Законом «О промышленной безопасности опасных производственных объектах»
Download 0.55 Mb.
|
bibliofond.ru 804618
|
ВВЕДЕНИЕ В соответствии с Федеральным законом «О промышленной безопасности опасных производственных объектах» к категории опасных производственных объектов относятся объекты, на которых “получаются, используются, перерабатываются, образуются, хранятся, транспортируются… токсические вещества - вещества, способные при воздействии на живые организмы приводить к их гибели… высокотоксичные вещества … и вещества, представляющие опасность для окружающей природной среды”, а также “…используется оборудование, работающее под давлением более 0.07 МПа…”. Таким образом, значительное количество промышленных предприятий, в том числе в металлургической и химической промышленности, относится к числу опасных производственных объектов, а многие из них - к числу объектов экономики с обязательной разработкой декларации безопасности. Важной и неотъемлемой частью декларации безопасности является прогнозирование сценариев развития техногенных аварий, связанных с разрушением емкостей с токсическими веществами. В настоящее время разработано немало методик для построения сценариев развития и оценки последствий различных видов аварий на промышленных объектах - как связанных с взрывами различного происхождения, так и относящихся к различным авариям, связанным с выбросом в окружающую среду токсичных веществ. Каждая из этих методик имеет свои достоинства и недостатки, многие из них успешно применяются на практике. Однако недостаточное внимание уделяется такому виду аварий, как взрывы технологических систем, содержащих токсичные вещества под давлением. Как правило, при оценке последствий таких аварий принимаются во внимание лишь наличие первичного и вторичного облаков токсикантов и состояние окружающей среды. При этом не учитывается потенциальное воздействие на окружающую среду ударной волны, которое может привести к изменению процессов массопереноса в зоне аварии и, следовательно, повлиять на поля концентраций токсиканта. Также не учитываются и особенности процесса взрыва в ограниченном пространстве, которые существенно изменяют характеристики среды и, следовательно, оказывают влияние на распространение токсиканта. Исследование физических процессов, имеющих место в конкретных чрезвычайных ситуациях, оказывается весьма важным с точки зрения определения их последствий и разработки мер по уменьшению наносимого ими ущерба. Настоящая работа посвящена выявлению основных закономерностей распространения токсиканта при взрыве сосуда под давлением, изучению влияния характеристик пространства на процессы массопереноса и выявлению факторов, оказывающих определяющее влияние на формирование концентрационных полей и, следовательно, применяемых для построения зон потенциального ущерба, потенциальной опасности и потенциального риска. 1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ Смысл задачи прогнозирования опасных последствий аварии, связанной с взрывом сосуда с токсическим веществом, состоит в определения газодинамических характеристик среды в зоне аварии и моделировании процесса рассеяния токсиканта сначала ударной волной (прямой и отраженной), а затем под влиянием атмосферных условий, благодаря которым становится возможным построение концентрационных полей токсиканта, которые и определяют его токсическое воздействие. Отдельные вопросы, относящиеся к теме данного исследования, рассмотрены во многих литературных источниках, и при соответствующей обработке имеющейся информации может быть собрано достаточное количество данных для решения поставленной задачи. В рамках настоящей работы интерес представляют работы, посвященные моделированию распространения примесей в атмосфере, исследования, посвященные газодинамике взрывов, теории ударных волн и вопросам волнового отражения. .1 Гидродинамика воздуха в ударной волне и за ее фронтом При разрушении емкости, находящейся под давлением, равно как и при взрыве заряда взрывчатого вещества, в атмосфере возникают воздушные ударные волны, распространяющиеся с большой скоростью в виде области сжатия-разрежения со скачком во фронте давления, температуры, плотности и скорости частиц среды. На расстояниях, представляющих практический интерес, взрыв обычно рассматривается как точечный, форма фронта волны считается сферической. Фаза разрежения, играющая во взрывных процессах меньшую роль, чем фаза сжатия, в практических исследованиях также обычно не рассматривается. Существуют два вида решений задач, связанных с распространением ударной волны. При автомодельной задаче не учитывается атмосферное давление, которое обычно значительно меньше давления во фронте ударной волны. В связи с развитием компьютерной техники существует тенденция к углубленному изучению неавтомодельных задач, дающих более точные решения. Как правило, перечисленные выше задачи изучаются в неодномерной постановке. При наземном взрыве обычно рассматривают воздушную ударную волну, распространяющуюся от эпицентра с вертикальным фронтом. С момента прихода фронта волны в некоторую точку давление резко повышается до максимального значения, а затем убывает (до атмосферного и ниже). Несмотря на большое количество исследований, посвященных физике взрыва и газодинамическим процессам в воздухе, остается малоизученным вопрос о состоянии среды позади фронта волны. Как правило, для практических целей необходимо знать параметры во фронте, которые во многих случаях являются определяющими с точки зрения прогнозирования последствий аварии. В литературе широко представлены два подхода к изучению параметров взрывных волн. Первый из них основан на математическом моделировании физических процессов с использованием уравнений состояния и т.