Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ устойчивости противопожарных преград к воздействию волны прорыва, образующейся при разрушении РВС 12
1.1. Анализ статистических данных разрушений преград различного конструктивного исполнения волной прорыва 12
1.1.1. Характерные примеры разрушений земляных обвалований 15
1.1.2. Характерные примеры разрушений ограждающих стен из кирпичной и каменной кладки 26
1.1.3. Характерные примеры разрушений ограждающих стен из сборных железобетонных конструкций 29
1.1.4. Пример разрушения резервуара с двойной стенкой 38
1.2. Анализ требований нормативных документов к обустройству преград по ограничению разлива жидкостей в резервуарных парках 42
1.2.1. Земляные обвалования и ограждающие стены 42
1.2.2. Дополнительные защитные преграды 46
1.2.3. Резервуары с защитной стенкой 47
1.2.4. Ограждающие стены с волноотражающим козырьком 48
1.3. Цель и задачи исследования 49
ГЛАВА 2. Разработка математической модели образования, распространения и взаимодействия волны прорыва с защитными преградами 51
2.1. Анализ потока жидкости при полном разрушении РВС 51
2.2. Обзор теоретических исследований волновых процессов при разрушениях гидротехнических сооружений 53
2.3. Анализ теоретических исследований волны, образующейся при разрушении резервуара 59
2.4. Анализ экспериментальных исследований взаимодействия волн с вертикальными защитными преградами 68
2.5. Разработка математической модели образования, распространения и взаимодействия волны прорыва с защитными преградами
при квазимгновенном разрушении РВС 87
ГЛАВА 3. Экспериментальные исследования устойчивости преград к воздействию волны прорыва 96
3.1. Натурные исследования 96
3.1.1. Эксперимент по разрушению РВС-700 м с водой 96
3.1.2. Определение средней скорости фронта волны прорыва 99
3.2. Численное моделирование натурного эксперимента 100
3.3. Лабораторные исследования 104
3.3.1. Критерии моделирования 104
3.3.2. Описание модельной установки 108
3.3.3. Приборное оборудование 112
3.3.4. Определение скоростных характеристик потока 117
3.3.5. Определение волновой нагрузки 122
3.3.6. Расчетное определение опрокидывающих моментов 132
3.3.7. Обработка результатов экспериментальных данных 135
3.3.8. Оценка погрешностей измерений 140
3.4. Численное моделирование лабораторного эксперимента 143
3.4.1. Сравнение скоростных характеристик потоков 144
3.4.2. Сравнение гидродинамических нагрузок на преграду 147
ГЛАВА 4. Рекомендации по определению параметров устойчивости противопожарной преграды с волноотражающим козырьком к воздействию волны прорыва при квазимгновенном разрушении РВС 152
Выводы
Список литературы
- Характерные примеры разрушений земляных обвалований
- Анализ требований нормативных документов к обустройству преград по ограничению разлива жидкостей в резервуарных парках
- Обзор теоретических исследований волновых процессов при разрушениях гидротехнических сооружений
- Численное моделирование натурного эксперимента
Введение к работе
Проблемам обеспечения защиты населения и территорий от воздействий опасных факторов, реализуемых при чрезвычайных ситуациях (ЧС) на объектах нефтегазового комплекса (НТК), уделяется особое внимание на всех уровнях законодательной и исполнительной власти [1-6].
Анализ статистических данных аварий и пожаров на этих объектах показал, что наиболее негативные последствия в отношении поражения персонала предприятия, населения и окружающей среды имели место при квазимгновенном разрушении вертикального стального резервуара (РВС) [7-10]. Отличительными признаками такой аварии являются полная потеря целостности корпуса РВС и выход в течение короткого промежутка времени на прилегающую территорию всей хранящейся в резервуаре жидкости в виде мощного потока (волны прорыва), обладающего большой разрушительной силой. [11-14].
Основными сооружениями по ограничению разлива нефти и нефтепродуктов в резервуарных парках являются земляные обвалования и ограждающие стены из негорючих материалов, расчет которых производится только на гидростатическое давление разлившейся жидкости [15]. Анализ последствий разрушений РВС показал, что такие преграды не способны удержать волну прорыва, что неоднократно приводило к ЧС [16-19].
