ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ДИНАМИКИ ОПАСНЫХ ФАКТОРОВ ПОЖАРА В ОБЩЕСТВЕННОМ ЗДАНИИ С ПРИМЕНЕНИЕМ ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

Развитие пожара в общественном здании сопровождается изменением условий в помещениях и на путях эвакуации. Дым и нагретые продукты горения распространяются через проёмы, коридоры и открытые пространства, поэтому опасность может возникать за пределами помещения, в котором расположен очаг. Для оценки последствий важно установить последовательность этих изменений. Численное моделирование позволяет получить сведения о распределении параметров пожарной среды во времени и пространстве.

Цель статьи — проанализировать возможности и ограничения численного прогнозирования опасных факторов пожара применительно к общественным зданиям. Рассматривается последовательность подготовки модели: от определения задачи и сценария до проверки результатов и их использования при оценке пожарной безопасности. Основное внимание уделяется условиям достоверности прогноза, поскольку детальная визуализация сама по себе не подтверждает обоснованность расчётной постановки.

В методике определения расчётных величин пожарного риска, утверждённой приказом МЧС России от 14.11.2022 № 1140, построение полей опасных факторов предусмотрено как одна из составляющих оценки риска [1, п. 3]. При этом моделирование развития пожара и определение индивидуального риска решают разные задачи. Первая описывает изменение среды при заданном сценарии, вторая использует эти сведения вместе с другими параметрами для оценки воздействия опасных факторов на людей.

Прогноз следует понимать как описание возможного развития пожара при определённой совокупности условий. Он зависит от положения очага, свойств горючих материалов, геометрии помещений, воздухообмена и принятого режима работы противопожарных систем. Изменение любого из этих элементов может повлиять на результат. Поэтому модель не устанавливает единственную картину будущего пожара, а позволяет исследовать сценарии, существенные для рассматриваемого объекта.

Общественные здания имеют разнообразные объёмно-планировочные решения. Залы, коридоры, лестницы, атриумы и помещения небольшого объёма создают разные условия распространения продуктов горения. Между очагом и удалённым выходом могут находиться несколько сообщающихся пространств. Их взаимосвязь необходимо отражать в расчётной области, если она влияет на перенос дыма и тепла. Исключение такого пространства требует проверки обоснованности принятого упрощения.

Методика № 1140 предусматривает интегральный, зонный и полевой подходы к определению опасных факторов [1, прил. № 1]. Они различаются способом описания среды. Интегральная модель использует усреднённые характеристики помещения, зонная выделяет области с условно однородными параметрами, полевая рассчитывает пространственное распределение величин. Выбор определяется задачей и условиями применимости модели, а не только доступностью программного средства.

Полевой подход особенно полезен, когда необходимо анализировать неоднородность среды и влияние планировки. Расчётная область разделяется на ячейки, в которых численно определяются параметры потока и переноса тепла. Такая детализация позволяет исследовать изменение условий в отдельных частях здания. Однако пространственное разрешение ограничивается размером сетки, а физические процессы описываются с помощью допущений и подмоделей, требующих проверки применимости.

Одним из средств полевого моделирования является Fire Dynamics Simulator. FDS разработан для расчёта низкоскоростных течений с акцентом на перенос дыма и тепла при пожарах [2]. В техническом руководстве представлены математическая основа и принципы реализации модели [3]. Для подготовки расчётных данных может использоваться графическая оболочка PyroSim, а для визуализации — Smokeview. Интерфейс упрощает работу, но не заменяет обоснование физических параметров.

Применение FDS в исследовательской практике показано, в частности, в работе С.Ф. Лобовой, Т.А. Кузьминой и В.Г. Плотникова, посвящённой моделированию динамики пожара при проведении пожарно-технической экспертизы [5, с. 5–6]. Авторы разграничивают численное решение и используемые модели физических процессов. Для анализа общественного здания это разграничение существенно: работоспособность программы и соответствие постановки конкретной задаче требуют самостоятельной оценки.

