Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Качественная оценка и классификация опасных и вредных факторов, влияющих на человека-оператора при работе высокоэнергетических устройств 16
1.1. Особенности работы оператора ВЭУ 16
1.2. Факторы, влияющие на человека-оператора при работе ВЭУ
1.2.1. Ударная волна 20
1.2.2. Акустическое воздействие 29
1.2.3. Травмирование оператора от разрушения зданий при запуске из полуограниченного пространства 30
1.2.4. Другие факторы 31
1.3. Анализ существующих методик определения факторов, действующих на оператора 33
Глава 2. Математическая модель газодинамических процессов в рабочей зоне высокоэнергетических установок 37
2.1. Обзор методов расчета газодинамических процессов 38
2.2. Математическая модель ; 45
2.3. Особенности моделирования турбулентного движения теплоносителя 49
2.4. Модель протекания химических процессов 53
2.5. Краевые условия 57
2.6. Постановка численного решения 60
2.7. Вычислительные аспекты, оценка практической точности численного моделирования 74
Глава 3. Исследование избыточного давления в зоне оператора при работе ВЭУ 82
3.1. Исследование газодинамических процессов при работе ВЭУ
в открытом пространстве 82
3.2. Истечение газа в полуоткрытое пространство с преградами 86
3.3. Исследование влияния несимметричного расположения ВЭУ
на уровень избыточного давления 90
Глава 4. Исследование влияния вторичных факторов на безопасность оператора ВЭУ 102
4.1. Моделирование распространения вредных химических веществ в окружающей среде
4.2. Оценка возможности разрушения зданий при работе ВЭУ в полуограниченном пространстве
4.3. Исследование влияния отделяющихся элементов конструкции ВЭУ на параметры ударной волны 116
Заключение 124
Литература
- Травмирование оператора от разрушения зданий при запуске из полуограниченного пространства
- Анализ существующих методик определения факторов, действующих на оператора
- Особенности моделирования турбулентного движения теплоносителя
- Оценка возможности разрушения зданий при работе ВЭУ в полуограниченном пространстве
Введение к работе
В настоящее время в промышленности достаточно широко применяются высокоэнергетические установки (ВЭУ), использующие энергию взрывчатых веществ, твердых и жидких топлив. В частности они нашли применение в различных отраслях горнодобывающей, металлообрабатывающей, авиационной и строительной промышленности. По мере усложнение технических систем и гуманизации общества проблемы безопасности человека при взаимодействии со сложными техническими системами постоянно актуализируются. Особенно это очевидно для энергетически насыщенных систем, использующих энергию сверхзвуковых струй и ударных волн, функционирование которых характерно наличием широкой номенклатуры опасных и вредных факторов. Уникальность формирования указанных факторов требует разработки специальных методик их идентификации, что в совокупности может быть решено в рамках диссертационной работы по выбранной тематике.
В данной работе представлены постановка и решение важной научно-технической задачи, связанной с определением опасных факторов и зон, возникающих при работе высокоэнергетических установок - источников высокоскоростных газовых струй и ударных волн.
В связи с этим актуальным и необходимым становится разработка средств и методов прогнозирования и снижения опасных и вредных факторов, возникающих при работе ВЭУ. Обобщенный спектр опасных и вредных факторов, возникающих при работе ВЭУ, представлен на рис. 1.
ОПАСНЫЕ И ВРЕДНЫЕ ФАКТОРЫ, ВОЗНИКАЮЩИЕ ПРИ РАБОТЕ ВЭУ
ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ
—
ПРОФИСИОНАЛЬНЫИ РИСК
і — ч-эт -—-"
ВЫБРОСЫ ВРЕДНЫХ ВЕЩЕСТВ
щ л1,,,„,,,и ,,,...^,,^,.. .
ЗАПЫЛЕННОСТЬ АТМОСФЕРЫ
ОПАСНОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ В РЕЗУЛЬТАТЕ РАЗРУЩИИ КОНСТРУКЦИИ ВЭУ
1 »*. ~—! *" ~ ' ' !
ВРЕДНОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ
АКУСТИЧЕСКОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ
„_„ ' ;
ФИЗИЧЕСКОЕ НАРУШЕНИЕ ЭКОСИСТЕМЫ
ПОРАЖЕНИЕ БИОЛОГИЧЕСКИХ ОРГАНИЗМОВ
ПОЖАР
УДАРНАЯ ВОЛНА
ПОРАЖЕНИЕ ЭЛЕМЕНТАМИ КОНСТРУКЦИИ ВЭУ
ВОЗМОЖНОСТЬ ОБРУШЕНИЯ
ЗДАНИЙ (ПРИ РАБОТЕ В ПОЛУ
ЗАМКНУТНЫХ ПРОСТРАНСТВА
і
ВИБРАЦИОННОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ
±±_^.
