Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Теплофизика. Прогнозирование опасных факторов пожара. Учебно-методическое пособие.pdf
УДК614
ББК30Н
Г67
Рецензенты:
кандидатфизико-математическихнаукВ. Г. Сазонов,доценткафедры
Естественно-научныхиматематическихдисциплинМосковскойгосударственной
академииводноготранспорта—филиалФГБОУВО«ГУМРФимениадмиралаС.О.Макарова»;
кандидаттехническихнаукВ.В. Смирнов,доценткафедрыкомплексной
безопасностивстроительствеНИУМГСУ
Горев,В.А.
Г67 Теплофизика.Прогнозированиеопасныхфакторовпожара[Электронныйресурс]:учебно-
методическое пособие /В.А. Горев, Е.Ю. Челекова; Министерство науки ивысшего образованияРоссийскойФедерации,НациональныйисследовательскийМосковскийгосударственный
строительный университет,кафедракомплекснойбезопасности встроительстве. —Электрон.
дан.ипрогр.(1,3Мб).—Москва:ИздательствоМИСИ–МГСУ,2020.—Режимдоступа:http://
lib.mgsu.ru/Scripts/irbis64r91/cgiirbis64.exe?C21COM=F&I21DBN=IBIS&P21DBN=IBIS.—Загл.
ститул.экрана.
ISBN978-5-7264-2141-4(сетевое)
ISBN978-5-7264-2140-7(локальное)
Учебно-методическоепособиесодержитосновныерекомендацииповыполнениюпрактическихработикурсовойработыподисциплине«Теплофизика»,атакжепрактическихработподисциплине«Прогнозированиеопасныхфакторовпожара».Изложенытеоретическиесведенияподисциплинам«Теплофизика»и«Прогнозированиеопасныхфакторовпожара»,даныпримерывыполнениярасчётовпотематике
практическихзанятийвсоставеуказанныхдисциплин.Приводятсяметодическиесоветыпооформлению
ивыполнениюкурсовойработы,атакжепорешениюпрактическихзаданий.
Дляобучающихсяпонаправлениюподготовки20.03.01Техносфернаябезопасность.
Учебное электронное издание
©Национальныйисследовательский
Московскийгосударственный
строительныйуниверситет,2020
Редактор, корректор А.А. Космина
Компьютерная правка и верстка О.А. Ивановой
Дизайн первого титульного экрана Д.Л. Разумного
Для создания электронного издания использовано:
Microsoft Word 2010, Adobe InDesign CS6, ПО Adobe Acrobat
Подписано к использованию 04.02.2020 г. Объем данных 1,3 Мб.
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
Московский государственный строительный университет».
Тел.: (495) 287-49-14, вн. 13-71, (499) 188-29-75, (499) 183-97-95.
высшего образования
«Национальный исследовательский
129337, Москва, Ярославское ш., 26.
Издательство МИСИ – МГСУ.
