Автореферат (Водопленочный защитный экран от теплового излучения пожара пролива нефтепродуктов на железнодорожной сливоналивной эстакаде), страница 2

Получена номограмма для определения плотности лучистого тепловогопотока при пожаре пролива нефтепродуктов, падающего на обогреваемуюсторону водопленочного защитного экрана, расположенного на пожарной вышкена нормативном расстоянии от железнодорожных путей эстакады, в зависимостиот высоты и скорости ветра.3. Определены конструктивные и гидравлические параметры водопленочного защитного экрана, эффективность которых подтверждена результатами огневых испытаний опытного образца.Теоретическая и практическая значимость работы заключается:- в возможности использования предложенной совокупности моделейвычислительной гидродинамики для обоснования необходимости примененияпротивопожарных преград на объектах нефтепродуктообеспечения;- в возможности использования полученной номограммы для предварительного планирования оперативно-тактических действий пожарных подразделений5при тушении пожаров пролива нефтепродуктов на железнодорожных сливоналивных эстакадах;- в возможности применения разработанного экрана для защиты оператора,работающего на пожарной вышке со стационарным лафетным стволом,от теплового излучения пламени при пожаре пролива нефтепродуктов.Методология и методы исследования.

В процессе выполнения работыиспользованы методы математического моделирования, физического эксперимента, наблюдения, сравнения, нахождения эмпирической зависимости на основематематической обработки экспериментальных данных, описания и обобщения.Информационной основой исследования являлись отечественные и зарубежныелитературные, правовые и нормативные источники, материалы расследованийпожаров с участием железнодорожных цистерн, а также научноисследовательских работ в области разработки теплозащитных экранов.Положения, выносимые на защиту:- результаты анализа последствий пожаров с участием цистерн с нефтепродуктами и нормативных требований к системе противопожарной защиты железнодорожных сливоналивных эстакад;- результаты численного моделирования пожара пролива бензина на эстакаде при ветровом воздействии с учетом геометрических характеристик железнодорожной цистерны, находящейся над очагом пожара;- конструктивные и гидравлические параметры водопленочного защитногоэкрана;- методика и результаты проведения огневых испытаний опытного образцаводопленочного защитного экрана.Степень достоверности полученных результатов подтверждается:удовлетворительной сходимостью результатов численного моделирования и экспериментального исследования горения бензина в противне диаметром 1 м;использованием аттестованной измерительной аппаратуры, апробированныхметодик измерения и обработки экспериментальных данных; внутреннейнепротиворечивостью результатов и их согласованностью с данными другихисследователей.Материалы диссертации реализованы при разработке:- конструкторской документации на серийное производство водопленочныхзащитных экранов, устанавливаемых на пожарных вышках железнодорожныхсливоналивных эстакад для защиты ствольщика от теплового излучения пожарапролива нефтепродукта;- учебника для бакалавров, лекции, практического и семинарского занятийпо дисциплине пожарная безопасность технологических процессов в АкадемииГПС МЧС России.Основные результаты работы доложены на: II Международной научн.практич.

конф.: «Современные пожаробезопасные материалы и технологии»(Иваново, Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России, 2018);Научн.-практич. конф. «Школа молодых ученых и специалистов МЧС России62018» (Москва, Академия ГПС МЧС России, 2018); 27-ой Международная научн.технич. конф.: «Системы безопасности – 2018» (Москва, Академия ГПС МЧСРоссии, 2018); VI Всероссийской научн.-практич. конф.: «Актуальные вопросысовершенствования инженерных систем обеспечения пожарной безопасностиобъектов» (Иваново, Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧСРоссии, 2019); Международной научн.-практич. конф.: «Проблемы правовогорегулирования обеспечения пожарной безопасности на современном этапе и путирешения – 2019» (Москва, Академия ГПС МЧС России, 2019); XI Всероссийскойнаучн.-технич.