ЗАГАЗОВАННОСТЬ
ЗАПЫЛЕННОСТЬ
ТЕРМИЧЕСКОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ
, : і : : , , «я»
Рис. 1. Опасные и вредные факторы, возникающие при работе ВЭУ
Успешность эксплуатации ВЭУ напрямую зависит не только от их технических характеристик, но и от качества работы обслуживающего их персонала. Поэтому, учитывая непосредственное участие человека в функционировании ВЭУ, в первую очередь следует рассмотреть вопросы защищенности и безопасности оператора. При этом возникает противоречие между стремлением интенсифицировать рабочие процессы и ограниченными физиологическими возможностями человека.
При выполнении операторами своих технологических функций в ряде случаев организм человека оказывается в экстремальных условиях наличия высокотемпературных, ударно-волновых, механических, шумовых, вибрационных, химических и других видов воздействий. Влияние указанных факторов существенно сказывается на состоянии здоровья и, соответственно, работоспособности оператора в момент выполнения задачи. Кроме того, при длительных воздействиях этих факторов могут возникнуть различные патологические явления, справиться с которыми сам организм не может вследствие ограниченности его адаптивных способностей.
Учитывая все перечисленные факторы, в настоящее время вопросы безопасности операторов ВЭУ становятся все более и более актуальными. Расширение экспорта технических устройств также требует улучшения их потребительских качеств с целью повышения конкурентоспособности на мировом рынке, а одним из основных потребительских качеств является безопасность ВЭУ. Кроме того, принимая во внимание участившиеся случаи чрезвычайных ситуаций, связанных с функционированием различных видов ВЭУ, также остро стоит вопрос обеспечения безопасности лиц, присутствующих на различного рода испытаниях, а, следовательно, определения границ опасной зоны при работе рассматриваемых установок.
Указанные факторы показывают, что создание и совершенствование ВЭУ требует детального изучения физических процессов, протекающих не только в их функциональных блоках, но и сопряженных областях окружающей
среды. При этом необходимо учитывать особенности их эксплуатации и обеспечить безопасность оператора в различных условиях.
В связи с этим целью данной работы является повышение безопасности оператора при эксплуатации высокоэнергетических установок, использующих энергию взрывчатых веществ, твердых и жидких топлив, посредством прогнозирования методами математического моделирования комплекса взаимосвязанных процессов в их рабочем пространстве.
Можно выделить три основных варианта функционирования ВЭУ — в открытом пространстве, в полуограниченном, пространстве и в помещении (рис.2). Все эти варианты отличаются друг от друга качественными и количественными характеристиками воздействий, поэтому при исследовании- вопросов безопасности оператора необходимо рассматривать каждый из представленных вариантов1 самостоятельно.
К основным факторам, определяющим границы зоны, в пределах которой опасно пребывание человека при работе ВЭУ относятся следующие:
ударная волна (УВ), сопровождающаяся кратковременным повышением избыточного давления в определенных точках пространства при прохождении через них волны;
сверхзвуковая газопламенная струя, действие которой может привести к значительному росту давления и температуры, воздействующим на поверхности объектов, находящихся в газовой струе;
увеличение загазованности в месте работы ВЭУ. Этот фактор оказывает особое влияние при возможной работе двигателя из практически закрытых или полузакрытых помещений (продукты сгорания твердых топлив содержат значительное количество (ЗО-т-40%) токсичной окиси углерода (СО), окислов азота (NCb) и других вредных веществ);
кинетическая энергия различных элементов конструкции, отделяющихся при работе ВЭУ, к которым относятся, в первую очередь, мембраны сопл и крышки, фрагменты герметизирующих деталей, а также поднятые истекающей струей продуктов сгорания крупные частицы грунта. Разлет та-
ких элементов может привести к повреждению (травмированию) встретившегося на траектории его движения тела человека;
- существует вероятность травмирования оператора вследствие разрушения или повреждения зданий и сооружений в случае расположения работающих ВЭУ вблизи или внутри зданий.
ВОЗМОЖНЫЕ ВАРИАНТЫ РАБОТЫ ВЭУ
В ОТКРЫТОМ ПРОСТРАНСТВЕ
В ПОЛУОГРАНИЧЕННЫХ ПРОСТРАНСТВАХ
В ПОМЕЩЕНИИ
- I
УДАРНО-ВОЛНОВЫЕ, АККУ-СТИЧЕСКИЕ ВОЗ-,,, ДЕЙСТВИЯ
ХИМИЧЕСКИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ
" — =:': ..
КИНЕТИЧЕСКИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ
РАЗРУШЕНИЕ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ
БЕЗОПАСНОСТЬ ОПЕРАТОРА
_ ^_
Рис. 2. Схема влияния особенностей работы ВЭУ на проявление негативных воздействий
Как показали исследования, на все вышеперечисленные факторы существенное влияние (в сторону их интенсификации) оказывает наличие у большинства существующих современных ВЭУ разлетающихся элементов конструкций. В связи с этим актуальными становятся вопросы, связанные с исследованием влияния отлетающих с большой скоростью конструктивных элементов на количественные и качественные характеристики опасных и вредных факторов, действующих на оператора при работе ВЭУ, а также разработка мер по снижению интенсивности этих воздействий.
Одним из путей решения рассматриваемой проблемы является математическое моделирование указанных процессов и построение на его основе вычислительного эксперимента. Применение данного подхода обусловлено тремя основными причинами, дающими дополнительные возможности по сравнению с физическим экспериментом: возможностью реализации практически неограниченного числа моделируемых вариантов функционирования ВЭУ; несомненной экономической предпочтительностью (сокращением времени и стоимости эксперимента); недостижимой для натурных условий машинной визуализацией моделируемых процессов благодаря возросшим возможностям современной вычислительной техники и ее программного обеспечения.
Высокая достоверность численного анализа должна обеспечиваться за счет использования сложных математических моделей исследуемых процессов, максимально приближенных к реальным условиям. Такой выбор подразумевает правильный учёт возможностей вычислительной математики и вычислительной техники для обеспечения приемлемого компромисса между требованиями высокой точности, степени универсальности, малой трудоемкости подготовительных и вычислительных процедур. При этом для решения указанных задач требуется качественно новое содержание математических моделей протекающих процессов.
В данное время в инженерной расчетной практике в большей степени применяются двумерные модели газодинамических процессов [10,27]. Это, в первую очередь, обусловлено тем, что данный подход позволяет достаточно точно и оперативно решать конкретные задачи на компьютерах средней мощности.
В связи с развитием вычислительной техники становится возможным решение рассматриваемых газодинамических задач в трехмерной постановке с учетом осложняющих факторов, характерных для работы ВЭУ. В работах Липанова A.M. [33] приводятся варианты моделирования данных процессов, но все они рассчитаны на многопроцессорную технику и пока неприменимы
в инженерной практике. В работе Могильникова Н.В. [58] реализован метод, который может быть использован при решении практических задач, но с его помощью нельзя определить распределение концентраций компонентов газовой смеси.
В диссертации Фам Куок Хунга [51] разработан метод, решающий газодинамические задачи в двухмерной постановке. В этой работе определены лишь параметры распространения ударных волн взрывчатых веществ и силового воздействия ударных волн на элементы конструкций окружающей среды.
Следует также отметить тот факт, что в приведенных исследованиях проводился анализ исключительно ударно-волновых и акустических воздействий на оператора.
Предметом исследований данной работы является математическая модель взаимосвязанных процессов газодинамики в рабочем пространстве ВЭУ с учетом химических реакций и подвижных объектов, проблемно ориентированная на прогнозирование безопасности оператора.
Очевидно, при расчете распространения газовой струи продуктов сгорания и сопутствующих ударных волн следует отдать предпочтение газодинамическим моделям.
Научная новизна данной работы заключается в комплексном исследовании газодинамических процессов в рабочем пространстве высокоэнергетических установок, с учетом ударно-волновых явлений, подвижных объектов и химических реакций, с применением современной технологии математического моделирования и вычислительного эксперимента.
На защиту выносятся следующие новые научные результаты:
- синтезированная структура математической модели, описывающей комплекс взаимосвязанных процессов, сопровождающих работу ВЭУ, ориентированная на создание системы компьютерного моделирования распространяющихся в полузамкнутых областях газовых струй, ударных волн и химических компонентов, воздействующих на оператора;
— алгоритм численного моделирования процессов газодинамики в ог
раниченном рабочем*пространстве ВЭУ с учетом химических реакций и под
вижных объектов;
— теоретическое обоснование необходимости учета взаимовлияния
ударных волн, отделяющихся элементов конструкции и многокомпонентно
сти. среды в рабочем пространстве ВЭУ при прогнозировании безопасности^
системы «оператор-ВЭУ-среда».
