смеси вверх предотвращает повреждение поверхности крыши в результате воздействия удаляемых высокотемпературных газов.

На противоположной стороне кровли расположены вентиляторы подпора воздуха в лифтовые шахты пассажирского лифта и лифта для подъема пожарного подразделения, соответственно ВО30-160-100-18.1 и ВО25-188-8.5 , а также вентилятор ВКОП-10 подпора воздуха в верхний отсек лестничной клетки категории Н2.

На уровне третьего этажа в лестничную клетку Н2 подается воздух вентилятором ВО30-160-071-18 . В тамбур-шлюз перед лестничной клеткой категории Н3 в случае пожара подается воздух вентилятором ВР 80-75-6,3 .

Типовой этаж здания имеет длину 30 м, ширину 15 м ( рис. 2 ). Все окна помещений этажа противопожарные (неоткрываемые). Высота подвесного потолка 2,7 м. По центру этажа параллельно фасаду расположен коридор шириной 3 м. С северного и южного торцов коридор имеет естественное освещение. По обеим сторонам коридора расположены офисные помещения. Габариты дверных проемов 0,9x2,2 (h) м. С восточного торца коридора имеется выход в тамбуршлюз, который ведёт на лестничную клетку категории Н3, с западного — находятся лифтовая шахта и лестничная клетка категории Н2. На расстоянии 2 метров от входа в тамбур-шлюз под потолком коридора установлен клапан дымоудаления КПДВ-4 . Размеры клапана 800х500 мм. Лифты — противопожарные, в случае пожара они предназначены для подъема пожарной команды. Перед дверями лифтов предусмотрен тамбур-шлюз из огнестойкого стекла. В случае возникновения пожара при срабатывании системы пожарной сигнализации (по достижении температуры 70 °С) или от пожарной кнопки открывается клапан дымоудаления на этаже пожара, и включаются вентиляторы дымоудаления и подпора воздуха.

Эвакуация людей предусмотрена по коридору через табур-шлюз и лестничные клетки. Расчётная максимальная скорость эвакуации — 1,5 минуты.

Вентиляторы подпора воздуха создают приток свежего воздуха навстречу эвакуирующимся людям и обеспечивают избыточное статическое давление 20 Па в плоскости дверных проемов, отделяющих коридор от табур-шлюза и лестничной клетки категории Н2. Расчётный массовый расход дыма через клапан дымоудаления 3,66 кг/c. Непрерывное удаление дымовых газов из коридора и приток в него свежего воздуха должны обеспечить безопасную эвакуацию людей на начальной стадии пожара.

Предполагаемый сценарий пожара и расчётная схема задымляемого помещения

Предполагается, что возгорание происходит в кабинете, наиболее отдаленном от выходов на лестничные клетки. Распространение пожара из этого места представляет наибольшую потенциальную опасность. На начальной стадии пожар локализован внутри кабинета. Он сопровождается образованием высокотемпературных дымовых газов, скапливающихся у потолка. В момент открывания двери кабинета происходит прорыв дымовых газов в коридор этажа и начинается заполнение коридора дымом. В этот же момент включается в работу система дымоудаления.

Расчётная схема задымляемого помещения — коридора этажа, показана на рис. 3 . Коридор представлен параллелепипедом 24х3х2,7 (h) м. Ось Z направлена вверх, ось X — на север, ось Y — на восток. Коридор сообщается с кабинетом, в котором возник пожар, и лестничными клетками через соответствующие дверные проемы, с шахтой дымоудаления — через клапан дымоудаления. Все ограждающие конструкции полагаются непроницаемыми и теплоизолированными.

Численная модель распространения дыма в помещении

Чтобы адекватно смоделировать процесс распространения дыма в коридоре этажа методами вычислительной аэрогидродинамики и при этом сэкономить вычислительные ресурсы, необходимо учесть наиболее существенные стороны процесса — нестационарность, неизотермичность, явления турбулентности и гидростатики (в частности, эффект плавучести) и попытаться отбросить второстепенные. В первом приближении дым может быть смоделирован, как среда, отличающаяся лишь температурой, но не химическим составом (то есть, как горячий воздух). Тем самым, из трех опасных факторов пожара и задымления — действие высоких температур, токсичность продуктов горения и ухудшение видимости, — непосредственно оценивается только температурный фактор, а остальные полагаются коррелирующими с ним. Существенное значение имеет также точное представление геометрии пространства коридора (габариты и расположение дверных проемов, источника дыма и клапана дымоудаления) с достаточным его разрешением.

Для математического моделирования трехмерного нестационарного турбулентного течения газообразной среды в объекте исследования разработана компьютерная программа численного решения полной системы осредненных по Рейнольдсу уравнений Навье-Стокса. Система включает

уравнения неразрывности, сохранения количества движения и энергии, которые можно записать в следующем обобщенном виде [9]:

где ö — независимая переменная,

ñ , V — соответственно плотность среды и скорость;

Г ö — обобщенный коэффициент диффузии;

S ö — источниковый член.

