Александр Нуянзин, Сергей Поздеев, Виталий Нуянзин – Исследование адекватности математической модели тепломассообмена в печи для испытаний огнестойкости несущих стен

Авторы: Александр Нуянзин, Сергей Поздеев, Виталий Нуянзин

Автор перевода: Комаха С. Н.
Источник: Металлургическая и горнодобывающая промышленность No.8 — 2016

Александр Нуянзин, Сергей Поздеев, Виталий Нуянзин Целью проведения исследований данной операции является изучение адекватности математического модели топочных печей для их дальнейшего использования при исследовании влияния конструктивных характеристик пожарных печей по их метрологическим показателям.

Аннотация

Целью проведения исследований данной операции является изучение адекватности математического модели топочных печей для их дальнейшего использования при исследовании влияния конструктивных характеристик пожарных печей по их метрологическим показателям. Для достижения цели, испытания на огнестойкость опорная стенка проводилась в испытательном центре и данные по прогреву камеры печи и тестируемого фрагмента получены.

Результаты. Математическая модель топки, в которой проводились испытания, была создана в программная среда компьютерной системы ДВЖ FlowVision 2.5, с помощью которой вычисляются эксперимент был проведен. Опираясь на результаты вычислительного эксперимента и огневых испытаний, критерии адекватности (критерий Стьюдента, Q-критерий Кохрена, критерий F-отношения). На основе Анализ, адекватность используемых математических моделей была исследована

Научная новизна. Применение вычислительных экспериментов для проектирования новых печей и улучшения параметров функциональных для испытаний по огнестойкости несущих стен получил дальнейшее развитие.

Практическая значимость заключается в применении результатов работ для проектирования и строительства. новых установок для испытания несущих стен с целью достижения однородности температурное поле на нагретых поверхностях конструкций в камере печи и, как следствие, повышение эффективности испытаний на огнестойкость как основы для совершенствования существующей нормативной базы и создание новых для испытаний указанных конструкций на огнестойкость.

Ключевые слова: компьютерное моделирование, адекватность математической модели, ПОДШИПНИКОВАЯ СТЕНКА, ПРОТИВОПОЖАРНЫЕ ИСПЫТАНИЯ, ДИНАМИКА ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ЖИДКОСТИ (ДВЖ), FLOWVISION 2.5

Вступление

Усовершенствование установок по огнестойкости испытания строительных конструкций является актуальной проблемой, потому что в существующих лабораториях, пожарные печи такие конструкции существенно различаются по геометрической конфигурации, типу топливно-инжекторной системы, схеме расположения и конструкции измерительных принадлежностей. Оно может привести к тому, что различные испытательные установки могут дать результаты, которые отличаются на 30% и более. В этом случае это невозможно гарантировать соответствие лимитов огнестойкости испытуемых конструкций к действующим стандарты. В этом случае безопасность людей и материальных ценностей в зданиях и сооружениях может значительно снизиться. Чтобы не проводить дорогостоящие тесты на учебу этого вопроса, есть возможность выполнить такие исследования на основе результатов вычислений эксперименты. Современное программное обеспечение по моделированию тепловые процессы с помощью вычислительной жидкости. Динамика (ДВЖ) позволяет учесть все необходимое параметры исследуемых процессов и изучения влияние геометрических и конструктивных характеристик печи для испытаний железобетонных конструкций на качество полученных данных. Целью этих исследований является изучение адекватность математических моделей печей для их дальнейшего использования в случае изучения влияния Конструктивные характеристики пожарных печей на их метрологические показатели.

Методы Для достижения цели в испытательном центре огнестойкости проводятся испытания несущей стены в соответствии с [1] проводились и данные по прогреву камера печи и исследуемый фрагмент получен. Математическая модель пожарной печи был создан. В данной модели проводятся испытания в программной среде компьютерной системы CFD FlowVision 2.5, выполненные средства, из которых был проведен вычислительный эксперимент были проведены. Опираясь на результаты вычислений экспериментальные и огневые испытания, критерии адекватности (критерий Стьюдента, критерий Кохрена, критерий F-отношения) рассчитывается. На основании проведенного анализа, изучена адекватность используемых математических моделей. В работах [2, 3] преимущества применения методы вычислительной гидродинамики (ДВЖ) за научные исследования в области моделирования испытаний на огнестойкость строительных конструкций представил. Также в этих работах была описана возможность применения одной из программных систем CFD FlowVision 2.5 от компании Tesis. С использованием Алгоритм, описанный в указанных работах, был созданы геометрические и математические модели вертикальная пожарная печь, на которой проводились испытания. Геометрическая конфигурация топки для испытаний огнестойкости несущих стен на рисунке 1 Созданные геометрические модели импортируются в среда программного комплекса FlowVision для создание аналитической модели. Основные принципы его создание следующие: 1) как основной инструмент создания модели и при проведении вычислительного эксперимента используется программный комплекс «FlowVision 2.5»; 2) в ходе вычислительного эксперимента, конвективный и радиационный теплообмен поверхности испытуемые конструкции и пространство камеры печь считается; 3) модель термопары в виде стержень длиной 100 мм и диаметром 6 мм предусмотрено в камерах с учетом конвективных и радиационный теплообмен

Рисунок 1. Геометрическая конфигурация установки печи для испытаний на огнестойкость несущих стен: 1 - несущая стена; 2 - обшивка печи; 3 - область вдувания; 4 - область инжектора; 5 - поверхности, интерфейс которых; 6 - область выхода продукта горения, 7 - модель термопары.

