Методы и приборы определения плотности нестационарного теплового потока на поверхностях конструкций тоннелей при огневом воздействии тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.01, кандидат наук Сиваков Иван Анатольевич

• Сиваков Иван Анатольевич
• кандидат наук
• 2015

Оглавление диссертации кандидат наук Сиваков Иван Анатольевич

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. Методы и приборы прикладной нестационарной теплометрии

1.1 Методы измерения тепловых потоков

1.1.1 Калориметрический метод

1.1.2 Жидкостно-энтальпийный метод

1.1.3 Электрометрический метод

1.1.4 Резистивный метод

1.1.5 Термоэлектрические методы

1.1.6 Метод вспомогательной стенки

1.2 Классификация датчиков теплового потока

1.2.1 Одиночные датчики продольного типа

1.2.2 Батарейные датчики продольного типа

1.2.3 Датчики поперечного типа

1.2.4 Современные датчики теплового потока

1.3 Методы восстановления нестационарных потоков

1.3.1 Общие сведения

1.3.2 Аналитические методы решения прямой задачи теплопроводности

1.3.3 Численные методы решения прямой задачи теплопроводности

1.3.4 Численно-алгоритмические методы решения

1.3.5 Экстремальные методы решения обратных задач

1.4 Влияние температуры и поверхностной плотности теплового потока на устойчивость тоннельных сооружений при пожаре

1.4.1 Особенности пожаров в тоннелях. Статистический обзор

1.4.2 Огнестойкость и огнесохранность

1.4.3 Системы противопожарной безопасности тоннелей

Выводы к первой главе

Глава 2 Метод восстановления плотности теплового потока при высокоинтенсивном воздействии пожара на поверхности конструкций тоннеля

2.1 Параметрическая идентификация модели нестационарного теплопереноса в датчике теплового потока

2.2 Оценивание в условиях неопределенности

2.3 Параметрическая идентификация с использованием цифрового

фильтра Калмана

2.4 Неопределенность метода восстановления теплового потока

Выводы ко второй главе

Глава 3 Высокотемпературный датчик теплового потока и программный комплекс

Heat Flow Inspector

3.1 Высокотемпературный датчик теплового потока

3.1.1 Описание и конструктивные особенности

3.1.2 Модель теплопереноса в датчике

3.2 Программный комплекс Heat Flow Inspector

3.2.1. Модуль связи с последовательным портом

3.2.2 Алгоритмы расчета

3.2.3 Архитектура программно-аппаратного комплекса

Выводы к третьей главе

Глава 4. Результаты исследований с использованием разработанных методов и устройств

4.1 Методика определения огнестойкости железобетонных конструкций

4.1.1 Методы прочностоного расчета

4.1.2 Расчет предела огнестойкости

4.2 Некоторые практические результаты выполненных исследований

4.2.1 Огнестойкость чугунных обделок тоннелей метрополитена

4.2.2 Огнестойкость железобетонной обделки тоннеля при различных тепловых воздействиях пожара

4.2.3 Пожар в двухпутном перегонном тоннеле метрополитена

4.3 Концепция теплометрической системы по оценке теплового влияния пожара на конструкции тоннеля

Выводы к четвертой главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

АСС - системы автоматики, сигнализации и связи

АЦП - аналого-цифровой преобразователь

ВДТП - высокотемпературный датчик теплового потока;

ГУ - граничное условие;

ДРМ - дифференциально-разностная модель;

ДТП - датчик теплового потока;

ЕДДЦ - единый дежурно-диспетчерский центр

КРМ - конечно-разностная модель;

ММТ - математическая модель теплопереноса;

ОЗТ - обратная задача теплопроводности;

ОФП - опасные факторы пожара

ПЗТ - прямая задача теплопроводности;

СДО - совместная доверительная область;

СМИС - структурированная система мониторинга и управления инженерными системами здания и сооружений

СОДУ - система обыкновенных дифференциальных уравнений;

ТФХ - теплофизические характеристики;

ФК - фильтр Калмана;

ЦДУ - центр дистанционного управления

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Методы и приборы определения плотности нестационарного теплового потока на поверхностях конструкций тоннелей при огневом воздействии»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Необходимость решения задач прикладной теплометрии — определения плотности теплового потока на поверхности исследуемого объекта — возникает в различных наукоемких отраслях, в частности в авиационной, ракетно-космической и автомобильной технике, в энергетике и металлургии, теплотехнике, при исследовании многофазных потоков, обеспечении теплового режима различных объектов, в энергосберегающих технологиях и во многих других.

Отдельно следует отметить роль прикладной термо- и теплометрии при исследованиях процессов горения и воздействия пожаров на строительные конструкции, при экспериментальном определении противопожарных характеристик оборудования и материалов. Тематика разработки методов и средств обнаружения пожара на ранней стадии, прогнозирования его развития и влияния на строительные конструкции и безопасность процесса эвакуации не теряет своей актуальности на протяжении многих лет.

Мировой опыт проектирования и эксплуатации железнодорожных и автодорожных тоннелей показывает, что одной из важнейших систем объекта является система противопожарной защиты. Отсутствие необходимого уровня защиты и переход пожара в развитую стадию могут приводить к трагическим последствиям и огромным материальным потерям.

Одним из требований нормативных документов по пожарной безопасности для тоннельных сооружений является обеспечение требуемого предела огнестойкости по признаку несущей способности строительных конструкций, под которой понимается обрушение конструкции или возникновение предельных деформаций. Фактическое время сохранения конструкцией несущей способности связано с величиной воздействующего на нее теплового потока, динамикой прогрева, теплофизическими характеристиками конструкции и особенностями теплообмена с окружающей средой и грунтом.

