Автореферат (Методика прогнозирования скорости распространения фронта пламени при сгорании газовоздушного облака в открытом пространстве), страница 3

Так, например, при расчёте параметров взрыва необходимо учитывать закон изменения СРФП во времени.В экспериментах использовалась пропановоздушная смесь стехиометрического состава (концентрация горючего 4,5 %(об.)). Взрывы проводилисьв протяжённой камере длиной 4,12 м, имеющей квадратное сечение со стороной 0,16 м. В первой серии экспериментов камера с открытыми торцами делилась на три части с помощью выдвижных панелей (рисунок 8).Рисунок 8 – Схема экспериментальной камеры,использовавшейся при проведении первой серии экспериментовПропан закачивался в центральную часть объёмом Vц = 0,0205 м3, создавая смесь стехиометрического состава. Смесь зажигали электрическим искровым разрядом в разных точках (Т1 – в центре; Т2 – на границе смеси;13Т3 – в точке, расположенной вне облака).

В момент зажигания смеси выдвижные панели вынимались из камеры.Во второй серии экспериментов камера делилась на две части. Левый торец камеры открыт, а правый – закрыт. При проведении экспериментов пропановоздушной смесью заполнялась правая часть камеры двух объёмов:Vк1 = 0,00064 м3; Vк2 = 0,0128 м3.

Зажигание смеси осуществлялось электрической искрой у закрытого торца камеры в точке Т4 (рисунок 9). В момент зажигания смеси панель, разделяющая камеру, вынималась.Рисунок 9 – Схема экспериментальной камеры, использовавшейсяпри второй серии экспериментовПроцесс распространения пламени фиксировался на скоростную видеокамеру (240 кадров/с). На рисунке 10 представлен процесс распространенияпламени в первой серии экспериментов при зажигании смеси постоянно искрящим источником в точке Т3, расположенной вне облака.12345678Рисунок 10 – Кадры процесса распространения пламени в камере:1 – момент воспламенения смеси; 2 – через 54,34 мс после воспламенения смеси;3 – через 96,14 мс; 4 – через 133,76 мс; 5 – через 175,56 мс; 6 – через 213,18 мс;7 – через 254,98 мс; 8 – через 292,60 мс14После раскадровки видео строились зависимости изменения СРФП отвремени и координаты.

На рисунке 11 показаны скоростные характеристикифронта пламени, полученные дифференцированием полиномной зависимости,описывающей положения фронта пламени во времени.Рисунок 11 – Динамические параметры фронта пламени:а) зависимость скорости пламени от времени; б) зависимость скорости пламениот координатыИз полученных данных делали выводы о максимальной СРФП, а такжео законе движения фронта пламени (на каком расстоянии фронт пламени ускоряется, движется постоянно, замедляется).В результате выполненных экспериментов установлено, что при зажигании в центре газового облака (точка Т1) СРФП в два раза больше, чем при егозажигании на границе (точка Т2).

При дрейфе газового облака (в первой серииэкспериментов точка зажигания Т3 располагалась вне газового облака) или егоперемещении в результате диффузии и отсутствии турбулизаторов смеси СРФПпочти не ускоряется и движется со средней скоростью ϑнε (здесь: ϑн – нормальная скорость горения; ε – степень расширения продуктов сгорания). Поэтомудефлаграционный взрыв характерен только скоротечными тепловыми нагрузками. Максимальное расстояние пройденное пламенем составляло не болееRПЛ = 0,75Rобε (здесь Rоб – радиус газового облака). Разгон пламени происходитна расстоянии 0,3RПЛ.

Далее, на протяжении 0,55RПЛ, фронт пламени движетсяс постоянной скоростью (если отсутствуют турбулизаторы и если пламя не автотурбулизируется) и на расстоянии 0,15RПЛ пламя замедляется и перестаётраспространяться.На основе теории гидродинамики и распространения пламени полученаформула для расчёта СРФП. Было принято допущение, что распространениепламени подобно течению жидкости в гладких трубах и коэффициент температуропроводности в газовой смеси пропорционален коэффициенту гидравличе15ского трения. Тогда турбулентный режим возможен, когда одно из приведённых соотношений больше единицы:р тαт λт~ > 1;~> 1,(2)αл λлкр лгде αт и αл – турбулентный и ламинарный коэффициенты температуропроводности; λт и λл – турбулентный и ламинарный коэффициенты гидравлическоготрения; Reт и Reл – число Рейнольдса при турбулентном и ламинарном режимах; Rр – длина пути разгона пламени от места воспламенения; Rкр – расстояниеперехода горения в турбулентный режим.Для течения жидкостей отношение λт / λл пропорционально изменениючисла Рейнольдса:λт т 3/4~() .(3)λл лИз соотношений (2) и (3) можно определить турбулентный коэффициенттемпературопроводности:3р 4αт = αл ( ) .кр(4)Скорость распространения пламени по Я.Б.

