автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.03, диссертация на тему:Динамические процессы дефлаграционного горения во взрывоопасных зданиях и помещениях

Министерство общего и профессионального образования

Российской Федерации --

Московский государственный строительный университет

На правах рукописи

КАЗЕННОВ Вячеслав Васильевич

ДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ДЕФЛАГРАЦИОННОГО ГОРЕНИЯ ВО ВЗРЫВООПАСНЫХ ЗДАНИЯХ И ПОМЕЩЕНИЯХ

05.26.03 - Пожарная безопасность

Автореферат диссертации па соискание ученой степени доктора тсхш1ческих наук

Москва -1997

Работа выполнена в Московском государственном строительном университете

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор, член-корреспондент РАН Махутов

доктор технических наук, профессор Баратов А.Н. доктор технических наук, профессор Шебеко Ю.Н.

Ведущая организация: Московский институт пожарной безопасности

заседании диссертационного совета ^ид.ю^.ио.ш во всероссийском научно-исследовательском институте противопожарной обороны (143900, Московская область, Балашиха-З).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВНИИПО МВД России

Автореферат разослан «

Отзыв на автореферат с заверенной подписью и печатью просим направлять в двух экземплярах во ВНИИПО МВД России по указанному выше адресу. Телефон для справок: 521-9157.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук,

старший научный сотрудник А.Н.Шульга

Н.А.

Защита состоится

часов на

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность.

Возможным вариантом развития аварии на промышленных и шергетических объектах является выброс внутрь здания горючих веществ ; последующим образованием газопаровоздушной смеси (ГПВС). Значительную опасность для персонала, технологического зборудования и строительных конструкций зданий представляет ззрывной режим превращения горючей смеси. Аналогичная ситуация ложет возникнуть при утечке природного газа в жилых и общественных зданиях, особенно при расположении газовых соммуникаций и оборудования в подвальных помещениях. Таких зданий только в Москве примерно 25% от общего числа газифицированных.

"В 1996 г. на промышленных объектах России произошло 42 шарии, связанные с утечкой газа. В них погибло 8 человек. В жилых помещениях за это же время и по тем же причинам произошло 120 тпцидентов, в которых пострадали 180 человек, из которых 75 погибли" АиФ N849).

Особенно велика вероятность взрыва ГПВС на объектах гефтехимической и химической промышлетюсти, где хранятся и используются значительные объемы взрывоопасных газов и жидкостей. В ^оссии доля таких аварий невероятно велика (почти 96%). Не намного 1учше обстоят дела в химической и нефтеперерабатывающей тромышленностн за рубежом. По данным международной страховой сомпашга (ПИ) в США основной ущерб (~80%) приходится на долю шарий со взрывами ГПВС. Американская страховая ассоциация (А1А) тровела анализ почти 1000 крупных аварий за последние двадцать лет. 2го итог: в 38% случаев ущерб обусловлен взрывом ГПВС, в 25% случаев оцерб нанесен совместным действием взрыва и пожара.

Безусловно, основными мерами, направленными на снижение гаарийных взрывов, являются меры по их предупреждению. Однако все 'снлия, предпринимаемые в этом направлении, не могут дать :топроцентной гарантии взрывобезопасности промышленных и ражданских объектов. Даже в атомной промышленности, где аварии тогут привести к катастрофическим последствиям (достаточно ¡спомнить аварию на Чернобольской АС), вероятность аварийной :итуации с тяжелыми последствиями оценивается как 10"6 1/год. Тоэтому кроме мер, направленных на снижение вероятности юзникновения аварийной ситуации, актуальными остаются меры по ювышению взрывоустойчивости зданий и сооружений взрывоопасных (бъектов промышлетюсти, жилых и общественных зданий.

Анализ взрывов на промышленных и гражданских объектах показывает, что взрывные нагрузки могут в 3-12 раз превосходить прогнозируемые. Причина заключается в несовершенстве нормативных документов, используемых при проектировании и реконструкции взрывоопасных объектов. В их основу были положены упрощенные представления о дефлаграционном горении ГПВС, не учитывающие реальный характер взрывного превращения горючей смеси. Следствием этого является существенное различие в площадях сбросных проемов, регламентируемых нормативными документами разных стран. Например, для помещений категории А с объемом 1000м3 в России необходимой считается площадь - 50м2. Для аналогичных помещений, содержащих горючие смеси повышенной взрываемости, по нормативным документам США - 220м2, а в Англии - 330м2.

Учитывая, что решение проблемы горения ГПВС связано с сохранением человеческих жизней и большим материальным ущербом, она является достаточно актуальной и ей уделяют большое внимание во всех экономически развитых странах.

Впервые к решению этой проблемы приступили в прошлом веке в связи с участившимися взрывами метановоздушных смесей в угольных шахтах - Faraday.

В бывшем СССР исследованию газовой дефлаграции уделялось достаточно серьезное внимание как на академическом уровне (В.В.Азатян, В.С.Бабкин, Г.И.Баренблатг, Б.Е.Гельфанд,

Ю.А.Гостинцев, А.А.Григорян, С.Б.Дорофеев, Б.В.Замышляев, Я.Б.Зельдович, В.П.Карпов, В.А.Левин, А.Д.Махвиладзе, В.А.Попов, Д.А.Франк-Каменецкий, С.А.Цыганов, А.Н.Черноплеков, Г.Г.Черный, К.ШЦелкин и др.) так и в прикладном.

В приложении к решению практических задач газовая дефлаграция изучалась в нескольких научных и учебных заведениях. Среди учебных заведений следует выделить бывший Московский инженерно-строительный институт (ныне МГСУ), возглавляемый ректором Н.А.Стрельчуком, известным ученым в области горения. В коллективе, созданном им, работали: В.А.Горев, П.Ф.Иващенко, А.В.Мишуев, Г.Г.Орлов, Л.П.Пилюгин, В.С.Румянцев, В.АЛчелинцев и др. В бывшей инженерной пожарно-техшмеской школе МВД СССР (ныне институт) вопросами газовой дефлаграции занимались: И.М.Абдурагимов, В.В.Агафонов и др.

Ряд научно-исследовательских институтов активно занимались вопросами дефлаграционного горения. Во всесоюзном научно-исследовательском институте техники безопасности в химической промышленности (ВНИИТБХП) над этой проблемой работала группа ученых, возглавляемых В.И.Водяником и А.В.Грановским. В лаборатории

взрывобезопасности (ЦНИИПромзернопроект), руководимой

Л.И.Семеновым, уделялось большое внимание вопросам горения пылей.

Начиная с 70-х годов, в проблему взрывобезопасности активно включился ВНИИПО МВД СССР, где за последнее время выполнено много высококлассных работ такими учеными и специалистами как

A.И.Баратов, И.А.Болодьян, М.Г.Гаджелло, Л.Я.Корольченко,

B.М.Макеев, В.В.Мольков, С.Г.Цариченко, Ю.Н.Шебеко и др.

В нашей стране проблеме взрывобезопасности уделяется самое пристальное внимание. В частности, настоящая работа явилась составной частью общей проблемы «Безопасность», работы по которой возглавляют академик РАН К.В.Фролов и член-корреспондент РАН Н.А.Махутов. Большое внимание работе было оказано со стороны Госгортехнадзора России, особенно его специалистами Е.А.Маловым, А.А.Шаталовым, М.В.Бесчастновым и В.П.Ивановым.

За рубежом проблеме дефлаграционного горения также оказывается самое серьезное внимание. Следует отметить работы таких ученых и специалистов как W.Bartknecht, D.Bradley, S.Crescitelli, G.Elbe, T.Hirano, J.H.S.Lee, B.Lewis, G.H.Markstejn, A.Mitcheson, R.V.Moen, HJ.Pasman, D.B.L.Spalding, C.Yao, R.G.Zalosh.

Основная задача, которая стоит перед учеными, заключается в обеспечении взрывозащиты и взрывоустойчивости технологического оборудования, аппаратов и зданий взрывоопасных производств. Наиболее эффективным способом обеспечения взрывоустойчивости зданий и помещений является использование предохранительных конструкций, вскрытие которых должно снизить давление до безопасного уровня. Однако выбор необходимой площади сбросных проемов, способ их размещения на ограждающих конструкциях здания зависит от такого количества факторов, что на сегодняшний день нельзя с уверенностью сказать, что проектируемые и эксплуатируемые здания взрывоопасных производств являются взрывоустойчивыми. Об этом свидетельствуют многочисленные аварии, сопровождаемые разрушением зданий и гибелью людей.

