автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.18, диссертация на тему:Моделирование прогрева конструкции в условиях интенсивного взаимодействия с окружающей средой

На правах рукописи

ЖУРБИН Алексей Николаевич

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОГРЕВА КОНСТРУКЦИИ В УСЛОВИЯХ ИНТЕНСИВНОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ С ОКРУЖАЮЩЕЙ

СРЕДОЙ

Специальность 05.13.18 - Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Воронеж - 2004

Работа выполнена на кафедре математического обеспечения ЭВМ Воронежского государственного университета.

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Астахова И.Ф.

Официальные о ппо ненты:

доктор технических наук, профессор Стародубцев B.C. кандидата технических наук, Трибунских О.А.

Ведущая организация:

Воронежский архитектурно строительный университет

Защита диссертации состоится 30 ноября 2004 г. в 15 часов в аудитории № 329 на заседании диссертационного совета К 203.004.01 при Воронежском институте МВД России по адресу: 394065, г. Воронеж, Пр. Патриотов, 53.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Воронежского института МВД России.

Автореферат разослан 27 октября 2004 г.

Ученый секретарь диссертационного совета:

С.А. Шерстюков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Мощные железобетонные и металлические элементы сооружений, устойчивые к воздействию сейсмических, ветровых, механических нагрузок и их комбинаций, нередко оказываются поверженными при сравнительно непродолжительном воздействии тепловой энергии пожара. Сила и опасность воздействия интенсивных тепловых потоков при пожарах, разрушительное действие которых убедительно показывают данные эксплуатации строительных сооружений в нашей стране и за рубежом, сделали актуальными исследования в этой области.

Существующие математические модели по определению характеристик пожара позволяют рассчитать либо среднеобъемные параметры пожара, либо характеристики по сечению помещения при адиабатических или изотермических граничных условиях и при постоянной геометрии и интенсивности очага горения. Это не дает возможности решать задачи, связанные с процессом пожара, в комплексе очаг горения - окружающая среда - защищенные и незащищенные ограждающие конструкции.

Накоплен обширный теоретический и экспериментальный материал о геометрии очага горения, интенсивности его тепловыделения, о коэффициентах теплообмена для ограждающих конструкций. Однако, этот материал не нашёл должного отражения ни в одной из разработанных и опубликованных полевых моделях при решении сопряжённой задачи.

Исследования и анализ методической, научной литературы и периодической печати показали, что в настоящее время в инженерной практике отсутствуют программные продукты, отвечающих современным требованиям к программному обеспечению, его проектированию и реализации, по расчету температурных полей защищенных конструкций в условиях интенсивного тепловыделения в начальной стадии пожара с учетом теплофизических характеристик конструкций и возможного очага возгорания.

Диссертационная работа выполнена в рамках гранда № 99-01-00327 Российского фонда фундаментальных исследований 1999-2001г.

Цель и задачи работы. Целью диссертационной работы является разработка комплекса моделей и программного обеспечения по расчёту температурных полей защищенных конструкций в условиях интенсивного взаимодействия с окружающей средой га-«нстеме .шаг, дарения -окружающая среда - ограждающие констр)

НАЦИОНАЛЬНАЯ БИБЛИОТЕКА С О»

херен

!Г

Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:

- построение комплекса математических моделей расчёта распределения температур в защищенной конструкции в зависимости от теплообмена с окружающей средой;

- разработка алгоритмов совместной реализации комплекса предложенных моделей;

- разработка базы данных теплофизических характеристик процесса пожара в условиях поставленных ограничений;

- на основе построенного алгоритма и базы данных предметной области разработка программного обеспечения автоматизированного расчета температурных полей конструкции в условиях интенсивного теплообмена со средой, в виде комплекса программ, соответствующего современным требованиям, предъявляемым к программному обеспечению;

- проведение вычислительного эксперимента и реализация результатов исследования на практике.

Методы исследований. В работе использовались методы математического моделирования, методы вычислительной математики, статистические методы анализа, методы объектно-ориентированного проектирования.

Научная новизна.

1. Разработан комплекс математических моделей для расчета температурных полей конструкций в условиях интенсивного нагрева, отличающейся возможностью решения сопряженной задачи в системе очаг горения - окружающая среда - ограждающие конструкции и наличием защитного слоя у конструкции.

2. Предложена модель температуры омывающего потока, позволяющая повысить эффективность комплекса математических моделей расчёта температурных полей конструкций.

3. Предложены алгоритмы совместной реализации комплекса моделей для расчета температурных полей конструкций.

Практическая значимость работы состоит в разработке инструментальных средств в виде предметно-ориентированных моделей, алгоритмов и пакетов прикладных программ по расчёту температурных полей конструкций в условиях интенсивного нагрева. Основные результаты диссертационных исследований внедрены в Главном управлении по делам гражданской обороны и чрезвычайным ситуациям при администрации Воронежской области и в учебный процесс Воронежского государственного университета.

Апробация работы. Основные материалы диссертации доложены и обсуждены: на международном конгрессе по прикладной и индустриальной математики (г. Новосибирск, 1998 г.); на Всероссийской конференции "Математическое моделирование в естественных и гуманитарных науках" (г. Воронеж, 2000); на 3-ей Всероссийской математической конференции "Информационные технологии и системы" (г. Воронеж, 1999 г.); на международной конференции "Математика. Образование. Экология" (г. Воронеж, 2000 г.); на международной конференции "Математика. Компьютер. Образование" (г. Москва, 2001 г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 12 печатных работ, в том числе одно учебное пособие.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников из 111 наименований и двух приложений. Работа изложена на 159 страницах (основной текст занимает 141 страниц), содержит 43 рисунка и 2 таблицы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулирована цель, приведены задачи исследования, научная новизна диссертационной работы, выносимые на защиту научные положения и результаты, дана краткая аннотация работы.

В первой главе диссертационной работы приводится анализ работ, посвященных вопросам математического моделирования для решения задач пожарной профилактики и теории огнестойкости. В обзоре известных исследований дается описание основных этапов и переломных моментов в развитии научной мысли по решаемой задаче. Отдельное место в обзоре занимает исследование основных методов и решений в области современных средств проектирования и реализации программных продуктов.

