автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.18, диссертация на тему:Математическое моделирование газодинамических процессов при работе высокоэнергетических установок

□ОЗ169647

На правах рукописи

Нгуен Вьет Чунг

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПРИ РАБОТЕ ВЫСОКОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК

Специальность. 05.13 18 - " Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ "

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Тула2008 2 2 МАЙ 2008

003169647

Работа выполнена в ГОУ ВПО "Тульский государственный университет"

Научный руководитель' д т.н , профессор Дунаев

Валерий Александрович

Официальные оппоненты, д т.н, профессор Могильников

Николай Викторович к т н. Замарахин Василий Анатольевич

Ведущая организация: ГУЛ " ГНПП «СПЛАВ»", г. Тула

Защита состоится "__2008 г в_ __.ов на заседании

диссертационного совета Д 212 271 05 при ГОУ ВПО "Тульский государственный университет" по адресу 300600, г Тула, пр. Ленина, д. 92, 9-

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тульского государственного университета

101.

Автореферат разослан " OG " PlQf! 2008 г

Ученый секретарь диссертационного совета

ВМ Панарин

а

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы

В настоящее время в промышленности достаточно широко применяются высокоэнергетические установки (ВЭУ), использующие энергию взрывчатых веществ и твердых топлив В частности они нашли применение в различных отраслях горнодобывающей, металлообрабатывающей, авиационной и строительной промышленности По мере усложнение технических систем и гуманизации общества проблемы безопасности человека при взаимодейсгвии со сложными техническими системами постоянно актуализируются Особенно это очевидно для энергетически насыщенных систем - источников высокоскоростных газовых струй и ударных волн, функционирование которых характерно наличием широкой номенклатуры опасных и вредных факторов Уникальность формирования указанных факторов требует разработки специальных методик их идентификации, что в совокупность может быть решено в рамках диссертационной работы по выбранной тематике

Успешность эксплуатации ВЭУ напрямую зависит не только от их технических характеристик, но и от качества работы обслуживающего их персонала Поэтому, учитывая непосредственное участие человека в функционировании ВЭУ, в первую очередь следует рассмотреть вопросы защищенности и безопасности оператора При этом возникает противоречие между стремлением интенсифицировать рабочие процессы и ограниченными физиологическими возможностями человека

При выполнении операторами своих технологических функций в ряде случаев организм человека оказывается в экстремальных условиях наличия высокотемпературных, ударно-волновых, механических, шумовых, вибрационных, химических и других видов воздействий Влияние указанных факторов существенно сказывается на состоянии здоровья и, соответственно, работоспособности оператора в момент выполнения задачи Кроме того, при длительных воздействиях этих факторов могут возникнуть различные патологические явления, справиться с которыми сам организм не может вследствие ограниченности его адаптивных способностей

В связи с отмеченным актуальным и необходимым становится разработка средств и теоретических методов прогнозирования воздействия на оператора опасных и вредных факторов, возникающих при работе ВЭУ

Целью настоящей работы является повышение безопасности оператора при эксплуатации высокоэнергетических установок, использующих энергию взрывчатых веществ, твердых и жидких топлив, посредством прогнозирования методами математического моделирования комплекса взаимосвязанных процессов в их рабочем пространстве Задачи исследования

- анализ и идентификация опасных и вредных факторов, возникающих при работе высокоэнергетических установок,

- разработка комплексной математической модели газодинамических процессов, сопутствующих работе ВЭУ, обладающей высокой информативностью, достоверностью прогнозирования, сравниваемой физическим экспериментом, и доступностью для инженера,

- разработка алгоритма численного моделирования процессов нестационарной газодинамики в рабочем пространстве функционирования ВЭУ с учетом многокомпонентное™, химических реакций и наличия подвижных объектов,

- создание программно-математического обеспечения, необходимого для постановки вычислительного эксперимента по исследованию и визуализации газодинамических процессов в зоне работы ВЭУ, обеспечивающего эффективное решение проектных задач непосредственно на рабочем месте конструктора,

- выработка рекомендаций, направленных на повышение безопасность эксплуатации ВЭУ

Общая методика исследований

Для корректного решения поставленных задач в работе использовались современные математические методы исследования Методологическую основу проведенных исследований составило математическое моделирование газодинамических процессов, основанное на использовании фундаментальных законов механики сплошных сред

Научная новизна проведенных исследований заключается в комплексном исследовании газодинамических процессов в рабочем пространстве высокоэнергетических установок, с учетом ударно-волновых явлений, подвижных объектов и химических реакций, с применением современной технологии математического моделирования и вычислительного эксперимента.

На защиту выносятся

- синтезированная структура математической модели, описывающей комплекс взаимосвязанных процессов, сопровождающих работу ВЭУ, ориентированная на создание системы компьютерного моделирования распространяющихся в полузамкнутых областях газовых струй, ударных волн и химических компонентов, воздействующих на оператора,

- алгоритм численного моделирования процессов газодинамики в ограниченном рабочем пространстве ВЭУ с учетом химических реакций и подвижных объектов;

- теоретическое обоснование необходимости учета взаимовлияния ударных волн, отделяющихся элементов конструкции и многокомпонент-ности среды в рабочем пространстве ВЭУ при прогнозировании безопасности системы «оператор-ВЭУ-среда»

Достоверность основных научных положений и выводов обеспечивается строгой математической постановкой проводимых исследований,

сравнением рассчитанных параметров с экспериментальными данными и известными решениями

Практическая значимость проведенных исследований для науки и практики в первую очередь определяется тем, что разработанный в диссертации программно-математический комплекс численного моделирования и визуализации газодинамических процессов, сопровождающих работу ВЭУ, позволяет сформулировать концепцию минимизации риска повреждения здоровья оператора, оперативно и качественно прогнозировать непосредственно на рабочем месте конструктора безопасность оператора при разработке новых конструкций или их эксплуатации в новых условиях, сократить объем экспериментальных работ и заменить некоторые натурные испытания вычислительным экспериментом, тем самым существенно сократить сроки и объем отработки проектируемых образцов ВЭУ Апробация работы

Основные результаты исследований докладывались и обсуждались, на региональных научно-технических конференциях «Проблемы проектирования и производства систем и комплексов», Тула, 2005-2006 г, и «Техника XXI века глазами молодых ученых и специалистов», 2006 г, на ежегодных научно-технических конференциях ТулГУ, 2005-2007 г

Публикации По результатам выполненных исследований опубликовано 5 научных статей (в том числе Зстатьи в ведущих рецензируемых научных журналах, определенных ВАК).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных результатов и выводов Объем диссертации составляет 133 страниц, включая 57 рисунков, 18 таблицы и список литературы из 68 наименования

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы, определена цель и сформулированы основные задачи исследования, научная новизна работы, излагается ее основное содержание

В первой главе рассматриваются особенности функционирования ВЭУ и роль человека-оператора при их эксплуатации. Приводится описание физических и химических процессов, протекающих при течении газ из ВЭУ. Произведена качественная оценка и классификация опасных и вредных факторов, влияющих на оператора: ударная волна (высокие уровни избыточного давления, повышенная температура), акустическое воздействие (повышенные уровни шума), загазованность и запыление, ударные вибрации, чрезмерно высокая яркость, высокая кинетика отделяющихся элементов конструкции, падающие элементы разрушенных зданий и сооружений (при работе в полуограниченном пространстве или помещении) Проведен обзор научно-технической литературы, посвященной исследованию этих вопросов, рассмотрены требования нормативной документации по вопро-

сам безопасности Определена концепция построения комплексной математической модели процессов, сопровождающих работу ВЭУ Проведенный анализ позволил сформулировать цель и основные задачи исследования, определяющие общую концепцию диссертации

Во второй главе осуществляется построение математической модели взаимосвязанных процессов газодинамики в рабочем пространстве ВЭУ с учетом многокомпонентное™, химических реакций и подвижных объектов, проблемно ориентированной на прогнозирование безопасности оператора Приведен алгоритм численного расчета, проведено тестирование разработанной модели

Для решения рассматриваемых задач использовались следующие допущения

-Газ представляет изотропную среду со свойствами ньютоновской жидкости

- Коэффициент молекулярной вязкости является функцией абсолютной температуры Для его вычисления используется интерполяционная формула Сазерленда

