Модели для расчета воздействия ударной волны от взрывов облака пара
Введение
Когда химикат перемещается по ветру, он смешивается с воздухом. Облако, содержащее легковоспламеняющийся химикат в его пределах воспламеняемости, может загореться, если сталкивается с искрой, пламенем или другим источником зажигания. Реакция сгорания может возникнуть от источника одним из двух механизмов: реакции Дефлаграции распространяются посредством диффузии возвратных форм через облако. Реакции детонации распространяются через реактивную воздушно-топливную смесь посредством волны давления, которая перемещается с местной скоростью звука. Дефлаграции распространяются более медленно, чем детонации; однако, реакция может заставить температуру и давление внутри облака резко возрасти. И детонации и дефлаграции могут генерировать волны давления с острыми началами и значительными сверхдавлениями; волну давления, способную вызвать повреждение отдельных лиц или структур, называют взрывной волной в АЛОХА.
Большинство сгораний облака пара являются дефлаграциями, которые распространяются медленно и не производят взрывную волну; они, как правило, называют вспышки. Для некоторых высоко химически опасных веществ, скорость пламени (скорость распространения) в пределах части облака ускоряется турбулентностью, вызванной препятствиями или ограничениями, в результате быстрого перехода от дефлаграции к детонации; упоминается как взрыв. Эти события могут генерировать ударные волны; как правило, лишь небольшая часть горючего облака участвует, так как взрывные эффекты ограничены. В редких случаях мощное инициирующее событие, такое как конденсированная фаза взрывчатого вещества или ограниченный взрыв облака пары может положить начало детонации всего воспламеняющегося облака. Американский институт инженеров-химиков (Американский институт инженеров-химиков, 1994) считает, что прямое инициирование детонации требуется приблизительно один миллион джоулей. Взрывная волна от детонации большого воспламеняющегося облака может иметь далеко идущие последствия; они могут распространяться далеко за пределы области, пострадавших от теплового излучения.
|
|
|
Ущерб связан и с формой и с величиной ударной волны; оба изменения как волна распространяется наружу от реагирующего облака. Пик избыточного давления и импульса обычно используются для характеристики взрывной волны. Викема сообщает о корреляции между легким поражениям и сочетанием избыточного давления и импульса (Викема 1984). Большинство исследований конденсированной фазы коррелируют между повреждениями и избыточным давлением. Клэнки пояснил, что связь между избыточным давлением и импульсом для конденсированных фаз взрыва уникальны, поэтому достаточно единственного параметра, чтобы описать взрывную волну (Институт инженеров-химиков (Великобритания), Северо-Западный филиал, 1982). Травмы и повреждения строений от взрыва облака пара зависят от избыточного давления, и от импульса; однако, как и в конденсированной фазе взрывов, только большинство корреляций используют избыточное давление. Это упрощение, как представляется, обусловлено отсутствием данных, а не какой-либо уникальной взаимосвязью между избыточным давлением и импульсом для взрывов облака пара.
|
|
|
Алоха использует только максимальное давление, которое характеризует повреждающие эффекты, связанные со взрывной волной. Вред может быть из-за непосредственного воздействия или косвенного воздействия волны давления. Прямые эффекты включают повреждения чувствительных к давлению органов, например, ухо и легкие. Косвенные эффекты могут возникнуть в результате осколков разбитых окон, обрушения зданий или обломков, которые ускоряются взрывной волной. Алоха включает в себя три положения, которые определяют количество прямых и косвенных воздействий. Стеклянные окна могут разрушаться при уровне в 1 фунт-силу на квадратный дюйм (psi); при 3,5 фунт-силы на квадратный дюйм существует значительный риск разрыва барабанной перепонки и серьезный характер травм от летящих обломков; при 8 фунт-силах на квадратный дюйм существует значительный риск повреждения уха и легких и косвенных эффектов от распада неармированных зданий (Бакер 1983).
|
|
|
Метод
В Алоха только модели реакции горения. Алоха оценивает взрывную волну от неограниченного облака пара взрыва (быстрых дефлаграций и взрыва). Неограниченное означает, что облако не является полностью или частично ограниченным твердыми стенками или потолками. Замкнутые облака паров взрывы обычно производят более разрушительные ударные волны, чем неограниченные или частично закрытые взрывы.
Модель Бейкер-Стрел-Тан (БСТ) является основой для расчета в Алоха избыточного давления (Пиероразио и др. 2005); она использует безразмерные, эмпирически полученные кривые для прогнозирования взрыва избыточного давления. Избыточное давление основано на скорости распространения фронта пламени и массе топлива, участвующем в реакции. Основной принцип этого метода состоит в том, что внутри облака пара есть области, где физические структуры могут вызывать ускорение фронта пламени. Эти области характеризуются плотностью структуры с использованием параметра, называются скоплениями. Скорость пламени связана с химическими свойствами топлива, уровнем перегрузки, а также от природы источника воспламенения.
|
|
|
Термин химическая активность используется для характеристики химических свойств топлива. Оценки химической активности, используемые Зиувом и Виекемом (Зиув и Виекема 1978), классифицируют химическую реакционную способность, основанную на скорости ламинарного горения и модели БСТ (Вудвард 1998). Низкие химические активности имеют вещества со скоростями меньше, чем 45 см/сек. Высокие химические активности относится к химическим веществам со скоростями больше, чем 75 см/сек, промежуточные помечены как средняя химическая активность. Некоторые химические вещества в базе данных Алоха были классифицированы с использованием этого критериев; однако, большинство из горючих химических веществ в Алоха не было классифицировано. В этих случаях Алоха использует высокую химическую активность, поскольку немногие химические вещества имеют ламинарное горение скорость которого превышает 75 см/сек.