В последнее время на складах НТК стали применяться РВС с двойными стенками типа «стакан в стакане». Однако, как следует из нормативных требований, расчет устойчивости второй стенки производится только на гидростатическое давление, что и обуславливает ее неэффективность противостоять потоку жидкости при квазимгновенном разрушении основного резервуара [28-30].
Дополнительные преграды в виде рвов, канав и амбаров, устраиваемые за основными сооружениями, на практике не нашли широкого применения, что обусловлено, в первую очередь, необходимостью выделения для их обустройства значительной территории, недостаточность которой, особенно в современных условиях, проявляется наиболее остро [20-27].
Таким образом, к наиболее перспективному способу ограничения разлива жидкостей при внезапных разрушениях РВС следует отнести противопожарную преграду, конструктивно выполняемую в виде вертикальной ограждающей стены с волноотражающим козырьком [31, 32].
Ранее проведенные исследования в Академии ГПС МЧС России совместно с РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина позволили установить зависимость высоты стены от расстояния до РВС, а также найти оптимальный угол наклона и ширину козырька, позволяющие полностью удержать поток на огражденной территории [11, 33]. Однако для внедрения в практику такого способа защиты необходимо обеспечить устойчивость конструкции, под которой понимается способность преграды противостоять опрокидыванию при воздействии волны прорыва [34, 35].
Таким образом, целью диссертационной работы является определение опрокидывающих моментов на ограждающую стену и волноотражающии козырек от воздействия волны прорыва (параметры устойчивости).
Для достижения поставленной цели в работе необходимо решить следующие задачи:
разработать математическую модель разрушения РВС, образования, распространения и воздействия волны прорыва на преграду;
для определения скоростных характеристик волны и их сравнения с результатами численного моделирования произвести натурный эксперимент по разрушению РВС-700 м3 с водой;
создать лабораторный стенд и методику проведения экспериментов для определения параметров устойчивости преграды, на основании которых предложить математические зависимости и номограммы.
Объектом исследования является процесс образования волны прорыва при квазимгновенном разрушении РВС.
В качестве предмета исследования рассматривалась устойчивость противопожарной преграды с волноотражающим козырьком.
Научная новизна работы заключается в следующем:
На основании анализа статистических данных последствий разрушений РВС обоснована необходимость применения противопожарной преграды, устойчивой к волне прорыва;
Разработана математическая модель разрушения РВС, образования волны прорыва, ее распространения и воздействия на преграду с волноотражающим козырьком;
Для оценки сходимости результатов численного моделирования и лабораторных опытов по определению скоростных характеристик волны прорыва произведен натурный эксперимент по квазимгновенному разрушению РВС, объемом 700 м с водой;
Созданы лабораторный стенд и методика проведения экспериментов. Получены данные о скоростных характеристиках волны прорыва и ее силовом воздействии на противопожарную преграду с волноотражающим козырьком;
Предложены математические зависимости и номограммы для определения параметров устойчивости противопожарной преграды с волноотражающим козырьком.
Практическая значимость работы: определены параметры устойчивости противопожарной преграды с волноотражающим козырьком в сочетании с ее геометрическими характеристиками, позволяющие спроектировать защитное ограждение, способное предотвратить возникновение ЧС при квазимгновенном разрушении РВС, а также существенно уменьшить количество сил и средств, необходимых для ликвидации последствий аварии (пожара).
Материалы диссертации реализованы при:
а) разработке нормативного документа по пожарной и промышленной безопасности: «Методические указания. Расчетное определение параметров защитной преграды от волны прорыва, образующейся при квазимгновенном разрушении РВС» № П4-05С-004М-002. М: «НК «Роснефть», 2006 г.;
б) разработке нормативного документа по пожарной безопасности: «Тех
нические условия на систему противопожарной защиты проектируемого участ
ка четвертого транспортного кольца вблизи резервуарного парка мазутного хо
зяйства ТЭЦ-11 в г. Москве» № 06-004. М.: ГУЛ «Мосинжпроект», 2006 г., и
проектных материалов;
в) разработке учебника, лекций и материалов для дипломного проектиро
вания по курсу «Пожарная безопасность технологических процессов» в Акаде
мии ГПС МЧС России.
