|
|
ВКР_Кудрявцев. Техносферная безопасность Отделение контроля и диагностики бакалаврская работа тема работы Математическое моделирование развития пожара в здании и определение времени эвакуации
1. Математическая постановка задачи Сформулированная выше задача сводится к решению следующей системы уравнений
𝜕𝜌
𝜕𝑡
+
𝜕
𝜕𝑥
1
(𝜌𝑈
1
) +
𝜕
𝜕𝑥
2
(𝜌𝑈
2
) +
𝜕
𝜕𝑥
3
(𝜌𝑈
3
) = 0
(2.2.1)
𝜌 (
𝜕𝑈
1
𝜕𝑡
+ 𝑈
1
𝜕𝑈
1
𝜕𝑥
1
+ 𝑈
2
𝜕𝑈
1
𝜕𝑥
2
+ 𝑈
3
𝜕𝑈
1
𝜕𝑥
3
) =
𝜕
𝜕𝑥
1
(𝜇
эфф
𝜕𝑈
1
𝜕𝑥
1
) +
𝜕
𝜕𝑥
2
(𝜇
эфф
𝜕𝑈
1
𝜕𝑥
2
) +
𝜕
𝜕𝑥
3
(𝜇
эфф
𝜕𝑈
1
𝜕𝑥
3
) −
𝜕𝑃
𝜕𝑥
1
(2.2.2)
𝜌 (
𝜕𝑈
2
𝜕𝑡
+ 𝑈
1
𝜕𝑈
2
𝜕𝑥
1
+ 𝑈
2
𝜕𝑈
2
𝜕𝑥
2
+ 𝑈
3
𝜕𝑈
2
𝜕𝑥
3
) =
𝜕
𝜕𝑥
1
(𝜇
эфф
𝜕𝑈
2
𝜕𝑥
1
) +
𝜕
𝜕𝑥
2
(𝜇
эфф
𝜕𝑈
2
𝜕𝑥
2
) +
𝜕
𝜕𝑥
3
(𝜇
эфф
𝜕𝑈
2
𝜕𝑥
3
) −
𝜕𝑃
𝜕𝑥
2
(2.2.3)
𝜌 (
𝜕𝑈
3
𝜕𝑡
+ 𝑈
1
𝜕𝑈
3
𝜕𝑥
1
+ 𝑈
2
𝜕𝑈
3
𝜕𝑥
2
+ 𝑈
3
𝜕𝑈
3
𝜕𝑥
3
) =
𝜕
𝜕𝑥
1
(𝜇
эфф
𝜕𝑈
3
𝜕𝑥
1
) +
𝜕
𝜕𝑥
2
(𝜇
эфф
𝜕𝑈
3
𝜕𝑥
2
) +
𝜕
𝜕𝑥
3
(𝜇
эфф
𝜕𝑈
3
𝜕𝑥
3
) −
𝜕𝑃
𝜕𝑥
3
− 𝜌𝑔
(2.2.4)
𝜌 (
𝜕𝐶
𝜕𝑡
+ 𝑈
1
𝜕𝐶
𝜕𝑥
1
+ 𝑈
2
𝜕𝐶
𝜕𝑥
2
+ 𝑈
3
𝜕𝐶
𝜕𝑥
3
) =
𝜕
𝜕𝑥
1
(𝜌𝐷
эфф
𝜕𝐶
𝜕𝑥
1
) +
𝜕
𝜕𝑥
2
(𝜌𝐷
эфф
𝜕𝐶
𝜕𝑥
2
) +
𝜕
𝜕𝑥
3
(𝜌𝐷
эфф
𝜕𝐶
𝜕𝑥
3
) + 𝑆
𝑐
(
2.2.5)
𝜌𝐶
𝑝
(
𝜕𝑇
𝜕𝑡
+ 𝑈
1
𝜕𝑇
𝜕𝑥
1
+ 𝑈
2
𝜕𝑇
𝜕𝑥
2
+ 𝑈
3
𝜕𝑇
𝜕𝑥
3
) =
𝜕
𝜕𝑥
1
(𝜆
эфф
𝜕𝑇
𝜕𝑥
1
) +
𝜕
𝜕𝑥
2
(𝜆
эфф
𝜕𝑇
𝜕𝑥
2
) +
𝜕
𝜕𝑥
3
(𝜆
эфф
𝜕𝑇
𝜕𝑥
3
) +
𝜕𝑃
𝜕𝑡
+ 𝑆
ℎ
(2.2.6)
𝜌 (
𝜕𝐾
𝜕𝑡
+ 𝑈
1
𝜕𝐾
𝜕𝑥
1
+ 𝑈
2
𝜕𝐾
𝜕𝑥
2
+ 𝑈
3
𝜕𝐾
𝜕𝑥
3
) =
𝜕
𝜕𝑥
1
(𝜇
эфф
𝜕𝐾
𝜕𝑥
1
) +
𝜕
𝜕𝑥
2
(𝜇
эфф
𝜕𝐾
𝜕𝑥
2
) +
𝜕
𝜕𝑥
3
(𝜇
эфф
𝜕𝐾
𝜕𝑥
3
) +
𝐺 − 𝜌𝜀 + 𝑃
𝑘
,
(2.2.7)
26 где
𝑃
𝑘
=
𝜌𝑔
𝑇
𝑢
3
′
𝑇
′
(
2.2.8)
𝜌 (
𝜕𝜀
𝜕𝑡
+ 𝑈
1
𝜕𝜀
𝜕𝑥
1
+ 𝑈
2
𝜕𝜀
𝜕𝑥
2
+ 𝑈
3
𝜕𝜀
𝜕𝑥
3
) =
𝜕
𝜕𝑥
1
(𝜇
эфф
𝜕𝜀
𝜕𝑥
1
) +
𝜕
𝜕𝑥
2
(𝜇
эфф
𝜕𝜀
𝜕𝑥
2
) +
𝜕
𝜕𝑥
3
(𝜇
эфф
𝜕𝜀
𝜕𝑥
3
) +
𝜌
𝜀
𝐾
(𝐶
1𝑒
𝑃
𝑘
+ 𝐶
3𝑒
𝐺 + 𝐶
2𝑒
𝜀) где C
1e
=1.44, C
2e
=1.92 и C
3e
=1.0. Радиационный перенос учитывается с помощью введения источникового члена в уравнение энергии, для вычисления которого использовалось модифицированное приближение Immersol [19]. Отличие модели Immersol от известного и широко используемого в инженерных приложениях приближения заключается в наличии дополнительного коэффициента ослабления в результате влияния геометрии рабочего пространства на радиационный теплообмен (РТО). Для определения указанного коэффициента используется дифференциальное уравнение. При решении задач о возникновении лесных пожаров необходимо поставить начальные и граничные условия. Считаем, что в начальный момент времени параметры состояния среды совпадают с невозмущенными значениями