После ввода параметров модели, подрайон Топочная камера сопряжена с конструкцией и термопара. Кроме того, общие параметры, такие как ось гравитации, устойчивость Куранта-Фридрихса-Леви критерий [5] и т. д. 3) модель термопары в виде стержень длиной 100 мм и диаметром 6 мм предусмотрено в камерах с учетом конвективных и радиационный теплообмен. Следующий этап состоял в создании сетевой модели печи. Метод контроля применяемые в программном комплексе объемы имеют определенные особенности (рисунок 2).

Рисунок 2. Сеточная модель площади вертикальной печи: а - вид по оси Y; б - вид по оси Х; c - смотреть вдоль ось Z; д - адаптивная сетка для термопары (вид на боковую поверхность термопары)

Численное интегрирование уравнений по пространственным координатам осуществляется с использованием прямоугольной, адаптивной и локально уточненной сетки. На одном С другой стороны, такой подход позволяет использовать простую форму неадаптивная сетка при выполнении задач по достаточно простой геометрии. С другой стороны, в курсе решения задач со сложной геометрией существует возможность осуществлять адаптацию сетки к особенностям геометрии, близкой к граничным условиям, и в случае решения задач с непрерывными потоками, адаптация по значениям анализируемых функций, их градиентам и т. д. Процедура локальной доработки сетки на поле адаптации предполагает последовательное распределение: от начальная, каждая предыдущая ячейка на 4 ячейки меньшего размера (в трехмерном случае в 8) для выполнения состояние адаптации (например, достижение указанная точность расчета градиента рассматриваемая функция). Существует прямо пропорциональная зависимость между точность расчета и количество вычислительных ячеек, а также обратно пропорциональная зависимость происходит между количеством клеток и временем расчет. Поэтому необходимо найти баланс между необходимой точностью расчета и время, которое будет потрачено на расчет. Для расчета конвективного и радиационного тепла обмен поверхности термопары и пространства В топочной камере адаптивная сетка для термопары значительно улучшена (рис. 2, д). Адаптация в термопаре формируется для этой цели. Для рассмотрения особенности, которая заключается в наличии моделей термопар, двухэтапной адаптации создается сначала из 1 уровня пространства цилиндра и 1 уровень пространства термопары подрайона; состоит из термопары с радиусом 0,01 м и 0,12 м в высоту. Проведение вычислительного эксперимента состоит в инициализации процесса горения с температурой мониторинг в модели термопары таким способом что температурный режим его нагрева точно соответствует температуре стандартной кривой пожара [1]. Для этого средства управления системы FlowVision снимают непрерывные данные с термопары в интерактивном режиме, и, в случае достижения максимальная температура, для этого шага временные параметры процесса горения изменены. Тогда процедура изменение параметров процесса горения повторяется для следующий временной интервал. В то же время данные о температура поверхности, армирующего слоя и центра железобетонных изделий за этот интервал записано.

В ходе эксперимента контроль температуры проводился таким образом, чтобы температурный режим нагрев термопары точно соответствует температуре стандартная кривая пожара и не превышала допустимых пределов испытания [1]. Для этого средства управления системы FlowVision 2.5 снял непрерывные данные от термопары в интерактивном режиме, и, в случае достижения максимальной температуры, для На этом этапе временные параметры процесса горения были изменилось. Для проведения вычислительного эксперимента с использованием из созданных математических моделей печей, наблюдаются последовательности процедур расчета, описанных ниже: 1) инициализация процесса горения с минимальным глобальным шагом по времени; 2) визуализация значения температуры термопары и сравнение контроля за временным шагом тесты (наилучшее выбранное значение 10 с); 3) установление более грубого шага через 0,05 с; 4) достижение температуры, соответствующей стандартный температурный режим пожара для текущий временной интервал, угасание процесса горения установка соответствующих граничных условий; 5) установление еще более грубого шага после выгорание всех частиц топлива (определяется температура пламени) до следующего интервала времени; 6) повторение оценочных процедур для следующего временного интервала; 7) контроль температуры в конструкции и объеме печи при проведении расчета выполняется в точках контроля (рисунок 4 и рисунок 5). На рисунке 3 представлена ??схема расположения термопар для контроля температурного режима в камере печи.

