Що таке CFD-моделювання в пожежній інженерії?

CFD-моделювання (обчислювальна гідродинаміка) за останні роки стало одним із ключових інструментів, що використовуються в пожежній інженерії. Воно дозволяє здійснювати чисельне моделювання явищ, що супроводжують розвиток пожежі, таких як поширення диму, рух гарячих газів, підвищення температури та взаємодія вогню з конструкцією будівлі. Завдяки CFD-розрахункам можна аналізувати сценарії пожеж набагато детальніше та реалістичніше, ніж за допомогою традиційних методів розрахунку.

Моделювання CFD базується на рівняннях, що описують динаміку рідин, газів та рідин, включаючи рівняння Нав’є–Стокса. Ці моделювання надають важливу інформацію, необхідну для проектування безпечних систем контролю диму, що забезпечують безпечні умови евакуації та відповідні критерії для рятувальних та пожежогасільних операцій. Комп’ютерні аналізи дозволяють здійснювати тривимірне моделювання поведінки диму, тепла та продуктів горіння, що дає змогу оцінювати умови пожежі у складних архітектурних спорудах.

Коли використовуються CFD-моделювання?

CFD-моделювання — це практичний інструмент, що дозволяє зрозуміти динаміку пожежі та процеси горіння на етапі проектування. Вони в першу чергу використовуються для перевірки правильності проектних припущень щодо систем контролю диму, як природних, так і механічних, включаючи системи струменевої вентиляції в підземних паркінгах.

Після завершення моделювання проектувальник може оцінити ефективність систем димовидалення та вентиляції, а також рівень пожежної безпеки аналізованої будівлі.

Оцінюючи поведінку диму та вогню в проектованому об’ємі, можна проаналізувати умови безпечної евакуації шляхом перевірки видимості, температури, концентрації токсичних газів та теплового випромінювання. Важливим аспектом є також оцінка умов безпеки для рятувальних команд під час пожежогасіння шляхом перевірки рівнів температури та теплового випромінювання.

Моделювання CFD дозволяє оцінити розвиток пожежі в часі та передбачити взаємодію між вогнем і конструкцією будівлі, включаючи вплив високих температур на несучу здатність перегородок і перекриттів. Під час аналізу також можна перевірити взаємодію між системами контролю диму та системами пожежогасіння, такими як спринклери, системи розпилення води або системи водяного туману, які сприяють зниженню температури. Іншим елементом, що перевіряється під час моделювання, є правильність розташування димових завіс та вогнестійкість димовідвідних вентиляторів.

Після завершення CFD-моделювання можна виявити потенційні слабкі місця в спроектованій системі контролю диму, усунути їх та вдосконалити проектні припущення. У деяких випадках додатковою перевагою аналізу є зменшення кількості компонентів системи, що призводить до оптимізації витрат.

Приклади застосування CFD-моделювання

CFD-моделювання, як складова стратегії пожежної безпеки будівлі, застосовується при проектуванні об’єктів різного призначення, зокрема:

підземні автостоянки, для аналізу ефективності систем димовідведення, як канальних, так і струменевих,
ліхові, шляхом аналізу видимості та швидкості видалення диму з ліхової клітки,
виробничі та складські приміщення, для аналізу поширення диму та оцінки бездимного шару,
розважальні та громадські будівлі,
торгові центри,
дорожні тунелі та станції метро.

Як спроектувати ефективну систему контролю диму?

При проектуванні систем контролю диму фундаментальним аспектом є дотримання чинних нормативних документів та стандартів, залежно від типу установки та аналізованого простору. Одним з найважливіших факторів при проектуванні ефективної системи контролю диму є індивідуальний підхід до конкретної будівлі з урахуванням її архітектури, конструктивних можливостей, а також функції та класифікації об’єкта.

Вирішальним етапом є вибір відповідної системи контролю диму. Можна виділити три основні групи рішень:

природні системи, наприклад, з використанням димових клапанів, дверей, вікон або решіток подачі повітря,
механічні системи, що використовують димовідвідні вентилятори,
гібридні системи, наприклад, застосовувані в сходових клітках, що використовують вентилятори подачі повітря для спрямування потоку диму до димового клапана.

Ключовим параметром, що впливає на ефективність установки контролю диму, є її продуктивність. Іншим важливим аспектом є правильне розташування точок подачі та витяжки повітря та їх ефективна площа, що визначається на основі граничних значень максимальної швидкості повітря. При проектуванні контролю диму для підземних автостоянок необхідно враховувати розташування та кількість евакуаційних виходів, відстані евакуації та можливість поділу автостоянки на димові зони.

На етапі проектування слід розробити детальну матрицю управління, що визначає послідовність роботи окремих пристроїв та час їх активації. Матриця управління має відповідати сценарію пожежі.

Перевірка прийнятих проектних припущень щодо систем контролю диму здійснюється за допомогою CFD-моделювання. Першим кроком є відтворення архітектури будівлі шляхом створення тривимірної моделі та визначення точок подачі та витяжки, передбачених у проекті. Наступним кроком є визначення типу горючого матеріалу та введення його характеристичних параметрів. Введення відповідної кривої потужності пожежі та визначення тривалості моделювання є подальшими елементами процесу створення комплексного аналізу.

Роль аналітика CFD полягає у розміщенні сценаріїв пожежі в найбільш несприятливих зонах, таких як межі зон димоутворення, місця, найвіддаленіші від точок витяжки, або поблизу димових шахт, з метою перевірки вогнестійкості димовідвідних вентиляторів. Тільки такий підхід забезпечує надійні результати. Останнім етапом є прийняття критеріїв оцінки, включаючи видимість, температуру, концентрацію токсичних газів та теплове випромінювання.

Ключовим аспектом є тісна співпраця на кожному етапі проектування з сертифікованим інженером з пожежної безпеки з метою перевірки прийнятих припущень.

Правильно спроектована система димовідведення повинна забезпечувати безпечну евакуацію та створювати відповідні умови для рятувальних та пожежогасільних операцій.