конф. с международным участием «Процессы горения, теплообмена и экологии тепловых двигателей» (Самара, Самарский нац. исслед. унив.им. С.П. Королева, 2019).Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 научных работ,из них 3 статьи в рецензируемых журналах из перечня ВАК.Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав,заключения, списка литературы и приложения. Содержание работы изложенона 132 страницах текста, включает в себя 10 таблиц, 66 рисунков, список литературы из 144 наименований.ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении обоснована актуальность темы работы и степень ее разработанности, сформулированы цель, задачи, объект и предмет исследования, показана научная новизна работы, ее теоретическая и практическая значимость,представлены методология и методы исследования, а также степень достоверности и апробация результатов.В первой главе «Пожарная опасность и способы обеспечения пожарнойбезопасности железнодорожных сливоналивных эстакад» представлена характеристика железнодорожных сливоналивных эстакад нефти и нефтепродуктови особенностей проводимых технологических операций, приведены примерыпожаров железнодорожных цистерн с нефтью и нефтепродуктами, а такжевыполнен анализ требований нормативных документов к системе противопожарной защиты железнодорожных сливоналивных эстакад.Во второй главе «Пожар пролива нефтепродуктов на железнодорожнойсливоналивной эстакаде при ветровом воздействии» приведен обзорисследований по определению плотности падающего лучистого тепловогопотока при пожарах пролива нефти и нефтепродуктов, обоснована совокупностьмоделей вычислительной гидродинамики для решения данной задачи, а такжепредставлены результаты численного моделирования пожара пролива бензинана железнодорожной сливоналивной эстакаде.Для обоснования требований, предъявляемым к водопленочным защитнымэкранам, устанавливаемым на пожарных вышках железнодорожных сливоналивных эстакад, необходимо определить плотность падающего на экран лучистоготеплового потока при пожаре пролива нефтепродуктов.7Проведение натурных экспериментов для достижения поставленной целисвязано с большими трудностями и высокой опасностью для жизни и здоровьяих участников.

Способы, применяемые в существующих методиках по определению параметров процессов горения нефтепродуктов, не позволяют получитьдостоверные результаты, так как реализованы на основании эмпирическихи полуэмпирических методов и не учитывают влияние геометрических характеристик железнодорожной цистерны, находящейся над очагом пожара пролива,на структуру пламени. Необходимо отметить, что процессы горения, образованиясажи, теплового излучения пламени и его рассеяния в атмосфере отличаютсясложным взаимным влиянием, которые учесть в рамках упрощенных аналитических соотношений практически невозможно. Все это определило необходимостьиспользования для решения поставленной задачи методов численного моделирования на основе пакетов вычислительной гидродинамики (CFD пакеты).При таком подходе сложная взаимосвязь тепло- и массообменных процессов,сопровождающих развитие пожара, учитывается посредством совместного решения дифференциальных уравнений переноса массы, импульса, энергии и турбулентных характеристик.Для моделирования пожара пролива и прогнозирования плотности лучистого потока на расстоянии 15 м от железнодорожных путей эстакады использовалсяодин из современных пакетов вычислительной гидродинамики ANSYS Fluent,содержащий широкий набор верифицированных моделей, обеспечивающих получение точных результатов.В основе моделирования турбулентного диффузионного горения лежитсистема уравнений Навье-Стокса для многокомпонентной реагирующей среды.Указанная система содержит уравнения неразрывности, переноса компонентов,импульса и энергии: u j 0,tx j(1)Y u jY  Y Ra , r ,tx jx j Sc x j(2) uui ui u jp   ui u j  2  ij   ktx jxi x j   x j xi  3 xkrh u j h p   h F j ,tx jt x j Pr x j x j8   gi , (3)(4)где  – плотность; t – время; u j – проекция вектора скорости на ось x j ;x j – координата; Y – массовая доля i-го компонента смеси; Sc – число Шмидта;R a , r – источниковый член химической реакции для α-го компонента; p – давление;  – коэффициент молекулярной динамической вязкости;  ij – символКронекера; g i – проекции вектора ускорения свободного падения на координатные оси; h – массовая энтальпия; Pr – число Прандтля; F jr – радиационныйтепловой поток в направлении оси x j .Турбулентные флуктуации учитывалась с использованием модели DES(Detached Eddy Simulation).