Основные результаты работы были доложены на:
Второй Международной научно-практической конференции «Пожарная и аварийная безопасность объектов» (г. Иваново, Ивановский институт ГПС МЧС России, 2006);
17-й Международной научно-технической конференции «Системы безопасности» (г. Москва, Академия ГПС МЧС России, 2008);
Всероссийской конференции «Фундаментальные достижения в почвоведении, экологии, сельском хозяйстве на пути к инновациям» (г. Москва, МГУ, 2008);
Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы пожарной безопасности» (г. Москва, ФГУ ВНИИПО МЧС России, 2008);
Одиннадцатой Международной межвузовской научно-практической конференции «Строительство - формирование среды жизнедеятельности» (г. Москва, МГСУ, 2008).
На защиту выносятся:
результаты анализа статистических данных о разрушениях противопожарных преград различного конструктивного исполнения волной прорыва при квазимгновенных разрушениях РВС;
результаты анализа ранее проводившихся исследований по взаимодействию потоков жидкостей с преградами;
/~-
результаты теоретического исследования процесса образования волны прорыва, ее распространения и взаимодействия с противопожарной преградой, оборудованной волноотражающим козырьком;
результаты экспериментальных исследований по определению характеристик волны прорыва и параметров устойчивости противопожарной преграды, закономерности и номограммы для определения опрокидывающих моментов на ограждающую стену и волноотражающий козырек.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 научных работ.
Структура, объем работы и ее основные разделы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка использованной литературы и приложения. Содержание работы изложено на 175 страницах текста, вюіючает в себя 15 таблиц, 81 рисунок, список использованной литературы из 126 наименований.
Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель и задачи исследования, проанализированы объект и предмет исследования, показаны научная новизна работы и ее практическая значимость.
В первой главе представлен анализ статистических данных разрушений преград волной прорыва при разрушениях РВС, а также требований нормативных документов к обустройству сооружений по ограничению разлива жидкостей на складах нефти и нефтепродуктов.
Во второй главе произведен анализ движения жидкости при квазимгновенном разрушении РВС, обзор теоретических и экспериментальных исследований взаимодействия потоков жидкости с преградами различной конфигурации, на основе которых представлена математическая модель для определения параметров устойчивости преграды с волноотражающим козырьком при воздействии на нее волны прорыва.
В третьей главе приведены результаты натурного и лабораторных исследований по определению параметров устойчивости преграды и их сравнение с результатами численного моделирования.
В четвертой главе представлены рекомендации, содержащие методику для определения основных параметров противопожарной преграды с волноотра-жающим козырьком, необходимых для обеспечения ее конструктивной целостности и функциональности при воздействии волны прорыва в случае квазимгновенного разрушения РВС.
В приложении представлены акты внедрения результатов диссертационной работы в «Методические указания по расчетному определению параметров защитной преграды от волны прорыва, образующейся при разрушении РВС, на объектах ОАО НК «Роснефть», а также в «Технические условия на систему противопожарной защиты проектируемого участка четвертого транспортного кольца вблизи резервуарного парка мазутного хозяйства ТЭЦ-11 в г. Москве».
Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:
Швырков С.А. Прогнозирование площади разлива нефтепродукта при квазимгновенном разрушении резервуара / С.А. Швырков, С.А. Горячев, А.Н. Швырков, Ю.П. Прохоров, В.В. Воробьев, СВ. Батманов // «Транспорт и хранение нефтепродуктов». Научн.-инф. сб. - М.: ОАО «ЦНИИТЭнефтехим. -2005.- Вып. 7.-С. 8-12.
Швырков С.А., Горячев С.А., Швырков А.Н., Батманов СВ., Воробьев В.В. Прогнозирование площади пожара разлива жидкости при квазимгновенном разрушении РВС. Материалы второй Международной научн.-практ. конф.: Пожарная и аварийная безопасность объектов. - Иваново: Иван, ин-т ГПС МЧС России, 2006.-С. 85-88.
Швырков С.А. Статистика квазимгновенных разрушений резервуаров для хранения нефти и нефтепродуктов / С.А. Швырков, СА. Горячев, В.П. Со-рокоумов, СВ. Батманов и др. // Пожаровзрывобезопасность. - 2007. - Т. 16. -№ 6. - С 48-52.