Подготовка модели начинается с определения результата, который необходимо получить. Это могут быть временные зависимости температуры, видимости или концентраций компонентов газовой среды, а также время достижения предельных значений на заданных участках. Формулировка задачи определяет границы расчётной области, расположение контрольных точек и продолжительность моделирования. Без этого существует риск получить большой массив данных, который не отвечает на вопрос о безопасности людей.

Геометрическая модель должна сохранять элементы, определяющие движение газов: размеры помещений, взаимное положение проёмов, высоту перекрытий, основные препятствия и сообщения между этажами. Избыточная детализация мелких элементов увеличивает объём подготовки и вычислений, но не всегда улучшает оценку значимых параметров. Упрощения следует выбирать по их влиянию на рассматриваемый процесс, сохраняя возможность проследить связь модели с планировкой здания.

Отдельного обоснования требует пожарная нагрузка. Масса материалов характеризует запас горючего, однако сама по себе не задаёт скорость выделения тепла, дымообразование и состав продуктов горения. Для расчёта необходимо определить соответствующие свойства и способ представления источника. Усреднённые характеристики допустимы в пределах выбранной методики, но их нельзя переносить между различными материалами без анализа возможного влияния на прогноз.

Следует различать заданное развитие источника тепловыделения и моделирование процессов, определяющих горение материала. В первом случае часть динамики непосредственно задаётся исходными данными; во втором она зависит от выбранной модели и её параметров. Поэтому график мощности пожара необходимо рассматривать как элемент постановки задачи. Он не становится независимым результатом только потому, что использован в программе полевого моделирования.

Положение очага определяет путь распространения дыма и связь пожара с эвакуационными маршрутами. Источник возле проёма и источник в удалённой части помещения могут создавать разные условия при одинаковой горючей нагрузке. Методика требует рассматривать сценарии с наихудшими условиями обеспечения безопасности людей [1, пп. 10–13]. Следовательно, выбор места возникновения пожара должен объяснять, почему соответствующий вариант является существенным для оценки объекта.

Воздухообмен связан с состоянием дверей, окон, вентиляционных каналов и других проёмов. Изменение их положения влияет на приток воздуха, удаление продуктов горения и движение газовых потоков. Если в модели предусмотрено открывание проёма в определённый момент, это условие должно быть обосновано. Нельзя считать произвольно заданное открытое окно или закрытую дверь нейтральным допущением, не влияющим на развитие пожара.

При включении противодымной вентиляции необходимо описывать предусмотренный режим её работы, характеристики удаления и подачи воздуха и условия запуска. Результат зависит от взаимодействия системы с геометрией помещения и источником пожара. Само наличие вытяжного устройства не подтверждает сохранение безопасной среды во всех контрольных точках. Эффективность решения оценивается по тем параметрам и участкам, ради которых система учитывается в расчёте.

Действие автоматического пожаротушения также требует корректного способа представления. Факт наличия установки не позволяет произвольно уменьшить мощность источника в выбранный момент. Следует учитывать применимые правила расчёта и возможности используемой модели. В отчёте необходимо разграничивать заданное ограничение мощности и моделируемое воздействие средств тушения, поскольку эти постановки имеют разный физический смысл и разные основания для интерпретации результата.

Размер расчётной ячейки влияет на представление геометрии и пространственных изменений параметров. Крупная сетка может сглаживать неоднородность, а мелкая повышает вычислительные затраты. При выборе разрешения следует учитывать размеры проёмов, особенности источника и параметры, по которым формируется вывод. Универсальное назначение одинаковой сетки для всех помещений не гарантирует достаточной детализации в наиболее значимых областях.

Проверка чувствительности к сетке заключается в сопоставлении результатов при нескольких вариантах пространственного разрешения. Важно анализировать изменение целевого показателя, например времени достижения предельной видимости, а не только внешнее сходство изображений. Если уточнение сетки заметно меняет этот показатель, вывод требует дополнительного обоснования. При этом малое различие результатов само по себе не доказывает правильность исходных свойств материалов и граничных условий.

