Моделирование взрыва пылеметановоздушных смесей в угольных шахтах с помощью 3D сканера

МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЗРЫВА ПЫЛЕМЕТАНОВОЗДУШНЫХ СМЕСЕЙ В УГОЛЬНЫХ ШАХТАХ С ПОМОЩЬЮ 3Б СКАНЕРА

Е.О. Шаравин; В.Д. Цыганков.

Санкт-Петербургский университет ГПС МЧС России. В.В. Смирняков.

Санкт-Петербургский горный университет

Рассматривается возможность использования трехмерных моделей, полученных при помощи 3D сканера для физико-математического моделирования арогазодинамических процессов, образующихся при взрыве пылеметановоздушной смеси в горных выработках, в среде ANSYS FLUENT.

Ключевые слова: 3D моделирование, ANSYS FLUENT, ударная воздушная волна, математическое моделирование, угольная пыль, взрыв

MODELING OF AEROGASDYNAMIC PROCESSES OCCURRING IN THE SPACE OF COAL MINES IN THE EXPLOSION OF DUST-METHANE-AIR MIXTURES

E.O. Sharavin; V.D. Tsygankov.

Saint-Petersburg university of State fire service of EMERCOM of Russia. V.V. Smirnyakov. Saint-Petersburg mining university

This article discusses the possibility of using 3-dimensional models obtained using a 3D scanner for physical and mathematical modeling of the arhazodynamic processes generated by the explosion of dust-air waves in confined spaces of mine workings in ANSYS FLUENT.

Keywords: 3D modeling, ANSYS FLUENT, shock wave, mathematical modeling, coal dust, explosion

Современные технологии в области 3D моделирования в достаточной для практических целей мере позволяют воплощать проектировщику свои идеи в жизнь.

Классическая задача компьютерного моделирования заключается в разработке и расчёте модели/объекта и последующего воплощения чертежей на производстве. Но есть и потребность в решении обратной задачи, когда по готовому объекту необходимо сделать моделирование каких-либо физических процессов. Такие специфические требования возникают, когда для модели/объекта утрачена документация, например для некоторых старинных зданий и сооружений, или была произведена неоднократная реконструкция сложных инженерно-технических сооружений с изменением несущих функций. В этих случаях использование 3D сканера, предназначенного для получения трехмерных моделей, позволяет измерить все параметры модели/объекта с высокой точностью, достаточной для выполнения конструкторской документации. В рамках статьи предлагается использовать любой 3D-сканер (авторы для исследований использовали лазерно-сканирующее устройство Trimble TX5) для геометрических измерений, подвергшихся деформациям горных выработок и последующих расчётов как аэрогазодинамических процессов, так и геомеханических параметров крепи и вмещающих пород. Рассмотрим первую задачу, связанную с компьютерным моделированием взрыва пылегазовоздушной смеси на участке пересечения горных выработок. Для этой задачи исходные геометрические данные получаются

с помощью лазерно-сканирующего устройства, а обработка результатов осуществляется в программном продукте ANSYS FLUENT.

Апробация методики по созданию высокоточных трехмерных моделей по имеющимся реальным инженерно-техническим объектам с последующим физико-математическим расчетом в программном продукте ANSYS FLUENT по моделированию аэрогазодинамических процессов возникновения и распространения ударной воздушной волны в трехмерной постановке задачи.

В основу предлагаемого метода положены результаты, полученные авторами работ [1-4], занимавшимися моделированием аэродинамических процессов в среде ANSYS, а также зарубежными учеными [5, 6]. Кроме того, с учетом рекомендаций компаний производителей сканирующего оборудования и методических рекомендаций применения программных продуктов ANSYS, приведенных на их сайтах [7, 8], а также научно-технических данных, связанных с изучением взрывоопасных свойств каменноугольной пыли, изложенных в работах [9, 10], выделили три основных этапа:

- получение достоверной трехмерной модели по результатам сканирования;

- экспорт геометрической модели с последующим моделированием распространения ударной воздушной волны в программном продукте ANSYS FLUENT;

- выбор исходных данных (максимальное давление взрыва, скорость нарастания давления при взрыве и т.п.).

В своей дальнейшей работе применялись исходные данные, полученные авторами работ [11, 12].

