Материал: Исследование распространения токсиканта при взрыве сосуда с токсическим веществом

Данная таблица показывает, что в зоне, прилегающей к центру взрыва и удаленной от преграды, т.е. в зоне действия лишь прямой волны, значения скоростей практически не претерпевают изменений по сравнению с рассмотренным выше случаем.

В зоне же действия отраженной волны, которая составляет в рассмотренном случае около 30 м от преграды, наблюдается возрастание значений скоростей, вызванное приростом значений давления и скоростного напора в отраженной волне.

Нарастание же скоростей в зоне отраженной волны не соответствует нарастанию давлений (см. табл.1), что объясняется тормозящим действием тыла прямой волны на фронтальную часть отраженной.

Следует отметить, что вектора скоростей в отраженной волне направлены противоположно к тем, что имели место в прямой волне. В таблице знаки ‘’минус’’ не обозначены.

Зависимости изменения значений скоростей в зависимости от расстояния для различных значений Z проиллюстрированы в ПРИЛОЖЕНИИ 4.

.5.2 Перенос токсиканта ударной волной

Сведения о концентрациях токсиканта, созданных в результате его переноса ударной волной, которые были рассчитаны по описанной выше сферической модели, приведены в табл. 4.

Таблица 4

Концентрации фтора в ударной волне без преграды, мг/м3

Таблица 4 характеризует концентрации токсиканта, созданные в окрестностях точки взрыва при воздействии только прямой ударной волны. Очевидно, что значительная часть токсиканта не участвует в движении ударной волны и остается в районе разрушенного сосуда. Вместе с тем на расстояниях до 40 м ударная волна создает такие концентрации токсиканта, которые должны, безусловно, учитываться с точки зрения их воздействия на человека.

Быстрое убывание концентраций к периферии объясняется в первую очередь ростом объемов воздуха, в котором происходит распространение ударной волны, а также быстрым падением значений скоростей.

Иллюстрация зависимости представлена в ПРИЛОЖЕНИИ 5, аналогичные данные для ограниченного пространства - в таблице 5.

Таблица 5

Концентрации фтора в ударной волне с учетом преграды, мг/м3

Сведения данной таблицы показывают, что в зоне действия только лишь прямой волны концентрации токсиканта по сравнению с рассмотренным выше случаем практически не изменяются, а в зоне действия отраженной волны концентрации близки к нулю. Это объясняется преобладанием в близкой к преграде зоне обратного движения воздушной массы под действием отраженной волны.

Графически изменение концентраций в зависимости от расстояния для различных значений Z приведено в ПРИЛОЖЕНИИ 5.

3.6 Доказательство адекватности модели

В доступных для пользования литературных источниках отсутствуют данные по экспериментам, непосредственно относящиеся к взрывам сосудов с токсическим веществом.

Тем не менее для подтверждения достоверности результатов, полученных рассмотренным выше образом, возможно использовать экспериментальные и расчетные данные, относящиеся к расчету параметров воздушной среды и переноса токсиканта ударной волной.

Расчет основных параметров прямой ударной волны был основан на формуле (4),которая является результатом экспериментальных исследований взрывных явлений и, будучи официально утвержденной Госгортехнадзором, достаточно точно определяет параметры взрывной волны.

Для определения достоверности параметров среды при распространении ударной волны в ограниченном пространстве были использованы изложенные в источнике /2/ экспериментальные данные.

Эксперименты по силовому взаимодействию воздушной ударной волны с твердым телом производились с применением аэродинамической трубы. В качестве преграды рассматривается плоский экран.

Подобие структуры отраженной волны по времени характеризуется отношением давления в момент времени, характеризующийся параметром Z, к давлению первоначального отражения (т.е. при значении Z=0).

Расчеты данных давлений были произведены по зависимостям из источника /2/, характеризующим изменение давления за фронтом отраженной ударной волны.

В качестве пространственного параметра была рассмотрена точка, достаточно приближенная к поверхности возникновения отраженной волны. В качестве времени проведения эксперимента было использовано все время существования ударной волны вблизи поверхности тела.

Полученные данные приведены в табл. 6, графики - на рис.1.

Таблица 6

Значения отношений Pz/Pz=0.

Из табл. 6 становится очевидным значительное подобие распределений давлений за фронтом отраженной волны, полученных расчетным методом, к экспериментальным данным. Учитывая общность структуры прямой и отраженной ударных волн, эти данные могут быть распространены на параметры прямой ударной волны.

Для проверки достоверности данных, характеризующих перенос токсиканта ударной волной, были использованы данные расчетов, произведенных коллективом авторов под руководством В.А.Котляревского с использованием программного комплекса STREAM, предназначенного в том числе и для исследования переноса токсиканта ударной волной при распространении ее в ограниченном пространстве. Данные этих исследований изложены в источнике /2/.