Зельдовичу определяетсяскоростью передачи тепла и скоростью химической реакции:αϑ=√ ,τ(5)где α – коэффициент температуропроводности; τ = 1/k – характерное времяреакции; k – константа скорости химической реакции.Подставляя (4) в (5) получим формулу для определения СРФП, не возмущённой внешним влиянием:3ϑнвр 8= ϑн ε ( ) ,кр(6)где ϑн – нормальная скорость горения; ε – степень расширения продуктов сгорания.Эта формула учитывает физико-химические и газодинамические свойствагорючей смеси.Для определения расстояния, через которое горение перейдет в турбулентный режим (Rкр), были рассмотрены основные режимы горения (ламинарный, турбулентный, детонационный) и определены числа Рейнольдса дляламинарного (ReЛ) и детонационного (ReД) горения, так как именно для этихрежимов хорошо известны параметры горения газовых смесей:16Л =ϑmin кр;0(7)ϑд ∆,д(8)Д =где ϑmin – видимая скорость распространения пламени (ϑmin = ϑн ε); ν0 – кинематическая вязкость газовой среды; ϑд – скорость движения продуктов детонациина фронте детонационной волны; ∆ – размер (ширина) детонационной ячейки;νд – кинематическая вязкость газовой среды детонации.Кинематическая вязкость газовой среды в значительной мере зависит отдавления и пропорциональна ~ (P)3/2, то есть:ф3/2д = 0 ( изб )0,(9)фгде изб – избыточное давление на фронте детонационной волны; P0 – атмосферное давление.Если принять, что в какой-то момент времени значения числа Re в выражениях (7) и (8) становятся равными, то с учётом выражения (9) можно получить формулу для определения критического расстояния, на котором горениепереходит в турбулентный режим:кр =ϑд ∆взр 3/2ϑн ε (атм ).(10)Расчётные значения скорости пламени, полученные по формуле (6), сравнивались со значениями, полученными по методике В.И.

Макеева (а), базирующейся на обработке результатов экспериментальных исследований горенияводородовоздушной смеси, и по методике Д.З. Хуснутдинова (б), основаннойна математическом анализе результатов многочисленных аварийных взрывовГВС (таблица 3).Таблица 3 – Сравнение результатов расчёта СРФПГорючая смесьВодородовоздушнаяЭтиленовоздушнаяМетановоздушнаяПропановоздушнаяСкорость распространения пламени, м/сСуществующий методРазработанный метод272 (а)30538,36 (б)496,4 (а)5,811,2 (б)15,4 (а)16,619,1 (б)17Удовлетворительная сходимость результатов расчётов позволяет сделатьвывод о возможности применения формулы (6) для определения СРФП привзрывах ГВС на открытых территориях.В четвёртой главе «Верификация усовершенствованной методики прогнозирования скорости распространения фронта пламени при сгорании газовоздушной смеси на основе сравнительного анализа результатов расчёта с последствиямиреальных аварийных взрывов». Рассмотрены аварийные взрывы, произошедшиена заводе «Нипро Кемикл Плант» (Англия, 1974 г.) и в 2010 г.

на 2169 км участкагазопровода «Нижневартовск–Курган–Куйбышев». По рассматриваемым методампрогнозирования СРФП было выполнено сравнение результатов расчётовс последствиями реальных аварийных взрывов.Из описания аварии на заводе «Нипро Кемикл Плант» следует, что врезультате разгерметизации трубопровода с циклогексаном в открытом пространстве образовалось облако массой паров 56 т с последующим взрывнымгорением.

По оценкам экспертов, такие последствия могли быть при взрыве 32т тротила, что эквивалентно 8 т циклогексана. На рисунке 12 показаны зоныразрушений зданий и сооружений на территории завода от взрыва ГВС.а)б)Рисунок 12 – Разрушение зданий и сооружений на заводе «Нипро Кемикл Плант»от поражающих факторов взрыва облака паров циклогексана:а) фотография после взрыва (1974 г.); б) план-схема разрушений зданий и сооруженийПо исходным данным, полученным экспертами в ходе расследования аварии, были рассчитаны параметры взрыва по методикам, рассматриваемым впервой главе работы. Особое внимание уделялось расчёту СРФП.СРФП, рассчитанную по методикам МЧС и Ростехнадзора, будем именоватьвариантом I, по методике Д.З.