Этапы получения трехмерной модели при помощи 3D сканера:

1. Подготовка объекта сканирования:

- выбор мест размещения сканера;

- установка маркерных целей.

2. Сканирование объекта.

3. Обработка результатов сканирования с помощью специального программного обеспечения:

- объединение файлов сканирования;

- обрезка облака точек;

- отчистка от шумов.

3. Преобразование облака точек в трехмерную модель.

Для получения качественного результата съемки необходимо разумно подойти к размещению сканера (точек стояния) относительно сканируемого объекта.

Минимального значения погрешности измерения и увеличения диапазона сканирования удастся добиться при минимальном уровне освещенности и расположению сканирующего устройства таким образом, чтобы луч сканера падал по нормали к сканирующей поверхности. Кроме того, необходимо учитывать коэффициент отражения объекта, так как это так же сказывается на погрешности и дальности измерения [4, 7, 8].

В зависимости от геометрической формы сканируемого объекта выбирают число и место размещения точек стояния, при этом число слепых зон, невидимых для сканера, необходимо сократить до минимума (рис. 1).

При съемке объектов при помощи 3D сканеров необходимо использовать маркерные цели, которые в последующем будут использованы для объединения файлов сканирования (сканов) [3, 4, 8, 9]. На рис. 2 показано, что они бывают двух видов: плоские и объемные.

Рис. 1. Уменьшение числа слепых зон посредством увеличения числа точек стояния

Рис. 2. Изображение маркерных целей: слева плоской и справа объемной в виде шара [7, 8]

Предварительно проведенные работы позволили установить, что для решения стоящих перед авторами задач необходимо применять объемные цели, так как при наведении на них под значительными углами не происходит ошибки определения координаты центральной точки, в отличии от плоских меток.

Особое внимание необходимо уделить выбору настроек для сканирования, так как это повлияет на время самого сканирования и качество получаемой модели.

После завершения съемки файлы сканирования экспортировали в прикладное программное обеспечение Autodesk ReCap. Полученные данные можно экспортировать и в другое программное обеспечение, например FARO SCENE.

Основной задачей данных программ является объединение файлов сканирования между собой, удаление шумов и обрезка полученного облака точек. В качестве примере на рис. 3 показана съёмка условной выработки лазерно-сканирующим устройством Trimble TX5. В качестве условной выработки подобрано подвальное помещение с пересекающимися под прямым углом проходами. Модель была достаточно приближена к натурным условиям, так как в подвале практически отсутствовало освещение, размеры подвала примерно соответствовали типовым сечениям выработки, а несущие строительные конструкции и кирпичные ставки создавали аэродинамическое сопротивление по аналогу крепей горной выработки.

Рис. 3. Объединенное облако точек, полученное в программе Autodesk ReCap после сканирования лазерно-сканирующим устройством Trimble TX5

После обработки облака точек самым сложным и громоздким этапом создания модели является непосредственно создание трехмерной модели объекта. В своей работе авторы использовали различные системы автоматизированного проектирования, такие как AutoCAD, Invertor Pro, Revit и др. Наиболее простой в работе нам показалась система Revit, но и другие программы не хуже по качеству получаемых результатов.

На рис. 4 показана трехмерная модель, воссозданная по облаку точек в системе Revit. Полученный результат соответствует высококачественной фотографии и может использоваться для иллюстрации, презентаций и пр., поясняющих отчёты и пояснительные записки научно-исследовательских работ и проектно-конструкторской документации.

Рис. 4. Трехмерная модель, воссозданная по облаку точек в Revit

Основные этапы математического моделирования в среде ANSYS FLUENT для задания ударной волны:

- создание необходимой геометрической модели;

- разбитие модели на элементы и генерация сетки для последующего расчета (рис. 5);

Рис. 5. Пример разбиения геометрической модели на конечные элементы: а - куб; б - треугольная призма

- задание граничных условии, материала и давлении;

- выбор необходимого уравнения решения и оптимизация параметров, соответствующих уравнению;

- вывод и визуализация данных расчета представлены на рис. 6. Исходные данные (параметры взрыва) взяты из работ [7, 10, 11, 14].

Программными средствами можно получить градиент давления при распространении ударноИ воздушной волны как фрагментально, в сечениях на каждый заданный отрезок времени, так и в динамике, в виде видеоролика. Области высокого давления выделены красным цветом и хорошо иллюстрируют характер распространения ударноИ волны.

