Диссертация (Методика прогнозирования скорости распространения фронта пламени при сгорании газовоздушного облака в открытом пространстве), страница 4

Избыточное давление определяется по формуле:∆P = 0,97 ∙∆Pmax .(1.35)Изменение максимального давления ∆P и скоростного напора q соответственно от ∆Pmax и qmax на границе с 1-й зоной (R0 = R / R0 = 1,0) до значений∆Pmax и qmax на границе с 3 зоной (R = Rдог) аппроксимируется соотношением:∆∆∙*(+)где, параметры В, C, A, Rq, Nq и Cq зависят от видимой скорости пламени и определяются по таблице 1.2.Таблица 1.2 – Данные для определения параметров волны сжатия в зависимостиот скорости распространения фронта пламениСкоростьраспространенияфронта пламени,ϑ, м/с708090100110120130140150160170180190200210220230240250260КоэффициентыBCAqRqNqCq0,5760,6150,6100,5860,5680,5530,5670,5740,5550,5410,5550,5390,5500,5380,5280,5200,5130,5190,5140,5091,020,9930,9871,021,041,061,061,001,031,0381,041,051,041,061,071,081,091,081,091,101,731,971,792,031,862,141,972,342,141,961,792,572,262,011,791,621,471,341,231,143,744,874,355,755,127,086,219,688,146,945,9915,2511,078,496,825,694,904,323,883,551,091,121,091,131,1181,121,141,161,151,111,121,161,141,131,121,111,101,081,071,06–1,34-1,46-1,18-1,32-1,07-1,25-1,01-1,31-1,04-0,79-0,57-1,29-0,92-0,61-0,35-0,12+0,08+0,25+0,40+0,5325В [10, 14] представлены численные методики определения параметров волнсжатия при дефлаграционных взрывах в открытом пространстве, где используются два наиболее распространенных метода решения линейных уравнений, описывающих нестационарные газодинамические потоки: метод Фурье и численныйметод, в основу которого положена задача о распаде произвольного разрыва [17].При использовании метода Фурье для определения параметров волн сжатияпри дефлаграционных взрывах в открытом пространстве необходимо задаватьскорость потока на границе «огненного шара», что требует знания видимой скорости пламени.

Тогда взрывное давление и скорость потока в любой точке пространства определяются по соотношениям:*∙∙ ∑ ()∙∑∙∙+∑∙где k = 2π/(cT) – волновое число (T – характерное время);а – радиус монополя;с – скорость звука;r – расстояние от места воспламенения;∫∙∙– преобразование Фурье скорости потока на границе«огненного шара».Преимущество данного метода в том, что расчет может производиться дляпроизвольной точки пространства, т.е. без вычисления истории события в другихточках пространства. Кроме этого, линейная постановка задачи позволяет оценивать воздействие волн сжатия на препятствия без задания их подробной геометрии.Численный метод определения параметров волн сжатия при дефлаграционных взрывах в открытом пространстве сводится к системе нелинейных уравненийотносительно давления Р и скорости U среды в точке распада разрыва.

Данныевеличины определяют потоки массы M i ,i 1 и импульса I i ,i 1 , которыми обменива-26ются соседние расчетные ячейки i и i  1 .Расчет плотности и скорости среды в i-й ячейке в момент временипроизводится через значения плотности и скорости для предыдущегомомента временипо явной разностной схеме:∆{∙(∆)∙((1.39))Явные формулы для вычисления величин,приближенно описы-вают состояние среды в момент времени t + τ.

Если их принять за начальное состояние и опять провести расчет по явной численной схеме, то продвинемся повремени еще на величину τ. В итоге получим приближенное состояние для момента времени t + τ + τ и т.д.1.3.3 Методика определения скорости распространения фронта пламенипри дефлаграционных взрывах в открытом пространствеИз предыдущих выражений следует, что для определения параметров волнысжатия необходимо знать значение скорости распространения фронта пламенидефлаграционного взрыва.

Строгое определение значения видимой скорости пламени невозможно из-за влияния на него большого количества факторов и неопределенности начальных условий, что характерно для всех аварийных ситуаций.Однако основные закономерности, присущие поведению скорости распространения фронта пламени дефлаграционного взрыва, можно определить заранее.В [18, 19] на основании экспериментальных данных взрыва водородовоздушной смеси, выполненных во ВНИИПО (в том числе и при полигонных испытаниях), было получено соотношение для определения скорости распространенияфронта пламени в зависимости от начального радиуса взрывоопасного облака:∙ (√∙)27где н – нормальная скорость горения ГВСr0 –радиус сферического облака, м;ν – коэффициент кинематической вязкости, м2/с.Аналогично структуре формулы (1.40) в работе [10] было получено соотношение, связывающее скорость распространения фронта пламени (при распространении пламени по сфере в неограниченном пространстве) с пройденным пламенем путѐм (путь разгона) Rр и размером детонационных ячеек ∆:∙ ∙(√ ∙∆∙)где – степень расширения продуктов сгорания.В методике [20] определение скорости распространения фронта пламениосновано на обобщении многочисленных экспериментальных данных и анализепоследствий аварийных взрывов.

