Оценка рассеивания опасных газов при разрушении газгольдера в условиях промышленной застройки

Оценка рассеивания опасных газов при разрушении газгольдера в условиях промышленной застройки Паршин Д. В.1, Козлов Д. П.2

1 Паршин Дмитрий Владимирович /Parshin Dmitrij Vladimirovich - эксперт в области экспертизы промышленной

безопасности, начальник управления;

2Козлов Дмитрий Павлович / Kozlov Dmitrij Pavlovich - эксперт в области экспертизы промышленной безопасности,

главный специалист,

ООО «ГАЗМАШПРОЕКТ» «НАГАТИНСКИЙ» (филиал в г. Москва), г. Москва

Аннотация: проведена оценка рассеивания опасных газов при разрушении газгольдера в условиях промышленной застройки на примере численного эксперимента выброса газа на острове Торни.

Ключевые слова: газ, рассеивание, численное моделирование.

Известно, что по сравнению с традиционными методиками только численное моделирование позволяет получать наиболее полную картину рассеивания газов с учетом застройки [1]. Однако в известных нам источниках не представлена полная методика оценки распространения газа в случае разрушения газгольдера и дальнейшего его рассеивания в условиях промышленной застройки вблизи зданий и сооружений.

Помимо этого, в открытой литературе образовался пробел в знаниях относительно экспериментальных данных и результатов численного моделирования атмосферного течения вокруг препятствий. Одной из возможных причин является то, что только совсем недавно лаборатории, в которых установлены аэродинамические трубы, смогли расширить свои возможности в сторону воспроизведения условий, соответствующих атмосфере. Более того, численное моделирование турбулентности в стратифицированной атмосфере до сих пор является трудной для понимания задачей численного моделирования [2].

Стоит также отметить, что наличие застройки или любого другого препятствия, которое возмущает течение атмосферы в пограничном слое атмосферы, оказывает возмущение не только на профиль ветра, но и повышает уровень турбулентности вблизи застройки за счет сдвигового напряжения в самом потоке [3]. В случае распространения газа значения концентраций зависят также от формы препятствий и расстояния между разрушенной емкостью и застройкой. Например, если газгольдер будет расположен на расстоянии, которое повлечет за собой завлечение шлейфа выброса в рециркулируемую область, находящеюся под влиянием здания, распределение концентраций в приземном слое может быть сильно изменено. Необходимо отметить и общую закономерность - увеличение границ шлейфа в боковом и вертикальном направлениях, вследствие сильного рециркуляционного движения внутри области, возмущенной зданием. Объясняется это увеличением уровня турбулентности из-за возмущения препятствия.

Автором предлагается методика, которая позволяет оценить рассеивание газов при разрушении газгольдеров с застройкой местности. Она базируется на основании моделирования пограничного слоя атмосферы и последующего моделирования выброса [3].

В целях применимости модели рассеивания газов при наличии препятствий, был рассмотрен эксперимент под номером № 26, проводимый на острове Торни [4]. В ходе эксперимента смесь фреона и азота (плотность относительна воздуха 2,0) первоначально содержалась в цилиндрической тентовой оболочке (высота - 13 м, диаметр - 14 м) и была моментально освобождена. Препятствие находилось в 50 метрах с наветренной стороны от цилиндра и имело форму куба (9 м х 9м х 9м). Концентрации рассеивающего газа были измерены в двух различных точках: на высоте 6,4 м перед препятствием (с наветренной стороны) и на высоте 0,4 м на торце (с подветренной стороны).

Концентрации рассеивающего газа были измерены в двух различных точках: на высоте 6,4 м непосредственно перед препятствием (с наветренной стороны) и на высоте 0,4 м на задней поверхности куба (подветренной стороны). Профиль скорости ветра был задан на основе степенного закона:

иу=и* (^У 1

На высоте 10 метров у0 она была равна 1,9 м/с (uo). Значение показателя степени, l - 0,07. Шероховатость составляла 0,005 м. Устойчивость задана с учетом таблицы Паскуилла [5]. При моделировании атмосферы цилиндрический тент с газом первоначально был препятствием. Затем расчет инициализировался как нестационарный, а цилиндр моделировался уже как свободное облако газа.

