Введение к работе
актуальность ТЕМЫ работы обусловлена тем, что в инженерной практике отсутствует математический аппарат, позволяющий оценить процессы теплопереноса и напряженно-деформируемое состояние конструкций при интенсивном нагреве. Моделирование процессов переноса тепла - одна из важнейших задач в отраслях строительной индустрии (в пожарной безопасности, в промышленной безопасности), в энергетике ( в теоретических основах теплотехники) и в самолетостроении. Применение этого метода позволяет сократить материальные и трудовые ресурсы для получения результатов, аналогичных экспериментальным исследованиям. Подобные модели нашли широкое применение в практике проектирования математических методов.
Одной из главных задач первого этапа профилактической работы по повышению надежности систем пожарной сигнализации и работы строительных конструкций в условиях интенсивного нагрева является установление двумерных температурных полей помещения и конструкций в начальной стадии пожара при проектировании, что позволит более эффективно использовать тепловые датчики, извещатели и систему защиты конструкций.
Исследования и анализ методической, научной литературы и периодической печати показали, что в настоящее время в инженерной практике отсутствуют апробированные методики и рекомендованные для практического использования материалы, указания по расчету двумерных температурных полей помещения в условиях сопряженной задачи и оценки работы металлических конструкций с учетом интенсивного нагрева методом математического моделирования.
ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Разработать комплекс математических моделей для расчета температурных полей помещения в условиях сопряженной задачи и оценки напряженно-деформируемого состояния строительных конструкций с учетом интенсивного теплового воздействия и создать на этой основе методику, позволяющую использовать предложенный комплекс в технических расчетах.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
- создать математический аппарат комплексного моделирования
температурных полей помещения в условиях сопряженной задачи и ве
личины прогибов металлических конструкций, подвергаемых интенсив
ному тепловому воздействию;
- разработать алгоритм совместной реализации предложенных
моделей;
- на базе построенного математического аппарата разработать
программное обеспечение автоматизированного расчета температурных полей помещения и конструкций,и напряженно-деформируемого состояния металлических конструкций в условиях интенсивного нагрева;
проверить разработанные модели на адекватность с данными физических экспериментов с помощью применения вероятностных методов ;
разработать методику, позволяющую использовать разработанный аппарат моделирования в профилактической работе по повышеник пожарной безопасности зданий, сооружений и отдельных конструкций;
осуществить опытную эксплуатацию программного обеспечения по моделированию температурных режимов помещения и конструкций и прогибов конструкций в условиях интенсивного теплового воздействия
Теоретические исследования базировались на фундаментальных законах сохранения количества движения, энергии и массы , на результатах теории прочности, законов термоупругости и сопротивления материалов. В алгоритме реализации на ЭВМ использовалась одна и; самых эффективных схем дробных шагов - схема Писмена- Рекфорда. для оценки точности моделей применялись методы теории вероятностеР и данные, полученные во Всероссийском научно-исследовательско!. институте противопожарной обороны ( ВНИИПО) МВД России с использованием современных средств измерительной техники.
ГЛАВНЫМ НАПРАВЛЕНИЕМ РАБОТЫ ЯВЛЯЄТСЯ
развитие метода математического моделирования с целью разработкр научно-обоснованной методики прогнозирования температурных режимоЕ помещения и конструкций в начальной стадии пожара в помещении і оценки работы металлических конструкций с учетом интенсивного наг-ре-ва.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА данной работы состоит
- в' комплексе математических моделей, реализующих расчет те
мпературных полей помещения в условиях сопряженной задачи и опре
деление напряженно-деформируемого состояния конструкций на основе
сочетания теорий пожарной профилактики и огнестойкости (в пожарно{
безопасности);
-в алгоритме совместной реализации комплекса моделей на ЭВМ; ' - -в разработанных моделях по установлению динамики распределения температур по объему помещения и конструкций в начально! стадии пожара в зависимости от пожарной нагрузки ;
-в моделях взаимного влияния прогрева конструкций на формирование процесса'теплопереноса в помещениях и оценке напряженно-де-
формируемого состояния металлических конструкций на базе этих результатов при реальных пожарах.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ РАБОТЫ заключается:
-в создании программного обеспечения автоматизированного расчета температурных полей помещения в условиях сопряженной задачи и напряженно-деформируемого состояния конструкций при интенсивном нагреве;
-в разработке методики для автоматизированного расчета двумерных температурных полей помещения и конструкций и оценке деформаций металлических конструкций при возможном реальном пожаре;
-в использовании результатов вычислительного эксперимента при проектировании систем пожарной сигнализации;
-в использовании результатов математического моделирования при проектировании сооружений с учетом прогнозирования напряженно-деформируемого состояния строительных конструкций.
