Ученые механико-математического факультета Томского госуниверситета разработали алгоритм, позволяющий бесконтактно и с высокой точностью оценивать глубину обугливания древесных конструкций при пожаре. Роспатент зарегистрировал программу для ЭВМ «CharDepth». Она автоматически обрабатывает данные инфракрасной съемки и переводит их в объективные показатели повреждения материалов. Это один из этапов масштабного проекта лаборатории моделирования и прогноза катастроф ММФ ТГУ, поддержанного грантом Российского научного фонда.
Исследователи не просто фиксируют последствия горения, а изучают физику процесса: как горящие и тлеющие частицы, разлетающиеся от фронта природного пожара, поджигают здания и сооружения. Антипирены, которыми обрабатывают древесину, не всегда эффективны в защите от огня, а иногда могут даже усугубить ситуацию. Данные ученых ММФ и «CharDepth» в конечном счете помогут усовершенствовать методы испытаний стройматериалов при оценке пожарной опасности.
Крупные природные пожары все чаще подходят вплотную к населенным пунктам. Угрозу несут не только пламя и выбросы токсичных продуктов горения в атмосферу, но также горящие и тлеющие частицы. Образование горящих частиц – это процесс, в результате которого во время пожара горючие материалы (кустарники, деревья и строительные материалы) нагреваются и разделяются на более мелкие горящие частички. Впоследствии частицы переносятся далеко от природного пожара и становятся причиной возгорания построек. Понимание того, как горящие и тлеющие частицы разной формы и размера взаимодействуют с древесиной, необходимо для прогноза огнестойкости зданий.
— Мы сосредоточились на исследовании влияния горящих и тлеющих частиц, которые образуются в результате крупномасштабных пожаров. Изучаем, как при этом ведут себя различные конструкции из материалов на основе древесины вследствие внешнего теплового воздействия. Разработанная программа — это алгоритм обработки и интерпретации данных, который позволяет судить о том, насколько материал обуглился. Обугливание материала можно рассматривать как признак термического разложения, ведущего к потере эксплуатационных характеристик. Такие расчеты могут быть использованы при оценке несущей способности конструкций при пожаре, так как наши результаты являются входными данными при расчете огнестойкости, — рассказывает руководитель проекта, доцент кафедры физической и вычислительной механики, заведующий лабораторией моделирования и прогноза катастроф ММФ ТГУ, кандидат физико-математических наук Денис Касымов.
Уникальность разработки — в бесконтактном методе сбора данных и их точной математической интерпретации. Ранее инженеры оценивали обугливание «на глаз» или с помощью прямых механических замеров, что возможно только постфактум. «CharDepth» работает иначе: она считывает данные, полученные при тепловизионном исследовании контрольного образца древесного материала, экспортированные из программного обеспечения «Altair». Оператор задает рабочее окно, и алгоритм покадрово анализирует динамику изменения степени обугливания по торцу исследуемого образца.
— Сейчас для оценки глубины обугливания повсеместно используются дифференциальные модели или приближенные формулы, они рассчитаны на основе серий стандартизированных экспериментов. У такого подхода есть минусы. Во-первых, во время расчета глубины обугливания деревянных конструкций при воздействии пожара скорость обугливания древесины принимается постоянной. Затем идет расчет такого параметра, как время обугливания, и он затруднителен из-за сложности с учетом влияния множества факторов, влияющих на скорость обугливания. Во-вторых, принятые расчетные формулы не учитывают нестационарное тепловое воздействие, имеющее место при реальном пожаре, — отмечает Денис Касымов.
Разработчики «CharDepth» полагают, что результаты их исследований и алгоритм могут служить хорошим инструментом верификации расчетных моделей. Это актуально, поскольку в настоящее время в мире активно развиваются программные комплексы для моделирования опасных факторов пожара: Fire Dynamic Simulator (США), FireFOAM (Великобритания), Сигма ПБ (Россия).
Кроме того, при поддержке гранта РНФ (проект № 24-71-10029) и предыдущих грантов ученые ММФ комплексно исследуют причины и характеристики природных пожаров. Отдельный цикл лабораторных экспериментов был посвящен термическому воздействию лучистого теплового потока (30 кВт/кв.м) на образцы ДСП, ОСП и фанеры, в том числе обработанные огнезащитными составами. С помощью уникальной ИК-камеры научного класса JADE J530SB с набором узкополосных оптических фильтров исследователям удалось в деталях проследить, как меняется температура внутри материалов. Установлено, что химические реакции разложения запускаются при 380–660°C (652–933 К), а окислительные реакции, сопровождающиеся выделением тепла, — при 640–680°C (913–954 К).
— Эти данные позволили сделать важный вывод: влияние огнезащитных составов на глубину протекания реакций неоднозначно. Некоторые антипирены не предотвращают горение, а лишь замедляют скорость движения фронта экзотермических реакций. Более того, в отдельных случаях пропитка может сыграть отрицательную роль, способствуя увеличению глубины термического разрушения материалов. Это означает, что огнезащита требует не просто нанесения состава, а осмысленного подхода к выбору способа защиты с учетом теплофизических свойств, — комментирует один из авторов исследования, заведующий кафедрой физической и вычислительной механики ММФ, доктор физико-математических наук ТГУ Егор Лобода.
На следующем этапе исследователи планируют изучить эффект увеличения теплопроводности обработанной древесины и испытать устойчивость реальных строительных конструкций к потоку горящих частиц. Результаты должны лечь в основу новых методик сертификации строительных материалов и контроля пожарной безопасности. Такой подход позволит не просто констатировать факт возгорания, а прогнозировать его наступление еще на этапе проектирования здания.
Документ патента № 2025692928. CharDepth. Оценка толщины обугливания древесины по данным, полученным при помощи инфракрасной камеры JADE J530SB (ПЭВМ).
Источник: пресс-служба ТГУ