Так как граничные условия турбулентных характеристик атмосферы имеют существенное влияние на развитие переходного области турбулентности, использовались их приближенные значения [б]:

k = 1 О"4 U 2т

£ = 1 О ~4и4т

где - турбулентная кинетическая энергия, - скорость диссипации турбулентной кинетической энергии, - свободный профиль скорости ветра.

В процессе моделирования использовалась модель турбулентности k-e realizable и применялся источниковый член в уравнении для переноса кинетической энергии турбулентности [3]. На рис. 1 изображено поле турбулентной кинетической энергии после моделирования пограничного слоя атмосферы. Оказалось, что полученное поле не сильно отличается от поля, полученное учеными из Индии и Ирана,

которые в своих исследованиях использовали ту же модель k-e realizable и показали, что она лучше, чем стандартная модель k-e standart [7].

В таблице 1 проведено сравнение экспериментальных значений с данными, полученными во время моделирования.

Таблица 1. Сравнение экспериментальных значений с расчетными

Высота 6,4 м перед препятствием Высота 0,4 м на задней поверхности куба

Время, Макс. конц., Время, Макс. конц.,

с v/v % с v/v %

Эксперимент 10 4,715 22,30 2,124

k- e realizable 15 4,621 30,00 1,973

k- e realizable1 15,5 4,446 29,50 1,889

Рис. 1. Поле турбулентной кинетической энергии после моделирования пограничного слоя атмосферы (модель k-e

realizable)

Результаты расчетов показали, что методика на основе модифицированной модели турбулентности k-e realizable позволяет применять ее и для расчетов, связанных с распространением газа при наличии застройки. Так как ранее было исследовано применение k-e моделей при различных параметрах атмосферы, зависящих от масштаба Монина-Обухова [5], то можно констатировать, что использование данной методики позволяет решить проблему моделирования распространения газа (при разрушении газгольдеров) в условиях промышленной застройки.

Литература

1. Купцов А. И. Проблемы расчета рассеивания легких газов в атмосфере при их выбросах со свечи с учетом рельефа и застройки местности и атмосферной устойчивости. / А. И. Купцов, Р. Р. Акберов, Д. Я. Исламхузин, Ф. М. Гимранов // Вестник Казанского технологического университета. - 2014. № 6. - С. 284-286.

2. Santos J. M. Numerical simulation of flow and dispersion around an isolated cubical building: The effect of the atmospheric stratification. / J. M. Santos, N. C. Reis Jr., E. V. Goulart, I. Mavroidis. Atmospheric Environment. - 2009. № 43. - P. 5484-5492.

3. Купцов А. И. Численное моделирование пограничного слоя атмосферы с учетом ее стратификации / А. И. Купцов, Р. Р. Акберов, Д. Я. Исламхузин, Ф. М. Гимранов // Фундаментальные исследования. - 2014. - №

9. - С. 1452-1460.

4. Lees f. p. (2005). in s. Mannan (Ed.), Loss prevention in the process industries hazard identification, assessment, and

control, Vols. 1—3. Oxford: Elsevier/Butterworth-Heinemann.

5. Sklavounos S., & Rigas F. (2004). Validation of turbulence models in heavy gas dispersion over obstacles.

Journal of Hazardous Materials, 108 (1—2), 9—20.

6. Arntzen B. J. (1998). Modelling of turbulence and combustion for simulation of gas explosions in complex geometries. PhD thesis: Norwegian University of Science and Technology.

7. TauseefS. m. CFD-based simulation of dense gas dispersion in presence of obstacles / S. M. Tauseef, D. Rashtchian, S. A Abbasi. Journal of Loss Prevention in the Process Industries 24 (4), 371-376.

1 Данные предыдущих исследований [7]