Введение к работе
Актуальность темы. В России самый высокий в мире уровень гибели людей в аварийных ситуациях (пожарах, взрывах и т.п.)- Поэтому повышение уровня пожаровзрывобезопасностн является важной проблемой в том числе и в водородной энергетике. Понятие "водородная энергетика" появилось примерно в 1973 г. в период энергетического кризиса, когда окончательно стало ясно, что запасы органического топлива на Земле ограничены, а темпы их расходования угрожающе растут, и, следовательно, необходима разработка альтернативных нетрадиционных энергосистем. Водород считается наиболее перспективным энергоносителем энергетики будущего, так как он является экологически чистым веществом (при его сжигании образуется вода), а запасы сырья для его получения (вода) практически не ограничены.
В настоящее время водородная энергетика развивается умеренными темпами и происходит переход от развития глобальных концепции развития к конкретным научно-техническим разработкам (наземный и авиационный транспорт, автономные энергоустановки на водороде и т.п.). Однако в наиболее развитых странах мира разработаны на государственном уровне и практически выполняются концепции ее приоритетного развития.
К серьезным недостаткам водорода, существенно сдерживающим его более широкое использование, относится его высокая пожаровзрывоопасносчь (только ацетилен является более взрывоопасным газом). Водородная безопасность также является одной из ключевых проблем при обеспечении безопасности АЭС. Поэтому особое внимание должно уделяться вопросам пожаровзрывобезопасностн при работе с водородом.
Правила и нормы пожаровзрывобезопасности при работе с водородом в настоящее время недостаточно разработаны и не могут соответствовать правилам при работе с любым другим пожаровзрывоопасным газом из-за уникальности свойств водорода. Кроме того, требования безопасности постоянно ужесточаются. Поэтому стандарты безопасности не могут быть установлены на длительный период и должны постоянно приводиться в соответствие с новым уровнем знании и развития техники.
>
Реальные физические процессы, протекающие во время аварийной ситуации, являются сложными, нестационарными, трехмерными, до конца не изученными тепломассообменнымн процессами. Вопрос точности и надежности метода расчета тепломассообмена является ключевым в обеспечении безопасности людей, а также при выборе параметров и мест размещения датчиков системы пожаровзрывобезопасности. Сложность разработки такого метода заключается в многофакторности и нелинейности задачи. Математическое моделирование турбулентного тепломассообмена в сложных газодинамических и тепловых условиях (в том числе при горении и распространении водорода в помещении) вместе с другими задачами нелинейной физики входит в список тридцати особо важных и интересных проблем физики на ближайшие годы, составленный Российской академией наук.
Таким образом, разработка теплофизических основ пожа-ровзрывобезонасносгн водородной энергетики и, на их основе, правил и норм, а также методик их разработки и уточнения является.актуальной задачей.
Объектом исследования в диссертации являются газодинамические и тепломассообменные процессы, возникающие при пожаре, распространении и горении водорода в помещении, и практическое использование их основных закономерностей в решении задачи повышения уровня пожаровзрывобезопасности водородной энергетики.