Исследования воздействия пожаров на строительные конструкции связаны с дополнительными сложностями, обусловленными необходимостью учета температурной зависимости теплофизических характеристик (ТФХ) материалов датчиков и исследуемых тел в относительно широких пределах, что приводит к необходимости одновременно с определением граничных условий (ГУ) теплообмена измерять или уточнять ТФХ.

Возможны два подхода к решению задач нестационарной теплометрии. Первый — экспериментальный, связан с созданием приборов, условий проведения эксперимента и расчета искомых параметров по простым (условно) зависимостям, что связано с созданием

градуировочных стендов и проведением трудоемких исследований. Второй — расчетный, связан с решением обратных задач теплопроводности (ОЗТ) с использованием математических моделей теплопереноса (ММТ). При этом к ММТ предъявляются определенные требования: они должны описывать нестационарные процессы в исследуемых объектах с учетом всех особенностей для различных типов (ГУ). Решение на основе таких ММТ должно обладать достаточной точностью и вычислительной эффективностью алгоритма решения. Данным требованиям удовлетворяют ММТ в форме дифференциально-разностных моделей (ДРМ) нестационарного теплопереноса [35-39,56].

Для решения ОЗТ в работах J. Beak, Ю.М. Мацевитого, Д.Ф. Симбирского, А.В. Олейника, Н.В. Пилипенко предлагается метод на основе предварительной параметризации задачи с дальнейшей параметрической идентификацией ММТ в объекте, суть которой заключается в отыскании оптимальных оценок вектора искомых параметров путем минимизации функции невязки между реальным и модельным векторами температурных измерений, а для минимизации используется рекуррентный цифровой фильтр Калмана (ФК) [35-39,56]. В работах Н.В. Пилипенко показано, что данный алгоритм хорошо применим в ряде задач по восстановлению теплового потока на границе исследуемого тела в высокоинтенсивных процессах, например, связанных с исследованием теплообмена в псевдоожиженных слоях. В работе Гладских Д.А. [10,38] показана применимость метода при решении комбинированной (граничной и коэффициентной) обратной задачи теплопроводности для низкоинтенсивных длительных изменяющихся во времени тепловых воздействий, в частности, в задачах по определению теплового сопротивления ограждающих конструкции зданий и сооружений в нестационарном режиме.

Использованный в этих работах метод минимизации функции невязки с применением ФК, однако, имеет ряд ограничений при решении задач с существенной нелинейностью. В работах E.A. Wan и R. v.d. Merwe [96] показано, что для случая, когда уравнения динамики и измерения системы нелинейны и не могут быть адекватно линеаризованы, применение ФК дает смещенные относительно действительного значения оценки среднего и ковариации искомого вектора, приводит к плохой обусловленности задачи и, как следствие, потере робастности алгоритма решения. Решение этой проблемы основано на использовании unscented ФК [84,96].

В основе подхода лежит выбор сигма-точек для исходного набора данных с последующим построением нелинейных функций прогноза, применяемых для расчета ковариационных (кроссковариационных) матриц.

Из изложенного следует, что тема диссертационной работы является актуальной.

Цель и задачи диссертационной работы. Целью диссертационной работы является разработка и обоснование метода нестационарной теплометрии, позволяющего измерять

нестационарные тепловые потоки и уточнять ТФХ материалов в условиях быстропротекающих высокоинтенсивных процессов теплообмена или при существенной нелинейности ТФХ объекта исследования или датчика.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

— проведен анализ особенностей пожаров в тоннелях, в частности, влияния температурного режима на устойчивость сооружения, на основании которого сформулированы требования к методам и приборам, а также к измерительной системе для измерения тепловых потоков и ее компонентам, обоснована конструкция датчика теплового потока;

— разработаны модели нестационарного теплопереноса в тоннельных конструкциях при огневом воздействии пожара;

— разработан метод решения одномерной граничной и коэффициентной обратной задачи теплопроводности, позволяющий измерять высокоинтенсивные тепловые потоки при существенной нелинейности уравнений динамики или измерений системы;

— разработан программный комплекс и алгоритмы для измерения нестационарных тепловых потоков, получены данные численных и натурных экспериментов по оценке применимости предложенных методов;

— разработана концепция теплометрической измерительной системы для определения плотности нестационарного теплового потока при огневом воздействии пожара на конструкции тоннеля, предназначенной для работы в реальном времени и для определения фактического предела огнестойкости по результатам теплометрии.

Предмет исследований. Методы и приборы нестационарной теплометрии при огневом воздействии в тоннельных сооружениях.

Методы исследования. Для решения задач исследования применены методы и подходы, используемые в теории теплопроводности и теплообмена, при решении обратных задач теплопроводности, методы пространства состояний и идентификации систем, теплофизического эксперимента и численное моделирование.

Научная новизна работы

1. Разработан и обоснован метод решения одномерной комбинированной обратной задачи теплопроводности с использованием специального фильтра Калмана, позволяющий измерять высокоинтенсивные тепловые потоки на поверхностях тоннельных конструкций при существенной нелинейности уравнений динамики или измерений системы.

2. Обоснован метод оценки точности определения плотности нестационарного теплового потока с использованием информационной матрицы Фишера, позволяющий получать доверительные границы неопределенности результата измерения.

3. Разработан программный комплекс для измерения нестационарных тепловых потоков, получены данные численных и натурных экспериментов по оценке применимости предложенных методов для целей нестационарной теплометрии в системах с высокоинтенсивными быстропротекающими процессами или существенной нелинейностью свойств.

