Диссертация (1172908), страница 11

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 11)

Нелинейные уравнения «мелкой воды», в сущности, являются выражением законовсохранения массы и импульса. Система дифференциальных уравнений в частныхпроизводных, описывающих движение жидкости, имела аналогичный системеуравнений (2.7) вид, при этом граничные условия записывались несколькосложнее.Лабораторная установка, на которой в работе [87] проводилось изучениепроцесса взаимодействие потока жидкости с преградами, обладала следующимихарактеристиками:- емкость имела форму куба с размером грани равным 9 дюймам (22,86 см);- разрушение резервуара имитировалось быстрым поднятием вверх однойиз стенок куба;- движение жидкости происходило в канале прямоугольного сечения.Исходя из этого описания видно, что установка имела ряд существенныхнедостатков, в частности:1) не обеспечивалось условие геометрического подобия исследуемыхобъектов: кубическая форма в экспериментах; цилиндрическая – у натурныхрезервуаров;2) жидкость приходила в движение под действием силы тяжести при резкомподъеме вверх одной из граней кубической емкости.

Такое движение жидкостихорошо изучено в гидравлике и имеет название «истечение из-под щита» [94].Однако оно противоречит движению потока, образующемуся при разрушениинатурного цилиндрического резервуара, о чем говорилось ранее [4], [92], [93];663) вследствие движения потока жидкости в прямоугольном русле не учитывалось характерное распластывание волны по трассе растекания.Необходимо отметить, что, несмотря на утверждение авторов даннойработы об удовлетворительной сходимости результатов теоретических и экспериментальных исследований, возникают существенные сомнения в возможностиих применения на практике при рассмотрении аварий резервуаров типа РВС.В качестве общих выводов по данному разделу можно отметить:1) вопросы движения потока жидкости при разрушении резервуарадля решения частных задач достаточно успешно могут решаться как теоретически, так и экспериментально;2) для получения численного решения задач о движении потока жидкостии его влиянии на защитные преграды необходимо введение в исходные системыуравнений большого количества допущений и упрощений, составление алгоритмов, реализация которых возможна только с применением ЭВМ, при этом необходимо иметь ввиду, что могут наблюдаться значительные (до 50 %) расхождениямежду теорией и практикой;3) для экспериментальных исследований изучаемого процесса, в первуюочередь, необходимо соблюдение геометрического подобия резервуаров и условий моделирования гидравлических явлений, в противном случае, возникаютсомнения о возможности применения полученных результатов на практике;4) при создании лабораторного стенда необходимо использовать результатынатурного опыта по разрушению РВС-700 м3, в частности, для соблюдения критериев подобия для потоков в натуре и на модели, что, в конечном счете, и будетобуславливать достоверность полученных результатов.На основании результатов анализируемых работ, а также с учетом вышеизложенных критических замечаний, для достижения поставленной в настоящейработе цели принят лабораторно-экспериментальный метод исследования характеристик потока жидкости, образующегося при разрушении внутреннего резервуара, и его влияние на защитную стенку для установления ее оптимальных геометрических параметров.672.2 Критерии подобия и условия моделирования гидравлических явленийдля создания лабораторного стендаДвижение жидкости в природе совершается под действием различных сил:тяжести, давления, трения (сопротивления), поверхностного натяжения, упругости.

