Метод оцінки теплового потоку, що випромінюється поверхнею обертання як факелом полум'я

Размещено на http://www.allbest.ru

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ БУДІВНИЦТВА І АРХІТЕКТУРИ

ПОПОВ Вадим Михайлович

УДК 515.2

МЕТОД ОЦІНКИ ТЕПЛОВОГО ПОТОКУ, ЩО ВИПРОМІНЮЄТЬСЯ ПОВЕРХНЕЮ ОБЕРТАННЯ ЯК ФАКЕЛОМ ПОЛУМ'Я

Спеціальність 05.01.01 - прикладна геометрія, інженерна графіка

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ - 2002

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Академії пожежної безпеки України Міністерства внутрішніх справ України.

Науковий керівник: - доктор технічних наук, професор

Куценко Леонід Миколайович,

професор кафедри пожежної техніки,

Академія пожежної безпеки України (м.Харків)

Офіційні опоненти:

- доктор технічних наук, професор

Найдиш Володимир Михайлович,

завідувач кафедри нарисної геометрії та інженерної графіки,

Таврійська державна агротехнічна академія; (м. Мелітополь)

- кандидат технічних наук, доцент

Несвідомін Віктор Миколайович,

доцент кафедри нарисної геометрії та інженерної графіки,

Національний аграрний університет (м. Київ)

Провідна установа: Національний технічний університет України (Київський політехнічний інститут), кафедра нарисної геометрії, інженерної і машинної графіки, Міністерства освіти і науки України, (м.Київ)

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Київського національного університету будівництва і архітектури за адресою:

01037, Київ-37, Повітрофлотський проспект, 31

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради В.О. Плоский

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Потреба у розрахунках променевої теплопередачі від однієї поверхні (джерела тепла) до іншої поверхні (приймача тепла) виникає під час дослідження великої кількості задач в техніці та технології. Розв'язання цих задач має важливе значення для становлення промислового потенціалу України. Серед можливих впроваджень розрахунку променевої теплопередачі слід назвати пожежі на нитках газопроводів, де джерелом тепла є факел полум'я, обмежений поверхнею обертання, а приймачами тепла є поверхні навколишніх конструкцій або спорядження пожежників. Ефективність чисельних розрахунків променевої теплопередачі залежить від можливостей методу обчислення кутових коефіцієнтів випромінювання (ККВ) - тобто геометричних факторів, що характеризують частку променевого теплового потоку, який випромінюється однією поверхнею і досягає другої поверхні. ККВ чисельно дорівнює значенню поверхневого інтегралу спеціального виду. Для реальних поверхонь обчислення таких інтегралів складає самостійну проблему. На практиці використовуються наближені розв'язки, одержані із застосуванням обчислювальної техніки. Наближені (чисельні) розв'язки базуються, як правило, на графічних методах. Серед таких методів обчислення ККВ увагу привертає метод сфери одиничного радіуса (метод В. Нусельта). Цей метод дозволяє обчислювати значення локальних ККВ шляхом побудови радіально - паралельних проекцій однієї з поверхонь, яка бере участь у теплопередачі.

Геометричне моделювання проекціювання як процесу відображення "об'єкта на об'єкт" належать до головних напрямків розвитку прикладної геометрії та інженерної графіки. Значний внесок у розв'язання конкретних задач проекційних відображень зробили В.В.Ванін, С.М.Ковальов, В.Є.Михайленко, В.М.Найдиш, В.С.Обухова, А.В.Павлов, А.М.Підкоритов, О.Л.Пiдгорний, К.О.Сазонов, І.А.Скидан та ін. Однак проведені дослідження не дозволяють говорити про створення наскрізного інформаційного забезпечення алгоритмів геометричного моделювання різновидів проекцій як результату відображення. Однією з причин цього була відсутність геометричних та математичних моделей, які б дозволили створювати ефективні алгоритми процесу проекціювання, та відсутність математичних процесорів, що дозволяють здійснювати дослідження на аналітичному і графічному рівнях. У роботах Л.М.Куценка, І.Т.Пупка, О.В.Шоман, В.В.Семенової-Куліш та ін. розроблено алгоритми опису радіально-паралельного проекціювання для певних поверхонь, у тому числі й реалізованих засобами математичного процесора Maple. При цьому ще не зайнятою "науковою нішею" виявилася розробка ефективних алгоритмів наближеного визначення локальних та інтегральних ККВ у випадку, коли джерелом теплового випромінювання є поверхня обертання, а теплоприймачем є множина фігур на площині (або на декількох площинах).