4. Получены результаты численных и натурных экспериментов по измерению плотности тепловых потоков, определению фактических пределов огнестойкости при различных тепловых воздействиях пожара.

5. Предложена концепция теплометрической измерительной системы для определения плотности нестационарного теплового потока при огневом воздействии пожара на конструкции тоннелей, призванная обеспечить безопасность мероприятий по эвакуации и тушению пожара путем определения фактического предела огнестойкости по фактическому тепловому воздействию.

Положения, выносимы на защиту

1. Метод решения комбинированной обратной задачи теплопроводности с использованием специального фильтра Калмана, позволяющий измерять высокоинтенсивные тепловые потоки на поверхностях тоннельных конструкций при существенной нелинейности уравнений динамики или измерений системы.

2. Модель нестационарного теплопереноса в тоннельных конструкциях при внешнем огневом воздействии.

3. Концепция теплометрической измерительной системы по определению теплового воздействия пожара на конструкции тоннеля и оценке предела огнестойкости.

4. Алгоритмы расчета и результаты численных и натурных экспериментов по нестационарной теплометрии, полученные на основе предложенного метода при высокоинтенсивном теплообмене.

Практическая значимость. Разработанный метод решения комбинированной обратной задачи теплопроводности позволил измерять нестационарные плотности тепловых потоков в условиях быстропротекающих высокоинтенсивных процессов теплообмена и при существенной нелинейности ТФХ объекта исследования или датчика.

Реализованные в программном комплексе Scilab алгоритмы позволили определять нестационарные условия теплообмена на поверхности объекта исследования как по результатам натурных измерений, так и по результатам моделирования динамики развития пожара в тоннеле.

Результаты работы используются: в ОАО «НИПИИ «Ленметрогипротранс» при разработке раздела по противопожарной безопасности в ходе проектирования объектов

метрополитена, автодорожных и железнодорожных тоннелей в части оценки эффективности принятых проектных решений и для обоснования отступлений от действующих нормативных документов; в Университете ИТМО на кафедре КТФиЭМ при чтении курсов лекций «Энерго- и ресурсосберегающие технологии», «Компьютерные технологии моделирования физических процессов» и «Численные методы моделирования физических процессов».

Апробация работы. Результаты исследований докладывались, обсуждались и были одобрены на международных и всероссийских конференциях, в том числе на: I и II международных научно-технических конференциях «Современные методы и средства исследований теплофизических свойств веществ», V международной научно-практической конференции «Пожарная безопасность: проблемы и перспективы», международной научно-практической конференции «Сенсорика-2014», IV всероссийской и стран-участниц КООМЕТ конференции по проблемам термометрии «Температура-2011», I и II всероссийских конгрессах молодых ученых, IV всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Информационные технологии в науке, образовании и экономике», всероссийской конференция молодых ученых «Проблемы и перспективы управления энергетическими комплексами и сложными техническими системами в арктических регионах», VI научно-технической конференции молодых специалистов по радиоэлектронике.

Публикации. Общее количество научных работ, опубликованных по теме диссертации — 26, в том числе 6 статей в научно-технических изданиях, в которых ВАК рекомендует публикации основных результатов диссертации, одна статья опубликована в международном рецензируемом журнале, входящем в перечень Web of Science.

Достоверность научных положений, полученных в диссертации. Достоверность полученных результатов обеспечивается использованием многократно апробированных теоретических методов, проведением экспериментальных исследований, сравнением полученных результатов с экспериментальными и теоретическими исследованиями других авторов, сравнением результатов с результатами численного моделирования по всемирно признанным методикам.

Личный вклад автора. Содержание диссертации и основные положения, выносимые на защиту, отражают персональный вклад автора в опубликованных работах; обсуждение результатов и подготовка к публикации полученных результатов проводилась совместно с соавторами. Общая постановка целей и задач исследований в рамках диссертационной работы проведена совместно с научным руководителем работы Н. В. Пилипенко, часть работ выполнена совместно с сотрудниками кафедры «Компьютерной теплофизики и энергофизического мониторинга» Университета ИТМО, специалистами ОАО НИПИИ

«Ленметрогипротранс», НИИПИиИТвОБЖ (бывший СПБФ ВНИИПО) и Университета ГПС МЧС.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитированной литературы, включающего 97 наименований. Общий объем работы составляет 130 страниц, диссертация содержит 55 иллюстраций и 9 таблиц.

Во введении обоснована актуальность работы, определены цель и задачи работы, научная новизна и практическая значимость диссертации, приведены основные положения, выносимые на защиту, данные об апробации и реализации результатов работы.

В первой главе рассмотрена проблема измерения нестационарной поверхностной плотности теплового потока при огневом воздействии и влияние теплового воздействия пожара на устойчивость тоннельных сооружений. Проведен краткий обзор особенностей пожаров в тоннельных сооружения, влияния температурного режима пожара на огнестойкость и огнесохранность, приведено описание основных систем противопожарной безопасности тоннелей; проведен обзор основных методов и датчиков для измерения теплового потока и перспектив их использования; рассмотрены методы решения прямых и обратных задач теплопроводности: аналитические, численные, численно-алгоритмические, указаны границы их применения, основные достоинства и недостатки; сформулированы требования к теплометрической измерительной системе и ее компонентам.

Во второй главе обоснован метод восстановления поверхностной плотности теплового потока при огневом воздействии на конструкции тоннеля, включающий параметризацию ОЗТ с последующей параметрической идентификацией дифференциально-разностной модели (ДРМ) теплопереноса в конструкциях тоннеля или в датчике теплового потока.

