Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Модель развития аварийной ситуации при выбросе опасного вещества 18
1.1. Основные события, инициирующие аварийную ситуацию 19
1.2. Основные стадии развития аварийной ситуации 24
1.3. Моделирование основных стадий развития аварий 32
ГЛАВА 2. Интегральная модель рассеяния выброса опасного вещества для случая отрицательной плавучести 49
2.1. Модель рассеяния первичного облака (1-ая стадия аварийной ситуации) 49
2.2. Модель рассеяние вторичного облака (2-7-ые стадии аварийной ситуации) 53
2.3. Верификация модели 58
ГЛАВА 3. Модель распространения выброса в реальной атмосфере с учетом возникающих в ходе аварии градиентов давления, скорости и плотности, а также с учетом наличия аэрозолей и их фазовых переходов 66
3.1. Уравнения движения 66
3.2. Модель турбулентности 73
3.3. Модель испарения и кипения капель 75
3.4. Верификация модели 77
ГЛАВА 4. Моделирование аварий, связанных со взрывными превращениями в тоннелях 82
ГЛАВА 5. Моделирование аварийных ситуаций на закрытых складах хлора 108
5.1. Постановка задачи 108
5.2. Моделирование распространение облака хлора на открытом ровном пространстве 111
5.3. Особенности моделирование распространение хлора на рассматриваемых типовых объектах (складах хлора) 115
5.4. Моделирование распространение облака хлора в помещении (без учета работы вентиляции) 118
5.5. Моделирование распространение облака хлора при эмиссии из помещения (без учета работы вытяжной вентиляции) 136
5.6. Моделирование распространение облака хлора при эмиссии из помещения (с учетом работы вытяжной вентиляции) 144
5.7. Моделирование влияния водяных завес и защиты людей в помещении при распространение облака хлора 148
Заключение 153
Приложение 1. Расчет коэффициентов атмосферной
Диффузии 157
Литература
- Основные стадии развития аварийной ситуации
- Модель рассеяние вторичного облака (2-7-ые стадии аварийной ситуации)
- Модель турбулентности
- Моделирование распространение облака хлора на открытом ровном пространстве
Введение к работе
Выброс опасных веществ (ОВ) в атмосферу является одним из самых серьезных сценариев, по которому может развиваться аварийная ситуация.
При выбросе ОВ в атмосферу может возникать целый спектр поражающих факторов:
- токсическое поражение;
- образование в воздухе топливно-воздушных смесей (ТВС), обладающих способностью к энерговыделению в различных режимах;
- снижение концентрации кислорода в атмосфере до уровня опасного для жизни;
- генерация ударных волн при расширении выбрасываемых в атмосферу веществ;
- термическое поражение в случае распространения высокотемпературных (или наоборот низкотемпературных) продуктов;
- химический ожег.
Приведенный перечень включает лишь химические опасности и может быть дополнен при введение в рассмотрение иных типов опасности, например, биологических или радиационных.
В случае перечисленных выше химических опасностей линейные размеры зон поражения при выбросе ОВ могут достигать нескольких сотен и даже тысяч метров.
Среди аварий, произошедших на промышленных объектах к наибольшему количеству пострадавших приводили выбросы токсичных веществ. Авария, вызванная утечкой паров токсичного метилизоцианата в Бхопале (Индия) 3 декабря 1984 года, стала крупнейшей за всю историю мировой промышленности. В ней погибло около 3000 человек и пострадало около 200000 человек [1].
Катастрофы подобного масштаба могут возникать и в результате природных катаклизмов. Например, при выбросе углекислого газа на озере Ниос (Камерун) в августе 1986 года погибло около 1800 человек и пострадало около 1000 человек. Облако газа распространилось на расстояние до 25 км. Причиной гибели стало снижение концентрации кислорода до опасного уровня.
Высокая опасность токсичных выбросов обусловлена тем, что поражающее действие многих веществ проявляется при низких концентрациях их паров, поэтому зоны поражения могут иметь большую протяженность, охватывать большие площади.
Помимо больших пространственных зон поражения, выбросы в атмосферу ОВ обладают еще одним достаточно высоким фактором опасности, а именно, временным. В начальный момент, сразу после поступления вещества в атмосферу они могут распространяться со скоростью до нескольких десятков метров в секунду, а затем, уже в атмосфере облако ОВ будет перемещаться со скоростью ветра, т.е. порядка нескольких метров в секунду. При этом в первые секунды после выброса протяженность зоны поражения может составить несколько десятков метров, а по истечению нескольких минут — до нескольких сотен метров. С точки зрения вероятности поражения, эта скорость достаточно велика. И при отсутствии сигналов, оповещающих об опасности, либо в условиях, когда действия человека, попавшего в зону поражения, не будут адекватно соответствовать возникшей опасности, такой скорости распространения вполне достаточно, чтобы не оставить ему никаких шансов на спасение.
