Математичне моделювання розповсюдження забруднюючих речовин у виробничих приміщеннях при аваріях

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА МЕТАЛУРГІЙНА АКАДЕМІЯ УКРАЇНИ

УДК 519.6: 613.155

математичне моделювання розповсюдження забруднюючих речовин у виробничих приміщеннях при аваріях

01.05.02 - Математичне моделювання та обчислювальні методи

автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

БІЛЯЄВА Вікторія Віталіївна

Дніпропетровськ, 2009



Дисертацією є рукопис

Робота виконана у Дніпропетровському національному університеті імені О. Гончара

Науковий керівник: кандидат фізико-математичних наук, доцент Веселовський Володимир Борисович, Дніпропетровський національний університет, доцент кафедри прикладної газової динаміки та тепломасообміну

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук, професор Когут Петро Ілліч, Дніпропетровський національний університет імені Олеся Гончара МОН України, професор кафедри диференційних рівнянь;

кандидат фізико-математичних наук, старший науковий співробітник Редчиць Дмитро Олександрович, старший науковий співробітник Інституту транспортних систем і технологій НАН України.

Захист дисертації відбудеться «15» січня 2010р. о 12.30 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.084.01 в Національній металургійній академії України, 49600, м. Дніпропетровськ, пр. Гагаріна, 4.

З дисертацією можна ознайомитись у науковій бібліотеці Національної металургійної академії України, 49600, м. Дніпропетровськ, пр. Гагаріна, 4.

Автореферат розісланий «27» листопада 2009р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради О. І. Дерев'янко



АНОТАЦИЯ

Біляєва В. В. Математичне моделювання розповсюдження забруднюючих речовин у виробничих приміщеннях при аваріях. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеню кандидата технічних наук за спеціальністю 01.05.02 - математичне моделювання та обчислювальні методи. - Національна металургійна академія України, Дніпропетровськ, 2009. математичний аварія течія виробничий

У дисертації розроблено чисельні моделі процесів забруднення повітряного середовища при аваріях у виробничих приміщеннях хімічно небезпечних об'єктів. Математичне моделювання здійснюється на базі тривимірних та двовимірних моделей течії нев'язкої нестислої рідини. Запропоновані моделі надають можливість методом обчислювального експерименту виконати прогноз забруднення повітряного середовища у приміщення для різноманітних викидів (залпові викиди, аварійні виливи ) з урахуванням розташування технологічного обладнання у приміщенні, розміщення отворів вентиляції. Розроблені чисельні моделі надають можливість розрахувати процес нейтралізації токсичного газу у приміщенні за рахунок подачі нейтралізатору від стаціонарних або рухомих спринклерів. Чисельне інтегрування рівнянь моделі здійснюється на базі неявних навперемінно-трикутних різницевих схем, методу А.А. Самарського та методу Лібманну. Наводяться результати обчислювальних експериментів з моделювання процесів забруднення повітряного середовища у приміщеннях хімічно небезпечних об'єктів при різноманітних аваріях та методах дегазації приміщень (застосування нейтралізатора, поглинаючих матеріалів).

Ключові слова: математичне моделювання, промислові приміщення хімічно небезпечних об'єктів, токсична речовина.



АННОТАЦИЯ

Беляева В. В. Математическое моделирование распространения загрязняющих веществ в производственных помещениях при авариях. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 01.05.02 - математическое моделирование и вычислительные методы. - Национальная металлургическая академия Украины, Днепропетровск, 2009.

Во введении диссертации дано обоснование актуальности работы, указана научная новизна полученных результатов и их практическое значение, сформулирована цель работы, которая заключается в разработке эффективных численных моделей рассеивания токсичных газов в производственных помещениях с учетом влияния на этот процесс аэродинамики воздушных потоков в областях сложной геометрической формы.

В первой главе выполнен анализ научных публикаций, посвященных изучаемой проблеме. Рассмотрены причины и последствия аварийных ситуаций на химически опасных объектах. Сделан анализ методов защиты воздушной среды в производственных помещениях при авариях. Выполнен обзор методов решения задач по рассеиванию загрязнителей в воздушной среде.

Во второй главе рассмотрены математические модели переноса химически опасных веществ в производственных помещениях. Приведена модель расчета аэродинамики воздушного потока в производственных помещениях при работе вентиляции (модель потенциального течения). Представлена модель расчета аэродинамики воздушных потоков в помещении на базе модели вихревых отрывных течений идеальной несжимаемой жидкости. Рассмотрены вопросы постановки краевых условий и определения физических параметров, необходимых для практической реализации моделей.

В третьей главе рассмотрены вопросы численного интегрирования двух и трехмерных уравнений переноса химически опасных веществ в производственных помещениях с помощью попеременно-треугольной разностной схемы расщепления. Приведено построение разностной схемы для численного интегрирования уравнения для потенциала скорости на основе метода А. А. Самарского и метода Либманна. Рассмотрено численное интегрирование уравнений гидродинамики для расчета вихревых отрывных течений идеальной несжимаемой жидкости. Исследованы вопросы устойчивости попеременно-треугольной разностной схемы, применяемой для расчета рассеивания примеси в производственных помещениях. Показано, что применяемая разностная схема является абсолютно устойчивой. В данной главе представлены результаты проведенных тестовых расчетов. В качестве тестовых задач были выбраны задачи, имеющие аналитическое решение, исследованные другими авторами экспериментально и задачи, решенные с помощью других теоретических методов иными авторами.

В четвертой главе представлены результаты вычислительных экспериментов по прогнозу загрязнения воздушной среды в помещениях для различных типов аварийных ситуаций на производстве (залповые выбросы, утечки ) с учетом тех существенных факторов, которые оказывают влияние на данный процесс, а именно: форма помещения, геометрическая форма технологического оборудования и его расположение в помещении, размещение приточных и вытяжных отверстий вентиляции, различное положение места выброса токсичного вещества.

