БАРАНОВСКИЙ Николай Викторович, канд. физ.-мат. наук, доцент
634050, г. Томск, пр-т Ленина, 30
Scopus: 6505672018, ResearcherID: A-4224-2014
Nikolay V. BARANOVSKIY, Dr. Sci. (Phys.-Math.), Associate Professor
Lenin Av., 30, Tomsk, 634050
Scopus: 6505672018, ResearcherID: A-4224-2014
ГАЛАУТДИНОВА Софья Андреевна, ведущий инженер по учету энергоресурсов
634067, г. Томск, Кузовлевский тракт, 2, стр. 202
Sofya A. GALAUTDINOVA, Leading Engineer
Kuzovlevskiy Tract, 2, Bldg. 202, Tomsk, 634067
МАЛИНИН Алексей Олегович, аспирант
634050, г. Томск, пр-т Ленина, 30
Scopus: 57218138726, ResearcherID: JVN-8309-2024
Alexey O. MALININ, Postgraduate Student
Lenin Av., 30, Tomsk, 634050
Scopus: 57218138726, ResearcherID: JVN-8309-2024
Введение. Лесные пожары ведут к экономическому ущербу государству, например, к повреждению и уничтожению гражданских и промышленных зданий в сельской местности. Цель исследования — разработка физико-математической модели воздействия фронта лесного пожара на ограждающие конструкции здания. Задачи исследования: 1) формулировка физической и математической моделей; 2) программная реализация математической модели на языке программирования высокого уровня; 3) численное исследование процессов теплопереноса в ограждающих конструкциях здания.
Методы. Рассматриваются низовой лесной пожар низкой интенсивности, низовой лесной пожар высокой интенсивности, верховой лесной пожар, огненный шторм. Рассматривается элемент двухслойной ограждающей конструкции деревянного здания с оконным проемом. Рассматривается воздействие конвективного теплового потока. Процессы теплопереноса в ограждающих конструкциях здания описываются системой нестационарных уравнений теплопроводности с соответствующими начальными и граничными условиями. Двумерные уравнения теплопроводности решены локально-одномерным методом. Для численной реализации представленной математической модели использован метод конечных разностей. Разностные аналоги дифференциальных уравнений в частных производных решены методом прогонки.
Результаты и их обсуждение. Получены распределения температуры в структурно неоднородном элементе ограждающей конструкции здания. Анализ показывает, что температурные поля практически одинаковые для различных сезонов возникновения лесных пожаров. Заметная разница отмечается только вблизи контакта ограждающей конструкции с почвой. В целом более высокая температура наблюдается в верхней части ограждающей конструкции на границе с кровлей здания. Стекло в оконном проеме нагревается до достаточно высоких температур, что в реальной ситуации приведет к его разрушению в период воздействия фронта лесного пожара. Оконный проем является самой уязвимой для пламени зоной в ограждающей конструкции. Кроме того, в результате численного моделирования установлено, что максимальные градиенты температур возникают в облицовочном материале.
Выводы. Предложены рекомендации по повышению пожарной безопасности зданий в сельской местности и применению предложенной физико-математической модели.
Introduction. Forest fires lead to economic damage to the state, for example, damage and destruction of civil and industrial buildings in rural areas. The purpose of the study is to develop physical and mathematical models of the forest fire front impact on the building enclosures. Research objectives: 1) formulation of physical and mathematical models; 2) software implementation of a mathematical model in a high-level programming language; 3) numerical study of heat transfer processes in building enclosures.
Methods. A low-intensity surface forest fire, a high-intensity surface forest fire, a crown forest fire, and a fire storm are considered. An element of a two-layer enclosing structure of a wooden building with a window opening is considered. The effect of convective heat flow is considered. Heat transfer processes in the building enclosures are described by a system of non-stationary heat conduction equations with the corresponding initial and boundary conditions. Two-dimensional heat equations were solved using the locally one-dimensional method. For numerical implementation of the presented mathematical model, the finite difference method was used. Difference analogues of partial differential equations are solved by the marching method.
Results and discussion. Temperature distributions in a structurally inhomogeneous element of the building enclosures were obtained. The analysis shows that the temperature fields are almost the same for different seasons of forest fires. The noticeable difference is only near the contact of the enclosing structure with the soil. In general, higher temperatures are observed in the upper part of the building enclosures at the border with the roof of the building. The glass in the window opening is heated up to sufficiently high temperatures. This will lead to its destruction during the period of exposure to the forest fire front. The window opening is the most vulnerable area to flame in the building enclosures. In addition, as a result of numerical modelling, it was established that maximum temperature gradients occur in the cladding material.
Conclusion. Recommendations are proposed for improving the fire safety of buildings in rural areas and the application of the proposed physical and mathematical model were suggested.
The authors declare that there are no conflicts of interest present.