В третьей главе рассмотрены приборы для проведения нестационарной теплометрии в реальном времени в условиях огневого воздействия. Приведено описание высокотемпературного датчика теплового потока, для которого составлены ДРМ, проведены модельные и натурные эксперименты по восстановлению плотности теплового потока, установлено влияние защитной пластины и температурных шумов на неопределенность измерений. Приведено описание программного комплекса для нестационарной теплометрии, который реализован в математическом программном обеспечении SciLab.

В четвертой главе приведена методика расчета огнестойкости, приведены результаты моделирования пожаров и расчета огнестойкости тоннельных конструкций по фактическими тепловым измерениям, сформулирована концепция теплометрической измерительной системы по определению теплового воздействия пожара на конструкции.

Глава 1. Методы и приборы прикладной нестационарной теплометрии

Рассмотрена проблема измерения нестационарной поверхностной плотности теплового потока при огневом воздействии и оценки влияния теплового воздействия пожара на устойчивость тоннельных сооружений. Проведен краткий обзор особенностей пожаров в тоннельных сооружения, влияния температурного режима пожара на огнестойкость и огнесохранность, приведено описание основных систем противопожарной безопасности тоннелей; проведен обзор основных методов и датчиков для измерения теплового потока и перспектив их использования; рассмотрены методы решения прямых и обратных задач теплопроводности: аналитические, численные, численно-алгоритмические, указаны границы их применения, основные достоинства и недостатки; сформулированы требования к теплометрической измерительной системе и ее компонентам.

1.1 Методы измерения тепловых потоков

Необратимый самопроизвольный перенос теплоты, вызванный неоднородностью температурного поля, сопровождает большинство процессов в установках теплоэнергетики, в металлургии, химической и других видах промышленности. Количеством теплоты dQ, переносимое через единичную поверхность dF за единицу времени dт определяет интенсивность теплообмена. Величина [28, 61, 67]:

получила название поверхностной плотности теплового потока. Поверхностная плотность теплового потока — вектор, направленный противоположно температурному градиенту в среде [61, 67].

Расчеты поверхностной плотности теплового потока — сложная вычислительная задача, поэтому все более актуальным становится либо ее непосредственное измерение, либо разработка более простых расчетных методов.

Экспериментальное получение информации о тепловых потоках крайне важно для исследований процессов теплопереноса, и, не менее важно, для осуществления контроля процессов и оборудования. Необходимость решения этой задачи привела к формированию самостоятельной отрасли измерительной техники — теплометрия.

Впервые подробный обзор методов измерения тепловых поток был приведен в монографии О.А.Геращенко [8,9]. Калориметрический, жидкостно-энтальпийный, резистивный, электрометрический и метод вспомогательной стенки - наиболее распространенные методы измерения.

1.1.1 Калориметрический метод часто применяется при изучении лучистых тепловых потоков. Метод заключается в измерении теплоты, за определенное время аккумулированной на одной из поверхностей исследуемого объекта. Для проведения таких измерений применяются калориметры с постоянной температурой (внутри имеет место фазовый переход), и калориметры переменной температуры с изотермической оболочкой. К числу первых относятся калориметры с испаряющейся жидкостью и ледяные калориметры.

Принципиальная схема стационарного калориметрического датчика приведена на рисунке 1.1. Датчик предназначен для проведения измерений в плазменном потоке установки магнетронного распыления материалов [66]. Датчика состоит из теплопровода 1, экрана 2 и дифференциальной термопары 3. Теплопровод выполнен в форме стержень переменного сечения из меди. С одной стороны теплопровод контактирует с потоком плазмы, а с другой — плотно прижат подложке 4, охлаждаемой водой.

С боков теплопровод закрыт от плазмы медным экраном 2. В средней части теплопровода установлена дифференциальная термопара из двух константановых.

В опыте измеряют разность температур. По результатам измерений определяется поверхностная плотность теплового потока [66]:

где ^ - теплопроводность меди; на рисунке 1.1 приведены остальные размеры и обозначения.

При необходимости проведения калоритмического эксперимента в нестационарных условиях измерения проводят в условиях регулярного теплового режима. При этом определяют среднюю плотность поверхностного теплового потока на обтекаемом газом или жидкостью теле. Для этого изучаемое тело, после предварительного нагрева, приводят в контакт с жидкостью. За счет аккумулированной телом теплоты на поверхности создается тепловой поток, средняя плотность которого [60]:

1 - теплопровод; 2 - экран; 3 - термопара; 4 - подложка Рисунок 1.1 Схема калориметрического датчика [28]

Чс =

р-ср-У -т-в

где Ср и р — удельные теплоемкость и плотность и тела, V и F — его объем и площадь поверхности, в = £с-£ж— перегрев поверхности тела над жидкостью, т — темп охлаждения. Темп охлаждения определяется экспериментально и остается постоянным при регулярном режиме.

Существует модификация метода регулярного теплового режима для определения высокоинтенсивных тепловых потоков в газовых струях [15]. Измерения проводят с помощью неохлаждаемых калориметрических датчиков, регистрируя изменение их температуры во времени. Решая нестационарное уравнение теплопроводности можно найти поверхностную плотность теплового потока.

На рисунке 1.2 приведен калориметрический датчик, применявшийся в [66] для нестационарных измерений при исследованиях плазмы.

