Исследование температурного режима пожара в подземной исследовательской лаборатории на основе численного моделирования

Введение. Обоснование безопасности эксплуатации подземной исследовательской лаборатории объекта окончательной изоляции радиоактивных отходов требует в том числе оценки огнестойкости горной породы, в толще которой она сооружается. При этом выбор основных параметров соответствующих огневых испытаний определяется температурным режимом, а также длительностью нагрева горной породы при пожаре. Одним из эффективных способов оценки указанных факторов в условиях, когда отсутствует возможность проведения натурного эксперимента или создания полномасштабной физической модели проектируемого объекта, является компьютерное моделирование динамики пожара.

Цель работы заключается в оценке температурного режима пожара в подземной исследовательской лаборатории с учетом влияния геометрических параметров и глубины заложения горизонтальной горной выработки, характеристик используемой системы вентиляции, горючей нагрузки, теплофизических свойств минералов, ограждающих свободное пространство.

Методы. Для моделирования динамики пожара в работе применяется программная платформа FDS, предназначенная для проведения соответствующих расчетов. Исследование влияния различных факторов на результаты выполняется путем модификаций базовой модели, обоснование и основные настроечные параметры которых представлены в соответствующем разделе.

Результаты и их обсуждение. На основе серии компьютерных экспериментов с различными настроечными параметрами модели было установлено, что существенное влияние на результаты расчета оказывают: глубина заложения горизонтальной выработки, расход энергии на нагрев горной породы, параметры используемой системы вентиляции, а также в отдельных случаях размеры ячеек расчетной сетки.

Выводы. На основе анализа результатов моделирования был выявлен ряд особенностей объекта исследования, которые следует учитывать при проведении соответствующих компьютерных экспериментов и натурных испытаний. Разработанную компьютерную модель можно применять для оценки эффективности систем противопожарной защиты на объекте, исследования прогрева ограждений при различных сценариях пожара. Полученные по результатам моделирования параметры температурного режима при пожаре можно использовать для проведения огневых испытаний образцов горных пород, составляющих ограждения сооружений подземного комплекса.

1. Озерский Д.А., Орлова А.И. Анализ прочностных характеристик горной породы для обоснования без­опасности строительства подземных сооружений ПИЛ // Радиоактивные отходы. 2023. № 1 (22). С. 70–76. DOI: 10.25283/2587-9707-2023-1-70-76

2. Агеев П.М., Шарапов С.В., Голиков А.Д. Расчет основных параметров пожара подвижного состава в тоннеле метрополитена // Научно-аналитический журнал «Вестник Санкт-Петербургского университета Государственной противопожарной службы МЧС России». 2011. № 4. С. 67–75.

3. Болодьян И.А., Пузач С.В., Барановский А.С. Применение численного моделирования для оценки влияния продольного уклона в автотранспортном тоннеле на распространение опасных факторов пожара // Пожарная безопасность. 2021. № 4 (105). С. 31–39. DOI: 10.37657/vniipo.pb.2021.95.98.003

4. Болодьян И.А., Пузач С.В., Барановский А.С. Численное моделирование пожара в автодорожном тоннеле. Выбор расчетной сетки // Пожарная безопасность. 2021. № 3 (104). С. 47–54. DOI: 10.37657/vniipo.pb.2021.72.64.005

5. Ворогушин О.О., Корольченко А.Я., Ляпин А.В. Расчет температурного режима пожара при определении пределов огнестойкости строительных конструкций в зданиях, расположенных над транспортными магистралями // Пожаровзрывобезопасность/Fire and Explosion Safety. 2012. Т. 21. № 4. С. 33–37.

6. Данилов А.И., Сиваков И.А., Пилипенко Н.В., Петров А.В., Костерева П.А. Моделирование пожара пассажирского поезда в железнодорожном тоннеле // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2017. Т. 17. № 2. С. 340–347. DOI: 10.17586/2226-1494-2017-17-2-340-347

7. Копылов Н.П., Хасанов И.Р., Сушкина Е.Ю. Развитие экспериментальных исследований пожарной опасности автотранспортных тоннелей // Пожарная безопасность. 2013. № 4. С. 87–92.

8. Лугин И.В., Алферова Е.Л. Тепломассообменные процессы при горении поезда в однопутном тоннеле метрополитена // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). 2015. № 7. С. 324–332.

9. Мельничук С.Ф., Голиков А.Д. Компьютерное моделирование пожара в тоннеле : мат. Всеросс. межвуз. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов. Ч. IV. СПб. : Изд-во Политехн. ун-та, 2008. С. 116–117.