Цель її задачи работы. Целью диссертационной работы является разработка теплофизических основ научной базы обеспечения пожаровзрывобезопасной работы с водородом. Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
провести всесторонний анализ существующих норм и правил при работе с водородом, расчетных методов и экспериментальных данных по газодинамике, тепломассообмену и трению в газовой среде помещения при пожаре, распространении и горении водорода, а также современных средств раннего обнаружения и диагностики пожара и натекания водорода в помещение;
разработать метод расчега газодинамики, тепломассообмена и трения в помещении при пожаре, распространении и горении водорода, позволяющий рассчитать динамику опасных факторов пожара, прогрева ограждающих конструкций и размеров и
положения локальных взрыво- к пожароопасных зон при распространении водорода;
выявить на основании численных исследований основные закономерности газодинамики и тепломассообмена при пожаре на примере горения жидкой пожарной нагрузки;
выявить на основании численных исследований основные закономерности газодинамики и тепломассообмена при распространении водорода и горении локальных неоднородных водо-родовоздушных смесей в помещении с учетом динамики их образования;
исследовать влияние теплового воздействия пожара на величину утечек водорода из водородной установки на примере гид-ридного аккумулятора водорода солнечно-ветровой автономной энергетической установки;
предложить для диагностики состояния газовой среды при пожаре новый надежный способ измерения средних и пульсацион-ных скоростей высокотемпературного потока газа; разработать теплофизнческне основы пористого датчика с тепломассооб-менпой защитой его стенок, являющегося чувствительным элементом предложенного способа;
теоретически исследовать возможность раннего обнаружения возгорания или натекания водорода в помещение с помощью датчиков давления;
- экспериментально исследовать возможность использования
для раннего обнаружения аварийных ситуации внутри водород
ной энергетической установки тонкопленочного термопреобра
зователя на примере воздухозаборника авиационного двигателя
на водороде;
- уточнить существующие правила работы с водородом, а также
методику их уточнения для конкретных задач.
Научная новизна работы состоит в следующем:
- разработана новая трехмерная дифференциальная (нолевая)
математическая модель расчета газодинамики, тепломассооб
мена и трения в газовой среде помещения при пожаре, а также
при распространении и горении пожаровзрывоопасного газа (в
том числе водорода) с учетом совместного действия таких воз
мущающих течение факторов как сжимаемость, неизотермич-
ность, излучение, протекание химических реакций, продольный
и поперечный градиенты давления, вдув-отсос на стенке, шеро
ховатость стенки, кривизна поверхности, турбулентность, скач-
ки уплотнения и переход ламинарного режима течения в турбулентный; предложен конечно-разностный метод решения замкнутой системы уравнений;
получены аналитически новые относительные законы трения для учета совместного воздействия нестационарности, неизо-термичности, сжимаемости и продольного градиента давления и отдельно для учета безотрывного взаимодействия скачка уплотнения с пограничным слоем; получена аналитически новая формула для расчета времени установления пограничного слоя; получены аналитически новые предельные значения относительного закона трения для ламинарного и турбулентного пограничного слоев при продольном отрицательном градиенте давления; получены на основании анализа экспериментальных данных новые формулы для расчета положения начала и окончания области перехода ламинарного пограничного слоя в турбулентный;
разработана модифицированная интегральная математическая модель расчега тепломассообмена в помещении с учетом горения водорода и динамики прогрева ограждающих конструкций; предложен итерационный конечно-разностный метод решения замкнутой системы уравнений;
выявлены новые закономерности тепломассообмена в помещении при горении жидкой пожарной нагрузки (керосина) на начальноіі и развитой стадиях пожара; впервые получена формула для расчета размеров области взаимной "нечувствительности" пожарной нагрузки и проема, а также новая формула для определения времени работы проема только на выброс газа наружу; уточнена область корректного применения интегральной математической модели для расчета начальной стадии пожара;
впервые разработана двухмерная математическая модель совместного расчета тепломассообмена внутри мелкодисперсного порошка гидридообразующего материала, находящегося в гид-ридном аккумуляторе водорода, и в помещении при пожаре на примере гидридного аккумулятора солнечно-ветровой автономной энергоустановки;
выявлены новые закономерности распространения водорода при его иатекании в помещение; впервые получена формула для определения максимального размера зоны, образующейся над источником натекання водорода, с локальної! взрывоопасной
концентрацией водорода; исследована эффективность применения механической вытяжной вентиляции и вдува струи инертного газа для уменьшения размеров или полного разрушения локальных пожаро- и взрывоопасных зон; выявлены новые особенности и закономерности горения локальных неоднородных водородовоздуншых смесей в помещении с учетом динамики их образования и развития;
предложен новый способ измерения средних и пульсационных скоростей высокотемпературного потока газа с помощью пористого датчика; разработаны теплофизические основы и теория пористого датчика, установленного также для этой цели в схеме термоанемометра (вместо измерительной нити); предложена новая математическая двухтемпературная модель расчета теплового состояния датчика и выбора его основных параметров;
впервые предложены теплофизические основы разработки системы раннего обнаружения пожара и натекания водорода в помещение, в которой чувствительным элементом является датчик давления; экспериментально исследована возможность использования тоикопленочных термопреобразователей как сигнализаторов аварийных ситуаций в водородных энергетических установках на примере воздухозаборника авиационного водородного двигателя;
разработаны научно обоснованные методики разработки новых и уточнения существующих норм и правил пожаровзрыво-безопасности при работе с водородом, а также расчета оптимального выбора и размещения датчиков систем иожаровзры-вобезопасности.