Настоящая работа выполнена в МГСУ и традиционно придерживается школы МИСИ - от выявления физической сущности явления (эксперимент) к теории и разработке инженерных способов расчета.

Цель работы - изучение закономерностей дефлаграциогаюго горения газовоздушных смесей (ГВС) в полузамкнутых объемах (объемы, имеющие на боковой поверхности сбросные проемы) при относительно низких избыточных давлениях (hP < 20кПа) для создания способов защиты промышленных и гражданских зданий (помещений) от разрушения при аварийном взрыве внутри них газовоздушных смесей.

защиты промышленных и гражданских зданий (помещений) от разрушения при аварийном взрыве внутри них газовоздушных смесей.

Для достижения указанной цели решались следующие задачи: - анализ существующих математических моделей, описывающих динамику дефлаграционного горения газовоздушных смесей в замкнутых и полузамкнутых объемах;

- анализ нормативных и ведомственных документов, определяющих нагрузки на строительные конструкции зданий взрывоопасных производств;

- выявление факторов, влияющих на интенсификацию горения ГВС;

- развитие общих принципов физического моделирования динамических характеристик дефлаграционного горения ГВС;

- создание инженерных формул, определяющих изменение давления во времени в полузамкнутых объемах произвольной формы;

- разработку математической модели для описания распространения фронта пламени дефлаграционного горения ГВС в полузамкнутых свободных объемах произвольной формы и в объемах с препятствиями;

- создание компьютерных программ для расчета перемещения фронта пламени и избыточного давления в полузамкнутых объемах кубической и вытянутой формы;

- проведение широкой серии экспериментальных исследований в полузамкнутых объемах кубической и вытянутой формы без препятствий и при наличии последних для выявления влияния различных факторов на динамику горения газовоздушных смесей в них;

- обоснование надежности теоретической модели, описывающей положение фронта пламени в полузамкнутых объемах путем сравнения расчетных данных с результатами экспериментальных исследований, представленных в настоящей работе, а также в отечественной и зарубежной литературе;

- разработку способов снижения уровней взрывных нагрузок на строительные конструкции зданий взрывоопасных производств.

Выполненные теоретические и экспериментальные исследования позволили приблизиться к решению проблемы - повышение взрывоустойчивости промышленных, жилых и общественных зданий путем научно и экспериментально обоснованных методов определения динамических характеристик дефлаграционного горения газовых смесей в полузамкнутых объемах различной формы с учетом интенсификации горения, вызванной наличием технологического оборудования и строительных: конструкций.

Научпая новпзпа.

Для условий квазистатичности и адиабатичности процесса цефлаградионного горения, исходя из законов несжимаемой жидкости, что следует из малости избыточного давления (АР <20кПа), отвечающего условию взрывоустойчивости строительных конструкций здания, с использованием теории источников и стоков разработана математическая модель, позволяющая следить за распространением фронта пламени и изменением давления во времени в полузамкнутых эбъемах кубической и вытянутой формы, свободных и при наличии в них технологического оборудования и строительных конструкций.

Численным методом решена задача по определению изменения убыточного давления в случае использования в качестве предохранительных конструкций стекол глухого остекления.

Определены критерии моделирования динамических характеристик чефлаграционного горения ГВС, позволяющие переносить результаты лабораторных экспериментов на натурные здания и помещения.

Экспериментально выявлены закономерности протекания процесса дефлаграционного горения в полузамкнутых свободных объемах кубической и вытянутой формы со степенью вытянутости (отношение длины здания к его высоте или ширине) не более десяти. При этом исследовалось влияние па процесс горения множества факторов. А тменно: влияние площади сбросных отверстий; влияние размещения сбросных отверстий на боковых поверхностях (одной или нескольких) эбъема: равномерно по поверхности или сосредоточенно; влияние взаимного положения источника воспламенения смеси и сбросных отверстий; влияние степени загазованности здания; влияние гегкосбрасываемых конструкций и ряд других факторов.

Получило дальнейшее развитие физическое представление о [урбулизации горения при наличии в объеме различных тел, при вменении поперечного сечения объема, при изменении направления его тродолыгой оси.

Экспериментально определено взаимное влияние тел на штенсифшсацию горения.

Практическая значимость.

Найдены и обоснованы способы снижения взрывных нагрузок щ строительные конструкции зданий и помещений взрывоопасных фоизводств. К ним относятся: оптимальное размещение сбросных гроемов на ограждающих конструкциях взрывоопасного здания; »птимальное размещение технологического оборудования; оптимальный ¡ыбор членения стекол глухого остекления и др. В результате шределено оптимальное объемно-планировочное решение здания, в

котором взрывные нагрузки при данной площади сбросных проемов оказываются минимальными.

Разработана инженерная методика расчета взрывных нагрузок в зданиях и помещениях взрывоопасных производств, что позволяет определить необходимую (безопасную) площадь сбросных проемов.

Результаты исследовашш, представленных в диссертационной работе, внедрены на АООТ "Московский нефтеперерабатывающий завод", Новоуфимский НПЗ, Очаковский и Бескудниковский филиалы Российского государственного предприятия по транспортировке и реализации нефтегазов, ряд объектов АО "Росгазификация" и ГП "Мосгаз". В итоге определены взрывные нагрузки во взрывоопасных зданиях и помещениях указа1шых выше предприятий и объединений и даны рекомендации по их снижению до безопасных (неразрушающих).

Исследования, проведенные на ряде взрывоопасных промышленных объектов г.Москвы, послужили основой для выхода постановления Правительства Москвы (№723 от 29 августа 1995г.) и Комиссии правительства Москвы по чрезвычайным ситуациям (протокол N8 от 23.11.95г.). Для нужд Главного Управления ГО и ЧС при Правительстве Москвы разработаны методические указания по определению степени взрывоустойчивости проектируемых и существующих зданий и сооружений ири аварийных дефлаграционных взрывах.

Для руководящего и технического состава ГП "Мосгаз" созданы постоянно действующие курсы: "Основы взрывного горения газовоздушных смесей и способы снижения последствий аварийных взрывов". Часть материала читается автором настоящей работы на основе его исследований.

Выполненный комплекс работ позволил получить лицензшо Госгортсхнадзора России (№110-99/4669 выдана 23.07.96) на проведение технической экспертизы взрывоустойчивости потенциально опасных объектов.

Апробация работы.

Основные результаты диссертации докладывались на V Всесоюзном семинаре "Современные проблемы механики жидкости и газа" (Иркутский ВЦСО АН СССР, 1990), XI (Всесоюзной) и ХШ (Всероссийской) научно-практических конференциях (Балашиха, 1991, 1995), Всесоюзном Симпозиуме "Газодинамика взрывных и ударных волн детонационного и сверхзвукового горения" (Алма-Ата, 1991), Научно-практической конференции "Спасение, защита, безопасность -новое в науке, технике, технологии" (Москва, 1995), I и II Международном семинаре "Пожаровзрывобезопасность веществ и

взрывозащита объектов" (Москва, 1995, 1997), Международном конгрессе "Анализ и оценка природного и техногенного риска в строительстве" (Москва, 1995), Международном конгрессе "Экологические проблемы больших городов: инженерные решения" (Москва, 1996), 3-ей Международной конференции "Проблемы управления качеством окружающей среды" (Москва, 1997), Второй Всероссийской научно-практической конференции "Защита населения и территорий при чрезвычайных ситуациях в мирное и военное время как составная часть национальной безопасности России" (Москва, 1997).

Публикации.

Всего опубликована 71 работа. По теме диссертации - 36 работ.

На защиту выносятся:

1. Теоретические разработки, расширяющие представление о динамике горения газовоздушных смесей в замкнутых и полузамкнутых объемах произвольной формы.

2. Математическая модель для описания поведения фронта пламени дефлаграционного горения газовоздушной смеси в полузамкнутых объемах кубической и вытянутой формы.

3. Критерии моделирования динамических процессов дефлаграционного горения в полузамкнутых объемах.

4. Экспериментальное и теоретическое обоснование закономерностей, свойственных дефлаграционному горению ГВС в свободных полузамкнутых объемах кубической и вытянутой формы.

5. Методика определения интенсификации дефлаграционного горения в полузамкнутых объемах кубической и вытянутой формы, основанная на рассмотрении параметров турбулентного следа за различного рода препятствиями. Экспериментальные зависимости интенсификации горения на препятствиях, при изменении поперечного сечения вытянутого объема и изменении направления его продольной эси.

6. Инженерные формулы для оценки избыточного давления дефлаграционного горения в полузамкнутых свободных объемах и эбъемах с телами.