- Удельные теплоемкости ср и с„ компонентов, а следовательно и их отношение к = с/с1 не зависят отг абсолютной температуры газа и являются физическими константами

- Процессы термо- и бародиффузии не учитываются

- Фазовые переходы отсутствуют

- Модель гомогенной многокомпонентной среды рассматривается в квазистатической, с точки зрения химических процессов, постановке (т е в каждый текущий момент времени среда считается химически равновесной с известным составом) Все потоки и тензор напряжений вязкости определяются пренебрегая влиянием кинетики химических реакций

Система уравнений, описывающих исследуемые газодинамические процессы, имеет вид

- уравнение неразрывности для смеси в целом и для компонентов (уравнение концентрации компонентов)

~ + с1п<( /М1) = 0, д(

токЛ ЧхаеУО11>0, (3)

сх

- уравнение количества движения

= -££>п^т0к\Л/0кА Чхя еУ0, О 0, (4)

Ш к

- уравнение энергии

= - с1п<(РЩ)+с1п<(а^ ) + с11УЦт +

ск

1 I

Ш

где К0 - объем области, / - время, П = - удельная полная энергия

смеси, и = С„Т- удельная внутренняя энергия, Ю - вектор скорости потока в данной точке (среднемассовая скорость), Р и Г - местные термодинамическое давление и температура, - пространственные координаты, р~ плотность среды, ят- вектор плотности теплового потока, к - индекс компонента смеси, ск - относительная массовая концентрация компонента, ег- тензор напряжений вязкости, 1Урк- вектор скорости диффузии компонента, Jk - скорость изменения удельной массы компонента за счет химических реакций, ей - интенсивность выделения энергии при химических реакциях, X - коэффициент теплопроводности, с\ - удельная теплоем-

n

кость су = !>„ > удельное выделение теплоты, отнесенное к единице

массы, тт - диффузионный поток массы компонента - уравнение состояния •*

Р^Нр.Т.с) (6)

Для смеси идеальных газов уравнение состояния приобретает вид

Р = /*г£сЛ, (7)

м

ы

где ^скЯк - Я - газовая постоянная смеси

Практическую основу моделирования турбулентности в настоящее время составляют уравнения для осредненных значения газодинамических параметров На основе проведенного анализа работ в качестве модели турбулентности для построения математического описания турбулентного движения газовых потоков в рассматриваемых объектах далее использована полуэмпирическая двухпараметрическая диссипативная модель турбулентности с введением турбулентной вязкости

- уравнение для кинетической энергии турбулентности е

+Ре-Фе, (8)

Ы

- уравнение для скорости диссипации е

8ре

~дГ'

- с1п(рг1¥)= /X

+ Р.-Ф.

(9)

Мт

коэффициенты переноса определяются выражениями " Е ' т рРгт ' Р ~

р8ст

Ргт

Яс? =

А = + Цт, Л

■ ли + лт,

м7 рОт

в = ои + от,

где /А/, //г. Л/. Лт, 0Х!, От ~ коэффициенты молекулярной и турбулентной вязкости, теплопроводности и диффузии, с,4 с,а с2а с3а <те, ас- эмпирически е константы модели, Ргт, &г - турбулентные числа Прандтля и Шмидта, диффузионные составляющие Д, и имеют вид

РеиР„

дх,

М, }де — + р —

■ А

' ал.

л

+ А!

дх,

- генерация величин е и 8 определяется соотношениями

П = ит

дЖ, ЬШ, —^ + —I

дх, дх.

Ш, ~дх

± р =с 1р

вязкая диссипация Фс - сир£, Фс - сире

Задание начальных условий необходимо для решения задач о нестационарных течениях и предполагает определения термодинамических параметров и скоростей потока во всех внутренних точках области течения

„ Задание граничных условий в общем случае является сложной задачей, так как необходимо учитывать особенности физической модели течения, выбранной разностной схемы расчета и согласования граничных условии^ областью влияния Пространственные физические границы расчетной области течения в элементах подразделяются на следующие типы непроницаемая стенка, проницаемые и открытые границы, ось симметрии

Для непроницаемых границ задаются условия прилипания, т е равенство нулю (или скорости стенки, при ее движении) нормальной и касательной составляющих вектора скорости потока Й = 0, а также, определяется величина теплового потока в стенку из закона сохранения энергии Чтп

На проницаемой - происходит приток газа с параметрами, определяемыми свойствами струи продуктов сгорания ВЭУ. Через открытые внешние границы происходит конвективный перенос массы газа и соответствующих этой массе импульса и энергии, поэтому на таких границах постановка граничных условий заключается в определении соответствующих параметров газа При этом необходимо учитывать направление потоков и характер течения (дозвуковое или сверхзвуковое) газа через границы сверхзвуковом течении на границе, в связи с возможностью выделения области влияния, посгановка граничных условий сводится к заданию граничных параметров, равных параметрам потока газа перед границей

V*/ ~ \Л/С, Т = 70, Р = /ц Для дозвукового течения в области границы постановка граничных условий усложняется, т к параметры потока на границе зависят от соотношения давлений по обе стороны границы

Для турбулентных потоков на границе задаются дополнительные условия на границе втекания е = еа, е ~ 0, на границе истечения — = — = о

оп оп

Для решения системы уравнения (1) - (9) в данной работе применяется численный метод, использующий схемы ращепления метода крупных частиц, но реализованный на неравномерной сетке с использованием тет-раэдальных и треугольных элементов дискретизации Внутри треугольной конечной частицы параметры потока аппроксимируются алгебраическими функциями с использованием известных соотношений метода конечных элементов

При использовании линейных соотношений конечиоразностные уравнения ЭйлероЕа этапа расщепления для тетраэдальной частицы принимают вид

~ » ит

р»

А1

дх дх ду & Г

да;

А! г 8Р" эг;

Ут~ут+—I--+ ——+

р'ш ду дх ду

дг"

-» + X к ж

дг к

Игт

Р1 д= дх

да? ~

А( [ дР'Ц" дР"У" дР"№" д[(<т+

Л

ах

ду

дх

д[(г% + а; + т1)У"! д[(С_ + г;г +

—.......... ...—|---

ду &

(10)

где индексы п - номер шага по времени, т - номер конечной частицы, / — центр тяжести треугольника, а, г- напряжения вязкости, ци ць - тепловые потоки теплопроводности и химических реакций, ко,, еа - удельные диффузионные потоки количества движения и энергии

На лагранжевом этапе расщепления при вычислении эффектов переноса массы через сгороны как тетраэдальных, так и треугольных ячеек используется разностная формула первого порядка точности - для тетраэдра

р1\ •*„!/« + -V У» + ^ ] + £

(И)

где Ш, - приток массы через 1-ю грань частицы, р± значение плотности в данной или соседней частице, в зависимости от направления перетекания массы, 5П, л,„ - площадь проекции соответствующей грани тетраэдра на оси х, у и 2 соответственно, (/„, V,,, IV„ - значения соответствующего параметра в середине грани г - для треугольника

ДМ,

/V

=д/ Р" г„, ^ и 9, + 2Г

- ы

(12)

где ЛМЦ - приток массы через стороны треугольника, ги.„ ищ, 1'ч, - значения соответствующего параметра в середине стороны у

Значения плотности, скорости и энергии частиц к концу шага интегрирования по времени вычисляются по соотношениям метода крупных

частиц в соответствии с законами сохранения массы, импульса, полной энергии 7

С = +д<%„,

. — (13) Р» цгт • Л + •

где Ш- объем частицы, /- параметр потока /=7и, V, IV, Е} Для определения концентраций компонент смеси используется гипотеза идеального мгновенного перемешивания в объеме конечной частицы

Полученные конечно-разностные уравнения всех этапов расщепления характеризуются строгим выполнением законов сохранения массы, импульса и энергии

Блок-схема алгоритма, реализующая разработанную численную модель показана на рис 1

На основе приведенного алгоритма разработаны модули программного обеспечения, реализующие новые составляющие математической модели, и синтезирован программный комплекс на алгоритмическом языке С++

Для проверки адекватности математических моделей, оценки справедливости предложенных соотношений и алгоритма вычислений было произведено решение ряда тестовых задач и выполнено сравнение с данными экспериментальных исследований ряда авторов Проведенное тестирование свидетельствует о достоверности получаемых результатов и удовлетворительной точности численного моделирования газодинамических процессов рассматриваемого класса

(Начало ^

Ввод данных

---------------Г ~~

Создание сетки дискретизации --;-

Препроцессор

Задание начальных условий

I

Начало цикла по времени

Эйлеров этап

Вычисление внутренних и внешних силовых факторов (сил вязкости, массовых сил и др )

X

Вычисление промежут параметров частиц

Лагранжев этап

Сохранение результатов

~ I И

Визуализация результатов -}-

-*С Стоп ) Рис 1 Блок-схема алгоритма численного моделирования

О

Постпроцессор

В третьем разделе работы рассматриваются результаты численного моделирования газодинамических полей в процессе функционирования ВЭУ для различных случаев эксплуатации. Выявлена физическая картина течения продуктов сгорания и распространения ударных волн в рабочей зоне высокоэнергетической установки при работе ВЭУ на открытой площадке. На рис. 2 представлена дискретизация исследуемой открытой области и показаны точки, в которых регистрировалось давление. На рис. 3 показаны графики изменения во времени давления в окрестности оператора ВЭУ при ее работе.