п. Такой подход, будучи строго обоснованным, не всегда дает результаты, совпадающие с реальными. Другой подход основан на использовании эмпирических зависимостей, которые получены при изучении данных о реально имевших место взрывных процессах. Однако эмпирические зависимости, строго говоря, имеют весьма ограниченное применение и успешно используются лишь в случаях, подобным тем, для которых они были разработаны. Для получения достоверных результатов, безусловно, необходимо разумно сочетать оба этих подхода. В работе /1/, автор которой является одним из основоположников изучения взрывных процессов, преимущественно используются эмпирические зависимости. Подчеркивается, что расчета действия волны необходимо иметь представление о характере изменения процессов за ее фронтом. Для определения значения избыточного давления во фронте ударной волны автор использует эмпирическую формулу (формула Садовского): dP=0.084/R+0.27/R2+0.7/R3, (1) где dP - избыточное давление во фронте волны, МПа; R - приведенное расстояние, м/кг0.33 . R=r/C0.33, (2) где r - расстояние от точки взрыва, м С - тротиловый эквивалент, кг. Данная формула, предназначенная прежде всего для расчета последствий взрывов конденсированных взрывчатых веществ, широко применяется на прак-тике, хотя не всегда дает достоверные результаты. По мере удаления от эпицентра взрыва в ударной волне наблюдается увеличение продолжительности ее фаз, т.е. периодов сжатия и разряжения, поскольку фронт ее движется с большей скоростью, чем скорости более глубоких слоев ее. Эти слои, в свою очередь, движутся со скоростями тем большими, чем большее давление в них наблюдается. Это явление сопровождается сохранением пространственных параметров волны неизменными, т.к. увеличение времени действия фаз волны происходит одновременно с падением скорости ее распространения. Длительность фазы сжатия определяется по формуле /2/: t=C0.15×r0.33, (3) где t - продолжительность действия положительного давления, мс. В других источниках /3/, однако, показатель степени в данной формуле является другим (см. ниже формулу (27)). Здесь же /2/ указано, что при распространении сферической ударной волны в движение вовлекаются все большие массы воздуха, конкретные объемы которых могут быть определены по зависимостям, приводимым в источнике /1/.Это явление существенным образом влияет на процессы как распространения ударной волны (в том числе отраженной), так и на процессы массопереноса. В источнике /3/ для оценки избыточного давления во фронте волны используются различные методики расчета: Нормы пожарной безопасности (НПБ 107-97); Общие правила безопасности (ОПБВХП-88); Методика Госгортехнадзора и т.п. Для небольших тротиловых эквивалентов хорошо применима формула Госгортехнадзора: dP= 113.4/R+185.9/R2+9.02/R3 (4) Законы изменения массовой скорости и плотности среды во времени качественно аналогичны изменению давления, широко применяется понятие скоростного напора /3/: Psk=0.5×r×v2, (5) где Psk - скоростной напор, кг/м×с2; r - плотность воздуха, кг/м3; v - скорость движения среды, м/с. Понятие скоростного напора позволяет применять вышеуказанные формулы для решения тех задач, где требуется изучение различных процессов массопереноса. Существует зависимость, связывающая скоростной напор с избыточным давлением /3/: Psk= dP2/P0×[(k-1)×2×dP/P0+2×k], (6) где P0 - первоначальное (атмосферное давление), Па; k - показатель адиабаты воздуха. В работе /3/ даны преобразованные формулы для нахождения параметров в ударной волне при часто встречающихся на практике условиях: избыточное давление во фронте менее 10 МПа, наличие воздушной среды. Если во фронте ударной волны адиабатические процессы являются неизоэнтропическими (энтропия во фронте возрастает), то за фронтом волны процесс может рассматриваться как изоэнтропический /3/. Для умеренно же сильных ударных волн, которые часто встречаются на практике, ударный переход можно вообще рассматривать как изоэнтропический процесс, т.е. заменить ударную волну переходом к соответствующей простой волне. Такой подход, в частности, применяется в источнике /4/. В литературе имеются различные данные о параметрах ударной волны за ее фронтом. Так, в работе /5/ указано, что при отсутствии сложного движения отраженной ударной волны давление “далеко позади” от ударного фронта обычно поддерживается на уровне 42% от давления в ее фронте. Данное утверждение сопровождается массой графических зависимостей по данным произведенных с использованием вычислительной техники расчетов. Исследователь взрывных явлений Е.И. Забабахин в своей работе /6/ , рассматривая плоскую волну, приходит к выводу, что разрежение за фронтом волны, двигаясь со скоростью большей, чем у фронта, догоняет его, что приводит к уменьшению давления на фронте и к затуханию волны. Не рассматривая процессы в области низких давлений, он заключает, что убывание скорости движения среды за фронтом подчиняется линейной зависимости. Здесь же высказывается мнение, что падение давления за фронтом ударной волны происходит тем быстрее, чем больший путь прошла волна от эпицентра взрыва. При распространении простой волны, т.