Моделирование инициирования взрыва метана ударной волной как прогноз оценки безопасности

Abstract

RU: Цель. Повышение безопасности работ во взрывопожароопасных помещениях, путем установления закономерностей инициирования газовоздушных смесей ударной воздушной волной и их учета в оценке риска и разработки мероприятий по их снижению. Математическое моделирование прохождения прямой и отраженной ударной воздушной волны через локальные скопления метана. Методика. На основе анализа известных исследований по математическому моделированию взрывных процессов в газовой среде ставится задача по исследованию процесса инициирования взрыва газовоздушной смеси ударной воздушной волной. Задача решается путем проведения численного эксперимента распространения ударной воздушной волны через облако газовоздушной смеси. Результаты. Решение задачи производится с использованием математической модели ударной трубы. Методика расчета в данной модели построена на совместном решении уравнений газодинамики и химической кинетики горения смеси метан-кислород в воздухе численным методом. Для описания движение среды в цилиндрической системе координат использовались уравнения Эйлера (в дивергентном виде), которые обычно используют при расчете течения сжимаемого идеального газа и допускают разрывные решения. Химическая реакция представлена в виде одной брутто-схемы (обобщенного кинетического механизма). Скорость реакции и соответственно тепловыделения рассчитывались по уравнению Аррениуса. Схема хорошо описывает как собственные, так и имеющиеся в литературе экспериментальные данные по воспламенению метана в ударных волнах в диапазоне избыточного давления во фронте ударной волны от 1,4 до 3 МПа. Научная новизна. Видимые эффекты инициирования показали сильное влияние газодинамики на кинетику химических реакций взрывного горения, что соответствует тепловому механизму воспламенения и перехода горения в детонацию. Практическая значимость. В численных экспериментах выявлены закономерности инициирования локальных скоплений метана, позволяющие повысить эффективность методики расчета безопасных расстояний и ударных нагрузок на строительные конструкции при аварийных взрывах.

UK: Мета. Підвищення безпеки робіт у вибухопожежонебезпечних приміщеннях, шляхом встановлення закономірностей ініціювання газоповітряних сумішей ударної повітряної хвилею, та врахування цього в оцінці ризику і розробки методів щодо їх зниження. Математичне моделювання проходження прямої і відбитої ударної повітряної хвилі через локальні скупчення метану. Методика. На основі аналізу відомих досліджень по математичному моделюванню вибухових процесів в газовому середовищі ставиться завдання по дослідженню процесу ініціювання вибуху газоповітряної суміші ударною повітряної хвилею. Завдання вирішується шляхом проведення чисельного експерименту поширення ударної повітряної хвилі через хмару газоповітряної суміші. Результати. Рішення завдання проводиться з використанням математичної моделі ударної труби. Методика розрахунку в цій моделі побудована на спільному рішенні рівнянь газодинаміки і хімічної кінетики горіння суміші метан-кисень в повітрі, чисельним методом. Для опису рух середовища в циліндричній системі координат використовувалися рівняння Ейлера (в дивергентному вигляді), які зазвичай використовують при розрахунку течії стискається ідеального газу і допускають розривні рішення. Хімічна реакція представлена у вигляді однієї брутто-схеми (узагальненого кінетичного механізму). Швидкість реакції і відповідно тепловиділення розраховувалися за рівнянням Арреніуса. Схема добре описує як власні, так і наявні в літературі експериментальні дані по займанню метана в ударних хвилях в діапазоні надлишкового тиску у фронті ударної хвилі від 1,4 до 3 МПа. Наукова новизна. Видимі ефекти ініціювання показали сильний вплив газодинаміки на кінетику хімічних реакцій вибухового горіння, що відповідає тепловому механізму займання і переходу горіння в детонацію. Практична значимість. У численних експериментах виявлено закономірності ініціювання локальних скупчень метану, що дозволяє підвищити ефективність методики розрахунку безпечних відстаней та ударних навантажень на будівельні конструкції при аварійних вибухах.

EN: Purpose. Increase the safety of work in explosive and fire hazardous areas by establishing the patterns of initiation of airgas mixtures by a shock air wave and their consideration in risk assessment and development of measures to reduce them. Mathematical modeling of the passage of a direct and reflected shock air wave through local accumulations of methane. Methodology. Based on the analysis of known studies on the mathematical modeling of explosive processes in a gaseous medium, the task is to study the process of initiating the explosion of a gas-air mixture by a shock air wave. The problem is solved by performing a numerical experiment of propagation of a shock air wave through a cloud of a gas-air mixture. Results. The solution of the problem is made using the mathematical model of the shock tube. The calculation technique in this model is based on the joint solution of the equations of gas dynamics and the chemical kinetics of combustion of a methane-oxygen mixture in air by a numerical method. To describe the motion of the medium in a cylindrical coordinate system, the Euler equations (in the divergent form) were used, which are usually used in calculating the flow of a compressible ideal gas and allow discontinuous solutions. The chemical reaction is presented in the form of one gross-scheme (generalized kinetic mechanism). The reaction rate and, accordingly, the heat release were calculated by the Arrhenius equation. The scheme well describes both own and available in the literature experimental data on the ignition of methane in shock waves in the range of excess pressure in the front of the shock wave from 1.4 to 3 MPa. Scientific novelty. Visible initiation effects have shown a strong influence of gas dynamics on the kinetics of chemical reactions of explosive combustion, which corresponds to the thermal mechanism of ignition and the transition of combustion to detonation. Practical value. Numerical experiments revealed regularities in the initiation of local methane accumulations, which make it possible to increase the efficiency of the method for calculating safe distances and shock loads on building structures during emergency explosions.