E-mail: ric@mgsu.ru, rio@mgsu.ru
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение.....................................................................................................................................................................5
Общиеположения..................................................................................................................................................5
Общиетребованияквыполнениюкурсовойработы.........................................................................................5
Указанияпооформлениютекста..........................................................................................................................6
Оформлениеформулиматематическихвыражений..........................................................................................6
Оформлениетаблиц...............................................................................................................................................6
Составкурсовойработы............................................................................................................................................7
Организацияподготовкиивыполнениякурсовойработы................................................................................7
Структуракурсовойработы..................................................................................................................................7
1.Теплофизика.Уравнениетеплопроводностиипримерыегорешения..............................................................8
1.1.Постановказадачиотеплопроводности.......................................................................................................8
1.2.Термическитолстоетело.............................................................................................................................10
1.3.Термическитонкоетело............................................................................................................................... 15
1.4.СлучайплоскойпластиныFo≥0,5............................................................................................................19
2.Тепловыепотокинаповерхностиконструкции................................................................................................24
2.1.Природатепловыхпотоков..........................................................................................................................24
2.2.Теплообменпривынужденнойконвекции.................................................................................................25
2.3.Теплообменприестественнойконвекции.................................................................................................24
2.4.Лучистыйтеплообмен..................................................................................................................................26
2.5.Теплообменприкипении.............................................................................................................................28
2.6.Кипениевпереходномрежиме....................................................................................................................31
3.Прогнозированиеопасныхфакторовпожара.................................................................................................... 40
3.1.Общиесведения............................................................................................................................................ 40
3.2.Методикарешениязадач..............................................................................................................................40
3.2.1.Расчёткритическихзначенийопасныхфакторовпожара..................................................................40
3.2.2.Расчётмассысгоревшегоматериала.....................................................................................................41
3.2.3.Расчётматериальногобалансавгорящемпомещении.......................................................................42
3.2.4.РасчёткритическоговременинаступленияОФП.Расчёткоэффициентатеплопотерь...................44
3.2.5.РасчёткритическоговременинаступленияОФПдлякруговогораспространения
пламениидляпостояннойплощадигорения(зоннаямодель)....................................................................47
Списокиспользованнойлитературы...................................................................................................................... 51
Приложение.............................................................................................................................................................. 52
Теплопроводностьвгазах...................................................................................................................................52
Теплоёмкостьгазов..............................................................................................................................................54
Вязкостьгазов...................................................................................................................................................... 55
ВВЕДЕНИЕ
Представленноеучебно-методическоепособиекпрактическимзанятиямивыполнениюкурсовойработы/курсовогопроектаподисциплине«Теплофизика»и«Прогнозированиеопасныхфакторовпожара»разработанонакафедре«Комплекснаябезопасностьвстроительстве»НИУМГСУдля
обучающихсяпонаправлению20.03.01Техносфернаябезопасность,профиль«Пожарнаябезопасность».
Приразработкеучебно-методическогопособияавторыстремилисьучестьотличительныеособенностикурса«Теплофизика»дляобучающихсяпоуказанномупрофилюпоотношениюктрадиционномукурсу«Строительнаятеплофизика».Этиотличиявыражаютсяврассмотрениипроцессов,
происходящихприболеевысокихтемпературах,характерныхдляпожаровипостпожарныхситуаций.Вполезренияавторовпопалитакжетеплофизическиепроцессы,вызывающиеформирование
ситуаций,характерныхдлятехногенныхаварий.
Перечисленныеособенностии отличия оттрадиционногокурса «Строительнаятеплофизика»
потребовалисформироватьирассмотретьрядзадач.Краткийпереченьэтихзадачвключаетопределениетемпературногорежимадлястроительныхконструкцийизметалла,бетонаидругихматериаловвусловияхвоздействиятепловыхпотоковотизлучателясвысокойтемпературойивусловиях
конвекцииприконтактесгорячимигазами;охлаждениестроительныхконструкцийитехнологическогооборудования,включаярезервуарысгорючимижидкостями,спомощьюорошенияводой,
втомчислетонкораспылённой.
По курсу «Теплофизика» рассматриваютсязадачи сиспарением криогенных горючих жидкостей.Этотпроцессваженприформированииаварийныхситуаций.
Рассматривается,втомчисле,икипениенаметаллическихповерхностях,когдабольшойвклад
втеплообмендаётпереходныйрежим,входекотороготеплообменуменьшаетсясростомтемпературногонапора.
По курсу «Прогнозирование опасных факторов пожара» рассматриваются задачи, связанные
снахождениеммассывыгоревшегоматериала,критическоговременидостиженияпредельнодопустимыхзначенийопасныхфакторовпожара;определениякоэффициентатеплопотерь.
Учебно-методическоепособиенацеленонаконкретнуюпомощьврешениипоставленныхзадач
путёмрассмотренияпримероврешениякомплексныхзадачтеплообменасучётомразличныхмеханизмовтеплообмена,радиации,конвекции,кипения.
Основнымметодическимподходомвыступаетвыбори осмысленныйфизический анализпроцессов,происходящихвизучаемойсистеме.Вчастности,большоевниманиеуделенорассмотрению
условияреализациитеплообменапорежимутермическитонкогоитермическитолстоготела,атакжережимамсбольшимчисломФурье,когдатеплообменноситрегулярныйхарактерисуществует
определённаясвязьсреднейтемпературы,котораяищетсявтепловомбалансе,итемпературойповерхности,черезкоторуюосуществляетсятеплообмен.