7. Способы снижения взрывных нагрузок на строительные конструкции зданий и помещений взрывоопасных производств.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, шести глав, изложенных на 126 страницах, включая 172 рисунка, 13 таблиц, библиографии из 239

наименований и документов, подтверждающих практическую значимость работы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы, сформулированы цель и задачи работы. Отмечаются заслуги отечественных и зарубежных ученых, научно-исследовательских и учебных заведений в решении проблемы дефлаграционного горения газовоздушных смесей. Приводится краткое содержание глав диссертации.

В первой главе представлен анализ математических моделей, описывающих динамику горения газовоздушных смесей в полузамкнутых объемах. Математические модели сводятся: к определеншо массы (объема) продуктов сгорания, выделяющихся за элементарный промежуток времени Л и истекающих за это же время через сбросные отверстия в атмосферу под действием избыточного давления. Затем из уравнения энергии определяется изменение давления за то же время в полузамкнутом объеме.

Рассматриваются модели Б.ВгесИеу и А.МксИезоп - одних из основоположников теоретических и экспериментальных исследований в области дефлаграционного горения, С.Мапс1еу, В.В.Молькова, С.Уао, З.СгеБсЬеШ, В.С.Бабкина, Е.ГАпЙюпу, М.ХБарко, Н.А.Стрельчука, А.В.Мишуева, Г.Г.Орлова и др.

Все модели исходят из горения в сферическом объеме (исключая модель А.В.Мишуева) с множеством равномерно распределенных сбросных отверстий на его поверхности. Отличаются модели вводимыми в них уточнениями. Так, если О.ВгесНеу и А.МйсЬеБоп предполагают, что горение происходит при нормальной скорости распространения пламени; смесь хорошо перемешана и находится в спокойном состоянии; воспламенение смеси осуществляется в центре объема; сферическая симметрия пламени не нарушается гидродинамической неустойчивостью и естественной конвекцией; теплопотери отсутствуют; процесс горения квазистатический; расширение газов происходит адиабатически; сферическая форма пламени не нарушается на протяжении всего времени горения ГВС; рассматривается нарастание давления только при истечении свежей смеси, то Н.А.Стрельчук, Г.Г.Орлов и др. при тех же допущениях учитывают, что через сбросные отверстия сначала истекает свежая смесь, затем продукты сгорания. Н.А.Стрельчук и др. рассматривают изотермическую связь между давлением и объемом газа, что может быть принято при условии, что при взрыве избыточное давление в сосуде существенно меньше атмосферного и сбросные" проемы открыты.

A.Н.Баратов и Н.И.Коротких при построении дифференциального уравнения использует адиабатическую связь между давлением и объемом газа.

В.В.Мольков, основываясь на исследованиях Б.ВгесНеу, С.Уао,

B.СгезскеШ, В.С.Бабкина и др., значительно усовершенствовал дифференциальное уравнение, введя в него ряд уточняющих параметров. В частности, учитывается, что истечение газа может быть докритическим и сверхкритическим, что до разгерметизации сосуда давление в нем нарастает как в замкнутом пространстве, учитывается изменение нормальной скорости распространения пламени в процессе горения и т.д. Однако дифференциальное уравнение описывает только случай сферического горения от центрального источника воспламенения. Время истечения холодных газов не учитывается, т.к. отношение площади сбросных отверстий к площади поверхности сосуда мало, что характерно для горения в технологических аппаратах. После разгерметизации сосуда принимается, что сферическое горение сохраняется и вытягивания пламени в сторону сбросного отверстия не происходит. Принимаются и другие допущения.

Во всех уравнениях, описывающих динамику избыточного давления в полузамкнутых объемах, в явном или неявном виде присутствует фактор турбулизации X, характеризующий увеличение скорости горения, вызванной различными физическими явлениями, например, искажением фронта пламени, турбулизацией на препятствиях и др. Впервые фактор турбулизации ввели в своих работах С.Уао и ЬЫ.Разтап для того, чтобы адаптировать полученное дифференциальное уравнение динамики давления в негерметичном сосуде к реальным условиям. С этой же целью В.В. Мольков принимает, что коэффициент расхода газов через сбросные отверстия ц, входящий в дифференциальное уравнение, может быть больше единицы. Введение указанных параметров, меняющихся в широких пределах, позволило значительно приблизить расчетную схему к реальным условиям. Основываясь на результатах обработки экспериментальных данных различных авторов, В.В.Мольков получил универсальную корреляцию между максимальным избыточным давлением взрыва и "турбулентным параметром вентилирования". Следовательно, параметры X и ц могут быть получены только из экспериментальных данных, максимально приближенных к реальным условиям. В связи с этим был предложен метод обратной задачи -"параметры модели определяются таким образом, чтобы расчетная зависимость давление-время была сопоставима с аналогичной экспериментальной зависимостью" (В.В.Мольков). Таким образом,

эксперимент остается основным методом исследования дефлаграционного горения.

Проанализированные расчетные модели, использующие сферическую симметрию горения, с большим допущением могут быть использованы для оценки динамических характеристик горения в зданиях близких по форме к кубическим. Они не приемлемы для зданий, имеющих вытянутую форму, в которых "тормозящее" действие стен заставляет пламя достаточно быстро трансформироваться от сферической формы в вытянутую. Некоторые модели учитывают это обстоятельство. Однако площадь фронта пламени остается неизвестной.

В зданиях и помещениях взрывоопасных производств допустимые давления не должны превышать 20кПа, что позволяет впести в математические модели ряд существенных упрощений, мало снижающих точность расчета.

Остается актуальной задача дальнейшего изучения

интенсификации горения при наличии в здании технологического оборудования, строительных конструкций и т.п. Состояние изучаемой проблемы таково, что можно указать лишь на качественную оценку влияния ряда факторов на интенсификацию горения.

Анализ нормативных и ведомственных документов, определяющих нагрузки на строительные конструкции зданий взрывоопасных производств, используемых как. в РФ, так и за рубежом, показал их несовершенство по многим позициям. Они не отражают в полной мере современное физическое представление о процессе дефлаграционного горения, поэтому нередко аварийные нагрузки превосходят допустимые в 3-12 раз, что приводит к разрушению зданий и гибели людей.

В заключении главы приводится перечень наиболее актуальных проблем в области дефлаграционного горения, основанный на анализе литературных источников.

Во второй главе для определения динамики избыточного давления в полузамкнутых объемах предлагается упрощенная формула, полученная из формулы А.В.Мшнуева

где АР(г) - текущее избыточное давление;

[/„ - нормальная скорость распространения пламени; р1 - плотность газа (индекс ] = 1,2; 1 относится к свежей смеси - 2 к продуктам сгорания);

(1)

е = р1/р2- степень расширения смеси при сгорании;

F(t) - текущая площадь фронта пламени;

S - суммарная площадь сбросных отверстий;

а - коэффициент интенсификации горения;

¡л - коэффициент расхода, учитывающий условия истечения свежей ГВС или продуктов сгорания через сбросные отверстия.

Формула записана для условий адиабатичности и квазистатичности процесса горения и для избыточных давлений, не превышающих 20кПа, что отвечает требованиям устойчивости строительных конструкций взрывоопасных зданий.

Приближенная формула (1) физически соответствует условию полного сброса в атмосферу выделяемых в данный момент времени продуктов сгорашы. Коэффициент расхода истекающих через сбросные отверстия газов может быть принят в первом приближении равным единице.

Из формулы (1) следует, что изменение давления во времени в некотором негерметичном сосуде полностью определяется текущей площадью фронта пламени F(i) и плотностью истекающих через сбросные отверстия газов при условии, что степень расширения продуктов сгорания е в принятом диапазоне избыточного давления меняется незначительно, а скорость нормального горения UH есть величина постоянная. Исходя из этого определяются необходимые условия проведения экспериментальных и теоретических исследований. В первую очередь выясняется область применимости ^прощенной формулы.

Показано, что для объемов кубической формы при относительной хлощади сбросных отверстий S.=S/r£= 0.4 (S - суммарная площадь :бросных отверстий, г0 - 1/2 ребра куба) ошибка в определении АР по (1) ie превышает 9% для первого пика давления и 2% для второго (в этом ;лучае = АкПа). Для S. =0.2 (АРхахс =\6кПа) ошибка соответственно Юстигает 36% и 8%.

Теоретически определено и подтверждено экспериментально, что :смп нарастания давления в герметичном сосуде пропорционален ¡ремени в третьей степени. Для негерметичных сосудов AP~tA, если шощадь сбросных отверстий достаточно велика. Для малых площадей акон четвертой степени соблюдается лишь в начальные моменты ¡ремени.

