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

71

V – объем смеси, м3.

Численное интегрирование уравнения (4.1.1) осуществлялось по явной разностной схеме, описанной ранее (см. главу 2.3). Шаг по времени выбирался из соображений устойчивости схемы.

Достоверность полученных в результате вычислений выводов основана на следующих обстоятельствах: хорошая сходимость расчетов, полученных по численной схеме, с результатами аналитических решений (см. главу 2.2);

удовлетворительное совпадение результатов расчетов и данных экспериментов

(см. главу 2.4).

Без ограничения общности рассматриваемой задачи проводился расчет процесса формирования и распространения взрывоопасного облака при выбросе в атмосферу VВЫБРОС=4500м3 «тяжелого» взрывоопасного вещества (пропана).

Перемещение пропано-воздушного облака возможно на высоту не более 7 м. [61].

По массе это составляет около 8800 кг. Объем жидкой фазы принятого в расчетах выброса пропана составляет около 13.6м3.

В первой серии вычислительного эксперимента рассматривалась задача при следующих начальных условиях: мгновенный выброс VВЫБРОС=4500м3 «тяжелого» газа и полное отсутствие подвижности атмосферы (WАТМ=0м/с). Рассматривалась частично загроможденная территория.

Рисунок 4.1.1 – Расчетная область, граничные и начальные условия

72

Граничные условия, принятые в расчетах, приведены на рисунке 4.1.1, где показана расчетная область с разбивкой на расчетные ячейки. Размер ячейки

Х=10м.

На рисунке 4.1.2 приведено двухмерное (плоское) изображение расчетной сетки.

Рисунок 4.1.2 – Расчетная область, граничные и начальные условия.

Двухмерное представление

Коэффициенты турбулентной диффузии были приняты равными

DX=DY=0.25м2/c, что соответствует состоянию атмосферы, которое классифицируется как “ясная ночь” [61].

На рисунке 4.1.3 приведены изолинии равных концентраций для нескольких моментов времени после выброса. Шаг по времени составлял 1000 секунд (16.7

минут). Изолинии равного значения концентрации были равны: 2% (НКПВ – нижний концентрационный предел воспламенения); 4% (стехиометрия); 8% (ВКПВ – верхний концентрационный предел воспламенения); 12% (1.5*ВКПВ); 16% (2.0*ВКПВ).

73

1 2

3

4

5

Рисунок 4.1.3 – Линии равной концентрации в облаке через каждые 1000

секунд после выброса

На рисунке 4.1.4 приведены временные зависимости концентрации в точках

(положение точек показано на рисунках 4.1.1-4.1.3).

Рисунок 4.1.4 – Временные зависимости концентрации в точках

74

Рисунок 4.1.5 – Временные зависимости объема газа,

находящегося во взрывоопасной концентрации. Vmax.взр.=3435 м3 при Т=45 мин.

На рисунке 4.1.5 приведены временные зависимости объема газа,

находящегося во взрывоопасном состоянии, и общего объема газа.

Примерно на 45-ой минуте аварийного выброса образуется максимальное значение объема газа – Vmax.взр.=3435 м3.

На рисунке 4.1.6 приведены временные зависимости приведенного радиуса объема газа – Rобл., находящегося во взрывоопасном состоянии, и коэффициента участия газа во взрыве – Z. Коэффициент участия газа во взрыве представляет собой отношение объема газа, находящегося во взрывоопасном состоянии, к

общему объему газа. Приведенный радиус объема газа Rобл., находящегося во взрывоопасном состоянии, получен следующим образом. В соответствии с нормативными документами [29] берется 0,1 доля от текущего объема газа,

находящегося во взрывоопасном состоянии. Полученный объем приводится к сфере. Радиус полученной сферы представляет собой приведенный радиус объема газа, находящегося во взрывоопасном состоянии. Для случая наземного взрыва

(для «тяжелого» газа) объем газа удваивается.

75

Рисунок 4.1.6 – Временные зависимости приведенного радиуса объема газа,

находящегося во взрывоопасном состоянии, и коэффициента участия газа во взрыве. Rmax.обл.=5,48 м., Zmax=7,67%

Приведенный выше вычислительный эксперимент (результаты расчета для принятых выше начальных и граничных условий) будем называть в дальнейшем Вариант 01. Расчеты показали, что максимальное значение коэффициента участия газа во взрыве для данного случая (Вариант 01) составляет Zmax=7,67%, а

приведённый радиус объёма газа во взрывоопасном состоянии – Rmax.обл.=5,48 м.

Рассмотрим результаты расчета для тех же начальных и граничных условий,

но выполненные на более мелкой расчетной сетке (размер расчетной ячейки

Х=2.4м). Линейный размер ячейки был уменьшен в 4 раза.

Результаты расчета для указанных начальных и граничных условий будем называть в дальнейшем Вариант 01А.