Л .А У ф ф В_В

Рис. 2. Расчетная область в трехмерных задачах для открытого пространства

5,¡58+05

2,28в+05

О 0,0025 0,005 0.0075 !|с|

Рис. 3. Графики распределения давлений по времени для точек регистрации

Проведено исследование влияния преград различной высоты , расположенных на разном удалении от работающей ВЭУ на величину избыточного давления в зоне оператора, На рис. 4 показано распределение поля давления в рабочей зоне ВЭУ в момент достижения максимального избыточного давления в точке 1 (1=1мс).

— 1 — 2 — 3

1 ! ____^

1 1 ~ ~ т

Рис. 4. Цветовое представление распределения поля давлений в момент 1=1 мс

Проведенные вычислительные эксперименты показали, что при этом образуется отраженная от препятствий ударная волна, интенсивности которой зависит от высоты преграды и расстояния между ВЭУ и преградой. В таблице 1 показаны зависимости максимальных избыточных давлений (ИД) во времени для каждой точки.

Таблица 1

Зависимости максимальных ИД во времени для каждой точки зрения

Точка 1 Расстояния от преграды до ВЭУ

Высота преграды 1,5 м 1,95 м 2,4 м 3 м 3,6 м

2 м Р[103Па] 1,2936 1,2292 1,197 1,1674 1,1495

г [с] 1кио^ 1,25.10* 1,55.10'2

2,5 м Р[10ьПа] 1,2938 1,2292 1,197 1,1677 1,1498

Ф] ЖкР" 7,7.10"3 ^ТЛО4" 1,25.10"'

Точка 2 Расстояния от преграды до ВЭУ

Высота преграды 1,5 м 1,95 м 2,4 м 3 м 3,6 м

2 м />[105ПаЗ 1,3037 1,2058 1,1891 1,163 1,1529

([с] т,бло-3 9,7.104 1,25.10"1 1,4.10'2

2,5 м Р[10'Па] 1,3034 1,2058 1,1891 1,1627 1,1529

гфГ 5,8.10"3 7,6.10"5 9,7.10~3 1,25.10"2 'ТлкР

Точка 3 Расстояния от преграды до ВЭУ

Высота преграды 1,5 м 1,95 м 2,4 м 3 м 3,6 м

2 м ДЮ'Па] 1,5484 1,5653 1,5653 1,5653 1,5653

4С] 5ДКГг_ 2,6.10"3 ХбЛСГ3" "^ЛКГ5" "2ДИГ3

2,5 м Р[103Па] 1,5653 1,5653 1,5653 1,5653 1,5653

^гдкР" ^АТСГ3" 2,6.10"3 1АКГ3 2,6.104"

На рис. 5 показан график изменения избыточного давления для варианта, когда высота преграды равна 2м и расстояние от установки до преграды равно 1,5м.

Р,|Л*1

; -..........................................I_________л______1_г

о 0.0025 0,006 0,0076 1|с|

Рис. 5. Изменение избыточного во времени при истечению газа в полуоткрытое пространство с преградам

Из представленной таблицы и графиков ясно, что чем ближе преграда, тем больше максимальное избыточное давление. Анализ приведенной таблицы показывает, что с увеличением расстояния до преграды с 1,5 м до 3,6 м максимальное избыточное давление снижается на 11%. Это должно учитываться оператором при расположении ВЭУ для работы.

Проведено исследование безопасности оператора при работе в закрытом пространстве. На рис. 6 приведен результат, полученный при исследовании влияния симметричного и несимметричного расположения ВЭУ на параметры ударных волн.

89+04 Р. ¡Па)

1

Р, (П»1 ,4е+0 5

>И35 16+05

Рис. 6. Сравнительный анализ графиков давления при симметричном (а) и несимметричном (б) расположении ВЭУ

Представленные графики показывают, что при ориентации истекающей струи под углом к стенам максимальные пиковые нагрузки на оператора по давлению снижаются В частности, при значении угла 25° максимальные пиковые нагрузки снижаются 1,2 раза Указанная особенность должна учитываться оператором при выборе рабочей зоны

В четвертом разделе работы рассматривается описание влияния ряда других сопутствующих работе ВЭУ опасных факторов, воздействующих на человека-оператора Исследовано влияние вредных и опасных веществ, содержащихся в продуктах сгорания и образующихся в результате химических реакций при взаимодействии струи с воздухом Получены поля концентраций компонентов газовой смеси в полуограниченном пространстве в процессе работы, по которым можно оценить влияние концентраций вредных веществ с точки зрения дозового подхода и синергетического эффекта взаимодействия полей давления и концентраций Установлены зоны опасности отравления оператора ВЭУ и предельное время нахождения оператора в рабочей зоне без угрозы здоровью человека (рис 7,8)

0 1 1 Концентрации СО

К = 1 5455Е-С01 1=1263se-002 1 ---- 2

L= 1 5 - 3

1 V __ _, _, _____

----——" —

О 0 05 0 10 0 15 ! ¡с)

> i К = 7 1429Е 002 != 1 Э312Е-С02

о о os 0 10 0,15 t[c¡

0 0 05 010 0 15 ! [с|

О 0 05 010 0 15 I М

Рис 7 Изменения концентрации угарного газа (СО) во времени и по расстояниям Цм] между преградой и установкой

0,000 10.000 20,000 30,000 40,000 50,000 »1,МИН

Рис. 8. Зоны опасности отравления оператора ВЭУ угарным газом

На рис.8 К~Ссо'1 - коэффициент токсической дозы, I — длительность воздействия угарного газа. Полученные зоны опасности могут использоваться при определении допустимых режимов работы оператора ВЭУ.

Выполнена оценка возможности разрушения зданий при работе высокоэнергетических установок в полуограниченном пространстве. Под действием избыточного давления здание может частично или полностью разрушиться, в результате чего человек-оператор будет травмирован и будут нарушены условия функционирования системы в целом. На рис.9 показаны результаты расчета газодинамического процесса, сопутствующего работе ВЭУ внутри помещения или вблизи стены здания. Вычисленные значения избыточного давления на противоположной стене позволяют определить усилия, оказываемее струей на конструкцию здания, и оценить вероятность его разрушения.

0.5 ------...........

О-------

О 1 2 3 Ц, М

Рис. 9. Графики изменения максимального избыточного давления Рюв на противоположной стене (Ь - расстояние от ВЭУ до стены, м)

Полученные результаты показывают, что оператор при запуске ВЭУ вблизи (или внутри) зданий и сооружений должен выбирать место для работы таким образом, чтобы расстояние от ВЭУ до расположенной позади нее преграды составляло не менее 3-3,5 метров от кирпичных зданий, не менее 4,5-5 метров от деревянных, и не менее 2,5-3 метров от промышленных зданий и сооружений.

Проведено исследование влияния отделяющихся элементов конструкции высокоэнергетических установок на параметры ударной волны и, следовательно, на оператора ВЭУ. На рис. 9-10 приведены результаты, получены при оценке влияния отделяющихся элементов конструкции высокоэнергетических установок на параметры ударной волны, и сравнения результатов в двух случаев (с учетом отлетающим элементом и без него).

Рис.