е. волны как простого физического колебания, ее форма искажается, а параметры изменяются со временем. Если же рассматривать точку, фиксированную в пространстве, то в ней параметры газа связаны следующими соотношениями /3/: P/P0=(r/r0)k (7)= (k×Rg×T)0.5 (8)=2×(Cg-C0)/(k-1), (9) где P - давление в данной точке, Па; P0 - первоначальное давление, Па; r - плотность среды в данной точке, кг/м3; r0 - плотность невозмущенной среды, кг/м3; Сg,C0 - скорости звука в волне и в нормальных условиях, м/с; Rg - газовая постоянная, Дж/моль×К; Т - температура, К. В данных уравнениях содержится 5 переменных, задав две из них, систему возможно решить. Указанные выше уравнения могут быть дополнены многими другими, основанными на физических закономерностях. Как правило, для решения их достаточно задать одну переменную, чтобы вычислить остальные. На использовании уравнений состояния в различных их модификациях основано численное решение многих задач газовой динамики, в том числе и относящихся к ударным волнам. Вследствие инерционности воздушного потока период положительной фазы скоростного напора несколько больше, чем длительность фазы сжатия ударной волны. Для того, чтобы данные периоды совпадали (что упрощает расчеты), возможно использовать приближенные формулы для скоростного напора и числа Маха в волне (как на фронте, так и за фронтом), которые приведены в источниках /3,7/. Изменение во времени избыточного давления и скоростного напора за фронтом ударной волны для широкого диапазона значений избыточных давлений получено Г. Броудом численным решением задачи о точечном сферическом взрыве /3,5/ (формулы Броуда). Е.Ф. Жигалко в работе /7/, используя методы математического моделирования, дает свой вариант решения задачи нахождения параметров во фронте ударной волны с использованием автомодельных аргументов. Он считает достаточно обоснованным использование для расчета параметров за фронтом волны упомянутых выше формул Броуда. М.В. Бесчастнов, рассматривая взрывные явления применительно к промышленным производствам, отмечает в /8/, что точная оценка параметров ударной волны может производиться лишь путем математического моделирования. Вместе с тем он допускает во многих случаях применение эмпирических зависимостей. Я.Б. Зельдович в своих работах /9,10/ рассматривает лишь процессы в переднем крае ударной волны и отмечает, что на значительном расстоянии от места взрыва, где амплитуда колебаний мала, законы распространения волны могут быть заменены обычными акустическими законами. Он критически относится к экспериментальным данным, отмечая их частое и существенное отклонение от расчетных данных. В.П. Коробейников в /11/ дает решение ряда конкретных задач по распространению волны, возникшей в результате точечного взрыва. Не рассматривая возможность изучения взрывов сосудов под давлением с использованием данных и зависимостей, относящихся к точечным взрывам, исследователь выступает за строго математические методы расчетов параметров среды и полагает возможным применение при расчетах в практических целях многих допущений (касающихся как свойств среды, так и самой постановки задачи). Г.И. Покровский, рассматривая основополагающие моменты теории взрывов /12/, отмечает значительные трудности, имеющие место при численном моделировании процессов в ударных волнах, особо указывая на необходимость проверки получаемых подобным образом данных с использованием других моделей и сопоставления их с данными, полученными в ходе экспериментов. Указывается необходимость учета параметров не только во фронте ударной волны, но и за ним. Таким образом, можно сделать вывод, что в литературе на данную тему достаточно полно рассмотрены основные теоретические положения газодинамики взрывов. Авторы придерживаются различных точек зрения по вопросу применения полученных теоретических и экспериментальных данных в практических целях, но сходятся в том, что изучение процессов в ударной волне должно быть комплексным. .2 Особенности процесса взрыва в ограниченном пространстве Распространение ударной волны в ограниченном пространстве характеризуется возникновением отраженной волны. Для решения практических задач следует рассматривать взаимодействие ударной волны как с преградами простой геометрической формы (прежде всего различными стенами), так и с преградами сложной формы (например, оборудование цехов) - данный процесс обычно сопровождается дифракцией и медленным обтеканием. В ударной волне существуют два основных вида отражательных процессов - прямое и косое отражение. Как прямое отражение его можно рассматривать, помимо простейших случаев, в том случае, когда при проведении расчетов создается расчетная сетка с настолько мелкими ячейками, что приложенные к ним вектора скоростей движения воздушной среды можно рассматривать как перпендикулярные к поверхностям этих ячеек. Кроме того, можно рассматривать как прямое и отражение волны от преграды, окружающей источник взрыва (при осесимметричном движении воздушных масс). При решении задач в упрощенной постановке всегда предпочтительнее рассматривать решение задач для прямого отражения, т.к. решения для косого отражения могут быть получены из него путем модификации расчетных формул. /2,13/ При анализе литературы, посвященной отражению волн, следует отметить, что в различных источниках имеют место как разные подходы к изучению этого явления, так и различные расчетные формулы для непосредственного нахождения различных параметров отраженной волны. Е.