Выше были приведены два примера самых тяжелых последствий при токсическом поражении и при асфексии. Сопоставимую угрозу представляют и выбросы пожаровзрывоопасных веществ. Облака пожаровзрывоопасных веществ могут дрейфовать на сотни метров, сохраняя при этом способность к воспламенению. Воспламенение дрейфующих облаков вблизи мест сосредоточения людей может привести к многочисленным жертвам. Размеры зон, охватываемых пламенем (или детонационной волной), распространяющимся в ТВС, могут составлять сотни метров. Памятен такой случай. В 1989 году на железной дороге под Уфой при аварии на продуктопроводе с широкой фракцией легких углеводородов (ШФЛУ) произошел взрыв облака ТВС. Место утечки находилось на расстоянии около 900 м от железной дороги. В результате аварии погибли и серьезно пострадали 1224 человека из 1284, оказавшихся в зоне поражения [2]. Это крупнейшая из всех катастроф, связанная с распространением в атмосфере пожаровзрывоопасного облака.
Понятно, что процессы, приводящие к быстрому поражению большого количества людей на больших площадях и за сравнительно небольшие промежутки времени должны изучаться. По понятным причинам экспериментальные исследования распространения ОВ в атмосфере затруднены. В связи с этим особую значимость приобретает математическое моделирование этого процесса и особенно его численное моделирование, как наиболее универсальный и достоверный способ получения информации.
Проблема моделирования распространения ОВ в атмосфере не только актуальна, но и весьма сложна. В ее рамках возникает целый комплекс вопросов, связанных с тем, каким образом можно смоделировать процесс распространения выброса ОВ. В настоящее время на часть этих вопросов получены разумные, достаточно полные ответы, относительно ответов на другие можно руководствоваться лишь некоторыми приблизительными соображениями. Некоторые вопросы не находят пока ответа. Собственно сложность моделирования связана со сложностью описания турбулентного движения атмосферного воздуха.
К настоящему времени сложились три основных подхода для количественного описания процесса рассеяния выброса в атмосфере:
- гауссовские модели рассеяния, называемые также дисперсионными моделями;
- модели рассеяния, базирующиеся на интегральных законах сохранения либо в облаке в целом (залповый выброс), либо в поперечном сечении облака (продолжительный выброс); иногда такие модели называют моделями с сосредоточенными параметрами, одна из подгрупп этих моделей называется моделью рассеяния «тяжелого газа»;
- модели, построенные на численном решении системы уравнений сохранения (в их оригинальном виде) и именуемые часто как модели или методы прямого численного моделирования.
Гауссовские модели, построенные на распределении Гаусса, описывают пространственно-временное изменение концентрации газа. Для практической реализации гауссовских моделей в них вводятся эмпирические коэффициенты, описывающие атмосферную турбулентность. Гауссовские модели учитывают только два процесса, происходящие с выбросом в атмосфере, — перемещение в поле ветра и рассеяние за счет атмосферной турбулентности. Естественно, что приемлемую точность оценок эти модели дают для тех зон, где доминируют указанные процессы: либо на большом удалении от места выброса, либо во всем диапазоне расстояний, но при слабом выбросе. В России для решения практических задач в области промышленной безопасности, долгое время широко использовались именно простые гауссовские модели. Примеры таких моделей многократно описаны в литературе [3,4, 5].
Однако поведение реального выброса намного сложнее, чем это предполагается в гауссовских моделях. На начальной стадии распространения вещества существенную роль играют наведенные течения (струи разной конфигурации, расширяющиеся облака) и плотность выбрасываемого вещества. Последнее особенно важно, в связи с чем был даже введены специальные термины — «тяжелый газ» и «легкий газ».
Большинство газовых выбросов при промышленных авариях в начальный момент имеют большую плотность, чем воздух. Причины этому могут быть различные:
- высокая молярная масса, более 29,5 г/моль (молярная масса воздуха), при нормальных условиях к «тяжелым газам» относятся пропан, бутан, пары нефти, бензина, хлор, сероводород и т.д.;
- низкая температура (например, метан при нормальных условиях имеет плотность ниже плотности воздуха, а при температуре, равной температуре кипения, его плотность становится выше плотности воздуха, и тогда метан уже является «тяжелым газом», поэтому процесс рассеяния метана от пролива следует рассчитывать с учетом этого факта);
- наличие аэрозолей (например, аммиак и при нормальных условиях, и при температуре кипения — «легкий газ», соответственно при смешении с воздухом образующиеся смеси имеют плотность меньше, чем воздух, однако в случае капельных включений в смеси она становится «тяжелым газом»);
- протекание в выбросе химических реакций, которые приводят к образованию «тяжелого газа».
Выбросы «тяжелого газа», склонные к оседанию под действием силы тяжести, образуют невысокие, но протяженные облака (высота таких облаков составляет до нескольких метров, а поперечный размер до нескольких десятков и даже сотен метров). В результате площадь покрываемой облаком поверхности земли оказывается на порядок больше той площади, которая могла быть, если бы плотность облака не была больше плотности воздуха. Более того, при выбросах «тяжелого газа» имеет место такое явление, как распространение облака против ветра, которое также отсутствует, если газ не отличался по плотности от воздуха.