В ней факторы, влияющие на видимую скоростьпламени, условно делятся на две группы: факторы, общие для всех ГВС, и факторы, индивидуальные для каждого вида ГВС. И увеличение значения скоростипламени с увеличением расстояния Rр от места взрыва (разгон пламени) определяется по следующей экспертной формуле:∙∙∙∙ *(∆) ∙√+где k1 – коэффициент, учитывающий интенсивность инициирования взрывногогорения;k2 – коэффициент, учитывающий загроможденность пространства (видов препятствий на пути фронта пламени);k3 – коэффициент, учитывающий место воспламенения облака;С – концентрация газовоздушной смеси, кг/м3.Зависимости (1.42) и (1.43) справедливы до достижения скорости пламенипримерно половины скорости звука в открытом пространстве.

В дальнейшем в28связи с тем, что все большая доля энергии перераспределяется внутрь огневогошара, темп нарастания замедляется.В работе [15] скорость распространения фронта пламени рассчитывается потакой же схеме как в (1.43), только формула имеет некоторые доработки:∙∙∙√∙ ∙(∆)где А – функция от min (ϑmin = ϑн ∙ ε;), определяемая по выражениям:⁄*(⁄*()+)+Значение пути разгона пламени Rp определяется выражением:Rp = Ноб ∙ ∛ ,(1.47)где Ноб – высота стелящегося облака.1.4 Сравнение результатов расчѐтов параметров взрыва по анализируемымметодикамПо методикам [7–9] не корректно рассчитывать параметры взрыва ГВС,протекающие в дефлаграционном режиме, так как модель «тротилового эквивалента» не в полной мере отвечает реальным процессам [21]. Поэтому данные методики не используются для расчѐта параметров дефлаграционного взрыва.В данной работе сравнивались расчѐты параметров взрыва по методикам,которые чаще используют [5, 6 и 15].

Численные методики из-за своей сложностив реализации не рассматривались.Выполнив расчѐт по [5, 6 и 15], приняв одинаковую скорость распространения фронта пламени, были получены схожие результаты, немного различающиесяна расстояния, близкие к центру взрыва (рисунок 1.5). Это свидетельствует о том,что методики одинаково описывают процесс протекания дефлаграционного взры-29ва. Но так как в методиках [5, 6] определение скорости распространения фронтапламени отличается от предложенного в методике [15], то были выполнены расчѐты параметров взрыва для тех же исходных данных, только с учѐтом определения СРФП.

Так, по методикам [5, 6] СРФП равнялась= 200 м/с, а в [15]= 120 м/с. Результаты расчѐтов представлены на рисунке 1.6.Из рисунка 1.6 хорошо видно, как сильно отличаются значения параметроввзрыва. Для одного и того же сценария взрыва по разным методикам мы получаемразные СРФП, а следовательно и разные значения параметров взрыва. Это означает, что при обосновании безопасных расстояний на объектах нефтегазовой отрасливозникает трудность при выборе значений взрывных нагрузок, воздействующих наздания и сооружения.

Завышенные параметры взрывной нагрузки приведут к неоправданному удорожанию строительства, а заниженные – к увеличению степениповреждения зданий и сооружений от взрывной нагрузки при аварийном взрыве.Рисунок 1.5 – Давление взрыва на различном расстоянииот центра взрыва (пропан, М = 8000 кг, W = 200 м/с):1 – методика МГСУ, 2 – методика МЧС, Ростехнадзор30Рисунок 1.6 – Давление взрыва на различном расстоянии от центра взрыва(пропан, М = 8000 кг): 1 – методика МГСУ (Wпл = 120 м/с),2 – методика МЧС, Ростехнадзор (Wпл = 200 м/с)В связи с этим необходимо решить вопрос выбора метода определенияСРФП, которая бы правильнее описывала процесс распространения пламени привзрывах ГВС.31Выводы1.

Проведѐн анализ методик, оценивающих последствия аварийных взрывовГВС. Из анализа получено, что существует два вида методик: одни основаны на«энергопотенциале» ГВС, другие – на расчѐте параметров волн сжатия от сферы,расширяющейся во времени;2. Результаты расчѐтов параметров взрыва по методикам [5, 6, 15] при одинаковой СРФП получаются достаточно схожие, немного отличающиеся на расстояниях ближе к месту взрыва;3.

В методиках [5, 6, 15] представлены разные методы к определению СРФП.При расчѐте для одного и того же сценария аварийного взрыва, по различным методикам определения СРФП получаются разные значения СРФП. В связи с этим возникает разногласие при определении параметров взрыва ГВС;4. В связи с вышесказанным возникает необходимость в развитие методикопределения СРФП при сгорании ГВС.32ГЛАВА 2 МОДЕЛЬ ФОТОТЕПЛОВОГО ВОСПЛАМЕНЕНИЯ ДЛЯРАСЧЁТА ПОКАЗАТЕЛЕЙ ПОЖАРОВЗРЫВООПАСНОСТИГАЗОВЫХ СМЕСЕЙМероприятия по обеспечению пожарной безопасности объектов нефтегазового комплекса базируются на расчетах, в которых используются такие показатели пожарной опасности (ППО) как концентрационные пределы распространенияпламени, температура самовоспламенения, минимальная энергия зажигания, нормальная скорость распространения пламени, минимальная флегматизирующаяконцентрация негорючего газа или ингибитора и др.

Для многих горючих веществони экспериментально установлены и приведены в справочной литературе [22].Большой массив экспериментальных данных позволил развить расчѐтные методыопределения ППО по эмпирическим формулам, учитывающим элементный составгорючего и в некоторых случаях структуру его молекулы [23–42]. Эти формулыдают возможность оценивать с различной степенью точности численные значенияконцентрационных пределов распространения пламени, температуру вспышки идр. для горючих веществ, для которых они неизвестны.