Повышение безопасности при возникновении аварийных газовых взрывов и распространении ударных воздушных волн в протяженных сооружениях

Abstract

RU: Разработка и исследование схем гашения ударных воздушных волн в протяженных сооружениях, за счет конст- руктивных и планировочных решений, при условии сохранения технологического сечения каналов и выработок. Обоснова- ние параметров численного моделирования в CFD моделях разрывного внутреннего течения газового потока. Методика. Исследования выполнялись на основании поиска и анализа публикаций по теме работы, применялся анализ объекта иссле- дования для математической постановки задачи и обоснования граничных условий и параметров численного моделирова- ния. Для обоснования рациональных конфигураций волногасительных камер выполнялось аналитическая оценка взаимо- действия фронта ударной воздушной волны с обратным уступом и стенкой камеры. Путем численного моделирования изу- чены физические процессы гашения ударных воздушных волн. Результаты исследования. Анализ физических процес- сов происходящих при распространения ударных воздушных волн по системе волногасительных камер позволил выявить ряд качественных и количественных закономерностей движения фронта волны вдоль обратного уступа непосредственно в камере и вдоль ее стенки. Показаны причины низкой эффективности применявшихся ранее расширительных камер сечения которых значительно превышают сечения каналов. Для эффективного гашения сильных ударных воздушных волн с избы- точным давлением более 0,1 МПа необходимо применять серию коротких волногасительных камер малой приведенной ширины. Такого типа камеры существенно повышают волновое сопротивления протяженного канала за счет многократного отражения части фронта ударной волны на замыкающих поверхностях камеры. На выходе из системы волногасительных камер такого типа ударная воздушная волна трансформируется в дозвуковую волну сжатия, с понижением амплитуды фронта волны на 50-80 % по отношению к базовым показателям. Результаты численного моделирования позволили устано- вить, что такой эффект возникает лишь в волногасительных камерах с симметричным расположением крыльев камеры. На- учная новизна. Обоснованы параметры численного моделирования распространения ударной воздушной волны через систему волногасительных камер в среде моделирования FlowVision. Произведена аналитическая оценка параметров волно- вого фронта при обтекании обратного уступа непосредственно в волногасительной камере и движения вдоль ее стенки. Установлены зависимость эффективности гашения ударной воздушной волны от размеров и количества камер с учетом избыточного давления на фронте волны. Практическое значение. Обоснованные рациональные параметры волногаси- тельных камер позволяют повысить эффективность защиты персонала от действия ударных воздушных волн в протяженных сооружениях объектов гражданской обороны и горнодобывающей промышленности.

UK: Мета. Розробка і дослідження схем гасіння ударних повітряних хвиль в протяжних спорудах, за рахунок конструктивних і планувальних рішень, за умови збереження технологічного перетину каналів і виробок. Обгрунтування параметрів чисельного моделювання в CFD моделях розривного внутрішнього течії газового потоку. Методика. Дослідження виконувалися на підставі пошуку та аналізу публікацій по темі роботи, застосовувався аналіз об'єкта дослідження для математичної постановки задачі і обґрунтування граничних умов і параметрів чисельного моделювання. Для обгрунтування раціональних конфігурацій камер для гасіння хвиль виконувалося аналітична оцінка взаємодії фронту ударної повітряної хвилі зі зворотним уступом і стінкою камери. Шляхом чисельного моделювання вивчені фізичні процеси гасіння ударних повітряних хвиль. Результати дослідження. Аналіз фізичних процесів, що відбуваються при поширення ударних повітряних хвиль по системі камер для гасіння хвиль дозволив виявити ряд якісних і кількісних закономірностей руху фронту хвилі вздовж зворотного уступу безпосередньо в камері і вздовж її стінки. Показано причини низької ефективності застосовувалися раніше розширювальних камер перетину яких значно перевищують перетин каналів. Для ефективного гасіння сильних ударних повітряних хвиль з надлишковим тиском більше 0,1 МПа необхідно застосовувати серію коротких камер для гасіння хвиль малої наведеної ширини. Такого типу камери істотно підвищують хвильовий опір протяжного каналу за рахунок багаторазового відбиття частини фронту ударної хвилі на замикаючих поверхнях камери. На виході з системи камер для гасіння хвиль такого типу ударна повітряна хвиля трансформується в дозвукову хвилю стискання, з пониженням амплітуди фронту хвилі на 50-80% по відношенню до базовими показниками. Результати чисельного моделювання дозволили встановити, що такий ефект виникає лише в камерах для гасіння хвиль з симетричним розташуванням крил камери. Наукова новизна. Обґрунтовано параметри чисельного моделювання поширення ударної повітряної хвилі через систему камер для гасіння хвиль в середовищі моделювання FlowVision. Проведена аналітична оцінка параметрів хвильового фронту при обтіканні зворотного уступу безпосередньо в камері для гасіння хвиль і руху вздовж її стінки. Встановлено залежність ефективності гасіння ударної повітряної хвилі від розмірів і кількості камер з урахуванням надлишкового тиску на фронті хвилі. Практичне значення. Обгрунтовані раціональні параметри камер для гасіння хвиль дозволяють підвищити ефективність захисту персоналу від дії ударних повітряних хвиль в протяжних спорудах об'єктів цивільної оборони та гірничо-добувної промисловості.

EN: Development and research of shock air waves damping schemes in extended structures, due to constructive and planning solutions, provided that the technological section of the channels and workings is maintained. Substantiation of the parameters of numerical simulation in CFD models of a discontinuous internal flow of a gas stream. Methodology. The studies were carried out on the basis of the search and analysis of publications on the topic of work, the analysis of the object of study was used for the mathematical formulation of the problem and the substantiation of the boundary conditions and parameters of numerical simulation. To substantiate the rational configurations of chambers for damping waves, an analytical evaluation of the interaction of the front of a shock air wave with a reverse step and the wall of the chamber was performed. By numerical modeling, physical processes of shock air waves damping have been studied. Findings. Analysis of the physical processes occurring during the propagation of shock air waves through the system of chambers for damping waves revealed a number of qualitative and quantitative patterns of motion of the wave front along the backward ledge directly in the chamber and along its wall. The reasons for the low efficiency of previously used expansion chambers with cross sections that significantly exceed the cross sections of the channels are shown. For effective damping of strong shock air waves with an excess pressure of more than 0.1 MPa, it is necessary to use a series of short chambers for damping waves of small reduced width. This type of camera significantly increases the wave resistance of the extended channel due to multiple reflection of a part of the shock wave front on the closing surfaces of the camera. At the exit from the camera system for damping waves of this type, the shock air wave is transformed into a subsonic compression wave, with a decrease in the amplitude of the wave front by 50-80% relative to the baseline. The results of numerical simulation have allowed to establish that such an effect occurs only in chambers for damping waves with a symmetrical arrangement of the wings of the chamber. Originality. The parameters of numerical simulation of the propagation of a shock air wave through a system of cameras for damping waves in the flowVision simulation environment are substantiated. An analytical evaluation of the wavefront parameters is made with the flow around the reverse ledge directly in the chamber for damping waves and moving along its wall. The dependence of the efficiency of damping a shock air wave on the size and number of chambers, taking into account the excess pressure at the wave front, has been established. Practical value. Reasonable rational parameters of wave damping chambers allow increasing the efficiency of personnel protection against the effects of air shock waves in extended structures of civil defense and mining facilities.