Параметр скопление используется для количественного определения: как мелкие структуры внутри облака пара влияет на скорость пламени. Скопление относится к плотности препятствий, которые создают турбулентность. Препятствия такого рода, как правило, маленькие, например, кустарник, и не мешают фронту пламени. Большие объекты, как здание, может препятствовать фронту пламени, поэтому они не должны рассматриваться препятствий для целей скопления. Большая турбулентность позволяет фронту пламени ускоряться, тем самым создавая более мощную ударную волну. Эксперименты, которые формируют основу для модели БСТ, обнаружили, что скорость пламени может быть связана с блокадой отношения площадей (площадь поперечного сечения структур, разделенных по областям облака) и шагу (расстояние между рядами структур). Эксперименты использовали небольшие структуры, расположенные в регулярных узорах. Можно выделить три уровня скоплений: низкие скопления с коэффициентом блокировки меньше чем 10%; средние скопления с коэффициентом блокировки между 10% и 40%; высокие скопления и блокировка с более высокими коэффициентами. Экстраполирование лабораторных параметров, содержащихся в случайном взрыве, весьма неточно, так как Алоха значительно упрощает использование скоплений. Руководство Алоха требует, чтобы пользователь определил, присутствует ли значительное скопление. Перегруженная зона определяется как близко расположенные препятствия, которые трудно или невозможно пройти; например, эстакады и промышленные объекты и некоторые лесные массивы, где деревья и ветви близко расположенные могут быть охарактеризованы как перегруженные зоны. Для того, чтобы допустить ошибку в сторону осторожности, скопления определяются таким образом, что коррелируют с высокой скоростью пламени в модели БСТ.
Источник воспламенения также влияет на скорость пламени. В Алоха, пользователь вводит источник зажигания. Если источник обозначен как детонация, модель предполагает, что инициирующее событие имеет достаточную мощность, чтобы заставить все реактивное облако детонировать.
Метод в Алоха для нахождения нормализованного избыточного давления в зависимости от расстояния от центра взрывного облака основан на множестве эмпирический определенных графиков (Pierorazio, 2005). БСТ показывает нормализованное избыточное давление по сравнению с нормализованным расстоянием от центра перегруженной области с различной графикой для различных скоростей пламени. Для реализации их в Алоха, графические данные, представленные БСТ, были пригодны для функций вида
где ∆Р максимальное избыточное давление, А, В, С, D, x0 константы. В таблице 15 приведены значения этих констант для различных чисел Маха.
Нормированное расстояние, х определяется как
где
Patm – атмосферное давление;
r – расстояние от центра взрыва облака.
Энергия, способствующая взрывной волне
где
ref – фактор отражения местности;
Hc – теплота сгорания топлива;
Mass – масса топлива, участвующее в результате взрыва.
Коэффициент отражения местности устанавливается как 2 в Алоха, в соответствии с режимом БСТ. Он учитывает отражение взрывной волны от земли. Режим Алоха основывается на упрощенной концептуальной модели взрывного облака. Облако рассматриваются как полушарие на уровне земли с однородной концентрацией. Повышенные облака будут иметь меньший коэффициент отражения.
Наиболее существенное различие между методом в Алоха и моделью Бейкер-Стрел-Тан является способ определения массы топлива при взрыве. В методе БСТ, область скопления внутри горючего облака определяют как массу топлива, способствующей взрыву. Фронт пламени распространяется от точки зажигания, ускоряет в пределах областей скопления, и затормаживается вне области скопления. Только масса топлива в перегруженной зоне способствует взрыву. Воспламеняющееся облако, исходящее из одного выпуска может вызвать столько взрывов, сколько существует различных густонаселенных районов. Скорости горения определяются уровнем перегрузки в этих регионах. Вне густонаселенных районов предполагается, что скорость пламени настолько маленькая, что никакое существенное избыточное давление не генерируется.
Алоха использует другой подход для определения массы топлива, участвующего в результате взрыва на основе рекомендаций Американского института инженеров-химиков (Американский институт инженеров-химиков, 1994). Айше говорит о том, что кривые взрыва БСТ может быть связаны с моделью дисперсии воздуха для определения массы взрывчатого облака, используя все топливо в пределах огнеопасных пределов времени коэффициента эффективности. Коэффициент полезного действия от 5% до 20% рекомендуется; Алоха использует 20%. Алоха слегка отклоняется от рекомендации Айше, используя концентрацию топлива в диапазоне от нижнего предела взрываемости и 90% нижнего предела взрываемости. Это небольшое изменение было введено в Алоха, чтобы создать еще один консервативный уклон в расчете зоны опасности; она не была основана на стандартной практике, теории, или измерениях. Концентрации газов превышает верхний предел, как предполагается, будет слишком сильной, а те, которые ниже нижнего предела слишком малы, чтобы участвовать во взрыве. Взрыв горючего облака аппроксимируются как единое событие; скорость пламени основана на среднем уровне загруженности в облаке. Если взрыв инициируются источником высокой мощности, называется жесткое зажигание в Алоха, или средним уровнем перегрузки указывает на переход к детонации, 100% от массы горючего облака используются, и Мах 5.2 используется для пламени скорости.
Центр взрывного облака приравнивается к центру массы горючего облака в Алоха. Для нестационарного состояния выпусков расположение центра и массы огнеопасного облака изменяются со временем. Пользователи могут выбрать время зажигания; Алоха затем находит горючую массу и центр облака, и генерирует избыточные давления в зависимости от расстояния. Алоха можно также вычислить все возможные взрывы из одного выпуска и показать зону составного избыточного давления угрозы, если время зажигания не указано.
Дата добавления: 2019-11-25; просмотров: 316; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!