Вышеуказанные данные описывают изменение концентраций в зоне воздействия ударной волны в зависимости от изменения времени. В качестве характеристики времени был использован параметр Z, концентрации токсиканта также приведены в безразмерном виде, т.е. являются отношением концентрации в рассматриваемый момент времени к конечной концентрации после окончания ударноволнового воздействия:

Сz=Czi/Cz=0.9 (50)

В табл. 7 приведены данные о значениях параметра Cz для указанных выше литературных данных и данных, полученных в данной работе для ударной волны на расстоянии 21 и 61 м от точки взрыва.

Данные расстояния были выбраны, как характеризующие процессы, происходящие в различных частях ударной волны, при этом первое из них характеризует фронт, а второе - тыльную часть.

Для более детального исследования соответствия полученных данным литературным возможно и исследование сходимости данных на других расстояниях.

Таблица 7

Изменение концентраций токсиканта в зависимости от фазы ударной волны

Как свидетельствуют указанные выше данные, с учетом различных условий проведения расчета и различных расчетных методов, наблюдается достаточно хорошая сходимость результатов, полученных с использованием сферической модели распространения токсиканта в ударной волне, c указанными литературными данными.

Очевидно, что согласно обеим моделям основная часть токсиканта переносится фронтальной частью ударной волны, убывание скорости переноса в дальнейшем тесно взаимосвязано с убыванием скоростей движения воздушных масс.

4 .РАСЧЕТ УЩЕРБА ПРИ ВЗРЫВЕ СОСУДА С ТОКСИКАНТОМ

.1 Концентрации токсиканта в реальных условиях

Для построения концентрационных полей токсиканта в реальных условиях был использован программный комплекс PHOENICS, который является одним из наиболее эффективных средств для подобного моделирования. Подробное описание математической модели, используемой в данном комплексе, а также описание самого вычислительного комплекса PHOENICS не входит в рамки настоящей дипломной работы. Подробности математической модели можно найти в /48/.

Условия аварии были рассмотрены выше. Временной интервал, в течение которого рассчитывалось поле концентраций (время развития аварийного процесса), принимался равным 10 мин. Предполагалось, что в течение этого времени облако газа достигает значительных размеров без существенного снижения концентраций в нем. В это время опасность для персонала предприятия является наибольшей, т.к. в первый период аварии, как правило, не принимается необходимых мер по ликвидации ее последствий.

В качестве характеристики атмосферы было принято ее стабильное состояние, нейтральный класс устойчивости по Пасквиллу. В качестве других необходимых для расчета величин были использованы физические и химические характеристики среды и токсиканта (плотность, молекулярная масса, число Прандтля и т.п.).

Область моделирования имела следующие размеры: длина - 1036 м, ширина - 200 м и высота - 120 м. Решение расчетных уравнений было проведено на неравномерной (с более частым делением вблизи оси направления распространения токсиканта) сетке, содержащей 46620 ячеек (74´45´14). Шаг по времени был принят равномерным, он составлял 10 с.

В случае решения данной задачи из-за упрощенного рассмотрения процесса рассеяния токсичного газа в свободном пространстве имела место относительно однородная картина распределения скоростей движения воздушной среды, определяемая в первую очередь силой и направлением ветра.

В ПРИЛОЖЕНИИ 6 приведены результаты расчета в виде графического изображения распределения концентрации фтора. Некоторые численные данные, необходимые для дальнейших расчетов, приведены ниже.

При скорости ветра 4 м/с за рассмотренный период времени формируется область заражения длиной около 1000 м и шириной до 150 м с максимальными концентрациями до 4371 мг/м3.

Расчет концентраций токсиканта, создаваемых непосредственно ударной волной, был проведен в предыдущей главе. При этом на удалении от эпицентра взрыва были отмечены концентрации, пренебрежимо малые по сравнению с наблюдавшимися непосредственно в эпицентре. Данные концентрации могут играть существенную роль при расчете воздействия факторов аварии на персонал лишь непосредственно после взрыва. Очевидно, что ввиду малого количества токсиканта, переносимого ударной волной (менее 1 процента) и существенности изменений концентраций при воздействии на них атмосферных процессов нельзя говорить о значительном различии концентрационных полей, образующихся при наличии и отсутствии ударной волны. Поэтому графическое изображение в ПРИЛОЖЕНИИ 6 можно считать отображающим оба варианта аварийной ситуации.

4.2 Расчет вероятностей поражения персонала

После построения полей физических параметров, характеризующих негативное воздействие чрезвычайной ситуации на человека и окружающую среду, необходимо определение зоны реального негативного воздействия, т.е. перевод физических параметров в последствия с использованием граничных критериев воздействия. Величина и геометрия площади потенциального поражения могут не только служить показателем опасности той или иной аварии, но и быть основанием для разработки плана уменьшения степени поражения и ликвидации последствий чрезвычайной ситуации.