1 - кожух; 2 - поверхность, охлаждаемая водой; 3 - трубка из керамики; 4 - термопара; 5 - медный диск; 6 - проволочные растяжки; 7 — монтажное кольцо Рисунок 1.2 Тепломер для нестационарных измерений в плазменном потоке [66]:

а) устройство датчика; б) термограмма

Кожух датчика 1 исполняет роль защитного экрана и закреплен на поверхности 2, охлаждаемой водой. Через центр 2 проходит керамическая трубка 3, внутри которой располагается хромель-алюмелевая термопара 4. Медный диск 5, по центру которого зачеканена термопара, исполняет роль калориметрического тела. Проволочные растяжки и монтажное кольцо позволяют закрепить термопару на трубке.

Тепловой поток определялся авторами [66] из соотношения

4тср (<&\ 1

Я ~ пй2 [мтУнагр \(1т)охл\

где Ср и т - диаметр, теплоемкость и масса диска.

При нагреве диска и его охлаждении, т.е. при включении и отключении потока плазмы, находят температурные производные.

1.1.2 Жидкостно-энтальпийный метод. В основе метода лежит следующее физическое явление: воздействие теплового потока на омывающую изучаемую поверхность жидкость приводит к изменению ее энтальпии. Метод удобен для проведения измерений на стенках каналов или труб; значения средней для поверхности плотности теплового потока рассчитывается по формуле [60]:

_ САк - <2П

где Ак - изменение энтальпии жидкости G - ее расход, Qп - потери тепла на рассматриваемом участке А¥ теплообменной поверхности.

1.1.3 Электрометрический метод применяется, когда поверхностная плотность теплового потока создается электрическим обогревом. При прямом обогреве стенки канала с движущейся внутри канала жидкостью, местный тепловой поток находится по формуле [60]:

Чс =]2Р-Чп-Чт

■2

где р - удельное электрическое сопротивление, ] - плотность тока, ]2р - тепловыделение в стенке, Цп и Цш — плотности тепловых потерь и осевого оттока тепла.

При косвенном электрическом обогреве стенки канала можно определить только усредненное по поверхности канала значение плотности теплового потока

где Жп - мощность нагревателя на участке стенки площадью А¥, Qn -тепловые потери [60].

1.1.4 Резистивный метод базируется на изменении электросопротивления термочувствительного элемента при воздействии на него теплового потока. Метод нашел широкое применение в болометрах - приборах, предназначенных для исследования лучистого теплопереноса [8].

В болометрах в качестве датчиков или чувствительных элементов используются полоски металлической фольги толщиной 0,1-1 мкм или полупроводниковые пластинки, обладающие большим температурным коэффициентом сопротивления. Для обеспечения высокого поглощения поверхность этих элементов зачерняется. Температура чувствительного элемента при воздействии на него лучистым потоков изменяется на А Г, что приводит к пропорциональному изменению электрического сопротивления на АЯ. По величине изменения электрического сопротивления судят о мощности измеряемого потока.

1.1.5 Термоэлектрические методы имеют различное конструктивное оформление. В методе толстостенной трубы [60] вблизи внутренней и наружной поверхности стенки трубы

размещаются термопары. С помощью термопар находят распределение температуры по длине трубы и определяют величины поверхностной плотности теплового потока, которые пропорциональны перепадам температур в стенке и ее теплопроводности. Таким образом, сама трубка с термопарами в стенках представляет собой единый измерительный прибор - тепломер.

Однако есть и другие примеры использования термоэлектрических эффектов в теплометрии, например, применение термоэлектрических чувствительных элементах в пиранометрах — приборах, предназначенных для измерения интенсивности солнечного излучения. Интенсивность излучения определяют по температурному перепаду между светлыми и черными участками поверхности датчика [76].

1.1.6 Метод вспомогательной стенки основан на размещение на поверхности исследуемого тела специальных приборов — датчиков теплового потока (ДТП или тепломеров). При этом датчик располагают таким образом, чтобы вектор теплового потока был перпендикулярен рабочей поверхности датчика [8,49].

Такие тепломеры обычно представляют собой пластинку небольшой толщины. Материал пластины имеет известную теплопроводность, а сама пластина — систему термопар, измеряющих температуры или разности температур в пластинке. Поверхностная плотность стационарного теплового потока в месте установки тепломера определяется из выражения:

Ш

ч = ~Г

где Аt — перепад температуры на пластине, а 8 и Я — соответственно толщина датчика и теплопроводность материала, из которого он изготовлен.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Сиваков Иван Анатольевич, 2015 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Алифанов О.М., Артюхин Е.А., Ненарокомов А.В. Обратные задачи в исследовании сложного теплообмена. - М.: Янус-К, 2009. - 300 с.

2. Алифанов О.М., Артюхин Е.А., Румянцев С.В. Экстремальные методы решения некорректных задач. - М.: Наука. Гл. ред. физ-мат.лит., 1988. - 288 с.

3. Аттетков А.В., Галкин Г.С., Зарубин В.С. Методы оптимизации: Учеб. для вузов / Под ред. B.C. Зарубина, А.П. Крищенко. - 2-е изд., стереотип. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2003. - 440 с.

4. Вагин А.В., Данилов А.И., Сиваков И.А. Оценка теплового воздействия пожара поезда в двухпутном тоннеле метрополитена // Проблемы управления рисками в техносфере. -2015. - № 2 (34). - С. 26-34.

5. Бек Дж., Блакуэлл Б., Сен-Клер Ч., мл. Некорректные обратные задачи теплопроводности: Пер. с англ. - М.: Мир, 1989. - 312 с.

6. Брайсон А., Хо Ю-Ши. Прикладная теория оптимального управления. - М: Мир. 1972, -544с.

7. Бут Е.Н. Сплайн-идентификация как метод решения некорректно поставленных обратных задач теплопроводности общего вида. -В кн. Материалы VI Всесоюзной конф. по тепломассообмену, 1980, Т.9. - С.128-131.

