Введение к работе
Актуальность темы. Ущерб, наносимый пожарами, в ряде случаев может быть велик и часто невосполним. Для обеспечения противопожарной защиты объектов к ряду конструкций предъявляется требование по выполнению своих функций в условиях пожара. Это требование считается выполненным, если предел огнестойкости конструкции не ниже требуемой величины, установленной нормативными документами. Предел огнестойкости конструкций соответствует продолжительности стадии огневого воздействия на конструкцию в условиях стандартного температур-но-временного режима пожара, при которой наступает потеря несущей и (или) ограждающей способности конструкции - превышение допустимого теплового состояния конструкции.
Создание новых и реконструкция существующих огнестойких конструкций (ОК) является весьма актуальной задачей.. Разработка ОК охватывает широкий круг взаимосвязанных задач, одни из которых состоят в выборе конструктивного решения (схемы конструкции, типов используемых материалов) и (или) определении значений геометрических параметров конструкции, при которых выполняется требование по обеспечению допустимого теплового состояния конструкции, а в ряде случаев - и другие ограничения (например, на толщину или массу конструкции). В настоящее время для решения этих задач (задач теплового проектирования) применяется преимущественно экспериментальный подход, основанный на проведении в специальных огневых печах стандартных испытаний образцов конструкций на огнестойкость. Однако, в ряде случаев, этот подход неприемлем, так как требует значительных материальных затрат (стоимость одного испытания достигает 3000 долларов США) и не позволяет найти оптимальное конструктивное решение.
Поэтому, в настоящее время представляет интерес поиск альтернативного подхода к решению задач теплового проектирования ОК, который был бы лишен указанных недостатков, чему и посвящена настоящая работа.
Диссертационная работа выполнена в 1992-1996 годах в Украинском НИИ пожарной безопасности МВД Украины (УкрНИИПБ МВД Украины) в соответствии с планами научно-исследовательских работ (НИР) УкрНИИПБ МВД Украины (госбюджетные НИР "Провести поисковые исследования методов испытаний на пожарную безопасность в строительстве и определения качества огнезащитных пропиток и огнезащиты строительных конструкций" (№ госрегистрации 0193U039393), "Разработать оборудование и освоить лабораторные методы испытаний огнезащитных покрытий (ОЗП) строительных металлических конструкций" (№ госрегистрации 0195U028780) и двенадцать хоздоговорных НИР), а также планом организационных мероприятий УкрНИИПБ МВД Украины по выполнению Государственной программы обеспечения пожарной безопасности на 1995-2000 годы (Постановление Кабинета Министров Украины от 3 апреля 1995 г. №238) и Главных направлений научных исследований УкрНИИПБ МВД Украины на 1996-2000 годы (утверждены Первым заместителем Министра внутренних дел Украины 26 сентября 1995 г.), п. 7.3 "Разработка расчетно-экс-периментальных методов определения теплозащитных характеристик материалов, которые используются для повышения огнестойкости строительных конструкций".
Необходимость двух научных руководителей обусловлена тем, что диссертационная работа посвящена разработке методики решения задач теплового проектирования ОК. включающей этап идентификации решением обратных задач теплопроводности (ОЗТ) теплофизических характеристик (ТФХ) материалов. Поэтому, по вопросам теплового проектирования руководитель работы Брату-та Э.Г., по вопросам ОЗТ - Круковский П.Г., являющиеся специалистами в соответствующих областях.
Цель работы. Разработать методику решения задач теплового проектирования ОК, основанную на математическом моделировании процессов теплообмена, и применить ее для решения следующих важных для практики задач: задачи определения оптимальных толщин ОЗП строительных металлических конструкций; задачи определения конструктивного решения для огнестойких сей-
фов, удовлетворяющего требованию по огнестойкости и ограничению на максимальную толщину стенки сейфа; задачи определения оптимальных толщин двухслойной тепловой защиты стенок аварийных регистраторов полетных данных.
Методы исследований: использованы методы математического моделирования: метод вычислительного эксперимента, методы решения обратных и прямых задач теплопроводности (ПЗТ) и задач оптимизации.
Научная новизна. В диссертационной работе впервые получены следующие научные результаты, которые выносятся на защиту:
-
Методика решения задач теплового проектирования огнестойких конструкций, основанная на математическом моделировании процессов теплообмена, позволяющая решать поставленные задачи при существенно меньших (по сравнению с экспериментальным подходом) материальных затратах.
-
Расчетно-экспериментальная методика определения теплозащитной способности ОЗП строительных металлических конструкций, основанная на идентификации решением ОЗТ теплофизи-ческих характеристик покрытия по данным термометрирования, полученным в ходе нескольких стандартных испытаний на огнестойкость (без измерения температуры в слое покрытия), и решении задачи оптимизации. Впервые показано, что для повышения информативности и точности идентификации ТФХ покрытия по данным термометрирования, полученным в ходе стандартных испытаний на огнестойкость, необходимо в решении ОЗТ использовать данные нескольких испытаний одновременно.