В настоящее время в России и за рубежом - в США, Англии, Японии и др. - преобладает теоретический метод решения задач пожарной профилактики. Большое внимание уделяется развитию математических моделей и описанию характеристик процесса пожара, таких как: скорость распространения горения, конвекция тепловых потоков, излучение нагреваемых поверхностей, излучение пламени, распространение

струйных течений во время горения, характеристики горения после вспышки, перенос тепла излучением внутри помещения, распространение пожара в соседние помещения, образование дыма и токсических газов и Др.

Развитие математического моделирования и исследований характеристик пожаров идет по следующим направлениям: создание интегральных и зонных моделей, разработка полевых моделей.

Недостатком интегральных и зонных моделей является возможность их применения только для исследования среднеобъемных или средне-зонных характеристик пожара. Полевые модели, дающие более точные и интересные результаты, построены на основе законов сохранения массы, количества движения и энергии, позволяют имитировать характеристики начальной стадии пожара для каждой точки пространства.

В силу математических трудностей описания процесса пожара, как единого целого в системе очаг горения - окружающая среда -ограждающие конструкции, большинство существующих полевых моделей не рассматривают одно из перечисленных звеньев, как изменяющийся параметр.

На основании проведённого анализа литературы определяются цель и задачи диссертационного исследования.

Во второй главе рассматриваются вопросы построения математической модели расчёта прогрева конструкции в условиях интенсивного взаимодействия с окружающей средой. Описан комплекс моделей, используя который можно решать задачи по оценке работы конструкции при интенсивном нагреве. Определяются модели данных необходимых для работы программного комплекса.

Математическая модель очага горения. Очаг горения и его модель являются одним из основных факторов, определяющих процесс переноса тепла в помещении при пожаре. В зависимости от эксперимента очаг горения может быть переменный или постоянный по геометрическим размерам. Очаг моделировался как прямоугольник со следующими линейными размерами: высота = 4.8 R; длина = 2 R, где R - радиус горения. Источник располагался в центре пола.

R=Vt,

где V- скорость распространения пламени, t - время, прошедшее от начала загорания. Скорость распространения пламени определяется путём решения уравнения:

гЛЛ ч«е; _, 1 „ _ (1)

где Т/ - температура вспышки; Я,- коэффициент теплопроводности

горящего материала, М - массовая скорость выгорания, ££ - низшая теплота сгорания, Г[- коэффициент недожога, а - коэффициент температуропроводности горящего материала. Значения Ту, X, М-это табличные значения; 8 - толщина прогрева

в-ГгйрПГ.

(2)

В любой момент времени г температура Т вычисляется линейной интерполяцией значений при / = О, Г = Г„и(= Г (/у) = Ту, где

продолжительность начальной стадии пожара; Т„ - начальная температура

помещения. ? = £ - о Г^ |; цг =0.1107^, (0.5)*'8, где Тш

температура конструкции по оси потока; Ттг%- температура факела, е -

приведенная степень черноты, а - константа, а = 5.77>10~® Вт/(м5К2).

Интенсивность тепловыделений очага горения определяется по формуле:

б^&Ч (3)

где у*- скорость выгорания, которая вычисляется в зависимости от вида

пожара. Для пожаров регулируемых нагрузкой у* вычисляется в

зависимости от безразмерного времени & где (' определяется по

формуле:

Г

, (4)

где О пожарная нагрузка; О- критическая пожарная нагрузка, которая вычисляется в зависимости от геометрических размеров помещения и площади проемов в соответствии графику ГОСТ 12.1.004-85.

16<7„Л

г,. =•

1500АаН1

где Р - площадь помещения, А ^ - площадь проемов, Аа - площадь оконных проемов, Я - высота помещения.

При Д = //*' <0.8 У* = 0.66 иИ1, Д~36е-45А,

лтя1 =9\.(П4Нр-1ь -19./—1 + 27.^—1 -9.23^— +2.29

(5)

где ^ - площадь горения; - площадь пола; ¥ъ = 3.14 Д . При 0.8 ¿Д <1.2 При ¿¿1.2

Количество теплоты, выделяемое источником: = Орь.

Математическая модель омывающего потока. Температура омывающего потока в^ вычисляется по формуле:

е^+^-т^+гГ0'61,

(7)

где Т№ - температура конструкции в соответствующей точке; г -безразмерное расстояние от оси; - температура на оси пламени вблизи

конструкции, она зависит от высоты расположения конструкции над очагом горения:

аз+ 2351

при у ¿4,5

при 4,5 <У <6 где У™* =

е =г

оу шит.

( у У'" -'Д^ 5-21. е >'.» ^•-Гтя*'

©' = в у ,

„Математическая модель прогрева защищенной конструкции. Модель прогрева защищенной конструкции основана на уравнении теплопроводности

ЗТ_=д_( этЛ dt ~&raJ'

(8)

где а - определяющий параметр температуропроводности конструкции толщиной bj и защитного слоя толщиной Ь[,

На границе теплозащитного слоя и воздуха ставилось граничное условие III рода

= -?■)+* (9)

где - температура омывающего потока; а - коэффициент теплообмена на обогреваемой поверхности конструкции, q - интенсивность падающего излучения. Данные параметры определяются с помощью модели очага горения и модели омывающего потока.

На границе раздела теплозащитного слоя и незащищённой конструкции ставилось следующее граничное условие

, дТ , дТ

Хз-^-. (ю)

На границе необогреваемой поверхности условие

= ~тн)- (И)

Для решения задачи (8)-(11), применялась консервативная неявная конечно-разностная схема (12)-(14), позволяющая говорить о сходимости численного решения к точному.

где

7* *т тЛ+i

l ~ j)Ul . в+l _ - 1к ~ 1к+1 .

- —^—; - ч*уг—^

(13)

К = - »1-х: А* = - *»• <14)

где ^к-/г ~ а\ ПР11 = аг ПРИ k>dn> = ПРИ fcdft-

Алгоритм совместной реализации комплекса моделей для расчета

температурных полей конструкций состоит из 4 следующих шагов:

Шаг1. Используя модель очага горения, вычисляется его радиус и

интенсивность тепловыделений.