И. Забабахин, рассматривая в /5/ плоское отражение волны от преграды, использует подобие процессов в ударной волне и акустических процессов, выводит уравнение кривой торможения отраженной волны в акустическом приближении. Из него следует, что давление во фронте отраженной волны зависит от скорости фронта прямой волны, плотности вещества, служившего инициатором взрыва, скорости звука в прямой волне. Используется также показатель, характеризующий степень зависимости давления от плотности. Все эти показатели связаны между собой сложными, неявно заданными степенными связями. Используя приближение, позволяющее взять для воздушной среды значение вышеуказанного равным 3, автор приходит к выводу, что при отражении от жесткой стенки отношение давлений в отраженной и прямой волне будет равно постоянному значению 2.37 (точное значение (4/3)3). В подтверждение приводится результат, полученный при расчете с использованием уравнений состояния - 2.35. Следует отметить, что другие авторы не поддерживают эту точку зрения /1,2,3/. Я.Б. Зельдович в работе /10/ , также рассматривая прямое отражение волны, приводит следующую расчетную формулу: P1=P×[(3×k-1)×P-(k-1)×P0]/[(k-1)×P+(k+1)×P0], (10) где P1 - давление во фронте отраженной волны, Па; P - давление во фронте прямой волны, Па; P0 - давление в данной точке до прихода возмущений, Па; Данная формула обладает тем достоинством, что учитывает первоначальное состояние среды в зоне действия ударной волны, а также учитывает явления торможения фронта отраженной волны тылом прямой волны. Эта формула в упрощенном виде может широко применяться для расчетов при отражении от плоской стенки, а также в случае столкновения двух одинаковых волн. При рассмотрении явлений отражения особо выделяется то, что если при сильной ударной волне ((P/P0)>4.5) отраженная волна распространяется без отрыва от преграды (т.е. имеет грибовидную форму и частично соприкасается с поверхностью преграды), то при менее мощных возмущениях отраженная волна имеет шаровой вид и отрывается от поверхности зарождения. Подобные результаты приводятся и в источниках /6,14/. При этом в /14/, где взаимодействие волны и преграды рассматривается прежде всего с точки зрения воздействия на преграду, отмечен тот факт, что на реальных объектах степень воздействия на их поверхность на всем протяжении часто бывает такова, что позволяет говорить о плоском отражении даже в тех случаях, которые фор-мально не могут соответствовать определению такового. В работе М.А. Садовского /1/ обстоятельно рассмотрены способы проведения экспериментальных исследований взрывных явлений, в том числе и связанных с изучением процессов отражения. Предлагаемая автором формула для расчета избыточного давления отражения: dP= P×(8×P-1)/(P+6)-1, (11) где dP - избыточное давление во фронте отраженной волны, Па. В работе указывается (без указания на конкретные зависимости), что для нахождения характеристик среды за фронтом отраженной волны возможно использовать те же зависимости, что и в случае с прямой волной. В этом же источнике рассматривается достаточно малоизученное явление, которое играет некоторую роль в процессах как воздействия ударной волны на различные объекты, так и массопереноса. По экспериментальным данным было выявлено, что при взаимодействии ударной волны с плоской стенкой, когда, согласно имеющимся закономерностям, за преградой должна наблюдаться лишь область ослабленного действия волны, картина несколько иная. В некоторой узкой V-образной зоне, симметричной относительно вертикальной плоскости, перпендикулярной к середине преграды, давление возрастает и может даже превосходить давление на этом расстоянии при отсутствии стенки. Приблизительная область расположения данной зоны - на расстоянии, равном половине ширины преграды. Характерной особенностью является чрезвычайно резкая очерченность границ данной зоны. Образование этой зоны возможно объяснить столкновением волн, обтекающих преграду сверху и сбоку. С точки зрения данного исследования это явление может привлечь к себе интерес высокими градиентами скоростей, которые, несомненно, возникают в районе указанной зоны. Если ее небольшие размеры не позволяют ей существенно изменить концентрационные поля токсиканта, то, во всяком случае, возможное влияние данного явления на массоперенос должно учитываться. Близкая к приведенной выше формуле (11) зависимость предлагается для расчета давления в отраженной волне в источнике /15/. В статье /16/, которая в основном посвящена взаимодействию двух ударных волн, содержится важная для практических расчетов информация. Она позволяет определить расстояние, на котором в случае одиночного взрыва при максимальной амплитуде давление в отраженной волне снижается до давления, создаваемого падающими волнами на данном расстоянии. Предлагаемая расчетная формула: .3=(Rw-X)/Rw, (12) где Rw - характерный размер пространства распространения волны, м; Х - расстояние от место взрыва до искомой точки, м. В иных случаях расчет вышеуказанного расстояния, без которого невозможно нахождение полей скоростей в отраженной волне, возможен лишь с помощью уравнений состояния /2, 6, 17/. Немаловажная информация об отраженных волнах находится в /18/. В книге приведен значительный (более 200 стр.) справочный материал, включающий графики и таблицы со значениями всех необходимых для практических расчетов параметров отраженных ударных волн для различных видов и углов отражения и различных значений адиабат. Кроме того, указано, что нормальное отражение ударной волны не всегда порождает наиболее сильную отраженную волну. Могут быть случаи, когда наклонное отражение вызывает более высокие давления на и вблизи поверхности стенки (т.