76

1 2

3 4

5

Рисунок 4.1.7 – Линии равной концентрации в облаке через каждые 1000

секунд после выброса. Вариант 01А

На рисунке 4.1.7 приведены изолинии равных концентраций для нескольких моментов времени после выброса.

На рисунке 4.1.8 приведены временные зависимости концентрации в точках.

77

Рисунок 4.1.8 – Временные	Рисунок 4.1.9 – Временные
зависимости концентрации в точках.	зависимости объема газа,
Вариант 01А	находящегося во взрывоопасной
	концентрации. Vmax.взр.=3421 м3 при
	Т=45 мин. Вариант 01А

На рисунке 4.1.9 приведены временные зависимости объема газа,

находящегося во взрывоопасном состоянии, и общего объема газа.

Рисунок 4.1.10 – Временные зависимости приведенного радиуса объема газа,

находящегося во взрывоопасном состоянии, и коэффициента участия газа во взрыве. Rmax.обл.=5,47 м., Zmax=7,60%. Вариант 01А

78

Примерно на 45-ой минуте (аналогично Варианту01) аварийного выброса образуется максимальное значение объема газа – Vmax.взр.=3421 м3.

На рисунке 4.1.10 приведены временные зависимости приведенного радиуса объема газа – Rобл., находящегося во взрывоопасном состоянии, и коэффициента участия газа во взрыве – Z.

Расчеты показали, что максимальное значение коэффициента участия газа во взрыве для данного случая (Вариант 01А) составляет Zmax =7,60%, а

приведённый радиус объёма газа во взрывоопасном состоянии – Rmax.обл.=5,47 м.

Анализ результатов расчета для Варианта 01 (размер ячейки Х=10м) и

Варианта 01А (размер ячейки Х=2.4м) показал следующее. При отсутствии подвижности атмосферы (скорость ветра равна нулю) и расположении препятствий далеко от места выброса жесткие поверхности не оказывают существенного влияния на параметры облака, а линейные размеры расчетных ячеек оказывают незначительное влияние на точность расчетов. Поэтому при анализе аварийных ситуаций и при оценке потенциальной взрывоопасности объекта вполне достаточно при расчетах разбивать расчетную область на максимум 40-50 ячеек по наименьшей стороне. Незначительная потеря в точности расчетов будет компенсироваться неточностью (или неизвестностью) начальных и граничных исходных данных.

Для исследования вопроса влияния ограждающих конструкций на процесс формирования взрывоопасных облаков были проведены расчеты с измененным

(относительно рассмотренных выше вариантов расчета) расположением препятствий.

Все остальные исходные данные были оставлены без изменения.

Было изменено расположение загромождающих территорию препятствий.

Источник выброса был приближен к наземным преградам.

Результаты расчета для указанных начальных и граничных условий будем называть в дальнейшем Вариант 02. На рисунке 4.1.11 приведено двухмерное

(плоское) изображение расчетной сетки.

79

Рисунок 4.1.11 – Расчетная область, граничные и начальные условия.

Двухмерное представление. Вариант 02

Примерно на 49-ой минуте аварийного выброса образуется максимальное значение объема газа – Vmax.взр.=3574 м3.

Рисунок 4.1.12 – Временные зависимости приведенного радиуса объема газа,

находящегося во взрывоопасном состоянии, и коэффициента участия газа во взрыве. Rmax.обл.=5,55 м., Zmax=7,94%. Вариант 02

80

Расчеты показали (см. рисунок 4.1.12), что максимальное значение коэффициента участия газа во взрыве для данного случая (Вариант 02) составляет

Zmax=7,94%, а приведённый радиус объёма газа во взрывоопасном состоянии –

Rmax.обл.=5,55 м.

Рассмотрим результаты расчета (Вариант 02А) для тех же начальных и граничных условий, но выполненные на более мелкой расчетной сетке (размер расчетной ячейки Х=2.4м).

Примерно на 49-ой минуте (аналогично наблюдаем и в Варианте 02)

аварийного выброса образуется максимальное значение объема газа –

Vmax.взр.=3491 м3.

Рисунок 4.1.13 – Временные зависимости приведенного радиуса объема газа,

находящегося во взрывоопасном состоянии, и коэффициента участия газа во взрыве. Rmax.обл.=5,50 м., Zmax=7,76%. Вариант 02А

Расчеты показали (см. рисунок 4.1.13), что максимальное значение коэффициента участия газа во взрыве для данного случая (Вариант 02А)

составляет Zmax=7,76%, а приведённый радиус объёма газа во взрывоопасном состоянии – Rmax.обл.=5,50 м.

Анализ результатов расчета для Варианта 01 и Варианта 02 (размер ячейки

Х=10м), а так же для Варианта 01А и Варианта 02А (размер ячейки Х=2.4м)