На базе построенных численных моделей проведена серия вычислительных экспериментов по оценке эффективности подачи нейтрализатора в помещение от стационарных спринклерных установок с целью снижения уровня загазованности воздушной среды при аварийных утечках или выбросах токсичных газов (аммиак, HCN). Исследовано влияние расположения спринклеров, подающих нейтрализатор и их режима работы на эффективность данного метода защиты. Показано, что подача нейтрализующих растворов позволяет в течение нескольких секунд снизить концентрацию токсичного газа в помещении до безопасного уровня, а разработанные численные модели дают возможность определить рациональное размещение спинклерных установок.

Приводятся результаты вычислительных экспериментов по моделированию процесса дегазации помещения путем применении поглощающих материалов. Исследована эффективность данного метода защиты при различных размерах поглощающих поверхностей. Исследованы процессы загрязнения воздушной среды в помещениях при использовании различных схем вентиляции помещений. Исследования проведены для случая залпового выброса токсичного вещества, а также для случая его утечки в течении определенного промежутка времени. Изучена эффективность применения движущейся в помещении спринклерной установки, подающей нейтрализатор, на степень дегазации воздушной среды. Представлены результаты решения задачи по оценке времени образования взрывоопасной концентрации газа в помещении в случае ре-инжиниринга (размещения нового технологического оборудования в цехе, где возможна утечка опасного загрязнения). Все разработанные в диссертационной работе численные модели представлены в виде программных средств для компьютерной реализации.

Ключевые слова: математическое моделирование, производственные помещения химически опасных объектов, токсичное вещество.



ABSTRACT

Belyaeva V. V. Numerical simulation pollutants transfer in industrial rooms after accidents. - Manuscript.

The thesis for receiving the scientific degree of Candidate of technical sciences, specialty 01.05.02 - mathematical modeling and computational methods. - National Metallurgical Academy of Ukraine, Dnepropetrovsk, 2009.

Numerical models to calculate the processes of pollution after accidents in industrial rooms were developed in this thesis. Numerical simulation is carried out using 3D, 2D K-gradient transport models. Velocity field in the room is calculated using the 3D model of potential flow , 2D model of potential flow or model of invisid incompressible vortex separated flows. The numerical models proposed can be used to predict air pollution in industrial rooms for different type of ejections (accident spillage, short time ejections, etc) permitting to take into account both the equipment situation in the room and in- and out openings of ventilation. The numerical models permit to calculate the process of toxic gas neutralization from steady and mobile sprinklers. Numerical integration of model equations is carried out using implicit change-triangle difference schemes , A.A. Samarski's method and Libmann's method. The results of numerical experiments carried out to investigate the processes of air pollution in industrial rooms for the different type of accidents and different ways of toxic gas concentration reduction (neutralization, sorbing surface application) are presented.

Key words: numerical simulation, industrial room of chemical danger enterprises, toxic substance.



ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Аварії у виробничих приміщеннях супроводжуються викидом, витоком, розливом токсичних речовин, що створює небезпеку ураження персоналу не тільки у виробничому приміщенні, але й на промислових майданчиках. Однією з важливих задач є прогнозування процесу розповсюдження токсичних речовин у виробничих приміщеннях після аварії з метою оцінки масштабів можливих наслідків аварій, виявлення у виробничому приміщенні зон вибухонебезпечних концентрацій. Інженерні методики, що використовуються на практиці для прогнозування забруднення виробничих приміщень є суттєво обмеженими.

У зв'язку з цим особливу актуальність набуває розробка математичних методів прогнозування розповсюдження токсичних речовин у виробничих приміщеннях хімічно небезпечних об'єктів, які дозволяють враховувати ті суттєві фактори, які впливають на даний процес та різноманітні сценарії аварійних викидів (витоки, розливи та ін.). Використання таких математичних моделей на практиці дозволить підвищити якість прогнозу та може слугувати науковим обґрунтуванням для прийняття інженерних рішень, спрямованих на мінімізацію екологічного збитку та наслідків аварій у виробничих приміщеннях.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Наведені в дисертаційній роботі дослідження виконані в рамках тематики наукових досліджень кафедри прикладної газової динаміки і тепломасообміну Дніпропетровського національного університету на тему Міністерства освіти та науки України: «Чисельне моделювання течії рідин, газів та розробка комп'ютерних моделей забруднення водного басейну Дніпра та підземних ґрунтових вод»; номер державної реєстрації № 0196U000216.

Мета роботи. Метою роботи є розробка ефективних чисельних моделей поширення забруднення у виробничих приміщеннях з урахуванням впливу на зазначений процес аеродинаміки повітряних потоків в зонах складної геометричної форми.

Завдання дослідження. Для досягнення поставленої мети необхідно було розв'язати такі завдання:

- виконати аналіз літературних джерел, що стосуються методів прогнозу забруднення повітря в робочих приміщеннях;

- розробити чисельні моделі процесу переносу токсичного газу у виробничих приміщеннях, що дозволяють враховувати при проведенні обчислювального експерименту форму приміщення, положення отворів вентиляції, геометричну форму технологічного обладнання та його розміщення у виробничому приміщенні, різноманітні сценарії аварійних ситуацій (витоки, залпові викиди та ін.);

- розробити чисельні моделі процесу дегазації повітряного середовища у виробничому приміщенні після аварійного викиду токсичного газу за допомогою подачі нейтралізуючого розчину через стаціонарні або рухомі спринклерні установки;

- розробити чисельну модель процесу захисту повітря від забруднення шляхом використання поверхонь, що розташовуються у виробничому приміщенні та поглинають токсичний газ;

- створити спеціалізоване програмне забезпечення для проведення обчислювального експерименту по моделюванню процесів хімічного забруднення та захисту від забруднення повітряного середовища у виробничих приміщеннях;

- виконати чисельне моделювання процесів забруднення та захисту повітряного середовища у виробничих приміщеннях хімічно небезпечних об'єктів при дійсних параметрах, що характеризують аварійні ситуації та відомих характеристиках систем, що здійснюють подачу нейтралізуючого розчину.