Облака «тяжелого газа» имеют большую поверхность обмена с атмосферой (поверхность, через которую происходит подмешивание воздуха в дрейфующий выброс). В результате, несмотря на то, что удельная скорость подмешивания воздуха уменьшается с увеличением плотности облака, общая масса воздуха, вовлекаемая в облако, существенно возрастает по сравнению с облаками нейтральной плавучести. А это означает, что действие силы тяжести в конечном итоге приводит к более быстрому рассеянию «тяжелого газа», чем выбросов нейтральной плавучести.
Необходимость учета указанных эффектов с целью существенного улучшения прогностических возможностей методического аппарата (на сотни и даже тысячи процентов) и стала главной причиной массового перехода от моделей гауссовского типа к моделям рассеяния «тяжелого газа»: попытки модифицировать гауссовские модели к условиям рассеяния «тяжелых газов» в целом не дали приемлемой точности [6-8].
Для описания поведения в атмосфере «тяжелого газа» были разработаны специальные модели — «модели рассеяния тяжелого газа». Эти модели созданы в рамках т.н. интегрального подхода. Первоначально этот подход был разработан для турбулентных струй [9,10,11]. Суть интегрального метода состоит в том, что для описания течения используются интегральные характеристики. Для струй в качестве таких характеристик выбираются потоки массы, импульса, энергии и т.д. через поперечное сечение. В рамках интегрального метода определяются именно эти характеристики, а более детальная структура течения определяется по ним с помощью априорно заданных профилей.
Согласно интегральному подходу в моделях «тяжелого газа», рассматриваются только интегральные характеристики облака: эффективная масса вещества в облаке, эффективная суммарная энергия в облаке и т.д. Изменение этих величин происходит за счет интегральных потоков массы, импульса и энергии в облако. Детальная же картина течения восстанавливается по полученным таким образом интегральным характеристикам. Математически модели тяжелого газа реализуются в виде систем обыкновенных дифференциальных уравнений. Решение таких уравнений осуществляется с использованием численных методов. Здесь следует отметить, что сегодня развитие вычислительной техники и доступность персональных компьютеров открывает широкую возможность использования моделей «тяжелого газа». С точки зрения пользователя расчеты по таким моделям выглядят «мгновенными», так что в определенном смысле их можно рассматривать как экспресс-модели.
Подробный обзор моделей «тяжелого газа» дан в [1,26]. Первая модель рассеяния «тяжелого газа» была предложена в 1974 г. ван Ульденом (van Ulden) [12]. В ней рассматривалась только одна интегральная характеристика - объем облака. Методика была предназначена для расчета только залпового выброса с однородным распределением и только в спокойной атмосфере.
Позднее эта модель неоднократно пересматривалась [13-18], однако ее ограниченность полностью преодолена не была.
Позднее был предложен еще ряд моделей: «Бритиш Газ» [19-22] (с постоянным профилем концентрации в облаке и постоянной скоростью перемещения облака), модели «Денз/Кранч» [23] (рассматриваются две интегральные характеристики объем и температура), «СЛЭБ» [24], «Хегадас/Хегабох» [25]. Последняя пара моделей нашла наибольшее распространение и фактически стала своеобразным «каноном» для моделей рассеяния «тяжелого газа». В ней рассматриваются облака-шлейфы от проливов с переменной концентрацией по объему и залповые выбросы с постоянной концентрацией по объему.
На сегодня существует и ряд компьютерных реализаций моделей рассеяния «тяжелого газа»: методика Всемирного банка [27], свод методик HGSYSTEM [28], методики, созданные при поддержке ведущих зарубежных исследовательских организаций TNO — The Netherlands Organization of Applied Scientific Research (Нидерланды) [29], Det Norske Veritas (DNV Technica) (Норвегия) [30].
В нашей стране значительный опыт в разработке моделей рассеяния, в т.ч. в приложении к «тяжелым газам», имеется в "НТЦ "Промышленная безопасность" [31-40]. Результаты этих работ нашли широкое приложение при анализе риска на целом ряде объектов [41-49], а также в ряде нормативных документов - «ТОКСИ 2» [50], «ТОКСИ 3» [53], «Правилах безопасности для наземных складов аммиака» [51] - и программном комплексе «ТОКСИ+»[52,53].
Помимо этого в России имелся единичный опыт разработок подобного рода -ГОСТ Р 12.3.047-98 [54]. В ГОСТ Р 12.3.047-98 дается методика расчета залповых выбросов на основе модели «тяжелого газа» в приложении к сжиженным углеводородным газам. К сожалению, конспективность изложения и ряд грубых опечаток делают фактически невозможным ее использование на практике. Для продолжительного выброса в [54] модель «тяжелого газа» вообще не используется.
Таким образом, можно констатировать, что в России за исключением упомянутых работ практически отсутствовали пригодные к практическому применению достоверные методики для моделирования распространения аварийных выбросов при промышленных авариях.
