Может ли пламя «светить сквозь себя»?

Почему одна строка в методике превращается в отдельную инженерную задачу

Это инженерный разбор, а не официальное разъяснение МЧС России и не замена требований действующей методики.

Представьте вытянутый пролив горящей жидкости. Чтобы рассчитать тепловое воздействие, его пламя заменяют рядом одинаковых цилиндров. Наблюдатель стоит напротив торца этого ряда. Ближний цилиндр заслоняет дальние, но должны ли они всё равно полностью участвовать в сумме излучения?

Вопрос звучит почти наивно: может ли задняя часть пламени «светить» через переднюю? На самом деле в нём сходятся сразу три разных задачи - буквальное исполнение нормативной методики, геометрия видимой поверхности и физика переноса излучения в пламени. Смешать их легко. Получить при этом убедительное, но физически неопределённое число - ещё легче.

Короткий ответ: часть излучения действительно может пройти через пламя, но пламя не является ни прозрачным стеклом, ни сплошной непрозрачной стеной. Оно одновременно излучает и поглощает. Степень «просвечивания» зависит от топлива, сажи, длины оптического пути, температуры и длины волны.

Поэтому честный инженерный ответ начинается не со слова «да» или «нет», а с уточнения: какой моделью пламени мы пользуемся и какое допущение о видимости в неё заложено?

Что требует российская методика

Приказ МЧС России от 26 июня 2024 года № 533 для пролива, размеры которого существенно различаются по направлениям, предписывает следующее:

«...форму пламени при горении аппроксимируют набором цилиндров с диаметром, равным ширине пролива. Суммарное излучение ... будет соответствовать излучению от пролива сложной формы».

Эта фраза задаёт общий способ аппроксимации, но не отвечает на несколько практических вопросов:

сколько цилиндров должно быть в наборе;
с каким шагом следует размещать их вдоль пролива;
должны ли цилиндры касаться, пересекаться или иметь разрывы;
считается ли каждый цилиндр полностью видимым из расчётной точки;
нужно ли исключать части пламени, закрытые другими частями;
следует ли учитывать поглощение излучения внутри самого пламени.

Сразу после этого положения методика переходит к следующему сценарию. Правила взаимной видимости цилиндров в тексте нет.

При этом приведённый в методике коэффициент пропускания относится к атмосфере между пламенем и облучаемым объектом. Он не описывает прохождение луча через толщу самого пламени. Это разные физические участки пути, и один коэффициент нельзя незаметно подменить другим.

Отсюда следует осторожный, но важный вывод: перед нами не доказанная ошибка методики, а неполностью определённое правило реализации. Слово «суммарное» можно буквально реализовать как сумму полных вкладов всех цилиндров. Но из него нельзя однозначно вывести ни полную прозрачность, ни полную непрозрачность пламени.

Почему простая сумма вызывает вопрос

Пусть каждый цилиндр даёт в точке наблюдения поток $q_i$ . Самая прямая программная реализация выглядит так:

q_{\Sigma}=\sum_{i=1}^{N}q_i.

В этой записи вклад дальнего цилиндра не меняется от того, находится ли перед ним ещё один цилиндр. Геометрически это похоже на полную видимость всех источников сразу.

Однако объявить такую сумму «неправильной» только по рисунку тоже нельзя. Цилиндры в расчёте - не обязательно отдельные непрозрачные предметы. Они могут пониматься как условные излучающие части единого турбулентного объёма. Кроме того, используемая среднеповерхностная интенсивность уже является эффективной характеристикой пламени. Если без проверки добавить к ней ещё один коэффициент поглощения, часть эффекта можно учесть дважды.

Именно поэтому геометрическое затенение нельзя молча объявить исправлением нормативной формулы. Сначала нужно разделить три модели, которые отвечают на разные вопросы.

Три разных представления одного пламени

Представление	Что считается источником	Что происходит с дальней частью	Что требуется для расчёта
Набор независимых цилиндров	Полная поверхность каждого условного цилиндра	Каждый вклад суммируется без отдельной проверки видимости	Геометрия цилиндров, среднеповерхностная интенсивность, коэффициент пропускания атмосферы
Единая непрозрачная поверхность	Только видимая внешняя оболочка условного тела пламени	Закрытая геометрией поверхность не даёт прямого вклада	Контур пролива, поверхность пламени, нормали, численный или аналитический угловой коэффициент
Излучающая и поглощающая среда	Весь объём пламени	Дальнее излучение ослабляется по пути, а ближние слои сами излучают	Температура, коэффициенты поглощения, состав, сажа, спектр и решение уравнения переноса

Первая модель ближе всего к буквальному алгоритму набора цилиндров. Вторая - к классической модели «твёрдого пламени». Третья - к физике участвующей в переносе излучения среды. Ни одна из них не является универсально лучшей: выбор зависит от задачи и доступных исходных данных.

