Опыт моделирования и оценка параметров взрывов газовых смесей с использованием компьютерных программ FLACS и AutoReaGas Дульнев А.И., Чижевский В.В. Федеральное государственное унитарное предприятие «ЦЕНТРАЛЬНЫЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ имени академика А.Н. КРЫЛОВА» май 2012

ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова Общая площадь, м Количество зданий, ед опытовых бассейнов, Численность персонала, чел. ~2500 Институт основан в 1894 году Создание нормативно-методического базиса проектирования и строительства объектов кораблестроения и морской техники Подготовку оригинальных проектов судов и морских сооружений Определение стратегических направлений развития судостроительной отрасли За годы деятельности: Испытано более 12 тыс. моделей судов и других морских сооружений Спроектировано более 10 тыс.гребных винтов и других движителей Испытано на стендах более 20 тыс. полунатурных и натурных корпусных конструкций Проведена экспертиза более 2000 проектов судов и других морских сооружений По проектам ЦКБ «Балтсудопроект», являющегося подразделением Института, построено более 2600 судов и кораблей суммарным водоизмещением около 12 млн. т

Пожаробезопасность кораблей и судов Исследование процессов возникновения, развития и тушения пожаров Моделирование действий экипажей и пассажиров в аварийных ситуациях Расчетно-экспериментальное определение уровней тепловых воздействий на корпус и оборудование при пожарах Имитационное моделирование пожаров Программы и методики испытаний средств пожаротушения кораблей Оценка живучести кораблей и судов

Воздействие и защита от взрывов Исследование взаимодействия ударных волн с корпусными конструкциями морских объектов Расчетное и экспериментальное определение взрывосопротивляемости конструкций Компьютерное моделирование деформирования и разрушения конструкций при действии взрывных нагрузок Разработка систем и конструкций защиты Разработка методов и специализированного программного обеспечения для расчетов кораблей Разработка рекомендаций по повышению динамической прочности конструкций в целом и ее узлов Взрывная камера высокого давления Моделирование взрыва - AutoReaGas (ARG)

FLACS ( GExCon ) и ARG ( Century Dynamics, TNO ). Основные положения

FLACS и ARG. Валидация Собственные эксперименты (маломасштабные, среднемасштабные и натурные испытания) Международные проекты *) Информация и иллюстрации компаний GexCon и TNO Отсутствует информация о погрешности эксперимента!

Методы определения параметров взрыва газовых смесей ФЕНОМЕНО- ЛОГИЧЕСКИЕ CFD НОРМАТИВНЫЕ ДОКУМЕНТЫ ЧИСЛЕННЫЕ МЕТОДЫ РАСЧЕТА ОТЕЧЕСТ- ВЕННЫЕ ЗАРУБЕЖНЫЕ ГОСТы СНиПы Руководящие документы DNV API SCOPE CLICHE FLACS AutoReaGas … … ЭМПИРИЧЕСКИЕ ТНТ-эквивалента TNO MULTI ENERGY … ……

Тестовая задача 1. Постановка Модель: - горючее - метан; - стехиометрическая смесь; - полусферическое облако R=5 м; - неограниченное пространство; - размер области расположения объектов (15х15х10) x z Точка инициирования Объекты, формирующие загроможденность Датчики Исследовалось влияние: – формы объектов (круглое, квадратное сечение); – степени загроможденности пространства; – способа создания загроможденности (изменение количества объектов или их размера); – размера ячеек расчётной сетки (FLACS). Коэффициент загроможденности = ~0,1Коэффициент загроможденности = ~0,7

Тестовая задача 1. Результаты расчётов (1) Влияние исследуемых факторов на параметры взрыва вне газового облака –несущественно

Тестовая задача 1. Результаты расчётов (2)

Тестовая задача 1. Результаты расчётов (3) Влияние размера ячеек при использовании FLACS Коэффициент загроможденности = 0,3 Плохо Недостаточное разрешение Рекомендуемая область Информация компании GexCon Нет полной определенности в выборе необходимого размера ячеек. Для каждой расчетной модели это специальное исследование Размер ячеек зависит от размера объектов или степени загроможденности?

Горючий газ – стехиометрическая смесь метана с воздухом Расположение, конфигурация и объем облака газовой смеси заданы Рассматривается воздействие на жилой модуль и защитную стену Варьируются размеры облака, его форма и расположение точки поджигания Тестовая задача 2. Морская платформа типа «Приразломная»

Моделирование геометрии Исходная модель строилась в AutoReaGas и импортировалась во FLACS

Расположение контрольных точек Контрольные точки : на защитной стене; на жилом модуле; на поверхности верхней палубы.