8. Геращенко О.А. Основы теплометрии, Киев.: Наукова думка, 1971, 192 с.

9. Геращенко О.А., Федоров В.Г. Тепловые и температурные измерения, Киев.:Наукова думка, 1965, 304 с.

10. Гладских Д.А. Параметрическая идентификация дифференциально-разностных моделей нестационарного теплопереноса в многосоставных телах Дис ... канд. техн. наук // СПб, 2014. - 127 с.

11. Голиков А.Д., Черкасов Е.Ю., Данилов А.И., Сиваков И.А. Предел огнестойкости чугунных тоннельных обделок метрополитена без огнезащитных покрытий // Пожаровзрывобезопасность.- 2014. -Т.23. -№12., С.20 - 27

12. ГОСТ 26263-84. Грунты. Метод лабораторного определения теплопроводности мерзлых грунтов. М., 1987, 12 с.

13. ГОСТ Р 22.1.12-2005 Безопасность в чрезвычайных ситуациях. Структурированная система мониторинга и управления инженерными системами зданий и сооружений. Общие требования. М., 2005, 25 с.

14. ГОСТ 30247.1-94 «Конструкции строительные. Методы испытаний на огнестойкость. Несущие и ограждающие конструкции», М.: 1995, 11 с

15. Григорович Б.М., Назаренко И.П., Никитин П.В., Сотник Е.В., Метод калориметрирования тепловых потоков высокой интенсивности датчиками регулярного режима, Современные проблемы науки и образования, №3, 2009, с. 33-42.

16. Гриценко H.C. Логинов В.Д. Мальцев В.И. и др. Определение параметров движения объектов в статистически неопределенных ситуациях // Зарубежная радиоэлектроника. 1988. № 2. - С. 3-29.

17. Гриценко H.C., Логинов В.Д. Севостьянов К.К. Адаптивное оценивание // Зарубежная радиоэлектроника. 1983. №7. - С.3-27.

18. Дульнев Г.Н., Парфенов В.Г., Сигалов А.В. Применение ЭВМ для решения задач теплообмена. М.: Высшая школа, 1990.

19. Заключение № 014-03.13. Оценка соответствия вагонов метрополитена моделей 81-556, 81-557 и 81-558 требованиям НПБ 109-96 «Вагоны метрополитена. Требования пожарной безопасности». СПбФ ФГБУ ВНИИПО МЧС РФ, 2013. - 38 с.

20. Заричняк Ю.П. Пилипенко Н.В. Симбирский Д.Ф, Сиваков И.А. Комбинированный метод определения теплопроводности и теплового потока // Международная научно-техническая конференция «Современные методы и средства исследований теплофизических свойств веществ». Сборник трудов, СПб, 2010г, с.174-181

21. Измеритель плотности тепловых потоков и температуры «Теплограф» [Электронный ресурс]. Научно-производственное предприятие «ИНТЕРПРИБОР» [Офиц. сайт]. URL: http://www.interpribor.ru/teplograf10.php

22. Калман Р.Е., Бьюси Р.С. Новые результаты в линейной фильтрации и теории предсказания // Техническая механика (сб. переводов). 1961. Сер. Д. №1. - С.123-136.

23. Калман Р.Е., Фалб П., Арбиб М. Очерки по математической теории систем. - М.: Мир , 1971. - 340 с.

24. Карслоу У., Егер Д. Теплопроводность твердых тел // М.: Наука, 1964. - 488 с.

25. Кириллов К.В., Пилипенко Н.В. Алгоритмы программ для решения прямых и обратных задач теплопроводности при использовании дифференциально-разностных моделей // Научно-технический вестник ИТМО, 2010, №5. - С. 106 - 110.

26. Леонтьев А. И. Газовая динамика. - М.: МГТУ им. Н. Э, Баумана, 1997.

27. Лыков А.В. Теория теплопроводности //М.: Высшая школа, 1967 - 600 с.

28. Моисеев С.С. Разработка и исследование тонкопленочных датчиков теплового потока для установок промышленной теплоэнергетики: дис. ... канд. техн. наук.: 05.14.04., М., 2011. -138 с.

30. ОАО «Омский завод Эталон» [Офиц. сайт] URL: http://www.etalonomsk.ru.

31. ООО «Промышленный союз» [Офиц. сайт] URL: http://promsoyuz.ru/

32. Османов В.В. Совершенствование топочной теплометрии на основе градиентных датчиков теплового потока: дис. ... канд. техн. наук: 05.14.14., СПб:.2015, 158 с.

33. Основы идентификации и проектирования тепловых процессов и систем: Учебное пособие / О.М. Алифанов, П.Н. Вабищевич, В.В. Михайлов и др. - М.: Логос, 2001. - 400 с., ил.

34. Пельцвергер С.Б. Аглоритмическое обеспечение процессов оценивания в динамических системах в условиях неопределенности: дис. ... канд. техн. наук. 05.13.01, М.: 2004.- с.153

35. Пилипенко Н.В. Методы параметрической идентификации в нестационарной теплометрии. Часть 1 // Известия ВУЗов. Приборостроение, 2003, №8,Т.46. -С.50-54

36. Пилипенко Н.В. Методы параметрической идентификации в нестационарной теплометрии. Часть 2 // Известия ВУЗов. Приборостроение, 2003, №10,Т.46.-С.67-71

37. Пилипенко Н.В. Нестационарная теплометрия на основе параметрической идентификации дифференциально-разностных моделей теплопереноса в одномерных приемниках. Дис ... докт. техн. наук // СПб, 2008

38. Пилипенко Н.В., Гладских Д.А. Определение тепловых потерь зданий и сооружений путем решения обратных задач теплопроводности // Измерительная техника. - 2014. - №2. - С. 51-53

39. Пилипенко Н.В., Казарцев Я.В. Оптимальное планирование эксперимента при идентификации процессов теплообмена сенсоров теплового потока // Известие вузов. Приборостроение. - Санкт-Петербург, 2011. - Т. 54. - №5. - С. 88-93.