Розглянутий у роботі приклад застосування радіально-паралельних проекцій для оцінки теплового потоку, що випромінюється поверхнею обертання як факелом полум'я, в повній мірі ілюструє запропонований метод, являє інтерес для розвитку методів прикладної геометрії, що і вказує на актуальність теми досліджень.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Роботу виконано на кафедрі пожежної техніки Академії пожежної безпеки України у рамках науково-дослідної теми "Геометричне моделювання променевого теплообміну між факелом полум'я і поверхнями канонічних форм", замовник - ГУДПО МВС України (тема N 0100U000052).

Мета і задачі дослідження. Метою дослідження є створення теоретичної та алгоритмічної бази методу обчислення кутових коефіцієнтів випромінювання для розрахунку променевої передачі тепла від поверхні обертання (типова форма факелу полум'я) до множини довільних фігур на площині або на декількох площинах, шляхом побудови засобами комп'ютерної графіки низки наближених радіально-паралельних проекцій поверхні обертання. факел полум'я інтегральний випромінювання

Об'єктом дослідження є явище передачі тепла променевим способом від однієї поверхні до іншої.

Предметом дослідження є метод оцінки теплового потоку, що досягає другої поверхні у результаті теплового випромінювання першої поверхні.

Методи дослідження: елементи теорії променевої теплопередачі та теорії обвідних параметричних сімей, а також теорії апроксимації кривих при використанні комп'ютерної графіки у середовищі Maple 7. Застосовуються положення прикладної геометрії та чисельних методів

Для досягнення цієї мети у дисертації поставлено такі основні задачі:

- проаналізувати форми факелів полум'я на пожежах газопроводів та провести критичний огляд методів визначення величини потоку теплового випромінювання від факелу полум'я;

- зробити огляд методів обчислення локальних та інтегральних ККВ, у тому числі і основаних на графічних методах обчислення локальних ККВ;

- знайти описи у аналітичному вигляді RP- проекцій фігур рівня та розробити на базі цього метод опису RP- проекції поверхні обертання;

- розробити метод опису RP- проекції поверхні обертання шляхом знаходження обвідної сім'ї RP- проекцій фігур рівня ;

- розробити універсальний алгоритм обчислення інтегральних ККВ;

- для перевірки вірогідності розглянутого методу розв'язати ряд тестових прикладів з відомими точними розв'язками;

- метод впровадити в організаціях УДПО, що обслуговують газове господарство.

Наукову новизну роботи має метод обчислення локальних та інтегральних кутових коефіцієнтів випромінювання для розрахунку променевої теплопередачі від поверхні обертання до фігур на площинах, складовими частинами якого є:

- нове тлумачення операції RP-проекціювання як побудови фігури, контур якої є обвідною сім'ї RP-проекцій перетинів площинами рівня даної поверхні просторового геометричного об'єкта, що дозволяє одержати на картинній площині наближений обрис його радіально - паралельної проекції;

- новий метод обчислення локальних ККВ для поверхонь, перетини площинами рівня яких можна описати у параметричному вигляді;

- новий метод обчислення поверхневих інтегралів спеціального виду.

Вiрогiднiсть та обґрунтованість одержаних результатів підтверджується доведенням тверджень, аналітичними перетвореннями за допомогою процесора Maple та побудованими за допомогою комп'ютера RP - проекціями конкретних поверхонь обертання з визначенням локальних ККВ для тестових прикладів, а також розрахунками реальної задачі теплопередачі випромінюванням у процесі впровадження методу в практику.

Практичне значення одержаних результатів дисертації полягає у спроможності на її теоретичній базі впроваджувати в реальну практику метод оцінки теплового потоку, що випромінюється поверхнею обертання як факелом полум'я. Ця оперативна графічна інформація допоможе приймати обґрунтовані рішення при розподілі сил та ресурсів щодо гасіння реальних пожеж при аваріях на газопроводах, а також при моделюванні віртуальних ситуацій у випадку прогнозованих пожеж. Реалізація роботи виконана в УДПО, що підтверджується довідкою про використання запропонованої методики.