Шаг2. Для определения температуры на границе обогреваемой

конструкции используется математическая модель омывающего потока.

ШагЗ. Определяются коэффициент теплообмена на обогреваемой |

поверхности конструкции и интенсивность падающего излучения.

Шаг4. Используя модель прогрева защищенной конструкции, *

!

определяется температурное поле конструкции.

Повторяя эти шаги для каждого интервала времени, находим распределение температур защищенной конструкции в начальной стадии

I

пожара. '

Внушительное количество теплофизических параметров применяемых в комплексе моделей, сделало очевидной проблему организации данных предметной области. Для повышения эффективности работы с математической моделью была построена база данных. Разработана концептуальная и семантическая модель данных. 1

Семантическая модель данных предметной области определялась

, I

схемой представленной на рис.1.

I

Рис. 1. Семантическая модель данных предметной области

В_третьей главе даётся описание процесса непосредственной

разработки программного комплекса автоматизированного расчета температурных полей конструкции в условиях интенсивного теплообмена со средой. Рассматриваются современные методы объектно-ориентированного проектирования и разработки, использованные в данной работе.

Совместная реализация программного комплекса изображена на

рис.2.

м

Математические модели ПО

Интерфейс пользователя с программным комплексом

База данных предметной области

Рис.2. Совместная реализация программного комплекса

Модуль реализации математической модели является ключевым элементом программного комплекса. Получая необходимый массив данных из интерфейсной части и возвращая конечные данные численного эксперимента, он осуществляет алгоритм общего управления всеми математическими моделями.

Интерфейсный модуль исполняет роль посредника между пользователем и модулем реализации математических моделей. Его функциями являются: предоставление пользователю в удобном и наглядном виде данных предметной области и визуализация результатов проведённого численного эксперимента. Контролируя корректность заполнения форм, он формирует массив начальных данных для проведения численного эксперимента. Интерфейсный модуль предоставляет графические средства, которые визуализируют выходные данные эксперимента.

Информация по стандартным помещениям, конструкциям, видам горючих веществ, теплофизическим характеристикам строительных материалов и т.д., систематизирована и включена в базу данных.

В четвёртой главе даётся описание программного комплекса и I

инструкции по его использованию. Исследуются результаты численных, а

также натурных испытаний (рис. 3,4). "

1

Испытания вычислительного комплекса моделирования

I

температурного режима пожара в помещении осуществлялось для четырёх, различных, встречающихся в инженерной практике случаев.

I вариант: высота помещения: б м; площадь оконных проеме»: 9 м2; плошщь пола: 36 м2; площадь горения: 3,3 м2; пожарная нагрузка: 50 кг м"2; критическая пожарная нагрузка: 8,12 кгм~Л Перекрытое: температуропроводность: теплопроводность: 0,4652 Втм"

1 град'1; толщина: 038 м. Источник тепловыделений: удельная теплота сгорания: 13800 кДжкг1; температура воспламенения: 200 град; температура факела: 980 град, степень черноты: 0,64, теплопроводность: 0,37 Втм"1 град'1; температуропроводность: 0,0003 м^с1; коэффициент недожога: 0,7.

Результаты вычислительного эксперимента выражены графически на рис.3,4.

I

г

)

Рис 3. Распределение температур при пожаре по длине потолка в помещении с площадью горения 3,3 м2, пожарной нагрузкой 50 кг/м2 в момент времени 16 мин. от начала загорания

Рис 4. Распределение температур при пожаре по длине потолка в помещении с площадью горения 3,3 м2, пожарной нагрузкой 50 кг/м2 в момент времени 24 мин. от начала загорания.

В заключении изложены основные результаты, полученные в ходе диссертационного исследования.

В приложении 1 приводятся исходные тексты программного комплекса.

В приложении 2 представлены документы по внедрению результатов диссертационного исследования.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Вследствие выполнения диссертационного исследования получены следующие основные научные и практические результаты:

1. Разработан комплекс математических моделей расчёта температурных полей защищенных конструкций в условиях интенсивного взаимодействия с окружающей средой в начальной стадии пожара., В его состав входит модель очага горения, модель омывающего потока, модель прогрева защищённой конструкции, соотношения определяющие теплообмен в помещении. Для решения комплекса моделей разработана численная схема.

2. Предложена модель температуры омывающего потока, которая, в комплексе математических моделей расчёта температурных полей конструкций, позволяет сократить время расчета при получении результата на протяжении начальной стадии пожара.

3. Разработаны алгоритмы совместной реализации комплекса моделей, для решения сопряженной задачи нахождения распределения температур в защищенной конструкции в условиях интенсивного теплообмена в системе: очаг горения - окружающая среда - ограждающие конструкции.

4. Разработана база данных предметной области, предназначенная для информационной поддержки работы с комплексом математических моделей и организующая данные необходимые для проведения вычислительного эксперимента по моделированию процессов пожара.

5. На основе алгоритма совместной реализации комплекса моделей и базы данных предметной области, разработано программное обеспечение автоматизированного расчета температурных полей конструкции, в виде комплекса программ. Результаты применения программного обеспечения позволяют оценить величины прогибов конструкций в зависимости от интенсивности тепловыделений.

6. Осуществлена опытная эксплуатация программного обеспечения, проведен вычислительный эксперимент и получен результат в виде данных по динамике распределения температур в защищенной конструкции. Эффективность алгоритма и программного комплекса подтверждены соответствующими актами внедрения.

ПУБЛИКАЦИИ

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Астахова И.Ф. Математическое обеспечение расчета прогрева многослойной конструкции в условиях интенсивного нагрева/И.Ф. Астахова, А.Н. Журбин/Понтрягинские чтения: Тез.докл.Всер.конф,-Воронеж:Из-во ВГУ, 1998.-С.13.

2. Журбин А.Н. Проведение вычислительного эксперимента для модели расчета многослойной конструкции / А.Н. Журбин, И.Ф. Астахова //Математика. Образование.Экономик а: Тез. докл. VI ' межд. конф.женщин-мат.: Чебоксары, 1998 .-С. 80-81.

3. Журбин А.Н. Математическая модель расчета температурных полей многослойных конструкций/А.Н. Журбин, И.Ф. Астахова//ИНПРИМ 98: Труды межд.конгресса по прикладной и

I индустриальной математики-Новосибирск, 1998.-С.З-4.