Хуснутдинова – вариантом II, по разработанной внастоящей работе – вариантом III.Так, по варианту I СРФП составила 300 м/с, а по вариантам II и III – 277,6и 174 м/с соответственно. В таблице 4 приведены результаты расчётов избыточного давления и импульса фазы сжатия на различных расстояниях от меставзрыва.18Таблица 4 – Сравнение результатов расчётов по трём вариантамОпределяемыевеличины100P1, кПаIуд1, Па∙с72,13219,4P2, кПаIуд2, Па∙с74,83250,2P3, кПаIуд3, Па∙с29,73489,6Расстояние от центра взрыва, м200300400800ϑ1 = 300 м/с (Вариант I)29,816,110,95,11734,21202,5893,0433,0ϑ2 = 277,6 м/с (Вариант II)44,931,523,811,71965,71369,91039,2511,2ϑ3 = 174 м/с (Вариант III)17,912,89,95,12110,11498,71157,8599,9110032003,9312,0-8,38364,32,61114,03,7438,51,3149,2Анализ полученных результатов расчётов позволил установить, что вовсех вариантах могли иметь место разрушения зданий и сооружений, которыепроизошли при взрыве.

Даже по варианту III, несмотря на то, что рассчитаннаяскорость пламени существенно меньше, разрушения будут такими же.Проанализирована другая авария, произошедшая на участке газопровода«Нижневартовск–Курган–Куйбышев». В результате разгерметизации газопровода в открытом пространстве поступило 29,6 т пропана. При достижении облаком источника зажигания произошло взрывное сгорание пропановоздушнойсмеси. В результате была выжжена значительная часть территории, полностьюсгорел автомобиль, а находившиеся в нём люди погибли (рисунок 13). Приэтом отсутствовали характерные для взрыва признаки – разрушенные или повреждённые здания, сооружения, коммуникации, расположенные вблизи образовавшегося взрывоопасного облака.Рисунок 13 – Фотография с места аварии после локализации пожара (2010 г.)Восстановив сценарий аварии согласно рассматриваемым методикам,получили по варианту I скорость распространения пламени 200 м/с, по вариантам II и III – 70,8 и 62,7 м/с соответственно.

Параметры взрыва для различныхрасстояний приведены в таблице 5.19Таблица 5 – Результаты расчёта параметров взрыва по трём вариантамОпределяемыевеличиныP1, кПаIуд1, Па∙сP2, кПаIуд2, Па∙сP3, кПаIуд3, Па∙сРасстояние от центра взрыва, м200300400ϑ1 = 200 м/с; (Вариант I)35,523,717,213,447562335,515111111,4ϑ2 = 70,8 м/с; (Вариант II)6,64,13,02,33334207214941165ϑ3 = 62,7 м/с; (Вариант III)5,33,22,31,85307118971370107210010005,2425,21,04980,8463Из приведённых в таблице 5 значений видно, что давление взрыва по варианту I почти в 5–6 раз отличается от вариантов II и III. Дефлаграционныйвзрыв, рассчитанный по вариантам II и III, сопровождается слабым избыточным давлением и характеризуется только скоротечными тепловыми нагрузками, что как раз и наблюдалось в этой аварии. Если бы сценарий взрыва развивался по варианту I, то имели бы место и разрушения соседних зданий, сооружений.Анализ рассматриваемых аварий привел к выводу, что предлагаемаяметодика более реалистично описывает процесс распространения фронтапламени при взрыве газовоздушного облака.Заключение содержит констатацию основных научных и практическихрезультатов работы.

В приложениях представлены акты внедрения результатов диссертационной работы, код программы, а также свидетельства о регистрации программы для ЭВМ.ЗАКЛЮЧЕНИЕ1. В результате анализа значений основных параметров взрыва, рассчитанных по методикам, математически описывающим дефлаграционный взрыв,установлено, что они дают схожие результаты при одинаковой СРФП. Основное различие заключается в методе определения СРФП. Для одного и того жесценария взрыва ГВС методики прогнозирования СРФП дают существенноразные значения.2. Разработана математическая модель фототеплового воспламенения дляопределения показателей пожаровзрывоопасности газовых смесей, основаннаяна законах химической кинетики и термодинамики.