Р[ла]

1.89«+05 1.25е+05 6.25&+М 0.0005

— 1 ........2 )

/ > г \ А

У

~ --------

Р[ла]

2.09+05 !.5е+05

1.0«+04

0.0005 0.С01 0.0015 КС] о о.отп 6.00175 0.00262 !(•:(

Рис. 10. Графики давления в исследуемых точках: а) - без учета отлетающего элемента; б) - с учетом отлетающего элемента

9. Сравнительный анализ полей распространения параметров УВ с отлетающим элементом (б) и без него (а)

Из полученных ре зультатов следует что, под воздействием отлетающего элемента газовый поток распространяется не по оси струи, а поворачивается на некоторый угол относительно оси, и образуется коническую возмущенную зону, которая не только увеличивает избыточное давление на оператора, но и создает дополнительную опасность попадания человека в зону этого конуса Проведенные вычислительные эксперименты показывают, что наличие отделяющихся элементов в потоке может приводить к возрастанию давления в указанной зоне рабочей области на 40%

В заключении приводятся основные выводы и результаты

В целом по своему теоретическому и практическому значению проведенные исследования можно квалифицировать как новое решение важной научно-технической, задачи в области математического моделирования, направленное на совершенствование функционирования и эксплуатации высокоэнергетических установок при различных условиях, внедрение вычислительного эксперимента в процесс проектирования с целью нахождения эффективных методов обеспечения безопасности оператора ВЭУ

В результате проведенных исследований

• Проведен анализ и идентификация опасных и вредных факторов, возникающих при работе высокоэнергегических установок

• Разработана комплексная математическая модель взаимосвязанных газодинамических процессов, сопровождающих работу ВЭУ, ориентированная на создание системы компьютерного моделирования распространяющихся в полузамкнутых областях газовых струй, ударных волн и химических компонентов, воздействующих на оператора

• Предложен новый вариант метода численного моделирования процессов газодинамики в ограниченном рабочем пространстве ВЭУ с учетом химических реакций и подвижных объектов, проблемно ориентированный на прогнозирование безопасности оператора

• Создан программно-математический комплекс численного моделирования и визуализации газодинамических процессов, сопровождающих работу ВЭУ, позволяющий оперативно и качественно прогнозировать непосредственно на рабочем месте конструктора безопасность оператора при разработке новых конструкций или их эксплуатации в новых условиях Для обеспечения высокой достоверности прогнозирования использованы высокоинформативные модели, учитывающие не только основные закономерности процессов, но и характерные для ВЭУ осложняющие эти процессы факторы Программный комплекс достаточно прост и доступен для инженеров-пользователей

• Решен ряд научно-технических задач прогнозирования физических явлений в зоне работы ВЭУ, общая закономерность которых осложнена значительным числом возмущающих факторов нестационарностью, мно-

гокомпонентностыо, химическими реакциями в потоке, подвижными объектами, преградами В частности

-выявлена физическая картина течения продуктов сгорания и распространения ударных волн в рабочей зоне высокоэнергетической установки, проанализировано воздействие на оператора и окружающие элементы опасных факторов (ударных волн, химически агрессивных сред, температурных воздействий) при работе ВЭУ в закрытых и полузакрытых помещениях и установлено, что многокомпонентность среды и химические процессы оказывают значительное влияние на параметры, от которых зависит безопасность оператора,

- проведена оценка влияния высоты преграды и расстояния до нее на величину избыточного давления в зоне оператора на открытой площадке, показано, что с увеличением расстояния до преграды с 1,5 м до 3,6 м максимальное избыточное давление снижается на 11%,

-изучено влияние несимметричного расположения ВЭУ на уровень избыточного давления в зоне оператора при работе в помещении, показано, что при ориентации истекающей струи под углом к стенам максимальные пиковые нагрузки на оператора по давлению снижаются (при уголе 25° максимальные пиковые нагрузки снижаются 1,2 раза),

-получены поля концентраций компонентов газовой смеси в полуограниченном пространстве в процессе работы, по которым можно оценить влияние концентраций вредных веществ с точки зрения дозового подхода и синергетического эффекта взаимодействия полей давления и концентраций, установлены зоны опасности отравления оператора ВЭУ и предельное время нахождения оператора в рабочей зоне без угрозы здоровью человека

- выполнена оценка возможности разрушения зданий при работе высокоэнергетических установок в полуограниченном пространстве Показано, что оператор при запуске ВЭУ в близи (или внутри) зданий и сооружений должен выбирать место для работы таким образом, чтобы расстояние от ВЭУ до расположенной позади нее преграды составляло не менее 3-3,5 метров от кирпичных зданий, не менее 4,5-5 метров от деревянных, и не менее 2,5-3 метров от промышленных зданий и сооружений,

- исследовано влияние отделяющихся элементов конструкции высокоэнергетических установок на параметры ударной волны, показано, что под воздействием отлетающего элемента газовый поток поворачивается на некоторый угол относительно оси и образует коническую возмущенную зону Это приводит к возрастанию давления в зоне оператора на 40%

Основное содержание диссертации отражено в следующих работах

1 Нгуен Вьет Чунг Идентификация опасностей при эксплуатации высокоэнергетических устройств // Науч -техн конф «Вопросы моделирова-

ния, проектирования и технологии изготовления отдельных элементов сложных систем и комплексов» Тула, 2006. - С 52-57

2. Нгуен Вьет Чунг, В. В. Морозов. Оценка воздействия параметров ударной волны на оператора при эксплуатации высокоэнергетнче-скнх устройств // Известия ТулГУ. Сер. «Проблемы специального машиностроения». - Тула: ТулГУ, 2006. Вып. 9. - С. 110-114.

3. В.А.Дунаев, Нгуен Вьет Чунг. Математическое моделирование процессов газодинамики при эксплуатации высокоэнергетических устройств. // Известия ТулГУ. Сер. «Технические науки». - Тула: ТулГУ, 2007. Вып. 3. - С. 167-172.

4. Нуенг Вьет Чунг. Исследование влияния работы высокоэнергетических установок на концентрацию в рабочей зоне опасных для человека-оператора. // Известия ТулГУ. Сер. «Технические науки». -Тула: ТулГУ, 2007. Вып. 3. - С. 173-179.

5. Нуенг Вьет Чунг. Исследование влияния отделяющихся элементов конструкций высокоэнергетических установок на параметры ударной волны в рабочей зоне / Конюхова Л А, Нгуен Вьет Чунг, Тул.Гос. Ун-т - Тула, 2007. - 8с. ил - Библиогр: З.назв - Рус. - Деп. В ВИНИТИ 13.12 07 № 1170-В2007

Изд. Лиц. ЛР № 020300 от 12 02.97. Подписано в печать Формат бумаги 60x84 . Бумага офсетная

Усл. печ л. -),0 Уч -изд л 1, /, Тираж 100 экз Заказ 03р,

Тульский государственный университет 300600, г. Тула, просп Ленина, 92.

Отпечатано в редакционно-издательском центре Тульского государственного университета. 300600, г. Тула, ул. Болдина, 151

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. КАЧЕСТВЕННАЯ ОЦЕНКА И КЛАССИФИКАЦИЯ

ОПАСНЫХ И ВРЕДНЫХ ФАКТОРОВ, ВЛИЯЮЩИХ НА ЧЕЛОВЕКА-ОПЕРАТОРА ПРИ РАБОТЕ

ВЫСОКОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ.

1.1. Особенности работы оператора ВЭУ.

1.2. Факторы, влияющие на человека-оператора при работе ВЭУ.

1.2.1. Ударная волна.

1.2.2. Акустическое воздействие.

1.2.3. Травмирование оператора от разрушения зданий при запуске из полуограниченного пространства.

1.2.4. Другие факторы.

1.3. Анализ существующих методик определения факторов, действующих на оператора.

Глава 2. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В РАБОЧЕЙ ЗОНЕ

ВЫСОКОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК.

2.1. Обзор методов расчета газодинамических процессов.

2.2. Математическая модель.;.

2.3. Особенности моделирования турбулентного движения теплоносителя.

2.4. Модель протекания химических процессов.

2.5. Краевые условия.

2.6. Постановка численного решения.

2.7. Вычислительные аспекты, оценка практической точности численного моделирования.