Швырков С А., Батманов СВ. Прогнозирование площадей разливов нефти и нефтепродуктов при квазимгновенных разрушениях вертикальных стальных резервуаров // Защита окружающей среды в нефтегазовом комплексе. -2008.-№3.-С 40-44.
Швырков С.А., Батманов СВ. Анализ последствий чрезвычайных ситуаций при разрушениях резервуаров на объектах топливно-энергетического комплекса // Защита окружающей среды в нефтегазовом комплексе. - 2008. - № 4. -С. 2-8.
Швырков С.А., Батманов СВ. Обеспечение пожарной безопасности ма-зутохранилищ объектов теплоэнергетики в городских условиях. Материалы Международной научн.-практ. конф.: Актуальные проблемы пожарной безопасности. - 4.1. -М.: ФГУ ВНИИПО МЧС России, 2008. - С. 231-235.
Назаров В.П., Швырков С.А., Горячев С.А., СВ. Батманов, В.В. Воробьев. Обеспечение пожарной безопасности городских объектов при развитии транспортной инфраструктуры. Материалы Международной научн.-практ. конф.: Актуальные проблемы пожарной безопасности. - 4.1. - М.: ФГУ ВНИИПО МЧС России, 2008. - С 207-210.
Батманов СВ. Проблема обеспечения безопасности резервуарных парков объектов энергетики в населенных пунктах. Материалы одиннадцатой Ме-
ждународной межвузовской научн.-практ. конф.: Строительство - Формирование среды жизнедеятельности. - М.: МГСУ, 2008. - С. 178-180.
9. Батманов СВ. Исследование устойчивости противопожарных преград к
воздействию волны прорыва при полном разрушении вертикального стального
резервуара. Материалы 17-й Международной научн.-технич. конф.: Системы
безопасности - 2008. - М.: Академия ГПС МЧС России, 2008. - С 215-220.
Характерные примеры разрушений земляных обвалований
В феврале 1951 г. на одной из нефтебаз в Западной Сибири произошло разрушение резервуара, изготовленного из стали марки СтЗкп, типа РВС-4600 м с сырой нефтью. Резервуар был заполнен до отметки 10,4 м. Причиной аварии послужила низкая температура воздуха, что привело к охрупчиванию металла, разрыву вертикальных стыков шва 5 пояса и полному разрушению резервуара. Образовавшаяся волна разрушила земляное обвалование, что привело к разливу нефти на площади более 40000 м . На величину площади разлива также оказал существенное влияние уклон площадки парка - более 5 %.
В мае 1952 г. на одной из распределительных нефтебаз в Воронежской об-ласти произошло полное разрушение резервуара типа РВС-4600 м с нефтью. Из материалов расследования установлено, что при аварии РВС первоначально трещина от 2 пояса прошла вниз до уторного уголка и вверх по основному металлу 3 пояса, а затем по горизонтальному нахлесточному шву до верха, что привело к полному разрушению резервуара, размыву гребня обвалования по направлению движения потока и разливу нефти на площади около 19000 м2, а также гибели одного человека.
2 февраля 1953 г. в резервуарном парке НПЗ г. Черняковска (Башкирия) произошло полное разрушение резервуара типа РВС-4600 № 4, в котором находилось около 4000 т сырой нефти.
Резервуарный парк состоял из шести резервуаров: №№ 2, 3, 4 и 5 типа РВС-4600, располагавшихся в одной секции обваловки, №№ 1 и 158 типа РВС-4600 и РВС-10000, в самостоятельных обваловках, последовательно примыкавших к обваловке первой секции. Резервуары металлические, сварные, диаметром 23 и 35 м, высотой 11,4 м. На территории парка кроме резервуаров были расположены 13 различных производственных зданий и сооружений, при этом, резервуарный парк примыкал к территории нефтеперерабатывающего завода и отделялся от него шлакоблочным забором, высотой 2,5 м. На момент аварии в резервуаре № 1 высота взлива сырой нефти составляла 10 м, в РВС № 2 - 11 м, в РВС № 3 - 8,95 м, в РВС № 4 - 11,28 м, в РВС № 5 - 9,32 м. В РВС №158 высота взлива мазута составляла 10 м. При разрушении РВС № 4 стенки резервуара развернулись и ударили по соседнему РВС № 5, что привело к разрушению его второго пояса на всей высоте вертикального шва. Нефть, вышедшая из резервуаров, залила всю площадь обваловки РВС №№ 2, 3, 4 и 5 и вышла за ее пределы. При этом большая часть продукта была выброшена за обва-ловку в сторону производственных зданий, залила территорию, прилегающую к ним, и двумя потоками начала растекаться дальше, создав угрозу железнодорожному мосту и нефтеналивной эстакаде НПЗ. Одновременно с растеканием нефти от высеченной искры при ударе корпусов резервуаров произошло ее воспламенение. К прибытию первой пожарной команды (через 5-6 минут с момента аварии) разлившаяся нефть горела за обвалованием и в обваловке РВС № 2, 3, 4 и 5, при этом РВС № 2, 3 и 5 находились полностью в огне. Кроме того, огнем были охвачены здания, расположенные на производственной территории. Общая площадь пожара составляла свыше 5 га.