Получены критерии моделирования динамических характеристик горения ГВС при избыточных давлениях много меньше атмосферного (АР <20кПа) и квазистатичности процесса горения.

Приближенное уравнение (1) показывает, что максимальные уровни избыточного давления на модели и натуре будут одними и теми же, если:

1. Соблюдаются физико-химические условия горения, т.е. начальная плотность газа, скорость нормального горения и степень расширения продуктов сгорания одинаковые.

2. Соблюдается геометрическое подобие, т.е. подобие линейных размеров модели и натуры, а также подобие размеров сбросных проемов.

Необходимо добавить, что также должны соблюдаться подобия размещения сбросных проемов, технологического оборудования и строительных конструкций. Соблюдение этих условий позволяет получить на модели наиболее достоверную информацию об интенсификации взрывного горения.

Соблюдение геометрического подобия не позволяет учесть такой важный фактор, как самоускорение горения (автотурбулизация горения). Сравнение результатов экспериментальных исследований, выполненных нами на свободных объемах малого масштаба, с другими исследованиями, выполненными на моделях значительно большего размера, позволило предложить эмпирическую формулу для коэффициента интенсификации горения ГВС, вызванной масштабным эффектом.

При соблюдении геометрического подобия и использовании на модели и натуре одной и той же горючей смеси темп нарастания давления на модели больше в М раз (М - масштаб моделирования). Этот критерий подобия получен математически и подтвержден результатами эксперимента.

Показано, что моделирование процесса взрывного горения в полузамкнутых объемах, заполненных оборудованием, следует исходить из соблюдения критерия подобия по числу 11е, которым характеризуется обтекание свежей смесью препятствий. Это положение подтверждено теоретически и экспериментально В.С.Бабкиным и его учениками.

При оборудовании сбросных проемов легкосбрасываемыми конструкциями (ЛСК) следует учитывать, что безразмерный параметр времени вскрытия ЛСК, характеризующий время полного вскрытия проема, на натурном здании меньше при одинаковом давлении вскрытия ЛСК на модели и натуре.

Смоделировать в полной мере процесс горения в помещении со сбросными проемами, имеющими глухое остекление, не представляется возможным. Однако максимальное значешге давления на модели и натуре можно получить одинаковым, если соблюсти равенство отношения максимального давления при открытых проемах к давлению вскрытия стекол.

Экспериментальные исследования преследовали своей целью получение достоверной информации о динамических характеристиках дефлаграционного горения газовоздушных смесей в полузамкнутых объемах различной формы, поэтому процесс проведения опытов был целиком автоматизирован.

Горючими газами были выбраны пропан и метан, как наиболее доступные и имеющие хорошо изученные физико-химические свойства.

Для получеши надежных экспериментальных результатов предварительно была проведена методическая серия, позволившая определить способ введения смеси (в одну "точку" или несколько "точек" камеры), необходимое время перемешивания смеси (в зависимости от объема камеры), время успокоения смеси, время задержки проскока искры после вскрытия сбросных отверстий. В результате были получены экспериментальные зависимости избыточного давления, отличающиеся не более чем на 6% для опытов с одинаковыми начальными условиями.

Учитывая, что во всех теоретических зависимостях одним из допущений являлась квазистатичность процесса горения, были проведены экспериментальные исследования, направленные на выявление условий, при которых процесс горения можно считать квазистатическим.

В кубических объемах квазистатичность давления соблюдается для любого взаимного размещения искры и сбросных отверстий и для любого варианта размещения сбросных отверстий на боковых поверхностях. Для вытянутых объемов при отсутствии акустических колебаний квазистатичность соблюдается в объемах вытянутостыо = 4 - 5 (отношение длины к высоте или ширине) при сравнительно равномерном распределении сбросных отверстий по протяженной боковой поверхности. До вытянутости 10 условно допускаем, что квазистатичность давления соблюдается. Это относится как к эткрытым сбросным отверстиям, так и к отверстиям, оборудовашшм пегкосбрасываемыми конструкциями, при их равномерном и сосредоточенном размещении на боковой поверхности объема.

Исследования проводились на пропановоздушной смеси ;техиометрического состава равномерно распределенной по всему эбъему. В этом случае взрывные нагрузки, действующие на

строительные конструкции здания, имеют максимальное значение. К тому же исследования показали, что при загазованности части здания (10-15% от всего объема здания), избыточное давление близко к значению при полностью заполненном объеме смесью стехиометрического состава. Видимая скорость пламени варьировалась изменением концентрации газовоздушной смеси.

Третья глава посвящена экспериментальному выявлению закономерностей дефлаграционного горения в свободных, объемах кубической и вытянутой формы.

Кубические камеры отличались размерами. Первая, названная малой (объем 3557.4см3), имела четыре отверстия диаметром 41.7мм, которые располагались на двух противоположных боковых поверхностях симметрично. Следующая камера имела длину ребра 305мм. Ее объем примерно в 8 раз превышал объем малой камеры. Особенность этой камеры состояла в том, что сбросные отверстия были выполнены па всех шести боковых поверхностях. Каждая боковая поверхность имела по 25 отверстий диаметром 19.5мм или 38.5мм. Большая кубическая камера имела длину ребра 680мм. Огверстия диаметром 60мм располагались на двух взаимно противоположных гранях - по 36 на каждой. Объем модели был равен 31.44-104см3. Таким образом, соотношение между объемами кубических камер составляло 1 : 7.97 : 88.4,

Для определения нагрузок в зданиях кубической формы и близких к ним, т.е. когда максимальный линейный размер здания отличается от минимального не более, чем в три раза, в первую очередь необходимо выяснить, какой шгк (максимум) давления является доминирующим - первый или второй.

До первого максимума давление нарастает при истечении через сбросные отверстия холодной смеси и достигает наибольшего значения в момент подхода пламени к сбросным отверстиям. Затем, в результате увеличения скорости истечения продуктов сгорания (а<а) и образования волны разрежения давление резко надает. После чего давление вновь увеличивается до второго максимума, соответствующего наибольшему фронту горения при истечении через отверстия продуктов сгорания. Площадь фронта горения, соответствующая первому максимуму давления, зависит от ряда факторов в числе которых: площадь сбросных отверстий; взаимное расположение источника воспламенения ГВС и сбросных отверстий; способ размещения сбросных отверстий на боковых поверхностях кубического объема (на одной или нескольких поверхностях, сосредоточенное расположение или распределенное по поверхности

грани). Нарастание давления до первого максимума происходит интенсивнее, чем до второго.

Площадь фронта горения в момент реализации второго максимума давления не зависит от площади сбросных отверстий и мало зависит от взаимного расположения источника воспламенения и сбросных отверстий и от способа размещения сбросных отверстий на поверхности кубического объема. Без большой погрешности для всех случаев его можно считать равным площади поверхности кубического объема.

Зависимость первого и второго пиков давления от относительной площади сбросных отверстий = /К2'3 (X5 -суммарная площадь сбросных отверстий, V - объем камеры) имеет вид -дР = /(1 / 5."). Для второго пика давления, независимо от размеров куба п = 2. Тогда для оценки величины второго пика давления можно использовать выражение (1). Наблюдается хорошая сходимость экспериментальных и расчетных значений дР2.

Связь между 5. и величиной первого пика давления (АР,) более сложная и, по-видимому, зависит от размеров кубического объема. Так для малого куба эта связь имеет вид АР1 а для куба с ребром

305мм - А/; « 1 /51,15 для 5. >0.25 и ~ 1 /Л'.06 для Я. < 0.25.

Кинограммы горения показали, что в сторону сбросных отверстий наблюдается вытягивание фронта горения и увеличение видимой скорости пламени. В сторону "глухих" стенок, напротив, видимая скорость пламени падает и вблизи стенки становится равной скорости нормального горения.

Вытянутые камеры были двух модификаций. Первая имела сечение 150x150мм с 40 отверстиями (при вытянутости 10) диаметром 41.7мм на каждой из двух взаимно противоположных протяженных гранях. Вторая камера имела сечение 160x160мм с 38 отверстиями (при вытянутости 10) диаметром 12мм, расположенными также на двух взаимно противоположных протяженных гранях. Вытянутость камер менялась путем перемещения одной из торцевых стенок.

Результаты исследований в вытянутых объемах можно свести к следующим положениям:

1. Существует принципиальное отличие горения ГВС в вытянутых эбъемах с сосредоточенным расположением отверстий вблизи одной из торцевых граней и в объемах с отверстиями, распределенными вдоль вытянутых граней.

