Апробация вычислительной методики определения тепловых нагрузок при авариях, сопровождающихся огневыми шарами

Введение. Крупные пожары достаточно часто сопровождаются образованием огневых шаров (ОШ), которые создают значительные тепловые нагрузки. В результате охвата пожаром емкости, содержащей перегретую жидкость, происходит физический взрыв, из-за чего высвобождается значительное количество топлива, образующего огневой шар. Данное явление опасно тем, что при коротком времени жизни оно способно нанести термические травмы на значительных расстояниях. Существующие методы прогнозирования последствий огневого шара, изложенные в различной отечественной нормативной документации и зарубежной литературе, не в полной мере отражают возможные значения тепловых нагрузок. В связи с этим была разработана вычислительная методика определения тепловых нагрузок, учитывающая перемещение огневого шара.

Цели и задачи. Целью настоящего исследования является апробация разработанной вычислительной методики определения тепловых нагрузок, в которой учитываются кинематические характеристики огневого шара. В исследовании решались следующие задачи:

●● проверить работоспособность модели подъема огневого шара;

●● провести сравнительный анализ тепловых нагрузок по разработанной методике с результатами расчета отечественных и зарубежных методик;

●● провести вычислительный эксперимент по влиянию подвижности воздушной среды (влиянию ветра 7 м/с) на тепловые нагрузки.

Методы исследования. Для проверки работоспособности модели подъема ОШ использовались кадры съемки формирования огневого шара. По кадрам съемки отслеживалось положение огневого шара в пространстве и его кинематические характеристики. Используя кинематические параметры, были определены тепловые нагрузки. Для оценки адекватности вычислений тепловых нагрузок использовался сравнительный анализ результатов расчетов разработанной вычислительной методики с результатами расчетов по существующим отечественным и зарубежным методикам. Для обоснования применения разработанной вычислительной методики определения тепловых нагрузок, учитывающей кинематические параметры огневого шара, был проведен вычислительный эксперимент с использованием программно-вычислительного комплекса MATLAB.

Результаты и их обсуждение. Результаты расчета кинематических параметров удовлетворительно коррелируются с результатами математического моделирования. Полученные значения тепловых нагрузок по разработанной вычислительной методике удовлетворительно согласуются с результатами расчетов по существующим отечественным и зарубежным методикам. На основании выполненных в статье расчетов показано, что изменение газодинамических потоков (снос ветром) приводит к значительному изменению поражающих факторов огневых шаров, которые формируются при пожарах в аварийных ситуациях.

Выводы. Результаты проведенных исследований позволили оценить адекватность работоспособности усовершенствованной вычислительной методики определения тепловых нагрузок при авариях, сопровождающихся огневыми шарами, а также обосновать актуальность применения разработанного метода.

1. Комаров А.А., Шангараев Р.Р., Бегишев И.Р. Верификация методики определения тепловых нагрузок при формировании огневых шаров // Безопасность труда в промышленности. 2022. № 5. С. 15–21. DOI:10.24000/0409-2961-2022-5-15-21

2. Елизарьев А.Н., Ахтямов Р.Г., Киселева М.А., Тараканов Д.А., Тараканов Дм.А., Яковлев Д.О. и др. Развитие методических основ оценки возникновения эффекта BLEVE при авариях на объектах хранения топлив // Известия Петербургского университета путей сообщения. 2019. Т. 16. № 1. С. 157–167. DOI:10.20295/1815588X-2019-1-157-167 URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=38032989

3. Davidy A. CFD simulation and mitigation with Boiling Liquid Expanding Vapor Explosion (BLEVE) Caused by Jet Fire // ChemEngineering. 2018. Vol. 3. Issue 1. P. 1. DOI:10.3390/chemengineering3010001

4. Sellami I., Manescau B., Chetehouna K., de Izarra C., Nait-Said R., Zidani F. BLEVE fireball modeling using Fire Dynamics Simulator (FDS) in an Algerian gas industry // Journal of Loss Prevention in the Process Industries. 2018. Vol. 54. Pp. 69–84. DOI:10.1016/j.jlp.2018.02.010

5. Wang Y., Gu X., Xia L., Pan Y., Ni Y., Wang S. et al. Hazard analysis on LPG fireball of road tanker BLEVE based on CFD simulation // Journal of Loss Prevention in the Process Industries. 2020. Vol. 68. P. 104319. DOI:10.1016/j.jlp.2020.104319

6. Casal J., Arnaldos J., Montiel H., Planas-Cuchi E., Vı´lchez J.A. Modelling and understanding BLEVEs // Chapter 22 of The handbook of hazardous materials spills technology. Edited by Merv Fingas. Mc-Graw Hill, USA, 2001.