Авторынадеются,чтопредставленноеучебно-методическоепособиепринесётпользуобучающимсявосвоениикурса«Теплофизика»ибудетполезноприизучениитакихдисциплинкак«Огнестойкостьстроительныхконструкций»,«Надёжностьтехническихсистемитехногенныйриск».
Авторысблагодарностьюпримутзамечанияисоветыпосодержаниюматериалаучебно-методическогопособия.
ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Общие требования к выполнению курсовой работы
Курсоваяработадолжнасоответствоватьрядуобязательныхтребований:самостоятельностьисследования;анализлитературыпотемеисследования;логичностьизложения,аргументированность
выводовиобобщений;научно-практическаязначимостьработы.
Вариантзаданиянакурсовоепроектированиевыдаётсяруководителем(какправило,преподаватель,ведущийзанятиявсоответствующейучебнойгруппе).
Обучающийсядолженрегулярнопосещатьконсультацииуруководителявсоответствииспланом-графикомвыполненияработы,предоставлятьемуматериал,согласовыватьсодержаниеиход
выполнениянамеченныхвплане-графикеэтапов,устранятьуказанныеруководителемнедостатки.
5
Курсоваяработавыполняетсяповариантамзаданияисостоитизрасчётнойиграфическойчастей.
Врасчётнойчастиопределяютсятепловыепотокиитемпературыповерхностителиконструкций,атакжетемпературасреды.Графическаячастьсостоитизсхематическогоизображенияпостановкиздания,иллюстрациипроцессовприкипении,конвекцииирадиационномтепловомпотоке.
Вобязательномпорядкестроятсяграфикиизменениятемпературыитепловыхпотоковвзависимостиотвремени.ГрафическаячастьвыполняетсябезссылокнаГОСТы,новмасштабесуказанием
деленияшкалыиразмерностейвеличин.
Указания по оформлению текста
Текстпояснительнойзаписки(ПЗ)долженбытьпредставленвраспечатанномвиде.Параметры
полейстраницы:верхнее,нижнее—20мм,левое—30мм,правое—10мм.Текстпечатаетсяна
однойсторонеписчейбумагибелогоцветаформатаА4(210×297мм)вредактореWordforWindows
гарнитурой(шрифтом)TimesNewRomanчерез1,5(18пт)интервала.
Основнойтекстдолженбытьнабранкеглем14пт;дополнительный,включаятаблицы,подрисуночныеподписи,литературуидр.,—кеглем12пт;головкитаблициусловныеобозначенийрисунков—10пт.ТаблицыдолжныбытьнабранывредактореWordилиExcel.
Нумерациястраницдолжнабытьсквозная.Номерастраницставятсявсерединеверхнегополя.
Первойстраницейсчитаетсятитульныйлист.Нанёмномерстраницынеставится.
РазделыдолжныиметьпорядковыеномеравпределахвсейПЗ,обозначенныеарабскимицифрамибезточкиизаписанныесабзацногоотступа.Подразделыдолжныиметьнумерациювпределахкаждогораздела.Номерподразделасостоитизномеровразделаиподраздела,разделённыхточкой.Вконценомераподразделаточканеставится.Разделы,какиподразделы,могутсостоятьиз
несколькихпунктов.
Разделы,подразделытекстадолжныиметь заголовки.Заголовкидолжнычёткоикраткоотражатьсодержаниеразделов,подразделов.Заголовкиследуетпечататьспрописнойбуквыбезточкив
конце,неподчёркивая.Переносысловвзаголовкахиаббревиатурынедопускаются.
Расстояниемеждузаголовкамираздела,подразделаитекста—дваинтервала.Каждыйраздел
текстаПЗрекомендуетсяначинатьсновойстраницы.
ТекстПЗдолженбытькратким,чёткиминедопускатьразличныхтолкований.