В соответствии с поставленной целью, вфаботе решены следующие задачи:
анализ и идентификация опасных и вредных факторов, возникающих при работе высокоэнергетических установок;
разработка комплексной математической модели газодинамических процессов, сопутствующих работе ВЭУ, обладающей высокой информативностью, достоверностью прогнозирования, сравниваемой физическим экспериментом, и доступностью для инженера;
разработка алгоритма численного моделирования процессов нестационарной газодинамики в рабочем пространстве функционирования ВЭУ с учетом многокомпонентности, химических реакций и наличия подвижных объектов;
создание программно-математического обеспечения, необходимого для постановки вычислительного эксперимента по исследованию и визуализации газодинамических процессов в зоне работы ВЭУ, обеспечивающего эффективное решение проектных задач непосредственно на рабочем месте конструктора;
выработка рекомендаций, направленных на повышение безопасность эксплуатации ВЭУ.
Задачи, решение которых позволило достичь поставленной цели, представлены в виде схемы структуры работы (рис. 3).
Основные гипотезы и допущения диссертации, постановки рассматриваемых задач, используемые методы вычислений обоснованы использовани-
ем широко апробированных математических методов, основанных на фундаментальных положениях механики сплошной среды и газовой динамики.
Достоверность основных научных положений и выводов обеспечивается строгой математической постановкой проводимых исследований, сравнением рассчитанных параметров с экспериментальными данными и известными решениями.
Учет подвижных
объектов в области
исследования
Модель пространственных газодинамических процессов
Учет многокомпо-нентности и химических процессов
Методика моделирования
Программный комплекс
—,—___
Вычисленный эксперимент
Оценка влияния подвижных объектов
Исследование запуски
из полуограниченного
пространства
Разработка рекомендаций по
обеспечению безопасности
оператора
: ..-..
Анализ влияния химических про-
цессов
Рис. 3. Структура работы
Полученные результаты соответствуют физической природе моделируемых процессов, вполне удовлетворительно согласуются с результатами других исследований по данной тематике и решениями тестовых задач.
Практическая значимость проведенных исследований для науки и практики в первую очередь определяется тем, что разработанный в диссертации программно-математический комплекс численного моделирования и визуализации газодинамических процессов, сопровождающих работу ВЭУ, позволяет сформулировать концепцию минимизации риска повреждения здоровья оператора, оперативно и качественно прогнозировать непосредственно на рабочем месте конструктора безопасность оператора при разработке новых конструкций или их эксплуатации в новых условиях, сократить объем экспериментальных работ и заменить некоторые натурные испытания вычислительным экспериментом, тем самым существенно сократить сроки и объем отработки проектируемых образцов ВЭУ.
Полученные результаты моделирования служат основой для проведения априорного анализа и прогнозирования вредного и опасного воздействия системы «ВЭУ - среда» на оператора, и позволяют дать конкретные рекомендации по достижению необходимого уровня безопасности в тех или иных условиях эксплуатации ВЭУ.
Работа состоит из введения, четырех разделов и заключения.
В первом разделе представленной работы рассматриваются особенности функционирования ВЭУ и роль человека-оператора при их эксплуатации. Приводится описание физических и химических процессов, протекающих при течении газ из ВЭУ. Произведена качественная оценка и классификация опасных и вредных факторов, влияющих на оператора. Проведен обзор научно-технической литературы, посвященной исследованию этих вопросов; рассмотрены требования нормативной документации по вопросам безопасности. Определена концепция построения комплексной математической модели процессов, сопровождающих работу ВЭУ. Проведенный анализ позволил сформулировать цель и основные задачи исследования, определяющие общую концепцию диссертации.
Второй раздел посвящен описанию принятой математической модели газодинамических процессов, выявлению граничных условий, обусловленных
введением в модель уравнений, описывающих поведение подвижных объектов и их взаимодействие с потоком газообразных продуктов сгорания твердого топлива. Показано развитие численных подходов для решения современных инженерных задач в области газодинамики на примере работ, выполненных под руководством академика О.М.Белоцерковского. Отмечены наиболее существенные моменты метода частиц в ячейках Ф.Харлоу, показаны положительные стороны этого метода и основные трудности в его использовании. Отмечены работы В.Ф.Дьяченко, Н.Н.Ян енко и его учеников, С.П.Ломнева, использующие подходы, аналогичные методу частиц в ячейках. Проводится анализ развития и реализации метода крупных частиц (МКЧ). При рассмотрении численных схем отмечены работы С.К.Годунова. Дано описание модифицированного МКЧ. Представлена принятая численная модель. Разработанный метод использует схемы расщепления МКЧ, но реализуется на непрямоугольной неравномерной сетке. Применение непрямоугольной формы частиц, позволяет анализировать нестационарные до- и сверхзвуковые течения в областях сложной формы, осуществлять произвольную дискретизацию пространства и более точную аппроксимацию криволинейных границ. Включение в численную схему составляющих, учитывающих многокомпонентность газовых смесей и протекание химических реакций, дает возможность определения концентраций компонентов в каждый момент времени в любой точке пространства, на основе чего происходит перерасчет этих параметров при условиях химического реагирования.