н. аномальное отражение), чем в нормальном случае. Это свидетельствует о необходимости применения зависимостей, характеризующих режим нормального отражения, лишь тогда, когда данное применение достаточно строго обоснованно. Указано, что для случая нормального отражения имеет место зависимость: P2/P1=[((k+1)/(k-1))2+2)×(P1/P0)-1]/[ (( k+1)/(k-1))2+P1/P0], (13) где Р0 - первоначальное давление, Па; Р1 - давление в прямой волне, Па; Р2 - давление в отраженной волне, Па. В источнике /3/ предлагаются иные зависимости для вычисления параметров в отраженной волне. Для практических расчетов коэффициента отражения, равного отношению избыточных давлений во фронтах отраженной и прямой волны, используется зависимость: Котр=(4×k+(3×k-1)×dP’)/(2×k+(k-1)×dP’), (14) где Котр - коэффициент отражения; dP’ - отношение избыточного давления во фронте падающей волны к атмосферному давлению. Для воздушной среды при k=1.4 данная формула приобретает вид: Котр=(14+8×dP’)/(7+dP’) (15) Данная формула рекомендуется также источниками /6,19/. В работах многих авторов большое влияние уделяется рассмотрению взаимодействия ударных волн с телами затупленной формы. Хотя подобная постановка задачи существенно усложняет получение практически значимых решений, рассмотрение данного явления не должно опускаться. Во многих случаях, особенно при взрывах большой мощности в зонах, близких к эпицентру, данная задача сводится к моделированию сверхзвукового обтекания тел на основе уравнений Навье-Стокса или, в более простых случаях, используются уравнения Рейнольдса и описывается изменение осредненных значений газодинамических функций. Данные вопросы подробно рассмотрены Ю.П. Головачевым в работе /20/. Представляет интерес взаимодействие обтекающего тело потока, содержащего скачки уплотнения, с пограничным слоем вблизи поверхности тела. Задаются соответствующие ограничения, используются условия симметрии, прилипания и непроницаемости. Рассматриваются ламинарный и турбулентный режимы течения. При ламинарном режиме результаты расчетов автора, сопоставленные с экспериментальными данными, показывают, что у поверхности контакта имеет место узкая протяженная замкнутая область отрывного течения. С точки зрения распространения токсиканта данный факт может свидетельствовать о предполагаемом наличии существенных градиентов скоростей, и, следовательно, кон-центраций. Изучение взаимодействия ударной волны с турбулентным пограничным слоем является более затруднительным, чем в ламинарном случае. Отмечается нестационарный характер осредненного течения газа в отрывной области. В качестве примера рассмотренных в монографии задач можно привести случай обтекания стационарным течением цилиндра с его лобовой поверхности. С практической точки зрения, после соответствующего усложнения (введения нестационарности) данная задача может быть интересна при рассмотрении взрыва сосуда с токсикантом, находящегося среди прочих сосудов цилиндрической формы. Результаты расчетов характеризуют сложную картину возникающего течения, которая включает в себя различные конфигурации ударных волн, струйные течения, слои смешения, отрыв пограничного слоя. Следует также учитывать, что для полной характеристики возникающей при данной аварии картины необходимо также рассматривать тепловые процессы, возникающие как при взрыве, так и при процессах в ударной волне. Тепловые потоки оказывают существенное влияние на процессы массообмена. В данном случае на поверхности обтекаемого цилиндра возникает сложная картина теплового взаимодействия частей потока. При решении подобных задач наличие скачка уплотнения учитывается заданием разрывного распределения параметров набегающего потока в граничных условиях. Стационарное решение уравнений Навье-Стокса было найдено с помощью конечно-разностной схемы с использованием достаточного количества итераций, обеспечивающих достоверность расчетов. При расчете должна использоваться сетка, узлы которой сгущаются к поверхности цилиндра, однако в упрощенном случае шаг сетки может выбираться постоянным. Газодинамические процессы, сопровождающие взаимодействие скачка уплотнения с препятствием, в значительной мере определяются геометрическими факторами и интенсивностью скачка. Чем более мелок шаг сетки, тем больше деталей рассматриваемого течения воспроизводит полученное решение. Полученные данные сравниваются с теми, что были получены для случая равномерного обтекания потока цилиндром. Обнаружено, что в том случае, когда скачок уплотнения оказывает наибольшее влияние на распределение давления и теплового потока, на сравнительно небольшом участке обтекаемой поверхности реализуются значения давления и теплового потока, более чем вдвое превышающие давления этих величин, соответствующие обтеканию ее равномерным потоком. Большая часть имеющихся к настоящему времени теоретических результатов по нестационарным задачам обтекания тел получена в рамках моделей идеального газа /21,22/. В случае существенно нестационарных течений, которые имеют место при взрывных процессах, в ударном слое могут развиваться интенсивные волновые процессы, при наличии которых теория пограничного слоя оказывается неприменимой и возникает необходимость применения моделей вязкого ударного слоя. Обычно при решении подобных задач рассматривается лишь головная ударная волна и не учитывается возможный распад фронта волны. При этом значения функций за фронтом волны могут быть найдены из обобщенных соотношений Ренкина-Гюгонио, подробный вывод которых имеется в источнике /23/. Данные соотношения получаются из приближенного рассмотрения структуры головной ударной волны