Экспериментальная установка для имитации процессов распространения облаков газов

А. И. Купцов, Д. Я. Исламхузин, Ф. М. Гимранов

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ИМИТАЦИИ ПРОЦЕССОВ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ОБЛАКОВ ГАЗОВ

Ключевые слова: тяжелый газ, распространение, эксперименты, численное моделирование.

Создана экспериментальная установка, позволяющая имитировать процесс распространения газовоздушного облака в атмосферном воздухе, возникающего в результате аварийной разгерметизации оборудования. Проведенные исследования показали удовлетворительное совпадение экспериментальных и расчетных данных. В качестве расчетной модели турбулентности использовалась известная модель k-e standard.

Keywords: heavy gas, distribution, experiments, numerical modeling.

An experimental setup been made, allowing to simulate the spread of air-gas clouds in the atmosphere, resulting from rapid depres-surization equipment. Studies have shown good agreement between experimental and calculated data. As a computational model of turbulence model was used known k-e standard.

Одной из приоритетных проблем обеспечения промышленной безопасности является прогнозирование возможных сценариев развития аварий на химических и нефтехимических производствах, связанных с выбросами опасных газов и паров. Теоретическому прогнозированию данных ситуаций посвящено множество работ [1-5]. Дать адекватное описание динамики и характера распространения опасных газов посредством упрощенных полуана-литических и полуэмпирических моделей, как это делается в практических расчетах, весьма сложно, так как характер атмосферной турбулентности и поле скорости в области источника выброса определяется множеством факторов. В настоящее время также используется численное моделирование, основанное на классических законах сохранения. Для подтверждения корректности численных расчетов обычно используют данные натурных экспериментальных исследований и уже случившихся аварий. Следует отметить, что проведение натурных экспериментов обходится крайне дорого, а также представляет угрозу, как для окружающей среды, так и для экспериментаторов. Использование данных уже имевших место аварий представляет значительные трудности из-за определенной ограниченности информации, как по причинам возникновения, так и по развитию и последствиям аварий. К тому же, каждая авария не повторяется, как следствие невозможна их систематизация. На основании выше сказанного, эксперименты в лабораторных условиях явились бы хорошим дополнением к сведениям натурных исследований и аварий. Исследования на модельной установке позволяют имитировать процесс распространения газовоздушного облака в открытом окружающем пространстве при различных аварийных ситуациях.

Как показывает практика, преобладающее большинство газовых и паровых выбросов при промышленных авариях в начальный момент времени имеют большую плотность, чем воздух и их, соответственно называют «тяжелыми газами». «Тяжелые газы», склонны к оседанию под действием силы тяжести, и они, как правило, образуют невысокие, но протяженные облака. Весьма опасные условия создаются при распространениях вещества при штилях

и при инверсии, так как в этом случае основная масса «тяжелой примеси» сосредотачивается у поверхности земли и при малых скоростях ветра очень медленно рассеивается [6-7].

Таким образом, было принято решение проводить эксперименты с реальными тяжелыми взрывоопасными газами в малых масштабах (в лабораторных условиях) и при малых скоростях движения воздуха, с последующей верификацией численного моделирования с результатами эксперимента. Для проведения исследований была специально сконструирована экспериментальная установка, представляющая собой камеру размером

1.6х0.7х1.06 м. «Тяжелым газом» был выбран пропан. Аварийный выброс «тяжелого газа» в окружающее пространство имитировали подачей пропана в полость камеры через пропускное устройство.

Для получения скорости движения воздуха в объеме экспериментальной камеры, схожее с движением атмосферного воздуха в окружающей среде при штиле, необходимо было выбрать правильную конструкцию камеры. С этой целью были рассмотрены различные варианты экспериментальной камеры, эффективность каждой из которых оценивалась путем численного моделирования с использованием программного пакета Fluent [8]. Оказалось, что наиболее близкой к имитации маловетреной погоды (плавное слоистое течение) является подача воздуха в камеру через входную перфорированную стенку и удаление воздуха с примесью «тяжелого газа» через перфорированную решетку на выходе (рис.1). Скорость перемещения воздуха внутри исследовательской камеры варьировалась в пределах 0,01 - 0,3 м/c. Визуализация движения потока воздуха в камере осуществлялась за счет подачи дыма. Дым вырабатывался при помощи специально созданного для этих целей дымогенератора.

Данная экспериментальная установка работает следующим образом: после включения вентилятора происходит всасывание воздуха через входную перфорированную стенку 1 в объем экспериментальной камеры.

