4.3. Динамика развития пожара

Развитие пожара и характер его воздействия на различные объекты является сложным физическим процессом, который в общем случае описывается полной системой уравнений Навье-Стокса, уравнением энергии (включающим в себя перенос энергии за счет конвективных процессов, теплопроводности, излучения, диффузии, химических реакций горения пожарной нагрузки), уравнениями неразрывности, диффузии, состояния и теплообмена.

В связи с неопределенностью ряда граничных условий процесса развития пожара и трудностью учета всех влияющих на процесс развития пожара факторов, в том числе и процессов турбулентности, точное решение данной системы уравнений в настоящее время является сложнейшей научной проблемой, особенно в свете практических задач.

Перенос тепла от очага горения к ограждающим конструкциям, в общем случае, происходит за счет конвективных потоков продуктов сгорания, излучения, теплопроводности и непосредственного воздействия пламени (в том числе и пламени сгорающего материала) на конструкции.

Механизм теплового взаимодействия между очагом горения и конструкциями зависит от взаимного расположения и геометрических размеров факела и самих конструкций. Характеристики горючей нагрузки, свойства продуктов сгорания, теплотехнические характеристики конструкций, а также характер газообмена влияют на величину теплового взаимодействия очага с конструкциями.

По характеру горения пожарной нагрузки пожары делятся на два класса: локальные и объемные.

Отличительной особенностью локальных пожаров является наличие ярко выраженного струйного течения над очагом горения и четкой зоны раздела горячих газов, состоящих из продуктов горения и "холодного" воздуха окружающей среды. По характеру развития струйного течения локальные пожары подразделяются на пожары с постоянной и переменной площадью горения.

Локальные пожары с постоянной площадью горения характерны при горении жидкостей с ограниченным зеркалом разлива. Пожары с переменной площадью горения - при горении жидкого топлива с изменяющимся зеркалом горения и при горении твердых горючих материалов в условиях сосредоточенной пожарной нагрузки.

Параметры, характеризующие условия развития пожара в помещении (температура, давление, состав газовой среды, массовые и тепловые потоки), в условиях локальных пожаров существенно неравномерны в объеме очага пожара. Их усредненные значения сильно отличаются от локальных значений.

Важной отличительной чертой объемных пожаров является отсутствие значительных градиентов термодинамических параметров (в связи с сильной степенью перемешивания), что приводит к практически незначительному отличию локальных характеристик от среднеинтегральных (среднеобъемных).

По условиям горения пожарной нагрузки объемные пожары подразделяются на пожары, регулируемы нагрузкой (ПРН), и пожары, регулируемые воздухом (ПРВ).

В условиях ПРН горение происходит при достаточном количестве воздуха (окислителя) и скорость выгорания пожарной нагрузки (тепловыделения), главным образом, зависит от вида, расположения и количества пожарной нагрузки, в меньшей степени - от характера газообмена очага пожара с окружающей средой, и пропорциональна площади горения. При ПРН горение происходит преимущественно в объеме помещения.

Горение пожарной нагрузки в условиях ПРВ происходит при недостатке воздуха, а скорость выгорания пропорциональна количеству поступающего в объем помещения окислителя. При недостатке окислителя в очаге пожара возможно догорание продуктов горения за пределами помещения.

Развитие пожара в сильной степени зависит от многих факторов: физико-химических свойств горящего материала; пожарной нагрузки, под которой понимается масса всех горючих и трудногорючих материалов, находящихся в горящем помещении; газообмена очага пожара с окружающей средой и с внешней атмосферой; скорости выгорания пожарной нагрузки и т.п.

Скорость выгорания пожарной нагрузки варьируется в достаточно широких пределах. Так, например, бензин выгорает со скоростью 61,7 г/(м²·с); дизельное топливо - 42,0; мебель в жилых и административных зданиях влажностью (8...10)% - 14,0; хлопок + капрон (3:1) - 12,5; резина - 11,2; книги и журналы - 4,21 г/(м²·с).