Особистий внесок здобувача. Особисто автор виконав теоретичні дослідження процесів теплообміну об'єктів з розподіленими параметрами, зробив огляд методів та розробив для математичного процесора Maple дві версії алгоритмів визначення теплового потоку від факела полум'я до фігур на площині, а також склав алгоритми обчислення локальних та інтегральних ККВ з метою моделювання теплового потоку, що випромінюється факелом полум'я.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи доповідалися та обговорювались на: міжнародній науково-практичній конференції "Сучасні проблеми геометричного моделювання" (м. Мелітополь, 1999 р.); науковому семінарі кафедри нарисної геометрії та інженерної графіки НТУпід керів. к.т.н., проф. А.М.Краснокутського (м. Харків, 2000 р.); науковому семінарі Академії пожежної безпеки України під керівн. д.т.н., проф. Ю.О.Абрамова (м. Харків, 2001 р.); міжнародній науково-практичній конференції "Сучасні проблеми геометричного моделювання" (м. Донецьк, 2000 р.); міській секції графіки під керівн. д.т.н., проф. Л.М.Куценка (м. Харків, 2002 р); науковому семінарі кафедри нарисної геометрії та інженерної графіки ТДАТА під керівн. д.т.н., проф. В.М. Найдиша (м.Мелітополь, 2002 р.).

Публікації. За результатами досліджень опубліковано 10 робіт (з них 5 статей одноосібно та 6 статей у виданнях, які рекомендовано ВАК України).

Структура i обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, висновку, списку використаних джерел із 148 найменувань та додатків. Робота містить 185 сторінок машинописного тексту та 68 рисунків.

ЗМІСТ РОБОТИ

Вступ містить загальну характеристику роботи. Обґрунтовано актуальність теми дисертації, сформульовано мету та задачі досліджень. Показано наукову новизну і практичну цінність отриманих розв'язків.

У першому розділі наведено огляд основних положень теорії променевої теплопередачі, коли вважається, що форму факела можна наблизити еліпсоїдом обертання. Прототипом методу визначення локальних та інтегральних ККВ є метод, запропонований у роботах В.В.Семенової-Куліш.

Твердження. Для еліпсоїда

рівняння RP-проекції має вигляд

.

Після вилучення (при y0 = 0) змінної y, одержуємо

, (1)

де ;; ;

; ;

Твердження. Для еліпса , розташованого у площині рівня x=p, описом RP-проекції є

,

або, після вилучення змінної y, одержуємо

, (2)

де .

Для визначення локального ККВ з (1) або (2) необхідно обчислити інтеграл

. (3)

Проміжок інтегрування знаходимо з рівняння y*(x) = 0 (наприклад, для еліпса маємо

та ).

Головні недоліки методу: не можливе формальне узагальнення на інші форми факелів, та алгоритм зводиться до обчислення еліптичних інтегралів.

В другому розділі розглянуто метод чисельної оцінки теплового потоку, що випромінюється поверхнею обертання, і який досягає, наприклад, на площині Oxy фігури довільної форми. При цьому вважається, що поверхню факелу полум'я можна наблизити поверхнею обертання.

Для опису профілю краплеподібного факелу (як функції радіусу від висоти, направленої вздовж осі Oz) необхідно на фото факелу обрати декартову систему координат (рис. 2) та визначити координати вузлових точок. За цими даними профіль апроксимується поліномом. Наприклад, для

R0:= 0: R1:= 0.8: R2:= 1.4: R3:= 2: R4:= 2.7: R5:=3.4:

R6:= 4: R7:=4.5: R8:=5.2: R9:=5.8: R10:=6.2: R11:=6.5:

R12:=7: R13:=7.4: R14:=7.5: R15:=7.7: R16:=7.8: R17:=7.7:

R18:=7.5: R19:=7: R20:=5.7: R21:= 4: R22:= 0:

таким поліномом буде

Далі функція R(z) використовується для опису RP-проекції факелу. При цьому RP-проекція факелу вважається обвідною сім'ї RP-проекцій кіл, що будуть перетинами факела площинами рівня z = const.

Твердження 1. Нехай вісь поверхні обертання паралельна осі Oz і віддалена від центра сфери радіуса 1 на p одиниць, а нормальні перетини поверхні є кола радіуса R(z). Тоді рівняння її RP-проекції має вигляд

; (4)

.

Для розглянутого прикладу описом RP-проекції буде

;

,

де .

Для реалізації методу сфери одиничного радіуса необхідно вміти обчислювати площу фігури, обмежену контуром RP-проекції.

