Теплофизика. Прогнозирование опасных факторов пожара

УДК 614
ББК 30Н
 
Г67
Рецензенты:
кандидат физико-математических наук В. Г. Сазонов, доцент кафедры  
Естественно-научных и математических дисциплин Московской государственной  
академии водного транспорта — филиал ФГБОУ ВО «ГУМРФ имени адмирала С.О. Макарова»;
кандидат технических наук В.В. Смирнов, доцент кафедры комплексной  
безопасности в строительстве НИУ МГСУ
 
         Горев, В.А.
Г67  
Теплофизика. Прогнозирование опасных факторов пожара [Электронный ресурс] : учебнометодическое пособие / В.А. Горев, Е.Ю. Челекова ; Министерство науки и высшего образования Российской Федерации, Национальный исследовательский Московский государственный 
строительный университет, кафедра комплексной безопасности в строительстве. — Электрон. 
дан. и прогр. (1,3 Мб). — Москва : Издательство МИСИ – МГСУ
, 2020. — Режим доступа: http://
lib.mgsu.ru/Scripts/irbis64r91/cgiirbis64.exe?C21COM=F&I21DBN=IBIS& P21DBN=IBIS. — Загл. 
с титул. экрана.
 
 
ISBN 978-5-7264-2141-4 (сетевое)
 
 
ISBN 978-5-7264-2140-7 (локальное)
Учебно-методическое пособие содержит основные рекомендации по выполнению практических работ и курсовой работы по дисциплине «Теплофизика», а также практических работ по дисциплине «Прогнозирование опасных факторов пожара». Изложены теоретические сведения по дисциплинам «Теплофизика» и «Прогнозирование опасных факторов пожара», даны примеры выполнения расчётов по тематике 
практических занятий в составе указанных дисциплин. Приводятся методические советы по оформлению 
и выполнению курсовой работы, а также по решению практических заданий.
Для обучающихся по направлению подготовки 20.03.01 Техносферная безопасность.
Учебное электронное издание
© Национальный исследовательский 
Московский государственный 
строительный университет, 2020

Редактор, корректор А.А. Космина
Компьютерная правка и верстка О.А. Ивановой
Дизайн первого титульного экрана Д.Л. Разумного 
Для создания электронного издания использовано:
Microsoft Word 2010, Adobe InDesign CS6, ПО Adobe Acrobat
Подписано к использованию 04.02.2020 г. Объем данных 1,3 Мб.
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего образования 
«Национальный исследовательский 
Московский государственный строительный университет».
129337, Москва, Ярославское ш., 26.
Издательство МИСИ – МГСУ
. 
Тел.: (495) 287-49-14, вн. 13-71, (499) 188-29-75, (499) 183-97-95.
E-mail: ric@mgsu.ru, rio@mgsu.ru

ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение......................................................................................................................................................................5
 Общие положения.
..................................................................................................................................................5
 Общие требования к выполнению курсовой работы..........................................................................................5
 Указания по оформлению текста.
..........................................................................................................................6
 Оформление формул и математических выражений.
..........................................................................................6
 Оформление таблиц.
...............................................................................................................................................6
Состав курсовой работы.
............................................................................................................................................7
 Организация подготовки и выполнения курсовой работы.................................................................................7
 Структура курсовой работы.
..................................................................................................................................7
1.Теплофизика. Уравнение теплопроводности и примеры его решения...............................................................8
 1.1. Постановка задачи о теплопроводности.......................................................................................................8
 1.2. Термически толстое тело..............................................................................................................................10
 1.3. Термически тонкое тело.
...............................................................................................................................15
 1.4. Случай плоской пластины Fo ≥ 0,5 .
............................................................................................................19
2. Тепловые потоки на поверхности конструкции.
................................................................................................24
 2.1. Природа тепловых потоков.
..........................................................................................................................24
 2.2. Теплообмен при вынужденной конвекции.
.................................................................................................25
 2.3. Теплообмен при естественной конвекции..................................................................................................24
 2.4. Лучистый теплообмен...................................................................................................................................26
 2.5. Теплообмен при кипении.
.............................................................................................................................28
 2.6. Кипение в переходном режиме....................................................................................................................31
3. Прогнозирование опасных факторов пожара.
....................................................................................................40
 3.1. Общие сведения.............................................................................................................................................40
 3.2. Методика решения задач.
..............................................................................................................................40
 
3.2.1. Расчёт критических значений опасных факторов пожара...................................................................40
 3.2.2. Расчёт массы сгоревшего материала.
.....................................................................................................41
 3.2.3. Расчёт материального баланса в горящем помещении........................................................................42
 3.2.4. Расчёт критического времени наступления ОФП. Расчёт коэффициента теплопотерь.
...................44
 3.2.5. Расчёт критического времени наступления ОФП для кругового распространения 
пламени и для постоянной площади горения (зонная модель).....................................................................47
Список использованной литературы.
......................................................................................................................51
Приложение...............................................................................................................................................................52
 Теплопроводность в газах.
...................................................................................................................................52
 Теплоёмкость газов.
..............................................................................................................................................54
 Вязкость газов.......................................................................................................................................................55

