Влияние различных параметров на результаты расчета

Рассмотрим влияние некоторых параметров, не относящихся к пожарной нагрузке, на результаты расчета. Определим, какие параметры важно задавать точно, а какие можно оставить по умолчанию.

Рассмотрены следующие параметры:

1. Материал стен

2. Начальная температура воздуха

3. Влажность воздуха

4. Коэффициент видимости

Модель для расчета

Все расчеты выполнялись на одной модели: одноэтажное здание, помещение пожара и коридор. Расчетные точки расположены в помещении пожара, в коридоре перед помещением пожара, и в дальнем конце коридора.

2 из 2

Использовалась пожарная нагрузка «Административные помещения», график мощности:

Сетка для расчета использовалась равномерная, шаг сетки 0,25 м. Время расчета 300 секунд.

1. Материал стен

Материал стен влияет на теплообмен между газовой средой и стенами. Чем холоднее стены, тем больше энергии будет «отбираться» стенами у газовой среды, то есть будет уменьшаться температура газовой среды, что может повлиять на результаты расчета.

По умолчанию в FDS используется для стен поверхность INERT – это холодная (с температурой окружающей среды) поверхность, не нагревающаяся от газовой среды. Это предельный случай, когда отбор энергии стенами у газовой среды максимальный.

Сравним ее с реальными поверхностями с разными параметрами: бетон (большая теплоемкость, небольшая теплопроводность) и металл (небольшая теплоемкость, большая теплопроводность).

Кроме того, дополнительно рассмотрим поверхность ADIABATIC (адиабатическая) – поверхность, температура которой рассчитывается таким образом, чтобы теплообмен поверхности с газовой средой был равен 0 (то есть это другой предельный случай – стены вообще не отбирают у газовой среды энергию). Данная поверхность является служебной, и разработчики FDS рекомендуют использовать ее только в отладочных целях [Руководство FDS, п.11.2.3].

Материал стен задается в интерфейсе PyroSim следующим образом:

• создать твердые материалы в узле «Материалы» дерева объектов, задать им теплофизические свойства: теплоемкость, теплопроводность, плотность;
• создать поверхность типа «Многослойная» в узле «Поверхности», задать ей толщину и состав материалов;
• в свойствах препятствий на вкладке «Поверхности» выбрать созданную поверхность;
• в меню «Анализ» — «Параметры моделирования» — вкладка «Разные» задать параметр «Поверхность по умолчанию», для использования на твердых границах сеток.

Использованные параметры реальных материалов:

Материал «бетон»:

&MATL ID='бетон',

FYI='NBSIR 88-3752 - ATF NIST Multi-Floor Validation',

SPECIFIC_HEAT=1.04,

CONDUCTIVITY=1.8,

DENSITY=2280.0/

&SURF ID='Поверхность01',

RGB=146,202,166,

DEFAULT=.TRUE.,

BACKING='VOID',

MATL_ID(1,1)='бетон',

MATL_MASS_FRACTION(1,1)=1.0,

THICKNESS(1)=0.3/

Материал «сталь»:

&MATL ID='сталь',

FYI='Drysdale, Intro to Fire Dynamics - ATF NIST Multi-Floor Validation',

SPECIFIC_HEAT=0.46,

CONDUCTIVITY=45.8,

DENSITY=7850.0,

EMISSIVITY=0.95/

&SURF ID='Поверхность02',

RGB=146,202,166,

DEFAULT=.TRUE.,

BACKING='VOID',

MATL_ID(1,1)='сталь',

MATL_MASS_FRACTION(1,1)=1.0,

THICKNESS(1)=0.005/

Результаты расчета

Тонкой сплошной линией отображается ADIABATIC, толстой сплошной – INERT, пунктирной – бетон, штрих-пунктирной – металл. Разными цветами отображаются значения в разных точках.

Температура газовой среды: видно, что при поверхности ADIABATIC температура газа значительно выше, в остальных вариантах мало отличается.

Дальность видимости: почти не отличается во всех вариантах.

Концентрация кислорода: при ADIABATIC заметно меньше, в остальных почти не отличается.

Углекислый газ, угарный газ: ADIABATIC меньше

Дополнительно приведем иллюстрации температуры стен в помещении пожара.