Глава 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗБЫТОЧНОГО ДАВЛЕНИЯ

В ЗОНЕ ОПЕРАТОРА ПРИ РАБОТЕ ВЭУ.

3.1. Исследование газодинамических процессов при работе ВЭУ в открытом пространстве.

3.2. Истечение газа в полуоткрытое пространство с преградами.

3.3. Исследование влияния несимметричного расположения ВЭУ на уровень избыточного давления.

Глава 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ВТОРИЧНЫХ ФАКТОРОВ

НА БЕЗОПАСНОСТЬ ОПЕРАТОРА ВЭУ.

4.1. Моделирование распространения вредных химических веществ в окружающей среде.

4.2. Оценка возможности разрушения зданий при работе ВЭУ в полу ограниченном пространстве.

4.3. Исследование влияния отделяющихся элементов конструкции

ВЭУ на параметры ударной волны.

В настоящее время в промышленности достаточно широко применяются высокоэнергетические установки (ВЭУ), использующие энергию взрывчатых веществ, твердых и жидких топлив. В частности они нашли применение в различных отраслях горнодобывающей, металлообрабатывающей, авиационной и строительной промышленности. По мере усложнение технических систем и гуманизации общества проблемы безопасности человека при взаимодействии со сложными техническими системами постоянно актуализируются. Особенно это очевидно для энергетически насыщенных систем, использующих энергию сверхзвуковых струй и ударных волн, функционирование которых характерно наличием широкой номенклатуры опасных и вредных факторов. Уникальность формирования указанных факторов требует разработки специальных методик их идентификации, что в совокупности может быть решено в рамках диссертационной работы по выбранной тематике.

В данной работе представлены постановка и решение важной научно-технической задачи, связанной с определением опасных факторов и зон, возникающих при работе высокоэнергетических установок - источников высокоскоростных газовых струй и ударных волн.

В связи с этим актуальным и необходимым становится разработка средств и методов прогнозирования и снижения опасных и вредных факторов, возникающих при работе ВЭУ. Обобщенный спектр опасных и вредных факторов, возникающих при работе ВЭУ, представлен на рис. 1.

ОПАСНЫЕ И ВРЕДНЫЕ ФАКТОРЫ,

ВОЗНИКАЮЩИЕ ПРИ РАБОТЕ ВЭУ

ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ

I■■■■'■■ш

ВЫБРОСЫ ВРЕДНЫХ ВЕЩЕСТВ

ЗАПЫЛЕННОСТЬ АТМОСФЕРЫ

ФИЗИЧЕСКОЕ НАРУШЕНИЕ

ЭКОСИСТЕМЫ

ПОРАЖЕНИЕ БИОЛОГИЧЕСКИХ ОРГАНИЗМОВ

ПОЖАР

--

ПРОФИСИОНАЛЬНЫЙ РИСК

----I

-—-

ОПАСНОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ В РЕЗУЛЬТАТЕ РАЗРУЩИИ КОНСТРУКЦИИ ВЭУ

III.-

Г ■

BP

ВРЕДНОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ

УДАРНАЯ ВОЛНА

ПОРАЖЕНИЕ ЭЛЕМЕНТАМИ

Ш КОНСТРУКЦИИ ВЭУ

ЗДАНИИ (ПРИ РАБОТЕ В ПОЛУЗАМКНУТЫХ ПРОСТРАНСТВАХ) ;

-■-—---—*--

АКУСТИЧЕСКОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ

-,--

ВИБРАЦИОННОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ

ЗАГАЗОВАННОСТЬ

ЗАПЫЛЕННОСТЬ

ТЕРМИЧЕСКОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ

Рис. 1. Опасные и вредные факторы, возникающие при работе ВЭУ

Успешность эксплуатации ВЭУ напрямую зависит не только от их технических характеристик, но и от качества работы обслуживающего их персонала. Поэтому, учитывая непосредственное участие человека в функционировании ВЭУ, в первую очередь следует рассмотреть вопросы защищенности и безопасности оператора. При этом возникает противоречие между стремлением интенсифицировать рабочие процессы и ограниченными физиологическими возможностями человека.

При выполнении операторами своих технологических функций в ряде случаев организм человека оказывается в экстремальных условиях наличия высокотемпературных, ударно-волновых, механических, шумовых, вибрационных, химических и других видов воздействий. Влияние указанных факторов существенно сказывается на состоянии здоровья и, соответственно, работоспособности оператора в момент выполнения задачи. Кроме того, при длительных воздействиях этих факторов могут возникнуть различные патологические явления, справиться с которыми сам организм не может вследствие ограниченности его адаптивных способностей.

Учитывая все перечисленные факторы, в настоящее время вопросы безопасности операторов ВЭУ становятся все более и более актуальными. Расширение экспорта технических устройств также требует улучшения их потребительских качеств с целью повышения конкурентоспособности на мировом рынке, а одним из основных потребительских качеств является безопасность ВЭУ. Кроме того, принимая во внимание участившиеся случаи чрезвычайных ситуаций, связанных с функционированием различных видов ВЭУ, также остро стоит вопрос обеспечения безопасности лиц, присутствующих на различного рода испытаниях, а, следовательно, определения границ опасной зоны при работе рассматриваемых установок.

Указанные факторы показывают, что создание и совершенствование ВЭУ требует детального изучения физических процессов, протекающих не только в их функциональных блоках, но и сопряженных областях окружающей среды. При этом необходимо учитывать особенности их эксплуатации и обеспечить безопасность оператора в различных условиях.

В связи с этим целью данной работы является повышение безопасности оператора при эксплуатации высокоэнергетических установок, использующих энергию взрывчатых веществ, твердых и жидких топлив, посредством прогнозирования методами математического моделирования комплекса взаимосвязанных процессов в их рабочем пространстве.

Можно выделить три основных варианта функционирования ВЭУ — в открытом пространстве, в полу ограниченном, пространстве и в помещении (рис.2). Все эти варианты отличаются друг от друга качественными и количественными характеристиками воздействий, поэтому при исследовании, вопросов безопасности оператора необходимо рассматривать каждый из представленных вариантов1 самостоятельно.

К основным факторам, определяющим границы зоны, в пределах которой опасно пребывание человека при работе ВЭУ относятся следующие: ударная волна (УВ), сопровождающаяся кратковременным повышением избыточного давления в определенных точках пространства при прохождении через них волны; сверхзвуковая газопламенная струя, действие которой может привести к значительному росту давления и температуры, воздействующим на поверхности объектов, находящихся в газовой струе; увеличение загазованности в месте работы ВЭУ. Этот фактор оказывает особое влияние при возможной работе двигателя из практически закрытых или полузакрытых помещений (продукты сгорания твердых топлив содержат значительное количество (30-ь40%) токсичной окиси углерода (СО), окислов азота (NO2) и других вредных веществ); кинетическая энергия различных элементов конструкции, отделяющихся при работе ВЭУ, к которым относятся, в первую очередь, мембраны сопл и крышки, фрагменты герметизирующих деталей, а также поднятые истекающей струей продуктов сгорания крупные частицы грунта. Разлет таких элементов может привести к повреждению (травмированию) встретившегося на траектории его движения тела человека;

- существует вероятность травмирования оператора вследствие разрушения или повреждения зданий и сооружений в случае расположения работающих ВЭУ вблизи или внутри зданий.

ВОЗМОЖНЫЕ ВАРИАНТЫ РАБОТЫ ВЭУ

В ОТКР ПРОСТР, ЫТОМ ЛНСТВЕ

-—

--

В ПОЛУОГРАНИЧЕННЫХ ПРОСТРАНСТВАХ

Г™--■ ' t -

В ПОМЕЩЕНИИ

УДАРНО

ВОЛНОВЫЕ, АККУ-СТИЧЕСКИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ 1

ХИМИЧЕСКИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ

КИНЕТИЧЕСКИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ т 1

РАЗРУШЕНИЕ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ

БЕЗОПАСНОСТЬ ОПЕРАТОРА

Рис. 2. Схема влияния особенностей работы ВЭУ на проявление негативных воздействий

Как показали исследования, на все вышеперечисленные факторы существенное влияние (в сторону их интенсификации) оказывает наличие у большинства существующих современных ВЭУ разлетающихся элементов конструкций. В связи с этим актуальными становятся вопросы, связанные с исследованием влияния отлетающих с большой скоростью конструктивных элементов на количественные и качественные характеристики опасных и вредных факторов, действующих на оператора при работе ВЭУ, а также разработка мер по снижению интенсивности этих воздействий.