t=0: T = T
e
, u
1
= 0, u
2
= 0, u
3
= 0, c = 0;
(2.2.10)
𝑥
1
= −𝑥
1𝑒
: 𝑢
1
= 𝑉
𝑒
, 𝑢
2
= 0, 𝑢
3
= 0, 𝑇 = 𝑇
𝑒
, 𝑐 = 𝑐
𝑒
;
(2.2.11)
𝑥
1
= 𝑥
1𝑒
:
𝜕𝑢
1
𝜕𝑥
1
= 0,
𝜕𝑢
2
𝜕𝑥
1
= 0,
𝜕𝑢
3
𝜕𝑥
1
= 0,
𝜕𝑐
𝜕𝑥
1
= 0,
𝜕𝑇
𝜕𝑥
1
= 0;
(2.2.12)
𝑥
2
= −𝑥
2𝑒
:
𝜕𝑢
1
𝜕𝑥
2
= 0,
𝜕𝑢
2
𝜕𝑥
2
= 0,
𝜕𝑢
3
𝜕𝑥
2
= 0,
𝜕𝑐
𝜕𝑥
2
= 0,
𝜕𝑇
𝜕𝑥
2
= 0;
(2.13)
27
𝑥
2
= 𝑥
2𝑒
:
𝜕𝑢
1
𝜕𝑥
2
= 0,
𝜕𝑢
2
𝜕𝑥
2
= 0,
𝜕𝑢
3
𝜕𝑥
2
= 0,
𝜕𝑐
𝜕𝑥
2
= 0,
𝜕𝑇
𝜕𝑥
2
= 0;
(2.2.14) х
= Х
:
𝜕𝑢
𝜕𝑥
3
=0, i=1,2,3,
𝜕𝑐
𝜕𝑥
3
= 0,
𝜕𝑇
𝜕𝑥
3
= 0
(2.2.15) х 0: u
1
=0, u
2
=0, u
3
= v
3
(x
1
,x
2
), c=c(x
1
,x
2
), T=T(x
1
,x
2
)
(2.2.16) Значения функций в очаге зажигания на напочвенном покрове задаются в зависимости от времени.
𝑇 = Г, |𝑥
1
| < ∆𝑥, |𝑥
2
| < ∆𝑦
𝑇
𝑒
,
;
(2.2.17)
𝑣
3
= Г, |𝑥
1
| < ∆𝑥, |𝑥
2
| < ∆𝑦
0,
;
(2.2.18) В представленной выше системе уравнений, начальных и граничных условиях используются следующие обозначения t, x
i
– временная и пространственные координаты ρ – плотность среды , кг / м p – давление Т – температура газовой фазы c – массовые концентрации u
j
– компоненты вектора скорости в проекции на оси декартовой системы координат g – ускорение свободного падения ; G – скорость генерации кинетической энергии D
эфф
– эффективный коэффициент диффузии α
эфф
– эффективный коэффициент вязкости λ
эфф
– эффективный коэффициент теплопроводности
K – кинетическая энергия турбулентности ε – скорость диссипации энергии турбулентности P
K
– источниковый член в уравнении для k.
2.3 Метод решения Исследование процесса возникновения и развития лесных пожаров с помощью математической модели, основывается начисленном решении
28 системы дифференциальных уравнений в частных производных с соответствующими начальными и граничными условиями, которые зависят от конкретной задачи. Чтобы получить дискретные аналоги, нужно использовать различные численные методы. В результате получается система алгебраических уравнений, которая и называется дискретным аналогом. Для численного решения задачи описания процесса тепломассопереноса в заданной области применяем программное обеспечение PHOENICS [20], в котором используется метод контрольного объема. Метод контрольных объёмов — численный