Твердження 2. Площу фігури, обмежену контуром RP-проекції (4), можна обчислити за формулою

, (5)

де .

Показано ефективність обчислення локальних ККВ на базі формули (5). Але іноді для обчислень більш зручно використовувати осевий перетин факелу.

Перейдемо до полярних координат

;

.

Твердження 2a. Нехай R = R(a) є полярним рівнянням осевого перетину на площині рівня x = p (рис. 4)). Тоді описом його RP-проекції будуть вирази

;

.

Для розглянутого прикладу полярним рівнянням буде

, (6)

де параметр a змінюється у межах (0,9 Ј a Ј 2,24). На рис. 5 наведено зображення профілю, побудованого за формулою (6).

Опис RP-проекції осевого перетину (наприклад, при p = 10) має вигляд

;

; (7)

де

Твердження 2б. Нехай R = R(a) є полярним рівнянням осевого перетину, що розташовано на площині рівня z = q де полюс має координати (x0, y0). Тоді описом RP-проекції осевого перетину будуть вирази

;

(теплоприймач розташовано паралельно осі обертання факелу полум'я).

При цьому обчислення локальних ККВ для різних p здійснено за формулою

.

Після обчислень одержимо значення локального ККВ у довільній точці А. Це значення, як довжину відрізку АВ, відкладемо з точки А вздовж осі Oz. В результаті одержимо графік Г розподілу значень локальних ККВ на осі Ох (рис. 7). Враховуючи, що фігура G є осевим перетином поверхні обертання, дійдемо висновку, що графік розподілу локальних ККВ для факелу буде поверхнею обертання (де крива Г буде твірною), співвісною з факелом (рис.8).

У роботі вважається, що інтегральний ККВ для фігури G на площині Оху можна оцінити об'ємом тіла, обмеженого площиною Оху, графіком розподілу локальних ККВ та горизонтально - проекціюючою циліндричною поверхнею, у якої напрямна збігається із контуром фігури G. На рис. 9 наведено схему дискретизації графіка, а на рис. 10 відсік тіла у випадку інтегрування по прямокутнику { 4 Ј x Ј 8; 3 Ј y Ј 5}

У результаті маємо формулу для обчислення інтегральних ККВ у виді

.

У третьому розділі наведено основні положення алгоритму оцінки величини теплового потоку, що випромінюється поверхнею обертання, шляхом обчислення відповідних інтегральних ККВ.

Алгоритм складається з наступних кроків.

Крок 1. У просторі фіксується положення факела випромінювання у вигляді поверхні обертання. Напрям осі обертання збігається з напрямком осі Oz глобальної системи координат Oxyz. Далі фіксуються положення всіх площин PK, яким належать фігури GK - приймачі теплового випромінювання. На першому етапі дослідження вважається, що фігурами є звернені до факела грані паралелепіпедів (моделі будинків), тобто площини PK можуть розташовуватися паралельно або перпендикулярно його осі.

Крок 2. Для кожної з площин РК згідно з наведеними у роботі алгоритмах обчислюється "поле" значень локальних ККВ для прямокутника, що охоплює відповідну область GK, і будується графік ГК залежності значень локальних ККВ від положення поточної точки на площині РК. Тобто будується графік функції двох змінних, що має вид поверхні Y.

Крок 3. Довільний з отриманих графіків ГК функції двох змінних описується в локальній системі координат OKxy площини РК за допомогою пакета Table Curve 3D ver. 2 for Win 32 рівнянням h = FK (x, y).

Крок 4. У локальних координатах OKxy кожної з площин РК визначаються границі інтегрування, що відповідають фігурам GK. Враховується можливе взаємне затінення фігур, оскільки вони належать різним площинам.

Крок 5. Далі виконується інтегрування функцій FK (x, y) по областях - фігурах GK (чи їхніх частинах) і обчислюється сума всіх інтегралів. Геометричною мовою це означає визначення об'єму простору, обмеженого відповідною поверхнею Y, площиною РК і циліндричною поверхнею з напрямним контуром - границею фігури GK .

Крок 6. Розділивши суму отриманих значень інтегралів на площу видимої частини факелу полум'я, маємо значення інтегрального ККВ. У випадку еліпсоїда таким дільником може служити площа еліпса в осьовому перерізі еліпсоїда (S = abp, де a і b - півосі еліпса).

