Влияние на развитие газового взрыва в помещении расстояния между местом воспламенения и окном

Введение. Доселе было известно, что при газовых взрывах в незамкнутой камере давление взрыва тем больше, чем дальше от сбросного проема (окна) находится место воспламенения газа. Это утверждение основано на результатах, полученных рядом исследователей, в том числе нами. Однако последние физические опыты показали, что это справедливо только при размерах окон, сопоставимых с теми, которые рекомендуются нормативами как обеспечивающие определенные условия безопасности. При меньших же размерах окон эта зависимость нивелируется, и более того, меняет знак на противоположный.

Задачей исследования является выяснение причины инверсии влияния расстояния между окном и местом воспламенения на давление взрыва. Решение этой задачи имеет научное и практическое значение.

Методы и средства исследования. Для исследования выявленного эффекта были использованы два варианта математической модели развития газового взрыва в незамкнутой камере — упрощенная и численная. Первая из них, упрощенная, основана на представлении камеры в виде сосредоточенного объема, использовании уравнения Клайперона в дифференциальной форме. Получено, что, помимо известных факторов, таких как размер окна, свойства истекающих газов и др., на развитие взрыва влияют площадь фронта пламени и момент его подхода кокну. К сожалению, эта модель в принципе не учитывает динамику развития последних факторов. Сделать это позволяет другая модель, численная, представленная программным продуктом “Вулкан-М”, основанным на решении методом крупных частиц системы уравнений газовой динамики в эйлеровской форме при добавлении условий распространения пламени. Кроме того, “Вулкан-М” позволяет визуализировать эволюцию физического процесса, регистрировать развитие его параметров и показателей.

Результаты исследования. Получено, что при размерах окна, сравнимых с нормативными, столь большое влияние его положения на давление определяется не только разницей свойств истекающих газов (исходной смеси и продуктов сгорания), но и тем, что в начальный период развития взрыва площадь фронта пламени в случае удаленного положения окна значительно больше, чем при малом расстоянии между ним и местом воспламенения. При малом окне темп набора давления в начальный период в обоих случаях взрыва высок и практически одинаков, поэтому решающее влияние на значение максимального давления оказывает время горения. При удаленном расположении окна от места воспламенения время горения меньше по сравнению с близким расположениием. В результате этого максимум давления во втором случае больше, чем в первом. Этим и объясняется обнаруженный эффект.

Вывод. Чем больше размер окна, тем сильнее его влияние на давление взрыва. Причем это влияние не только обуславливается истечением газов, но и усиливается, иногда значительно, через влияние на развитие фронта пламени. При уменьшении размеров окна его влияние на развитие фронта пламени ослабляется, доходя до ничтожного. В этом случае на давление взрыва, помимо размера окна, влияет время горения.

1. Polandov Yu. Kh., Korolchenko A. Ya., Bobrikov S. A. Gas explosion in a room with a window and passage to an adjacent room // MATEC Web of Conferences. —2016. —Vol. 86, Article No. 04031. — 7p. DOI: 10.1051/matecconf/20168604031.

2. Поландов Ю. X., Добриков C. A., Кукин Д. A. Результаты испытаний легкосбрасываемых конструкций // Пожаровзрывобезопасность / Fire and Explosion Safety. — 2017. — T. 26, № 8. — C. 5-14. DOI: 10.18322/PVB.2017.26.08.5-14.

3. Bauwens C. R., Chaffee J., Borofeev S. B. Effect of ignition location, vent size, and obstacles on vented explosion overpressures in propane-air mixtures // Combustion Science and Technology. — 2010. — Vol. 182, Issue 11-12.—P. 1915-1932. DOI: 10.1080/00102202.2010.497415.

4. Bauwens C. R. L., Bergthorson J. M., Borofeev S. B. Experimental investigation of spherical-flame acceleration in lean hydrogen-air mixtures // International Journal of Hydrogen Energy. — 2017. — Vol. 42, Issue 11. —P. 7691-7697. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2016.05.028.

5. PhylaktouH.N., Andrews G. E., HerathP. Fast flame speeds and rates of pressure rise in the initial period of gas explosions in large L/D cylindrical enclosures // Journal of Loss Prevention in the Process Industries. — 1990. — Vol. 3, Issue 4. — P. 355-364. DOI: 10.1016/0950-4230(90)80005-u.