метод интегрирования систем дифференциальных уравнений в частных производных. Основная идея метода контрольного объема легко понятна и поддается прямой физической интерпретации. Расчетную область разбивают на некоторое число непересекающихся контрольных объемов таким образом, что каждая узловая точка содержится водном контрольном объеме. Дифференциальное уравнение интегрируют по каждому контрольному объему [21]. 2.4 Результаты решения задачи В рассматриваемой задачи задавался лесной пожар размером 50×25 ми деревянное строение размером 20×50×20. В данной работе в результате математического моделирования были получены границы, на котором следует расставлять деревянные постройки в зависимости от скорости ветра, чтобы не возникло возгорание. Из литературных источников было выявлено, что возгорание древесины происходит при температуре 300°C [21]. результате численного интегрирования получены поля температур для разных скоростей и при различных расстояниях постройки от лесного массива. Результаты представлены графически на рисунках для скоростей ветра 7, 9, 11 и
13 мс. Из рисунков видно, что изучалось влияние скорости ветра и расстояния, на котором следует располагать деревянные постройки, чтобы не случилось
29 возгорания. Результаты расчётов могут быть использованы для оценки теплового воздействия на здания, находящиеся в лесном массиве при лесных пожарах. Измерения стечением времени проводилось на кровле крыше, при этом данные записывали с наивысшим показателем температуры на данной линии рисунок 2.1) Рисунок 2.2– Линия измерения температуры на здании Вначале в ПО PHOENICS задавалась скорость ветра мс и расстояние от очага пожара 40 метров. Затем программу запускали для численного решения поставленной задачи. Распределение температур представлено на рисунке 2.2
30 Рисунок 2.3– Распределение поля температур и полей скорости, при скорости ветра мс и расстоянии 40 метров от очага пожара Из представленных данных на рисунке, температура в наивысшей точке составила С. Из чего можно сделать вывод что строение, находящее на расстоянии 40 метров при ветре мс подвергается возгоранию. Связи с этим нужно увеличить расстояние от очага пожара, передвинув строение еще на 10 метров.
