Delist.ru

 Трансформируемые конструкции повышенной огнестойкости (29.04.2010)

Автор: Заикин Сергей Вениаминович

Общая теория тепломассопереноса в пористых средах была разработана в 60-х годах XX века А. В. Лыковым и Ю. А. Михайловым. Теория и методы тепловой защиты ракетно-космической техники развиты Ю. В. Полежаевым, Ф. Б. Юревичем.

Дальнейшие исследования в этой области науки имели прикладной характер. Значительная часть работ посвящена тепловой защите (в т. ч. пористому охлаждению) летательных аппаратов: Скала С. М., Адамс К., Кейс В. М., Эккерт Э. Р., Дрейк Р. М., Ю. А. Душин, А. К. Рудько, В. Л. Страхов, С. В. Белов, В. М. Поляков, и др..

Проблеме моделирования тепловлагопереноса в конструкциях с огнезащитой, работающих в условиях пожара, посвящены труды школы В.М. Ройтмана (Богословский В. Н., Бережной А. Г., Зырина Т. Н. и др.), а также работы В. Л. Страхова с сотр. и В. В. Жукова. За рубежом наибольших успехов в данной области науки добились японские ученые, например, Kazunori Harada, ToshioTerai.

Исследования процессов тепловлагопереноса, выполненные в данной диссертационной работе, основаны на результатах перечисленных выше исследований. Они имеют прикладной характер и направлены на создание инженерных методов расчета параметров трансформируемых конструкций повышенной огнестойкости, с целью оптимизации их технических характеристик.

Основными показателями эффективности разрабатываемых конструкций являются существенное уменьшение их массы и расхода воды, подаваемой в пористую стенку экрана.

В главе 2 разработана математическая модель, описывающая процессы тепломассопереноса в водосодержащей капиллярно-пористой стенке огнестойкого экрана, а также модель теплопередачи в системе, образованной обогревающей средой, огнестойким экраном и защищаемым объектом, при пожаре.

Математическая модель тепломассопереноса в водосодержащей стенке огнестойкого экрана отражает два возможных режима его работы при огневом воздействии: в режиме непрерывной подачи воды; при однократном или периодическом насыщении водой.

При моделировании процессов тепломассопереноса рассматривается двумерная область, ограниченная по поперечной координате ? поверхностями экрана, а по продольной координате ? – основанием и высотой экрана. Расчетные схемы, соответствующие режимам работы огнестойкого экрана при наличии воды в его капиллярно-пористой стенке, приведены на рис. 1.

Рис. 1. Расчетные схемы тепломассопереноса в водосодержащей капиллярнопористой стенке огнестойкого экрана в режиме непрерывной подачи воды (а) и однократном насыщении (б): 1 – зона сухого материала; 2 – фронт испарения; 3 – зона водосодержащего материала; 4 – зона адсорбционной влажности, 5 – граница зоны с адсорбционной водой.

- массовая скорость течения воды; ?a – координата границы зоны с адсорбционной водой; ?a – время достижения границы зоны с адсорбционной водой координаты ?a; w – массовое содержание воды; wmax – массовое содержание воды, соответствующее состоянию насыщения; wa – массовое содержание адсорбционной влаги; ? – толщина экрана.

Огнестойкий экран подвергается одностороннему огневому воздействию, которое характеризуется наличием непосредственного контакта пламени с обогреваемой поверхностью.

В непрерывном режиме (рис. 1а) вода подается в верхнюю часть стенки экрана и стекает вниз по порам под действием силы тяжести. Одновременно происходит испарение воды, сопровождающееся массопереносом пара в капиллярнопористой среде стенки в направлении к обогреваемой поверхности.

Математическая модель построена на основе соотношений теории тепломассопереноса А. В. Лыкова и Ю. А. Михайлова, а также результатов исследований, обобщенных в работах В. М. Ройтмана и В. Л. Страхова. Приняты и обоснованы следующие допущения:

- массоперенос воды в поперечном направлении и водяного пара в продольном направлении экрана пренебрежимо мал;

- процесс теплопередачи от обогреваемой поверхности через зону сухого материала к фронту испарения квазистационарен;

- отток теплоты от необогреваемой поверхности экрана пренебрежимо мал;

- количество пор, их ориентация и характерный размер одинаковы для каждого элементарного объема стенки экрана;

- в исходном состоянии содержащий воду волокнистый материал огнестойкого экрана прогрет до температуры, близкой к температуре кипения воды;

- температура подаваемой в стенку экрана воды близка к температуре

- значение концентрации воды за фронтом испарения не зависит от положения фронта испарения.

Таким образом, классическая краевая задача тепломассопереноса, в двумерной постановке преобразуется к двум, решаемым совместно, квазиодномерным задачам по координатам ? и ?.

Согласно упрощающим допущениям, дифференциальное уравнение, описывающее теплоперенос по толщине сухого слоя стенки экрана (с учетом влияния массопереноса водяного пара) принимает вид:

Уравнение (1) должно решаться при следующих граничных условиях:

– линейная скорость перемещения фронта испарения.

; (v – коэффициент вдува пара в пограничный слой газового потока, омывающего поверхность экрана; ?f – излучательная способность пламени; ?w – степень черноты поверхности экрана; (? (?? – теплопроводности каркаса пористого материала и газа, заполняющего поры; Mk – параметр контактного сопротивления; ? – параметр лучистого теплопереноса.

Для упрощения интегрирования уравнения (1) производится замена зависящей от температуры теплопроводности (( на ее среднеинтегральное значение в диапазоне температур от Tv до Tw.:

Решение обыкновенного дифференциального уравнения (1) с граничными условиями (2) и с учетом формул (3) – (7) приводит к следующим разрешающим выражениям:

Подстановка (3) в (8) дает выражение для массовой скорости испарения воды вида:

Дифференциальное уравнение (8) должно решаться при начальном условии:

Из его решения находится время сушки слоя толщиной ?d.

При непрерывной подаче воды предельное распределение по длине экрана сухого слоя (в стационарном состоянии процесса) определяется решением обыкновенного дифференциального уравнения, полученного из условия баланса массы в элементарном слое ??:

Дифференциальное уравнение (13) должно решаться при граничном условии:

В процессе решения дифференциального уравнения (13) с применением выражения (11) на каждом шаге по вертикальной локальной координате ? требуется определять значения qw и Tw согласно выражениям (9) и (10).

Решение дифференциального уравнения (13) позволяет определить минимальный расход подаваемой воды при предварительно задаваемых конструктивных параметрах экрана и теплофизических характеристиках материала его стенки. Критерием оптимальности является отсутствие вытекания воды из нижней части экрана, обеспечиваемое при условии:

где H –высота экрана.

Массоперенос воды в капиллярно-пористой стенке огнестойкого экрана по координате ? описывается законом Дарси:

– массовый расход жидкости; kf – коэффициент проницаемости, µ – динамическая вязкость воды, ?w – плотность воды.

Разница давлений на длине зоны фильтрации определяется как разность веса перемещающейся в стенке экрана воды и силы сопротивления, определяющейся высотой ее капиллярного поднятия.

При непрерывном режиме подачи массовая скорость течения воды по порам в стенке экрана на ширине 1 м постоянна и может быть определена согласно следующему выражению, полученному из (15):

где g – ускорение свободного падения; hk – высота капиллярного поднятия жидкости; ? – угол между осью локальных координат ? и вертикалью.

загрузка...