ВПЗдолжныприменятьсянаучно-техническиетермины,обозначенияиопределения,единицы
физическихвеличин(СИ),ихнаименования,установленныестандартами,априихотсутствии—
общепринятыевнаучно-техническойлитературе.
Приоформленииссылокналитературныйисточникссылкавтекстедаётсявквадратныхскобках,гдеуказываетсяномеристочникапоспискулитературыкПЗ.Приупоминаниивтекстекакого-либоавтораработынеобходимоуказатьсначалаинициалы,фамилию,затемвквадратныхскобках—номерпоспискулитературыкПЗ.
Оформление формул и математических выражений
ВсеформулыибуквенныеобозначениянабираютсявредактореформулMicrosoftEquation.
Вформулахвкачествесимволовследуетприменять обозначения,установленныесоответствующимистандартами.Формуладолжнарасполагатьсяпоцентру строкииотделятьсяоттекстана
6птсверхуиснизу,нумерацияформулвыравниваетсяпоправомукраю.Номерформулы(выражения)заключаетсявкруглыескобки.Нумерацияформулведётсявпределахраздела.Номерформулыдолженсостоятьизномераразделаипорядковогономераформулы,разделённыхточкой,например(1.1)или,присквознойнумерации,(1).
Пояснениясимволовичисловыхзначений,еслионинепоясненыранеевтексте,должныбыть
приведены непосредственнопод формулой. Пояснение каждого символаследует даватьс новой
строкивтойпоследовательности,вкоторойсимволыприведеныв формуле(выражении).Вэтом
случаепослеформулызапятая(,),перваястрокапояснениядолжнаначинатьсясослова«где»без
двоеточияпосленего.
Оформление таблиц
Названиетаблицыдолжноотражатьеёсодержание,бытьточнымикратким.Названиеследует
помещатьнадтаблицейивыделятьполужирнымшрифтом.
Еслистрокиилиграфытаблицывыходятзаформатстраницы,еёделятначасти.Припереносе
частитаблицынатужеилидругиестраницыназваниепомещаютнадпервойчастьютаблицы.Над
6
другимичастямитаблицыпишутсяслова«Продолжениетаблицы»суказаниемномера(обозначения)таблицы,приэтомповторяютеёголовкуибоковик.
Обозначениеединицыфизическойвеличиныобщейдлявсехданныхвграфеилистрокетаблицыуказываютпослееёнаименования(череззапятую).
НавсетаблицыПЗдолжныбытьприведеныссылкивтекстепояснительнойзаписки.Текстичисловыезначениявеличинвтаблицахнабираютсясодинарныммежстрочныминтерваломинулевым
интерваломпередипослестрок.
СОСТАВ КУРСОВОЙ РАБОТЫ
Организация подготовки и выполнения курсовой работы
Основныеэтапывыполнениякурсовойработы:получениеиндивидуальноговариантазадания,
анализисходныхданных;изучениеиописаниефизическихпроцессов;составлениепланаработы;
составлениеплана-графикавыполненияработы;проведениерасчётов,написаниеиоформлениеработы;представлениеработынаучномуруководителю.
Исходныеданныедлявыполнениякурсовойработыпринимаютсяизвариантазаданияиизсправочнойлитературы.Онидолжныбытьпредставленывмеждународнойсистемеединиц(СИ).НарядусединицамиСИ,принеобходимостивскобкахуказываютсядругиеединицы.Например,«с(мин)
или60с(1мин)».
Приизучениииописанииматематическоймоделицелесообразнопроцесстеплообменавпомещениирассматриватькаквцелом(системудифференциальныхуравнений),такипоотдельнымконструкциямисредам,процессам(кипение,конвекция,излучение).
Структура курсовой работы
Курсовая работа должнавключатьзаданиена выполнениекурсовойработы; титульный лист;
оглавление(содержание);введение;основнуючасть;заключение(выводы);приложения(принеобходимости);библиографию(списоклитературы).
Оглавлениедолжносодержатьназваниеразделов,подразделов,главсуказаниемномеровстраницвтекстекурсовойработы.
Введениедолжнобытьобъёмомнеболее0,5–1страницы.