РЕАЛИЗАЦИЯ НА ПРАКТИКЕ. Результаты исследований, практические рекомендации и программный комплекс использованы при подготовке проекта СНиП 21-01 "Противопожарная защита зданий и сооружений" в головном проектном институте в отра-ели строительство ЦНИКСК имени Кучеренко, в Воронежском Конструкторском бюро Химавтоматики, в воронежском научно-исследовательском институте Автоматизированных Средств Производства и Контроля, во Всероссийском научно-исследовательском институте противопожарной обороны (ВНИИПО) МВД России при работе над темой п 4.1.Н.С01. 86 " Провести исследования и разработать предложения по расчету параметров пожаров при ограниченном притоке воздуха в помещениях с несгораемыми ограждающими конструкциями", а также в Воронежском государственном строительном Проектном институте при разработке ведомственных норм, в учебном процессе факультета Прикладной математики и механики Воронежского государственного университета.
АПРОБАЦИЯ НА ПРАКТИКЕ. Полученные результаты докладывались на международных конференциях : Симпозиум , "Thermal Stresses and Related Topics", Япония Hamamatsa, 1995, June 5-Э' в Москве конференция " First International seminar on Fire and Explosion Hazard of Substances and Venting of Deflagrations",July, 19951 конференция в Orlando, Florida, USA "International Conference on Fire Research Ь Engineering", September 1995 ' в Англии, Ca-
6 mbridge, St. JOHN'S Colledge, March 1996; в Германии , Berlin, 3 rd Eurolab Symposium "Testing and Analysis for Industrial Competitiveness and Sustainable Development " , June 1996/ на Международных форумах в г. Минске 1992 г. и 1996 г." Heat and Mass Transfer",' на 31 Solid Mechanics Conference, Warsaw, Poland, September, 1996; на международном конгрессе по прикладной и индустриальной математике в г. Новосибирске 1996, секция " Математическое моделирование " и секция "Инженерная математика" ; на международной конференции в Санкт-Петербурге, июнь 1996 г. "Математические модели, методы потенциала и конечных элементов в механике деформируемого тела".
. Выступления на всесоюзных конференциях: Пермь 1986 г. "Математическое моделирование в науке и технике"; Тбилиси 1989 г. "Современные проблемы численного анализа"; в Москве 1989, 1991, 1992, 1993 по "Проблемам пожарной профилактики и теории огнестойкости".
ПУБЛИКАЦИИ. По материалам работы опубликовано 37 работ, из них в международной печати - 6, в журналах серии Известий АН-3 , в Известиях вузов-5 .
объем РАБОТЫ. Диссертация общим объемом 271 стр. состоит из введения, пяти глав, заключения, изложенных на 216 страницах машинописного текста, содержит 44 рисунка, 20 таблиц, список литературы из 198 наименований и 3 приложения на 54 стр.
НА ЗАЩИТУ выносятся:
-комплекс математических моделей расчета температурных полей помещения в условиях сопряженной задачи и напряженно-деформируемого состояния металлических конструкций, подвергаемых интенсивному нагреву;
-алгоритм совместной реализации комплекса моделей с помощью различных методов вычислительной математики;
- программное обеспечение расчета температурных полей помещения в условиях сопряженной задачи и прогибов металлических конструкций при интенсивном нагреве;
-результаты вычислительного эксперимента, проведенного при начальных и граничных условиях, адекватных физическим экспериментам, выполненным во ВНИИПО и их сравнение методами теории вероятностей;
-методика для проведения вычислительного эксперимента по оп-
ределению температурных долей помещения и конструкций в условиях реального пожара и оценки напряженно-деформируемого состояния металлических конструкций.