Следует отметить, что количество разработок подобного рода (моделей «тяжелого газа») в мире сравнительно невелико и если оценивать их в целом, то можно отметить определенные недостатки: недостаточная верификация используемых в моделях коэффициентов; и, в некоторых случаях, недостаточная доведенность моделей до логической законченности. Например, для моделирования залповых выбросов практически все модели используют подход, при котором облако рассматривается однородным по всему объему с постоянной концентрацией.
Кроме того, в уже упомянутых работах [12-30] отсутствуют унифицированные модели развития аварийных ситуаций, привязанные к конкретному типу оборудования, а вместо этого рассматриваются отдельные физические процессы.
В связи с вышесказанным понятна необходимость с одной стороны разработки достоверных физических моделей распространения выброса в атмосфере, а с другой стороны, разработка типовых моделей развития аварийных ситуаций максимально отражающих все стадии ее развития. Это является одной из целей данной работы.
Как и любые модели, модель рассеяния «тяжелого газа» обладает рядом ограничений. Прежде всего, это связано с необходимостью учета пространственных факторов, в частности, особенностей рельефа местности и наличия застройки. В наибольшей степени учесть эти факторы позволяют модели, основанные на численном решении полной системы уравнений газодинамики. Это сложный, но наиболее перспективный подход. В настоящее время он реализован в нескольких программных продуктах, например, в вычислительных комплексах PHOENIX [55], AutoReaGas [56], в компьютерных программах, разработанных во ВНИИГАЗ [57,69], в "НТЦ "Промышленная безопасность" [70,71], в кодах «Сигмет» [58] и «ФЕМЗ» [59]. Однако не всегда, такие модели учитывают как реальные свойства атмосферы, так и сложные особенности наведенных газодинамических потоков. В частности, [57], [69] не позволяют рассматривать многофазные потоки, [55], [57] и [69] не учитывают особенности развития турбулентности в областях с сильными градиентами, в [56] не учитывается реальные характеристики атмосферы.
Таким образом, можно считать, что к настоящему времени, с одной стороны, как в теоретическом, так и в экспериментальном плане достигнут определенный прогресс в исследовании процессов распространения выбросов ОВ в атмосфере. С другой стороны имеющиеся методики не всегда достаточно достоверны, и не всегда верифицированы по надежным экспериментальным данным. Возможно именно этим обусловлен и тот факт, что в отечественных нормативно-методологических документах долгие годы отсутствовали пригодные к практическому применению методики расчета последствий при рассеянии в атмосфере аварийных выбросов.
В связи с этим безусловно представляет интерес разработка моделей и методик расчета распространения ОВ в атмосфере. Причем ценность этих методик должна определятся, как достоверностью собственно моделей рассеяния, так и степенью их гибкости в применении к конкретным практическим ситуациям. Т.е. необходимы универсальные модели развития аварийных ситуаций, интегрированные с моделями распространения ОВ в атмосфере.
Целью настоящей работы являлось разработка математической модели развития аварийной ситуации и моделей для моделирования процессов распространения и рассеяния ОВ в атмосфере с учетом как реальных свойств выброса (негативная плавучесть, наведенные течения на месте аварии), так и реальных свойств атмосферы. Также исследованы следующие проблемы:
1) развитие и последствия аварийных ситуаций при взрывных превращениях топливно-воздушных смесей в протяженных тоннеля;
2) изучение влияния геометрии и формы оболочки гетерогенного заряда на характеристики взрывных волн, определение наиболее опасного сценария взрыва гетерогенного заряда;
В соответствии с перечисленными целями и задачами исследования на защиту выносятся следующие положения:
1. Математическая модель, описывающая развитие аварийной ситуации с учетом возможного состояния вещества в оборудовании и вариантов его разрушения для основных типов и конфигураций оборудования.
2. Интегральная модель рассеяния залповых и продолжительных выбросов «тяжелого газа» с учетом переменной по пространству концентрацией ОВ и наличием аэрозольных включений.
3. Универсальная модель распространения и рассеяния выброса ОВ в атмосфере с учетом атмосферной и наведенной турбулентности, многофазности потока, фазовых переходов вещества. Универсальная модель включает в качестве составляющих частей модифицированную к-є модель турбулентности (модификация касается учета влияния на турбулентность соотношения скорости ее генерации и диссипации) и модель фазовых переходов лимитируемых давлением и температурой в газовой фазе.
4. Методологический подход к анализу развития и последствий аварийных ситуаций при взрыве ТВС в тоннеле.
5. Результаты исследования последствий аварийных ситуаций в тоннелях при взрыве в них ТВС.
6. Методологический подход к анализу развития и последствий аварийных ситуаций при разрушении баллона с хлором на закрытом складе.
7. Результаты исследования последствий аварийных ситуаций на закрытых складах хлора.
Использованный в работе подход - численное моделирование -позволяет получить полное представление о пространственно-временной картине развития аварии, что, в свою очередь, позволяет лучше осмыслить и понять наблюдаемые процессы, выявить основные закономерности. Особое значение расчетов проявляется в моделировании крупномасштабных аварий, аварий протекающих в различных условиях.