31 Рисунок 2.4– Распределение поля температур и полей скорости, при скорости ветра мс и расстоянии 50 метров от очага пожара. Как видно из рисунка наивысший показатель температуры равен С, что означает расстояние 50 метров от очага пожара является безопасным. Дальше определение при скорости ветра мс. Начал измерение с расстояния 50 метров от очага пожара.
32 Рисунок 2.5– Распределение поля температур и полей скорости. при скорости ветра мс и расстоянии 50 метров от очага пожара. Данные на рисунке, показывают, что наивысшая температура равна Сиз чего можно сделать вывод что строение, находящее на расстоянии 50 метров при ветре мс подвергается возгоранию. Связи с этим увеличиваю расстояние от очага пожара, передвинув строение еще на 10 метров
33 Рисунок 2.6– Распределение полей температур при скорости ветра мс и расстоянии 60 метров от очага пожара. Поставив здание на расстоянии 60 метров от очага пожара, заметно поданным из рисунка что возгорание произойдет при температуре С что означает расстояние 65 метров будет безопасным для скорости ветра мс. Дальше аналогичном предыдущим расчетом делаем для скорости ветра мс. Расстояние не менял, оставив 60 метров от пожара. Рисунок 2.7– Распределение поля температур и полей скорости. при скорости ветра мс и расстоянии 60 метров от очага пожара.
34 Данные на рисунке, показывают, что наивысшая температура равна Сиз чего можно сделать вывод что строение, находящее на расстоянии 60 метров при ветре мс подвергается возгоранию. Связи с этим увеличиваю расстояние от очага пожара, передвинув строение еще на 10 метров. Рисунок 2.8– Распределение полей температур при скорости ветра мс и расстоянии 70 метров от очага пожара. Как видно из рисунка наивысший показатель температуры равен С, что означает расстояние 70 метров от очага пожара является безопасным расстоянием. Дальше определение при скорости ветра мс. Начал измерение с расстояния 70 метров от очага пожара. Рисунок 2.9– Распределение полей температур при скорости ветра мс и расстоянии 70 метров от очага пожара.
35 Как видно из рисунка наивысший показатель температуры равен С, что означает расстояние 70 метров от очага пожара является безопасным расстоянием. Получив распределения температур и скорости на поверхности здания, была построена зависимость температур на кровле здания размерами 20 ×50×20 метров для скоростей ветра от 7 до 13 мс. Результаты представлены на рисунке 9. Рисунок 2.10 – Распределение температуры на расстоянии 80 метров от очага возгорания А также нашли граничные расстояния, при которых произойдет возгорания при разных скоростях ветра. Рисунок 2.11– Зависимость расстояний от скорости ветра, при которых произойдет возгорание 200 250 300 350 400 450 40 50 60 70 Температура на кровле здания Расстояние до лесного массива от здания7м/с 9м/с 11м/с 13м/с 40 45 50 55 60 65 70 75 80 7 8 9 10 11 12 13 Расстояние от здания до очага возгорания Скорость ветрам с
36 Сделаем вывод исходя изданных численных расчетов. Проанализировав данные, можно сделать вывод
1. Безопасная граница для сооружения при ветре в 7 мс начинается с 45-47 метров
2. Безопасная граница для сооружения при ветре в 9 мс начинается с 61-62 метров
3. Безопасная граница для сооружения при ветре в 11 мс начинается с 66-67 метров
4. Безопасная граница для сооружения при ветре в 13 мс начинается с 68-69 метров.