Быстрому распространению огня по большой площади способствовал порывистый ветер со скоростью 14 м/с, что привело к угрозе перехода огня на нефтеналивную эстакаду НПЗ и строения, расположенные за железнодорожным мостом. От лучистой теплоты и вследствие ветра, создалась прямая угроза РВС № 1 с нефтью, расположенному в 23 м от горящей группы резервуаров.
Через 3 часа после начала пожара из арматуры канализационного колодца, расположенного в обваловании РВС № 1, начала фонтанировать горящая нефть. Выбрасываемая на высоту 10-12 м и подхваченная ветром, она попадала на РВС № 1, что привело к появлению очагов горения на дыхательной арматуре и крыше. Бурное горение нефти продолжалось в обваловке РВС № 2, 3 и 5, на площади около 10000 м , вытекающей из образовавшихся в резервуарах трещин Примерно через 4 часа от начала аварии произошло полное разрушение РВС № 2, находившегося в очаге пожара. Волной горящей нефти залило всю площадь обваловки РВС № 1 и часть площади обваловки РВС № 158, которые также оказались в огне. Выброшенная из обваловки горящая нефть начала быстро растекаться по территории, что привело к увеличению площади пожара разлива до 54000 м2 (рис. 1.2). От воздействия горящей волны и теплового излучения погибли 22 сотрудника пожарной охраны и два работника парка. Пожар был ликвидирован только через 23 часа, в тушении которого участвовало более 200 человек, специальная и тяжелая техника.
Зимой 1953 г. по аналогичной причине произошла авария на нефтебазе под г. Харьковом, где разрушился резервуар типа РВС-700 м с бензином. Причиной разрушения РВС явилась склонность стали марки СтЗкп при низкой температуре к хрупкому разрушению. На момент аварии в резервуаре находилось 610 м3 бензина. Авария началась с разрыва первого пояса с частичным переходом трещины во второй пояс с последующим разрушением РВС. Горящий поток бензина повредил два соседних резервуара, перехлестнул через земляное обвалование и разлился в пределах территории объекта на площади около 2500 м2. Погиб один человек.
Анализ требований нормативных документов к обустройству преград по ограничению разлива жидкостей в резервуарных парках
Конкретные требования по ограничению аварийного разлива нефти и нефтепродуктов в резервуарных парках изложены в СНиП 2.11.03-93 «Склады нефти и нефтепродуктов. Противопожарные нормы» [15].
Нормативные требования по размещению сооружений склада, в том числе РВС, обеспечению его пожарной безопасности устанавливаются в зависимости от общей вместимости склада и максимального объема единичного резервуара (категории склада).
В зависимости от категории склада определяются минимальные расстояния между сооружениями склада и соседними объектами, параметры систем тушения пожаров (противопожарного водоснабжения, стационарных и автоматических установок пожаротушения), защитных ограждений и тому подобное.
Основными защитными сооружениями по ограничению возможных аварийных разливов нефти и нефтепродуктов, предусматриваемыми указанным СНиП являются земляные обвалования или ограждающие стены из негорючих материалов, а также противопожарные разрывы.
Защита от аварийного разлива нефти и нефтепродуктов, выходящих из поврежденных резервуаров и трубопроводов, в соответствии с требованиями этого документа обеспечивается устройством обвалования вокруг отдельных резервуаров, групп резервуаров и резервуарных парков с отводом пролитой жидкости в систему канализации, аварийные земляные амбары, отводные канавы и другие аварийные сооружения.