У результаті виконання описаного алгоритму буде отримана числова оцінка теплового потоку, що випромінює поверхня обертання і поглинається системою плоских фігур, у залежності від їх взаємного розташування.

Приклад 1. Нехай на площині Oxy маємо фігури, зображені на рис. 11. Необхідно оцінити теплові потоки, які досягатимуть кожної з них, за умови, що джерелом тепла є краплеподібна поверхня обертання (див. приклад розділу 2).

Форми фігур задамо за допомогою параметрів інтегрування:

G1 = { - 9 Ј x Ј -6; 2 Ј y Ј x + 11};

G2 = { - 6 Ј x Ј -2; 6 Ј y Ј 6 + Ц 4 - (x + 4)2};

G3 = { 0 Ј xЈ 5; 8 Ј y Ј10 }; G4 = { 6 Ј x Ј 9; 5 Ј y Ј 14 - x};

G5 = { 8 Ј x Ј 12; - Ц 4 - (x - 10)2 Ј y Ј Ц 4 - (x - 10)2};

При цьому графік розподілу локальних ККВ буде описано функцією , яку одержано за допомогою пакету Table Curve 3D. Далі оцінимо теплові потоки, які випромінюються факелом і досягають фігур {Gi} на площині Oxy. Для цього слід обчислити подвійні інтеграли вигляду із вказаними вище межами інтегрування. У результаті одержимо наступні значення інтегральних ККВ I1 = 0,0624825; I2 = 0,0810538; I3 = 0,0929655; I4 = 0,0432537; I5 = 0,1050599, що дозволяє здійснити ранжирування теплових потоків від поверхні факела.

Приклад 2. Порівняти теплові потоки, що діють від краплеподібного факела полум'я на три фігури, розташовані на "вертикальній" площині: прямокутник G1 : {20 Ј x Ј 30; -20 Ј y Ј -15}; трикутник G2 : {x і 20; y і 15; 40 - x - y і 0}; круг G3 : {22 - (x+20)2 - y2 і 0} (рис. 12), яка віддалена від осі факела на відстані z0 = 50 од.

Аналітичний опис графіка розподілу значень локальних ККВ здійснено за допомогою пакету Table Curve 3D . Для визначення інтегральних ККВ необхідно обчислити подвійні інтеграли виду

із вказаними вище межами інтегрування. У результаті одержимо наступні значення інтегральних ККВ I1 = 0,00851089; I2 = 0,0023289; I3 = 0,0027097, що також дозволяє здійснити ранжирування теплових потоків від поверхні факела.

У результаті обчислень прийшли до висновків. Форма факелу не впливає на величину теплового потоку у двох випадках: коли теплоприймач розташовано на горизонтальній площині на відстані, більшій 5d, або на вертикальній площині на відстані більшій 3d (при цьому відмінність становить 1 %), де через d позначено діаметр факела у максимальному перерізі.

В четвертому розділі представлено варіант можливого впровадження теоретичних положень дисертації. Показано, що одержані результати дозволяють створювати графічний редактор, спроможний визначати тепловий потік при променевій теплопередачі від факелу полум'я. Наголошується, що дисертацiя присвячена геометричним, а не пожежно-тактичним питанням стосовно гасіння пожеж на газопроводах. В нiй лише доводиться ефективнiсть запропонованих алгоритмiв геометричного моделювання променевої теплопередачі від поверхні обертання як факела полум'я до фігур на площині, адаптованих до вiдповiдних впроваджень.

У роботі здійснено геометричне моделювання та чисельний аналіз променевої теплопередачі під час пожежі на газопроводі, яка сталася у районі Залютіно м.Харкова, коли виник факел висотою 50 і діаметром 8 м (рис.13).

Друге дослідження у роботі виконано за наслідками пожежі на газопроводі “Новопсков - Аксай - Моздок”, що сталася у селищі Мала Вергунка Жовтневого району м. Луганська. Одержано графік значень інтегральних ККВ у залежності від місця виникнення віртуального факела полум'я на нитці газопроводу.

Наголошено, що головними питаннями, пов'язаними з тепловим випромінюванням факела, є надання рекомендацій стосовно мінімізації впливу на оточуючі споруди дії теплового потоку, який може завдати пожежа.

В роботі пропонується критерій, за яким можна оцінювати пожежну небезпеку газопроводів. А саме, пожежна небезпека аварії на газопроводі є величиною, яка пропорційна величині сумарного теплового потоку, що надходить на кожну зі звернених до пожежі поверхонь будівель. Інакше - небезпека є величиною, пропорційною сумі всіх інтегральних ККВ.