37 3. Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение. 3.1 Оценка коммерческого потенциала и перспективности проведения научных исследований с позиции ресурсоэффективности и ресурсосбережения 3.1.1 Потенциальные потребители результатов исследования Суть выпускной квалификационной работы по теме Определение безопасных расстояний при воздействии лесных пожаров на здания и сооружения заключается в моделировании ситуации возгораний в лесу с помощью программного обеспечения PHOENICS и получении распределения температуры очага в объеме в разные моменты времени на всей определяемой зоне. Входе определения целей работы были определены следующие задачи
• выявить потенциальных потребителей результатов исследования
• сделать анализ конкурентных технических решений
• провести анализ
• распланировать структуру работы в рамках научного исследования
• определить трудоемкость работ
• разработать график проведения научного исследования
• рассчитать бюджет научно-технического исследования (НТИ);
• оценить эффективность исследования. Потенциальными потребителями результатов исследования могут быть специализированные организации по проектирование помещений, ГУ МЧС, прогнозирующие организации.
3.1.2 Анализ конкурентных технических решений Анализ конкурентных технических решений с позиции ресурсоэффективности и ресурсосбережения позволяет провести оценку сравнительной эффективности научной разработки и определить направления для ее будущего повышения, а также помогает вносить коррективы в научное исследование, чтобы повысить конкурентоспособность исследования.
38 Таблица 3.1 – Оценочная карта для сравнения конкурентных технических решений (разработки) Критерии оценки Вес критерия Баллы Конкурентоспособность
Бк1
Б
к2
Б
к3
К
к1
К
к2
К
к3 1
2 3
4 5
6 7
8 Технические критерии оценки ресурсоэффективности Удобство эксплуатации
0,07 3
2 4
0,21 0,14 0,28 Автоматический расчет уравнений программой
0,08 5
3 5
0,4 0,24 0,4 Простота эксплуатации
0,18 3
4 5
0,54 0,72 0,9 Качество интеллектуального интерфейса
0,1 4
4 5
0,4 0,4 0,5 Визуальное представление результатов
0,17 5
2 5
0,85 0,34 0,85 Экономические критерии оценки эффективности Конкурентоспособность продукта
0,09 4
3 3
0,36 0,27 0,27 Точность
0,14 5
5 5
0,7 0,7 0,7 Финансирование разработки
0,07 4
2 3
0,28 0,14 0,21 Цена лицензии
0,1 5
2 3
0,5 0,2 0,3 Итого
1 38 27 38 4,24 3,15 4,41 где К – програмное обеспечение HyperSuite (HYPER3D); К – программа Matlab, К – программное обеспечение PHOENICS. Таким образом, конкурентоспособность разработки составила 4,41, в то время как двух других программ (HyperSuite и Matlab) 4,24 и 3,15 соответственно. Результаты показывают, что данная научно-исследовательская разработка является конкурентоспособной и имеет преимущества по таким показателям, как простота эксплуатации, качество интеллектуального интерфейса.