6. BiMingshu, Bong Chengjie, Zhou Yihui. Numerical simulation of premix ed methane-air deflagration in large L/D closed pipes // Applied Thermal Engineering. — 2012. — Vol. 40. — P. 337-342. DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2012.01.065.

7. Chao J., Bauwens C. R., Borofeev S. B. An analysis of peak overpressures in vented gaseous explosions // Proceedings of the Combustion Institute. — 2011. — Vol. 33, Issue 2. — P. 2367-2374. DOI: 10.1016/j.proci.2010.06.144.

8. Molkov V., Shentsov V. Numerical and physical requirements to simulation of gas release and dispersion in an enclosure with one vent // International Journal of Hydrogen Energy. — 2014. — Vol. 39, Issue 25.—P. 13328-13345. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2014.06.154.

9. FakanduB. M., Andrews G. E., Phylaktou H. N. Vent static burstpressure influences on explosion venting // Proceedings. Tenth International Symposium on Hazard, Prevention and Mitigation of Industrial Explosions (XISHPMIE) (10-14 June 2014, Bergen, Norway). — 16 p. URL: http://eprints.whitero- se.ac.uk/104968/1/X%20ISHPMIE%20Paper%20150%20GEA%205.pdf (дата обращения: 01.03.2019).

10. Zalosh R. G. Gas explosion tests in room-size vented enclosures // Proceedings of the 13th Loss Prevention Symposium. — Houston, 1979. — P. 98-108.

11. Поландов Ю. X., Барг М. A., Власенко С. A. Моделирование процесса горения газовоздушной смеси методом крупных частиц // Пожаровзрывобезопасность / Fire and Explosion Safety. — 2007.—T. 16,№3. —C. 6-9.

12. Омаров A. A., Бажина E. B. Определение параметров динамических нагрузок от аварийных взрывов, действующих на здания и сооружения взрывоопасных производств // Вестник МГСУ. — 2013.—№ 12. —С. 14-19.

13. Комаров A. A., Чиликина Г. B. Условия формирования взрывоопасных облаков в газифицированных жилых помещениях // Пожаровзрывобезопасность / Fire and Explosion Safety. — 2002. — Т. 11,№4. — С. 24-28.

14. МольковВ. B., Некрасов B. П. Динамика сгорания газа в постоянном объеме при наличии истечения // Физика горения и взрыва. — 1981. — Т. 17, № 4. — C. 17-24.

15. Салымова Е. Ю. Динамика развития опасных факторов в зданиях е ограждающими конструкциями из трехслойных сэндвич-панелей при пожарах и взрывах : дис. … канд. техн.наук. — М., 2015. —110 с.

16. Li Jingde, Hernandez Francisco, Hao Hong, Fang Qin, Xiang Hengbo, Li Zhan, ZhangXihong, Chen Li. Vented methane-air explosion overpressure calculation — A simplified approach based on CFD // Process Safety and Environmental Protection. — 2017. — Vol. 109. — P. 489-508. DOI: 10.1016/j.psep.2017.04.025.

17. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ 2007614950 Российская Федерация. Моделирование процессов горения и взрыва газовоздушных смесей “Вулкан-М” / Поландов Ю.Х.,Барг М. А., Марков С. С.—№ 2007613936, заявл. 08.10.2007, опубл. 03.12.2007.

18. Барг М. Численное и физическое моделирование взрывов газовых смесей. — Saarbrucken, Germany : LAP Lambert Academic Publishing, 2011. — 116 c.

19. Белоцерковский О. М., Давыдов Ю. М. Метод крупных частиц в газовой динамике. Вычислительсный экеперимент. — М. : Наука, 1982. — 392 с.

20. Белоцерковский О. М., Давыдов Ю. М. Нестационарный метод “крупных частиц” для газодинамических расчетов // Журнал вычислительной математики и математической физики. — 1971. — Т. 11, № 1. —С. 182-207.

21. Численное исследование актуальных проблем машиностроения и механики сплошных и сыпучих сред методом крупных частиц : в 5 т. / Под ред. Ю. М. Давыдова. — М. : Национальная академия прикладных наук, 1995. — 1658 с.