Что происходит с лучом внутри реального пламени

Для простого однородного изотермического слоя без рассеяния спектральную интенсивность на выходе можно записать так:

I_{\lambda,\mathrm{out}} =I_{\lambda,\mathrm{back}}e^{-\kappa_{\lambda}\ell} +B_{\lambda}(T)\left(1-e^{-\kappa_{\lambda}\ell}\right).

Здесь $I_{\lambda,\mathrm{back}}$ - излучение, пришедшее от дальней части, $\kappa_{\lambda}$ - спектральный коэффициент поглощения, $\ell$ - длина пути в пламени, а $B_{\lambda}(T)$ - собственное тепловое излучение слоя.

Формула показывает две вещи одновременно:

дальнее излучение действительно проходит через пламя, но ослабляется;
передняя часть не просто «закрывает» дальнюю, а сама добавляет излучение.

Если оптическая толщина $\kappa_{\lambda}\ell$ мала, среда близка к оптически тонкой, и дальнюю часть видно сильнее. Если она велика, информация о дальней границе почти теряется, а пламя ведёт себя ближе к излучающей поверхности. Причём одно и то же пламя может быть оптически толстым в одном диапазоне длин волн и более прозрачным в другом.

Эксперименты подтверждают именно такую сложную картину:

в опытах с керосиновыми пожарами шириной от 0,3 до 2,5 м измерялись спектральное излучение и коэффициент поглощения; авторы описывали пламя как эквивалентную излучающую и поглощающую среду, а не как идеально прозрачный объём (Parent et al., 2019);
сравнение четырёх моделей с измеренными внешними потоками показало хорошие результаты для более подробной излучающей-поглощающей модели и для оптически толстого приближения, тогда как предельно «чёрная» и оптически тонкая идеализации работали лишь в отдельных условиях (Erez et al., 2021);
спектральные измерения пожаров этанола, смеси этанола с толуолом, JP-8 и гептана показали различие роли газов и сажи, а также поглощение излучения водой, углекислым газом, парами топлива и сажей (Suo-Anttila et al., 2009).

Следовательно, вопрос «виден ли дальний цилиндр» в строгой физической модели заменяется другим: какая доля спектрального излучения пройдёт по конкретному лучу через неоднородное пламя? Для ответа нужны данные, которых в обычном инженерном расчёте часто нет.

Мы не первые, кто столкнулся с этой задачей

Идея учитывать форму и видимость пламени давно развивается в зарубежной литературе. Поэтому было бы неверно объявлять любую модель поверхности или затенения уникальным изобретением.

Классические аналитические формулы угловых коэффициентов для наклонного цилиндра и прямоугольного пламени были систематизированы ещё в работе Mudan, 1987. Они решают задачу для заданной идеальной геометрии, но сами по себе не задают правило взаимной видимости ряда условных цилиндров.

Произвольная поверхность вместо ряда цилиндров

В 2016 году Hans Boot описал расширение программного комплекса EFFECTS: контур пролива можно нанести на топографическую подложку, построить над ним наклонённую поверхность пламени, разбить её на плоские элементы и численно просуммировать их вклад. Для высоты использовался гидравлический диаметр $4A/P$ . Авторы сверяли численное интегрирование с аналитическими решениями для идеальных геометрий (Boot, 2016).

Это очень близкое по классу решение к модели единой поверхности. Оно подтверждает, что переход от круга к реальному контуру - признанное инженерное направление. Но такая сверка доказывает корректность геометрического интегратора, а не точность всех исходных корреляций для любого топлива и масштаба.

Прямоугольные проливы и траншейные пожары

Специалисты DNV предложили отдельную модель для крупных прямоугольных проливов и траншейных пожаров, учитывающую отношение длины к ширине и направление ветра. Её сравнили с полномасштабными опытами с бензином и СПГ. Большинство прогнозов находилось в пределах двукратного отклонения от измерений; среднее завышение для серии бензиновых опытов составило 39,3 %, а для опытов со СПГ - 5,9 %. При этом в поперечном направлении отмечалось систематическое занижение (Xu, Worthington, Oke, 2022).