I

I 4. Журбин А.Н. Математическая модель расчета прогрева

I защищенных конструкций/А. Н. Журбин, И.Ф. Астахова , А. А. Касенков

//Математическое моделирование технолог. систем:Межв. науч.тр.-Воронеж, 1999.-С.106-108.

5. Журбин А.Н. Применение новых информационных технологий в отраслях строительной индустрии/А.Н. Журбин, Т.В. Самодурова, И.Ф.

| Астахова, А. В. Ларин//Информационные технологии и системы: Мат. III

f Всерос. конф.- Воронеж, 1999.-С.29-30.

6. Журбин А.Н. Концептуальная модель базы данных для расчета I прогрева конструкций/А.Н. Журбин, И.Ф. Астахова//Математическое

моделирование в естественных и гуманитарных науках: Тез. докл. Всер, конф. - Во-ронеж: ВГУ, 2000.-С.15.

7. Журбин А.Н. Проекты баз данных отраслей строительной индустрии/А.Н. Журбин, Т.В. Самодурова, И.Ф. Астахова, А.В. Ларин //Математика. Образование. Экология: Тез.докл.межд.конф-Воронеж,2000-С35.

8. Журбин А.Н. Объектно-ориентированный подход к I проектированию информационных систем/А.Н. Журбин, И.Ф. Астахова,

А.В. Ларин, И.В. Тарарыков//Математика. Компьютер. Образование:

¡Труды межд. конф.-М: Прогресс-Традиция, 2001.-C.11.

9. Журбин А.Н. Разработка интегрированной среды проектирования j в строительстве/А.Н. Журбин// Математика. Образование. Экология.

Тендерные проблемы: труды межд. конф.- М.: Прогресс-традиция, 2001.-j С. 105-109.

^ Ю.Журбин А.Н. Разработка информационной системы в отраслях

строительной индустрии/А.Н. Журбин, А.В. Ларин//Математика, \ Экономика, Образование: труды X межд. конф., Ростов-на-Дону. 2002.-С.

97-98.

11. Журбин А.Н. Объединение структурного и объектного подхода в * новом поколении CASE- средств/ А.Н. Журбин, И.Ф. Астахова, В.А. 1 Чулюков //Новые технологии в образовании: Сб.тр.-Воронеж: ВГПУ,

2003.-Вып. 7.-С.3-4.

12. Астахова И.Ф. Информационные системы: учебное пособие./И.Ф. j Астахова, В.А. Чулюков, А.Н. Журбин и др.- Воронеж: ВГПУ, 2ОО2.-156с.

(с грифом УМО).

1 I

»20537

С

Подписано в печать 22.10.04 г. Бумага для множительных аппаратов. Усл. п. л. 1,0. Тираж 120 экз. Заказ № 174.

Издательство «Кварта» 394016, г. Воронеж, п-к Ученический, 5.

Введение.

1. Анализ задачи построения программного обеспечения расчёта прогрева конструкций.

1.1. Анализ математических моделей.

1.1.1. Интегральные и зонные модели описания характеристик пожара.

1.1.2. Полевые модели получения локальных характеристик.

1.2. Анализ методологий и современных средств проектирования программных комплексов.

1.2.1. Структурный подход к разработке программного обеспечения.

1.2.2. Объектный подход к разработке программного обеспечения.

1.2.3. Объединение структурного и объектного подхода в новом поколении CASE-средств.

1.3. Цель и задачи исследования.

2. Разработка комплекса математических моделей и моделей данных.

2.1. Математическая модель предметной области.

2.1.1. Модель очага горения.

2.1.2. Модель определения температуры омывающего потока.

2.1.3. Модель расчёта температурных полей по сечению помещения.

2.1.4. Модель прогрева защищённой конструкции.

2.1.5. Определение критериев Нуссельта при локальном пожаре для горизонтальных конструкций.

2.1.6. Определение чисел Нуссельта для вертикальной конструкции.

2.1.7. Алгоритм совместной реализации моделей.

2.1.8. Математическая модель прогибов металлических конструкций.

2.2. Разработка модели данных предметной области.

2.2.1. Структура концептуальной модели данных предметной области.

2.2.2. Семантическая модель данных.

2.2.3. Структура реляционной модели данных.

2.3. Выводы по второй главе.

3. Реализация программного комплекса автоматизированного расчета прогрева конструкций.

3.1. Проектирование и моделирование.

3.1.1. Использование обобщённого языка моделирования.

3.1.2. Графические диаграммы UML.

3.2. Совместная реализация комплекса моделей предметной области.

3.3. Структура программного комплекса.

3.4. Выбор инструментальных средств.

3.4.1. Язык реализации.

3.4.2. Создание приложения.

3.4.3. Совместное использование Delphi и CASE Rational Rose.

3.5. Выводы по третьей главе.

4. Использование программного комплекса в процессе исследований характеристик пожара.

4.1. Работа с программным комплексом.

4.2. Интерфейс пользователя.

4.3. Управление вычислительным экспериментом.

4.4. Опытная эксплуатация работы программного комплекса.

4.5. Выводы по четвертой главе.

Актуальность темы. Мощные железобетонные и металлические элементы сооружений, устойчивые к воздействию сейсмических, ветровых, механических нагрузок и их комбинаций, нередко оказываются поверженными при сравнительно непродолжительном воздействии тепловой энергии пожара. Сила и опасность воздействия интенсивных тепловых потоков при пожарах, разрушительное действие которых убедительно показывают данные эксплуатации строительных сооружений в нашей стране и за рубежом, сделали актуальными исследования в этой области.

Существующие математические модели по определению > характеристик пожара позволяют рассчитать либо среднеобъемные параметры пожара, либо характеристики по сечению помещения при адиабатических или изотермических граничных условиях и при постоянной геометрии и: интенсивности очага горения. Это не дает возможности решать задачи, связанные с процессом пожара, в комплексе очаг горения - окружающая среда — защищенные и незащищенные ограждающие конструкции.