40. Пилипенко Н.В., Кириллов К.В., Ключка О.В., Павлов А.В., Сиваков И.А. Метод восстановления плотности тепловых потоков на поверхности объектов в импульсных аэродинамических трубах // Четвертая всероссийская и стран-участниц КООМЕТ конференция по проблемам термометрии «ТЕМПЕРАТУРА-2011». Тезисы докладов, СПб, 2011 г., С. 170

41. Погодин-Алексеев Г.И. Справочник по машиностроительным материалам. Том З.Чугун -Москва: Машгиз, 1959 г., 359 с

42. Пособие по определению пределов огнестойкости конструкций, пределов распространения огня по конструкциям и групп возгораемости материалов (к СНиП II-2-80) / ЦНИИСК им. Кучеренко - М.: Стройиздат, 1985. - 56 с.

43. Пособие по расчёту огнестойкости и огнесохранности железобетонных конструкций из тяжелого железобетона (к СТО 36554501-006-2006)/ А.Ф. Милованов - М.: ОАО "ЦПП", 2008 - 103 с.

44. Приложение к приказу МЧС России от 30.06.2009 № 382 «Методика определения расчетных величин пожарного риска в зданиях, сооружениях и строениях различных классов функциональной пожарной опасности» (в редакции приказа МЧС № 749 от 12.12.2011 "О внесении изменений в методику определения величин пожарного риска в зданиях, сооружениях и строениях различных классов функциональной пожарной опасности, утвержденную приказом МЧС России от 30.06.2009 №382").

45. Ракитиский Ю. В., Устинов С. М., Черноруцкий И. Г. Численные методы решения жестких систем. М.: Главная редакция физико-математической литературы, 1979.

46. Сапожников С.З., Китанин Э.Л. Техническая термодинамика и теплопередача: Учебник для вузов. СПб.: Изд-во СПбГТУ, 1999. - 319 с.

47. Сапожников С.З., Митяков В.Ю., Митяков А.В. Гетерогенные датчики теплового потока для исследований при высоких температурах, Труды 5-й Российской национальной конференции по теплообмену, т.1, М., 2010, с. 139-141.

48. Сапожников С.З., Митяков В.Ю., Митяков А.В. Измерение нестационарных тепловых потоков градиентными датчиками на основе анизотропных монокристаллов висмута, ЖТФ, т. 74, вып. 7, 2004, с. 114-120.

49. Сапожников С.З., Митяков В.Ю., Митяков А.В., Градиентные датчики теплового потока, СПб., Изд. СПбГПУ, 2003, 168 с.

50. Сейдж Э.П., Меле Дж. Теория оценивания и ее применение в связи и управлении. - М.: Связь, 1976. - 496с.

51. Сиваков И.А. Использование информационной матрицы Фишера для оценки погрешности нестационарной теплометрии при параметрической идентификации на примере батарейного приемника теплового потока // Сборник трудов I Всероссийского конгресса молодых ученых. - СПб: НИУ ИТМО, 2012. - С. 66-72

52. Сиваков И.А. Исследование возможности применения батарейных приемников теплового потока в нестационарной теплометрии // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. - 2012. - № 5 (81). - С. 134-138.

53. Сиваков И.А., Пилипенко Н.В. Метод определения нестационарного теплового потока и теплопроводности с использованием параметрической идентификации // Измерительная техника. - 2011. - Т. 54. - № 3. - С. 48-51.

54. Сиваков И.А., Пилипенко Н.В., Польщиков Г.В. Установка для определения динамических характеристик сенсоров теплового потока // Известия высших учебных заведений. Приборостроение. - 2013. Т.56. - № 5. - С. 71-75.

55. Симбирский Д.Ф. Метрология косвенных измерений // Измерительная техника, 1983, №1. - С.12-14.

56. Симбирский Д.Ф. Температурная диагностика двигателей//Киев:Техника,1976.-208с.

57. СП 120.13330.2012«Метрополитены.Актуализированная редакция СНиП32-02-2003»

58. Справочник по чугунному литью / под. Ред. Д-ра техн. Наук Н.Г.Гиршовича - М.: Машиностроение, Ленинградское отделение, 1978 -758 с.

59. СТО 36554501 -006-2006. Правила по обеспечению огнестойкости и огнесохранности железобетонных конструкций. - Москва, 2006.

60. Теоретические основы теплотехники. Теплотехнический эксперимент. Справочник под ред. А.В.Клименко и В.М.Зорина, книга 2, М., Изд. МЭИ, 2001, 561 с.

61. Теория тепломассообмена // под ред. А.И.Леонтьева, М., Изд. МГТУ им. Н.Э.Баумана, 1997, 683 с.

62. Теория фильтрации Калмана: Пер. с англ. - М.: Мир, 1988. - 168с.

63. Тихонов А.Н., Арсенин В.Я. Методы решения некорректных задач - М.:Наука,1979. -286с.

64. Тихонов А.Н., Гончарский А.В., Степанов В.В., Ягола А.Г. Численные методы решения некорректных задач. - М.: Наука, 1990. - 232 с.

65. Фильтрация и стохастическое управление в динамических системах / Под ред. К.Т. Леондеса. - М.: Мир, 1980. - 407с.