Маючи на увазі ці положення, постановку перспективних досліджень можна сформулювати у одному з наступних викладів.

Задача 1. Нехай задано розташування будинків населеного пункту та існуючу нитку траси газопроводу (рис. 15). Необхідно оцінити пожежну небезпеку у залежності від розташування віртуального факела полум'я в певних точках газопроводу. В результаті розв'язання задачі N 1 можна побудувати "графік пожежної небезпеки" (рис. 16), екстремальні точки якого наочно ілюструють ті ділянки газопроводу, де можлива аварія привела б до найбільшої (або до найменшої) площі пожежі, отже, і до найбільших збитків.

Задача 2. Нехай задано розташування будинків деякого населеного пункту. Необхідно обґрунтувати трасу нової нитки газопроводу, у тому числі, і за умови мінімальної пожежної небезпеки теплообмінної системи поверхонь із віртуальним факелом полум'я, який може виникнути у випадку аварії у певних точках газопроводу.

Розглянутий у роботі метод обчислення локальних ККВ дозволив розробити першу чергу інтерфейсу програмного продукту у вигляді графічного редактора (рис. 17). При цьому за прототип вдалого інтерфейсу обрано вікна графічного пакету, аналогічного 3D Studio. У вікнах Front i Top зображуються об'єкти за їх проекціями, а у вікні Camera01 маємо аксонометрію об'єктів для обраного положення спостерігача. У вікні Light01 зображуються об'єкти, коли точка спостереження “розташована” на поверхні факела полум'я.

Результати роботи впроваджено в УДПО при створенні комп'ютерної системи прогнозування наслідків віртуальних аварій на газопроводах.

ВИСНОВКИ

У дисертації наведено теоретичне узагальнення і нове розв'язання наукової задачі, що виявляється в реалізації радіально-паралельної проекції даної поверхні як обвідної сім'ї радіально-паралельних проекцій її перетинів площинами рівня, що дозволяє одержати на картинній площині наближений обрис радіально-паралельної проекції поверхні, та започаткування на базі цього методу оцінки теплового потоку, який випромінюється поверхнею обертання (типовою формою поверхні факелу полум'я). Зокрема, створено теоретичну основу комп'ютерних програм обчислення локальних і інтегральних кутових коефіцієнтів випромінювання (ККВ) для розрахунку променевої теплопередачі від поверхні обертання. При цьому отримані наступні результати, що мають наукову і практичну цінність.

1. Форми типових поверхонь факелів полум'я при пожежах на газопроводах можна класифікувати як поверхні обертання.

2. Описи RP- проекцій фігур рівня, еліпсоїда обертання та поверхні краплеподібної форми можна здійснити у аналітичному вигляді.

3. Нове тлумачення операції RP-проекціювання полягає у побудові фігури, контур якої є обвідною сім'ї RP-проекцій перетинів площинами рівня даної поверхні просторового геометричного об'єкта, що дозволяє одержати на картинній площині наближений обрис його радіально - паралельної проекції.

4. Універсальність алгоритму обчислення локальних ККВ досягається завдяки двом його модифікаціям, розробленим у роботі (для поверхні обертання довільного профілю та для її осевого перетину).

5. Універсальний алгоритм обчислення інтегральних ККВ базується на геометричному моделюванні процесу інтегрування функції розподілу локальних ККВ по області даної фігури .

6. Реалізація роботи виконана в УДПО у організаціях, які обслуговують газове господарство, що підтверджується довідкою про використання запропонованої у роботі методики.

ОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ ДИСЕРТАЦІЇ ОПУБЛІКОВАНО У ТАКИХ РОБОТАХ:

1. Салтовец В.И., Попов В.М., Тимченко И.В. Теоретические исследования процессов теплообмена объектов с распределенными параметрами // Проблемы пожарной безопасности. Харьков.: ХИПБ МВД Украины, 1993.- С. 302-304

2. Салтовец В.И., Яковлева Р.А., Попов В.М., Семкив О.М., Попов Ю.В. Оценка воздействия теплового потока от факела пламени на деревянные образцы, обработанные различными огнезащитными составами // Проблемы пожарной безопасности. Харьков:ХИПБ МВД Украины, 1998. Вып.4. - С.169-171