Накоплен обширный теоретический и экспериментальный материал о геометрии очага горения, интенсивности его тепловыделения, о коэффициентах теплообмена для ограждающих конструкций. Однако, этот материал не нашёл должного отражения' ни в одной из созданных и опубликованных полевых моделях при решении сопряжённой задачи.

Исследования и анализ методической, научной литературы и периодической печати показали, что в настоящее время в инженерной практике отсутствуют программные продукты; отвечающих современным требованиям к программному обеспечению, его проектированию и реализации, по расчету температурных полей защищенных конструкций в условиях интенсивного тепловыделения в начальной стадии пожара с учетом теплофизических характеристик конструкций и возможного очага возгорания.

Диссертационная работа выполнена в рамках гранда № 99-01 -00327 от Российского фонда фундаментальных исследований в 1999-2001г.

Цель и задачи работы. Целью диссертационной работы является разработка комплекса моделей и программного обеспечения по расчёту температурных полей защшцённых конструкций, в условиях интенсивного взаимодействия с окружающей средой в системе очаг горения - окружающая среда — ограждающие конструкции.

Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:

- построение комплекса математических моделей расчёта распределения температур в защищённой конструкции в зависимости от теплообмена с окружающей средо й;

- разработка алгоритмов совместной реализации комплекса предложенных моделей;

- разработка базы данных теплофизических характеристик процесса пожара в условиях поставленных огоаничений;

- на основе построенного алгоритма и базы данных предметной области разработка программного обеспечения автоматизированного расчета температурных, полей конструкции в условиях интенсивного теплообмена со средой, в виде комплекса программ, соответствующего современным требованиям, предъявляемым к программному обеспечению;

- проведение вычислительного эксперимента и реализация результатов исследования на практике.

Методы исследований. В работе использовались методы математического моделирования, методы вычислительной математики, статистические методы анализа, методы объектно-ориентированного проектирования.

Научная новизна.

1. Разработан комплекс математических моделей для расчета температурных полей конструкций в условиях интенсивного нагрева, отличающейся возможностью решения сопряженной задачи в системе очаг горения — окружающая среда — ограждающие конструкции и наличием защитного слоя у конструкции.

2. Предложена модель температуры омывающего потока, позволяющая повысить эффективность комплекса математических моделей расчёта температурных полей конструкций.

3. Предложены алгоритмы совместной реализации комплекса моделей для расчета температурных полей конструкций.

Практическая значимость работы состоит в разработке инструментальных средств в виде предметно-ориентированных моделей, алгоритмов и пакетов прикладных программ по расчёту температурных полей конструкций в условиях интенсивного нагрева. Основные результаты диссертационных исследований внедрены в Главном управлении по делам гражданской обороны и чрезвычайным ситуациям при администрации Воронежской области и в учебный процесс Воронежского государственного университета.

Апробация работы. Основные материалы диссертации доложены и обсуждены: на международном конгрессе по прикладной и индустриальной математики (г. Новосибирск, 1998 г.); на Всероссийской конференции "Математическое моделирование в естественных и гуманитарных науках" (г. Воронеж, 2000); на 3-ей Всероссийской математической конференции "Информационные технологии и системы" (г. Воронеж, 1999 г.); на международной конференции "Математика. Образование. Экология" (г. Воронеж, 2000 г.); на международной конференции "Математика. Компьютер. Образование" (г. Москва, 2001 г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 12 печатных работ, в том числе одно учебное пособие.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников из 111 наименований и

4.5.Выводы по четвертой главе

1. В настоящей главе всесторонне рассмотрены принципы взаимодействия пользователя с программным комплексом.

2. Поставлены и проведены численные эксперименты моделирования прогрева конструкции. Результаты приведены в виде графиков. Сравнение результатов математического моделирования и экспериментальных данных позволяет сделать вывод о возможности использования предложенной модели для получения температурных режимов для помещения и конструкций в начальной стадии пожара.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Вследствие выполнения диссертационного исследования получены следующие основные научные и практические результаты:

1. Разработан комплекс математических моделей расчёта температурных полей защищённых конструкций в условиях интенсивного взаимодействия с окружающей средой в начальной стадии пожара. В его состав входит модель очага горения, модель омывающего потока, модель прогрева защищённой конструкции, соотношения определяющие теплообмен в помещении. Для решения комплекса моделей разработана численная схема.

2. Предложена модель температуры омывающего потока, которая, в комплексе математических моделей расчёта температурных полей конструкций, позволяет сократить время расчета при получении результата на протяжении начальной стадии пожара.

3. Разработаны алгоритмы совместной реализации комплекса моделей, для решения сопряжённой: задачи нахождения распределения температур в защищённой конструкции в условиях интенсивного теплообмена в системе: очаг горения — окружающая среда — ограждающие конструкции.

4. Разработана база данных предметной области, предназначенная для информационной поддержки работы с комплексом математических моделей и организующая данные необходимые для проведения вычислительного эксперимента по моделированию процессов пожара.

5. На основе алгоритма совместной реализации комплекса моделей и базы данных предметной области, разработано программное обеспечение автоматизированного расчета температурных полей конструкции, в виде комплекса программ. Результаты применения программного обеспечения позволяют оценить величины прогибов конструкций в зависимости от интенсивности тепловыделений.

6. Осуществлена опытная эксплуатация программного обеспечения, проведен вычислительный эксперимент и получен результат в виде данных по динамике распределения температур в защищённой конструкции. Эффективность алгоритма и программного комплекса подтверждены соответствующими актами внедрения.

1. Александровский А.Д. Delphi 5.0. Разработка корпоративных приложений / А.Д. Александровский. М.: ДМК, 2000.—508 с.

2. Александровский А.Д. Delphi для профессионалов: Опыт практ. применения / А.Д. Александровский, В.В.Шубин. М.: ДМК, 2000.—236 с.

3. Алексашенко А.А. Тепло-массоперенос при пожаре/А.А.Алексашенко, Ю.А. Кошмаров, И.С.Молчадский М.: Стройиздат, 1982. -175 с.

4. Арсеньев Б.П. Интеграция распределенных баз данных / Б.П.Арсеньев, С.А.Яковлев СПб.: Лань, 2001.—461 с.

5. Архангельский А.Я. Работа с локальными базами данных в Delphi 5 / А. Я. Архангельский.—М.: Бином, 2000.—198 с.