Об'єкт дослідження - виробничі приміщення хімічно небезпечних об'єктів, де є можливим витік або викид токсичного газу.

Предмет дослідження - розробка чисельних моделей прогнозування хімічного забруднення повітряного середовища у виробничих приміщеннях при аваріях на хімічно небезпечних об'єктах.

Методи дослідження базуються на обчислювальному експерименті з тривимірними та двовимірними математичними моделями масопереносу та гідродинаміки. При розв'язку рівнянь на ЕОМ використовуються неявні різницеві схеми розщеплення.

Наукова новизна отриманих результатів полягає у наступному:

1) розроблено нові чисельні моделі процесу розсіювання токсичних газів у виробничих приміщеннях хімічно небезпечних об'єктів при аваріях, що дозволяють оперативно отримати прогнозні дані з урахуванням геометричної форми приміщення, технологічного обладнання, розміщення обладнання, положення отворів вентиляцій, типові сценарії аварійних викидів;

2) вперше запропоновано чисельні моделі процесу дегазації приміщення від токсичного газу шляхом подачі нейтралізатору від рухомих або стаціонарних спринклерних установок, що дозволяють оперативно оцінювати ефективність даного методу захисту на етапі проектування хімічно небезпечного об'єкту;

3) розроблено нову чисельну модель процесу зниження рівня забруднення повітряного середовища шляхом застосування у приміщенні поверхонь, що поглинають з повітряного середовища токсичний газ;

4) вирішено комплекс нових задач, що мають важливе наукове значення по чисельному моделюванню забруднення виробничих приміщень при аварійних викидах токсичних речовин, процесів дегазації приміщення шляхом подачі нейтралізатора від стаціонарних або рухомих спринклерних установок, застосування поверхонь, що поглинають токсичний газ.

Практичне значення отриманих результатів. На основі побудованих чисельних моделей створено спеціалізоване програмне забезпечення для проведення обчислювального експерименту по моделюванню процесів хімічного забруднення повітряного середовища у виробничих приміщеннях хімічно небезпечних об'єктів у випадку різноманітних аварійних ситуацій. Всі розроблені в дисертаційній роботі чисельні моделі реалізовані у вигляді програмних засобів для комп'ютерної реалізації.

Розроблені чисельні моделі процесів забруднення повітряного середовища у виробничих приміщеннях у випадку аварійних викидів, витоків, розливів токсичних речовин та створені на їх основі пакети прикладних програм використовуються у Міністерстві з надзвичайних ситуацій України (акт впровадження наведено у додатку) для оцінки риску токсичного ураження персоналу у випадку аварій, що розвиваються по рівню «А» на хімічно небезпечних об'єктах, а також для удосконалення методів захисту повітряного середовища у приміщеннях при аваріях. Побудовані моделі використовуються на спільному українсько-німецькому підприємстві “TUV NORD-ДИЭКС” для прогнозу рівня забруднення повітряного середовища у випадку аварійного витоку аміаку у приміщенні.

Розроблені в дисертаційній роботі чисельні моделі мають широкий робочий діапазон та можуть бути ефективним засобом вирішення комплексу задач, пов'язаних з прогнозом хімічного забруднення повітряного середовища у виробничих приміщеннях при аваріях, з прогнозом токсичного ураження людей, а також для визначення параметрів систем аварійної вентиляції виробничих приміщень хімічно небезпечних об'єктів.

Розроблені у роботі чисельні моделі можуть використовуватися для експертної оцінки існуючих систем аварійної вентиляції (особливо при проведенні ре-інженірінга) та прогнозу їх ефективності у випадку аварійних ситуацій у виробничих приміщеннях.

Обґрунтованість і вірогідність отриманих результатів та висновків базується на використанні фундаментальних моделей механіки рідини та газу, задовільним узгодженням результатів чисельних розрахунків з розрахунковими та експериментальними даними інших авторів.

Особистий внесок здобувача. Всі наведені в роботі основні результати, що становлять предмет дисертації (постановка задач, побудова чисельних моделей, алгоритмів розрахунку, методологія моделювання, розробка прикладних програм, тестування), отримані автором самостійно. Автор самостійно проводив обчислювальні експерименти, оформляв проміжні результати у вигляді публікацій і наукових доповідей. У роботах [1, 2, 5, 6, 9, 10, 12 - 17, 19 - 21], що виконані у співавторстві, здобувачу належать: загальні принципи побудови чисельних моделей процесів забруднення та дегазації повітряного середовища у виробничих приміщеннях, проведення чисельних розрахунків та обробка результатів моделювання.