3. Попов В.М. Обчислення значень локальних кутових коефіцієнтів випромінювання для кулі // Труды / Таврическая государственная агротехническая академия.- Вып. 4. Прикладная геометрия и инженерная графика. -Т. 10. - Мелитополь: ТГАТА,. - 1999 - С. 112-115

4. Попов В.М. Опис в аналітичному вигляді радіально-паралельної проекції просторового об'єкта // Проблемы пожарной безопасности. Харьков: ХИПБ МВД Украины, 1999. Вып. 6. - С. 126-130

5. Попов В.М. Метод оцінки теплового потоку, що випромінюється еліпсом як факелом полум'я // Проблемы пожарной безопасности. Харьков: Фолио, 2000. Вып. 7. - С. 163-167.

6. Попов В.М. Оцінка теплового потоку, що випромінюється еліпсоїдом обертання як факелом полум'я // Проблемы пожарной безопасности. Харьков: Фолио, 2000. Вып. 8. - С. 131-134.

7. Попов В.М., Шпильовий Р.В. Оцінка теплового потоку, що випромінюється факелом полум'я // Проблемы пожарной безопасности. Харьков: Фолио, 2001. Вып. 10. - С. 140-146.

8. Салтовец В.И., Попов В.М., Остапенко Н.С. Особенности геометрии при теплообмене между объектами с распределенными параметрами // Сучасні проблеми геометричного моделювання. Харків: ХІПБ МВС України, 1998. Ч. 4. - С. 56 - 58.

9. Попов В.М. Алгоритм визначення теплового потоку, який надходить від еліпсоїда як факела полум'я / Тезисы докладов Международной научно - практической конференции “Современные проблемы геометрического моделирования”. - Донецк: ДонГТУ. - 2000. - С. 93-95.

10. Попов В.М., Куценко Л.М., Семенова-Куліш В.В. Метод оцінки теплового потоку, що випромінюється еліпсоїдом як факелом полум'я. - Харків: ХІПБ МВС України, 2000. - 144 с.

У роботах, що виконані у співавторстві, особистий внесок здобувача наступний: [1, 2, 8] - виконав теоретичні дослідження процесів теплообміну об'єктів з розподіленими параметрами; [7] - склав алгоритм моделювання теплового потоку, що випромінюється факелом полум'я; [10] - зробив огляд методів та розробив дві версії алгоритму визначення теплового потоку від факела полум'я.

АНОТАЦІЇ

Попов В.М. Метод оцінки теплового потоку, що випромінюється поверхнею обертання як факелом полум'я. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.01.01 - прикладна геометрія, інженерна графіка. - Київський національний університет будівництва і архітектури, Київ, Україна, 2001.

Дисертація присвячена розробці методу оцінки теплового потоку, що випромінюється опуклою поверхнею обертання. Зокрема, створено основу комп'ютерних програм обчислення кутових коефіцієнтів випромінювання (ККВ) для розрахунку променевої теплопередачі від поверхні обертання. Сформульовано вимоги, яким повинна задовольняти комп'ютерна система визначення теплового поля навколо факела, утвореного в результаті променевого випромінювання. Розглянуто ключові положення методу обчислення теплового потоку, який базується на побудові радіально-паралельної проекції поверхні, що випромінює тепло. Показано, що за допомогою рівнянь у неявному вигляді можна описати радіально-паралельну проекцію опуклої поверхні обертання. Наведено можливе впровадження теоретичних положень дисертації на прикладах створення алгоритмів оцінки теплового потоку від поверхні обертання до кількох фігур на площині. Результати роботи було впроваджено в УДПО при створенні комп'ютерної системи прогнозування віртуальних аварій на газопроводах.

Ключові слова: променева теплопередача, кутові коефіцієнти випромінювання (ККВ), радіально-паралельна проекція (RP-проекція).

Попов В.М. Метод оценки теплового потока, излучаемого поверхностью вращения как факелом пламени. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.01.01 - прикладная геометрия, инженерная графика. - Киевский национальный университет строительства и архитектуры, Киев, Украина, 2001.

Диссертация посвящена разработке метода оценки теплового потока, который излучается выпуклой поверхностью вращения. В частности, создана основа компьютерных программ вычисления угловых коэффициентов излучение (УКИ) для расчета лучевой теплопередачи от поверхности вращения.