Одним из путей решения рассматриваемой проблемы является математическое моделирование указанных процессов и построение на его основе вычислительного эксперимента. Применение данного подхода обусловлено тремя основными причинами, дающими дополнительные возможности по сравнению с физическим экспериментом: возможностью реализации практически неограниченного числа моделируемых вариантов функционирования ВЭУ; несомненной экономической предпочтительностью (сокращением времени и стоимости эксперимента); недостижимой для натурных условий машинной визуализацией моделируемых процессов благодаря возросшим возможностям современной вычислительной техники и ее программного обеспечения.

Высокая достоверность численного анализа должна обеспечиваться за счет использования сложных математических моделей исследуемых процессов, максимально приближенных к реальным условиям. Такой выбор подразумевает правильный учёт возможностей вычислительной математики и вычислительной техники для обеспечения приемлемого компромисса между требованиями высокой точности, степени универсальности, малой трудоемкости подготовительных и вычислительных процедур. При этом для решения указанных задач требуется качественно новое содержание математических моделей протекающих процессов.

В данное время в инженерной расчетной практике в большей степени применяются двумерные модели газодинамических процессов [10,27]. Это, в первую очередь, обусловлено тем, что данный подход позволяет достаточно точно и оперативно решать конкретные задачи на компьютерах средней мощности.

В связи с развитием вычислительной техники становится возможным решение рассматриваемых газодинамических задач в трехмерной постановке с учетом осложняющих факторов, характерных для работы ВЭУ. В работах Липанова A.M. [33] приводятся варианты моделирования данных процессов, но все они рассчитаны на многопроцессорную технику и пока неприменимы в инженерной практике. В работе Могильникова Н.В. [58] реализован метод, который может быть использован при решении практических задач, но с его помощью нельзя определить распределение концентраций компонентов газовой смеси.

В диссертации Фам Куок Хунга [51] разработан метод, решающий газодинамические задачи в двухмерной постановке. В этой работе определены лишь параметры распространения ударных волн взрывчатых веществ и силового воздействия ударных волн на элементы конструкций окружающей среды.

Следует также отметить тот факт, что в приведенных исследованиях проводился анализ исключительно ударно-волновых и акустических воздействий на оператора.

Предметом исследований данной работы является математическая модель взаимосвязанных процессов газодинамики в рабочем пространстве ВЭУ с учетом химических реакций и подвижных объектов, проблемно ориентированная на прогнозирование безопасности оператора.

Очевидно, при расчете распространения газовой струи продуктов сгорания и сопутствующих ударных волн следует отдать предпочтение газодинамическим моделям.

Научная новизна данной работы заключается в комплексном исследовании газодинамических процессов в рабочем пространстве высокоэнергетических установок, с учетом ударно-волновых явлений, подвижных объектов и химических реакций, с применением современной технологии математического моделирования и вычислительного эксперимента.

На защиту выносятся следующие новые научные результаты:

- синтезированная структура математической модели, описывающей комплекс взаимосвязанных процессов, сопровождающих работу ВЭУ, ориентированная на создание системы компьютерного моделирования распространяющихся в полузамкнутых областях газовых струй, ударных волн и химических компонентов, воздействующих на оператора; алгоритм численного моделирования процессов газодинамики в ограниченном рабочем*пространстве ВЭУ с учетом химических реакций и подвижных объектов; теоретическое обоснование необходимости учета взаимовлияния ударных волн, отделяющихся элементов конструкции и многокомпонентно-сти. среды в рабочем пространстве ВЭУ при прогнозировании безопасности' системы «оператор-ВЭУ—среда».

В соответствии с поставленной целью, в работе решены следующие задачи: анализ и идентификация опасных и вредных факторов, возникающих при работе высокоэнергетических установок; разработка комплексной математической модели газодинамических процессов, сопутствующих работе ВЭУ, обладающей высокой информативностью, достоверностью прогнозирования, сравниваемой физическим экспериментом, и доступностью для инженера; разработка алгоритма численного моделирования процессов нестационарной газодинамики в рабочем пространстве функционирования ВЭУ с учетом многокомпонентности, химических реакций и наличия подвижных объектов; создание программно-математического обеспечения, необходимого для постановки вычислительного эксперимента по исследованию и визуализации газодинамических процессов в зоне работы ВЭУ, обеспечивающего эффективное решение проектных задач непосредственно на рабочем месте конструктора; выработка рекомендаций, направленных на повышение безопасность эксплуатации ВЭУ.

Задачи, решение которых позволило достичь поставленной цели, представлены в виде схемы структуры работы (рис. 3).

Основные гипотезы и допущения диссертации, постановки рассматриваемых задач, используемые методы вычислений обоснованы использованием широко апробированных математических методов, основанных на фундаментальных положениях механики сплошной среды и газовой динамики.

Достоверность основных научных положений и выводов обеспечивается строгой математической постановкой проводимых исследований, сравнением рассчитанных параметров с экспериментальными данными и известными решениями.

Рис. 3. Структура работы

Полученные результаты соответствуют физической природе моделируемых процессов, вполне удовлетворительно согласуются с результатами других исследований по данной тематике и решениями тестовых задач.

Практическая значимость проведенных исследований для науки и практики в первую очередь определяется тем, что разработанный в диссертации программно-математический комплекс численного моделирования и визуализации газодинамических процессов, сопровождающих работу ВЭУ, позволяет сформулировать концепцию минимизации риска повреждения здоровья оператора, оперативно и качественно прогнозировать непосредственно на рабочем месте конструктора безопасность оператора при разработке новых конструкций или их эксплуатации в новых условиях, сократить объем экспериментальных работ и заменить некоторые натурные испытания вычислительным экспериментом, тем самым существенно сократить сроки и объем отработки проектируемых образцов ВЭУ.

Полученные результаты моделирования служат основой для проведения априорного анализа и прогнозирования вредного и опасного воздействия системы «ВЭУ - среда» на оператора, и позволяют дать конкретные рекомендации по достижению необходимого уровня безопасности в тех или иных условиях эксплуатации ВЭУ.

Работа состоит из введения, четырех разделов и заключения.

В первом разделе представленной работы рассматриваются особенности функционирования ВЭУ и роль человека-оператора при их эксплуатации. Приводится описание физических и химических процессов, протекающих при течении газ из ВЭУ. Произведена качественная оценка и классификация опасных и вредных факторов, влияющих на оператора. Проведен обзор научно-технической литературы, посвященной исследованию этих вопросов; рассмотрены требования нормативной документации по вопросам безопасности. Определена концепция построения комплексной математической модели процессов, сопровождающих работу ВЭУ. Проведенный анализ позволил сформулировать цель и основные задачи исследования, определяющие общую концепцию диссертации.

Второй раздел посвящен описанию принятой математической модели газодинамических процессов, выявлению граничных условий, обусловленных введением в модель уравнений, описывающих поведение подвижных объектов и их взаимодействие с потоком газообразных продуктов сгорания твердого топлива. Показано развитие численных подходов для решения современных инженерных задач в области газодинамики на примере работ, выполненных под руководством академика О.М.Белоцерковского. Отмечены наиболее существенные моменты метода частиц в ячейках Ф.Харлоу, показаны положительные стороны этого метода и основные трудности в его использовании. Отмечены работы В.Ф.Дьяченко, Н.Н.Яненко и его учеников, С.П.Ломнева, использующие подходы, аналогичные методу частиц в ячейках. Проводится анализ развития и реализации метода крупных частиц (МКЧ). При рассмотрении численных схем отмечены работы С.К.Годунова. Дано описание модифицированного МКЧ. Представлена принятая численная модель. Разработанный метод использует схемы расщепления МКЧ, но реализуется на непрямоугольной неравномерной сетке. Применение непрямоугольной формы частиц, позволяет анализировать нестационарные до- и сверхзвуковые течения в областях сложной формы, осуществлять произвольную дискретизацию пространства и более точную аппроксимацию криволинейных границ. Включение в численную схему составляющих, учитывающих многокомпонентность газовых смесей и протекание химических реакций, дает возможность определения концентраций компонентов в каждый момент времени в любой точке пространства, на основе чего происходит перерасчет этих параметров при условиях химического реагирования.