Таким образом, практическая ценность работы заключается в первую очередь в разработке моделей, способных предсказывать последствия широкого класса аварийных ситуаций. А также в разработке методологий более узкого, направленного их применения.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и приложения.
В главе 1 изложена математическая модель, описывающая развитие аварийных ситуаций для широкого круга инициирующих событий. В главе 2 описана модель рассеяния аварийного выброса ОВ; эта модель построена в рамках интегрального подхода; приведены результаты верификации предложенной модели. В главе 3 приведено описание универсальной модели распространения выброса в атмосфере. В параграфе 3.1 приведены уравнения движения, в параграфе 3.2 описана модификация к-є модели турбулентности для потоков с высокими градиентами, в параграфе 3.3 описана модель испарения и кипения при наличии таких лимитирующих факторов, как давление и температура несущей (газовой) среды.
В главах 4-5 изложены методологические подходы и результаты численного моделирования развития аварийной ситуации на некоторых опасных объектах.
В главе 4 описывается результаты решения задачи о детонации ТВС в тоннеле. Приводится аналитическое решение для моментов времени до выхода детонации из тоннеля (случай инициирования на равном удалении от концов тоннеля), а также результаты детального численного моделирования выброса продуктов детонации из тоннеля.
В главе 5 проведено исследование различных вариантов развития аварийной ситуации при разрушении контейнера с 1 т сжиженного хлора. В параграфе 5.1 приводится постановка задачи. В параграфе 5.2 рассмотрены результаты моделирования выброса на открытой площадке. В параграфе 5.3 перечислены особенности развития аварийной ситуации, связанные с наличием замкнутого помещения. В параграфе 5.4 рассмотрено развитие аварии в пределах замкнутого помещения. В параграфах 5.5 и 5.6 приведены результаты моделирования эмиссии хлора из помещения хлораторной: без учета работы аварийной вентиляции и при ее работе (с последующей нейтрализацией хлора). В параграфе 5.7 проведено численное исследование влияние на поражение таких факторов как водяные завесы и нахождение человека в помещении.
Основные результаты и выводы работы сформулированы в Заключении.
В Приложении 1 приводятся формулы для расчета коэффициентов турбулентной атмосферной диффузии.
Материал диссертационной работы изложен на 165 страницах, включая 40 рисунков, одно приложение и библиографический список использованной литературы из 95 наименований.
Основные стадии развития аварийной ситуации
С учетом предложенных в 1.1 сценариев и выбранных конфигураций оборудования становится возможным рассмотрение широкого спектра аварийных ситуаций.
При этом в общем случае можно выделить восемь возможных стадий развития аварийной ситуации: стадия 1: разрушение оборудования и образование первичного облака; стадия 2: истечение жидкой фазы до отсечения аварийного участка; стадия 3: истечение жидкой фазы из аварийного участка после его отсечения; стадия 4: истечение газа при наличии пролива жидкой фазы и испарение с пролива; стадия 5: истечение газа из разрушенного оборудования при отсутствии пролива жидкой фазы; стадия 6: испарение ОВ с пролива при отсутствии истечения его жидкой или газообразной фаз из разрушенного оборудования; стадия 7: испарение ОВ из емкости при отсутствии пролива; стадия 8: ликвидация аварии (ликвидация отверстия разгерметизации и пролива). Каждая из вышеперечисленных стадий вносит свой вклад в суммарную массу выброса ОВ. На каждой стадии аварии формируются свои облака ОВ в атмосфере: либо первичное (стадия 1), либо вторичные (стадии 2-7).
В зависимости от сценария, конфигурации оборудования, характера разрушения, свойств ОВ и действий по ликвидации аварии отдельные стадии из приведенных выше могут либо присутствовать, либо отсутствовать в той или иной аварийной ситуации.
Каждая из стадий аварийной ситуации характеризуется своим набором характеристик. С точки зрения последующего моделирования процесса рассеяния выброса в атмосфере, при моделировании развития аварийной ситуации в оборудовании (и в непосредственной близости от него) предлагается выбрать в качестве ключевых следующие параметры4.
Для стадии 1: - масса ОВ (включая жидкую и газообразную фазы), образующая первичное облако в i-u сценарии; - масса ОВ, находящаяся в первичном облаке в жидкой фазе (капли) в /-ом сценарии на месте выброса (в начальный момент), кг; - плотность ОВ в первичном облаке на месте выброса (в начальный момент времени) в /-м сценарии, кг/м3; - радиус первичного облака ОВ на месте выброса (в начальный момент времени) в /-м сценарии; - высота первичного облака ОВ в начальный момент времени (на месте выброса) в /-м сценарии.