10. Таранцев А.А., Кондратьев С.А., Рузманов М.Д., Химчук Д.В. Программное моделирование для решения задач по обеспечению пожарной безопасности в тоннелях // Военный инженер. 2022. № 1 (23). С. 57–63.

11. Романченко С.Б., Чистяков А.В., Буторин С.Н. Компьютерное моделирование аварийных вентиляционных режимов транспортных тоннелей и метрополитенов // Пожарная безопасность. 2015. № 4. С. 158–166.

12. Садыгов А.Б. Моделирование движения воздушных потоков в подземных сооружениях метрополитена при пожаре // Электронная обработка материалов. 2012. Т. 48. № 2. С. 118–125.

13. Blanchard E., Boulet P., Desanghere S., Cesmat E., Meyrand R., Garo J.P. et al. Experimental and numerical study of fire in a midscale test tunnel // Fire Safety Journal. 2012. Vol. 47. Рр. 18–31. DOI: 10.1016/j.firesaf.2011.09.009

14. Chow W.K. Simulation of tunnel fires using a zone model // Tunnelling and Underground Space Technology. 1996. Vol. 11. No. 2. Pp. 221–236.

15. Colella F., Rein G., Verda V., Borchiellini R. Multiscale modeling of transient flows from fire and ventilation in long tunnels // Computers & Fluids. 2011. Vol. 51. No. 1. Рр. 16–29. DOI: 10.1016/j.compfluid.2011.06.021

16. Jain S., Kumar Sh., Kumar S., Sharma T.P. Numerical simulation of fire in a tunnel: Comparative study of CFAST and CFX predictions // Tunnelling and Underground Space Technology. 2008. Vol. 23. No. 2. Рр. 160–170. DOI: 10.1016/j.tust.2007.04.004

17. Lanchava O., Ilias N., Radu S.M., Makharadze L., Kunchulia T., Arudashvili N. et al. Analysis of the parameters of the fire modeled in a road tunnel // Georgian Scientists. 2020. Vol. 2. No. 4. DOI: 10.52340/gs.02.09.235

18. Li H., Zhu W., Tang M., Shi C., Tang F. Burning characteristic and ceiling temperature of moving fires in a tunnel: A comparative study // Tunnelling and Underground Space Technology. 2024. Vol. 145. Р. 105571. DOI: 10.1016/j.tust.2023.105571

19. Pozharkova I.N. Features of modeling the combustion processes of flammable liquids with high ignition temperature in FDS software // Journal of Physics: Conference Series. IOP Publishing. 2020. Vol. 1679. No. 2. Р. 022048. DOI: 10.1088/1742-6596/1679/2/022048

20. Takeuchi S., Aoki T., Tanaka F., Moinuddin K.A. Modeling for predicting the temperature distribution of smoke during a fire in an underground road tunnel with vertical shafts // Fire Safety Journal. 2017. Vol. 91. Рр. 312–319. DOI: 10.1016/j.firesaf.2017.03.063

21. Fernandez-Alaiz F., Castanon A.M., Gomez-Fernandez F., Bascompta M. Mine fire behavior under different ventilation conditions: Real-scale tests and CFD modeling // Applied sciences. 2020. Vol. 10. No. 10. Р. 3380. DOI: 10.3390/app10103380

22. Verda V., Borchiellini R., Cosentino S., Guelpa E., Tuni J.M. Expanding the FDS simulation capabilities to fire tunnel scenarios through a novel multi-scale model // Fire Technology. 2021. Vol. 57. Рр. 2491–2514. DOI: 10.1007/s10694-020-01081-y

23. Niu H.Y., Qiao C.L., An J.Y., Deng J. Experimental study and numerical simulation of spread law for fire on tunnel // Journal of Central South University. 2015. Vol. 22. No. 2. Рр. 701–706. DOI: 10.1007/s11771-015-2573-z

24. Пожаркова И.Н. Анализ задач и методов математического моделирования пожаров в тоннельных сооружениях // Инженерный вестник Дона. 2024. № 5 (113). С. 1–15.

25. Кошмаров Ю.А. Прогнозирование опасных факторов пожара в помещении : уч. пос. М. : Академия ГПС МВД России, 2005. 118 с.

26. Кукин П.П. и др. Теория горения и взрыва / под ред. П.П. Кукина, В.В. Юшина, С.Г. Емельянова. 2-е изд., перераб. и доп. М. : Изд-во Юрайт, 2017. 346 с.