Так, каждая группа РВС, должна быть ограждена замкнутым земляным обвалованием шириной поверху не менее 0,5 м или ограждающей стеной из негорючих материалов, рассчитанными на гидростатическое давление разлившейся жидкости. При этом высота внешнего ограждения должна быть на 0,2 м выше расчетного уровня разлившейся жидкости, но не менее 1 м для РВС номиналь-ным объемом до 10000 м и 1,5 м для РВС номинальным объемом 10000 м и более. Объем, образуемый между откосами обвалования, должен быть равен: для отдельно стоящих РВС - полной емкости резервуара; для группы резервуаров - емкости большего РВС.
Вместимость обвалования группы резервуаров должна удовлетворять условию [58] тах v orp " огр/ч/ обБ / t i/i 71-1 где Vmax - объем большего РВС, м ; horp - высота внешнего ограждения, м; А/гогр - превышение внешнего ограждения над расчетным уровнем разлившейся жидкости, м; FOQB - общая площадь обвалованного участка, м ; F, - площадь каждого из резервуаров группы, за исключением первого, м2; п — число резервуаров в группе.
Требования по обвалованию отдельных РВС, групп резервуаров (как и к расстояниям между резервуарами) зависят от емкости группы резервуаров и отдельного резервуара. Так, в пределах одной группы наземных резервуаров внутренними земляными валами или ограждающими стенами отделяются: - каждый РВС объемом 20000 м и более или несколько меньших резервуаров суммарной вместимостью 20000 м3; - РВС с маслами и мазутами от РВС с другими нефтепродуктами; - РВС для хранения этилированных бензинов от других РВС группы.
При этом высоту внутреннего земляного вала или стены следует прини-мать равной 1,3 м — для РВС объемом 10000 м и более и 0,8 м - для остальных РВС.
Необходимо отметить, что нормативные требования к минимальным расстояниям до соседних объектов изменяются скачкообразно в зависимости от категории склада и, что самое главное, не учитывают максимальный объем единичного резервуара.
Например, минимальное расстояние (противопожарный разрыв) от склада I категории (свыше 100 тыс. м ), имеющего РВС емкостью 5000 м , до зданий соседних предприятий будет составлять 100 м, а расстояние от склада Ша категории, при наличии такого же РВС, будет всего 40 м.
Документ также не содержит требований по выполнению мероприятий, связанных с предупреждением аварийных разливов нефти и нефтепродуктов при квазимгновенном разрушении РВС, т.е. ситуации, когда рассчитанные на гидростатическое давление жидкости обвалования или ограждающие стены разрушаются или легко преодолеваются волной прорыва. При этом вместе с горящей жидкостью переносятся опасные факторы пожара на расстояния, большие требуемых противопожарных разрывов [15, 31, 59].
Обзор теоретических исследований волновых процессов при разрушениях гидротехнических сооружений
Исследование волны прорыва и ее основных характеристик проводилось, как правило, в рамках задачи о разрушении плотины, когда авария обусловила внезапное освобождение массы воды, накопленной в водохранилище, устремившейся в сухой канал с широким прямоугольным сечением. Это так называемая задача о разрушении плотины, хорошо известная в гидравлике.
В работе [77] рассматривается задача о волне прорыва, под которой понимается неустановившееся течение воды, возникающее в бьефах, при разрушении плотины. Движение жидкости рассматривается в широких призматических руслах так называемого обобщенного параболического сечения, для которых: її = Ahm, R — h/m (2 2) где w — площадь поперечного сечения; h — глубина воды; R— гидравлический радиус; А - размерная константа; т — безразмерный показатель степени. Движение воды прорыва в русле (2.3) описывается уравнениями Сен-Венана вида: div dQ dt дх (2.3) dQ д r + тг-№0 dh v\v\ ,_2S gwl_ 3t dx t r ox 2sK L где v - средняя скорость течения; i0 - уклон дна; Q - расход потока; х - координата поперечного сечения, отсчитываемая по оси русла; t - время; g - ускорение силы тяжести; Я - коэффициент гидравлического трения. Если для вычисления коэффициента С формулы Шези воспользоваться формулой Маннин-га, то Я = 2gn R , где п - коэффициент шероховатости русла.