Также приведен алгоритм и методика моделирования рассматриваемых процессов, краткое описание основных этапов расчета. Показана блок-схема алгоритма расчета. Анализируется точность программного комплекса.
Третий раздел посвящен анализу результатов экспериментальных и расчетных исследований распространений избыточного давления в пространстве. Также рассматривается влияние симметричного и несимметричного расположения ВЭУ на уровень избыточного давления. Приведена сравни-
тельная характеристика результатов численного решения с данными критериями.
Четвертый раздел посвящен исследованию распространения концентраций химических компонентов в полуограниченном пространстве и влиянию отлетающего объекта на уровень избыточного давления в зоне оператора. Приведены результаты оценки возможности разрушения зданий в полуограниченном пространстве.
В заключении приведены общие выводы по работе.
Разработанная методика расчета опасных зон при работе ВЭУ внедрена и используется на предприятиях Социалистической Республики Вьетнам, а также в качестве обучающей системы технического университета им. Ле Куй Дона (г. Ханой, СРВ).
Результаты работы докладывались на:
Всероссийской научно-практической конференции «Проектирование систем и комплексов» (г. Тула, 2005, 2006, 2007 гг.);
Всероссийской научно-технической конференции «XXI век глазами молодых ученых и специалистов» (г. Тула, 2006 г);
- научных семинарах кафедры «Ракетостроение» (ТулГУ, 2005-
2007 гг.).
По результатам выполненных исследований опубликовано 5 работ.
Травмирование оператора от разрушения зданий при запуске из полуограниченного пространства
Сильная ударная волна нередко становится причиной разрушения или повреждения зданий и сооружений, транспортных средств. Степень разрушения определяется мощностью ударной волны, характеристиками объекта, а также условиями взаимодействия с ними ударной волны.
Кроме всех перечисленных факторов, необходимо рассматривать тот факт, что ударная волна, возникающая при работе ВЭУ, может послужить причиной разрушения или повреждения зданий и, как следствие, травмирования оператора.
Степень разрушения зданий и сооружений определяется мощностью ударной волны, расстоянием до источника, характеристиками объекта, а также условиями взаимодействия с ним ударной волны.
Различают четыре степени разрушений зданий и объектов: полное, сильное, среднее и слабое. При полном разрушении обрушивается большая часть стен, и перекрытий. Сильное — характеризуется частичным разрушением стен и перекрытий; легкие элементы (двери, перегородки, крыши) разрушаются полностью или частично. Среднее разрушение определяется тем, что основные ограждающие и несущие конструкции получают деформации, а разрушаются, в основном, второстепенные конструкции. Слабое разрушение соответствует повреждению или серьезным деформациям отдельных легких элементов ограждения (окна, двери, крыши).
Кроме перечисленных факторов, крайне отрицательное влияние на оператора при запуске ВЭУ оказывают такие факторы, как загазованность и запыленность рабочего места оператора, отделяющиеся элементами конструкции.
Большинство твердых топлив и взрывчатых веществ относится к классу органических нитросоединений, поэтому основными компонентами, загрязняющими окружающую среду и воздействующими на человека при сгорании твердого топлива в процессе работы ВЭУ, будут такие опасные токсичные вещества как соединения углерода (угарный газ СО, углекислый газ С02, метан СН4), окислы азота (NO, N02), фосген С0С12, хлористый водород (НС1), возможно, оксиды серы (S02, SO3), хлорорганические производные ароматических углеводородов (толуола и бензола).
Максимальные количества вредных веществ в рабочей зоне оператора определяются предельно допустимыми концентрациями (ПДК), под которы ми понимаются концентрации, воздействие которых на человека вызывает временное снижение работоспособности, но не угрожает здоровью и жизни.
ПДК основных вредных химических веществ, выделяющихся в атмосферу при сгорании твердого топлива, а также методы их измерения регламентируются государственными стандартами и отраслевыми нормативными документами. Краткий перечень и некоторые характеристики основных веществ, которые могут выделяться в окружающую среду при работе ВЭУ и влиять на состояние здоровья и работоспособность оператора, а также на экологическое состояние окружающей среды, приведены в [4].