Это полезное напоминание: более подробная геометрия не отменяет неопределённость. Модель может улучшить одно направление и одновременно ухудшить другое.

Многоцилиндровые модели уже существуют

Для линейных пожаров гептана исследователи экспериментально изучали проливы с отношением длины к ширине от 8 до 20 и предложили многоцилиндровую модель излучения (Ding et al., 2021). Таким образом, сам приём разбиения на цилиндры не является необычным.

Но опубликованное описание этой работы не даёт достаточных оснований утверждать, что авторы использовали именно правило взаимного затенения, необходимое для российского алгоритма. Сослаться на эту статью как на готовое решение нашего вопроса было бы так же некорректно, как заявить, что вопрос в ней проигнорирован.

Затенение явно учитывают, но в других сценариях

В исследовании соседних пожаров в тоннеле введён угловой коэффициент с учётом взаимного перекрытия пламен. Сопоставление с экспериментом дало большинство ошибок в пределах ±20 % (Qiu et al., 2026). Это прямое доказательство того, что взаимная видимость источников рассматривается в современной науке как самостоятельная расчётная задача.

Однако соседние источники в тоннеле - не то же самое, что единый вытянутый пролив на открытом воздухе. Переносить оттуда коэффициенты без отдельной проверки нельзя.

Дым способен изменить картину сильнее геометрии

Отдельно от взаимного перекрытия условных цилиндров существует экранирование сажей и дымом. В отчёте NIST о крупных пожарах пролива показано, что старые расчётные процедуры для некоторых сценариев давали поток до порядка величины выше полевых измерений. Авторы связали это прежде всего с предположением, что наблюдатель видит всю область горения без дымового экранирования (McGrattan, Baum, Hamins, 2000).

Это не доказательство ошибки приказа МЧС России № 533 и не результат для того же набора цилиндров. Но это сильный аргумент против универсального предположения о полной видимости всего крупного пламени.

Как вопрос решён в RiskCloud

В платформе разделены три режима, чтобы инженер видел, какое именно допущение привело к результату.

1. Базовый расчёт по тексту методики

Для вытянутого пролива используется набор цилиндров, а их вклады суммируются без дополнительного коэффициента взаимной видимости. Это базовый вариант по умолчанию: платформа не добавляет в нормативную формулу правило, которого в официальном тексте нет.

Такой результат нужен как воспроизводимое буквальное прочтение методики. Это не заявление о том, что официально допустимо только такое прочтение: правило видимости в документе не установлено. Базовый результат нельзя задним числом заменить «улучшенным» вариантом только потому, что тот дал более удобную границу зоны.

2. Инженерный вариант с геометрическим затенением

По выбору пользователя вклад каждого цилиндра умножается на видимую долю его силуэта. Более близкие цилиндры могут частично или полностью закрыть дальние. Это быстрый способ исследовать чувствительность результата к взаимной видимости.

Но у него есть чёткая граница применимости: это геометрическая модель эквивалентно непрозрачных фигур. Она не рассчитывает спектральное поглощение, температурную неоднородность, рассеяние или повторное излучение внутри пламени. Поэтому её следует называть инженерным уточнением, а не новым требованием методики и не полной физической моделью.

3. Инженерная модель единой поверхности пламени

Контур пролива рассматривается как основание одного тела пламени. Его боковая поверхность разбивается на элементы, для каждого учитываются ориентация, расстояние и геометрическая видимость, после чего вклады интегрируются.

На круглом проливе численный интегратор сверяется с аналитической формулой углового коэффициента. Такая проверка подтверждает правильность геометрии и численного интегрирования. Она пока не является экспериментальной валидацией модели для всех видов топлива, размеров и ветровых условий.

Что получает инженер

Ценность этого подхода не в кнопке, которая всегда уменьшает зону. Такой кнопки быть не должно. Ценность в другом:

базовый результат по тексту методики сохраняется отдельно от инженерных вариантов;
выбранная модель и её допущения видны в протоколе расчёта;
одну геометрию можно пересчитать разными способами и оценить чувствительность вывода;
уточнение не выдаётся за норму, которой нет в официальном документе;
ограничения результата формулируются до того, как число попадёт в отчёт.