Апробація роботи. Основні наукові положення і результати дисертаційної роботи викладалися на: VI конференції «Стратегия выживания. Адаптация и реабилитация населения Украины в условиях техногенных перегрузок», Дніпропетровськ, 2005р.; I науково-практичній конференції «Регіональні проблеми техногенно-екологічної безпеки в XXI столітті», Дніпропетровськ, 2005р.; III Міжнародній науково-практичній конференції «Проблеми природокористування, сталого розвитку та техногенної безпеки регіонів», Дніпропетровськ, 2005р.; Міжнародній науково-практичній конференції «Проблеми та перспективи розвитку залізничного транспорту» при Дніпропетровському національному університеті залізничного транспорту імені академіка В. Лазаряна, Дніпропетровськ, (2006р., 2008р.); II Всеукраїнській науково-практичній конференції «Здорове довкілля - здорова нація», Бердянськ, 2005р.; VI Всеукраїнській науково-практичній конференції «Комп'ютерне моделювання та інформаційні технології в науці, економіці та освіті», Кривий Ріг, 2005р.; III Міжнародній молодіжній науковій конференції «Довкілля - XXI», Дніпропетровськ, 2006р.; Міжнародній конференції «Безопасность жизнедеятельности в ХХI веке», Дніпропетровськ, (2006р., 2007р.); the Sixth International Scientific Forum «Aims for future of engineering science» (Hong Kong, Китай, 2005); Міжнародній науковій конференції «Математичні проблеми технічної механіки», (Інститут технічної механіки НАН України та НКА України, Дніпропетровськ, 2006р.); науково-технічній конференції «Прикладні проблеми аерогідромеханіки та тепломасопереносу», Дніпропетровськ, (2006р., 2008р.); II Міжнародній науково-практичній конференції «Стратегические вопросы мировой науки - 2007», Дніпропетровськ, 2007р.

Публікації. Результати дисертаційної роботи опубліковано в 23 наукових роботах, з них 9 - статті в збірниках наукових праць, що входять до переліку наукових спеціальних видань, затверджених ВАК України, 14 - тези доповідей.

Структура и об'єм дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних літературних джерел та одного додатку. Робота надрукована на 120 сторінках, вміщує 87 рисунків, 18 таблиць. Список використаних літературних джерел складає 108 бібліографічних назв. У додатку наведені документи по впровадженню результатів дисертаційної роботи. Повний обсяг дисертаційної роботи - 162с.

Робота виконана на кафедрі прикладної газової динаміки та тепломасообміну Дніпропетровського національного університету імені Олеся Гончара.

основний зміст роботи

Вступ. Обґрунтовано актуальність роботи, сформульовано мету дослідження, наукову новизну та практичну цінність отриманих результатів.

У першому розділі проведено аналіз наукових публікацій, присвячених проблемі, що вивчається.

У параграфі 1.1 розглянуто причини та наслідки аварій на хімічно небезпечних об'єктах. Відзначається, що викид (витік) токсичних речовин може призвести не тільки до ураження обслуговуючого персоналу у приміщенні та за його межами, але й стати причиною виникнення вторинної аварії (пожар, вибух). Тому дуже важливо забезпечити швидке зниження концентрації токсичного газу у приміщенні та організувати рух повітряного потоку таким чином, щоб токсичний газ не зносився би у ті місця приміщення, де можливо його займання або вибух.

У параграфі 1.2 виконано аналітичний огляд методів захисту повітряного середовища у виробничих приміщеннях та, зокрема, методу нейтралізації забруднюючих речовин.

У параграфі 1.3 здійснено огляд методів вирішення задач про забруднення повітря у робочих приміщеннях. Відмічається, що фізичний експеримент не може служити щоденним інструментом розв'язання різноманітних завдань, пов'язаних з прогнозом забруднення повітряного середовища у виробничому приміщенні при аваріях. Основним методом прогнозу забруднення повітряного середовища для задач даного класу є метод математичного моделювання. Проведений аналіз наукових публікацій показав, що у дослідників відсутні розрахункові методи та моделі, що можливо було б використовувати на практиці для оперативного прогнозу забруднення повітряного середовища у виробничих приміщеннях хімічно небезпечних об'єктів при різноманітних аварійних ситуаціях, пов'язаних з витоком, викидом, розливом токсичних речовин, а також для наукового обґрунтування методів захисту повітря.

Показано, що в інженерній практиці, частіше, розрахунок динаміки зміни рівня загазованості приміщення при аварії здійснюється на базі залежності

,

де - концентрація забруднювача у приточному повітрі, мг/м³; - кратність повітрообміну, 1/год; - концентрація забруднювача, мг/м³; t - час, ч; - питоме, годинне виділення забруднювача; V - об'єм приміщення, м³; - інтенсивність виділення забруднювача у повітряне середовище приміщення, мг/ч; - початкова концентрація забруднювача, мг/м³.

Необхідно звернути увагу на те, що дана модель визначає концентрацію токсичного газу С не у приміщенні, де сталася аварія, а у повітрі, що відходить. Це не дає змоги проектувальнику оцінити ступінь загазованості повітря у різних місцях приміщення, особливо у місцях, що погано провітрюються (за технологічним обладнанням). Крім цього, модель не дозволяє враховувати вплив положення отворів вентиляції на організацію руху повітряного потоку всередині приміщення та, отже, на динаміку формування зони забруднення у приміщенні, де сталася аварія і тим самим дезорієнтує проектувальника відносно можливості виникнення вторинної аварії.

Застосування на практиці моделей, що базуються на чисельному інтегруванні рівнянь Навьє-Стокса з використанням різних моделей турбулентності (наприклад, модель, а також LES моделювання, DNS моделювання) вимагають значних витрат машинного часу на розрахунок, та потужних персональних комп'ютерів. Тому на практиці дуже важливо мати такі моделі, що, з одного боку, дозволяли б враховувати ті суттєві фактори, що впливають на процес переносу домішки у приміщенні, а з іншого боку, вимагали б мінімальних витрат машинного часу при практичній реалізації, що є важливим для проектувальника.

У другому розділі розглянуто математичні моделі поширення домішки у повітряному середовищі виробничих приміщень хімічно-небезпечних об'єктів.