В диссертации рассмотрен путь к созданию графического редактора, способного определять интегральные угловые коэффициенты излучения (УКИ) при лучевой теплопередаче от факела пламени, ограниченного поверхностью вращения, к системе фигур на плоскостях, расположенных параллельно или перпендикулярно относительно его оси вращения.

Алгоритм состоит из следующих шагов.

Шаг 1. В пространстве фиксируется положение факела излучения в виде поверхности вращения. Направление оси вращения совпадает с направлением оси Oz глобальной системы координат Oxyz. Далее фиксируются положение плоскостей PK, которым принадлежат фигуры GK-приемники теплового излучения. Считается, что фигурами есть обращенные к факелу грани параллелепипедов (модели зданий), то есть плоскости PK могут располагаться или параллельно, или перпендикулярно его оси.

Шаг 2. Для любой из плоскостей РК вычисляется "поле" значений локальных УКИ для прямоугольника, который охватывает соответствующую область GK, и строится график ГК зависимости значений локальных ККВ от положения текущей точки на плоскости РК. То есть строится график функции двух переменных, имеющий вид поверхности Y.

Шаг 3. Любой из полученных графиков ГК функции двух переменных описывается в локальной системе координат OKxy плоскости РК. с помощью пакета Table Curve 3D уравнением h = FK (x, y).

Шаг 4. В локальных координатах OKxy любой из плоскостей РК определяются границы интегрирования, которые отвечают фигурам GK. При этом необходимо учесть возможное взаимное затенения фигур, поскольку они принадлежат разным плоскостям.

Шаг 5. Далее выполняется интегрирование функций FK(x, y) по областям - фигурам GK (или их частям) и вычисляется сумма всех интегралов. На геометрическом языке это означает определение объема пространства, ограниченного соответствующей поверхностью Y, плоскостью РК и цилиндрической поверхностью с направляющим контуром - границей фигуры GK

Шаг 6. Разделив сумму полученных значений интегралов на площадь видимой части факелу пламя, имеем значения интегрального УКИ.

В результате выполнения описанного алгоритма будет получена числовая оценка теплового потока, который излучает поверхность вращения и поглощается системой плоских фигур в зависимости от взаимного расположения факела и фигур.

Сформулированы требования, каким должна удовлетворять компьютерная система определения теплового поля вокруг факела, образованного в результате лучевого излучения. Рассмотрены ключевые положения метода вычисления теплового потока, основанного на построении радиально-параллельной проекции поверхности, излучающей тепло. Показано, что с помощью уравнений в неявном виде можно описать радиально-параллельную проекцию выпуклой поверхности вращения. Современные требования к созданию нового программного продукта предусматривают его интерфейс в виде графического редактора. При этом необходимо сделать так, чтобы пользователь вводил в компьютер графическую информацию о "сюжете сцены" преимущественно при помощи мыши. В работе в качестве прототипа удачного интерфейса выбран известный графический редактор 3D Studio. Результаты работы введено в УГПО при создании компьютерной системы прогнозирования виртуальных аварий на газопроводах.

Ключевые слова: лучевая теплопередача, угловые коэффициенты излучения (УКИ), радиально-параллельная проекция (RP-проекция).

Popov V.M. An Estimation Technique for the Thermal Flow Radiated by a Surface of Revolution as by a Flame Torch. - Manuscript.

A dissertation for the degree of candidate of technical sciences in field 05.01.01 - applied geometry, engineering graphics. - The Kyiv National University of Construction and Architecture, Kyiv, Ukraine, 2002.

The dissertation is dedicated to developing an estimation technique for the thermal flow radiated by a convex surface of revolution. In particular, a basis for computer programs calculating angular emissivities to compute the radiative heat transfer from a surface of revolution was created. The requirements, a computer system determining the thermal field around the torch formed as the result of radiative radiation should comply with, were stated. The dissertation analyses the key points of a thermal flow calculation technique based upon building a radial-parallel projection of a heat-emitting surface. The implicit equations were shown to be suitable for describing a radial-parallel projection of a surface of revolution. The dissertation presents a possible implementation of its theoretical results on the basis of creating algorithms for estimating the thermal flow from a surface of revolution to several figures in the plane. The dissertation results were implemented while creating a computer gas-main virtual accident prediction system in the State Fire Service Departments.

Key words: the radiative heat transfer, view factor, angular emissivities, radial parallel projections (RP-projections).

Размещено на Allbest.ru

...