Рис. 6. Градиент давления распространения ударной воздушной волны в программном

продукте ANSYS FLUENT

Апробация методики по созданию высокоточных трехмерных моделей по имеющимся реальным инженерно-техническим объектам с последующим физико-математическим расчетом в программном продукте ANSYS FLUENT по моделированию аэрогазодинамических процессов возникновения и распространения ударной воздушной волны в трехмерной постановке задачи.

Предварительные результаты по апробации методики по созданию высокоточных трехмерных моделей по имеющимся реальным инженерно-техническим объектам с последующим физико-математическим расчетом в программном продукте ANSYS FLUENT по моделированию аэрогазодинамических процессов возникновения и распространения ударной воздушной волны в трехмерной постановке задачи показали правильность выбранного подхода к решению такого рода задач.

Полученные результаты моделирования аэрогазодинамических процессов, происходящих в замкнутом пространстве (например, в угольных шахтах, горных выработках и т.п.), при взрыве пылеметановоздушной смеси хорошо согласуются с результатами других авторов, описанных в работах [2-5, 12, 13].

Полученные расчетные данные могут быть использованы для оценки характера воздействия воздушной ударной волны как на отдельные элементы систем защиты, так на оборудование горных выработок, что позволит в последующем конструктивно оптимизировать защитные сооружения для минимизации последствий взрыва.

Литература

1. Каледина Н.О., Кобылкин С.С. Моделирование процессов вентиляции шахт для обеспечения метанобезопасности горных работ // Горный журнал. 2011. № 7. C. 101-103.

2. Каледина Н.О., Кобылкин С.С. Объемное моделирование как метод исследования и управления термо- и аэрогазодинамическими процессами на горных предприятиях // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2013. № S1. С. 149-156.

3. Kaledina N.O., Kobylkin S.S. Ventilation of blind roadways in coal mines: problems and solutions // Eurasian Mining. 2015. № 2. pp. 26-30.

4. Дмитриева О.А., Огрызко Я.А. ОАО «Концерн «Океанприбор». Решение задачи прохождения сферической звуковой волны сквозь упругий слой в ANSYS // ANSYS Advantage. Русская редакция № 16. Нефтегазовое оборудование. 2011. С. 11-12.

5. Draganic H., Varevac D. Numerical simulation of effect of explosive action on overpasses // GRABEVINAR. 2017. 69 (6). С. 437-451.

6. Armand Patrick, Olry Christophe, Albergel Armand, Duchenne Christophe. 3D simulation of the dispersion in the urban environment in case of an explosion using tesatex pre-processor and micro-swift-spray modelling system // Croatian Meteorological Journal. 2008. Vol. 43. № 43/1.

7. Родионов В.А., Абиев З.А., Жихарев С.Я. Методика исследования процессов горения и детонации каменноугольной пыли в горных выработках // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Геология. Нефтегазовое и горное дело. 2018. Т. 17. № 1. С. 50-59. DOI: 10.15593/2224-9923/2018.1.5.

8. Laser scanning Europe. URL: http://www.laserscanning-europe.com/en/laser-scanning. (дата обращения: 17.11.2018).

9. Trimble. URL: http://www.trimble.com/Industries/Mining/Index.aspx. (дата обращения: 17.11.2018).

10. Пихконен Л.В., Родионов В.А., Жихарев С.Я. Определение взрывопожароопасных свойств каменного угля Ленинск-Кузнецкого месторождения // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. 2017. № 3. С. 74-83.

11. Исследование взрывчатых свойств каменноугольной пыли глубоких шахт Кузнецкого бассейна / З.А. Абиев [и др.] // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. 2018. № 1. С. 73-82.

12. Мироньчев А.В., Цыганков В.Д. Оценка состояния строительных конструкций до и после пожара с помощью трехмерного лазерного сканирования // Надзорная деятельность и судебная экспертиза в системе безопасности. 2015. № 4. С. 29-32.

13. Методика исследования влияния ингибирующих и флегматизирующих добавок на воспламеняемость и взрывчатость угольной пыли / З.А. Абиев [и др.] // Горный

информационно-аналитический бюллетень. 2018. № 5. С. 26-34. DOI: 10.25018/0236-14932018-5-0-26-34.