У параграфі 2.1 розглянуто фізичну постановку завдання дослідження.

У параграфі 2.2 розглянуто тривимірне (а також двовимірне) рівняння для розрахунку поля швидкості повітряного потоку у приміщенні - рівняння для потенціалу швидкості для потоку нестислої рідини. Наведено граничні умови.

У параграфі 2.3 розглянуто іншу гідродинамічну модель для розрахунку швидкості повітря у приміщенні - модель відривних вихрових течій ідеальної нестислої рідини. У цьому випадку для розрахунку поля швидкості повітряного потоку у приміщенні необхідно знайти розв'язання нелінійної системи двовимірних рівнянь гідродинаміки: рівняння переносу завихрення та рівняння Пуассона для розрахунку функції току. В даному параграфі розглядається постановка початкових та граничних умов для рівнянь моделі.

У параграфі 2.4 розглянуто тривимірне рівняння переносу забруднюючої речовини у виробничому приміщенні. У якості базової моделі для задач класу, що розглядається, використовується таке рівняння переносу

де С - концентрація забруднюючої речовини; - компоненти вектора швидкості повітряного середовища; - коефіцієнти турбулентної дифузії; - координати положення точкового джерела викиду забруднюючої речовини; Qi(t) - інтенсивність точкового викиду забруднюючої речовини; - позначення дельта-функції Дірака; - коефіцієнт, що враховує процеси хімічного розпаду забруднюючої речовини.

Моделювання аварійного викиду за допомогою дельта-функції Дірака дозволяє у рамках однієї математичної моделі виду (1) розглядати дуже різноманітні аварійні сценарії:

короткочасні викиди («напівнеперервний» викид);

постійно діючий викид (викид протягом достатньо тривалого проміжку часу);

циклічні викиди;

викиди по типу «ефект доміно» та таке інше.

В даному параграфі розглядається постановка початкових та граничних умов для рівняння (1).

У параграфі 2.5 розглянуто двовимірні моделі переносу домішки, що є рівняннями виду (1), усереднене по ширині виробничого приміщення. Розглядається постановка краевих умов для двовимірної моделі.

У параграфі 2.6 розглянуто математичну модель для опису процесу розповсюдження нейтралізатора, що подається у приміщення для нейтралізації токсичного газу.

Для моделювання процесу розсіювання нейтралізуючого розчину від спринклеру використовується рівняння виду (1), записане відносно концентрації нейтралізатора С, але додатково в рівняння введено параметр швидкості гравітаційного осадження капель нейтралізатора. В дану модель уведена залежність координат розміщення спринклера , що подає нейтралізатор, від часу. Таким чином, задаючи у моделі функції

,

реалізується можливість моделювання подачі нейтралізуючого розчину не тільки від стаціонарних спринклерів, але й від рухомих. Це надає проектувальнику широкі можливості при проведенні обчислювального експерименту та дозволяє в рамках одного пакету програм, не змінюючи його структури, проводити обчислювальний експеримент для широкого класу задач. В цьому параграфі також розглядається алгоритм розрахунку процесу хімічної взаємодії при нейтралізації токсичного газу.

У параграфі 2.7 обговорюються питання забезпечення моделей поширення домішки виду (1) інформацією, необхідної для проведення обчислювального експерименту з моделювання процесів розповсюдження токсичних газів у виробничих приміщеннях при аваріях.

У третьому розділі розглянуто побудову різницевих схем для чисельного інтегрування рівнянь моделі. Інтегрування здійснюється на прямокутній різницевий сітці. Значення потенціалу швидкості та концентрації визначається в центрах різницевих комірок, а значення компонент вектора швидкості повітряного потоку - на гранях різницевих комірок. Для організації алгоритму розрахунку процесу переносу токсичних речовин в областях зі складною геометрією меж використовується метод маркування розрахункової області. Це дозволяє виділити ті різницеві комірки, що відповідають області течії і ті різницеві комірки, що відповідають твердим границям (або поверхням, що поглинають токсичний газ та таке інше). Такий підхід дозволив побудувати універсальний алгоритм розрахунку поля швидкості та процесу переносу домішки у багатозв'язних областях, що мають складну геометричну форму. Використання методу маркування дозволило створити чисельну модель, де проектувальник може задавати будь-яке положення приточних та витяжних отворів вентиляції, будь-яке розміщення технологічного обладнання у приміщенні, форму технологічного обладнання.

У параграфі 3.1 розглянуто побудову двох різницевих схем для чисельного інтегрування тривимірного та двовимірного рівняння для потенціалу швидкості. Для чисельного інтегрування використовується метод Лібманна та навперемінно-трикутний метод А. А. Самарського. При використанні методу А. А. Самарського чисельне інтегрування здійснюється стосовно рівняння виду



,

де - фіктивний час, P- потенціал швидкості.

Після визначення поля потенціалу швидкості розраховуються компоненти вектору швидкості на гранях різницевих комірок за формулами

, , .

При проведенні обчислювального експерименту розв'язання рівняння для потенціалу швидкості проводиться по двом зазначеним методам одночасно з метою контролю отриманих результатів. В розробленому пакеті прикладних програм кожен метод реалізовано у вигляді підпрограми.

У параграфі 3.2 розглянуто чисельне інтегрування рівнянь гідродинаміки для розрахунку вихрових відривних течій ідеальної нестиглої рідини. Для чисельного інтегрування вихрових відривних течій ідеальної нестислої рідини використовується рознесена прямокутна різницева сітка. Величина завихорності визначається у центрі різницевих комірок, а значення функції току у вузлах різницевих комірок. Значення компонент швидкості повітряного потоку розраховуються на гранях різницевих комірок. Для чисельного інтегрування рівняння Пуассона для розрахунку функції току застосовується навперемінно-трикутний метод А. А. Самарського .

