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

61

5 6 7 8

Рисунок 3.3.5 – Фотографии эксперимента №3: 1 – через 0,1 сек; 2 – через 0,113 сек; 3 – через 0,125 сек; 4 – через 0,15 сек; 5 – через 0,175 сек; 6 – через 0,2

сек; 7 – через 0,225 сек; 8 – через 0,25 сек.

Для данного эксперимента аналогично был выполнен расчёт по разработанной методике. В результате получили следующие значения коэффициентов турбулентной диффузии: DZ=1.47·10-3 м2/c, DX=DY= DZ/10=1.47·10-4 м2/c.

1 2

Рисунок 3.3.6 – Линии равной концентрации после начала подачи газа.

1 – через 30 сек; 2 – через 80 сек.

62

При определённых значениях коэффициентов турбулентной диффузии через 80 сек. после начала подачи газа в точке 1 наблюдается концентрация, близкая к нижнему концентрационному пределу воспламенения, т.е. в этот момент смесь должна воспламениться, что наблюдалось в эксперименте №3. На рисунке 3.3.6 приведены линии равной концентрации смеси через 30 и 80 сек. после начала подачи газа.

На рисунке 3.3.7 представлены для сравнения зависимости объемной концентрации метана от времени для двух точек для проводимых выше экспериментальных исследований.

1	2

Рисунок 3.3.7 – Временные зависимости объемной концентрации метана

от времени для двух точек: 1 – эксперимент №1 и №2; 2 – эксперимент №3.

Результаты сравнения экспериментальных данных и расчётных значений временных зависимостей объёмной концентрации показывают хорошую сходимость. Незначительные погрешности трёхмерной модели продолжительной утечки в расчётах реальных аварийных ситуациях объясняются недостаточными исходными данными.

Данный метод экспериментального измерения и последующего расчёта позволил косвенно определять порядок величины коэффициента турбулентной диффузии при заданных условиях.

63

3.4. Экспериментальные исследования диффузионных процессов в

открытых пространствах

Ввиду того, что провести натурные исследования процесса формирования взрывоопасных зон при аварийных выбросах в атмосфере практически не представляется возможным. Были выполнены экспериментальные исследования в лабораторных условиях, направленные на выявление закономерностей формирования взрывоопасных зон в открытых пространствах (атмосфере) [52].

Используя результаты численного решения уравнения турбулентной диффузии, можно по экспериментальным данным изменения концентрации вещества в точке определить значение коэффициента турбулентной диффузии. Метод определения физических параметров по данным измерений других физических величин и последующие вычисления искомой физической константы носит название косвенного метода экспериментального определения физической величины.

Эксперименты проводились в трубе диаметром 0,1 м, высотой 4,5 м, установленной вертикально. Метан подавался в нижний торец. Внутри модели в трёх точках вдоль центральной оси проводилась регистрация концентрации метана с помощью оптических датчиков концентрации углеводородов с порогом измерения до 100%(объёма). Датчики располагались на высотах от нижнего торца: нижний №1 – 1,5м, средний №2 – 3,0м, верхний №3 – 4,5м. Сбор данных производился через аналого-цифровой преобразователь (АЦП) с выводом данных на компьютер для регистрации и последующей обработки.

По разработанной математической модели были сделаны расчёты динамических параметров концентраций для условий проведённого эксперимента.

На рисунка 3.4.1 приведены результаты расчета динамических характеристик концентрации газа в трех точках протяженного объема. Результаты расчета приведены в безразмерном виде. Из рисунка 3.4.1 следует, что

64

максимальная концентрация в нижней точке реализуется в момент времени t=6.2*Т0.

Рисунок 3.4.1 – Расчетные временные зависимости концентрации в трех точках протяженного объема

На рисунке 3.4.2 приведены результаты экспериментальных исследований,

в результате которых фиксировались значения концентрации метана в трех точках протяженного объема. Начальные и граничные условия принятые в эксперименте соответствуют расчёту.

Рисунок 3.4.2 – Экспериментальная зависимость от времени концентрации метана в трех точках протяженного объема

65

Эксперименты показали, что в нижней точке (датчик №1) максимальное значение концентрации реализуется через 175.5 секунд после начала процесса

	6.2	L20	175.5
		D
	диффузии. Тогда из соотношения		с получаем, что D=0.0058м2/с

(L0=0.405м).

На рисунке 3.4.3 приведено сравнение результатов расчета и экспериментальных данных в размерном виде и для полученного косвенным способом коэффициента турбулентной диффузии.

Рисунок 3.4.3 – Расчетные и экспериментальные временные зависимости концентрации метана в трёх точках

Удовлетворительное совпадение расчетных и экспериментальных зависимостей говорит о том, что полученное значение коэффициента турбулентной диффузии (для данного состояния газовой среды) соответствует реальности.

На рисунке 3.4.4 приведены данные аналогичных опытов, но проведенные для пропана.

Эксперименты, проведенные для пропана, показали, что в нижней точке (датчик №1) максимальное значение концентрации реализуется через 1755 секунд

66

	6.2	L2	1755
		0
		D
	после начала процесса диффузии. Тогда из соотношения		с получаем,

что коэффициент турбулентной диффузии в этом случае в 10 раз меньше и составляет D=0.00063м2/с (L0=0.405м).