Кроме того, следует учесть, что выделяющиеся вредные вещества не только сами по себе могут оказывать вредное воздействие, но, участвуя в химических и фотохимических реакциях под воздействием солнечной радиации и окислителей (кислород, озон), они могут давать другие более токсичные соединения. Например, в результате реакций, протекающих с участием окислов азота, возможно образование больших концентраций озона. Кроме того, нельзя забывать и об эффектах суммации и потенцирования, суть которых заключается в усилении влияния химических веществ при их совместном (суммарном) воздействии.
Кроме того, следует учесть, что выделяющиеся вредные вещества не только сами по себе могут оказывать вредное воздействие, но, участвуя в химических и фотохимических реакциях под воздействием солнечной радиации и окислителей (кислород, озон), они могут давать другие более токсичные соединения. Например, в результате реакций, протекающих с участием окислов азота, возможно образование больших концентраций озона. Кроме того, нельзя забывать и об эффектах суммации и потенцирования, суть которых заключается в усилении влияния химических веществ при их совместном (суммарном) воздействии.
Анализ существующих методик определения факторов, действующих на оператора
Рассматривается распространение многокомпонентной смеси в зоне функционирования высокоэнергетической установки (ВЭУ).
Первоначально процесс распространения газовой смеси продуктов сгорания ВЭУ в полуограниченном пространстве имеет нестационарный характер. Через некоторое время, после многочисленных отражений ударных волн от препятствий, происходит полное перемешивание, устанавливаются постоянные значения газодинамических параметров среды и концентраций компонентов.
Будем рассматривать начальную стадию газодинамического процесса, когда наблюдаются максимальные ударные нагрузки, и последующий переходный процесс в условиях работы ВЭУ в открытом пространстве и закрытых помещениях. Ударная волна возникает в начальный момент работы установки. Распространение ударной волны и истекающей сверхзвуковой струи газа имеет ярко выраженный пространственный характер, так как происходит многократное отражение ударных волн от пола, потолка и окружающих предметов. При истечении струи из ВЭУ в окружающее пространство состав газовой смеси изменяется в связи с изменением термодинамических параметров струи и взаимодействия с кислородом воздуха атмосферы, при этом могут образовываться новые химические компоненты. Это требует для более точного нахождения концентраций компонентов учитывать химические реакции, протекающие в струе.
Исходя из выше сказанного и имея ввиду цель работы, необходимо исследовать уровень давления в контрольных точках, температуру, концентрации компонентов газовой смеси.
Для теоретического решения такой сложной задачи, как исследование течения многокомпонентных потоков при работе ВЭУ, возникает необходимость решения нелинейных дифференциальных уравнений в частных производных или интегральных уравнений, выражающих законы сохранения. В общем случае, это нелинейная система уравнений смешанного типа с неизвестными формами поверхностей перехода и подвижными границами. Многомерность и сильная нелинейность указанных явлений таковы, что численные подходы представляют практически единственную возможность для их достаточно полного теоретического исследования. В связи с этим численный эксперимент приобретает в данной области механики большое значение, в комплексе с традиционным физическим экспериментом. При этом важный принцип использования получаемых математических результатов в данном направлении состоит также в анализе физики явления и проясняет качественную картину, с помощью которой проверяется и уточняется постановка задачи.
Наиболее общей математической моделью течения газа в рассматриваемой задаче является система уравнений Навье-Стокса. Данные уравнения применяются для исследования как ламинарных, так и турбулентных течений. Однако, из-за большого различия масштабов турбулентности непосредственное их использование для моделирования турбулентных течений в задачах газодинамики ВЭУ требует неприемлемых затрат ресурсов ЭВМ. В настоящее время расчеты в большинстве случаев проводятся с использованием уравнений Рейнольдса, описывающих изменение осредненных значений газодинамических функций. Эти уравнения замыкаются с помощью полуэмпирических теорий турбулентности. Принимая некоторые допущения, уравнения Рейнольдса можно записать в таком же виде, как и уравнения Навье 39
Стокса, и использовать для решения обеих систем одни и те же численные методы [34, 1, 39]. Областью применения такого решения в рассматриваемых задачах является детальное исследование структуры вязкого взаимодействия, отрыва и смешения потоков, областей рециркуляции, термомеханического взаимодействия газового потока и обтекаемых поверхностей конструктивных элементов.
Рассматривая применимость известных численных методов для решения поставленных задач, необходимо ориентироваться на возможность их реализации в процессе проектирования, создания прикладных программ специального математического обеспечения.
Численные методы в механике сплошных сред используют дискретное представление среды, эйлеровы или лагранжевы ячейки, крупные частицы, конечные элементы, дискретные вихри и т.д [11, 26 , 39, 32, 54, 45, 10, 22, 23]. Если в классических подходах на дифференциальном уровне устанавливается связь для точечных объемов, то приемы вычислительной математики по существу используют приближенное представление уравнений баланса для дискретных малых (но конечных) объемов.