Система уравнений (1) является незамкнутой. Для ее замыкания использована низкорейнольдсовая k – å модель турбулентности Чена [12] ( k — кинетическая энергия турбулентных пульсаций, å — скорость её диссипации), два уравнения которой по форме записи аналогичны уравнению (1). Связь между температурой, давлением и плотностью среды устанавливается уравнением состояния идеального газа.

Для корректной постановки краевой задачи система дифференциальных уравнений в частных производных (1), должна быть дополнена соответствующими начальными и граничными ( рис. 4 ) условиями.

В начальный момент времени t = 0 °С (соответствующий открытию двери кабинета, в котором происходит пожар) воздух в коридоре полагался неподвижным, его статическое давление — равным атмосферному, температура -27 °С.

На участке расчётной области, соответствующем дверному проему между коридором и кабинетом, в котором возник пожар, задавалось граничное условие «вход с заданным профилем скорости». Нулевая отметка скорости принималась лежащей на линии равновесных давлений дыма и воздуха, подсасываемого пожаром.

Влиянием подсоса воздуха из коридора к очагу возгорания на нижнем участке дверного проема (на рис. 5 он показан черным цветом) пренебрегали. На оставшейся (верхней) части проема принимался треугольный профиль распределения скорости в плоскости YOZ . Среднемассовая скорость дыма на этом участке соответствовала массовому расходу 1 кг/c. Температура дыма принималась равной 737 °С.

На дверных проемах между коридором и тамбур-шлюзом и между коридором и проходом к лестничной клетке категории Н2 ставилось граничное условие «выход с заданным давлением». Избыточное статическое давление на этих участках принималось равным 20 Па.

На клапане дымоудаления задавалось граничное условие «выход с заданным массовым расходом» 3,6 кг/c.

На всех ограждающих конструкциях ставилось граничное условие «непроницаемая адиабатная стенка».

Для учета пограничных слоев, не разрешаемых сеткой, использовались функции стенки.

Решение системы (1) отыскивалось итерационно методом контрольных объёмов на расчётной сетке 77х14х15 узлов ( рис. 5 ). В расчётах использовались разностные схемы аппроксимации второго порядка точности по пространству и первого — по времени.

Результаты численного моделирования распространения дыма в коридоре типового этажа при работающей системе механического дымоудаления

Непосредственными результатами численного моделирования распространения дыма в коридоре типового этажа при работающей системе механического дымоудаления являются значения независимых переменных системы уравнений (1) (давления, скорости, температуры и параметров турбулентности) в узлах расчётной сетки на каждом временнoм шаге.

Применение современных средств компьютерной графики и визуализации позволяет представить расчётные данные в удобной для анализа форме: в виде векторных полей, линий уровня (изолиний) заданного параметра на заданных реальных или виртуальных поверхностях, поверхностей равных значений заданного параметра (изоповерхностей) на фоне границ расчётной области и т. д.

На рис. 6 представлены изоповерхности температуры среды 70 °С в различные моменты времени. Эта температура является предельно допустимой для безопасной эвакуации людей из задымляемого помещения. Ее изоповерхность можно интерпретировать как тепловую границу дымового слоя.

Из рис. 6 видно, что дым после его прорыва из кабинета, в котором происходит пожар, в коридор под действием сил плавучести устремляется вверх. Столкнувшись с потолком, дымовая струя растекается по нему в радиальных направлениях с образованием характерного торообразного вихря ( t = 2 °С).

На четвертой секунде проявляется влияние открытого дымового клапана на поток дымовых газов, которые большей частью устремляются в его сторону. Под действием встречного потока свежего воздуха, поступающего из тамбур-шлюза и лестничной клетки категории Н2 происходит поджатие и волнообразование распространяющегося дыма.

На одиннадцатой секунде та часть горячего потока, которая направляется в сторону дымового клапана, достигает его. Режим удаления дыма в этом направлении стабилизируется. Поток дыма, распространяющийся в противоположном (северном) направлении, сопровождается интенсивным вихреобразованием. С одной стороны, высокотемпературные газы поднимаются вверх и распределяются вдоль потолка. С другой стороны, поток свежего воздуха, поступающего в коридор из лестничной клетки, оказывает давление и отжимает их вниз.

По достижении северного торца коридора поток дыма начинает понижаться и двигаться в сторону своего источника и дымового клапана. С 16-й до 45-й секунды, по мере опускания потока дымовых газов, в коридоре перед лестничной клеткой наблюдается нестабильное движение потоков. При этом дымовой слой интенсивно меняет свою форму с образованием нерегулярных складок и «протуберанцев» ( t = 16 °С).

К 45-й секунде крупномасштабные колебания поверхности дымового слоя затухают. К 90-й секунде течение дымогазовоздушной смеси в коридоре этажа устанавливается, и граница дымового слоя стабилизируется. Дымовой слой имеет наибольшую толщину в северной части коридора (его граница, соответствующая температуре 70 °С, находится ниже отметки 1,7 м от пола), наименьшую — в южной его части (граница, соответствующая температуре 70 °С, находится выше отметки 1,7 м от пола), особенно в непосредственной близости от дымового клапана.