Достоверность представленных в диссертации результатов подтверждается использованием апробированных численных методов решения дифференциальных уравнений в частных производных, апробированной методики измерений и обработки экспериментальных данных, удовлетворительным согласованием расчетных результатов с экспериментальными данными, полученными автором и описанными в литературе, и аналитическими решениями, сопоставлением сданными других авторов.
Практическое значение. Предложенные новые методики расчета газодинамики, тепломассообмена и трения при пожаре, распространении и горении водорода в помещении позволяют более надежно, чем существующие методики, решить задачи
безопасной эвакуации людей и ранней диагностики возгорания и патекания водорода в помещение с помощью прогнозирования динамики опасных факторов пожара, прогрева ограждающих конструкций, распространения и горения взрывопожа-роопасного газа, определения оптимального типа, параметров и мест размещения чувствительных элементов систем пожаро-взрывобезопасности, а также определения теплового или иного воздействия пожара на человека, энергетические установки и материальные ценности.
Проведенные исследования нашли широкое применение в совместных разработках систем пожаровзрывобезопасности энергетических (в том числе и водородных) установок на ряде предприятий и институтов.
Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе в Академии ГПС МВД России, были использованы в МГУ им. М.В. Ломоносова при разработке конструкции гидридного аккумулятора водорода и уточнении правил работы с водородом на экспериментальном баллистическом стенде, в НИЦ "Экология" ОИВТ РАН для разработки методик расчета тепломассообмена в различных энергетических установках, в ЦИАМ им. П.И. Баранова для исследования возможности использования тонкопленочных термопреобразователей вместо обычно применяемых датчиков, в ОАО "Лукойл-Москва" при разработке противопожарных мероприятий на высотных автостоянках МАС-251, встроенных в жилой комплекс автозаправочных станциях, для теплофизических и прочностных расчетов резервуаров с нефтью при пожаре и одновременной откачке нефти, а также при проектировании систем пожаровзрывобезопасности на действующих объектах или в проектах, в которых допущены отступления от норм пожаровзрывобезопасности или на которые отсутствуют нормы проектирования.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных симпозиумах "HYPOTHESIS-I, II и III" (Италия, 1995 г., Норвегия, 1997 г. и Санкт-Пегербург, 1999 г.), на Y, YI и YII международных конференциях "Информатизация систем безопасности" (М., 1995, 1996 и 1997 гг.), на международных конференциях "Системы безопасности СБ-98 и СБ-99" (М„ 1998 и 1999 гг.), на YI международной конференции "Проблемы управления безопасностью
сложных систем" (М., 1999 г.), па III и IY Минском международном форуме по тепломассообмену (Минск, 1996 и 2000 гг.), на международном симпозиуме "Heat Transfer Enchancement in Power Machinary" (M., 1995 г.), на XIY Всероссийской научно-практической конференции "Пожарная безопасность - история, состояние, перспективы" (М., ПИИ ПО РФ, 1997 г.), на научно-практической конференции "Пожарная безопасность - 97" (М., 1997 г.), на 1 и II Российских национальных конференциях но теплообмену (М., 1994 и 1998 гг.), на научно-практической конференции "Противопожарная защита жилого комплекса г. Москвы" (М., 1998 г.), на XY научно-практической конференции "Проблемы горения и тушения пожаров на рубеже веков" (М., НИИ ПО МВД РФ, 1999 г.), на научном семинаре в НИЦ "Экология" ОИВТ РАН, на объединенном заседании кафедр инженерной теплофизики и гидравлики, процессов горения, прикладной механики, физики, учебно-научного комплекса автоматизированных систем и информационных технологии и учебно-научного комплекса проблем пожарной безопасности в строительстве Академии Государственной противопожарной службы МВД России.
