Определение нагрузок на здания и сооружения при внешних взрывах топливно-воздушных смесей

Введение. При проектировании зданий и сооружений на опасных производственных объектах перед инженером стоит важная задача — определить нагрузки при внешних взрывах топливно-воздушных смесей. В настоящее время в практике проектирования для оценки различных воздействий на строительные конструкции широко применяются программные комплексы, использующие подход вычислительной гидрогазодинамики (CFD). В связи с этим необходимо разработать подход к расчету нагрузок методами численного моделирования и выполнить его оценку, сравнив с экспериментальными данными.

Цели и задачи. Целью настоящей работы является разработка подхода к определению нагрузок от внешнего детонационного взрыва топливно-воздушной смеси на здания и сооружения различной конфигурации при помощи методов вычислительной гидрогазодинамики.

Основная часть. Рассмотрен подход к определению нагрузок на строительные конструкции зданий и сооружений при внешних детонационных взрывах ТВС на основании метода «сжатого баллона». Предложены зависимости для задания исходных данных при выполнении численных расчетов с помощью компьютерных программ, использующих подход вычислительной гидрогазодинамики — CFD. Выполнено численное моделирование в программном комплексе ANSYS Fluent различных экспериментов. Для оценки точности метода «сжатого баллона» применительно к расчету внешнего детонационного взрыва проведено сравнение результатов численного моделирования и инженерных нормативных методик с различными экспериментами.

Выводы. Проведенное численное моделирование распространения взрывной волны при различных условиях показало качественное и количественное совпадение с рассматриваемыми экспериментами. Рассмотренный расчетный метод позволяет достаточно точно реализовать профиль давления на любую поверхность здания или сооружения при внешнем детонационном взрыве ТВС и оценить несущую способность строительных конструкций. Предложенный подход к расчету нагрузок при внешнем детонационном взрыве ТВС может применяться при проектировании зданий или сооружений различной конфигурации.

1. Хуснутдинов Д.З., Мишуев А.В., Казеннов В.В., Комаров А.А., Громов Н.В. Аварийные взрывы газовоздушных смесей в атмосфере. М. : МГСУ. 2014. 80 с.

2. Комаров А.А. Прогнозирование нагрузок от аварийных дефлаграционных взрывов и оценка последствий их воздействия на здания и сооружения : дис. … д-ра техн. наук. М. 2001. 492 с.

3. Шаргатов В.А., Сумской С.И., Софьин А.С. Верификация модели распространения волн избыточного давления программного комплекса TOXI+CFD // Безопасность труда в промышленности. 2018. № 5. С. 44–52. DOI: 10.24000/0409-2961-2018-6-44-52

4. Комаров А.А., Бажина Е.В. Определение уровня взрывоопасности городской застройки, прилегающей к энергоемким объектам // Природообустройство. 2019. № 2. С. 105–109. DOI: 10.34677/1997-6011/2019-2-105-109

5. Remennikov A.M., Rose T.A. Modelling blast loads on buildings in complex city geometries // Computers and Structures. 2005. Vol. 83. Issue 27. Pp. 2197–2205. DOI: 10.1016/j.compstruc.2005.04.003

6. Lucas M., Skjold T., Hisken H. Computational fluid dynamics simulations of hydrogen releases and vented deflagrations in large enclosures // Journal of Loss Prevention in the Process Industries. 2020. Vol. 63. P. 103999. DOI: 10.1016/j.jlp.2019.103999

7. Zibarov A.V. Gasdynamicstool packege — system for numerical gas dynamic non-steady process modeling // ASME. 1999. Vol. 397-1. Pp. 117–123.

8. Molkov V.V., Cirrone D.M.C., Shentsov V.V., Dery W., Kim W., Makarov D.V. Blast wave and fireball after hydrogen tank rupture in a fire // Advances in Pulsed and Continuous Detonations : Сollected papers / Edited by S.M. Frolov. Moscow. 2019. Pp. 260–274. DOI: 10.30826/ICPCD201821

9. Bauwens C.R., Dorofeev S.B. CFD modeling and consequence analysis of an accidental hydrogen release in a large scale facility // International Journal of Hydrogen Energy. 2014. Vol. 39. Issue 35. Pp. 20447–20454. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2014.04.142

10. Hansen R., Johnson D.M. Improved farfield blast predictions from fast deflagrations, DDTs and detonations of vapour clouds using FLACS CFD // Loss Prevention in the Process Industries. 2015. Vol. 35. Pp. 293–306. DOI: 10.1016/j.jlp.2014.11.005

11. Van Den Berg A.C., Mercx W.P.M., Mouilleau Y., Hayhurst C.J. AutoReaGas – A CFD – Tool for gas explosion hazard analysis // TNO Prins Maurits Laboratory. 1994. 15 p.

12. Chern Jinn Gan E., Remennikov A.M., Ritzel D. Investigation of trees as natural protective barriers using simulated blast environment // International Journal of Impact Engineering. 2021. Vol. 158. P. 104004. DOI: 10.1016/j.ijimpeng.2021.104004

13. Vyazmina E., Jallais S., Beccantini A., Trelat S. CFD design of protective walls against the effects of vapor cloud fast deflagration of hydrogen // ICHS 6th, Yokohama, Japan. 2015.

14. Jallais S., Vyazmina E., Miller D., Thomas J.K. Hydrogen jet vapor cloud explosion: A model for predicting blast size and application to risk assessment // Process Safety Progres. 2018. Vol. 37. Issue 3. Pp. 397–410. DOI: 10.1002/prs.11965

15. Smith P.D., Rose T.A. Blast wave propagation in city streets — an overview // Progress in Structural Engineering and Materials. 2006. Vol. 8. Pp. 16–28.

16. Kim D., Kim J. Numerical method to simulate detonative combustion of hydrogen-air mixture in a containment // Engineering Applications of Computational Fluid Mechanics. 2019. Vol. 13. Issue 1. Pp. 938–953. DOI: 10.1080/19942060.2019.1660219

17. Brode H.L. Numerical solutions of spherical blast waves // Journal of Applied Physics. 1955. Vol. 26. Issue 6. Pp. 766–775.

18. Larcher M., Casadei F. Explosions in complex geometries — a comparison of several approaches // International Journal of Protective Structures. 2010. Vol. 1. Issue. 2. Pp. 169–195.

19. Groethe M., Merilo E., Colton J., Chiba S., Sato Y., Iwabuchi H. Large-scale hydrogen deflagrations and detonations // International Journal of Hydrogen Energy. 2007. Vol. 32. Pp. 2125–2133. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2007.04.016

20. Nozu T., Tanaka R., Ogawa T., Hibi K., Sakai Y. Numerical simulation of hydrogen explosion tests with a barrier wall for blast mitigation // 1st International Conference on Hydrogen Safety, Pisa, 8–10 September. 2005.