У параграфі 3.3 розглянуто побудову неявної навперемінно-трикутної різницевої схеми для чисельного інтегрування тривимірного рівняння переносу домішки (токсичний газ, нейтралізатор) виду (1). Різницеві рівняння на кожному кроці розщеплення мають вигляд:

на першому кроці :



; (2)

на другому кроці ; :

; (3)

на третьому кроці використовується формула (3);

на четвертому кроці використовується формула

В залежностях (2 - 3) використовуються таки оператори

,

,

; і т.д.

На п'ятому кроці розщеплення враховується вплив джерел на зміну концентрації домішки і розрахункова залежність на цьому кроці має вигляд:



.

Функція дорівнює нулю у всіх комірках, окрім тих, де розміщується джерело викиду забруднюючої речовини. При побудові різницевої схеми на верхньому часовому шарі обчислюється та частина різницевих операторів , , що відповідає напряму розділеної різниці для конвективної похідної. Через односторонню апроксимацію конвективних похідних такий підхід дозволяє використовувати значення невідомої функції у трьох різницевих вузлах на верхньому часовому шарі для кожного кроку розщеплення. На кожному кроці розщеплення невідоме значення концентрації визначається за явною формулою бігучого розрахунку.

У параграфі 3.4 розглянуто побудову навперемінно-трикутної неявної різницевої схеми для чисельного інтегрування двовимірного рівняння переносу токсичного газу (нейтралізатора).

У параграфі 3.5 досліджується стійкість навперемінно-трикутної різницевої схеми та показано, що навперемінно-трикутна різницева схема є абсолютно стійкою на кожному кроці розщеплення.

У параграфі 3.6 наведено результати розв'язку чотирьох тестових задач, для верифікації розроблених чисельних моделей. В якості першої тестової задачі обрана задача про розрахунок швидкості повітря у щілинному відсосі, що вбудований у плоску стінку. Друга задача - розрахунок швидкості повітря у щілинному відсосі у тривимірному випадку. Наступна задача - вдув струменю до плоскої прямокутної камери. Четверта задача - поширення домішки в потоці від постійно діючого джерела забруднення, та порівняння результатів розрахунку, що отримані на базі розробленої чисельної моделі з експериментальними даними, аналітичним розв'язком, що отримані Озмідовим Р. В. Проведені обчислювальні експерименти показали задовільне узгодження чисельних результатів, отриманих за допомогою розроблених чисельних моделей, з результатами, що отримані теоретичним або експериментальним шляхом іншими авторів.

У четвертому розділі розглянуто застосування розроблених чисельних моделей для розв'язку комплексу прикладних задач, пов'язаних з прогнозуванням забруднення повітряного середовища у виробничих приміщеннях хімічно небезпечних об'єктах при аваріях.

У параграфі 4.1 наведено результати розрахунку процесу вентиляції приміщення при аварійному залповому викиді токсичного газу у рамках двовимірної моделі. Наведено результати розв'язку двох прикладних задач. У першій задачі досліджено динаміку забруднення приміщення при аварії, в результаті якої утворилося дві хмари токсичного газу. У другій задачі наведено результати дослідження впливу положення вихідного отвору вентиляції на процес формування зони забруднення у приміщенні при залповому викиді аміаку. Обчислювальний експеримент показав, що за рахунок організації руху забрудненого повітря у приміщенні можливо суттєво зменшити розвиток зони забруднення повітря та захистити окремі зони у приміщенні від забруднення.

У параграфі 4.2 наведено результати розрахунку процесу забруднення повітряного середовища у приміщенні при аварійному витоку токсичного газу. Розрахунок виконано у рамках двовимірної моделі. Наведено результати розв'язку двох прикладних задач. В першій задачі розглядається сценарій, за яким виток токсичного газу стався на обладнанні. Досліджується динаміка забруднення приміщення та процес дегазації при подачі нейтралізатора. У другий задачі досліджується динаміка забруднення повітряного середовища у виробничому приміщенні, яке відрізняється великою кількістю технологічного обладнання (обладнання розміщується як на стелі, так і на підлозі приміщення). Досліджується вплив положення приточних та вихідних отворів вентиляції на процес формування зони забруднення у приміщенні.

У параграфі 4.3 розглядається застосування розробленої чисельної моделі для розв'язку наступної задачі - оцінка ефективності застосування поверхні, що поглинає токсичний газ. Для розрахунку поля швидкості повітряного потоку у приміщенні використовуємо модель відривних течій нев'язкої нестислої рідини. Представляються результати розв'язку двох варіантів: довжина поверхні, що поглинає токсичний газ дорівнює 6 м та 11 м.

У параграфі 4.4 наведено результати дослідження процесу забруднення повітряного середовища у виробничому приміщенні при аварійному витоку аміаку та ціаністого водню. Математичне моделювання виконане у рамках тривимірної моделі. Для зменшення рівня забруднення токсичною речовиною повітряного середовища використовувалась подача у приміщення нейтралізатора. У розділі наведено розв'язок п'яти прикладних задач, що відрізняються місцем витоку токсичного газу (біля стелі, за технологічним обладнанням, перед обладнанням) та різним розміщенням спринклера, що подає нейтралізатор. Результати проведених обчислювальних експериментів дозволяють стверджувати, що подача нейтралізатора дає змогу швидко знизити ступінь загазованості приміщення токсичним газом і таким чином знизити ризик як токсичного ураження персоналу, так і виникнення вторинної аварії. Але ефективність цього методу залежить від розташування спринклерів відносно місця аварії.

