Розвиток наукових основ підвищення безпеки у протяжних спорудах при розповсюдженні ударних повітряних хвиль

Abstract

UK: Дисертація присвячена вирішенню актуальної наукової проблеми удосконалення методології оцінювання параметрів газодинаміки та прогнозування наслідків аварійних газових вибухів при розповсюдженні ударної повітряної хвилі в протяжних спорудах та удосконалення способів зниження її інтенсивності. Розроблена модифікація чисельного методу великих частинок, яка дозволяє виконувати газодинамічні розрахунки параметрів поширення ударних повітряних хвиль у каналах із урахуванням процесу дефлаграційного та детонаційного горіння. Реалізація модифікації у вигляді математичної моделі ударної труби дає змогу отримувати параметри вибухового навантаження у вигляді складного ударно-хвильового поля навантаження будівельної конструкції. Встановлені закономірності запалювання газоповітряної суміші тепловим джерелом та ударною повітряною хвилею. Обґрунтовані нові принципи управління розповсюдженням ударних повітряних хвиль у протяжних спорудах із використанням хвилевідбивних камер та відвідних каналів. Запропоновано спосіб зниження інтенсивності ударних повітряних хвиль та трансформації їх у хвилю стискання за рахунок підвищення хвильового опору протяжного каналу.

RU: Диссертация посвящена решению актуальной научной проблемы совершенствования методологии газодинамической оценки и прогноза последствий аварийных газовых взрывов при распространении ударной воздушной волны в протяженных сооружениях и усовершенствованию способов снижения ее интенсивности. Выполнен анализ статистических данных внутренних аварийных взрывов в поверхностных и подземных сооружениях, сопровождающихся значительными разрушениями от действия ударной воздушной волны. В результатах расследований таких ситуаций показаны причины низкой эффективности работы взрывозащитных сооружений, разрушение которых привело к травматизации и гибели персонала. Для решения данной проблемы впервые предложена структура алгоритма численного метода крупных частиц, которая позволяет переходить от однокомпонентных сред к многокомпонентным, что дает возможность моделировать взаимодействие реакционноспособных газов и таким образом учитывать процессы взрывного горения в расчетах динамических нагрузок и параметров распространения ударных воздушных волн. На основе модифицированной численной схемы метода крупных частиц разработан алгоритм и программное обеспечение для моделирования газодинамических процессов распространения ударных воздушных волн в каналах протяженных сооружений в виде интерактивной виртуальной лаборатории. Впервые в модифицированном методе крупных частиц (модель ударной трубы) для определения динамических нагрузок на взрывозащитные конструкции разработана схема численного расчета, позволяющая рассчитывать величину силового импульса, который передается от ударной воздушной волны жесткой стенке. На основе экспериментальных исследований проведено сравнение силового импульса, рассчитанного в математической модели ударной трубы, с импульсом, полученным в физическом эксперименте, основанном на лазерном подрыве взрывчатого состава с применением баллистического маятника. Разработана численная схема расчета химического механизма взрывного горения, основанная на модели термодинамики и макрокинетики окисления метана, параметры которой определяют динамику формирования и распространения ударной волны в протяженных сооружениях. Предложена новая методика определения макрокинетических характеристик уравнений взрывного горения углеводородных смесей с использованием вычислительного эксперимента. В рамках физико-математической модели ударной трубы, которая учитывает химическую кинетику горения метановоздушной смеси, исследована задача о влиянии режима горения и места инициирования на параметры ударной воздушной волны в протяженных каналах, что позволяет достоверно оценивать, в зависимости от условий, динамику приложения нагрузки на защитные сооружения. Установлены закономерности динамики взрывного горения газовоздушной смеси в зависимости от расположения точки ее инициирования: в режиме дефлаграционного горения газовоздушной смеси, с инициированием у края облака, длина взрывной волны увеличивается в 3,6 раза в сторону противоположную горению, а амплитуда волны – на 10 % в сторону горения. В этом же случае, но в режиме детонации, наблюдается эффект направленного взрыва, при котором образуется ударная воздушная волна, которая движется в сторону распространения детонационной волны с амплитудой давления в 5 раз больше, чем в ударной волне, которая движется в противоположном направлении. Впервые получены закономерности зажигания локальных скоплений метана ударной воздушной волной для условий протяженных каналов с использованием модифицированной численной модели ударной трубы. Разработана универсальная методика численного эксперимента, позволяющая выделить влияние конфигурации сопряжения каналов и нивелировать влияние других факторов на степень трансформации ударной волны при ее прохождении через любые типы сопряжений и узлов сопряжений каналов. Впервые разработаны эффективные схемы гашения ударных воздушных волн с применением волногасительных камер, которые позволяют, не уменьшая технологического сечения каналов, преобразовывать ударную воздушную волну в волну сжатия, со значительным снижением пикового избыточного давления, за счет повышения волнового сопротивления канала, что позволяет обеспечить защитные мероприятия на стадии проектирования. Разработан новый способ гашения ударных воздушных волн на сопряжениях с применением отводных каналов, который снижает амплитуду давления выходной волны до 55 %.

EN: The thesis is devoted to solve an actual scientific problem of improvement of the methods of parameters estimation for gasdynamics and prediction of crash gas explosion in propagation of air shock wave in extended buildings and improvement of the decrease of its intensity. The modification of numerical method for large particles is elaborated in order to perform gasdynamic calculations for parameters of propagation of air shock waves in channels taking into account the process of deflagration and detonation combustion. The implementation of the modification as the mathematical model of the shock tube allows to obtain the parameters of explosive load as a complex shock-wave field of the load of building structure. A new model of gas-phase burning of hydrocarbons in the mode of detonation and deflagration on the base of simultaneous numeric solution for the problem of both gasdynamics and chemical kinetics is elaborated. The regularities of gas-air mixture ignition with heat source and air shock wave are determined. New principles for controlling the propagation of air shock waves in extended buildings with the use of breakwave chambers and protection channels are substantiated. Method of intensity decrease for air shock waves and its transformation into compression wave at the expense of increasing the shock wave drag of the extended channel is offered.