В настоящее время при численном решении уравнений Навье-Стокса большинство исследователей отдает предпочтение конечно-разностным методам, использующим как явные, так и неявные схемы. Приемы построения разностных уравнений весьма разнообразны. При использовании экстраполирующей схемы счета получают явные, а при использовании интерполирующей схемы счета получаются неявные схемы расчета. Для явных схем должны удовлетворяться условия устойчивости решения, для неявных схем этого ограничения нет. Однако применение неявных схем требует решения системы алгебраических уравнений, для упрощения решения которых используются специальные методы (например, метод прогонки или смешанный метод).
Особенности моделирования турбулентного движения теплоносителя
Рассмотренная система представляет общую математическую модель движения вязкого газа. Однако, для большинства газодинамических процессов в рассматриваемых объектах характерны турбулентные режимы, для которых непосредственное численное моделирование течения с использованием данных уравнений не представляется возможным. Прямое моделирование с помощью численных методов сложных переходных и турбулентных движений в широком диапазоне изменения параметров потока является одной из актуальнейших и сложных проблем современной механики сплошных сред [12, 56, 35]. Основная трудность при рассмотрении указанного класса задач -построение численной модели турбулентности. В настоящее время интенсивно развиваются теория турбулентных струй и следов, различные методы компьютерной вихревой газодинамики и имеется, кроме обширной журнальной литературы, целый ряд монографий по турбулентности [1,3, 12, 39].
В турбулентном потоке скорость, давление, температура и другие параметры испытывают беспорядочные колебания (пульсации). Истинное рас пределение скоростей и других величин в любой момент времени при турбулентном движении в общем виде пока рассчитать невозможно. Известны прямые решения задач турбулентного течения газа для ряда модельных задач, но они требуют применения многопроцессорных вычислительных комплексов, большого времени расчета, и в настоящее время не могут быть реализованы в инженерной практике для сложных практических задач.
Известны решения таких задач, основанные на вероятностном, статистическом подходе. Однако использовать эту постановку для решения сложных технических задач пока не представляется возможным.
Изучение проблем турбулентности имеет уже примерно столетнюю историю, но разработать достаточно общую и универсальную теорию турбулентности пока не удалось. В то же время для очень многих практически важных случаев течения жидкости и газа разработаны эффективные полуэмпирические методы расчета и проведены детальные экспериментальные исследования [2]. Полученные результаты являются хорошей основой для построения численных моделей турбулентного движения газа.
Практическую основу моделирования турбулентности в настоящее время составляют уравнения для осредненных значения газодинамических параметров. Наиболее широко применяются уравнения Рейнольдса, получаемые из уравнений Навье-Стокса с помощью представления зависимых переменных в виде суммы средних и пульсационных составляющих с последующим осреднением по времени. Уравнения Рейнольдса отличаются от уравнений Навье-Стокса наличием дополнительных членов, появляющихся при осреднении из-за нелинейности исходных уравнений. В практических расчетах учитываются лишь основные из этих дополнительных составляющих. Они записываются в виде тензора турбулентных напряжений, векторов турбулентных потоков тепла и диффузии. Система уравнений Рейнольдса замыкается полуэмпирическими соотношениями, связывающими эти величины с осредненными параметрами течения. Большинство полуэмпирических теорий основано на гипотезе Буссинеска о линейной связи тензора турбулент 51 ных напряжений rt с тензором осредненных скоростей деформаций. В декартовых координатах эта связь представляется в виде [39] где штрихами обозначены пульсационные составляющие, а чертой сверху -осредненные величины; цх — коэффициент турбулентной вязкости, (rt;.. = - pu,uj = jut f _ _ д и І duj дХ; ЭХ; V J J J f \ дик M, z— + P e ox,, V J е = (u ij)/! — кинетическая энергия турбулентности; &у — символ Кронекера.
Разнообразие реализации этих соотношений привело к появлению большого количества различных теорий турбулентности, использующих различное число уравнений.
Независимо от числа уравнений все перечисленные модели приближенно описывают действительные процессы, происходящие в турбулентном потоке. Многие вопросы, связанные с особенностями газодинамических процессов в рассматриваемых объектах (влияние переменности свойств среды, многокомпонентности потоков, взаимодействие турбулентного вихревого и турбулентного акустического полей), остаются еще не полностью ясными. Влияние других факторов на турбулентность высокотемпературных сред изучено очень мало (например, взаимодействие турбулентности с излучением и др.). Существующие теории турбулентности, даже наиболее сложные, не позволяют отразить все отмеченные факторы в единой модели. В связи с этим в инженерных расчетах предпочтительнее выглядят более простые модели турбулентности. Не случайно наибольшее количество расчетов различных течений было выполнено с использованием моделей Глушко и Сполдин-га, содержащих два уравнения, и моделей Бредшоу и Коважного, содержащих одно уравнение [2, 39, 23, 34, 55].