INERT - 20 градусов по определению:

Бетон – максимальная температура стен в помещении пожара 51,5 градус:

Металл – максимальная температура стен 52,5 градуса:

ADIABATIC – максимальная температура стен 490 градусов:

При поверхностях INERT и двух реальных поверхностях при небольшом времени моделирования, характерном для расчетов риска, результаты практически не отличаются (разница проявится на более длительных расчетах, например, при моделировании прогрева конструкций). Значительное отличие в результатах наблюдается только при адиабатической поверхности ADIABATIC, которая является не реалистичной (это хорошо видно на иллюстрациях температуры стен – прогрев стен за 300 секунд до температуры почти 500 градусов невозможен в реальности).

Пользователь может использовать поверхность INERT без особой погрешности, однако рекомендуем задавать любую более-менее подходящую реальную поверхность, во избежание лишних вопросов.

2. Начальная температура воздуха

Начальная температура газовой среды в домене безусловно должна оказывать влияние на результаты расчета, поскольку одним из опасных факторов пожара является температура воздуха, составляющая 70 °С.

Были рассмотрены три варианта – 20° (по умолчанию), 23° (температура в общественных зданиях), 36° (максимальная температура воздуха в Екатеринбурге).

В интерфейсе начальная температура газовой среды задается в меню «Анализ» — «Параметры моделирования» — вкладка «Окружающая среда» — параметр «Температура окружающей среды».

Результаты расчета

Тонкой сплошной линией отображается 20°, пунктирной - 23°, толстой сплошной - 36°.

Температура закономерно меняется: чем выше начальная температура, тем быстрее наступает блокирование:

Дальность видимости в данном примере не меняется. Однако, поскольку температура влияет на движение дымовых газов, в других примерах может возникнуть влияние и на дальность видимости.

Кислород также значительно меняется, так как плотность газов зависит от температуры:

Углекислый и угарный газ меняются незначительно:

Таким образом, начальная температура воздуха может оказывать существенное влияние на время блокирования, поэтому ее обязательно нужно принимать во внимание (по крайней мере, когда она существенно отличается от значения по умолчанию). 20° от 23° отличается незначительно, а вот в здании без кондиционирования в летнее время температура может быть существенно выше температуры по умолчанию и сильнее повлиять на расчет.

3. Влажность воздуха

Влажность воздуха определяет количество водяного пара в воздухе, и может влиять на концентрацию других газов.

Были рассмотрены три варианта: 40% (по умолчанию) и два крайних - 0% и 100%.

В интерфейсе влажность воздуха задается в меню «Анализ» — «Параметры моделирования» — вкладка «Окружающая среда» — параметр «Относительная влажность».

Результаты расчета

Тонкой сплошной линией отображается 0%, пунктирной – 40%, толстой сплошной – 100%.

По графикам видно, что значительной разницы не возникает, все укладывается в обычные вариации одного и того же расчета. Небольшая разница возникает при расчете плотности кислорода, но она не настолько значима, чтобы ее обязательно необходимо было учитывать.

4. Коэффициент видимости

Коэффициент видимости является коэффициентом, связывающим дальность видимости и оптическую плотность газовой среды.

В методике это константа (формула П6.14 методики):

В FDS коэффициент С может принимать два значения 3 для светоотражающих знаков и 8 для светоиспускающих (п.20.10.4 руководства пользователя FDS):

Расчет выполнен для трех вариантов значения коэффициентов видимости: 2,38 (значение по методике), 3 (значение по умолчанию в FDS), 8.

В интерфейсе коэффициент задается в меню «Анализ» — «Параметры моделирования» — вкладка «Окружающая среда» — параметр «Коэффициент видимости».

Результаты расчета

Тонкой сплошной линией отображается 2,38, толстой сплошной – 3, пунктирной – 8.

Видно, что коэффициент видимости оказывает существенное влияние на дальности видимости. Для соответствия методике необходимо использовать значение 2,38.

Вывод

1. Материал стен мало влияет на результаты при расчетах риска (небольшие времена расчета), поэтому его можно без особой погрешности задавать поверхностью по умолчанию INERT или выбирать примерно подходящий реальный материал. Единственный вариант, сильно отличающийся от остальных – ADIABATIC – является нереалистичным и в реальных расчетах использоваться не должен.
2. Начальная температура воздуха может значительно повлиять на результат. Несколько градусов разницы не внесут большую погрешность (если использовать 20° вместо 23°, например), но если здание некондиционируемое, то использование 20° вместо максимальной температуры летом приведет к значительной погрешности.
3. Влажность воздуха почти не оказывает влияния на результаты. Можно оставить значение по умолчанию 40%.
4. Коэффициент видимости существенно влияет на результаты. Нужно задавать значение 2,38 для соответствия методике.