в рамках модели Навье-Стокса /24/. Они представляют собой систему уравнений, получаемых в результате интегрирования уравнений Навье-Стокса поперек области ударной волны. При этом учитываются только нормальные к ударной волне составляющие потоков, обусловленных процессами молекулярного переноса, не учитывается кривизна ударной волны. Это приб-лизительно соответствует описанному выше подходу к рассмотрению ударной волны как прямой. Существенной особенностью данной постановки задачи яв-ляется то, что положение границы расчетной области заранее не известно, оно определяется лишь в процессе решения. Учитывая имеющиеся на практике высокие скорости в ударной волне, следует ожидать турбулентный характер течения. При этом основным фактором, затрудняющим исследование турбулентных течений на основе уравнений Рей- нольдса, является отсутствие универсальной модели турбулентности. Обычно используются более простые алгебраические модели. Для расчета газовых течений чаще всего используются конечно-разностные методы, которые сравнительно просты в реализации, достаточно универсальны и могут обеспечить требуемую точность при моделировании течений со сложной структурой /25/. Приведенные выше данные об обтекании закругленных тел не адаптированы для решения задачи, поставленной в данной работе. Вместе с тем с точки зрения дальнейших исследований можно отметить, что данные о скачке уплотнения соответствуют фронту ударной волны, обтекание равномерным потоком можно с некоторой натяжкой приравнять к воздействию атмосферных потоков, и в тех случаях, когда решение данной задачи будет иметь практический смысл, вполне возможно брать за основу приведенные выше результаты исследований. Данные же об отражении от плоской поверхности прямой волны могут быть непосредственно использованы для проведения расчетов. .3 Процессы переноса токсиканта в невозмущенной области и в ударной волне Авария, представляющая собой взрыв сосуда с токсическим веществом, является совокупностью двух процессов - процесса взрыва и процесса распространения токсичного вещества в зоне аварии. Как при распространении токсиканта в нормальных атмосферных условиях, так и в том случае, когда картина характеризуется наличием ударной волны, характер протекающих процессов определяется законами массопереноса. В реальных условиях имеет место конвективный массоперенос, происходящий вследствие движения воздушной среды. При наличии или отсутствии ударной волны принципиальной разницы в процессах распространения токсичного вещества нет, различаются лишь конкретные условия, при которых происходят эти процессы. Для решения данной задачи целесообразно прежде всего рассмотреть работы, посвященные моделированию распространения тяжелых примесей в атмосфере. Подавляющее большинство известной литературы ориентировано на рассмотрение либо выбросов постоянных стационарных источников, либо аварийных ситуаций в неизменных атмосферных условиях. К тяжелым газам относятся газы, молекулярный вес которых выше молекулярного веса воздуха (m>m0) или легкие, но охлажденные газы. Согласно полученным оценкам, тяжелым также является холодный воздух, температура которого как минимум на градус меньше температуры окружающей среды. Тяжелые газы распространяются преимущественно вдоль поверхности земли. Силы гравитации препятствуют их активному перемешиванию с окружающим воздухом. Вследствие этого, тяжелый газ имеет свой характер и специфику рассеяния. В /27, 28/ достаточно подробно описаны физические процессы дисперсии тяжелого газа - отмечено наличие трех режимов дисперсии: поток с доминирующей составляющей течения, устойчивый слоистый поток, пассивная дисперсия. На распространение тяжелых газов в атмосфере влияет ряд факторов. При этом изменение многих физических параметров течения сказывается на развитии явления не самостоятельно, а лишь в сочетании друг с другом. Для описания подобных эффектов используются безразмерные критерии, в том числе число Фруда, число Ричардсона, число Рейнольдса. Последние два критерия в зависимости от конкретных значений параметров могут характеризовать состояние атмосферы, степень влияния плотности газа на характер рассеяния облака, механизм взаимодействия потока с поверхностью земли и другие явления; а влияние сил плавучести связано с изменением числа Фруда. Особое значение имеет критерий Рейнольдса, который является основным с точки зрения определения возникающего в течении режима - турбулентного или ламинарного. Различные неоднородности (шероховатости) подстилающей поверхности могут оказать существенное влияние на динамику движения плотного облака, если обусловленные ими гравитационные силы будут сопоставимы по величине с движущими силами облака на ровной поверхности. При этом существенное возрастание значений скоростей, наблюдаемой во взрывной волне, оказывает двоякий эффект, увеличивая как движущие силы, так и гидравлические потери. В /27/ и /28/ делается вывод, что шероховатые неоднородности необходимо принимать во внимание при условии сопоставимости высоты облака и неровностей поверхности. Протяженность облаков тяжелых газов зависит от количества возможных степеней свободы его движения. В случае наличия сильного ветра рассеяние тяжелого газа может носить трехмерный характер. При более слабом ветре рассеяние будет происходить преимущественно в горизонтальном направлении. Максимальные размеры рассеяния облаков тяжелых газов могут достигать при больших масштабах аварии десятков километров. При наличии же ударной волны, очевидно, следует учитывать две