6. Архангельский А. Я. Язык SQL и Delphi 5 / А. Я. Архангельский.—М.: Бином, 2000—207 с.

7. Астахова И.Ф. Моделирование процесса теплопереноса при интенсивном нагреве для оценки деформаций конмтрукций: Дис. .доктора техн.наук / И.Ф.Астахова. Воронеж, 1997. - 271 с.

8. Астахова И.Ф. Математическое обеспечение расчёта прогрева защищенных конструкций в условиях интенсивного нагрева./ И.Ф.Астахова, А.Н.Журбин // Математическое моделирование технолог, систем: Межв. науч.тр.-Воронеж, 1999.-С.106-108.

9. Астахова И.Ф. Проведение вычислительного эксперимента для модели расчёта многослойных конструкций./ И.Ф.Астахова, А.Н.Журбин //Математика. Образование. Экономика: Труды межд. конф. Чебоксары, 1998. -С.80-81.

10. Астахова И.Ф., Воротников В.И. Математическое моделирование теплообмена при пожаре //Изв.вузов. Горный журнал. № 10. 1984. - с. 425.

11. Атабеков И.У. Численное решение сопряженной задача теплообмена в замкнутом объеме/ И.У. Атабеков, И.С. Молчадский // Вопросы вычислительной и прикладной математики / АН УзССР. Ташкент, 1982. -С. 85 - 93.

12. Бакнелл Д.М. Фундаментальные алгоритмы и структуры данных в Delphi: Пер. с англ. / Д. М. Бакнелл.—М.: DiaSoft, 2003.—556 с.

13. Беляев Н.М. Методы теории теплопроводности./ Н.М.Беляев, А.А.Рядно .В 2-х ч.: 4.2.-М.: Высшая школа, 1982. -304 с.

14. Берковский Б.М. Разностные методы исследования задач теплообмена./ Берковский Б.М., Ноготов Е.Ф. Минск: Наука и техника, 1986. - 144 с.

15. Боггс У. UML и rational rose / У. Боггс, М. Боггс.—М.: Лори, 2000.—581 с.

16. Богословский В.Н., Ройтман В.М. Огнестойкость конструкций с учетом режима пожара/ В.Н.Богословский, В.М.Ройтман // Строительная механика и расчет сооружений.- 1984.- №4.- С.4-7.

17. Буч Г. Объектно-ориентированный анализ и проектирование с примерами приложений на G+ / Рради Буч; Под ред И;Романовского, Ф.Андреева.—2-е изд.—М.: СПб. «Бином» и др., 1999.—558 с.

18. Буч Г. Язык UML: Рук. пользователя / Г. Буч, Д. Рамбо, А. Джекобсон.— М.: ДМК Пресс, 2001.—429 с.

19. Вендров А. М. Case-технологии: Современные методы и средства проектирования информационных систем./ А.М.Вендров—М.: Финансы и статистика, 1998.—175.

20. Вербовецкий А. А. Основы проектирования баз данных / А. А. Вербовецкий.—М.: Радио и связь, 2000.—85 с.

21. Воротынцев Ю.П. Исследования конвективных потоков над очагом горения : Дис. канд.техн.наук./Ю.П. Воротынцев М., 1970. - 228 с.

22. Галисеев Г. В. Программирование в среде Delphi 7 / Г. В. Галисеев.—М. и др.: Диалектика : Вильяме, 2003.—286 с.

23. Гарсиа-Молина Г. Системы баз данных: Полный курс7 Г. Гарсиа-Молина, Д.Д. Ульман, Д. Уидом; Пер.с англ.; Под ред. А.С. Варакина.—М.: Вильяме, 2003.—1083 с.

24. Годунов С.К. Разностные схемы./С.К. Годунов, B.C. Рябенький М.: Наука, 1987. - 440 с.

25. Гома Хассан. UML. Проектирование систем реального времени, параллельных и распределенных приложений / Хассан Гома : Пер. с англ.—М.: ДМКПресс, 2002—698 с.

26. Гомозов А.В. Зональный метод расчета теплообмена на перекрытии при пожаре/А.В.Гомозов // Огнестойкость строительных конструкций: Сб.науч. тр. М., .1981:- С.57- 69.

27. Гофман В.Э. Delphi 6 / В.Э. Гофман, А. Хомоненко.—СПб. и др.: БХВ-Петербург, 2002.—1145 с.

28. Гутов В.Н. Расчет допустимой пожарной нагрузки в помещении для обеспечения огнестойкости строительных конструкций /В.Н. Гутов,С.В.Зотов, И.С.Молчадский // Огнестойкость строительных конструкций: Сб. науч. тр. М.:ВНИИПО, 1979. - С.8-11.

29. Дарахвелидзе П. Программирование в Delphi 5 / П. Дарахвелидзе, Е. Марков, О. Котенок.—СПб. и др.: БХВ, 2000.—774 с.

30. Джордан Д. Обработка объектных баз данных в С+: Программирование с использованием стандарта ODMG / Д. Джордан; Пер. с англ. Н.М.Ручко.— М. и др.: Вильяме, 2001.—383 с.

31. Епанешников А. М. DELPHI 5. Базы данных / А. М. Епанешников, В. А. Епанешников.—М.: ДИАЛОГ-МИФИ, 2000.—416 с.

32. Зернов С.И. Разработка расчетных методов прогнозирования параметров пожаров в помещениях зданий с естественной вентиляцией: Дис.канд.техн.наук. М., 1984-212 с.

33. Иордон Э. Структурные модели в объектно-ориентированном анализе и проектировании / Э. Йордон, К. Аргила;Под ред. В. Алеева.—М.: Лори, 1999.—264 с.

34. Калянов Г.Н. CASE. Структурный системный анализ (автоматизация и применение)/ Г.Н.Калянов.—М.: ЛОРИ, 1996.—242с.

35. Кватрани Т. Rational Rose 2000 и UML. Визуальное моделирование / Т. Кватрани: Пер с англ.—М:: ДМК Пресс, 2001.—175 с.

36. Киммел П. Создание приложений в DELPHI / П. Киммел; Пер. с англ. А.А. Высторопского и-др.; Под ред; Г.В. Галисеева.—М;;СПб.;Киев: Вильяме, 2003.—631 с.

