Пожарная безопасность технологических процессов / Buzaev - Metodi prognozirovaniya parametrov vzrivoopasnikh zon (Dissertaciya) 2015

51

Как и в эксперименте №1 тяжёлая примесь начинает достигать дна модели через 15 сек. после начала подачи. Это указывает на то, что для данной задачи скорости гидродинамических течений практически равны, и уменьшение расхода в 2 раза особо не влияет на физику процесса для данного момента времени.

Эксперимент №2 показал практически аналогичную картину распространения тяжёлых примесей в воде, с той лишь разницей, что значительные гидродинамические течения, которые являются доминирующими в данном процессе, уменьшаются практически в 2 раза быстрее. Это напрямую связано с расходом. Зато диффузионные процессы (см. рисунок 3.1.3-3 и 3.1.3-4)

наблюдаются более интенсивные, поскольку данный процесс увеличен по времени.

Для проведения физической аналогии визуализации процесса формирования взрывоопасной зоны «лёгких» горючих веществ достаточно источник выброса перенести на дно модели, и выбрасывать лёгкую примесь ( ПРИМЕСЬ ВОДА ). Данный процесс будет аналогичен вышеописанному процессу с той лишь разницей, что вещество будет всплывать на поверхность воды, и далее диффундировать от верхней грани экспериментальной модели к нижней.

Данные выводы подтверждаются многочисленными авариями (см. работы [2, 11, 14, 15, 21, 41, 45, 46, 50, 61]), связанными с выбросом «лёгких» горючих веществ. Для данных аварийных ситуаций характерно, что, например, метан «всплывает» и взрывоопасная смесь формируется под потолком, а потом за счёт процесса диффузии смесь перемещается в направлении источника утечки.

Проведённые экспериментальные исследования распространения тяжёлых примесей в воде позволили определить и описать процесс формирования взрывоопасной смеси в помещении при аварийной утечке «тяжёлого газа». Данные результаты были использованы при разработке численной методике расчёта данного процесса.

52

3.2. Экспериментальные исследования формирования метано- и

пропановоздушных зон в протяжённых объёмах

Результаты экспериментальных исследований процесса диффузии в жидкости (см. главу 3.1) выявил, что ход формирование взрывоопасной смеси состоит из двух неразрывных процессов: гидродинамических и диффузионных.

Для описания процесса формирования взрывоопасной зоны и подтверждения влияния разности плотностей веществ, а также влияния гидродинамических потоков были проведены расчёты динамических параметров концентрации пропановоздушной смеси, выполненные для вытянутого объема с размерами 0,16х0,16х1,6м.

В работе [39, 44, 95] было получено, что без учета сил гравитации диффузионные процессы в смеси пропан-воздух, находящейся в протяженном объеме с линейным размером сечения 0,1м, характеризуются коэффициентом турбулентной диффузии DХ=0.00319м2/с. Результаты расчётов приведены на рисунке 3.2.1.

Рисунок 3.2.1 Расчетные временные зависимости концентрации в трех точках протяженного объема

53

При проведении расчетов были приняты следующие начальные условия: в

правой части камеры содержалась 50%-ая смесь пропан-воздух, которая занимала кубический объем с размерами ребер 0,16м.

Данная задача была решена разработанной математической моделью решения основного уравнения диффузии для одномерного случая. На рисунке

3.2.1 приведены временные зависимости объемной концентрации пропана в трех точках протяженного объема.

Из приведенных результатов расчёта следует, что за счет диффузионных процессов взрывоопасная смесь должна достигнуть левого торца объема (камеры)

примерно через 100 секунд. При этом основной объем пропана должен находиться в правой части камеры, а концентрация большей части сформировавшейся за счет диффузии пропановоздушной смеси должна быть выше верхнего концентрационного предела воспламенения (ВКПВ).

Для подтверждения полученных в ходе расчёта данных был проведен эксперимент с аналогичными начальными и граничными условиями. В левой точке камеры (см. рисунок 3.2.1 и 3.2.2) был помещен источник зажигания,

который постоянно искрил. В процессе формирования и распространения смеси сбросные проемы были закрыты. В ходе эксперимента проводилась фото фиксация и видеозапись. Общий вид установки представлен на рисунке 3.3.2.

Рисунок 3.2.3 – Общий вид экспериментальной установки

54

Результаты эксперимента показали, что воспламенение смеси от источника,

расположенного на расстоянии L0/2 (где L0=0,1L – длины камеры) от левого торца

(левая точка на схеме рисунок 3.2.1) и на расстоянии L0/3 от нижней грани камеры

(пола), происходит через 3-4 секунды после начала процесса диффузии

(перегородка, разделяющая воздух и смесь, убиралась). Фотографии процесса взрывного горения смеси, приведенные на рисунке 3.2.3, показывают, что в правой части камеры большого количества богатой пропановоздушной смеси

(концентрация смеси выше стехиометрической концентрации) нет. Видно, что распространение пламени происходит вдоль нижней грани камеры.

Следовательно, в нижней части камеры концентрация смеси находится в пределах воспламенения.

1

2

3

Рисунок 3.2.3 – Фотографии процесса взрывного горения пропановоздушной смеси в протяженном объема

Эксперимент и предварительные расчеты одномерной диффузионной задачи показали, что процесс формирования взрывоопасной зоны не описывается законами диффузии. Наиболее вероятной причиной значительного отличия реальности от результатов расчета процесса формирования взрывоопасного облака по законам диффузии является наличие значительных (с точки зрения

55

диффузионных явлений) газодинамических потоков. Более подробный расчёт данных процессов реализован в работах [37, 43, 44, 54, 57, 58].