Также приведен алгоритм и методика моделирования рассматриваемых процессов, краткое описание основных этапов расчета. Показана блок-схема алгоритма расчета. Анализируется точность программного комплекса.

Третий раздел посвящен анализу результатов экспериментальных и расчетных исследований распространений избыточного давления в пространстве. Также рассматривается влияние симметричного и несимметричного расположения ВЭУ на уровень избыточного давления. Приведена сравнительная характеристика результатов численного решения с данными критериями.

Четвертый раздел посвящен исследованию распространения концентраций химических компонентов в полуограниченном пространстве и влиянию отлетающего объекта на уровень избыточного давления в зоне оператора. Приведены результаты оценки возможности разрушения зданий в полуограниченном пространстве.

В заключении приведены общие выводы по работе.

Разработанная методика расчета опасных зон при работе ВЭУ внедрена и используется на предприятиях Социалистической Республики Вьетнам, а также в качестве обучающей системы технического университета им. Ле Куй Дона (г. Ханой, СРВ).

Результаты работы докладывались на:

Всероссийской научно-практической конференции «Проектирование систем и комплексов» (г. Тула, 2005, 2006, 2007 гг.);

Всероссийской научно-технической конференции «XXI век глазами молодых ученых и специалистов» (г. Тула, 2006 г); научных семинарах кафедры «Ракетостроение» (ТулГУ, 20052007 гг.).

По результатам выполненных исследований опубликовано 5 работ.

Выводы по главе

• Установлено, что многокомпонентность среды и химические процессы оказывают значительное влияние на параметры, от которых зависит безопасность оператора.

• Получены поля концентраций компонентов газовой смеси в полуограниченном пространстве в процессе работы, по которым можно оценить значения концентраций вредных веществ с точки зрения дозового подхода и синергетического эффекта взаимодействия полей давления и концентраций, установлены зоны опасности отравления оператора ВЭУ и предельное время нахождения оператор в рабочей зоне без угрозы здоровью человека.

• Выполнена оценка возможности разрушения зданий при работе высокоэнергетических установок в полуограниченном пространстве. Показано, что оператор при запуске ВЭУ в близи (или внутри) зданий и сооружений должен выбирать место для работы таким образом, чтобы расстояние от ВЭУ до расположенной позади нее преграды составляло не менее 3-3,5 метров от кирпичных зданий, не менее 4,5-5 метров от деревянных, и не менее 2,5-3 метров от промышленных зданий и сооружений.

• Исследовано влияние отделяющихся элементов конструкции ВЭУ на параметры ударной волны, показано, что под воздействием отлетающего элемента газовый поток распространяется не по оси струи, а поворачивается на некоторый угол относительно оси, и образует опасную коническую возмущенную зону, что может приводить к возрастанию давления на 40%.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В целом по своему теоретическому и практическому значению проведенные исследования можно квалифицировать как новое решение важной научно-технической задачи в области математического моделирования, направленное на совершенствование функционирования и эксплуатации высокоэнергетических установок при различных условиях, внедрение вычислительного эксперимента в процесс проектирования с целью нахождения эффективных методов обеспечения безопасности оператора ВЭУ.

В результате проведенных исследований:

• Проведен анализ и идентификация опасных и вредных факторов, возникающих при работе высокоэнергетических установок.

• Разработана комплексная математическая модель взаимосвязанных газодинамических процессов, сопровождающих работу ВЭУ, ориентированная на создание системы компьютерного моделирования распространяющихся в полузамкнутых областях газовых струй, ударных волн и химических компонентов, воздействующих на оператора.

• Предложен новый вариант метода численного моделирования процессов газодинамики в ограниченном рабочем пространстве ВЭУ с учетом химических реакций и подвижных объектов, проблемно ориентированный на прогнозирование безопасности оператора.

• Создан программно-математический комплекс численного моделирования и визуализации газодинамических процессов, сопровождающих работу ВЭУ, позволяющий оперативно и качественно прогнозировать непосредственно на рабочем месте конструктора безопасность оператора при разработке новых конструкций или их эксплуатации в новых условиях. Для обеспечения высокой достоверности прогнозирования использованы высокоинформативные модели, учитывающие не только основные закономерности процессов, но и характерные для ВЭУ осложняющие эти процессы факторы. Программный комплекс достаточно прост и доступен для инженеров-пользователей.

• Решен ряд научно-технических задач прогнозирования физических явлений в зоне работы ВЭУ, общая закономерность которых осложнена значительным числом возмущающих факторов: нестационарностью, многокомпонентностью, химическими реакциями в потоке, подвижными объектами, преградами. В частности:

- выявлена физическая картина течения продуктов сгорания и распространения ударных волн в рабочей зоне высокоэнергетической установки; проанализировано воздействие на оператора и окружающие элементы опасных факторов (ударных волн, химически агрессивных сред, температурных воздействий) при работе ВЭУ в закрытых и полузакрытых помещениях и установлено, что многокомпонентность среды и химические процессы оказывают значительное влияние на параметры, от которых зависит безопасность оператора;

- проведена оценка влияния высоты преграды и расстояния до неё на величину избыточного давления в зоне оператора на открытой площадке, показано, что с увеличением расстояния до преграды с 1,5 м до 3,6 м максимальное избыточное давление снижается на 11%;

- изучено влияние несимметричного расположения ВЭУ на уровень избыточного давления в зоне оператора при работе в помещении, показано, что при ориентации истекающей струи под углом к стенам максимальные пиковые нагрузки на оператора по давлению снижаются (при уголе 25° максимальные пиковые нагрузки снижаются 1,2 раза);

- получены поля концентраций компонентов газовой смеси в полуограниченном пространстве в процессе работы, по которым можно оценить влияние концентраций вредных веществ с точки зрения дозового подхода и синергети-ческого эффекта взаимодействия полей давления и концентраций; установлены зоны опасности отравления оператора ВЭУ и предельное время нахождения оператора в рабочей зоне без угрозы здоровью человека.

- выполнена оценка возможности разрушения зданий при работе высокоэнергетических установок в полуограниченном пространстве. Показано, что оператор при запуске ВЭУ в близи (или внутри) зданий и сооружений должен выбирать место для работы таким образом, чтобы расстояние от ВЭУ до расположенной позади нее преграды составляло не менее 3-3,5 метров от кирпичных зданий, не менее 4,5-5 метров от деревянных, и не менее 2,5-3 метров от промышленных зданий и сооружений;

- исследовано влияние отделяющихся элементов конструкции высокоэнергетических установок на параметры ударной волны, показано, что под воздействием отлетающего элемента газовый поток поворачивается на некоторый угол относительно оси и образует коническую возмущенную зону. Это приводит к возрастанию давления в зоне оператора на 40%.

1. Абрамович Г. Н. Теория турбулентных струй. М.: Физматгиз, 1960. -715 с.

2. Абрамович Г. Н., Крашенинников С. Ю., Секундов А.Н. и др. Турбулентное смешение газовых струй. М.: Наука, 1974. 272 с.

3. Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика. М.: Наука, 1976. — 888с.

4. Аварии и катастрофы. Под ред. К.Е. Кочеткова, В.А. Котляревского и А.В. Забегаева. В 6-ти книгах. М.: Издательство АСВ, 1995.

5. Акатов Н.И. Воздействие турбулизации на длину начального участка плоской струи в спутном потоке // Турбулентные течения. М.: Наука, 1977. -С.157-161.

6. Андерсен, Дж. Танненхилл, Р. Плетчер. Вычислительная гидромеханика и теплообмен. М.: Мир, т.2, 1990. 726 с.

7. Анучкина Н.Н., Бабенко К.И., Годунов С.К. и др. Теоретические основы и конструирование численных алгоритмов задач математической физики. М.: Наука, 1983.-616 с.

8. Безуглый В.Ю., Беляев Н.М. Численные методы теории конвективного тепломассообмена. Киев: Высшая школа, 1984. - 175с.

9. Белов И.А. Взаимодействие неравномерных потоков с преградой. Л.: Машиностроение, 1983. - 144 с.

10. Белоцерковский О.М., Давыдов Ю.М. Метод крупных частиц в газовой динамике. М.: Наука, 1982. - 370 с.

