Оценка распространения ударных воздушных волн в протяженных сооружениях с учетом диссипации внутренней энергии газового потока

Abstract

RU: Постановка проблемы. Одним из условий безопасности при аварийных взрывах газовоздушных смесей является прогнозирование последствий таких ситуаций и принятие адекватных решений по локализации возникающих разрушающих факторов. Одним из основных поражающих факторов взрыва газовоздушных смесей в условиях протяженных сооружений выступает ударная воздушная волна. Для расчета взрывозащитных сооружений существует нормативная база, которая опирается на экспериментальные данные. Однако проблема установления достоверных параметров распространения ударной воздушной волны остаётся актуальной. Одним из перспективных направлений в расчете задач резко нестационарных процессов является использование численных методов. В настоящее время предложено решение задачи распространения взрывных волн в протяженных каналах с использованием схем численного счета уравнений газодинамики модифицированным методом «крупных» частиц. В задаче учитывается фактор падения энергии движения газового потока за счет вовлечения в движение возрастающих с расстоянием воздушных масс и за счет действия сил трения потока газа о стенки выработки. Дальнейшее развитие математической модели процесса распространения ударных воздушных волн происходит путем обоснования методики расчета параметров их затухания с учетом теплоотдачи потока в стенки канала. Методика. Процессы формирования и распространения ударной воздушной волны исследовались методом математического моделирования с использованием законов и уравнений механики сплошных сред и математической физики. Для численного решения дифференциальных уравнений, применялся метод крупных частиц (метод Давыдова). Результаты. Согласно результатам моделирования наибольшее относительное снижение происходит по параметру удельной полной энергии среды – на 5 %, давление на 3 %, плотность 2,5 %, падение скорости 2 %, при максимальном значении коэффициента теплообмена. Причем интенсивное нарастание теплопотерь происходит в зоне 3…5 длин участка газовоздушной смеси, далее степень нарастания снижается и на всем остальном пути изменяется несущественно. При уменьшении коэффициента теплообмена вдвое зона нарастания коэффициента ks увеличивается до 5…7 x/LD. Научная новизна. Исследовано влияния теплообмена ударной воздушной волны со стенками канала, что позволяет учитывать баланс диссипации полной энергии нестационарного газового потока. Получены закономерности изменения параметров ударной воздушной волны, которая распространяется в протяженном сооружении, обусловленные теплообменом газового потока со стенкой сооружения. Практическая значимость. Расширены возможности процедур прогнозирования параметров распространения ударных воздушных волн с помощью многофакторной математической модели.

UK: Постановка проблеми. Одна з умов безпеки під час аварійних вибухів газоповітряних сумішей ‑ прогнозування наслідків таких ситуацій і прийняття адекватних рішень щодо локалізації виникаючих руйнівних факторів. Одним з основних вражаючих чинників вибуху газоповітряних сумішей в умовах протяжних споруд виступає ударна повітряна хвиля. Для розрахунку вибухозахисних споруд існує нормативна база, яка спирається на експериментальні дані. Однак проблема встановлення достовірних параметрів поширення ударної повітряної хвилі залишається актуальною. Перспективнийнапрямок у розрахунку завдань різко нестаціонарних процесів ‑ цезастосування числових методів. Наразі запропоновано розв’язання задачі поширення вибухових хвиль у протяжних каналах із використанням схем числового рахунку рівнянь газодинаміки модифікованим методом «великих» частинок. У задачі враховується фактор падіння енергії руху газового потоку за рахунок залучення в рух зростаючих із відстанню повітряних мас і за рахунок дії сил тертя потоку газу об стінки виробки. Подальший розвиток математичної моделі процесу поширення ударних повітряних хвиль відбувається шляхом обґрунтування методики розрахунку параметрів їх загасання з урахуванням тепловіддачі потоку в стінки каналу. Методика. Аналіз і узагальнення теоретичних досліджень, математичне моделювання газодинамічних процесів поширення вибухових повітряних хвиль у протяжних спорудах. Процеси формування і поширення ударної повітряної хвилі досліджувалися методом математичного моделювання з використанням законів і рівнянь механіки суцільних середовищ і математичної фізики. Для чисельного рішення диференціальних рівнянь, застосовувався метод великих часток (метод Давидова). Результати. Згідно з результатами моделювання найбільше відносне зниження відбувається по параметру питомої повної енергії середовища − на 5 %, тиск на 3 %, щільність 2,5 %, падіння швидкості 2 %, при максимальному значенні коефіцієнта теплообміну. Причому інтенсивне наростання тепловтрат відбувається в зоні 3…5 довжин ділянки газоповітряної суміші, далі ступінь наростання знижується і на всьому іншому шляху змінюється несуттєво. При зменшенні коефіцієнта теплообміну вдвічі зона наростання коефіцієнта ks збільшується до 5…7 x/LD. Наукова новизна. Досліджено впливу теплообміну ударної повітряної хвилі зі стінками каналу, що дозволяє враховувати баланс дисипації повної енергії нестаціонарного газового потоку. Отримано закономірності зміни параметрів ударної повітряної хвилі, яка поширюється у протяжній споруді, обумовлені теплообміном газового потоку зі стінкою споруди. Практична значимість. Розширено можливості процедур прогнозування параметрів поширення ударних повітряних хвиль за допомогою багатофакторної математичної моделі.

EN: Purpose. One of the safety conditions for emergency explosions of gas-air mixtures is the prediction of the consequences of such situations and the adoption of adequate decisions on the localization of destructive factors. One of the main factors affecting the explosion of gas-air mixtures, in conditions of extended structures, is the shock air wave. For the calculation of explosion-proof facilities there is a regulatory framework that is based on experimental data. However, the problem of establishing reliable parameters of the propagation of a shock air wave remains relevant. One of the promising directions in the calculation of tasks of highly unsteady processes is the use of numerical methods. At present, a solution has been proposed for the propagation of explosive waves in extended channels using the schemes of numerical calculation of the equations of gas dynamics by the modified method of “large” particles. The task takes into account the factor of the fall in the energy of motion of the gas flow due to the involvement in the movement of the air masses increasing with distance and due to the action of the friction forces of the gas flow against the walls. Further development of the mathematical model of the process of propagation of shock air waves occurs by substantiating the methodology for calculating the parameters of their attenuation, taking into account the heat transfer to the channel walls. Methodology. Analysis and synthesis of theoretical studies, mathematical modeling of gas-dynamic processes of propagation of explosive air waves in extended structures. The processes of formation and propagation of a shock air wave were investigated by the method of mathematical modeling using the laws and equations of continuum mechanics and mathematical physics. For the numerical solution of differential equations, the method of large particles was used (Davydov method). Results. According to the simulation results, the largest relative decrease occurs in the parameter of the specific total energy of the medium − by 5 %, pressure by 3 %, density 2.5 %, decrease in speed 2 %, with the maximum value of the heat exchange coefficient. Moreover, an intensive increase in heat loss occurs in the zone of 3...5 lengths of the gas-air mixture section, then the degree of increase decreases and on the rest of the way it changes insignificantly. If the heat transfer coefficient is reduced by half, the growth zone of the coefficient k increases to 5–7 x/LD. Scientific novelty. The effects of heat exchange between the air shock wave and the channel walls are investigated, that allows to take into account the balance of dissipation of the total energy of an unsteady gas flow. The regularities of changes in the parameters of the shock air wave, which propagates in extended structure, due to the heat exchange of the gas flow with the wall of the structure are obtained. Practical relevance.The possibilities of procedures for predicting the parameters of the propagation of shock air waves have been expanded using a multifactor mathematical model.