На рис. 7 показаны изолинии температуры дымогазовоздушной смеси в плоскости, находящейся на отметке 1,7 м от пола (средний рост человека), в различные моменты времени. Из рисунка видно, что на 16-й секунде на пути эвакуации имеются участки с температурой, превышающей 70 °С (максимальная температура 77 °С), но большую часть площади занимают изолинии с температурой ниже 37 °С. На 90-й секунде на всем пути эвакуации к лестнице категории Н2 температура превышает 70 °С (максимальная температура 92 °С). При этом на пути эвакуации в сторону клапана дымоудаления и тамбур-шлюза с выходом на лестничную клетку категории Н3 температура не повышается выше 37 °С.

На рис. 8 представлены изолинии температуры среды в вертикальных плоскостях, проходящих через середины дверных проемов и клапана дымоудаления. Из рисунка видно, что работа системы механического дымоудаления обеспечивает приемлемые условия для эвакуации людей и работы пожарного подразделения.

Выводы и перспективы дальнейших исследований

Выполненное численное моделирование системы противодымной защиты типового этажа высотного здания методами вычислительной аэрогидродинамики подтвердило эффективность рассчитанной по нормативным документам системы дымоудаления при предполагаемом сценарии пожара и принятых значениях режимных параметров. Высокая информативность использованного метода расчёта позволила получить подробное и наглядное представление о направлениях и скорости распространения дыма и выявить опасные высокотемпературные зоны, что помогло уточнить планы эвакуации и аварийно-спасательных работ.

Согласно численному прогнозу люди имеют возможность безопасно эвакуироваться из коридора этажа

высотного здания. Эвакуация в сторону выхода на лестничную клетку категории Н3 через тамбур-шлюз предпочтительнее, так как там ниже температура воздуха и меньше задымление, особенно в первые 45 секунд пожара. По высоте коридора приемлемые условия по температуре имеют место ниже отметки 1,7 метра от пола. Поэтому людям желательно эвакуироваться, пригнувшись. По окончании расчётного времени эвакуации (1,5 мин) сохраняется возможность прохода и работы пожарного подразделения, прибывающего к месту пожара на противопожарном лифте, с северного торца коридора. Следует отметить, что исследованный объект имеет достаточно простую геометрическую форму, в отличие от большинства новых архитектурных сооружений. Основа нормативных документов по противодымной защите была заложена во времена СССР. В настоящее время появились новые материалы, новое оборудование систем дымоудаления, в том числе и оборудование естественных (гравитационных) систем дымоудаления, найдены новые решения по разбивке на зоны дымоудаления. Современные здания имеют новые назначения, новые формы, и расчёт систем их противодымной защиты вызывает много вопросов, ответы на которые в нормативных документах отсутствуют. Поэтому для всех сложных архитектурных форм в целях повышения безопасности при возникновении пожара расчёт системы дымоудаления методами вычислительной аэрогидродинамики особенно целесообразен.

Направления дальнейших исследований авторы видят в совершенствовании разработанной методики численного моделирования систем противодымной защиты зданий в направлениях обеспечения возможности описания сложных архитектурных форм и непосредственного учета остальных опасных факторов задымления, помимо температурного. Это позволит, в случае необходимости, устранить недостатки систем, рассчитанных по нормативным документам, и повысить качество защиты при пожаре. ■

Литература

1. Батчер Е, Парнелл А. Опасность дыма и дымозащита. — М.: Стройиздат, 1983.
2. Пономаренко В.С., Стельмах О.А. Практическое пособие по расчёту и использованию оборудования для систем противодымной защиты зданий. — Харьков, 2002.
3. СНиП 2.04.05-91. «Отопление, вентиляция и кондиционирование».
4. ДБН В.2.2-9-99. «Общественные здания и сооружения».
5. ДБН В.1.1-7-2002. «Пожарная безопасность объектов строительства».
6. Пособие 4.91 к СНиП 2.04.05-91. «Противодымная защита зданий и помещений».
7. Госмен А.Д., Пан В.М., Ранчел А.К., Сполдинг Д.Б., Вольфштейн М. Численные методы исследования течений вязкой жидкости. — М.: Мир, 1972.
8. Роуч П. Вычислительная гидродинамика. — М.: Мир, 1980.
9. Флетчер К. Вычислительные методы в динамике жидкостей. Т.1. — М.: Мир, 1991.
10. Приходько А.А. Компьютерные технологии в аэрогидродинамике и тепломассообмене. — К.: Наукова думка, 2003.
11. Olenich S.M., Carpenter D.J. An Updated International Survey of Computer Models for Fire and Smoke // Journal of Fire Protection Engineering, Vol. 13. — May, 2003. — 10-23 p.
12. Chien J.Y. Renormalization Group Method and Turbulence Modeling // AIAA Journal. — 1982. — Vol. 20. — № 1. — 33-38 p.