Рисунок 3. Схема расположения термопар для контроль температурного режима в топочной камере: Т1-6 - термопары; 1 - термопара; 2 - горелка; 3 - отверстие для удаления продуктов горения

В случае моделирования испытаний, геометрическая конфигурация печи, которая максимально точно воспроизводит параметры камеры реальной установки насколько это возможно (рис. 1). Температура была контролируется в 4 точках топочной камеры, на расстоянии 100 мм от испытуемого образца. Координаты области контроля температуры соответствуют координатам расположение термопар 1-6 (рисунок 3) в камера реальной установки. Контроль температуры выполнен таким образом, что средняя температура в топочной камере точно соответствует температуре стандартной кривой пожара и не превышает допустимые пределы испытаний [1]. Кроме того, модель термопары в виде стержня диаметром 6 мм и длина 100 мм предусмотрены в камере моделируемой установки для исследования инертности работы печных термопар. Результаты Термический процесс - сжигание керосина. частицы распыляются соплом в нагревательных каналах (рисунок 1) и частично в топочной камере. раскладка каналов вызывает циркуляцию горячего воздуха с продуктами сгорания в камере печи и удаление последнего через дымовое отверстие. Показатели температуры регистрировались каждую секунду для достижения необходимой точности в течение создание диаграмм. На рисунках 4 и 5 температурные кривые нагрева камер виртуальных и реальных печей.

Рисунок 4. Температурные кривые нагрева зоны камеры моделируемой печи: Т1-6 - температуры в местах термопар с соответствующими номерами; Тup, Tlow - предельные кривые отклонений показателей термопар от стандартная температурная кривая пожара [1]

Рисунок 5. Температурные кривые нагрева камеры зоны печи согласно протоколу испытаний: 1-6 - температура термопар с соответствующим номером; Тup, Tlow - предельные кривые отклонений показателей термопары от стандартной температурной кривой пожара [1]

Проверка адекватности проводится на основе экспериментальная информация, полученная в результате пожара испытания фрагмента строительной конструкции; во время этого эксперимент, интересные процессы наблюдаются [6]. Для проверки адекватности результатов моделирования, таких Критерии адекватности были использованы: - Проверка F-отношения. С помощью теста Фишера можно проверить гипотезу о равенстве основных дисперсий, разброс температур в каждую минуту испытаний. Дисперсия адекватности рассчитывалась как отклонение расчетных и экспериментальных данных по каждая термопара экспериментальной установки и соответствующее место измерения температуры в модели. В созданной модели 6 мест контроля температуры одинаковы, как и во время эксперимента. Данные о каждая термопара расчета сравнивалась с экспериментальными термопарами. Таким образом, 6 значений дисперсии адекватности получены. Дисперсия воспроизводимости была рассчитана как отклонение расчетной температуры области напрямую вблизи моделируемой термопары и показания моделируемой термопары с учетом экспериментальной ошибка [1]. Таким образом, мы альтернативно сравниваем 6 значений дисперсии адекватности, дисперсии воспроизводимости и рассчитать F-коэффициент теста. - критерий Стьюдента применяется для сравнения результатов реальных и вычислительных экспериментов. При расчете дисперсии воспроизводимости получено 6 значений критерия как отклонение расчетной температуры области непосредственно вблизи моделируемой термопара и показания моделируемой термопары с учетом погрешности эксперимента [1]. - Кохрен Q-критерий (определение выбросов и квазиэмиссии): Q-критерий используется при сравнении трех и больше выборов одинакового объема. Мы альтернативно сравнили дисперсии между экспериментальными и вычислительные данные в расположении каждой термопары до 2 дисперсий между симметричными точками в случай эксперимента (2 пары термопар относительно продольной оси симметрии). 6 значений критерий были получены. Результаты сведены в таблицу

Таблица. Параметры разброса результатов математического моделирования огневых испытаний несущей стены из экспериментальных данных

Научная новизна и практическая значимость. Применение вычислительных экспериментов для проектирования новых печей и улучшения параметров функциональные для испытаний на огнестойкость несущие стены получили дальнейшее развитие.

Выводы

Опираясь на результаты вычислительного эксперимента в программная среда компьютерной системы CFD FlowVision 2.5 и пожарные испытания, критерии адекватности (Критерий Стьюдента, критерий Кохрена, критерий F-отношения) были рассчитаны. Ни одно из значений критериев не превышает допустимые значения, что показывает эффективность моделирования тепловых процессов для его дальнейшего использования в случае изучение влияния конструктивных характеристик топки по своим метрологическим показателям.

Исследование адекватности математической модели тепломассообмена в печи для испытаний огнестойкости несущих стен

Аннотация

Вступление

Выводы

Список использованной литературы