66. Царьгородцев Ю.П., Полуэктов Н.П., Усатов И.И., Харченко В.Н. Тепловые потоки в магнетронном разряде с полым катодом, Труды 5-й Российской национальной конференции по теплообмену, т. 1, М., 2010, с. 142-145.

67. Цветков Ф.Ф., Григорьев Б.А. Тепломассообмен, М.:Изд.МЭИ,2001, 549с.

68. Черкасов Е.Ю. Разработка метода определения фактических пределов огнестойкости основных несущих железобетонных конструкций путевых тоннелей метрополитена: дис. . канд. технич. наук. Университет МВД РФ, Санкт-Петербург, 1999.

69. Шварц Э. Пожары и взрывы от химико-технических причин. - М.: Издательство Народного комиссариата внутренних дел РСФСР, 1929. - 416 с.

70. Юн А.А. Теория и практика моделирования турбулентных течений.- М., 2009.- 273с.

71. A Fire Hazard Evaluation of the Interior of WIMATA Metrorail Cars. Center for Fire Research Institute of Applied Technology National Bureau of Standards. Washington, D. C. 20234. (Dec. 1975).

72. Application and specification of heat flux sensors [Electronic resource] URL: http://www.hukseflux.com.

73. Captec scientific catalogue [Electronic resource]: URL: http://www.captec.fr

74. Diller T.E., Advances in heat flux measurements // in "Advances in Heat Transfer" (eds. J.P.Hartnett et al.), v.23, Boston, Academic Press, 1993, p. 279-368.

75

76

77

78

79

80

81

82

83

84

85

86

87

88

89

90

Diller T.E., Heat Flux [Electronic resource]: http://www.engnetbase.com.

Duffie J.A., Beckman W.A. Solar Engineering of Thermal Processes, 2 Ed., J.Wiley & Sons,

USA, 1991, 919 p.

EUREKA-project EU 499 Firetun: Report on Full-Scale Tests on Fires in Transport Tunnels, ed.: Studiengesellschaft Stahlanwendung e.V., Düsseldorf, May 1995

F.Van der Graaf, Heat Flux Sensors // in "Sensors" (eds. W.Gopel et al.), v.4, New York, VCH, 1989, p. 295-322.

Fire Dynamic Simulator (Version 5). Technical Reference Guide. Volume 1: Mathematical Model. - Washington: NIST Special Publication 1018-5, 2007. - 108p

Fire Hazard Evaluation of BART Vehicles. Center for Fire Research Institute of Applied

Technology National Bureau of Standards. Washington, D. C. 20234. (Mar. 1978).

Fire in tunnel Annex2 Technical report part 1 Design fire scenarios - 161 p.

Haack, A.: Latest achievment and perspectives in tunnel safety; proceedings of the 30th

ITAAITES World Tunnel Congress "Underground Space for Sustainable Urban Development;

Singapore 22-27 May 2004; Tunnelling and Underground Space Technology, Vol. 19, No. 4-5,

July - September 2004

High temperature heat flux sensors [Electronic resource]. URL: http://www.wuntronic.com. Julier S.J., Uhlmann J.K. A New Extension of the Kalman Filter to Nonlinear Systems // In Proc. Of AeroSense: The 11th Int. Symp. On Aerospace / Defence Sensing, Simulation and Controls, 1997

Matasov A.I. Estimators for Uncertain Dynamic Systems. Dordrecht: Kluwer Academic Publ., 1999. - 432 p.

Modelling Methods for Energy in Buildings by Chris Underwood, Francis Yik //Blackwell Publishing Ltd., -306 p.

N.N.: Fire desaster in the Nihonzaka-Tunnel near Shizuoka-City, Eternit leaflet, Tunnel and MetroStation-Cladding, Belgium, 1988

Numerical Simulation of a Metro Train Fire. Fire Engineering Research Report 05/1June 2005. Department of Civil Engineering University of Canterbury Private Bag 4800. Christchurch, New Zealand.

Pakanen, Jouko. Conduction of heat through slabs and walls.A differential-difference approach for design, energy analysis and building automation applications.VTT TechnicalResearchCentreofFinland. 2009. - 66 p.

PIARC Committee on Road Tunnels: Fire and Smoke Control in Road Tunnels; PIARC report 05.05.B, Paris, 1999, ISBN 2-84060-064-1

91. Pilipenko N.V. The systematic errors in determining the nonstationary heat-exchange conditions with parametric identification. // Measurement Techniques, 2007, Vol. 50, No. 8, - pp.880 - 887.

92. Report of the technical commission on the fire from the 24. March 1999 in the Mont-Blanc-Tunnel, prepared by: Duffé, P./Marec, M., Französisches Innenministerium und Französisches Ministerium für Bauen, Verkehr und Wohnungswesen, issue June 1999

93. Sivakov I.A., Pilipenko N.V. A method of determining nonstationary heat flux and heat conduction using parametric identification // Measurement Techniques. - 2011. - Vol. 54. - N 3. -P. 318-323.

94. Thin film flux sensors HFS-3, HFS-4: [Electronic resource]. URL: http:// www.omega.com.

95. Vatell heat flux microsensors: [Electronic resource]. URL: http://www.vatell.com.

96. E.A. Wan, R. van der Merwe The Unscented Kalman Filter for Nonlinear Estimation // Oregon Graduate Institute of Science and Technology,2000 - P.153-158

97. M.J. Jime'nez, B. Porcar, M.R. Heras. Application of different dynamic analysis approaches to the estimation of the building component U value // Building and Environment. - 2009. - №44. - PP. 361-367.