Публикации. Результаты диссертационной работы опубликованы в 59 печатных работах.
Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, списка литературы и приложения. Работа изложена па 268 страницах машинописного текста, содержит 136 рисунков, разметенных на 115 страницах. Общий объем работы составляет 383 страниц.
На защиту выносятся:
методы и методика расчета газодинамики, тепломассообмена и трения при пожаре, распространении и горении взрывопожа-роопасного газа (в том числе водорода) в помещении в сложных термогазоппнамнческих условиях с учетом совместного действия возмущающих течение факторов;
формулы, полученные аналитически, для предельного относительного закона трения для учета совместного влияния нестационарности, неизотермичности, сжимаемости и продольного положительного градиента давления, а также отдельно для учёта безотрывного взаимодействия скачка уплотнения с пограничным слоем; формула, полученная аналитически, для расчета времени установления пограничного слоя; предельные значения
относительного закона трения для ламинарного и турбулентного пограничного слоев при продольном отрицательном градиенте давления; формулы, полученные на основе обобщения экспериментальных данных, для расчета положения области перехода ламинарного пограничного слоя в турбулентный;
результаты численного исследования основных закономерностей газодинамики и тепломассообмена на начальной и развитой стадиях пожара при горении жидкой пожарной нагрузки (керосина); формулы, полученные в результате обобщения численного эксперимента, для расчета при пожаре продолжительности работы открытого проема только на выброс газов наружу, высоты нейтральной плоскости и размера зоны, при нахождении внутри которой в любом месте пожарной нагрузки параметры тепломассообмена меняются несущественно;
результаты численного исследования основных закономерностей газодинамики и тепломассообмена при распространении водорода в герметичном помещении и в помещении с открытым проемом; формулы, полученные в результате обобщения численного эксперимента, для определения размеров локальної! зоны с взрывоопасной концентрацией водорода, образующейся над источником его натекання; результаты численного исследования эффективности использования механической вытяжной вентиляции и вдува струи инертного газа для удаления водорода из помещения, а также уменьшения или разрушения локальных пожаро- и взрывоопасных зон;
результаты численного исследования основных закономерностей газодинамики и тепломассообмена при горении локальных неоднородных водородовоздушных смесей в помещении с открытым проемом с учетом динамики их образования и развития; результаты численного исследования основных закономерностей газодинамики при разгерметизации емкости с водородом в помещении;
метод расчета совместного тепломассообмена внутри мелкодисперсного материала, в котором протекают химические реакции, и внутри помещения при пожаре; результаты численного исследования теплового воздействия пожара на величину утечек водорода нз гпдрпдного аккумулятора солнечно-ветровой автономной энергоустановки;
теоретическое обоснование и методика расчета системы раннего обнаружения пожара или натекания водорода в поме-
щение, в которой чувствительным элементом является датчик давления; экспериментальные данные по возможности использования тонкопленочных термопреобразователей как малоинерционных детекторов аварийных ситуации в водородных энергетических установках на примере воздухозаборника авиационного водородного двигателя;
новый способ и теоретические основы измерения средних и пульсационных скоростей высокотемпературного потока газа с помощью пористого датчика; метод расчета теплообмена внутри стенки из проницаемого материала, обтекаемой высокотемпературным потоком газа;
методики разработки новых и уточнения существующих норм и правил пожаровзрывобезопасности при работе с водородом, а также расчета оптимального выбора и размещения датчиков систем пожаровзрывобезопасности.