В даному розділі також наведено результати експерименту, що проводився в гідравлічному щілинному лотку для імітації процесу нейтралізації.

У параграфі 4.5 представлено результати моделювання процесу зниження загазованості приміщення шляхом застосування рухомого джерела подачі нейтралізатора. . Наведено результати динаміки забруднення приміщення у разі витоку токсичної речовини (аміаку) без подачі нейтралізатора, а також з подачею нейтралізатора від рухомого джерела.

У параграфі 4.6 наведено результати моделювання процесів забруднення повітряного середовища у приміщенні при аварійних залпових викидах токсичних речовин. Математичне моделювання виконане у рамках тривимірної моделі. Представлено результати розв'язку двох задач, де розглянуто процес забруднення та нейтралізації токсичного газу у разі формування при аварії у приміщенні однієї хмари чи двох хмар. Досліджено динаміку забруднення приміщення та зниження рівня загазованості при подачі нейтралізатора.

У параграфі 4.7 здійснюється розрахунок часу утворення вибухонебезпечної концентрації газу у приміщенні. Ця проблема набуває особливої актуальності у зв'язку з процесом ре-інжінірінга на багатьох виробничих об'єктах. При проведенні ре-инжінірінга часто здійснюється установка обладнання невластивого профілю підприємства, можуть блокуватися існуючі види евакуації. У параграфі розглядається застосування розробленої тривимірної чисельної моделі для розрахунку часу утворення вибухонебезпечної концентрації у приміщені до і після проведення ре-інжінірінга.



ВИСНОВКИ

У дисертації наведені нові чисельні моделі поширення токсичного газу у виробничих приміщеннях хімічно небезпечних об'єктів у випадку аварій. Виконано аналіз забруднення повітря у виробничих приміщеннях для різних типів аварійних ситуацій та здійснена оцінка ефективності роботи аварійної вентиляції, методу нейтралізації токсичного газу та поверхонь, що поглинають небезпечне забруднення по зниженню рівня забруднення повітря.

По результатам дисертаційної роботи можна зробити наступні висновки:

1. Розроблено нові ефективні тривимірні та двовимірні чисельні моделі процесів розповсюдження токсичних речовин та нейтралізатора у повітряному середовищі виробничих приміщень Розроблені чисельні моделі надають можливість оперативного моделювання процесів забруднення повітряного середовища у виробничому приміщенні з урахуванням основних факторів, що впливають на даний процес: кількість та положення отворів вентиляції, положення та форма технологічного обладнання, урахування місця аварійного викиду, характеру викиду (витоку) і таким шляхом науково обґрунтовано прогнозувати вибухо- та пожежну небезпечність виробничих приміщень.

2. Розроблено спеціалізоване програмне забезпечення, що дозволяє проводити обчислювальний експеримент з дослідження процесів хімічного забруднення повітряного середовища у виробничих приміщеннях на комп'ютерах малої та середньої потужності.

3. Вперше виконано математичне моделювання процесів дегазації приміщень шляхом подачі нейтралізатора від стаціонарних або рухомих спринклерних установок. Показано, що цей метод дозволяє швидко знизити рівень забруднення повітряного середовища токсичною речовиною.

4. На основі розроблених чисельних моделей розв'язано задачу про застосування поглинаючих поверхонь для зниження рівня забруднення повітряного середовища у приміщенні. Здійснена оцінка ефективності цього методу захисту повітряного середовища. Показано, що ефективність даного методу залежить від розташування поглинаючих поверхонь відносно місця аварії.

5. На основі виконаних обчислювальних експериментів показано, що для зниження ризику виникнення вторинної аварії у виробничому приміщенні можливо за рахунок організації напрямку повітряного потоку захистити необхідні зони у приміщенні від забруднення та, як наслідок, від можливого вибуху.

6. На основі розроблених чисельних моделей та створеного спеціалізованого програмного забезпечення проведено серію обчислювальних експериментів з прогнозу рівня забруднення повітряного середовища виробничих приміщень хімічно небезпечних об'єктів при різноманітних видах аварій.

7. Розроблені чисельні моделі та створено спеціалізоване програмне забезпечення призначені для прогнозу наслідків аварій у робочих приміщеннях та обґрунтуванні раціональних параметрів аварійної вентиляції, або інших методів захисту повітряного середовища від забруднення при проектуванні хімічно-небезпечних об'єктів.



СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Веселовский В.Б. Рассеивание загрязняющих веществ в производственных помещениях при авариях / Веселовский В.Б., Беляева В.В. Проблеми обчислювальної механіки і міцності конструкцій. Збірник наукових праць / Днепропетровский национальный университет, 2005. - Вип.9, - С.50 -56.

2. Заец Ю. Л. Численная модель вентиляции помещений при аварийных выбросах вредных веществ / Заец Ю. Л., Беляева В. В. Вісник Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту імені академіка В. Лазаряна. - Дніпропетровськ, 2005. - Вип. 9. - С. 31-35.

3. Беляева В. В. Прогнозирование качества воздушной среды в производственных помещениях химически опасных предприятий // Стратегия выживания. Адаптация и реабилитация населения Украины в условиях техногенных перегрузок: Материалы 6-й научно-практ. конф., Днепропетровск, май 2005 года. - С.30-34.

4. Беляева В. В. Математическое моделирование процесса вентиляции помещений в случае загазованности токсичным газом // Пробл. природокористування, сталого розвитку та техногенної безпеки регіонів: Матеріали третьої Міжнар. науково-практ. конф., Дніпропетровськ, жовтень 2005 року. - С. 225 - 227.