2. При сосредоточенном размещении сбросных отверстий шбшодается значительное ускорение фронта пламени вдоль вытянутой зси. Чем дальше источник воспламенения ГВС удален от сбросных

отверстий, тем больше скорость пламени (до ~80м/с для \L, = 10) и больше максимальное избыточное давление. Максимальное давление наблюдается при размещении источника воспламенения ГВС на вытянутой оси объема на расстоянии ~0.3 его высоты от торцевой стенки без сбросных отверстий.

При максимальном давлении поверхность фронта пламени достаточно точно аппроксимируется параллелепипедом, длина которого равна расстоянию от искры до ближайшего сбросного отверстия. При размещении источника ГВС в районе сбросных отверстий давление снижается на порядок, однако возможно появление значительных акустических колебаний.

Основным параметром, определяющим величину избыточного давления в вытянутых объемах с сосредоточенным расположением сбросных отверстий, является отношение площади фронта горения в момент начала истечения продуктов сгорания через сбросные отверстия к площади сбросных отверстий.

3. При равномерном распределении сбросных отверстий в вытянутых объемах также наблюдается ускорение пламени вдоль вытянутой оси. Фронт пламени при достижении максимального давления имеет форму, близкую к параллелепипеду с длиной 2.5...3 его высоты. В этом случае через часть сбросных отверстий истекают продукты сгорания, а через остальные - свежая смесь.

4. Рассчитывать давление в вытянутых объемах, приводя их к сфере с равномерным распределением сбросных отверстий по ее поверхности, нельзя. Такой метод расчета может привести к ошибке на порядок в сторону занижения давления особенно для сосредоточенных сбросных отверстий.

Раскроем некоторые указанные выше положения. Рассмотрим сначала случай сосредоточенных сбросных отверстий.

На рис.1 представлена кинограмма горения изначально спокойной пропановаздушной смсси стехиометрического состава в вытянутом объеме с глухими торцами при размещении восьми сбросных отверстий 041.7мм на двух вытянутых гранях (по 4 на каждой) вблизи правой торцевой грани. Относительная площадь сбросных отверстий S. =2>/F2:3 равна 0.158. На том же рисунке показаны зависимости AI'(t), полученные одновременно со скоростной киносъемкой перемещения фронта пламени. Сбросные отверстия за доли секунды до взрыва вскрывались. На рис.2 показано изменение скорости фронта пламени в трех направлениях. Из рисунков видно, что наблюдается некоторая неквазистатичность давления: датчик 2, удаленный от искры, начинает позже регистрировать изменение давления. Фронт пламени

31

-Л

датчик№1

557,4

дапик№2

Ь=786мм=5,24Ь

1=1,1т 1=21,9мс 1=45, Оме 1=48,Оме 1=60,7мс

лр.кПа

6,0. лр,кПа

7,4кПа 45мс

40 80 1,ис

Рис. 1 Кинограмма горения пропановоздушной смеси стехноглетрического состава в вытянутом объеме и зависимость избыточного давления от времени (размеры камеры в миллиметрах) .

Х„км 80 40 0 40 80 200 400 600 Хг,мм

Рис. 2 Скорость пламени , определенная по кинограмме горения (рис.1) и по формуле 4 (площадь фронта горения аппроксимирована эллипсоидом).

достаточно быстро трансформируется из сферы в эллипсоид, а затем принимает форму параллелепипеда. В сторону отверстий (направление Х2) наблюдается ускорение движения пламени до момента подхода его к первому сбросному отверстию (1=47мс). В этот же момент наблюдается максимум избыточного давления. В сторону глухих стенок (направления видимая скорость пламени падает до скорости

нормального горения. При смещении искры в сторону сбросных отверстий максимальное значение избыточного давления уменьшается (рис.3).

др.кПа

8,0 : л

6,0 У \

2,0 А угл а\_

о _

0 0,5 1 а/1.

Рис. 3. Изменение максимальных значений избыточного давления в вытянутом объеме в зависимости от места воспламенения пропановоздушной смеси (- ■ расчет , © - эксперимент).

На том же рис.3 прямой линией (ДРсф) показано расчетное давление в камере, полученное в предположении, что объем камеры представляет собой сферу с множеством сбросных отверстий той же относительной площади - = 0.158, размещенных равномерно на ее поверхности. Динамика горения значительно меняется, когда искра оказывается в районе сбросных отверстий (рис.4). Фронт пламени при движении его в сторону правой торцевой стенки через небольшой промежуток времени становится искаженным, т.е. в процессе горения появляются факторы, приводящие к его возмущению. Скорость пламени в направлении Хг сначала убывает до скорости нормального горения, затем увеличивается, становясь больше значения и,-с, и вновь падает до ин (рис.5). В зависимости ДР(/) наблюдаются значительные акустические колебания (рис.4). Исходя из законов гидродинамики с использованием теории источников и стоков, показано, что в сторону Х2 скорость свежей смеси (IV) должна быть равна нулю (после образования плоского фронта), что необходимо учитывать при

датчикл?!

48,4| 73

датчикл»^

33

25.

I.—в05=5.36Ь

Ш

041,7

1=11,2мс

1=30,2ме 1=56,Оме

1=226,8мс

1=403,2ме 1=442,8мс

1=560,Оме

др,кПа

О.ЗЗкЯа

0,975жПа

лр,кПа

Рис. 4. Кинограмма горения пропановоздушной смеси стехиометрического состава в вытянутом объеме и зависимость избыточного давления от времени (размеры камеры в миллиметрах).

размещении технологического оборудования в здании. Однако, как было показано выше, видимая скорость пламени больше и\. Это связано с искривлением фронта пламени и турбулизацией горения. Продукты сгорания, устремляясь в сторону отверстий, турбулизируют еще несгоревшую смесь, частично перемещая ее в сторону сбросных отверстий и расширяя область горения, что хорошо видно на кинограмме (рис.4).

' и,м/с

Х„мм 40 0 40

Х„мм

Рис. 5. Скорость пламени , определенная по кинограмме горения (рис.4)

При равномерном распределении сбросных отверстий на вытянутой грани (одной или двух) также наблюдается ускорение фронта пламени вдоль вытянутой оси. Однако ускорение на порядок меньше по сравнению с сосредоточенным размещением сбросных отверстий той же площади.

Получена простая инженерная формула, позволяющая определять максимальное избыточное давление в вытянутом объеме как при равномерном размещении сбросных проемов на вытянутых гранях, так и при их сосредоточенном расположении.

Если обозначить за Ьф осевую протяженность фронта пламени, а за ^ - площадь фронта пламени (рис.3), то из (1) при а = 1 и ц = 1 следует, что:

ДР =

игн-{е-\?-Рх

Пк7

или

АР =

Ul-ic-lf-p,

Sa•("!, +Js-m2)

(3)

где 50т,- площадь одного сбросного отверстия;

соответственно количество сбросных отверстий, через которые истекает холодный газ или продукты сгорания; 1,к - соответственно длина объема и его высота. Скорость несгоревшей (свежей) смсси перед фронтом пламени (скорость "ветра") - ТУ можно получить из выражения:

(4)

Учитывая, что видимая скорость пламени складывается из скорости ветра и нормальной скорости распространения пламени, получаем ип=1Г + и„. Исходя из кинограммы горения, площадь пламени можно аппроксимировать площадью поверхности эллипсоида или параллелепипеда: ^ = я-1г(Ьф ¡И) или F = Л2(4ЬФ / И+ 2).

При сосредоточенном расположении сбросных проемов нарастание давления до максимального значения происходит при истечении через сбросные отверстия только свежей смеси, следовательно, в (3) и (4) щ = 0. Сравнение расчетных и экспериментальных данных представлено на рис.2, 3 и 6. На рис.6 показаны две кривые, т.к. длина фронта пламени вдоль вытянутой оси имела дискретные значения -2А и 25И, которые определялись дискретностью расположения сбросных отверстий.

др.кПа 8,0

6,0

4,0

2,0

8 9 10

L/li

Рис. 6. Сравнение расчетных и опытных данных для объемов различной вытяиутости с равномерным распределением сбросных отверстий ( х - расчетные точки , е- опытные точки ) .

XS/0/L.) = 0,02 = const , гдеXS - площадь сбросных отверстий при данной вытяиутости камеры L. , h • высота камеры .

В четвертой главе представлены теоретические и экспериментальные исследования, касающиеся интенсификации горения. Углубляется физическое представление о механизме интенсификации горения. Основываясь на работах А.Н.Патрашева, Л.В.Гогиша и Г.Ю.Степаяова показано, что при обтекании тела свежей смесью наблюдается искривление эпюры скоростей в сечениях потока; интенсивная турбулизация потока; образование крупномасштабных вихрей, соизмеримых с размерами тела; образование области малоподвижного газа. Совокупность перечисленных факторов приводит к интенсивному ускорению пламени.