-
Данные по теплозащитной способности ОЗП "Эндотерм ХГ-150", а также ОЗП "ОПВ-1" для случая защиты стальных воздуховодов систем вентиляции.
-
Принципиальное конструктивное решение стенок сейфов для хранения материальных ценностей, обеспечивающее требуемую огнестойкость оборудования и удовлетворяющее заданному ограничению на толщину стенки сейфа.
-
Зависимости минимальной толщины двухслойной тепловой
защити стенки регистратора полетных данных от относительной толщины слоев теплозащиты, позволяющие проектировщикам этого оборудования выбрать оптимальное конструктивное решение.
Достоверность полученных результатов подтверждается использованием математических моделей, адекватных реальным процессам теплообмена, удовлетворительной сходимостью результатов расчета с данными натурных и вычислительных экспериментов, использованием апробированных численных методов расчетных исследований.
Теоретическая ценность работы заключается в разработке методики решения задач теплового проектирования ОК, позволяющей определять оптимальные конструктивные решения, а также в получении результатов, которые могут быть использованы при конструировании ОК.
Практическая ценность и использование результатов работы состоит в том, что разработанная методика решения задач теплового проектирования ОК имеет четкую практическую направленность, поскольку ориентирована на широкое использование инженерами при решении поставленных перед ними практических задач, связанных с созданием ОК различного функционального назначения.
Результаты работы использованы ПО "Чернобыльская АЭС" при разработке проекта противопожарной защиты воздуховодов систем вентиляции объектов Чернобыльской АЭС; НІШ "Спецматериалы" при разработке технических условий на ОЗП "Эндотерм ХТ-150" и при разработке двухслойного ОЗП для стальных воздуховодов; НИЦ "Практика" и СП "Эгалон-К" - при разработке конструкций сейфов, шкафов и хранилищ материальных ценностей; Государственным институтом "УКРГЖІРОСАХАР" при разработке проекта огнепреграждающего затвора типа 30-600x600; НПО "Электронприбор" при разработке конструкций аварийных регистраторов полетных данных; УкрНИИПБ МВД Украины при выполнении НИР, связанных с определением оптимальных параметров ОК.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на XIII, XIV, XVII научно-технических конференциях молодых ученых и специалистов Института технической теплофизики НАН Украины, Киев, 1982, 1983, 1986; на I и II Республиканских школе-семинарах молодых ученых и специалистов "Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики", Алушта, 1985. 1987; на Всесоюзной научно-исследовательской конференции "Перспективы развития исследований в области структуры и свойств углерода и материалов на его основе", Москва, 1985; на III и V научно-технических конференциях "Метрологическое обеспечение температурных и теплофизических измерений", Харьков. 1986 и 1994; на Всесоюзной конференции молодых исследователей "Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики", Новосибирск, 1987; на VII и IX Международных конференциях по инженерной теплофизике и термогравиметрии, Венгрия, Будапешт, 1987 и 1995; на I и III Международных научно-технических конференциях "Проблемы экологического мониторинга и охраны труда", Севастополь, 1993 и 1995; на научно-технической конференции "Проблемы пожарной безопасности", Харьков, 1993; на II Международной конференции "Идентификация динамических систем и обратные задачи", С.-Петербург, 1994; на I Международном семинаре "Огнезащита строительных материалов и конструкций - проблемы, исследования, технология", Львов, 1994; на I Международном семинаре "Пожаровзрывоопасность веществ и взрывозащита объектов", Москва, 1995; на XIII Всероссийской научно-практической конференции "Пожарная безопасность 95", Москва, 1995; на научно-технической конференции "Проблемы пожарной безопасности", Киев, 1995; на I Международной конференции "Пожарная безопасность в строительстве", Польша, Варшава-Спала, 1995; на III Минском международном форуме по тепло- и массообмену, Минск, 1996; на II Европейской конференции по теплопереносу, Рим, 1996.
Публикации. По теме диссертации опубликовано девятнадцать статей и пять тезисов докладов.
Личное участие автора в получении научных результатов состоит в разработке основной идеи диссертации, постановке и решении задач теплового проектирования ОК и идентификации ТФХ материалов [1. 2, 4-9. 13-15, 17-20], разработке расчет-но-эксперименгальных методик [3, 5, 6, 9-12, 14-16, 18-23], выполнении расчетных исследований [2, 5, 8, 12, 19, 24]. Автору принадлежат также обработка, анализ и обобщение полученных данных. Все работы, представленные в соавторстве, выполнялись диссертантом в виде равноправного партнерства.
Структура и обьем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов, списка использованных источников из 95 наименований, 44 рисунков, 1 таблицы, 129 страниц основного текста, всего 183 страницы.