Рис. 1 - Схема экспериментальной установки: 1 -входная перфорированная стенка, 2 - шибер, 3 -линия подачи газа, 4 - отсечной вентиль, 5 -игольчатый вентиль, 6 - ротаметр, 7 - байпасная линия, 8 - трехходовой кран, 9 - пропускное устройство подачи газа, 10 - датчик газоанализатора, 11 - перфорированная решетка

Расход воздуха регулируется с помощью шибера 2. Через основную линию подачи 3 после приоткрытая отсечного вентиля 4 подается взрывоопасный газ (пропан). Его расход регулируется игольчатым вентилем 5, и замеряется ротаметром 6. Для исключения попадания пропана в замкнутый объем до настройки его расхода ротаметром используется байпасная линия 7. Переключение между основной линией 3 и байпасной 7 производится при помощи трехходового крана 8. После настройки расхода, трехходовой кран 8 устанавливается в положение, перекрывающее байпасную линию 7 и открывающее основную линию 3. Затем взрывоопасный газ (пропан) попадает на пропускное устройство 9 (патрубок), конструкция которого представляет сопло с мелкой решеткой и насадкой (для равномерной по сечению подачи газа). Газ (пропан) смешивается с поступающим воздухом, образуя смесь, и распространяется в замкнутом объеме. Датчик газоанализатора 10 фиксирует концентрацию смеси в контрольной точке. Через воздуховод с помощью вентиляционной системы смесь сквозь перфорированную решетку 11 удаляется из установки в атмосферу.

В качестве средства измерения концентраций пропана в контрольной точке был выбран газоанализатор Сигма-1М. Диапазон измерения газоанализатора - 0 - 50% НКПРП (нижний концентрационный предел распространения пламени), абсолютная погрешность прибора для пропана составляет ± 5% от НКПРП [9].

Была проведена серия экспериментов с распространением пропана при постоянном расходе его подачи. Затем проводилось сравнение данных экспериментов в контрольной точке с данными численного расчета.

В основе численного математического моделирования распространения тяжелых газов заложены основные классические уравнения сохранения: уравнения неразрывности, переноса импульса, переноса энергии, переноса примеси и состояния [10]. При этом необходимо учитывать, что процессы

распространения газовоздушных облаков в природе турбулентны. В настоящее время основным подходом к численному моделированию турбулентных рассеиваний является решение систем уравнений, осредненных по Рейнольдсу (Reynolds-averaged Navier-Stokes, RANS подход [11-12]). Результатом применения этой методики является выражение корреляционных моментов определенного порядка через корреляционные моменты более низкого порядка или характеристики осредненного течения. Преимуществом данного метода по сравнению с другими являются то, что уравнения Рейнольдса (RANS подход) сразу моделируют весь спектр масштабов турбулентности. Поэтому RANS подход значительно сокращает требования к компьютерным ресурсам и широко распространён в инженерных расчётах [11-12]. Моделирование распространения взрывоопасных газов осуществлялось наиболее часто используемым для этих целей пакетом Fluent [9]. В данной работе использовалась одна из самых распространенных моделей методики RANS-подхода: k-e standard модель [13]. Данная модель была верифицирована в работах [3,5].

В модели k-e standard решается два дополнительных уравнения: уравнение переноса кинетической энергии турбулентности (1) и уравнение переноса скорости диссипации кинетической энергии турбулентности (2):

ад +^) =A[L + A| Л] + Gk + Gb _ ps

8t dxj dxj ^ uk J 8x-

8

^---- _^~ [| M+--- Ь ] + G1eT (Gk + G3eGb ) _

8t 8x. 8x. I u, j 8x. k

- pG2 Здесь

e

k

8ui

Gk _il—L

8x,

8u, 8u,

—- + —-

8x j 8xi

Gb _fig,

18T

Pr 8x

где k - кинетическая энергия турбу-

I _ pCik /e

лентности, e - скорость диссипации кинетической энергии, д - коэффициент молекулярной вязкости, fit - коэффициент турбулентной вязкости, Prt - турбулентное число Прандтля; gi - компонент вектора гравитации в i-ом направлении; в - коэффициент термического расширения;

Значения констант были получены в работе [8] на основе обработки данных широкого ряда: Сд = 0.09, G1e = 1.44, G2e = 1.92, ck = 1.0.

Для расчетов пристеночных течений использовалась стандартная пристеночная функция для модели k-e standard.

Сравнение результатов численного расчета с экспериментальными значениями, проводилось по величине концентрации пропана в воздушном потоке в том месте, где размещался датчик газоанализатора (10, рис.1).