Облако газовой смеси 1610 м м 3 где r – абсолютное расстояние от точки поджигания; R 0i – начальный радиус полусферического облака, равного по объёму i-му облаку. Объём облака 714 м 3 (масса метана 48,4 кг); 1610 м 3 (масса метана 109,1 кг); 4090 м 3 (масса метана 277,2 кг). Безразмерное расстояние: AutoReaGas FLACS 1610 м 3 Начало процесса Окончание горения

Параметры взрыва Нагрузки, действующие на ближайшие к эпицентру взрыва конструкции жилого модуля (Облако 1610 м 3 ). FLACS – размер ячеек в облаке ~0,15 м Избыточное давление Импульс фазы сжатия Максимальное давление FLACS в 3-4 раза меньше

Российские нормативные документы РД «Методика оценки последствий аварийных взрывов топливно-воздушных смесей», Госгортехнадзор России РБ Г «Руководство по анализу опасности аварийных взрывов и определению параметров их механического действия», Госатомнадзор России, V г – скорость фронта пламени; зависит от режима взрывного превращения Класс горючего вещества Вид окружающего пространства Режим взрывного превращения (6 диапазонов) При скоростях фронта пламени до 300 м/с и на дистанциях до 10 начальных радиусов облака давление взрыва в соответствии с методикой РБ Г всегда больше

Сопоставление аналитических оценок и результатов 3D моделирования Избыточное давление и импульс фазы сжатия Большое различие по параметрам взрыва – внутри облака Незначительное различие – на дистанциях больше 3-4 радиусов

Дополнительная имитация маломасштабных объектов (изменение загроможденности) b) d = 0.4 м, = 2 м, k V = 0.085, k S = c) d = 0.1 м, = 2 м, k V = 0.060, k S = d) d = 0.4 м, = 4 м, k V = 0.022, k S = a) d = 0.8 м, = 2 м, k V = 0.302, k S = 0.640

Влияние маломасштабных объектов. Сопоставление результатов FLACS и ARG Расчет по программе AutoReaGas Расчет по программе FLACS FLACS – очень сильное влияние (более, чем в 5 раз по максимальному давлению) AutoReaGas – менее сильное влияние (меньше, чем в 2 раза по максимальному давлению) b) d = 0.4 м, = 2 м, k V = 0.085, k S = c) d = 0.1 м, = 2 м, k V = 0.060, k S = d) d = 0.4 м, = 4 м, k V = 0.022, k S = a) d = 0.8 м, = 2 м, k V = 0.302, k S = 0.640

Влияние размера ячеек расчетной сетки Результаты FLACS в сравнении с ARG Variant d) Variant a)Variant b) Variant c) a) d = 0.8 м, = 2 м, k V = 0.302, k S = b) d = 0.4 м, = 2 м, k V = 0.085, k S = c) d = 0.1 м, = 2 м, k V = 0.060, k S = d) d = 0.4 м, = 4 м, k V = 0.022, k S = Для разных условий загроможденности разное влияние размера ячеек. В некоторых случаях два уровня насыщения давления от размера ячеек (см. также Тестовую задачу 1)

Тестовая задача 3. Формирование газового облака и взрыв Формирование облака (истечение и дисперсия газа) Область оценки газового состава Определение объема стехиометрического облака Построение стехиометрического облака

Тестовая задача 3. Результаты расчетов Только для точек удаленных от облака газовой смеси давление от взрыва «реального» облака сопоставимо с давлением взрыва стехиометрического облака GexCon: «худший» случай «реалистичный» анализ вероятностный анализ

Заключение FLACS – удобный инструмент для моделирования формирования взрывоопасного облака и расчета параметров взрыва. Постоянное развитие программного кода. Большой набор экспериментальных данных для верификации и валидации. Хороший обмен информацией (FLUG – группа). Очень низкие параметры взрыва при относительно небольшой загромождённости расчетной области мелкими объектами. Действительно или нет? Программа чувствительна к детализации геометрии и размеру ячеек расчетной сетки. Нет определенности в выборе необходимого размера ячеек. Каждый раз новое исследование, включая оценку влияния CFLC и CFLV? Очень высокая цена. «Плохие» условия лицензирования. В некоторых случаях целесообразно применение FLACS + ARG (или другой CFD-программы 3D моделирования).

Спасибо!