Каждая из этих сил выражается через физические величины (размерныекоэффициенты), характеризующие природу сил и жидкости [94]–[96].Влияние указанных сил проявляется в неодинаковой степени в различныхявлениях. Одни явления протекают под преобладающим действием сил тяжестии сопротивления, другие – сил тяжести, сопротивления и поверхностного натяжения и т.д. Условия гидродинамического подобия модели и натуры требуют равенства в них отношений всех сил, под действием которых протекает явление.Однако, вследствие физических особенностей действующих сил, например, прирассмотрении установившегося одноразмерного движения жидкости необходимоодновременно выдержать масштаб:uм2uн2- массовых сил(число или критерий Фруда, Fr);g м lм g н lн- масштаб сил давления- масштаб сил вязкостиpмм:u м lммuм2p u2 н : н (число или критерий Эйлера, Eu);2gм  н 2gнu н lнн(число или критерий Рейнольдса, Re),выполнить равенство отношений всех сил в модели и в натуре практическиневозможно (здесь и далее: индексы «н» и «м» относятся соответственно к натуреи модели; u – скорость потока; g – ускорение свободного падения; l – характерныйлинейный размер; p – сила давления;  – кинематическая вязкость жидкости).Поэтому, на основе соотношения сил, определяющих явление или преобладающих в данном явлении, находят частные условия подобия, для чего устанавливают так называемые критерии подобия, выражающие условия подобия в случае,когда в качестве преобладающих выступает одна из действующих сил.68Поскольку в исследуемых процессах, связанных с образованием и движением волны прорыва при разрушении резервуара, главную роль играют силытяжести, то должно обеспечиваться соблюдение равенства критерия Фрудав соответствующих точках потоков по трассе растекания [97]–[102]:uм2uн2,Fr g м hм g н hн(2.13)где uм, uн – характерная скорость волны прорыва (местная скорость илискорость фронта волны), м/с;hм, hн – характерная высота (ширина) волны прорыва, м.Этот критерий служит основой для получения расчетных формул подобия,по которым производится расчет модели на основе данных натурных измеренийи пересчет всех основных физических характеристик потока на натуру по результатам модельных исследований.

Ниже представлены масштабные множители (а)для основных физических характеристик, отвечающих условиям гравитационногоподобия, принимая во внимание, что на модели и в натуре жидкость одна и та же– вода (удельный вес γн = γм, плотность ρн = ρм, aγ = 1, aρ = 1), а также gн = gм,ag = 1:для скоростейau uнuмg н lн a g al  al ;g м lм(2.14)для времени протекания подобных процессовat alalal al .aua g alag(2.15)Вследствие того, что процесс движения волны прорыва при разрушениирезервуара представляет собой быстроизменяющееся неустановившееся движениежидкости, то необходимо соблюдение также тождественности критерия Струхаля(критерия гомохронности) [97]–[102]:69Sh uм tм uн t н,hмhн(2.16)где tн, tм – характерное время процесса, с.При моделировании необходимо обращать особое внимание также на выбормасштаба модели, исходя из требований соблюдения следующих условийподобия гидравлических явлений, вытекающих из законов подобия [95], [98]:- если поток в натуре турбулентный, то он должен быть турбулентными в модели, то есть Reм > Reкр (здесь Reм – критерий Рейнольдса в модели;Reкр – критическое значение критерия Рейнольдса при моделировании открытыхпотоков, принимаемое, как правило, не менее 104 [94], [100]):Re м uм hмм,(2.17)где νм – кинематическая вязкость жидкости (в данном случае для водыпри 20 ºС – 1,01∙10-6 м2/с [103]);- при моделировании турбулентных потоков, основываясь на опытныхисследованиях, минимально допустимый масштаб модели определяется по зависимости [95], [98]:λ мин  (30  50)3 uн2 hн2 ;(2.18)- влияние поверхностного натяжения должно быть настолько малым, чтобыоно не препятствовало образованию волн, в связи с чем, скорость потокасо свободной поверхностью на модели должна быть более 0,23 м/с.

В противномслучае необходимо увеличивать масштаб модели, так как иначе подобие не будетдостигнуто [95].Таким образом, соблюдение выше рассмотренных критериев подобияи условий моделирования позволит разработать лабораторный стенд для изученияволны прорыва и ее воздействия на защитную стенку с целью нахожденияее оптимальных геометрических параметров.702.2.1 Оценка параметров потока при разрушении натурного резервуараноминальным объемом 700 м3Для получения соответствующих критериев подобия необходимо, преждевсего, иметь данные о параметрах потока при натурных измерениях. С цельюнахождения этих параметров использовались имеющиеся на кафедре пожарнойбезопасности технологических процессов Академии ГПС МЧС России видеоматериалы натурного эксперимента по разрушению РВС-700 м3 с водой (см.

раздел2.1), который, в дальнейшем, и был выбран за основу создания модельного резервуара и лабораторного стенда.Так, имея в наличии видеоролик натурного эксперимента по разрушениюРВС-700 м3 продолжительностью 90 с, была произведена его полная раскадровка(2700 кадров). Далее, на трассе растекания потока от стенки резервуара быливыбраны характерные участки соответственно длиной lн = 6, 9, 12, 14,5 и 16 м.По достижению фронтом волны соответствующего участка определяли количество кадров, что, в конечном счете, давало возможность оценить время и скоростьфронта волны.

Характеристики

Список файлов диссертации