В зависимости от средней скорости выгорания веществ и материалов развитие пожара может принимать ту или иную динамику.

В литературе приводятся общие схемы развития пожара, которые включают несколько основных фаз (экспериментальные данные для помещения размером 5 x 4 x 3 м, отношением площади оконного проема и площади пола 1:4, пожарной нагрузкой 50 кг/м² - древесные бруски):

I фаза (продолжительность ~ 10 мин) - начальная стадия, включающая переход возгорания в пожар [(1...3) мин] и рост зоны горения [(5...6) мин].

В течение первой фазы происходит преимущественно линейное распространение огня вдоль горючего вещества или материала. Горение сопровождается обильным дымовыделением, что затрудняет определение места очага пожара. Среднеобъемная температура в помещении повышается до 200°С (темп увеличения среднеобъемной температуры в помещении 15°С в 1 мин). Приток воздуха в помещение увеличивается. Поэтому очень важно в это время обеспечить изоляцию помещения от наружного воздуха (не рекомендуется открывать или вскрывать окна и двери в горящее помещение) и вызвать пожарные подразделения. В некоторых случаях, при достаточном обеспечении герметичности помещения, наступает самозатухание пожара. Если очаг пожара виден, необходимо по возможности принять меры к тушению пожара первичными средствами пожаротушения. Продолжительность I фазы составляет (2...30)% продолжительности пожара.

II фаза [продолжительность ~ (30...40) мин] - стадия объемного развития пожара.

Характеризуется бурным процессом горения, температура внутри помещения в начале фазы повышается до (250...300)°С, начинается объемное развитие пожара, пламя заполняет весь объем помещения и процесс распространения пламени происходит уже не поверхностно, а дистанционно, через воздушные разрывы. Разрушение остекления происходит через (15...20) мин от начала пожара. Из-за разрушения остекления приток свежего воздуха резко увеличивает развитие пожара. Темп увеличения среднеобъемной температуры составляет до 50°С в 1 мин. Температура внутри помещения повышается до (800...900)°С. Максимальная скорость выгорания продолжается (10...12) мин. Стабилизация пожара происходит на (20...25) минуте от начала пожара и продолжается (20...30) мин.

В начале II фазы пожара имеет место большой градиент температуры по объему помещения. Так, при горении бензина на площади 2 м² в помещении объемом 100 м³ на 15 минуте пожара в зоне горения температура составляет 900°С, а в самой удаленной точке 200°С. При этом у потолка температура достигает 800°С и более, по центру высоты помещения - 500°С, у пола - 200°С.

III фаза - затухающая стадия пожара.

На этой стадии происходит догорание пожарной нагрузки в виде медленного тления. Температурное поле внутреннего пожара неравномерно в объеме помещения. Нагретые продукты горения преимущественно концентрируются в верхней части помещения, что особенно характерно для помещений с высокими потолками. Поэтому в условиях задымленного помещения наилучшая видимость и соответственно наименьшая концентрация отравляющих веществ у припольного пространства.

Рядом специалистов динамика развитие пожара описывается четырьмя стадиями (рис. 4.1). При этом принципиально эта схема отличается от изложенной выше дополнительным разделением II фазы на две самостоятельные стадии.

Первая - начальная стадия пожара (НСП) включает в себя время от возникновения горения до полного охвата пламенем (горением) поверхности горючей (пожарной) нагрузки. Продолжительность этой стадии зависит от вида и количества пожарной нагрузки, мощности источника зажигания, конструктивно-планировочных характеристик помещения и может меняться в широких пределах. Температура в помещении характеризуется сильной неоднородностью, однако среднее значение ее и темп изменения невелики. Эта стадия очень важна для оценки характера последующего развития пожара, разработки мероприятий по обеспечению безопасной эвакуации людей при пожаре, обнаружению и тушению пожара. По характеру тепло- и массообменных процессов НСП аналогична локальным пожарам с переменной площадью горения.