Рассматривалась следующая постановка задачи. В начальный момент времени о= 0 до разрушения плотины течение по всей длине русла, имеющего постоянный уклон дна /0, принимается установившимся с постоянным по длине расходом воды Q0. В створе плотины, пропускающей этот расход (с этим створом совмещается в дальнейшем начало отсчета расстояния х) существует начальный разрыв уровней: х = - 0, h = Н0; х — +0, h — h0.
В нижнем бьефе имеет место равномерный режим с глубиной наполнения русла h0, а в верхнем бьефе - кривая подпора, координаты которой получаются из уравнения (2.3) при упомянутых начальных условиях (рис. 2.1).
Разрушение плотины считается мгновенным и полным. В верхнем бьефе при JC — -оо ставится граничное условие Qm = Q0, а в нижнем бьефе при х — +оо принимается граничное условие вида Q+00 = wC«jRi0 , имеющее место при установившемся течении.
Аналитическое решение рассматриваемой задачи имеется только для прямоугольного русла (т = 1) при /0 = О, отсутствии сил трения (А, = 0) и QQ = О [78]. Однако, такие исходные предпосылки непригодны для исследования трансформации волны на больших расстояниях от плотины и поэтому решения были получены путем численного интегрирования уравнений (2.3) в относительных величинах на компьютере, где использовался метод сквозного счета прерывных волн, возникающих в нижнем бьефе в начальной стадии излива воды из водохранилища. В качестве продольной координаты был принят параметр Xі—Lpifjh где Lp - расстояние от плотины до искомого створа, /0 - уклон дна, /гв.б. - наполнение русла перед плотиной до ее исчезновения.
Для определения значений относительных безразмерных максимальных скорости vmax и глубины hmaxB выбранном створе авторами в работе предлагаются соответствующие графические зависимости.
При сравнении численного и аналитического решений для упомянутого выше частного случая было установлено, что вертикальный фронт прерывной волны при численном расчете «размазывается» на длине, приблизительно равной 5ти, где т - шаг численного интегрирования по времени, a v - скорость дви движения фронта.
Высота и скорость движения «размазанного» и теоретического вертикальных фронтов прерывной волны получаются одинаковыми.
В работе отмечается, что было получено хорошее совпадение результатов расчетов на компьютере с данными систематических экспериментальных исследований волн прорыва на длинных открытых лотках, проводившихся в последние годы в Научно-исследовательском секторе Гидропроекта.
Несколько иной подход к решению аналогичной задачи применен в работе [79], где указан ряд частных решений уравнений движения тяжелой жидкости в приближении мелкой воды.
Решения строятся в предположении, что внутренним трением можно пренебречь, и имеют вид полиномов по степеням пространственной координаты. В качестве применения полученных решений рассматривается задача о разрушении хранилища жидкости, поверхность которого образована вращением кривой Z = ЩІ- / о) вокруг вертикальной оси Z, являющейся также осью симметрии основания (рис. 2.2), расположенного на сферическом или плоском основании (здесь HHSQ — константы, которые задают размеры хранилища).
В некоторый момент времени у хранилища мгновенно удаляются стенки. Требуется оценить возникающее после этого движение жидкости.
Численное моделирование натурного эксперимента
На основании разработанной математической модели в программном пакете LSDYNA было проведено численное моделирование квазимгновенного разрушения РВС-700 м3.
Моделировалось разрушение резервуара, образование и распространение потока по горизонтальному участку, что соответствовало случаю движения потока до подошвы обвалования.
Целью расчетов являлось получение численных данных о скоростных характеристиках потока на заданном расстоянии от РВС.
Наличие начальной вертикальной трещины на уровне 3-4 поясов РВС приводило к практически мгновенному разрыву стенки по всей высоте без изменений полей скорости и давления в жидкости, в связи с чем, фаза распространения вертикальной трещины не моделировалась, и считалось, что стенка мгновенно разрушается в заданный момент времени вдоль образующей. До момента разрушения стенки резервуара методом динамической релаксации рассчитывалось равновесное состояние резервуара и столба жидкости в поле силы тяжести. В расчете учитывалось трение между днищем, стенкой резервуара и грунтом. Коэффициент трения принят равным 0,5. В качестве нагрузки для жидкости и структуры задавалось объемное нагружение силой тяжести с ускорением g = 9,81 м/с.