стадии протекающего процесса - при наличии взрывных возмущений и без таковых. Кроме того, рассеяние тяжелых газов в условиях застройки имеет ряд особенностей, связанных как с ее влиянием на реальные поля скоростей ветра, так и с наличием значительного числа мест, в которых возможно накопление распространяющихся в атмосфере тяжелых газов и паров. Распространение облаков различных газов в условиях застроенной промышленной площадки может сопровождаться значительным материальным ущербом и человеческими потерями. Указанные выше особенности значительно осложняют проблему рассеяния тяжелых газов и паров в условиях застройки. Было проведено значительное число исследований, направленных на решение задачи моделирования рассеяния атмосферных примесей, в том числе и тяжелых газов /27,28/. При этом разными авторами были использованы следующие методы исследования: моделирование на основе экспериментальных данных (объем которых весьма ограничен) и математическое моделирование. Обзор этих работ позволяет сделать выводы о современном состоянии проблемы. Несмотря на значительное число исследований, есть лишь одна официально утвержденная, нормативная методика расчета распространения аварийных выбросов в атмосфере /29/. Она распространяется на случай выброса опасных химических веществ (ОХВ) в атмосферу в газообразном, парообразном или аэрозольном состоянии. Масштабы заражения ОХВ в ней рассчитываются по первичному и вторичному облаку в зависимости от их физических свойств и агрегатного состояния: для сжиженных газов - рассчитываются оба облака, для сжатых газов - только по первичному облаку. Однако в данной методике принято множестве допущений, за что она подвергается критике. В этом документе сначала прогнозируется глубина зон заражения ОХВ. Расчет ведется с помощью табличных данных в зависимости от количественных характеристик выброса и скорости ветра. Далее рассчитывается глубина зоны заражения при аварии на химически опасном объекте. Методика также обеспечивает возможность расчета глубины зоны возможного заражения при разрушении химически опасного объекта. Существует возможность определения площади зоны возможного и фактического заражения. Основным недостатком этой методики является существенное упрощение рассеяния веществ в атмосфере. Метеорологические данные учитываются очень слабо и, вследствие этого, зоны поражения в методике далеко не всегда соответствуют реальным данным. К недостаткам этой модели следует также отнести отсутствие учета неоднородности поверхности (не учитываются взаимодействия ОХВ с поверхностью), упрощенность определения зоны поражения (которая часто имеет форму сектора), присутствие большого числа эмпирических коэффициентов. По этим причинам методика может быть использована только для очень приблизительных расчетов. Никак не приспособлена методика и к работе в нестационарных условиях среды. Вместе с тем можно отметить, что упрощенность данной методики существенно облегчает ее практическое применение. Так как вышеуказанная упрощенность методики /29/ ни у кого не вызывает сомнений, в настоящее время разработан новый документ для оценки последствий химических аварий - методика ТОКСИ /30/, которая предназначена для оценки процесса рассеяния выбросов ОХВ и параметров зон токсического поражения при промышленных авариях. Методика /30/ позволяет определить, помимо всего прочего, пространственно-временное поле концентраций ОХВ в атмосфере, зоны химического заражения и степень поражения людей в случае химической аварии. В рассмотренной методике также принят ряд допущения, в том числе идеализация газа, использована гауссова модель диффузии, постоянство характеристик ветра по силе и направленности и т.п. В методике принята классификация источников поступления ОХВ в атмосферу: по размеру (точечный и протяженный) и по времени действия (мгновенный и продолжительного действия). В отличие от методики ГО РД-52-04 методика ТОКСИ учитывает реальную картину распространения облаков ОХВ, большее количество сценариев различных аварий, определяет связь полей концентраций со степенью поражения людей. Оценка поражающего воздействия токсиканта в данной методике производится с помощью понятия токсидозы. Однако более точным параметром, оценивающим токсический эффект является токсическая нагрузка /31/. Данная методика предоставляет возможность относительно нетрудоемкого расчета площади зараженной территории, как и /29/, но в отличие от последней, следует ожидать более точных результатов в связи с более детальным описанием процесса. Учет шероховатости поверхности сильно упрощен, что следует считать оправданным для больших объемов вещества. Данная методика выглядит на первый взгляд более применимой для решения поставленной задачи, чем рассмотренная выше, но значительные сомнения вызывает возможность адаптации ее к наличию ударной волны, т.