Рисунок 3.4.4 – Экспериментальная зависимость от времени концентрации пропана в трех точках протяженного объема

Рисунок 3.4.5 – Расчетная зависимость от времени концентрации пропана в трех точках протяженного объема

67

На рисунке 3.4.5 приведены результаты расчета изменения концентрации пропана в рассматриваемых точках. Расчеты приведены в размерном виде и для полученного значения коэффициента турбулентной диффузии.

Удовлетворительное совпадение расчетных (рисунок 3.4.5) и

экспериментальных (рисунок 3.4.4) зависимостей говорит о том, что полученное значение коэффициента турбулентной диффузии (для данного состояния газовой среды) соответствует реальности.

Таким образом, эксперименты и расчеты показали, что в вертикальном направлении (вверх) коэффициент турбулентной диффузии для «тяжелого» газа – пропана (атомарный вес μПРОПАН=44) составляет около DПРОПАН=0.00063м2/с, что в 10 раз меньше, чем коэффициент турбулентной диффузии для «легкого» газа – метана (атомарный вес μМЕТАН=16), который равен DМЕТАН=0.0058м2/с (для данного состояния газовой среды). Связано это с тем, что при турбулентной диффузии смешение газов происходит не на молекулярном уровне, а на уровне макроскопических корреляционных областей, которые, как указывалось ранее,

характеризуются определенными размерами, скоростью и временем существования. При этом указанные корреляционные области двигаются как единое целое. Одной из характеристик движения макроскопических образований в жидкости является скорость их равномерного движения в среде под действием сил тяжести.

Удовлетворительное совпадение расчетных и экспериментальных зависимостей концентрации веществ от времени говорит о том, что разработанная методика позволяет с достаточной точностью описывать динамические параметры концентрации вещества.

68

3.5. Выводы по третьей главе

Визуализация процесса диффузии в жидкости позволили определить и описать процесс формирования взрывоопасной смеси в помещении при аварийной утечке «тяжёлого газа». Представлены и проанализированы экспериментальные исследования распространения тяжёлых примесей в воде.

Определены общие закономерности гидродинамического формирования смесей и диффузионного. Результаты были использованы при разработке численной методики расчёта данного процесса.

Выполнены экспериментальные исследования взрывного горения пропано-

воздушной смеси на модели вытянутого объёма. На основании экспериментальных данных и результатов расчёта, установлено, что при аварийных утечках горючих газов (например, пропана), плотность которых 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 начинается процесс формирования взрывоопасных зон, в основе которого лежат законы турбулентной диффузии.

Выполнены экспериментальные исследования взрывного горения метано-

воздушной смеси на модели кубической формы. Описаны и обоснованы процессы формирования взрывоопасной смеси в помещении при утечке метана.

Используемая математическая модель и расчетная схема адекватно описывают ход и подтверждают результаты проведённых экспериментов. Косвенно определён порядок коэффициента турбулентной диффузии при заданных условиях. Установлено, что коэффициент турбулентной диффузии является основным параметром, с помощью которого возможно достаточно точно спрогнозировать процесс развития аварийной ситуации, связанной с утечками горючих веществ.

69

Представлены и проанализированы экспериментальные исследования,

направленные на выявление закономерностей формирования взрывоопасных зон в открытых пространствах (атмосфере).

Удовлетворительное совпадение расчетных и экспериментальных зависимостей говорит о том, что разработанная методика позволяет с достаточной точностью описывать динамические параметры концентрации вещества.

Проведенные эксперименты и расчёты показали, что минимальное значение коэффициента турбулентной диффузии для метана в вертикальном направлении составляет DZ=0.0058м2/с.

Аналогичные измерения и расчёты были проведены для пропана. Также было получено удовлетворительное совпадение результатов расчёта и эксперимента. При этом минимальное значение коэффициента турбулентной диффузии в вертикальном направлении составило DZ=0.00063м2/с.

70

ГЛАВА 4. РАСЧЕТЫ ПРОЦЕССА ФОРМИРОВАНИЯ ВЗРЫВООПАСНЫХ ЗОН ПРИМЕНИТЕЛЬНО К РЕАЛЬНЫМ АВАРИЙНЫМ СИТУАЦИЯМ И ПРИ ПРОГНОЗИРОВАНИИ

ПОСЛЕДСТВИЙ ВОЗМОЖНЫХ АВАРИЙ НА ОБЪЕКТАХ

4.1. Апробация разработанных методов для определения процесса формирования взрывоопасных зон на территории типового объекта

При проведении вычислительных экспериментов мною было рассмотрено влияние следующих параметров аварийной утечки горючих веществ на территории энергоёмкого объекта: наличие подвижности атмосферы и скорость перемещения воздушных потоков; взаимное месторасположение ограждающих конструкций (преград) и источника аварийного выброса; параметры источника аварийного выброса (характерное время – Т0, характерный размер утечки – L0,

характерный расход – Q0).

Для количественного определения влияния различных факторов на параметры взрывоопасных зон была проведена серия вычислительных экспериментов на типовом энергоёмком объекте. Вычисления проводились по численной схеме, описанной ранее (см. главу 2.3).

Расчет процесса формирования взрывоопасного облака проводился путем численного интегрирования нестационарного уравнения диффузии:

C DX	2	C2	DY	2	C2	DZ	2	C2		Q div(W C) ,	(4.1.1)
t	x			y			z			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;