Далее этим параметрам будут соответствовать следующие переменные (порядок в перечислении, естественно, соответствует приведенному выше):Оп Q0xl,Pr6,hHh
Для стадий 2-7 выбраны следующие параметры: - расход ОВ (как газообразного, так и находящегося в жидкой фазе) во вторичном облаке, образующемся на соответствующей стадии в /-ом сценарии; - суммарный расход ОВ, находящегося в жидкой фазе (капли), на месте эмиссии вторичного облака, образующегося на соответствующей стадии в z -ом сценарии; - длительность поступления ОВ в атмосферу за счет истечения/испарения (время формирования соответствующего вторичного облака) на соответствующей стадии в /-ом сценарии - плотность ОВ в начальный момент времени во вторичном облаке, образующемся на соответствующей стадии в /-ом сценарии; - полуширина начального сечения вторичного облака, образующегося на соответствующей стадии в /-ом сценарии; - высота начального сечения вторичного облака, образующегося на соответствующей стадии в /-ом сценарии.
Перечисленных выше параметров вполне достаточно, чтобы осуществить «сшивку» решений для двух фаз аварийных ситуаций: поступление ОВ в атмосферу и его рассеяния в ней.
Именно эти параметры необходимо определить при моделировании выброса ОВ на месте аварии. Способ их определения будет дан далее (1.3). В этом случае означенные параметры будут представлять собой выходные данные моделирования.
И именно на основе этих параметров можно провести моделирование рассеяния ОВ в атмосфере. В этом случае означенные параметры будут представлять собой входные данные для моделирования.
Далее для простоты в изложении модели развития аварийной ситуации предполагается, что на каждой стадии (для стадий 2-6) процесс протекает стационарно. Т.е. интенсивность поступления опасного вещества в атмосферу и начальные параметры вторичных облаков постоянны для каждой стадии.
Однако это не является принципиальным, при необходимости, с целью получения более точных результатов моделирования, возможно разбиение стадий, перечисленных выше, на отдельные подстадии меньшей продолжительности. Для каждой подстадии в этом случае аналогично изложенному в 1.3 подходу определяются ее характеристики, естественно с учетом изменений в системе, происшедших на предыдущих подстадиях.
Рассмотрим подробнее основные стадии аварии на примере сценариев 3 и 4. Будем считать, что в обоих случаях авария происходит на оборудовании типа емкость. В сценарии 4 рассмотрим два варианта -разрушение емкости выше уровня жидкости и ниже.
Модель рассеяние вторичного облака (2-7-ые стадии аварийной ситуации)
Как уже отмечалось выше, вторичное облако образуется на следующих стадиях аварийной ситуации : - истечение жидкой фазы до отсечения аварийного участка; - истечение жидкой фазы из аварийного участка после его отсечения; - истечение газа при наличии пролива жидкой фазы и испарение с пролива; - истечение газа из разрушенного оборудования при отсутствии пролива жидкой фазы; - испарение с пролива при отсутствии истечения жидкости или газа из разрушенного оборудования; - испарение из емкости при отсутствии пролива.
Для каждой из этих стадий необходимо рассчитывать свое вторичное облако, причем для каждой из этих стадий задаются свой расход опасного вещества в шлейфе q\ и расход жидкой фазы в начальном сечении
Для моделирования длительных выбросов используется подход аналогичный описанному выше (2.1). Также аналогичны и переменные, используемые для описания вторичного облака, отличия состоит лишь в том, что вместо радиуса облака теперь используется полуширина (Ь) а также вводятся две дополнительные переменные хп п х3 , - координаты переднего и заднего фронтов облака. Кроме того, часть характеристик вторичных облаков имеет потоковый размер (расходы): расход ОВ в облаке, эффективный расход воздуха и т.д. Зная поля концентрации от каждой стадии аварий можно определить концентрация ОВ в точке в момент времени t при /-ом сценарии определяется по формуле
Определяется максимально возможная концентрация опасного вещества на расстоянии х от места аварии при /-ом сценарии и время tmmi(x,y,z), когда достигается эта концентрация. В зависимости от /max/( ,r, ) определяется за счет какой стадии (или сочетания стадий аварии) достигаются максимальные концентрации опасного вещества: c,max (x,y,z) = max (с, (x,y,z,t)). (2.33)
Изложенная выше модель была верифицирована по ряду экспериментальных данных и имевших место аварий.
Для верификации использовали результаты экспериментов по рассеянию газовых смесей фреон-12—азот, которые проводились в 1982— 1984 гг. на открытом пространстве в местечке Торней Айленд (Thorney Island) (Великобритания) [67, 68].
В серии этих экспериментов имитировались различные варианты рассеяния выброса: залповые и длительные выбросы, при наличии отдельно стоящих препятствий и без таковых, при наличии протяженных заграждений и без них.
Основные характеристики экспериментальных выбросов приведены ниже (Таблица 2.1). Результаты модельных расчетов в сравнении с экспериментально полученными данными также представлены ниже .
Рисунок 2.3 показывает расчетные и экспериментальные зависимости максимальных концентраций, достигаемых в ходе залпового выброса, от расстояния. Видно, что имеет место хорошее совпадение расчетов с экспериментами.