При наличии в объеме тела фронт горения увеличивается или возникает дополнительная область горения. Тогда избыточное давление в камере при наличии в ней тела увеличивается пропорционально:

Ио + ^гНЕ/./и.)]2

Р1«) ' ^

где Р(1) - площадь фронта горения в отсутствии тела в объеме;

(г)- площадь дополнительного фронта горения, обусловленного

обтеканием тела пламенем; ит - скорость горения с учетом турбулизации смеси в следе за телом.

Экспериментальные исследования в кубических и вытянутых объемах подтвердили справедливость выражения (5).

В кубическом и вытянутом объемах интенсификация горения исследовалась при наличии в нем различных тел: пластин, цилиндров и т.д.; одного и нескольких. В кубическом объеме изучалось также влияние диафрагмы с различным проходным сечением, а в вытянутом объеме влияние изменения поперечного сечения объема и влияние изменения направления продольной оси.

Как в кубических, так и в вытянутых объемах наибольшая интенсификация горения с одним телом наблюдается тогда, когда образуется наибольший след за телом и он успевает в процессе горения сомкнуться. Эти два явления наглядно прослеживаются в вытянутом объеме с сосредоточенным расположением сбросных отверстий (рис.7). Видно, что за частичной перегородкой образуется активная область горения. Максимальное избыточное давление в камере наступает тогда, когда перегородка находится в области наибольших скоростей свежей смеси (рис.8). Причем, наличие тела практически не увеличивает видимую скорость фронта горения. Следовательно,

Т=33,6мс

Т=37,8мс

Т=43,0мс

Рис. 7. Кинограмма горения пропавовоздушной смеси стехиометрического состава в вытянутом объеме (Ь.=10,4) с препятствием ( частичная перегородка 11=0,211 ).

а,мм

Рис. 8. Изменение максимальных значений избыточного давления в вытянутом объеме в зависимости от места положения (а) частичной перегородки высотой 0,20Н.

методику определения видимой скорости пламени в свободных объемах можно использовать и для объемов при наличии в нем тела.

В вытянутом объеме с равномерным распределением сбросных отверстий картина изменения максимального избыточного давления примерно та же, что и на рис.8, но учитывая, что скорость свежей смеси в целом ниже, увеличение давления по сравнению со свободной камерой меньше.

Максимальное избыточное давление при наличии в объеме тела в зависимости от его расстояния до искры (Х„) может быть получено по формуле:

Ргиг-(Е-\)2 -а,2 (РУ

где ^(0) - максимальная площадь горения в следе за телом, реализуемая в момент времени /0; Р - максимальная площадь фронта горения в свободном

помещении в момент времени г0; а, - коэффициент интенсификации горения, не учитывающий наличие в помещении тела, а учитывающий лишь интенсификацию горения в свободных объемах.

В (6) неизвестной величиной является максимальная плошадь горения в следе за телом в момент времени ¿0, соответствующего времени смыкания пламени в следе за телом. Эта площадь может быть получена опытным путем или из аэродинамических зависимостей, связывающих размер следа за телом с коэффициентом лобового сопротивления. Сравнение опытных данных с расчетными по (6) показало хорошую сходимость.

При наличии двух тел и более определяющим, как показали опыты, является: взаимодействуют ли их следы или нет, т.е. расстояние между телами. На рис.9 видно, что при определенном расстоянии между телами, примерно о = 2к (И - высота тела) наблюдается снижение давления в сравнении с а = 0 (одно тело). В этом случае обтекание двух пластин сравнимо с обтеканием параллелепипеда высотой А и шириной 2Ь, что и приводит к снижению давления. Если следы не взаимодействуют <з = (6 - 7)А, то каждая из пластин дает свой дополнительный источник горения. В этом случае давление возрастает примерно вдвое.

1 +

р„(0)ит/ии

(6)

д р,кПа

22

а_[Ь,

18

10

14

6

2

400 *""а,мм

100

200

300

0

3

6

9

12 "~а/Ъ

Рис. 9. Изменение максимального избыточного давления в вытянутом объеме в зависимости от взаимного расположения двух поперечных перегородок высотой 0,211 (З^З.бЭсм2, £5^=492,5см2).

1) одна перегородка на расстоянии 1=390мм от искры;

2) за второй перегородкой открыты два отверстия снизу ( Б,5% от£80Т„);

3) за 1-ой и 2-ой перегородками открыто по 2 отверстия снизу (11% от£80тв);

4) за первой перегородкой открыты 2 отверстия снизу ( 5,5% от28этв).

Заключая описание результатов, изложенных в главе 4, следует отметить, что в зданиях кубической формы и мало вытянутых (I. ¿5) не следует ожидать большой интенсификации горения изначально спокойной смеси стехиометрического состава от присутствия в них отдельного тела или группы тел даже плохо обтекаемых, таких как перегородки. Опыты показывают, что коэффициент интенсификации горения в вытянутых камерах с телами не превышает 3-4. Более того, при наличии в объеме нескольких тел не обязательно прогрессивное возрастание давления на каждом из последующих тел. Может быть так, что свежая смесь практически сгорела при подходе к очередному телу. Опыты на моделях реальных зданий: газораспределительный пункт (здание близкое к кубической форме) и насосная нефтеперерабатывающего завода (здание вытянутостью 4,5) подтвердили последние заключения.

В пятой главе представлена математическая модель, описывающая поведение фронта пламени дефлаграционного горения. В основу модели положены законы несжимаемой жидкости, что вытекает го

малости избыточного давления (ДР <2йкПа). В этом случае можно считать параметры горения: нормальную скорость распространения пламени и степень расширения продуктов сгорания - постоянными. При разработке математической модели принято, что процесс горения квазистатический и адиабатический. За основу была принята двумерная модель движения несжимаемой жидкости. Условие непротекания на границе, т.е. равенство нулю нормальной составляющей скорости среды перед фронтом пламени, выпольилось или конформным отображением данной области на полуплоскость, или введением фиктивных источников и стоков, расположенных зеркально относительно 1раней области. Выполнение условия непротекания на границе первым способом позволило получить аналитическое решение для полузамкнутых объемов, имеющих в сечении окружность, что достаточно точно моделирует объемы кубической формы. Выполнение условия непротекания на границе вторым способом позволяет построить численный алгоритм расчета положения фронта пламени для произвольного момента времени в полузамкнутых объемах произвольной формы, отношение линейных размеров которых не превышает трех. Для получения аналитического решения кубический объем заменяется сферой с единичным радиусом.

Аналитическое решение для скорости свежей смеси IV, а следовательно, и видимой скорости пламени (и п = ик + Ц') при расположении сбросных отверстий, обозначенных на рис. 10а кружками, имеет вид: по оси X (у=0)

Г 1 + х2

(7)

Учитывая, что -^ = Л, из (7) получаем связь между временем и аип{л)

положением фронта пламени:

2{е-1)

и.-ег

(8)

где г - размерная величина радиуса окружности, принятая за единицу. Формула (8) справедлива для е > 2.

Рис.10 Аналитические решения для скорости перемещения пламени в кубическом объеме ( г - радиус окружности , равный 1 ) .

Анализ выражения (7) показывает, что при х = 0 видимая скорость пламени равна ип=Е-ии, а при х = 1 (пламя находится у сбросного отверстия) видимая скорость пламени стремится к бесконечности (при (1 - АХ) - скорость пламени - величина конечная).

Общее время тх от начала воспламенения ГВС до момента, когда фронт пламени достигает сбросного проема, находится из (8) при х = \. Например, для е = 75 (пропановоздушпая смесь стехиометрического

у

состава) имеем г, =0385--.

и,-е

Аналогичным образом можно получить скорость свежей смеси перед фронтом пламени (скорость ветра) и соответственно видимую скорость пламени вдоль оси У (х=0).

На рис. 106 показано изменение скорости пламени по осям X и У для условий, приближенных к экспериментальным, там же нанесены опытные точки. Графики на рис.10 даны в безразмерных переменных: за единицу длины принята половши грани куба (г), за единицу скорости -величина е-ил, которая соответствует скорости распространения пламени в свободном пространстве.