37. Компьютеризация оценки риска пожара. HAZARD development//NISTIR-1992, №4796.- 131 с.

38. Кошмаров Ю.А. Моделирование пожара в помещениях зданий различного назначения/ Ю.А.Кошмаров, И.С.Молчадский // Пожаровзрывобезопасность-1992. № 1- С. 22-28.

39. Кренке Д. Теория и практика построения баз данных/Д.Кренке : Пер. с англ. -8-е изд.—СПб.: Питер, 2003.—799 с.

40. Кутателадзе С.С. Анализ подобия в теплофизике./ С.С.Кутателадзе -Новосибирск: Наука, 1982.-280с.

41. Кутателадзе С.С. Теплообмен и трение в турбулентном пограничном слое./ С.С.Кутателадзе, А.И.Леонтьев М.: Энергоатомиздат, 1985.-319с.

42. Культин Н. Программирование на Object Pascal в Delphi 5/Н. Культин.— СПб. и др.: BHV, 2000. 462 с.

43. Кучеренко В. Тонкости программирования на Delphi / В. Кучеренко.—М.: Познавательная книга плюс, 2000.—192 с.

44. Кэнту М. Delphi 6 для профессионалов / М. Кэнту; Пер. с англ. П.Анджан, А. Войтенко.—СПб.: Питер, 2002.—1088 с.

45. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа./ Л.Г.Лойцянский М.: Наука. 1973.- 848 с.

46. Маклаков(L. В.ERwiriи.-.BPwin.САйЕгСпедства.разработки

47. Д.А.Марка, К. Мак Гоуэн. М:: МетаТехнология, 1993. - 235 с.

48. Мацяшек Л.А. Анализ требований и проектирование систем. Разработка информационных систем с использованием UML / Л.А. Мацяшек; Пер. с англ. и ред. В.М.Неумоина.—М.: Вильяме, 2002.—428 с.

49. Медяник Ю.М. Разработка методов и устройств оптимального обнаружения очагов загораний : Автореф. дис. . канд. техн. наук./ Ю.М.Медяник. М., 1984. - 21 с.

50. Мелан Э. Термоупругие напряжения, вызываемые температурными полями. / Э.Мелан, Г.Паркус М.: из-во физ-мат литературы, 1958. - 167с.

51. Методы и средства объектно-ориентированного программирования: Сб.науч.тр. АН УССР.Ин-т кибернетики им.В.М.Глушкова.—Киев: ИК, 1991.—68с.

52. Мюллер . Дж. Базы данных и UML: Проектирование / Роберт Дж. Мюллер: Пер. с англ.—М.: ЛОРИ, 2002.—420 с.

53. Нейбург Э. Д. Проектирование баз данных с помощью UML / Э.Д.Нейбург; Р.А.Максимчук —М.: Изд. Дом «Вильяме», 2002.—288 с.

54. Новацкий В. Теория упругости/ В.Новацкий- М.: Мир, 1975 872с.

55. Ков О. UML. Мета-язык проектирования и моделирования программного обеспечения/ О.Ков www.metod.square.spb.ru, 2001.

56. Огнестойкость строительных конструкций: Сб. науч. тр.- М.: ВНИИПО, 1989.- 137 с.

57. Огнестойкость строительных конструкций: Сб. науч. тр.-М.: ВНИИПО, 1989.-211 с.

58. Огнестойкость строительных конструкций: Сб. науч. тр. /Под ред. А.И.Яковлева, В.П.Бушева. М.: ВНИИПО, 1981. - 157 с.

59. Огнестойкость строительных конструкций: Сб. науч. тр. /Под ред.

60. A.Н.Баратова. М.: ВНИИПО, 1983. - 115 с.

61. Огнестойкость железобетонных конструкций: Сб. науч.тр. /Ред.

62. B.В.Жуков. М.: 1984. - 103 с.

63. Огнестойкость строительных конструкций: Сб. науч. тр. /Ред. А.Н.Баратов М.: ВНИИПО, 1984. - 84 с.

64. Огнестойкость строительных конструкций: Сб. науч. тр.-М.:ВНИИПО, 1986. 86 с.

65. Основы пожарной теплофизики / М.П. Башкирцев, Н.Ф. Бубырь, Н.А.Минаев, Д.Н. Ончуков. М.: Стройиздат, 1984. 200с.

66. Пасканов В.М. Численное моделирование процессов тепло- и массообмена./ В.М.Пасканов, В.И.Полежаев, Л.А.Чуднов М.: Наука, 1984. -286 с.

67. Петер Пин-Шен Чен. Модель "сущность-связь" шаг к единому представлению данных. / Петер Пин-Шен Чен. // Системы управления базами данных.—N 3.—Б.м.—1995.—N 3.—С. 137 - 158.

68. Пожарная профилактика: Сб. науч. тр. М.: ВНИИПО, 1986.- 185 с.

69. Пожарная профилактика: Сб. науч. тр. М.: ВНИИПО, 1987.- 94 с.

70. Пожарная профилактика: Сб. науч. тр. / Ред. А.Н.Баратов- М.: ВНИИПО, 1984.- 183 с.

71. Пожаровзрывобезопасность: Сб. науч. тр. М.: ВНИИПО, 1993, № 1-4.

72. Пожаровзрывобезопасность: Сб. науч. тр. М.: ВНИИПО, 1994, № 1-4.

73. Пожаровзрывобезопасность: Сб. науч. тр. М.: ВНИИПО,1995, № 1-4.

74. Полянский А. Среда программирования Delphi 5-6: Справ, пособие / А.Полянский.—М.: Познават. кн. плюс, 2001.—415 с.

75. Понамарев В. А. СОМ и ActiveX в Delphi / В.А. Понамарев.—СПб. и др.: БХВ-Петербург, 2001.—320 с.

76. Понамарев В. А. Базы данных в DELPHI 7: Самоучитель / В.А. Понамарев.—СПб.: Питер, 2003.—218 с.

77. Приемы объектно-ориентированного проектирования. Паттерны проектирования / Э. Гамма, Р. Хелм, Р. Джонсон, Дж. Влиссидес; Пер. с англ.А.Слинкин.—СПб. и др.: Питер, 2001.—366 с.