ВВЕДЕНИЕ
Представленное учебно-методическое пособие к практическим занятиям и выполнению курсовой работы/курсового проекта по дисциплине «Теплофизика» и «Прогнозирование опасных факторов пожара» разработано на кафедре «Комплексная безопасность в строительстве» НИУ МГСУ для 
обучающихся по направлению 20.03.01 Техносферная безопасность, профиль «Пожарная безопасность».
При разработке учебно-методического пособия авторы стремились учесть отличительные особенности курса «Теплофизика» для обучающихся по указанному профилю по отношению к традиционному курсу «Строительная теплофизика». Эти отличия выражаются в рассмотрении процессов, 
происходящих при более высоких температурах, характерных для пожаров и постпожарных ситуаций. В поле зрения авторов попали также теплофизические процессы, вызывающие формирование 
ситуаций, характерных для техногенных аварий.
Перечисленные особенности и отличия от традиционного курса «Строительная теплофизика» 
потребовали сформировать и рассмотреть ряд задач. Краткий перечень этих задач включает определение температурного режима для строительных конструкций из металла, бетона и других материалов в условиях воздействия тепловых потоков от излучателя с высокой температурой и в условиях 
конвекции при контакте с горячими газами; охлаждение строительных конструкций и технологического оборудования, включая резервуары с горючими жидкостями, с помощью орошения водой, 
в том числе тонкораспылённой. 
По курсу «Теплофизика» рассматриваются задачи с испарением криогенных горючих жидкостей. Этот процесс важен при формировании аварийных ситуаций.
Рассматривается, в том числе, и кипение на металлических поверхностях, когда большой вклад 
в теплообмен даёт переходный режим, в ходе которого теплообмен уменьшается с ростом температурного напора.
По курсу «Прогнозирование опасных факторов пожара» рассматриваются задачи, связанные 
с нахождением массы выгоревшего материала, критического времени достижения предельно допустимых значений опасных факторов пожара; определения коэффициента теплопотерь. 
Учебно-методическое пособие нацелено на конкретную помощь в решении поставленных задач 
путём рассмотрения примеров решения комплексных задач теплообмена с учётом различных механизмов теплообмена, радиации, конвекции, кипения.
Основным методическим подходом выступает выбор и осмысленный физический анализ процессов, происходящих в изучаемой системе. В частности, большое внимание уделено рассмотрению 
условия реализации теплообмена по режиму термически тонкого и термически толстого тела, а также режимам с большим числом Фурье, когда теплообмен носит регулярный характер и существует 
определённая связь средней температуры, которая ищется в тепловом балансе, и температурой поверхности, через которую осуществляется теплообмен.
Авторы надеются, что представленное учебно-методическое пособие принесёт пользу обучающимся в освоении курса «Теплофизика» и будет полезно при изучении таких дисциплин как «Огнестойкость строительных конструкций», «Надёжность технических систем и техногенный риск». 
Авторы с благодарностью примут замечания и советы по содержанию материала учебно-методического пособия. 
ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Общие требования к выполнению курсовой работы
Курсовая работа должна соответствовать ряду обязательных требований: самостоятельность исследования; анализ литературы по теме исследования; логичность изложения, аргументированность 
выводов и обобщений; научно-практическая значимость работы. 
Вариант задания на курсовое проектирование выдаётся руководителем (как правило, преподаватель, ведущий занятия в соответствующей учебной группе). 
Обучающийся должен регулярно посещать консультации у руководителя в соответствии с планом-графиком выполнения работы, предоставлять ему материал, согласовывать содержание и ход 
выполнения намеченных в плане-графике этапов, устранять указанные руководителем недостатки. 
5