Эта модель является альтернативой моделям турбулентности RANS (Reynolds Averaged Navier-Stokes) и модели LES (Large EddySimulation) и применяется для расчета пристеночных течений с обширнымиотрывными зонами, для которых модели RANS не способны обеспечить приемлемую точность, а модель LES требует чрезмерно больших вычислительных затрат.Сущность модели турбулентности DES заключается в использовании моделейRANS в пограничном слое и модели LES вдали от стенок.Уравнения, используемые в модели турбулентности LES, получают путемфильтрации характеристик реального турбулентного течения по времениот коротковолновых неоднородностей.

Данный процесс позволяет отфильтроватьвихри, масштабы которых меньше размера фильтра или локального размерарасчетной сетки. Отфильтрованная переменная определяется по формуле: x     xG( x; x)dx ,(5)Dгде  – актуальная переменная; D – объем расчетной области; G – функцияфильтра; x – координата рассматриваемой точки потока.Процессы горения учитывались с использованием модели EDM (EddyDissipation Model). Рассматриваемая модель была разработана Магнусеноми Хьертагером для моделирования процессов горения, в которых скоростьхимической реакции определяется временем смешения реагентов на молекулярном уровне (числа Дамкелера Da >>1).

Таким образом, скорость химическойреакции пропорциональна времени смешения крупных вихрей, которое зависитот кинетической энергии турбулентности k и скорости ее диссипации  .Скорость образования α-го компонента в r-ой реакции R ,r определяласьиз соотношений:R ,r  min R ,r ( react) , R ,r ( prod)  ,R ,r ( react)    ,r M w, A9 Y ,min  kM ,r w, (6)(7)R ,r ( prod)    ,r M w, ABYPkPN jM w, j,(8)jгде   и   – стехиометрические коэффициенты для реагентов и продуктовгорения; A и B – эмпирические константы, соответственно равные 4,0 и 0,5;M w – молярная масса;  и P – индексы, характеризующие реагенты и продуктыгорения.В модели турбулентности LES турбулентная скорость смешения  / kв выражениях (7) и (8) заменяется подсеточной скоростью смешения, определяемой по формуле:1(9) sgs 2Sij Sij ,где Sij – тензор скоростей деформации.Для прогнозирования излучения применялась модель DO (DiscreteOrdinates), которая охватывает весь диапазон оптических толщин и позволяетмоделировать тепловое излучение пламени.Интегро-дифференциальное уравнение лучистого переноса (RTE)для поглощающей, излучающей и рассеивающей среды в положении r и направлении s имеет вид: dI (r , s )T 4  s 4    (10) (a   s ) I (r , s )  an 2I (r , s )( s  s )d  ,ds4 0где I – интенсивность излучения; r – вектор положения; s – вектор направления; s  – вектор направления рассеивания; s – длина пути; a – коэффициентпоглощения; n – показатель преломления;  s – коэффициент рассеивания; – постоянная Стефана-Больцмана; T – температура; Φ – фазовая функция;Ω´ – телесный угол.Показатель поглощения принимался в зависимости от температур, характеризующих четыре зоны с различными термодинамическими параметрамигазовой среды и концентрацией сажи.

Характеристики указанных зон, температурные диапазоны и значения показателя поглощения представлены в таблице 1.Таблица 1 – Значения показателя поглощенияХарактеристика зонывоздухПреобладающийсажакомпонент:продукты сгоранияв газовой фазеЗона химической реакции10Температурныйдиапазон, К[273, 573)[573, 923)Показательпоглощения, м-10,0201,035[923, 1413)0,404[1413, 1653]0,380Образование сажи учитывалось с использованием модели Moss-Brookes,которая решает уравнения переноса для приведенной концентрации радикалов*зародышей сажи bnucи ее массовой доли Ysoot :Ysoot     uYsoot      t Ysoot   dM ,t  soot dtгде Ysoot(11)  *1 dN**  ,(12)bnuc   ubnuc    t bnuct  nuc N norm dt– массовая доля сажи; М – массовая концентрация сажи; N – чис-*ло частиц сажи в единице объема; N norm – число частиц, равное 1015; bnuc– приве*денная концентрация радикалов зародышей: bnuc N /( N norm) .Для определения зависимости массовой доли прекурсора сажи (ацетилена)от переменной смешения применялся редуцированный кинетический механизмгорения н-гептана в воздухе, учитывающий 770 обратимых элементарныххимических реакций между 159 реагирующими компонентами.