Численное моделирование распространения пламени по дискретной совокупности горючих материалов

Введение. Пожары на высокостеллажных складах с дискретным распределением пожарной нагрузки характеризуются стремительным развитием, трудно поддаются раннему обнаружению и тушению и приводят к существенному материальному ущербу. Цель данной работы — демонстрация применимости методики чис­ленного моделирования на основе тепловой модели воспламенения твердых горючих материалов для прогнозирования развития пожара на высокостеллажном складе.
Методика. Расчеты выполняются с использованием модели и кода FDS 6.6. В тепловой модели предполагается, что имеет место инертный нагрев материала до достижения критической температуры поверхности (температуры воспламенения) и последующее выгорание его с постоянной скоростью потери массы. Преимуществом тепловой модели пиролиза является ее простота и использование ограниченного числа модельных параметров: температуры воспламенения, удельной массовой скорости выгорания, времени выгорания материала и теплоты его газификации. Предлагаемая методика подбора указанных параметров основана на анализе литературных и экспериментальных данных. В статье приводится расчет развития пожара на трех- и пятиярусном стеллажах с 2 рядами картонных коробок (общее количество — 2x4x3 = 24 иx2x4x5 = 40 коробок); системы автоматического пожаротушения не активируются.
Результаты и обсуждение. Расчеты с использованием тепловой модели пиролиза позволяют воспроизвести сложную динамику развития пожара, включая распространение пламени вверх по боковым поверхностям и вдоль по горизонтальным поверхностям коробок. Приведены поля температуры и суммарного теплового потока на поверхностях коробок, температура и скорость газа внутри стеллажа. При увеличении количества ярусов с 3 до 5 наблюдается увеличение скорости роста мощности тепловыделения.
Выводы. Полученное согласие результатов расчета мощности тепловыделения с данными натурных испытаний показывает возможность использования тепловой модели пиролиза для прогнозирования динамики развития пожара на высокостеллажном складе. Рассматриваемая модель может быть использована при разных компоновках пожарной нагрузки и высотах перекрытия, а также при прогнозировании обнаружения пожара и динамики пожаротушения.

1. СП 241.1311500.2015. Системы противопожарной защиты. Установки водяного пожаротушения высотных стеллажных складов автоматические. Нормы и правила проектирования. — М. : ВНИИПО МЧС России, 2015. — 14 с. / Set of rules 241.1311500.2015. Fire protection systems. Automatic water extinguishing systems for high rack storages. Designing and regulations rules. Moscow, VNIIPO Publ., 2015. 14 p. (in Russian).

2. B. Karlsson, J. G. Quintiere. Enclosure fire dynamics. Boca Raton, CRC Press, 1999. 336 p. DOI: 10.1201/9781420050219.

3. H.-Z. Yu. Transient plume influence in measurement of convective heat release rates of fast-growing fires using a large-scale fire products collector. Journal of Heat Transfer, 1990, vol. 112, issue 1, pp. 186–191.1.2910343.

4. H.-Z. Yu, P. Stavrianidis. The transient ceiling flows of growing rack storage fires. Fire Safety Science, 1991, vol. 3, pp. 281–290. DOI: 10.3801/iafss.fss.3-281.

5. N. J. Alvares, H. K. Hasegawa, K. Hout, A. C. Fernandez-Pello, J. White. Analysis of a Run-away high rack storage fire. Fire Safety Science, 1994, vol. 4, pp. 1267–1278. DOI: 10.3801/iafss.fss.4-1267.

6. H. Ingason. Heat release rate of rack storage fires. In: Proceedings of 9th Fire Science & Engineering Conference (Interflam 2001) (Edinburgh Conference Centre, Scotland, 17–19 September 2001). London, Interscience Communications, 2001, pp. 731–740.

7. H. Ingason. In-rack fire plumes. Fire Safety Science, 1997, vol. 5, pp. 333–344. DOI: 10.3801/iafss.fss.5-333.

8. H. Ingason. Effects of flue spaces on the initial in-rack plume flow. Fire Safety Science, 2003, vol. 7, pp. 235–246. DOI: 10.3801/IAFSS.FSS.7-235.

