Растекание жидкости на неограниченной поверхности при длительном проливе с конечным расходом
При длительном проливе криогенной жидкости на неограниченную твердую поверхность образуется испаряющаяся лужа, размер которой в начале пролива меняется интенсивно и достигает величины, определяемой соотношением интенсивности истечения жидкости и скорости ее испарения в начальных условиях. Эта первая стадия имеет нестационарный характер и протекает относительно быстро, так что изменением температуры поверхности за это время можно пренебречь. В данном случае для площади разлития справедливо выражение
S 
G/m0,
где G- интенсивность истечения жидкости, кг/с; т0 - начальная (максимальная) массовая скорость испарения, кг/(м2с).
Вторая стадия характеризуется медленным увеличением площади разлития жидкости вследствие постепенного охлаждения поверхности и снижения скорости испарения.
Предположим, что толщина слоя жидкости одинакова во всех точках лужи, и площадь разлития определяется интенсивностью истечения жидкости, при этом интенсивность испарения со всей поверхности разлития равна расходу истекающей жидкости, т. е.
(6)
Поскольку интенсивность испарения сжиженных газов зависит главным образом от теплового потока от подстилающей поверхности, изменение скорости испарения будет определяться понижением ее температуры. Таким образом, задача сводится к нахождению распределения температуры в теле при решении двумерной нестационарной задачи охлаждения плоского твердого тела.
Уравнение теплопроводности с начальными и граничными условиями в этом случае имеет вид:
|
|
|
(7)
где h - толщина слоя лужи.
Совместное решение уравнений (6) и (7) с представленными граничными и начальными условиями позволяет в каждый момент определять радиус разлития и распределение скорости испарения по его площади.
ФОРМИРОВАНИЕ И РАССЕЯНИЕ В АТМОСФЕРЕ ГАЗОВЫХ ОБЛАКОВ, ОБРАЗУЮЩИХСЯ ПРИ ПРОЛИВАХ КРИОГЕННЫХ ЖИДКОСТЕЙ И ВЫБРОСАХ ГАЗА
Несмотря на то, что при нормальных условиях метан примерно вдвое легче воздуха, насыщенные пары испарившейся жидкости являются достаточно тяжелыми. Так, плотность паров метана при Т = 111,4 К равна 1,79 кг/м3, что заметно превышает плотность воздуха. Однако уже при небольшом прогреве (до Т > 150 К) плотность газа становится равной плотности воздуха и при дальнейшем нагревании продолжает снижаться. Это обстоятельство обусловливает определенную специфику формирования парогазовых облаков при испарении жидкого метана в отличие от сжиженных углеводородных газов или ЛВЖ.
Образующееся при испарении жидкого метана облако вследствие сравнительно небольшой разницы в плотности метано-воздушной смеси и воздуха может достаточно длительное время в виде полусферы зависать над местом пролива. В дальнейшем за счет прогревания облако смеси медленно поднимается вверх, при этом в зависимости от состояния атмосферы отдельные фрагменты облака, имеющие плотность, близкую к воздуху, могут сравнительно долго существовать в атмосфере.
|
|
|
При залповых выбросах метана формируются, как правило, газовоздушные облака, имеющие форму, близкую к сферической.
К основным пожаровзрывоопасным характеристикам газопаровоздушных облаков относятся:
1. объем или линейные размеры облака, при этом под размерами облака, как правило, подразумевается объем газовоздушной смеси, ограниченный поверхностью, с концентрацией газа, равной нижнему концентрационному пределу распространения пламени (НКПР) в воздухе. Этот важнейший параметр облака при возникновении аварийной ситуации определяет зону непосредственного контакта горючей смеси с промышленными объектами, населенными пунктами, дорогами и т. п. Кроме того, от размера облака зависят максимальная скорость перемещения фронта горения по смеси и возможность перехода медленного горения в детонацию, что, в свою очередь, определяет интенсивность воздушных ударных волн, возникающих в окружающем пространстве;
|
|
|
2. масса газа в облаке, способная к горению или детонации, т. е. часть газа, концентрация которой в определенный момент находится между нижним и верхним концентрационными пределами распространения пламени, при этом следует иметь в виду, что в области концентраций между верхним пределом и стехиометрией может прореагировать не весь горючий газ, а только та его часть, которая обеспечена кислородом воздуха. Этот параметр облака используется для оценок последствий горения или детонации облака при уже происшедших или прогнозируемых авариях на объектах;
3. время существования опасности горения облака, т. е. время от начала поступления газа в атмосферу до рассеяния горючего облака до безопасных концентраций или, другими словами, до достижения в любой точке облака концентрации газа, равной НКПР и менее. Важной характеристикой облака является также время наступления максимальной потенциально опасной ситуации, т. е. время достижения максимальной взрывоопасной массы в облаке или максимального объема облака.
В работах [6, 7] для изучения динамики развития облака использовалось математическое моделирование на основе уравнений Навье-Стокса в трехмерной постановке. Это позволило сделать прогноз развития облака для больших проливов (до 50 тыс. т), когда проведение крупномасштабных экспериментов очень затруднительно. В используемой в [6, 7] модели учитывалось как гравитационное растекание тяжелого газа, так и перемешивание газа и воздуха за счет адвекции и турбулентного вовлечения. В математической модели использованы уравнения неразрывности, изменения количества движения, энергии, массовой концентрации. Система дифференциальных уравнений решалась численным методом конечных разностей на ЭВМ.
|
|
|
Результаты расчетов отображены на рис. 6, где на вертикальной и горизонтальной осях нанесены соответственно расстояние, на которое облако СПГ рассеется до концентрации 5% об., и масса пара, образовавшегося при проливе облака. Вертикальными отрезками на этом графике обозначены диапазоны расстояний, на которых облако становится пожаробезопасным при спокойной атмосфере и высокоскоростном ветре [8]. На рис. 6 приведены также сведения из работы [9].
Для обобщения данных, представленных на рис. 6, можно использовать степенную зависимость длины облака от массы мгновенно пролитого СПГ: L= 7,8 М0,4.
В процессе эволюции облака большую часть времени (за исключением начального участка) скорость его движения близка к скорости атмосферного ветра W, поэтому время, за которое облако достигнет безопасных концентраций, можно определить из соотношения t=L/W.
Рис. 6. Зависимость расстояния от места пролива до пожаробезопасной
Дата добавления: 2019-11-16; просмотров: 167; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!