Проведенный анализ аналитических решений и сравнение их с результатами эксперимента послужило основанием для разработки численного метода, основанного на тех же предпосылках, но позволяющего следить за положением фронта горения для множества произвольных направлений. При численном решешга данной задачи на ЭВМ возможно удовлетворение граничных условий (равенство нулю

скорости свежей смеси) не только на окружности единичного радиуса, но и на произвольном прямоугольнике. Это достигается введением ряда фиктивных (зеркально отображенных относительно границ прямоугольника) источников и стоков, для которых на заданной прямоугольной границе с достаточной точностью выполняется равенство нулю нормальной составляющей скорости свежей смеси.

В качестве примера на рис.11 приведены опытные и расчетные положения фронта пламени в объеме, близком по форме к кубу.

а) б)

1—35,2мс шаг по времени 5 миллисекунд

Рис. 11. Динамика горения в объеме , близком по форме к кубическому .

а) схема камеры ; б) положения фронта пламени по кинограмме ;

в) момент достижения пламенем сбросных отверстий ;

г) расчет положений фронта пламени .

Метод построения математической модели дефлаграционного горения в вытянутых объемах остается тот же, что и в кубических. Однако

аналитическое решение, основанное на теории функции комплексного переменного, в данном случае затруднительно, т.к. замена вытянутого объема сферой, как было показано выше, приведет к большим погрешностям. Поэтому условие пепротекания на границе области, окруженной жесткими стенками, выполняется конформным отображением данной области на полуплоскость. Предложенная математическая модель имеет ограничения в ее использовании. Если в кубических объемах, как было показано выше, вполне оправдано принимать двумерную постановку задачи, то в вытянутых объемах се использование ограничено. В вытянутых объемах с равномерным распределением сбросных проемов на одной или двух протяженных гранях происходит перетекание газа из одной плоскости в другую. Такая же картина наблюдается, когда в вытянутом объеме отверстия сосредоточены и источник воспламенения ГВС находится там же.

Сравнение экспериментальных и расчетных положений фронта пламени при равномерном размещении сбросных отверстий на двух противоположных вытянутых гранях показано на рис.12. Там же даны расчетные и опытные зависимости ДЯ(0 для кубического объема с ребром 160мм и для вытянутых объемов (I, = 2,3,4 ).

В работе также проведено сравнение расчетных данных по предложенной методике с результатами экспериментов, имеющихся в отечественной и зарубежной литературе.

В шестой главе сформулированы способы снижения взрывных нагрузок в зданиях и помещениях взрывоопасных производств. Наряду с уже известными способами, достаточно полно изложенными в монографии Л.П.Пилюгина, предлагаются способы, основанные на результатах настоящих исследований.

Основным видом предохранительных конструкций (ПК) взрывоопасных зданий являются стекла глухого остекления. Главным показателем надежной работы этой конструкции является давление вскрытия стекла, которое в свою очередь зависит от размеров стекол в стеклопакете. Показано, как меняются нагрузки, действующие на строительные элементы, в зависимости от размеров стекла. Это становится важным после 10-15 лет эксплуатации здания, когда основные конструктивные элементы (стены, перекрытия и т.д.) теряют часть своей несущей способности и разрушающие нагрузки могут оказаться близкими к давлению вскрытия стекол. Увеличение ячеек стекла в существующих ПК до необходимых размеров сохраняет взрывоустойчивость здания.

Предлагаются способы размещения сбросных проемов на ограждающих конструкциях здания (кубических и вытянутой формы) с учетом размещения в нем технологического оборудования,

Эксперимент

ЕТТТПЩГ

1 п искра в торце камеры Расчет ■_

шаг по времени 5 миллисекунд

2х=х/ь3

1»=1. Искра в центре камеры

1»=2. Искра в центре камеры

лр.кПа л».. /расчет !

я.и ; 1.МС

ар.кПа ^^^г^^расчет ______

1.1ИС

0 50 100 159

Ь.~3. Искра в центре камеры

1р,кПа '' 1 ! 7,5 —-----------;------

расчет ) 1

/ • • 5,0 /Д.....;расчеТ ' - - - :

гд т

г.мс """ !

»0 ию

1!» 150 200

Рис. 12. Сравнение экспериментальных: и расчетных положений фронта пламени и зависимостей дрй) в вытянутых объемах с равномерным распределением сбросных отверстий .

предполагаемого места воспламенения ГВС и т.д., обеспечивающие минимально возможные взрывные нагрузки.

Снижение взрывных нагрузок возможно в результате уменьшения интенсификации горения, если правильно разместить технологическое оборудование в помещении. Этот способ также рассматривается в работе. Рассматриваются различные способы размещения оборудования. В результате предлагается оптимальное объемно-планировочное решение взрывоопасного здания.

При равномерном размещении сбросных проемов на ограждающих конструкциях здания и равенстве показателя -

суммарная цлощадь проемов, V - объем свободного здания) в кубических и вытянутых объемах взрывные нагрузки в зданиях кубической формы ниже. Однако при размещении сбросных проемов на двух и особенно одной боковой поверхности здания кубической формы может не

хватить площади боковой поверхности. С увеличением вытянутости здания показатель также увеличивается, что способствует снижению давления (в свободном здании), несмотря на увеличение поверхности фронта горения и скорости пламени. При наличии оборудования вступает в силу фактор интенсификации горения, который, напротив, с вытянутостью здания приводит к увеличению давления. Расчеты и опыты (рис.13) показали, что оптимальной вытянутостью является вытянутость ¿. = 3. Если по ряду причин необходимо иметь большую вытянутость здания, то для уменьшения вытянутости, здание следует разделить на два помещения поперечной перегородкой. В перегородке должен быть установлен тамбур с двойными открывающимися внутрь своего помещения дверями.

Рис. 13. Зависимость максимального избыточного давления в свободной камере и камере с препятствиями при изменении ее вытянутости (1Д

При взрыве, например, в первом помещении и повышении давления в нем дверь этого помещения не позволит свежей смеси проникнуть во второе помещение. Как известно, взрыв в смежных помещениях может привести к катастрофе. Если в помещении, в котором произошел взрыв, давление окажется отрицательным (вакуум), то, напротив, дверь другого помещения не позволит сделать их смежными.

выводы

1. На территории РФ размещено более 30 тысяч взрывоопасных промышленных объектов. В подавляющем большинстве аварийные взрывы на них газопаровоздушных смесей вызывают нагрузки на строительные конструкции зданий, превосходящие допустимые в 3-12 раз.

Найдены причины несоответствия реальных нагрузок проектным.

Определены факторы, влияющие на ускорение фронта пламени, приводящее к возрастанию избыточного давления и активному расширению зоны пожара.

Разработаны способы снижения нагрузок до допустимых (неразру шающих).

2. Несущие строительные конструкции промышленных зданий выдерживают взрывные нагрузки не более 10-15кПа, что существенно меньше атмосферного давления. Исходя из этого, в основу математической модели, описывающей динамику взрывного горения внутри зданий, положены законы несжимаемой среды.

Математическая модель позволяет следить за распространением фронта пламени и изменением давления во времени в полузамкнутых объемах различной формы.

3. Разработан пакет компьютерных программ для расчета динамических характеристик дефлаграционного горения во взрывоопасных зданиях и помещениях. Сравнение результатов расчета и эксперимента дало хорошее согласие.

4. Получены инженерные соотношения, позволяющие определять динамические характеристики дефлаграционного горения в зданиях и помещениях с различными объемно-планировочными решениями.

5. Определены основные критерии моделирования динамических характеристик дефлаграционного горения газовоздуппшх смесей в зданиях и помещениях.

6. Теоретически показано и подтверждено экспериментально, что при заполнении части объема здания (от 15% и более) смесью стехиометрического состава взрывные нагрузки достигают той же величины, что и при загазованности всего объема здания стехиометрической смесью.

7. Теоретически и экспериментально определены условия, при выполнении которых соблюдается квазистатичность дефлаграционного горения ГВС в полузамкнутых объемах.

8. Экспериментальные исследования в свободных кубических объемах показали:

- Во временной зависимости избыточного давления могут наблюдаться два максимума. До первого максимума давление

нарастает при истечении через сбросные проемы холодной смеси. При подходе пламени к сбросным проемам давление резко падает из-за увеличения скорости истечения и образования волны разрежения. До второго максимума давление нарастает при истечении продуктов :горания. Нарастание давления до первого максимума интенсивнее. Преобладание одного из максимумов давления над другим или наличие тишь одного из них зависит от расположения сбросных отверстий, их пощади и места воспламенения смеси.

- Площадь фронта горения, соответствующая первому максимуму давления, зависит от площади сбросных отверстий, взаимного толожения искры и сбросных отверстий, от способа размещения ¡бросных отверстий на гранях объема. Площадь фронта горения, ¡оответствующую второму максимуму давления, практически во всех •лучаях можно считать равной площади поверхности кубического >бъема.