9. P. Chatterjee, Y. Wang, M. Chaos, K. V. Meredith, X. Zhou, S. B. Dorofeev. Numerical simulation of fire growth on corrugated cardboard commodities in three-tier-high rack storage arrays. In: Proceed¬ings of 13th Fire Science & Engineering Conference ((Interflam 2013) (Royal Holloway College, University of London, UK, 24–26 June 2013). London, Interscience Communications, 2013, vol. 1, pp. 163–173.

10. K. V. Meredith, P. Chatterjee, Y. Wang, Y. Xin. Simulating sprinkler based rack storage fire suppres¬sion under uniform water application. In: Proceedings of 7th International Seminar on Fire and Explosion Hazards? (978-981-07-5936-0_07-08.

11. Y. Wang, K. V. Meredith, X. Zhou, P. Chatterjee, Y. Xin, M. Chaos, N. Ren, S. B. Dorofeev. Numerical simulation of sprinkler suppression of rack storage fires. Fire Safety Science, 2014, vol. 11, pp. 1170–118яiafss.fss.11-1170.

12. N. Ren, J. de Vries, X. Zhou, M. Chaos, K. V. Meredith, Y. Wang. Large-scale fire suppression model¬ing of corrugated cardboard boxes on wood pallets in rack-storage configurations. Fire Safety Journal, 2017, vol. 91, pp. 695–704. DOI: 10.1016/j.firesaf.2017.04.008.

13. N. Ren, D. Zeng, K. Meredith, M. Chaos. CFD modeling of fire growth between vertical paper rolls. In: Proceedings of the 9th U. S. National Combustion Meeting (Cincinnati, Ohio, 17–20 May 2015), 2015, pp. 1–10.

14. E. Markus, A. Snegirev, E. Kuznetsov, L. Tanklevskiy. Application of a simplified pyrolysis model to predict fire development in rack storage facilities. Journal of Physics: Conference Series, 2018, vol. 1107, article no. 042012, 7 p. DOI: 10.1088/1742-6596/1107/4/042012.

15. E. Markus, A. Snegirev, E. Kuznetsov, L. Tanklevsiy. Application of a simplified pyrolysis model to predict flame spread over continuous and discrete fire load. Fire Safety Journal, 2019, In press.

16. A. Snegirev, E. Kuznetsov, E. Markus. Coupled analytical approach to predict piloted flaming ignition of non-charring polymers. Fire Safety Journal, 2017 , vol. 93, pp. 74–83. DOI: 10.1016/j.firesaf.2017.08.006

17. NFPA 13. Standard for the Installation of Sprinkler Systems. Quincy, Massachusetts, NFPA, 2016. 496 p.

18. M. Chaos, M. M. Khan, S. B. Dorofeev. Pyrolysis of corrugated cardboard in inert and oxidative en¬vironments. Proceedings of the Combustion Institute, 2013, vol. 34, issue 2, pp. 2583–2590. DOI: 10.1016/j.proci.2012.06.031.

19. K. McGrattan, S. Hostikka, R. McDermott, J. Floyd, M. Vanella, C. Weinschenk, K. Overholt. Fire ¬Dynamics Simulator. Technical Reference Guide. Volume 1: Mathematical Model (Version 6.6.0). NIST Special Publication 1018-1, Gaithersburg, Maryland, National Institute of Standards and Technology, 2017.

20. Fire Dynamics Simulator (FDS) and Smokeview (SMV). Available at: https://pages.nist.gov/fds-smv (Accessed 15 May 2018).

21. K. Guedri, M. N. Borjini, M. Jeguirim, J.-F. Brilhac, R. Saпd. Numerical study of radiative heat transfer effects on a complex configuration of rack storage fire. Energy, 2011, vol. 36, issue 5, pp. 2984–2996. DOI: 10.1016/j.energy.2011.02.042.

22. M. Иekon, K. Struhala, R. Slбvik. Cardboard-based packaging materials as renewable thermal insula¬tion of buildings: thermal and life-cycle performance. Journal of Renewable Materials, 2017, vol. 5, ¬issue 1, pp. 84–93. DOI: 10.7569/JRM.2017.634135.