Согласно результатам стационарного расчета с использованием модели k-e standard отклонение результатов численных расчетов распространения газа в установке от показаний датчика газоанализатора составляет в разных пространственных точках исследовательской камеры от 5 до 10% (рис.2).

Линиями тренда на рис.2 обозначены линейные аппроксимации показаний датчика газоанализатора. Эксперименты проводились при скорости движения воздуха в камере 0,05 м/с (Яе = 6270).

1!i

(О

са. 10 г— м к § ♦ ♦ *

ее 5. ж

с О- С * ж ♦ л

X -1 о 4 ♦

О ♦ к )|« 11*>рИМН1 X» 2( Время пров 1 Чи X» 300 едения эксперимента, ЛРМНМЙ |>.1< ЧР1 — — >1< л Ю 5< Л1 1И11 1|>НИД.| Х>

Рис. 2а - Пространственная точка на высоте 0 мм., расход подачи пропана 0,008 м3/с

Рис. 2б - Пространственная точка на высоте 105 мм., расход подачи пропана 0,008 м3/с

. .♦

? 10 я

1 %  с 14 ♦ Iff 1 жшс V

| *♦ * £ 10 ♦ 4 * ♦ »**%* ♦ > ** д * :±-4- :

5 as s ♦ ♦ ♦

550 fi50 750 R50 Q50 1050 1150 1?50 1150 1450

Время проведения эксперимента, с.

•Численный рэсчс! — — Линия 1рснда

Рис. 2в - Пространственная точка на высоте 180 мм., расход подачи пропана 0,008 м3/с

В ходе математического моделирования были получены близкие результаты с экспериментальными данными.

Исходя из результатов проведенных исследований, можно утверждать, что созданная экспериментальная установка позволяет имитировать процесс распространения тяжелого опасного газа в атмосферном воздухе и использовать полученные данные для изучения распространения опасных газов посредством численного моделирования. С помощью установки возможно изучение процессов поведения облаков при наличии препятствий на их пути (условиях застройки производственными помещениями и оборудованием); при различных параметрах источников выбросов (угол наклона, диаметр, высота и т.д.) и при различных параметрах интенсивности выброса опасного газа и скорости движения воздуха.

Литература

1. Д.Я. Исламхузин. Дисс. канд. техн. наук, Казан. гос. технол. ун-т, Казань, 2003. 119 с.

2. А.Д. Галеев. Дисс. канд. техн. наук, Казан. гос. технол. ун-т, Казань, 2006. 227 с.

3. С.И. Сумской. Дисс. канд. техн. наук, Науч. технич. центр «Пром. безопасность», Москва, 2007. 165 с.

4. Ф.М. Гимранов, Вестник Казан. технол. ун-та, 5, 158161 (2010).

5. Е.В. Старовойтова, А.Д. Галеев, С.И. Поникаров, Вестник Казан. технол. ун-та, 13, 175-179 (2011).

6. М.В. Лисанов, А.В. Пчельников, С.И. Сумской, Российский химический журнал, XLIX, 4, 18-28 (2005).

7. М.Е. Берлянд, Прогноз и регулирование загрязнения атмосферы. Гидрометеоиздат, Л. 1985. 272с.

8. Fluent 6.3 User's Guide. Lebanon, 2003.

9. Газоанализатор взрывоопасных газов и паров многоканальный Сигма-1М. руководство по эксплуатации. ООО «Политехформ-М», Москва 2010. 35с.

10. Ф.Т.М. Ньюстадт, Х. Ван Доп, Атмосферная турбулентность и моделирование распространения примесей. Гидрометеоиздат, Л. 1985. 350с.

11. О.В.Батурин, Н.В.Батурин, В.Н.Матвеев, Расчет течений жидкостей и газов с помощью универсального про-граммного комплекса Fluent: учеб. пособие. Изд-во СГАУ, Самара 2009. 151с.

12. А.В. Старченко, Д.А. Беликов, В.Д. Гольдин, Р.Б. Нутерман. Пакет прикладных программ FLUENT для решения задач механики жидкости и газа, тепло и массопереноса. ТГУ, Томск 2007. 174с.

13. А.Ю.Снегирев. Высокопроизводительные вычисления в технической физике. Численное моделирование турбулентных течений. Изд-во Политехн. ун-та, СПб, 2009. — 143 с.

© А. И. Купцов - асп. каф. промышленной безопасности КНИТУ, artpb@yandex.ru; Д. Я. Исламхузин - канд. техн. наук, доц. той же кафедры; Ф. М. Гимранов - д-р техн. наук, проф., зав. каф. промышленной безопасности КНИТУ.