5. Жовтонога Н. Н. Математические модели прогноза качества воздушной среды в производственных помещениях / Жовтонога Н. Н., Беляева В. В. «Здорове довкілля - здорова нація»: Тези доповідей II Всеукраїнської наук.-практ. конф., Бердянск, 26 28 травня 2005 року. - С.11 - 12

6. Жовтонога Н. Н. Численное моделирование вентиляции помещений после аварийных выбросов. / Жовтонога Н. Н., Никульникова (Беляева) В. В. «Комп'ютерне моделювання та інформаційні технології в науці, економіці та освіті»: 6 Всеукраїнська наук.-практ. конф., Кривий Ріг, 26-28 квітня, 2005 року. - С.66

7. Беляева В. В. Трехмерная численная модель для расчета качества воздушной среды в производственных помещениях. // Геотехнічна механіка: Міжвід. зб. наук. праць / Ін-т геотехнічної механіки ім. М. С. Полякова НАН України. - Дніпропетровськ, 2006. - Вип. 64. - С. 129 - 135

8. Беляева В. В. Моделирование процесса дегазации помещения после аварии // Вісник Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту імені академіка В. Лазаряна. - Дніпропетровськ, 2006. - Вип. 12. - С. 17-20.

9. Моисеенко К. Я. Численное моделирование процесса вентиляции помещения / Моисеенко К. Я., Беляева В. В. Вісник Придніпровської державної академії будівництва та архитектури. №2 (97). Дніпропетровськ, 2006. - С.29 - 36

10. Моисеенко К. Я. Моделирование процесса загрязнения воздушной среды в помещении при утечке токсичного вещества / Моисеенко К. Я., Беляева В. В. Сборник научных трудов «Строительство, материаловедение, машиностроение». Вып. 38. Серия: БЖД в строительстве. Днепропетровск, 2006. - С.188 - 195

11. Беляева В. В. Модели прогноза уровня загрязнения воздушной среды в помещениях при аварийных выбросах // Пробл. та перспективи розвитку залізничного трансп.: Тези 66-ї міжнар. наук.-практ. конф., Дніпропетровськ, 11-12 травня 2006 року, С. 240 - 241.

12. Беляева В. В. Численное моделирование вентиляции помещений / Беляева В. В., Полищук С. З. Міжнародна наукова конференція «Математичні проблеми технічної механіки», Дніпропетровськ, Ін-тут техн. механіки НАН України і НКА України, 2006. - С. 198

13. Веселовский В. Б. Моделирование процесса загазованности помещения при утечке токсичного газа / Веселовский В. Б., Беляева В. В. Матеріали третьої міжнародної молодіжної наукової конференції «Довкілля - XXI» Т.3. «Екологічний моніторинг, системний аналіз і математичне моделювання екосистем». 5 - 6 жовтня 2006р., Дніпропетровськ. - С.10 - 11

14. Веселовский В. Б. Численное решение прямых и обратных задач в экологии / Веселовский В. Б., Беляева В. В. Матеріали науково-технічної конференції. «Прикладні проблеми аерогідромеханіки та тепломасопереносу». 16 - 17 листопада 2006р., Дніпропетровськ. - С.125 - 126

15. Веселовский В.Б. Численная модель для расчета процесса вентиляции помещений / Веселовский В.Б., Беляева В.В. Вісник Дніпропетровського національного університету. Механіка. 2007. Вип.11, т.1. С.151 - 157.

16. Беляева В. В. Математическое моделирование переноса токсичних веществ в помещениях / Беляева В. В., Гунько Е. Ю., Машихина П. Б., Чорная А. Ю. Матеріали II Міжнародної науково-практичної конференції «Стратегические вопросы мировой науки - 2007». 15 - 28 лютого 2007р., Дніпропетровськ. - С.70 - 71

17. Беляева В. В. Рассеивание загрязняющих веществ в производственных помещениях / Беляева В. В., Чорная А. Ю., Якубовская З. Н. Безопасность жизнедеятельности в ХХI веке: Мат. 7-й междунар. конф., Днепропетровск, 2007. - С.69

18. Беляева В. В. Моделирование нестационарного процесса загрязнения воздушной среды в помещении // Вісник Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту імені академіка В. Лазаряна. - Д., 2008. - Вип. 22. - С. 82-85.

19. Заец Ю. Л. Расчет образования взрывоопасной концентрации в помещении при аварийной утечке газа / Заец Ю. Л., Беляева В. В. Вісник Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту імені академіка В. Лазаряна. - Д., 2008. - Вип. 20. - С. 91-94.

20. Веселовский В. Б. Прогноз степени загрязнения воздушной среды в помещениях при аварийных выбросах токсичных веществ / Веселовский В. Б., Беляева В. В. Матеріали науково-технічної конференції. «Прикладні проблеми аерогідромеханіки та тепломасопереносу». 13 - 15 листопада 2008р., Дніпропетровськ. - С.160 - 161

21. Беляева В. В. Информационная система прогноза качества воздушной среды в производственных помещениях / Беляева В. В., Рудь А. И. Сучасні інформаційні технології на транспорті, в промисловості та освіті: Тези міжнар. наук.-практ. конф., Дніпропетровськ, 15-16 травня 2008 року, С. 49 - 50.

22. Беляева В. В. Численное моделирование распространения тяжелого газа в производственном помещении // Пробл. та перспективи розвитку залізничного трансп.: Тези 68-ї міжнар. наук.-практ. конф., Дніпропетровськ, 22-23 травня 2008 року, С. 6.

23. Беляева В. В. Математическое моделирование рассеивания цианистого водорода в производственном помещении // Пробл. та перспективи розвитку залізничного трансп.: Тези 68-ї міжнар. наук.-практ. конф., Дніпропетровськ, 22-23 травня 2008 року, С. 26 - 27.

Размещено на Allbest.ru

...