39 3.1.3 анализ анализ применяют для исследования внешней и внутренней среды проекта. Он проводится в несколько этапов. Первый этап заключается в описании сильных и слабых сторон проекта, в выявлении возможностей и угроз для реализации проекта, которые проявились или могут появиться в его внешней среде. Второй этап состоит в выявлении соответствия сильных и слабых сторон научно-исследовательского проекта внешним условиям окружающей среды. Это соответствие или несоответствие должны помочь выявить степень необходимости проведения стратегических изменений. В рамках третьего этапа лежит составление итоговой матрицы SWOT- анализа. Результаты учитываются при разработке структуры работ, выполняемых в рамках исследования.
40 Таблица 3.2 – анализ Сильные стороны
научноисследовательского проекта С Более низкая стоимость, по сравнению с другими технологиями. С Использование современного оборудования С Наличие опытного руководителя. С Представление полученных результатов наглядно (графики, формулы, таблицы. С Актуальность программы Слабые стороны
научноисследовательского проекта Сл1. Отсутствие квалифицированных кадров для работы с программой.
Сл2. Время, затрачиваемое на расчет в программе и построение графиков (60-
100 минут.
Сл3. Отсутствие дополнительных функций в программе.
Сл4. Ограниченная область применения.
Сл5. Медленный процесс вывода на рынок новой технологии. Возможности В Повышение стоимости конкурентных разработок В Появление дополнительного спроса на новый продукт В Повышение уровня предотвращения загрязнения экосистем. В Повышение уровня оперативного реагирования спецслужб. В Повышение уровня локализации загрязнения.
- В результате низкой стоимости продукт могут позволить себе многие организации
- В результате использования современных технологий повысится скорость локализации экологического загрязнения
- При вышеперечисленных возможностях мы добьемся наглядного распространения загрязнения и его более быстрой локализации.
- При отсутствии навыков владения программой, результаты будут неточными или в корне неверны, вследствие чего модель распространения будет отличаться от действительной ситуации.
41 Продолжение таблицы 3.2 – анализ Угрозы У Неумение персонала пользоваться программой. У Появление конкурентов. У Появление новых технологий. У Отсутствие спроса на разработку. У Введение дополнительных государственных требований и сертификации на разработку. - Спрос программы не будет теряться из-за финансовой выгоды моделирования, в сравнении с экспериментальными методами прогнозирования, т.к. подобные методы опасны для экологии и несут колоссальные материальные затраты. - В силу малых затрат проекта представляется возможность вложения дополнительных денежных средств в развитие других услуг, таких как сертификация. - Расширить области применения разработки - Сократить время подсчета программой. Второй этап – выявление соответствия сильных и слабых сторон научно исследовательского проекта. Таблица 3.3 – Интерактивная матрица проекта Сильные стороны проекта Слабые стороны проекта C 1 C 2 C 3 C 4 C 5 Cл 1 Cл 2 л л Cл 5 Возможности проекта B 1 + - 0 - + + + + + 0 B 2 + - - + 0 - - - - 0 B 3 - + + + + 0 - - 0 - B 4 - + + + + 0 - - 0 - B 5 - + + + + 0 - - 0 - Угрозы проекта У + + + 0 - + - + - 0 У - + + - 0 + + 0 + + У 0 + + 0 - + + + + 0 У - + + - 0 + + + + 0 При анализе данной интерактивной таблицы можно выявить следующие коррелирующие • сильных сторон и возможностей В 1 С 1 С 5 , В 2 С 1 С 4 , В 3 В 4 В 5 С 2 С 3 С 4 С 5 ; • слабых сторон и возможностей В 1 С л1 С л2 С л3 С л4 ; • сильных сторон и угроз У 1 С 1 С 2 С 3 , У 2 С 2 С 3 , У 3 У 4 С 2 С 3 , У 5 С 2 С 5 ; • слабых сторон и угроз У 1 С л1 С л3 , У 2 С л1 С л2 С л4 С л5 , У 3 У 4 С л1 С л2 С л3 С л4 , У 5 С л5
42
|
|
|
Скачать 1.94 Mb.