7. Martinsen W.E., Marx J.D. An improved model for the prediction of radiant heat flux from fireballs // International Conference and Workshop on Modeling the Consequences of Accidental Releases of Hazardous Materials. Center for Chemical Process Safety of the American Institute of Chemical Engineers, 1999. Pp. 605–621.

8. Guidelines for evaluating the characteristics of vapor cloud explosions, flash fires, and BLEVES. New York : American Institute of Chemical Engineers, 1994. 8 p.

9. Шангараев Р.Р. Математическая модель определения тепловых нагрузок при авариях, сопровождаемых огневыми шарами // Гражданская оборона на страже мира и безопасности : мат. VI Междунар. науч.-практ. конф., посвящ. всемирному дню гражданской обороны. М., 2022. С. 277–282.

10. Комаров А.А. Газодинамические потоки при авариях, сопровождаемых огневыми шарами // Современные проблемы гидравлики и гидротехнического строительства : сб. тезисов докладов IV Всеросс. науч.-практ. семинара. М., 2021. С. 79.

11. Sovran G., Morel T., Mason W.T. Aerodynamic drag mechanisms of bluff bodies and road vehicles. New York : Plenum Press, 1978. 360 p.

12. Блинков Ю.А., Панкратов И.А., Симонова К.Р. Расчет обтекания шара с помощью стандартных решателей OpenFOAM // Математика. Механика. 2018. № 20. С. 94–96. URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=36930621

13. Komarov A.A., Gromov N.V., Korolchenko O.N. Ensuring blast resistance of critically important buildings and constructions in case of Air Crash // IOP Conference Series : Materials Science and Engineering. 2021. Vol. 1066. Issue 1. P. 012005. DOI:10.1088/1757-899X/1066/1/012005

14. Данилов А.М., Гарькина И.А. Интерполяция, аппроксимация, оптимизация: анализ и синтез сложных систем : монография. Пенза : ПГУАС, 2014. 168 с.

15. Гребенникова И.В. Методы математической обработки экспериментальных данных : учеб.-метод. пос. Екатеринбург, 2015. 124 с.

16. Дьяконов В.П. MATLAB. Полный самоучитель. М. : Профобразование, 2019. 768 с.

17. Sam Mannan. PE, CSP Lee’s loss prevention in the process industries hazard identification // Assessment and Control. Volume 1 Third edition. Texas, USA : Department of Chemical Engineering, 2005. 172 p.

18. Комаров А.А. Прогнозирование нагрузок от аварийных дефлаграционных взрывов и оценка последствий их воздействия на здания и сооружения : автореф. дис. … д-ра тех. наук. М. : МГСУ, 2001. 42 с.

19. Кошмаров Ю.А., Башкирцев М.П. Термодинамика и теплопередача в пожарном деле. М. : Высшая инженерная и пожарно-техническая школа МВД СССР, 1987. 440 с.

20. Башкирцев М.П. Основы пожарной теплофизики. М. : Стройиздат, 1978. 198 с.

21. Шангараев Р.Р. Численный эксперимент по влиянию газодинамических потоков на тепловые нагрузки при образовании огневых шаров // Системы безопасности — 2021 : мат. тридцатой Междунар. науч.-техн. конф. М. : Академия ГПС МЧС России, 2021. С. 205–208.

22. Комаров А.А., Бузаев Е.В., Васюков Г.В., Загуменников Р.А. Моделирование аварийных выбросов взрывоопасных веществ в помещении // Вестник МГСУ. 2014. № 10. С. 132–140. DOI:10.22227/1997-0935.2014.10.132-140

23. Komarov А.А., Bazhina E.V., Bobrov Yu. Relationship between gas-dynamic flows and impacts of emergency explosions indoors // MATEC Web of Conferences. 2016. Vol. 86. P. 04048. DOI:10.1051/matecconf/20168604048

24. Komarov A.A., Gromov N.V. Experimental observation of visible flame propagation rate in accidental deflagration explosions and explosive load reduction // MATEC Web of Conferences. 2018. Vol. 251. P. 02024. DOI:matecconf/201825102024