Курсовая работа выполняется по вариантам задания и состоит из расчётной и графической частей.
В расчётной части определяются тепловые потоки и температуры поверхности тел и конструкций, а также температура среды. Графическая часть состоит из схематического изображения постановки здания, иллюстрации процессов при кипении, конвекции и радиационном тепловом потоке. 
В обязательном порядке строятся графики изменения температуры и тепловых потоков в зависимости от времени. Графическая часть выполняется без ссылок на ГОСТы, но в масштабе с указанием 
деления шкалы и размерностей величин.
Указания по оформлению текста
Текст пояснительной записки (ПЗ) должен быть представлен в распечатанном виде. Параметры 
полей страницы: верхнее, нижнее — 20 мм, левое — 30 мм, правое — 10 мм. Текст печатается на 
одной стороне писчей бумаги белого цвета формата А4 (210×297 мм) в редакторе Word for Windows 
гарнитурой (шрифтом) Times New Roman через 1,5 (18 пт) интервала. 
Основной текст должен быть набран кеглем 14 пт; дополнительный, включая таблицы, подрисуночные подписи, литературу и др., — кеглем 12 пт; головки таблиц и условные обозначений рисунков — 10 пт. Таблицы должны быть набраны в редакторе Word или Excel. 
Нумерация страниц должна быть сквозная. Номера страниц ставятся в середине верхнего поля. 
Первой страницей считается титульный лист. На нём номер страницы не ставится. 
Разделы должны иметь порядковые номера в пределах всей ПЗ, обозначенные арабскими цифрами без точки и записанные с абзацного отступа. Подразделы должны иметь нумерацию в пределах каждого раздела. Номер подраздела состоит из номеров раздела и подраздела, разделённых точкой. В конце номера подраздела точка не ставится. Разделы, как и подразделы, могут состоять из 
нескольких пунктов. 
Разделы, подразделы текста должны иметь заголовки. Заголовки должны чётко и кратко отражать содержание разделов, подразделов. Заголовки следует печатать с прописной буквы без точки в 
конце, не подчёркивая. Переносы слов в заголовках и аббревиатуры не допускаются. 
Расстояние между заголовками раздела, подраздела и текста — два интервала. Каждый раздел 
текста ПЗ рекомендуется начинать с новой страницы. 
Текст ПЗ должен быть кратким, чётким и не допускать различных толкований. 
В ПЗ должны применяться научно-технические термины, обозначения и определения, единицы 
физических величин (СИ), их наименования, установленные стандартами, а при их отсутствии — 
общепринятые в научно-технической литературе. 
При оформлении ссылок на литературный источник ссылка в тексте даётся в квадратных скобках, где указывается номер источника по списку литературы к ПЗ. При упоминании в тексте какого-либо автора работы необходимо указать сначала инициалы, фамилию, затем в квадратных скобках — номер по списку литературы к ПЗ.
Оформление формул и математических выражений
Все формулы и буквенные обозначения набираются в редакторе формул Microsoft Equation. 
В формулах в качестве символов следует применять обозначения, установленные соответствующими стандартами. Формула должна располагаться по центру строки и отделяться от текста на 
6 пт сверху и снизу, нумерация формул выравнивается по правому краю. Номер формулы (выражения) заключается в круглые скобки. Нумерация формул ведётся в пределах раздела. Номер формулы должен состоять из номера раздела и порядкового номера формулы, разделённых точкой, например (1.1) или, при сквозной нумерации, (1). 
Пояснения символов и числовых значений, если они не пояснены ранее в тексте, должны быть 
приведены непосредственно под формулой. Пояснение каждого символа следует давать с новой 
строки в той последовательности, в которой символы приведены в формуле (выражении). В этом 
случае после формулы запятая (,), первая строка пояснения должна начинаться со слова «где» без 
двоеточия после него. 
Оформление таблиц
Название таблицы должно отражать её содержание, быть точным и кратким. Название следует 
помещать над таблицей и выделять полужирным шрифтом. 
Если строки или графы таблицы выходят за формат страницы, её делят на части. При переносе 
части таблицы на ту же или другие страницы название помещают над первой частью таблицы. Над 
6

другими частями таблицы пишутся слова «Продолжение таблицы» с указанием номера (обозначения) таблицы, при этом повторяют её головку и боковик. 
Обозначение единицы физической величины общей для всех данных в графе или строке таблицы указывают после её наименования (через запятую). 
На все таблицы ПЗ должны быть приведены ссылки в тексте пояснительной записки. Текст и числовые значения величин в таблицах набираются с одинарным межстрочным интервалом и нулевым 
интервалом перед и после строк. 
СОСТАВ КУРСОВОЙ РАБОТЫ
Организация подготовки и выполнения курсовой работы
Основные этапы выполнения курсовой работы: получение индивидуального варианта задания, 
анализ исходных данных; изучение и описание физических процессов; составление плана работы; 
составление плана-графика выполнения работы; проведение расчётов, написание и оформление работы; представление работы научному руководителю. 
Исходные данные для выполнения курсовой работы принимаются из варианта задания и из справочной литературы. Они должны быть представлены в международной системе единиц (СИ). Наряду с единицами СИ, при необходимости в скобках указываются другие единицы. Например, «с (мин) 
или 60 с (1 мин)». 
При изучении и описании математической модели целесообразно процесс теплообмена в помещении рассматривать как в целом (систему дифференциальных уравнений), так и по отдельным конструкциям и средам, процессам (кипение, конвекция, излучение).
Структура курсовой работы
Курсовая работа должна включать задание на выполнение курсовой работы; титульный лист; 
оглавление (содержание); введение; основную часть; заключение (выводы); приложения (при необходимости); библиографию (список литературы). 
Оглавление должно содержать название разделов, подразделов, глав с указанием номеров страниц в тексте курсовой работы. 
Введение должно быть объёмом не более 0,5–1 страницы. 
Основная часть курсовой работы должна отражать: 
•
• описание исходных данных; 
•
• описание механизмов теплообмена и их различных режимов; 
•
• расчёты тепловых потоков и температур при смене режимов теплообмена; 
•
• анализ теплообмена и температур на начальной стадии при t → 0 и при смене режимов; а также при t → ∞.
В Заключении необходимо провести анализ результатов расчётов.