- Скорость пламени увеличивается в сторону сбросных отверстий. 3 сторону граней без сбросных отверстий скорость пламени амедляется и вблизи нее становится равной нормальной скорости »аспространения пламени. Вследствие этого фронт пламени (сформируется и теряет сферическую форму.

- При определении максимальных нагрузок в зданиях кубической юрмы необходимо установить, какой из максимумов давления вляется доминирующим для конкретного объемно-планировочного сшстшя здания.

9. Экспериментальные исследования в свободных объемах ытянутой формы показали:

-Динамические нагрузки в вытянутых зданиях с равномерным аспределением сбросных проемов значительно отличаются от агрузок в зданиях с сосредоточенным их размещением.

- При сосредоточенном размещении сбросных проемов и далешюм от них источнике воспламенения газовой смеси наблюдается начительнос ускорение фронта пламени вдоль вытянутой оси объема. 1аксимальное избыточное давление реализуется в момент достижения ламенем ближайшего к источнику воспламенения сбросного проема. Глощадь горения в этом случае достаточно точно аппроксимируется лощадыо поверхности параллелепипеда, длина которого равна асстоянию от искры до первого сбросного отверстия.

Теоретически показано и подтверждено экспериментально, что при азмещении источника воспламенения ГВС в районе сбросных отверстий, торость свежей смеси в сторону удаленной «глухой» торцевой стенки низка к нулю.

- При равномерном распределении сбросных проемов по боковым поверхностям здания фронт пламени в момент реализации максимального избыточного давления имеет форму, близкую к форме параллелепипеда, длиной 2.5-3 высоты здания.

- Недопустимо определять максимальное давление в вытянутом помещении путем приведения его к сфере того же объема с равномерным распределением сбросных проемов по ее поверхности. При таком подходе можно занизить давление на порядок и более.

10. Получило дальнейшее развитие физическое представление о механизме турбулизации горения при наличии в здании препятствий: технологического оборудования, строительных конструкций и т.д.; изменения поперечного сечения здания; изменения направления его продольной оси.

Показано, что при обтекании свежей смесью любого препятствия наблюдается искривление эпюры скоростей свежей смеси в сечениях потока, происходит значительная турбулизация потока, образуются крупномасштабные вихри, соизмеримые с размером препятствия, и образуются области малоподвижного газа в следе за ним. Перечисленные явления приводят к значительной турбулизации свежей смеси и ускорению процесса горения в области, прилегающей к препятствию, что в свою очередь приводит к появлению локального пика давления.

В зданиях кубической формы из-за малых скоростей фронта пламени (не более 15-20м/с) интенсификация горения на препятствиях незначительная. Коэффициент интенсификации а не более двух. В зданиях вытянутой формы скорость пламени может быть на порядок выше, что приводит к большей интенсификации горения на препятствиях. Особенно заметна роль интенсификации горения в вытянутых объемах с сосредоточенным размещением сбросных проемов (а ~4). В общем случае величина а зависит от взаимного расположения места воспламенения, сбросных отверстий и препятствия, т.е. от скорости набеганий свежей смеси на препятствие.

11. Приведено инженерное решение, позволяющее оценить избыточное давление в зданиях и помещениях с технологическим оборудованием и строительными конструкциями. Показано, что учитывать наличие в объеме оборудования коэффициентом загроможденности объема (отношением объема тел к объему свободного помещения), как это принято в некоторых нормативных документах, не корректно.

12. Определены способы снижения уровней взрывных нагрузок на строительные конструкции зданий и помещений взрывоопасных

производств. Наряду с общепринятыми мерами такими, как равномерное размещение сбросных проемов на ограждающих конструкциях здания, недопустимость устройства перегородок, выгородок и т.д., предлагается использование нетрадиционных мер по оптимальному размещению технологического оборудования, по размещению сбросных проемов на ограждающих конструкциях здания, по выбору размеров стекол в стеклопакеге, по объемно-планировочным решениям зданий в целом. Разработана методика выбора оптимальных решений, обеспечивающих снижение взрывных нагрузок до безопасного уровня.

13. Основные положения работы были использованы при разработке проекта "Методика расчета взрывоустойчивости промышленных и гражданских объектов", при экспертных оценках взрывоустойчивости взрывоопасных зданий ряда промышленных объектов и разработке способов снижения взрывных нагрузок на них до зезопасных.

Установлено, что каждый взрывоопасный объект является индивидуальным с точки зрения определения его взрывоустойчивости.

14. Определены основные направления дальнейших исследований 1сфлаграционного горения в зданиях и помещениях. К ним относятся: «стационарное обтекание и развитие турбулентного следа за телами; ~орение предварительно турбулизировашгых газовых смесей в результате ггруйного истечения газа через аварийные отверстия в газопроводах, шпаратах и т.п.; взрывное горение газовоздушных смесей в условиях южара; горение в смежных и частично загазованных помещениях и Ф-

Содержание диссертации отражено в следующих основных работах:

. Казеннов В.В. Влияние изменения сечения вытянутого помещения и изменения направления вытянутой оси на давление в нем при взрывном горении газовых смесей // Специальное и подземное строительство //Сб.тр.ЩШИпромзданий,-1993-N8,- С.42-49.

. Казеннов В.В. Горение ГВС в зданиях при наличии технологического оборудования // Проблемы предотвращения и тушения пожаров на объектах народного хозяйства // Тезисы докладов: XI Всесоюзная научно-практическая конференция: - М„ ВНИИПО МВД СССР. - 1991С.96-97.

. Казеннов В.В., Динамика горения газовоздушной смеси в полузамкнутых помещениях, близких по форме к кубическим // Совершенствование

гидравлических расчетов сооружений и аппаратов: Сб.тр. МИСИ.- 1993. -С.153-158.

4. Казенной B.B. Снижение уровня нагрузок при взрывном горении газовоздушных смесей в помещениях вытянутой формы II Объекты гражданской обороны // Защитные сооружения: Сб.тр. ЦНИИпромздашш.-1993-N 7.-С.91-96.

5. Казеннов В.В., Комаров A.A., Мишуев A.B. Инженерный способ определения давления в вытянутых помещениях с равномерным распределением сбросных отверстий при взрывном горении газовоздушных смесей // Специальное и подземное строительство: Сб.тр. ЦНИИпромзданий.- 1993 - N 8.- С.49-54.

6. Мишуев A.B., Казеннов В.В., Комаров A.A. Анализ нормативных документов США по определению нагрузок в зданиях взрывоопасных производств II Специальное и подземное строительство: Сб. тр. ЦНИИпромзданий.- 1994. -С.130-138.

7. Мишуев A.B., Казеннов В.В., Комаров A.A. Безопасность промышленных и гражданских объектов при аварийном взрыве газопаровоздушных смесей // Проблемы безопасности при чрезвычайных ситуациях. -Вып.б.-1995. -С. 17-29.

8. Мишуев A.B., Казеннов В.В., Комаров A.A. Влияние остеклеиия оконных проемов на динамические нагрузки при взрывном горении газовоздушных смесей II Безопасность труда в промышленности. - 1995.- N 2. - С.26-30.

9. Мишуев A.B., Казеннов В.В., Комаров A.A. Математическое моделирование взрывного горения в промышленных и гражданских зданиях. // Пожаровзрывобезопасность. - 1995. - N4. - С.26-31.

Ю.Мишуев A.B., Казеннов В.В., Комаров A.A. Моделирование динамических нагрузок на строительные конструкции при аварийном взрыве газовоздушных смесей внутри зданий. // Пожаровзрывобезопасность. - 1996. -NI. - С.34-40.

П.Мишуев A.B., Казеннов В.В., Комаров A.A., Соловьянов A.A. Взрывобезопасные нагрузки при взрыве газопаровоздушных смесей. // Безопасность труда в промышленности - 1993.- N12.- С.23-26.

12.Мишуев A.B., Казеннов В.В., Комаров A.A., Варламова И.Ю. Обеспечение взрывобезоласности зданий при внутренних взрывах.// Экология и промышленность России. - Вып.5,- 1997.- С.32-36.

13.Mishuev А.V., Kasennov V.V., Komarov A.A. Gas Dynamics of Explosion Combustion in Vented Volumes of Different Shape. I/ Fire-and-Explosion Hasard of Substances and Venting of Deflagrations - Proceedings of the First International Seminar, 17-21 July 1995, Moscow. - All-Russian Research Institute for Fire Protection. - 1996. - P.207-213.

УНИР МГСУ Центр экспресс- полиграфии Заказ 1 Тираж 100

129337, Москва, Ярославское ш.,26