Как применять сравнение на практике

Для вытянутого, Г-образного или ограниченного обвалованием пролива разумен следующий порядок:

Выполнить основной расчёт по нормативному варианту.
Не меняя исходные данные, выполнить расчёт с геометрическим затенением.
Для заданного контура проверить модель единой поверхности.
Сравнивать не только максимальный радиус, но и направления вдоль и поперёк пролива, форму зон и поток в контрольных точках.
Если различие влияет на проектное решение, не выбирать автоматически меньший результат, а зафиксировать оба варианта и обосновать выбранное допущение.
Для ответственных нестандартных объектов рассмотреть независимую проверку по экспериментальным данным, специализированной модели или вычислительной гидродинамике.

Такой порядок не превращает инженерную модель в нормативную. Он делает видимым то, что иначе осталось бы скрытым внутри программы.

Что ещё предстоит подтвердить

Чтобы перейти от полезного исследования чувствительности к доказанной модели конкретного класса пожаров, нужны дополнительные данные:

внешние измерения теплового потока для вытянутых проливов разных топлив;
проверка масштаба от лабораторного до промышленного;
отдельная оценка направлений вдоль и поперёк пролива;
влияние ветра, сажи и неоднородной поверхностной интенсивности;
проверка, не учитывает ли выбранная эффективная интенсивность часть экранирования уже на уровне исходной корреляции;
критерий выбора между поверхностной и объёмной моделью по оптической толщине.

Без этой работы нельзя честно утверждать, что один инженерный вариант «точнее вообще». Можно утверждать только более узкое: он явно учитывает конкретный эффект, который базовое правило не описывает.

Ответ на вопрос из заголовка

Да, пламя может частично пропускать излучение своей дальней части. Но одновременно оно поглощает это излучение и само светит по всему пути луча. В одном режиме и спектральном диапазоне оно ближе к прозрачному объёму, в другом - к непрозрачной излучающей поверхности.

Поэтому главный недостаток расчёта со скрытым допущением не в том, что он обязательно даёт слишком большое или слишком маленькое число. Главный риск в том, что пользователь не знает, какая физическая гипотеза скрыта за этим числом.

Хорошая расчётная система не обязана притворяться, что неопределённости нет. Она обязана показать исходное требование, назвать добавленное допущение, дать воспроизводимый результат и не смешивать нормативный расчёт с инженерным исследованием.

Источники

Приказ МЧС России от 26.06.2024 № 533 «Об утверждении методики определения расчётных величин пожарного риска на производственных объектах». Официальное опубликование 03.09.2024, № 0001202409030008. Текст документа.
Mudan K. S. Geometric view factors for thermal radiation hazard assessment. Fire Safety Journal. 1987. Vol. 12, Issue 2. P. 89-96. DOI: 10.1016/0379-7112(87)90024-5.
McGrattan K. B., Baum H. R., Hamins A. Thermal Radiation from Large Pool Fires. NISTIR 6546. 2000. Официальный PDF NIST.
Suo-Anttila J. M., Blanchat T. K., Ricks A. J., Brown A. L. Characterization of thermal radiation spectra in 2 m pool fires. Proceedings of the Combustion Institute. 2009. Vol. 32, Issue 2. P. 2567-2574. DOI: 10.1016/j.proci.2008.06.044.
Boot H. Developments in Modelling of Thermal Radiation from Pool and Jet Fires. Chemical Engineering Transactions. 2016. Vol. 48. P. 67-72. DOI: 10.3303/CET1648012.
Parent G., Erez G., Collin A., Suzanne M., Thiry-Muller A., Weber M., Faure E., Boulet P. Spectral radiation emitted by kerosene pool fires. Fire Safety Journal. 2019. Vol. 108. Article 102847. DOI: 10.1016/j.firesaf.2019.102847.
Erez G. et al. Measurements and models to characterise flame radiation from multi-scale kerosene fires. Fire Safety Journal. 2021. Vol. 120. Article 103179. DOI: 10.1016/j.firesaf.2020.103179.
Ding L., Gong C., Ge F., Ji J. Experimental study on flame radiation characteristic from line pool fires of n-heptane fuel in open space. Energy. 2021. Vol. 218. Article 119435. DOI: 10.1016/j.energy.2020.119435.
Xu Y., Worthington D., Oke A. Developing a solid-flame model for assessing consequences of large-scale rectangular pool fires and trench fires. IChemE Hazards 32. 2022. Полный текст.
Qiu M. et al. Theoretical analysis and experimental study on radiative heat flux from adjacent tunnel fires under longitudinal ventilation. Tunnelling and Underground Space Technology. 2026. Vol. 176. Article 107912. DOI: 10.1016/j.tust.2026.107912.