Результаты компьютерного моделирования длительных выбросов в сравнении с экспериментальными данными приведены ниже (Рисунок 2.4-Рисунок 2.6). Представлены зависимости достигаемой концентрации от расстояния (Рисунок 2.4), зависимости концентрации от времени в ряде точек (Рисунок 2.5) и зависимость от расстояния поперечного размера облака (Рисунок 2.6).
Помимо совпадения с экспериментом существенную ценность имеет совпадение результатов расчета с последствиями происшедших аварий. Эта ценность обусловлена, прежде всего, тем, что масса выброса ОВ в аварийной ситуации в разы, десятки и даже сотни раз может превосходить массы выбросов, задействованных в эксперименте.
Для сравнения аварий с данными расчетов из [1] были выбраны несколько самых крупных аварий с более-менее достоверно известными условиями протекания.
Самое большое количество погибших при авариях с аммиаком наблюдалось в 1973 г., в ЮАР. При полном разрушении емкости с 38 т сжиженного аммиака погибло 18 человек. Результаты моделирования этой аварии показаны ниже (Рисунок 2.7). На этом рисунке показаны места нахождения трупов (по данным расследования), сплошная красная линия на этом рисунке - это зона смертельного поражения согласно расчетам (критерием смертельного поражения была принята токсодоза 15 мг мин/л, температура в емкости полагалась равной 15 С). Как видно из этого рисунка, имеет место хорошее совпадение расчета с реальными последствиями аварии.
Модель турбулентности
Выше уже отмечалось, что обычно при моделировании турбулентных потоков турбулентная вязкость определяется согласно формуле (3.11), где к и є определяются из соответствующих уравнений (3.9-3.10). Такой подход можно использовать и при моделировании распространения выброса опасного вещества в атмосфере. Однако в этом случае необходимо задавать уже существующие в атмосфере (до начала выброса ОВ) распределения к и є. Т.е. при решении какой-либо задачи в некоторой расчетной области для к и є должно быть заданы начальные распределения внутри нее, а также условия изменения этих величин на границе этой расчетной области. Примерно таким же образом, как это делается для распределения скорости ветра в атмосфере. Понятно, что получить достоверные распределения к и є в атмосфере задача непростая.
В данной работе чтобы снизить уровень неопределенности, неизбежно возникающий при привлечении значительного объема эмпирической информации (а определение распределения к и є в атмосфере задача именно такого типа), предлагается использовать другой подход, при котором в турбулентной вязкости v, выделяются две составляющие v,M и vM: v, = vM+vw (3.45) vlH - турбулентная составляющая вязкости, обусловленная наведенным течением, в начальный момент времени она полагается близкой к нулю7. Величина vlH определяется из уравнения (3.11). Понятно, что в к и є в этом случае атмосферная турбулентность не учитывается. vu - турбулентная составляющая вязкости, обусловленная наличием турбулентности в атмосфере. Она может быть задан на основе имеющихся в литературе данных, например, согласно приведенным в приложении 1 формулам.
Говоря о соотношении (3.11), следует отметить, что согласно стандартному подходу Сц = 0.09 [69]. Однако такое значение коэффициента справедливо для условий равновесного потока, когда скорости диссипации и генерации турбулентности равны. Использование Си = 0.09 в расчетах высокоскоростных потоков при наличии градиентов и ударных волн неоправданно завышает генерацию турбулентности. В расчетах может складываться ситуация, когда сразу за ударной волной возникает сильнотурбулизованный поток, что не соответствует имеющимся наблюдениям.
Исходя из выше сказанного в данной работе предлагается используется следующее выражение для С : В этой записи учтено взаимное влияние на коэффициент (7ц скоростей генерации (Р) и диссипации (є) турбулентной энергии, что значительно улучшает качество прогноза.
Коэффициенты 0.7 и 6.8 в формуле (3.46) выбраны таким образом, чтобы, с одной стороны, совпадать со стандартной k-є моделью в условиях Plz - 1, когда Сц= 0.09, а с другой стороны соответствовать экспериментальным данным [73], согласно которым в дальних следах струй, где генерация турбулентности невелика Р/є 0, Сц= 0.7.
Для веществ с температурой кипения меньше температуры окружающей среды и хранящихся под давлением при температуре выше температуры кипения возможно т.н. «мгновенное вскипание» - быстрый переход жидкой фазы в газообразную. Обычно полагают, что при «мгновенном вскипании» вся жидкая фаза сразу переходит в газ. На самом деле вскипание будет происходить некоторое время и в ряде задач учет этого времени является фактом принципиальным: например, при определении параметров волн давления, формирующихся при вскипании перегретой жидкости. В связи с этим возникает необходимость адекватно учитывать скорость этого фазового перехода.