11. Белоцерковский С.М., Гиневский А.М.Моделирование турбулентных струй и следов на основе метода дискретных вихрей. М.: Физматгиз, 1995. -368 с.

12. Бейкер У., Кокс П., Уэстайн П. и др. Взрывные явления. Оценка и последствия. 2 т. М.: Мир, 1986.

13. Бригадиров Г.В., Дунаев В.А. Численное моделирование внутрибал-листических процессов в теплоэнергетических установках.//Труды 21-го международного пиротехнического семинара. Москва, АНРФ.- 1995 г., -С.88-96.

14. Бэтчелор Дж. Теория однородной турбулентности. М., ИЛ, 1955.

15. Ветров В.В., Дунаев В.А., Ганюшин А.Л. Прогнозирование безопасности оператора комплексов реактивных систем на основе вычислительного эксперимента. Сб. Известия ТулГУ, серия "Экология и безопасность жизнедеятельности", вып. 5, 1999 г. -С.233-240.

16. Волынский Б.А., Бухман В.Е. Модели для решения краевых задач. -М.:Физматгиз, 1960.-451 с.

17. Глушко Г.С. Дифференциальное уравнение для масштаба турбулентности и расчет турбулентного пограничного слоя на плоской пластине.- Сб. «Турбулентные течения». М., «Наука», 1970.

18. Глушко Г.С. Турбулентный пограничный слой на плоской пластине в несжимаемой жидкости. Изв. АН СССР, Механика, 1965, № 4.

19. Годунов С.К. Уравнения математической физики.- М.: Наука, 1979. -391с.

20. Годунов С.К. и др. Численное решение многомерных задач газовой динамики. М.: Наука, 1976. 400 с.

21. Головачев Ю.П. Численное моделирование течений вязкого газа в ударном слое. М.: Наука. Физматгиз, 1996. 376с.

22. Госман А.Д., Пан В.М., Панчел А.К. Численные методы исследования течения вязкой жидкости. М.: Мир, 1972. - 325 с.

23. Давыдов Ю.М. Расчет обтекания тел произвольной формы методом «крупных частиц». Ж. вычисл. матем. и матем. физ., 1971, 11, № 4, С. 1056063.

24. Давыдов Ю.М. Численное экспериментирование методом «крупных частиц» (теоретические основы численного эксперимента и его реализации). -В сб.: Прямое численное моделирование течений газа. -М.: ВЦ АН СССР, 1978, С. 65-95.

25. Дунаев В.А. Моделирование сверхзвуковых течений невязкого газа/ Тула: Изд-во ТулГУ, 2006. 200 с.

26. Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике. М.: Мир, 1975. -541с.

27. Зубков В.Г. Математическая модель пограничного слоя для широкого диапазона турбулентных чисел Рейнольдса//ИФЖ. 1985. - т.48. - №5. -С.746-754.

28. Иевлев В.М. Турбулентное движение высокотемпературных сплошных сред. М.: Наука, 1975. 256 с.

29. Ильюшин' А.А. Механика сплошной среды. М.: Изд-во МГУ, 1990. -310с.

30. Ковеня В.М., Яненко Н.Н. Метод расщепления в задачах газовой динамики. Новосибирск: Наука, 1981. - 324 с.

31. Липанов A.M., Кисаров Ю.Ф., Ключников И.Г. Численный эксперимент в классической гидромеханике турбулентных потоков. Екатеринбург, Изд-во Президиума УрО РАН, 2001.-162 с.

32. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. М.: Наука, 2003. - 840 с.

33. Миллионщиков М. Д. Турбулентные течения в пограничном слое и трубах. М„ «Наука», 1969, 50 с.

34. Миллионщиков М.Д. Некоторые вопросы турбулентности и турбулентного теплообмена //Турбулентные течения. М.: Наука, 1974. - С. 5-18.

35. Монин А.С., А. М. Яглом. Статистическая гидромеханика. М., "Наука", ч. I, 1965; ч. II, 1967.

36. Оден Дж. Конечные элементы в нелинейной механике сплошных сред. М.: Мир, 1976. - 464 с.

37. Рейнольде А.Дж. Турбулентные течения в инженерных приложениях. М.: Энергия, 1979. - 408 с.

38. Рихтмайер Р. Д. Разностные методы решения краевых задач. М., ИЛ, 1960,-262 с.

39. Роуч П. Вычислительная гидродинамика. М.: Мир, 1980. - 616 с.

40. Самарский А.А. Математическое моделирование и вычислительный эксперимент // Вестник АН СССР, 1979. №5. С. 38-49.

41. Самарский А.А. Теория разностных схем. М.: Наука, 1983. - 616 с.

42. Самарский А.А., Попов Ю.П. Разностные схемы газовой динамики. -М.: Наука, 1975.-425 с.

43. Сегерлинд Л. Применение метода конечных элементов (перевод с англ.). М.: Мир, 1979. - 392 с.

44. Седов Л.И. Механика сплошной среды, т. 1,2. М.: Наука, 1973. - 536с.

45. Секулович М. Метод конечных элементов / Пер. с серб. Ю.Н. Зуева; Под ред. В.Ш. Барбакадзе.- М.: Стройиздат, 1993. 664 с.

46. Соколов Э.М., Захаров Е.И., Панферова И.В., Макеев А.В. Безопасность жизнедеятельности. Уч. Пособие. Тула: Гриф и К, 2001, 279 с.

47. Стренг Г., Фикс Дж. Теория метода конечных элементов. М.: Мир, 1977.-349 с.

48. Турбулентность / Под ред. Бредшоу П. М.: Машиностроение, 1980. -342 с.

49. Фам Куок Хунг, Прогнозирование опасных зон при авариях на хранилищах взрывчатых материалов. Дис.канд.технич. наук. Тула, 2006г.

50. Федеральный закон "Об основах охраны труда в Российской Федерации" № 181, 1999.

51. Хинце И. О. Турбулентность. Физматгиз. М., 1963. 680 с.

52. Шенг Д.С. Обзор численных методов решения уравнений Навье-Стокса для течений сжимаемого газа // Аэрокосм.техника. 1986. Т.4, №2. С.65-92.

53. Шец Дж. Турбулентное течение. Процессы вдува и перемешивания. Пер. с англ.- М.: Мир, 1984. 247 с.

54. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. М.: Наука, 1969. - 742 с.57. http://www.2mvgsv.nm.ru/3.html58. http://www.ogbus.ru/authors/Tlyasheva/Tlyasheval.pdf

55. ГОСТ 12.1.007-76. Вредные вещества. Классификация и общие требования безопасности.

56. ГОСТ 12.1.003-74. Опасные и вредные производственные факторы.

57. Мартемьянов А.И. Проектирование и строительство зданий и сооружений в сейсмических районах. М.: Стройиздат, 1985

58. Воздействие на организм человека опасных и вредных экологических факторов. Метрологические аспекты. В 2-х томах, Под ред. Исаева JI.K. Том 1 М., ПАИМС, 1997,512 с.

59. Методика расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий. Общесоюзный нормативный документ. JI: Гидрометеоиздат, 1987. 94 с.

60. Нгуен Вьет Чунг. Идентификация опасностей при эксплуатации высокоэнергетических устройств // Науч.-техн. конф. «Вопросы моделирования, проектирования и технологии изготовления отдельных элементов сложных систем и комплексов». Тула, 2006. — С. 52-57.

61. Нгуен Вьет Чунг, В. В. Морозов. Оценка воздействия параметров ударной волны на оператора при эксплуатации высокоэнергетических устройств // Известия ТулГУ. Сер. «Проблемы специального машиностроения». Тула: ТулГУ, 2006. Вып. 9. - С. 110-114.

62. В.А.Дунаев, Нгуен Вьет Чунг. Математическое моделирование процессов газодинамики при эксплуатации высокоэнергетических устройств. // Известия ТулГУ. Сер. «Технические науки». Тула: ТулГУ, 2007. Вып. 3. — С. 167-172.

63. Нуенг Вьет Чунг. Исследование влияния работы высокоэнергетических установок на концентрацию в рабочей зоне опасных для человека-оператора. // Известия ТулГУ. Сер. «Технические науки». — Тула: ТулГУ, 2007. Вып. 3.-С. 173-179.