Оценка возможности разрушения зданий при работе ВЭУ в полуограниченном пространстве
Оценку вредных воздействий концентраций компонентов газовой смеси будем вести по составляющим: СО и NO. На рис. 4.2 показаны графики изменений концентрации угарного газа и оксида азота во времени для различных расстояний между преградой и ВЭУ. Из полученных результатов следует, что во время работы ВЭУ концентрации СО в рабочей зоне существенно превышают ПДК, равные 0,0017% и следовательно, работа оператора ВЭУ без специальных защитных средств может привести к его отравлению.
Проведенные исследования также показали, что скорости распространений концентраций химических компонентов продуктов сгорания по объему рабочей зоны существенно ниже скорости УВ. На максимальные значения расчетных результатов влияет направление распространения струи. Например, точки 1 и 2, находящихся перед сечением истечения струи, не испытывают ее непосредственного влияния, в отличие от точки 3, и поэтому максимальные значения концентраций СО в области 3 выше.
Исследуя влияние вредных компонентов на оператора, следует учитывать взаимовлияние избыточного давления и многокомпонентности среды, которое объясняется синергетическим эффектом взаимодействия полей давления и концентраций компонентов газовой смеси. Необходимо учитывать, что их совокупное влияние при расчете и комплексной оценки безопасности системы «оператор-ВЭУ-среда» приводят к существенному повышению действия концентраций компонентов с токсическим эффектом.
Действие на человека СО и NO являются однонаправленным, имеющим удушающий характер, поэтому оценку воздействия нужно вести с учетом совместного влияния (ГОСТ 12.1.005-80). При взаимном действии компонентов с эффектом потенцирования, приведенная к СО концентрация определяется зависимостью [62,63]: г -г +г пДксо JJMKNO где ПДК - максимальные разовые предельно допустимые концентрации вредных веществ в атмосферном воздухе [мг/м3] (ПДКсо=5мг/л, ПДКжгОДмг/л).
Значительное увеличение действующей концентрации происходит за счет избыточного давления. Степень увеличения определяется отношением действующего давления к давлению при нормальных условиях: Р С =С — К- ПР2 СО р "о
Так, для процесса, представленного на рис. 3.19 среднее барическое увеличение концентрации составляет 10%, а максимальное достигает 57%, что весьма существенно и должно учитываться при оценке безопасности оператора. Суммарный эффект увеличения концентрации определяется зависимостью С =С -С ПР ПР1 ПР2
Другим важным фактором является время действия вредного или опасного компонента на организм человека, определяющее полученную дозу и, следовательно, степень интоксикации [62]. В рассматриваемых случаях оператор подвергается действию рассматриваемых веществ в течение промежутка времени, достаточного для отравления, следовательно, для оценки вредного воздействия в данном случае необходимо применить принципы до-зового подхода. На рис.4.3 показаны зоны различной степени опасности для оператора ВЭУ.
На данном рисунке K=Cco"t - коэффициент токсической дозы, t - длительность воздействия угарного газа.
Полученные зоны опасности могут использоваться при определении допустимых режимов работы оператора ВЭУ.
Если работа ВЭУ производится в полуограниченном пространстве, которое может представлять из себя промышленное сооружение, оператор должен быть предельно внимателен при определении возможности такой работы. В ряде случаев под действием излишнего ИД здание может частично или полностью разрушиться, в результате чего человек-оператор будет травмирован.
В рамках решения данной проблемы проведен ряд вычислительных экспериментов, в результате которых определены минимальные объемы помещений, при которых здание не должно получить серьезных повреждений.
Для оценки безопасности работы ВЭУ в промышленных зданиях и сооружениях рассмотрим некоторые особенности расчета их прочности при воздействии на них ИД (по материалам публикаций [4],[61]).
Выше были определены четыре степени разрушений зданий и объектов — полное, сильное, среднее и слабое. Результат воздействия УВ на различные конструкции зависит от давления на фронте волны ЛРф и импульса / (длительности фазы сжатия), а также от жесткостных, массовых и прочностных параметров конструкции.
Для объектов конкретного типа результат воздействия можно представить на плоскости 1-АРф, (рис. 4.6), с областями, разграниченными линиями различных степеней повреждения.