На рис. 3.5 представлены основные стадии процесса, соответствующие аналогичным стадиям при проведении натурного эксперимента по разрушению РВС-700 м (см. рис. 3.2). По результатам расчетов построены зависимости скорости потока v от времени с момента разгерметизации резервуара т, на заданных расстояниях L от центра РВС (рис. 3.6). Замеры производились на высоте 0,3 м от уровня земли.
На рис. 3.7 представлен объединенный график максимальных скоростей потока и скоростей фронта, полученных расчетным путем. Сравнительный анализ показал расхождение кривых в пределах 10 %. В дальнейшем, при определении гидродинамического воздействия на вертикальную преграду, использовали значения максимальных скоростей потока, вследствие того, что им соответствует больший импульс, а, следовательно, и большее усилие на преграду.
С целью подтверждения теоретических предпосылок разработанной математической модели, было проведено сравнение расчетных скоростей фронта потока с данными натурного эксперимента (рис. 3.7).
Расхождение экспериментальных и расчетных данных не превышало 24 %, что указывает на удовлетворительную сходимость результатов, и в основном обусловлено некоторым несоответствием начальных условий эксперимента, а именно, не моделировались неровности и шероховатости покрытия площадки резервуарного парка до подошвы обвалования. Также некоторый вклад в погрешность измерений был внесен упрощенным характером расчетной сетки в пакете программ LSDYNA, что обусловлено возможностями персонального компьютера и трехмерной постановкой задачи.
Основными в области надежности защитных сооружений следует считать вопросы о динамической устойчивости сооружения на сдвиг и опрокидывание, а также жесткости отдельных его элементов [100, 101]. Решение задачи подобного рода требует многократного воспроизведения воздействующей нагрузки на сооружение с целью получения достоверных количественных характеристик, необходимых при проектировании. Кроме этого, принятая конструкция защитной преграды с волноотражающим козырьком определяет сложный характер отражения набегающей волны. Таким образом, произвести исследования на объектах в натуральную величину не представляется возможным, вследствие чего в работе принят экспериментальный метод определения гидродинамического воздействия волны прорыва на защитную преграду на модельной установке.
Гидродинамическое воздействие жидкости на преграду зависит от характеристик потока (и, р, /л) на заданном расстоянии (L), которые в свою очередь зависимы от начальных параметров разрушающейся емкости (Д К). Несмотря на то, что ускорение силы тяжести g есть величина постоянная gM = gH, его также следует учитывать.
При назначении модели в качестве рабочей жидкости использовали воду, так как при прочих равных условиях растекание светлых нефтепродуктов сопоставимо с растеканием воды [33]. Несмотря на то, что расстояние свободного растекания жидкости меньше, либо равно начальной высоте столба жидкости до разгерметизации, необходимо учесть шероховатость подстилающей поверхности А, как одну из независимых переменных.
Если за характеристику защитного сооружения принять площадь контактной поверхности S с углом наклона волноотражающего козырька а и его длиной Ь, то функциональная зависимость для гидродинамического давления потока Р на вертикальное защитное сооружение может быть записана в виде Р =/(»» Л М, g, А Н, Я, L, h, b, а).
Для давления Р уравнение связи получается путем использования к - теоремы. В общем случае в функциональную зависимость, включая величину, выражающую физический закон, как правило, входит (к + 1) величина. Некоторые из (к + 1) величин N и щ (1= 1, 2, 3, ..., к) могут быть переменными, другие - постоянными; некоторые могут быть размерными, другие - отвлеченными, но всегда величина N должна быть независима от выбора системы единиц измерения. От выбора системы единиц измерения могут завесить только числовые значения N и щ. При гидравлических исследованиях в общем виде за основные независимые величины целесообразно принимать следующие [102, 103]: 1) скорость (о) какой-либо частицы или среднюю скорость потока; 2) характерный линейный размер живого сечения русла (со), глубины безнапорного потока {И) и др.; 3) плотность жидкости (р). Таким образом функциональная зависимость между (к + I) размерными величинами N и щ (v, L, р, /л, g) может быть представлена как соотношение между (к+ \ -3) величинами П и 77,- (I = 4, 5,..., к), каждая из которых есть безразмерная степенная комбинация величин входящих в функциональную зависимость.