В документации FDS отдельно рассматриваются верификация и валидация [3, 4]. Верификация связана с проверкой реализации математической модели и численного решения. Валидация оценивает соответствие расчётных предсказаний экспериментальным данным. Наличие таких исследований подтверждает изученность модели в рассмотренных условиях, однако не означает одинаковую точность для любого общественного здания и любой пожарной нагрузки.

Для конкретной задачи необходимо оценить, насколько условия моделирования сопоставимы с областью, в которой предсказательные возможности программы исследованы. Это относится к масштабам помещения, типу источника, вентиляции и выбранным выходным параметрам. Перенос результатов проверки одного режима горения на другой без анализа ограничений методически необоснован. Поэтому сведения о программе следует дополнять описанием используемых физических моделей и допущений.

После выполнения расчёта требуется проверка данных. Прежде всего устанавливают, достигнута ли заданная продолжительность моделирования и не возникли ли диагностические сообщения, требующие анализа. Затем оценивают соответствие результата постановке: где находится источник, как представлены проёмы и включены ли предусмотренные устройства. Завершение вычисления без ошибки запуска не исключает ошибку в исходных данных или неверное положение контрольной точки.

Распределение опасных факторов анализируют в местах, связанных с пребыванием и движением людей. Контроль только в припотолочной зоне либо только у очага не раскрывает условия на эвакуационном маршруте. Расположение точек и расчётных сечений выбирают по применимой методике и цели исследования. В описании результатов необходимо указывать координаты или привязку к плану, чтобы временные зависимости можно было сопоставить с конкретным участком здания.

Визуализация помогает проследить направление переноса дыма и выявить зоны неоднородности. Однако изображение в выбранный момент не заменяет анализа временной зависимости и проверки пороговых значений. Цветовая шкала должна иметь определённый физический смысл и единицы измерения. Сравнение разных сценариев по изображениям с несогласованными шкалами способно создать неверное впечатление о выраженности опасных факторов.

Для определения времени блокирования рассматривают учитываемые опасные факторы и момент достижения предельных значений на соответствующих путях. Температура, видимость и газовый состав могут становиться определяющими в разное время [1, прил. № 1]. Поэтому нельзя заранее считать единственным критерием температуру. Нужно показать, какой фактор ограничил возможность безопасного движения и где именно сформировались соответствующие условия.

Неопределённость исходных данных требует анализа чувствительности. Если достоверные сведения о свойствах горючего материала или состоянии проёмов ограничены, целесообразно рассмотреть обоснованный диапазон вариантов. Такой анализ позволяет выявить параметры, изменение которых существенно влияет на вывод. При этом границы диапазона должны иметь основание: произвольный набор значений не делает прогноз более надёжным и затрудняет интерпретацию.

Практическая ценность моделирования проявляется при сравнении проектных решений. Можно исследовать изменение распространения опасной среды при корректировке планировки, ограничении сообщения помещений или изменении параметров противодымной защиты. Сравнение требует сохранения согласованных исходных условий и явного описания изменяемого решения. Иначе улучшение результата может быть вызвано одновременно другим источником пожара или иной схемой воздухообмена.

Таким образом, численное моделирование позволяет исследовать пространственную и временную неоднородность опасных факторов пожара в общественном здании. Обоснованность прогноза определяется выбором сценария, качеством исходных данных, применимостью модели и проверкой чувствительности результата. Расчётная сетка и средства визуализации являются инструментами исследования, а не самостоятельными доказательствами достоверности полученного вывода.

Использование прогноза при оценке пожарной безопасности требует связи каждого результата с конкретным помещением, маршрутом и набором допущений. При соблюдении этих условий модель помогает установить причины раннего формирования опасной среды и проверить влияние технических решений. Такой подход обеспечивает содержательную основу для последующей оценки условий эвакуации и пожарного риска, сохраняя границы между физическим прогнозом и нормативным выводом.