I

Рис. 4.1. Характер изменения параметров пожара в помещении:

1 - среднеобъемная температура, 2 - скорость выгорания, 3 -температура поверхности

строительной конструкции; t_п- продолжительность пожара;

I - начальная стадия пожара; II - развивающаяся стадия пожара;

III - развитая стадия пожара; IV - затухающая стадия пожара

Вторая - развивающаяся стадия пожара включает в себя период от полного охвата пламенем поверхности пожарной нагрузки до достижения постоянной скорости выгорания материалов пожарной нагрузки.

Эта стадия характеризуется резким увеличением скорости тепловыделения и интенсивным изменением температуры в помещении. В развивающейся стадии пожара строительные конструкции подвергаются быстро нарастающему интенсивному тепловому воздействию.

В третьей - развитой стадии пожар достигает наибольшей возможной интенсивности, все параметры, характеризующие развитие пожара (скорость выгорания, газообмен, концентрация продуктов сгорания, температура, тепловые потоки), имеют максимальные и практически постоянные значения.

Четвертая - затухающая стадия пожара начинается с момента уменьшения скорости выгорания пожарной нагрузки и заканчивается моментом достижения исходного значения среднеобъемной температуры. Тепловыделение и средняя температура газовой среды в очаге пожара уменьшаются, однако в начале этой стадии остаются еще достаточно высокими и оказывают значительное тепловое воздействие на конструкции.

Пожарная нагрузка в условиях реальной эксплуатации зданий (функциональная пожарная опасность) состоит из огромного количества горючих материалов и изделий. При решении частных вопросов все это многообразие по возможности необходимо учитывать. Для решения общих вопросов, чаще всего, выбирается базовый материал, который, не изменяя главную физическую картину процесса (пожара), позволяет избежать практической неопределенности при анализе реальной пожарной нагрузки.

По данным ВНИИПО значительное число пожаров характеризуется тем, что горючими материалами являются древесина и ткани, особенно в жилом секторе, где в 70% случаев древесина была основным горючим материалом, а число погибших от общего числа погибших при пожаре составило 92%.

По наносимому ущербу влияние вида горючего материала распределилось следующим образом: древесина ~ 69%; шерсть, хлопок и т. п. ~ 11%; фураж, сено, солома ~ 5%; синтетические волокна и изделия из них ~ 2%, ЛВЖ, ГЖ ~ 2%; резина и резинотехнические изделия ~ 2%. Ущерб от пожара при горении этих материалов составляет ~ 90% всей величины ущерба.

Из анализа обеих схем динамики развития пожара следует важнейший вывод: эффективность тушения пожара и размер соответствующего ущерба определяются скоростью оповещения пожарной охраны о возникновении очага загорания. Поэтому автоматические системы пожарной сигнализации должны срабатывать в начале 1-й фазы развития пожара, так как в этой фазе пожар еще не достиг максимальной интенсивности развития.

Но и в этом случае тушение пожара подразделениями пожарной охраны начинается, как правило, через (10...15) мин после извещения о пожаре, т.е. через (15...20) мин после его возникновения [(3...5) мин проходит до срабатывания системы сигнализации о пожаре; (5...10) мин – минимальное время следования подразделений пожарной охраны на пожар; (3...5) мин - подготовка к тушению пожара]. К этому моменту пожар принимает объемную форму развития и максимальную интенсивность. Следовательно, на объектах всегда целесообразна установка автоматических систем тушения пожара, задерживающих на определенное время переход пожара из первой фазы (стадии) во вторую.

При отсутствии на объекте автоматических систем сигнализации время сообщения в пожарную охрану о пожаре значительно увеличивается, что приводит к негативным последствиям. Ситуация часто дополнительно осложняется безуспешными попытками самостоятельной ликвидации возгорания первичными средствами пожаротушения без вызова пожарной охраны.

Таблица 4.2.

Средние значения линейной скорости распространения горения

В зависимости от характеристики горючей среды или горящего объекта пожары подразделяются на классы и подклассы, приведенные в табл. 4.3.

Таблица 4.3

Классификация пожаров по характеристике горючей среды