Для строгого описания перехода жидкости в газ необходим учет кинетики парообразования в жидкой фазе, а также рассмотрение всех сопровождающих этот процесс эффектов: рост пузырьков, их движение в жидкости, их взаимодействие и т.д. Такой подход является задачей очень непростой. С точки зрения инженерных приложений можно использовать упрощенные подходы, в которых следует учесть лишь основные лимитирующие процесс фазового перехода факторы. При «мгновенном вскипании» таким фактором является давление: при давлениях больших, либо равных давлению насыщенного пара жидкость остается стабильной и лишь при давлениях меньших может иметь место фазовый переход. В такой ситуации можно считать, что решающую роль во вскипании будет играть спад давления, т.е. газодинамика процесса, и полагать скорость вскипания действительно бесконечно большой. При этом следует понимать, что эта мгновенность носит сугубо локальный характер, т.е. в данной точке вскипание будет происходить действительно мгновенно, однако во всем пространстве оно будет рассосредоточено во времени и будет определяться временем разгрузки в той или иной точке пространства до давлений меньше давления насыщения.
Моделирование распространение облака хлора на открытом ровном пространстве
Результаты расчета рассеяния выброса на ровной открытой местности для сценария выбранного в разделе 5.1 и в предположениях изложенных в том же разделе разделе приводятся ниже.
Расчет процесса рассеяния выброса в атмосфере согласно модели, приведенной выше (ГЛАВА 2), дает следующие результаты: на 290 м возможно смертельное поражение, незащищенных людей, находящихся на открытом пространстве, на расстояниях до 830 м можно ожидать порогового воздействие. Время экспозиции бралось равным 30 мин, это соответствует предположению, что люди за 30 минут, особенно люди находящиеся на некотором удалении от объекта, могут быть оповещены и могут покинуть зону возможного поражения. В расчете предполагались наихудшие погодные условия низкая скорость ветра - 1 м/с и плохие условия рассеяния -инверсия, класс устойчивости атмосферы - F. Характерный размер шероховатости был принят 0.25 м (местность с заборами, заграждениями, с отдельно стоящими зданиями). Размер зон определялся исходя из достижения смертельной и пороговой токосдоз (6 мг-мин/л и 0.6 мг-мин/л). Начальный радиус облака предполагался равным высоте облака. Результаты расчета зоны рассеяния приведены ниже (Рисунок 5.1-Рисунок 5.3). Рисунок 5.1 отображает поле максимально достижимой за все время аварии концентрации на поверхности земли. Рисунок 5.2 - распределение этой же концентрации на оси выброса. Рисунок 5.3 распределение токсодоз на поверхности земли при 30 мин экспозиции. Из приведенных рисунков видно, что на открытом пространстве имеет место распространение облака против ветра, опасные для жизни человека концентрации создаются на расстоянии в 100-120 м в направлении против ветра. Следует отметить, что если время экспозиции будет увеличено, что соответствует действиям человека не предпринимающего никаких действий по выходу из зоны поражения хлорным облаком, то размеры зон поражения увеличатся. Причем размер зоны поражения вырастит незначительно - до 315 м, а размер зоны пороговых воздействий более существенно до 1450 м
Расчет процесса рассеяния выброса в атмосфере, согласно методики Всемирного банка [27] при тех же начальных данных, дает следующие результаты - 500 м смертельное поражение и 2000 м пороговое воздействие (смертельное поражение определялось по пробит-функции а пороговое - по достижению безопасной для кратковременного пребывания концентрации 0.0025%).
Расчет процесса рассеяния выброса в атмосфере, согласно методик [28], дает результат около 250 м - размер зоны летальных исходов (доза - 5,8 (мгмин)/л)) и 1330 м - зона пороговых поражений (доза - 0,6 (мгмин)/л). Расчеты по методике HEGADAS проводились при скорости ветра 1,5 м/с, это несколько больше, чем в ранее упомянутых методиках. При этом следует отметить, что в методике HEGADAS облака (первичное и вторичное) рассматриваются порознь и приведенные значения даны для первичного облака, которое, правда, вносит основной вклад в размеры зон поражения.
Приведенные результаты соответствуют ситуации, когда выброс происходит на ровной открытой местности, на месте выброса воздух с хлором не смешивается, а люди получающие поражения практически на протяжении всей аварии остаются на открытой местности, без средств защиты и в течении 30 минут не предпринимают попыток к выходу из зоны поражения. Никаких мер по ликвидации аварии также не предпринимается.
Безусловно, приведенные величины, являются максимально возможными, консервативными оценками.
Таким образом, полученные результаты зоны смертельного поражения при самых консервативных оценках составляют 250-500 м при использовании разных моделей и критериев поражения. Для сравнения отметим, что расчеты по гауссовской методике рассеяния [5] дают следующие результаты 506 м - порог летальных исходов и 1584 м - порог поражения. Эти результаты, полученные с помощью гауссовской методики рассеяния, носят завышенный характер.
Результаты расчета, приведенные выше (раздел 5.2), безусловно, являются максимально возможными, консервативными оценками.
На практике в аварийной ситуации может быть задействован ряд дополнительных факторов, которые приводят к более интенсивному рассеянию выброса с одной стороны, а с другой стороны способствуют ограничению распространения хлора в атмосфере.