Основнаячастькурсовойработыдолжнаотражать:
• описаниеисходныхданных;
• описаниемеханизмовтеплообменаиихразличныхрежимов;
• расчётытепловыхпотоковитемпературприсменережимовтеплообмена;
• анализтеплообменаитемпературнаначальнойстадииприt→0иприсменережимов;атак-
жеприt→∞.
ВЗаключениинеобходимопровестианализрезультатоврасчётов.
1. ТЕПЛОФИЗИКА.
T
txTx
∂
∂
∂∂∂
∂
TT
xx00
()
=
TTconst
==
T
x
∂
∂
Дж
мсек
�
Дж
мсек град
Вт
мград
∂∂T
x
TT
10
>
TT
20
<
2
X
0
1> 0
2< 0
q
TT
=
T
txTx
∂
∂
∂
∂
∂
TT
=
УРАВНЕНИЕ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ И ПРИМЕРЫ ЕГО РЕШЕНИЯ
1.1. Постановка задачи о теплопроводности
Привыполнениитеплофизическихрасчётовчастонеобходимопользоватьсярезультатамирешенияуравнениятеплопроводности.Водномерномслучаеэтоуравнениезаписываетсяввиде
�C
ρδ λ
p
=
. (1)
Для выбора решения указанногоуравнения следует определить начальные условия для температурыврассматриваемойобласти,т.е.задатьполетемпературыв начальныймоментвремени
,
()
.Вдальнейшембудетчастоиспользоватьсяусловие
x0
()
0
�
.Этоозначает,что
вначальныймоменттемператураодинакова.Длятогочтобыуравнение(1)приобрелосмысл,необходимо,чтобынаграницеобластииливнутринеёпоявилисьисточникитепла,произошлоизменениетемпературыивозниклитепловыепотоки.
Тепловыепотокиимеютследующуюприроду.
1.Кондуктивныйтепловойпоток
xt
q
1
=−
,
λ
.
(2)
Этовыражение(законФурье)означает,чтовеличинатепловогопотокачерезединицуплощадиведи-
ницувремени,
(иливеществасреды),
,пропорциональнакоэффициентутеплопроводности материалаконструкции
2
=
,инаправлениетепловогопотокавсегдавсторонуумень-
шениятемпературы(знакминус).Кондуктивныйтепловойпотокопределяетсятолькоградиентом
температуры
исвойствамисредыλ.Коэффициенттеплопроводностизависитотсвойствсреды,
вкоторойрассматриваетсятепловойпоток,иоттемпературыэтойсреды.Такимобразом,еслизадатьнаграницахобластитемпературу,отличающуюсяотначальнойтемпературысредывнутриобласти,товозникаеттепловойпотоквнутрьобласти,еслинаграницетемпература
сти,еслитемпературанагранице
(рис.1).
,иизобла-
1
Рис.1.Направлениетепловыхпотоковвслучаезаданиятемпературынаграницахобласти
Врезультатезаданиявместесначальнымиусловиями
x00,
()
иуравнением(1)условийнагранице(граничныеусловия)формулируетсязадачаорешенииуравнениятеплопроводностисграничнымиусловиямипервогорода(см.рис.1):
C
ρδ λ
p
ox,
()
∂
tx
,
()
=
– начальныеусловия; (4)
0
xT
()
tx
,
()
,
,
(3)
8
TTTT
tt,,
;
12
==
C
ρ
кг
м
t
x
ρλ
∂
∂
∂
∂
t
x
�
t
1
t
x
==
∂
∂
t
x
δ
∂
∂
t
x
tttt
==
22
λ
δ
t
δ
∂
∂
T
t
∂
∂
==
T
t
qx
q
λ
()
δ
TT
x
−
12
λδ
()
δ
0
() ()
δ
—граничныеусловия; (5)
где
—удельнаятеплоёмкостьсреды,
p
—плотностьсреды,
.
3
Дж
кг град
;
Вслучае,когдакоэффициенттеплопроводностинезависитоткоординатыx(однороднаясреда),
уравнения(1)и(3)запишутсякак
2
∂
T
=
(6)
2
C
T
∂
p
или
2
∂
T
∂
T
=
�
, (7)
2
где —коэффициенттемпературопроводности, .