14. Жихарев С.Я., Родионов В.А., Пихконен Л.В. Исследование технологических свойств и показателей взрывопожароопасности каменноугольной пыли инновационными методами // Горный журнал. 2018. № 6. С. 45-49.

References

1. Kaledina N.O., Kobylkin S.S. Modelirovanie processov ventilyacii shaht dlya obespecheniya metanobezopasnosti gornyh rabot // Gornyj zhurnal. 2011. № 7. C. 101-103.

2. Kaledina N.O., Kobylkin S.S. Ob"emnoe modelirovanie kak metod issledovaniya i upravleniya termo- i aehrogazodinamicheskimi processami na gornyh predpriyatiyah // Gornyj informacionno-analiticheskij byulleten'. 2013. № S1. S. 149-156.

3. Kaledina N.O., Kobylkin S.S. Ventilation of blind roadways in coal mines: problems and solutions // Eurasian Mining. 2015. № 2. pp. 26-30.

4. Dmitrieva O.A., Ogryzko YA.A. OAO «Koncern «Okeanpribor». Reshenie zadachi prohozhdeniya sfericheskoj zvukovoj volny skvoz' uprugij sloj v ANSYS // ANSYS Advantage. Russkaya redakciya № 16. Neftegazovoe oborudovanie. 2011. S. 11-12.

5. Draganic H., Varevac D. Numerical simulation of effect of explosive action on overpasses // GRABEVINAR. 2017. 69 (6). S. 437-451.

6. Armand Patrick, Olry Christophe, Albergel Armand, Duchenne Christophe. 3D simulation of the dispersion in the urban environment in case of an explosion using tesatex pre-processor and micro-swift-spray modelling system // Croatian Meteorological Journal. 2008. Vol. 43. № 43/1.

7. Rodionov V.A., Abiev Z.A., ZHiharev S.YA. Metodika issledovaniya processov goreniya i detonacii kamennougol'noj pyli v gornyh vyrabotkah // Vestnik Permskogo nacional'nogo issledovatel'skogo politekhnicheskogo universiteta. Geologiya. Neftegazovoe i gornoe delo. 2018. T. 17. № 1. S. 50-59. DOI: 10.15593/2224-9923/2018.1.5.

8. Laser scanning Europe. URL: http://www.laserscanning-europe.com/en/laser-scanning. (data obrashcheniya: 17.11.2018).

9. Trimble. URL: http://www.trimble.com/Industries/Mining/Index.aspx. (data obrashcheniya: 17.11.2018).

10. Pihkonen L.V., Rodionov V.A., ZHiharev S.YA. Opredelenie vzryvopozharoopasnyh svojstv kamennogo uglya Leninsk-Kuzneckogo mestorozhdeniya // Izvestiya Tul'skogo gosudarstvennogo universiteta. Nauki o Zemle. 2017. № 3. S. 74-83.

11. Issledovanie vzryvchatyh svojstv kamennougol'noj pyli glubokih shaht Kuzneckogo bassejna / Z.A. Abiev [i dr.] // Izvestiya Tul'skogo gosudarstvennogo universiteta. Nauki o Zemle. 2018. № 1. S. 73-82.

12. Miron'chev A.V., Cygankov V.D. Ocenka sostoyaniya stroitel'nyh konstrukcij do i posle pozhara s pomoshch'yu trekhmernogo lazernogo skanirovaniya // Nadzornaya deyatel'nost' i sudebnaya ehkspertiza v sisteme bezopasnosti. 2015. № 4. S. 29-32.

13. Metodika issledovaniya vliyaniya ingibiruyushchih i flegmatiziruyushchih dobavok na vosplamenyaemost' i vzryvchatost' ugol'noj pyli / Z.A. Abiev [i dr.] // Gornyj informacionno-analiticheskij byulleten'. 2018. № 5. S. 26-34. DOI: 10.25018/0236-1493-2018-5-0-26-34.

14. Zhiharev S.Ya., Rodionov V.A., Pihkonen L.V. Issledovanie tekhnologicheskih svojstv i pokazatelej vzryvopozharoopasnosti kamennougol'noj pyli innovacionnymi metodami // Gornyj zhurnal. 2018. № 6. S. 45-49.