78. Пузач С.В. К расчету динамики опасных факторов пожара в помещении/ С.В.Пузач, Р.В.Прозоров // Проблемы безопасности в чрезвычайных ситуациях: Вып. 7. -1999. -С.122-127.

79. Работнов Ю.И. Введение в механику разрушений/ Ю.И.Работнов. М.: Наука, 1987.-790с.

80. Роб П. Системы баз данных: проектирование, реализация и управление.—/ П.Роб 5-е изд.—СПб: БХВ-Петербург, 2004.

81. Роуч П. Вычислительная гидродинамика /П.Роуч: Под ред. П.И.Чушкина.-М.: Мир, 1980.-616 с.

82. Руководство по расчёту температурного режима пожара в помещениях жилых зданий / И.С. Молчадский, В.Н. Гутов, Ю.А. Кошмаров, С.В. Зотов, А.В. Гомозов . -М.: ВНИИПО, 1983. 49 с.

83. Рыжов A.M. О математическом моделировании пожаров в помещениях/ А.М.Рыжов // Огнестойкость строительных конструкций : Сб.науч.тр.- М., 1978.-С.16- 26.

84. Рыжов A.M." К вопросу о математическом моделировании пожаров с проемами/ А.М.Рыжов, И.С.Молчадский, Ю.А.Кошмаров // Пожарная профилактика : Сб. науч. тр. М.:ВНИИПО, 1979. - С.30-40.

85. Рыжов А.М.Дифференциальный метод математического моделирования пожаров в помещениях /A.M. Рыжов, И.С.Молчадский // Пожарная профилактика : Сб. науч.тр. М.:ВНИИПО, 1983. - С. 62-69.

86. Самарский А.А. Теория разностных схем./ Самарский А.А. М.: Наука., 1989-616с.

87. Системы управления и информационные технологии: Межвуз.сб. науч.трудов —Воронеж: Изд-во Воронеж, техн. ун-та, 1998.—200 с.

88. Скотт К. UML: Основные концепции / К. Скотт; Пер. с англ. О.А.Лещинского; Под. ред. А.Ю.Шелестова.—М.: Вильяме, 2002.—138 с.

89. Стивене P. Delphi. Готовые алгоритмы / Р. Стивене : Пер. с англ.—М.:ДМК Пресс, 2001.—378 с.

90. Стивене Р. Программирование баз данных / Р. Стивене: Пер. с англ.; Под ред. С. М. Молявко.—М.: Бином, 2003.—383 с.

91. Телло Э. Р. Объектно-ориентированное программирование в среде WINDOWS / Э.Р.Тепло: Пер. с англ.Д.М.Арапова, А.К.Петренко.—М.: Высш.шк.и др., 1993.—347 с.

92. Теплопередача при пожаре / Под ред.П.Блэкшир.- Mi: Стройиздат, 1981.164 с.

93. Термогазодинамика пожаров в помещениях/ В.М.Астапенко, Ю.А.Кошмаров, И.С.Молчадский и др. М.: Стройиздат, 1988. - 448с.

94. Топольский Н.Г. Основы автоматизированных систем пожаровзрывобезопасности объектов./ Н.Г.Топольский. М.: МИНЬ МВД РФ, 1997.- 165 с.

95. Трофимов С. А. Case-технологии: Практ. работа в Rational Rose / С. А. Трофимов.—2-е изд.—М.: Бином, 2002.—266 с.

96. Фаронов В. В. Delphi 5: Рук. разработчика баз данных / В. В. Фаронов, П. В. Шумаков.—М.: Нолидж, 2000.—635 с.

97. Фаулер М. UML в кратком изложении: Применение стандартного языка объектного моделирования / М. Фаулер, К. Скотт; Пер. с англ. А.М.Вендрова; Под ред. Л.А.Калиниченко.—М.: Мир, 1999.—191с.

98. Федотова Д.Э. CASE-технологии / Д.Э. Федотова, Ю.Д. Семенов, К.Н. Чижик.—М.: Горячая линия-Телеком, 2003.—157 с.

99. Феодосьев В.Н. Сопротивление материалов/ В.Н.Феодосьев. — М.: Наука 1986.-512с.

100. Фридман A. JI. Основы объектно-ориентированной разработки программных систем / A. JL Фридман.—М.: Финансы и статистика, 2000.— 190 с.

101. Хансен Г. Базы данных: разработка и управление / Г. Хансен, Дж. Хансен: Пер. с англ.; Под ред. С. Каратыгина.-—Мл Бином, 1999.—699 с.

102. ЮЗ.Харрингтон Д. Проектирование объектно-ориентированных баз данных: Эволюция технологий хранения информ / Д. Харрингтон.: Пер. с англ.— М.: ДМК Пресс, 2001 —269 с.

103. Чекалов А. П. Базы данных: от проектирования до разработки приложений / А.П. Чекалов.—СПб.: БХВ-Петербург, 2003.—380 с.

104. Чери С. Логическое программирование и базы данных / С.Чери, Г.Готлоб, Л.Танка: Пер.с англ.; Под ред. Л.А.Калиниченко.—М.: Мир, 1992.—352с.

105. Численный расчет пожаров различных типов / В.Б. Либрович, Г.М. Махвиладзе, О.И.Меликов, С.Е.Щербак // Горючесть веществ и химические средства пожаротушения : Сб. тр. М. - С. - 21 -25.

106. Ю7.Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. М.: Наука, 1974.- 711 с.108.'Шаллоуей А. Шаблоны проектирования: Новый подход к объектно-ориентированному анализу и проектированию / А.Шаллоуей, Тротт Дж. Р.—М.: Изд. дом "Вильяме", 2002.—288 с.

107. Юдаев В.Н. Теплопередача.- М.: Высшая школа, 1981.-320с.

108. Fire safety science: proceeding of the forth international symposium/ editor Takashi Kashiwagi, Ontario: 1994.-1323p.

109. Fire-and-explosion hazard of substances and venting of deflagrations: proceeding of the Second International Seminar/ editor Vladimir Moldov, Russian association for fire safety science, 1997.-868p.