На основании вышеизложенного материала можно сделать следующие выводы.

При аварийных утечках горючих газов (например, пропана), плотность которого существенно отличается от плотности воздуха, даже при отсутствии подвижности выброса возникают значительные (по отношению к диффузионным процессам) гидродинамические потоки, которые на начальном этапе аварии определяют процесс формирования взрывоопасных зон. После затухания

(остановки) гидродинамических течений начинает процесс формирования взрывоопасных зон, в основе которого лежат законы турбулентной диффузии.

56

3.3. Экспериментальные исследования диффузионных процессов в

кубическом объёме и косвенное определение коэффициента турбулентной

диффузии

Для исследования диффузионных процессов взрывоопасной смеси были проведены экспериментальные исследования взрывного горения. Основной задачей в данном исследовании являлось определение порядка величины коэффициента турбулентной диффузии для стандартного состояния среды [16, 17,

18, 35, 36, 51].

Экспериментальная установка представляла собой модель кубического объема с ребром 1 метр. Схема экспериментальной взрывной камеры представлена на рисунке 3.3.1.На одной грани модели имелся сбросной проём размером 100х700мм. (дверца, открывающаяся на навесных петлях). В центре нижней грани подавался метан через отверстие диаметром 4 мм (эксперимент №1 и №2). Внутри модели находился непрерывно действующий источник зажигания (в точке 1 и 2, рисунок 3.3.1). В процессе истечения метана из отверстия сбросной проём закрыт. В ходе эксперимента проводилась видеозапись состояния грани со сбросным отверстием.

Рисунок 3.3.1 – Схема экспериментальной взрывной камеры

57

В эксперименте №1 через отверстие диаметром d=4 мм. подавали метан. Расход подачи был задан и составлял q=0,274 л/с. Воспламенение, а как следствие взрывное горение метановоздушной смеси произошло в т.1 через 151 сек. Количество поступившего газа во взрывную камеру составило 44 л. На рисунке 3.3.2 представлены фотографии эксперимента №1.

1

2

3 4

Рисунок 3.3.2 – Фотографии эксперимента №1: 1 – через 0,083 сек.; 2 – через

0,25 сек.; 3 – через 0,333 сек.; 4 – через 0,5 сек.

58

Аналогично эксперименту №1 был проведён и эксперимент №2. Начальные и граничные условия оставлены без изменения. Единственное, что было изменено так это положение источника воспламенения смеси (точка 2, рисунок 3.3.1). Взрывное горение метановоздушной смеси произошло через 201 сек. Количество поступившего газа во взрывную камеру составило 52 л. На рисунке 3.3.3 представлены кадры из видеозаписи эксперимента №2.

1

2

3

4

Рисунок 3.3.3 – Фотография эксперимента №2: 1 – через 0,083 сек.; 2 – через 0,25 сек.; 3 – через 0,333 сек.; 4 – через 0,5 сек.

59

На основании разработанной во 2 главе математической модели, описывающей процесс формирования аварийного выброса метана, и анализа работ [10, 22, 34, 53, 69, 74, 94, 96, 97, 98, 100, 101, 103] был выполнен расчёт в математической среде «MATLAB».

Расчёт основан (см. главу 2) на численном интегрировании нестационарного уравнения турбулентной диффузии [23, 25, 27, 56, 79, 89, ]:

C	D	2	C	D	2	C D	2	C	Q div(W C) ,	(3.3.1)
t		X x2		Y y2			Z z 2		V

где С(x,y,z,t) – объемная концентрация вещества в смеси, %;

DX, DY, DZ – коэффициенты турбулентной диффузии для трех направлений, м2/с;

Q – объемный расход вещества, м3/с;

W – скорость воздушного потока, м/с;

x, y, z – пространственные координаты, м; t – время, с;

V – объем смеси, м3.

Для расчёта использовалась трёхмерная математическая модель. Расчетная область 100х99х98 была принята из расчетных ячеек с размером х0=0.01м=1см.

В результате обработки данных экспериментов № 1 и 2 получили следующие значения коэффициентов турбулентной диффузии для метановоздушной смеси при стандартных условиях: DZ=4.26·10-4 м2/c, DX=DY=3.88·10-4 м2/c. При данных коэффициентах турбулентной диффузии через 151 сек. (201 сек.) после начала подачи газа в точке 1 (2) наблюдается концентрация, близкая к нижнему концентрационному пределу воспламенения, т.е. в этот момент смесь должна воспламениться, что наблюдалось в эксперименте №1 и №2 соответственно.

На рисунке 3.3.4 показаны линии равной концентрации метановоздушной смеси (в сечении вывода полей концентрации см. рисунок 3.3.1) в момент начала взрывного горения для вышеописанных экспериментов.

60

Удовлетворительное совпадение результатов экспериментов и расчётов указывает на то, что разработанная и протестированная методика расчёта достоверно описывает процесс формирования взрывоопасных смесей.

1 2

Рисунок 3.3.4 – Линии равной концентрации метановоздушной смеси:

1 – через 151 сек.; 2 – через 201 сек.

В эксперименте №3 через форсунку диаметром 20 мм. подавался метан с расходом q=0,578 л/с. Через 80 сек. после начала подачи газа началось взрывное горение смеси. Количество газа, поступившего в кубическую камеру, на момент воспламенения: 46,3 л. На рисунке 3.3.5 показаны фотографии эксперимента №3.

1

2

3

4