Длязадачиоплоскойпластине(см.рис.1)имеетсяхарактерныйразмерδ(толщина).Введёмха-
рактерноевремяизменениялокальнойтемпературыпластины
ных
t
x
;
t
1
уравнениетеплопроводностиприметвид
δ
t
=
∂
1
222
T
∂
T
. (8)
,итогдавбезразмерныхперемен-
Есливкачествеt1взять ,тоуравнения(6)и(8)запишутсяввиде:
2
∂
∂
T
t
==
δ
1
Из(8)и(9)следует,чтотемпературавсоответсвующихточках
соотвествиисизменениемкомплексаFo=
2
T
=
,
2
Fo
C
p
ρδ
.
—числаФурье.
(9)
xx=
изменяетсявовременив
ПрипомощичислаFoможносравниватьизменение температурывовремени дляразличных
сред.ЧислоФурье,такимобразом,характеризуетвремяизменениялокальнойтемпературы,т.е.характеризуетвремяпрохождениятепловогопотокапотолщинеконструкции.
=
Случайсграничнымиусловиямипервогородаваженпристационарномпроцессе,когда
−
qconst
итогдаизλ
,
чтоозначаетпостоянствотепловогопотока.
0
0,
Интегрированиепоследнегоуравнениядает
T
dT
=−λ .
0
Приλ=const:TT
−=−
1
∫
T
1
0
;
или
при xTT
,:
2
TT
−
21
TT
=+
1
=−δλ
TTx
21
9
q==
−
и
TT
1
−=
.
λ
1
(10)
,
Пример.Определитьтемпературунаграницедвухконсутрукций(рис.2).Стационарныйрежим.
2
T`
Т1
λ2
δ
2
λ1
δ
1
TT
1
()
TT
2
()
TT
λ
λ
TT
TT
−
п
вп
=−
()
TT
qT
=−
()
Вт
qqq
=+.
qTT
уп
=−
()
α
T
x
∂
∂
в
п
Теплоизоляцияс
п
с
Х
q
Рис.2.Заданиекпримеру
Пристационарномраспределениитемпературытепловойпотокпостоянный:
q
=
λ
11
qq T
=→=
12
−
�
′
1
δ
q
=
;
22
1
δ
1
`
�λ
1
λδλ
1
1
−
′
2
,
δ
2
+
2
δ
2
.
2
+
δ
2
1.2. Термически толстое тело
Рассмотрим задачу о теплообмене с полубесконечным изолированным с боковой поверхности
стержнем,наповерхностькоторогопадаетпотокqп.Врезультатевзаимодействияпотокаqп споверхностьютелапроисходитповышениетемпературыповерхностиТп,иначальнаяразностьтемператур
средыитела
переходитвразность
c−0
,атепловойпоток,идущийвнутрьтела,запишетсякак
c
qTT
α . (11)
c
Выражение (11)определяеттепловойпоток,записанныйвформеНьютона—Рихмана.Приэтом
начальныйтепловойпотокпри
жении(11)величинаα,
2
мград
, называетсякоэффициентомтеплоотдачиотсредыктелу,коэффи-
будемидальшесчитатьпадающим:
п=0
α
T
cп
.Ввыра-
0
циенттеплоотдачиопределяется,восновном,физическими свойствамисредыи интенсивностью
динамического(конвективного)взаимодействиямеждусредойиповерхностью.Врезультатенаграницеразделабудетвыполнятьсясоотношение
пву
(12).
Выражение(12)отражаеттотфакт,чтопервоначальнопадающийнаповерхностьтелаqн тепловойпотоксовременемуменьшаетсянавеличину
,апотокqВ идетвнутрьтеплаина-
0
греваетего.
ГраничноеусловиенаповерхностителадляпотокаqВимеетвид
q
=−
λ� ,x=0.
в
Здесьλ–коэффициенттеплопередачиматериаластержня, x =0наповерхноститела(рис.3).
В
боковыхсторон
Рис.3.Тепловыепотокинагранице:qв —идущийвнутрь;qп —падающий;qy —уходящий
10