е. большого количества данных о сильно меняющемся поле скоростей среды. Помимо рассмотрения конкретных методик, в литературе большое внимание уделяется в целом теоретическим основам построения любых моделей, применяемых для решения задач, связанных с построением концентрационных полей. В работе/26/ описана система математических моделей процесса различного уровня формальной сложности - от трехмерных дифференциальных моделей до аналитических. Система моделей и методик расчета основана на едином подходе к описанию дисперсионных свойств атмосферы и газовых потоков. Исходя из общих уравнений турбулентности неоднородных сред, автором получены замыкающие соотношения для различных математических моделей переноса газовых потоков - выражения для коэффициентов диффузии, скорости рассеяния и дисперсии примеси тяжелого газа в атмосфере. Теоретические соотношения для указанных величин удовлетворительно согласуются с известными и оригинальными экспериментальными данными. В основе двумерной модели распространения по поверхности земли тяжелого газа /26/ лежит представление о преимущественном движении плотного газа по направлению понижения рельефа за счет действия гравитационных сил и относительно слабое рассеяние облака в вертикальном направлении. В этом случае были приняты предположения: земля представляет собой ровную поверхность с однородной степенью шероховатости; коэффициенты турбулентного переноса нейтрального по плавучести газа в атмосфере определяются ее состоянием, окружающей местностью и задаются полуэмпирическими соотношениями; относительное влияние динамики выброса и ветрового поля на коэффициенты переноса определяются аддитивно совокупностью известных и описанных в литературе эффектов, включая генерацию турбулентности сдвиговым потоком, усиление турбулентности силами инерции и плавучести; выбрасываемое вещество химически стабильно, фазовые переходы отсутствуют. В данной модели автор приходит к выводу, что рассеяние газа на местности можно рассматривать эффективно двумерным при высоких гидравлических потерях. Следует отметить, что это хорошо согласуется с постановкой задачи о распространении ударной волны, основанной на эмпирических зависимостях, которые рассчитаны на применение в двумерном и (иногда) в одномерном пространстве, например, при круговом движении волны. В результате построения модели получена двумерная система уравнений, описывающая распространение тяжелого, перемешанного газа над неоднородной поверхностью. Хорошее совпадение результатов проведенного автором численного моделирования с экспериментальными данными свидетельствуют об адекватности предлагаемой им модели. В работе /26/ приведен также пример моделирования аварийной ситуации, связанной с рассеянием тяжелого газа на пересеченной местности. При трехмерном моделировании автор использует основные уравнения неразрывности, движения, теплообмена и диффузии в декартовой системе координат. В данной работе также рассматривается усовершенствованная модель Гаусса для расчета рассеяния тяжелого газа. Настоящая модель /26/ позволяет определить степень загрязненности воздуха в приземном слое (до 2 м). Это хорошо согласуется с практическим предназначением задачи - расчетом концентраций для их последующего использования для определения ущерба, наносимого персоналу, объектам и окружающей среде (большинство этих объектов и субъектов локализовано именно в приземном слое). Задача решается в предположении неизменности плотности среды, одно-родности шероховатости и непроницаемости почвы, наличия эмпирических коэффициентов дисперсии газа, анизотропного рассеивания с учетом гравитации, химической стабильности вещества, подобия температурных и концентрационных полей. Положительная черта модели заключается в ее адаптации для расчета рассеяния тяжелых газов. К сожалению, эта модель обладает рядом характерных для гауссовых моделей недостатков: в ней не учитывается динамика пограничного слоя атмосферы, распространение вещества исследуется при заранее заданных метеоусловиях (этот недостаток - общий для всех моделей), дисперсии основаны на экспериментальных данных. Поэтому модификации модели Гаусса не могут быть рекомендованы для моделирования рассеяния газов в условиях реальной застройки. Вместе с тем, при теоретической постановке задачи с целью изучения влияния каких-либо явлений на формирование концентрационных полей они вполне могут быть востребованы. В работе /28/ изложены принципы и результаты статистического анализа, характеристики моделей дисперсии воздуха и более тяжелых газов от аварийных выбросов в атмосферу. В основе анализа лежит сравнение модели с наблюдениями в естественных условиях. Проведены сравнения расчетов по модели MATHEW/ADPIC с экспериментами. В работах /32,33,34,35/ описаны модели дисперсии тяжелого газа, основные требования к этим моделям и их практическое использование. Приводится оценка различных трехмерных моделей. Авторы в основном рассматривают два подхода к изучению моделирования дисперсии тяжелого газа: -трехмерные гидродинамические модели; - модели потока ветра. Во многих работах хорошо описаны и сведены в таблицу условия проведения полевых экспериментов, которые, однако, не могут применяться к решению рассматриваемой в данной работе задачи. В работе /35/ подробно рассмотрено решение задачи по рассеянию токсиканта применительно к конкретному произ- водству. Некоторые работы посвящены рассмотрению проблемы рассеяния выбросов после взлета ракет, работающих на твердом топливе /36/. В каком-то смысле взлет ракеты имеет нечто общее с взрывом сосуда (практически мгновенное выделение токсичных веществ и высокие градиенты скоростей движения воздушной среды). В этом источнике представлен отчет о параметрических исследованиях, которые были проведены с применением многоуровневой модели атмосферной диффузии для определения концентраций токсических компонентов топлива ракет на уровне земли. Наиболее интересные моменты включают в себя распространение выбросов в крупных облаках. Вопросы моделирования атмосферных процессов подробно рассматриваются в /27/. В работе /36/ рассчитываются изменения со временем горизонтального размера кислотного стартового облака после взлета твердотопливной ракеты и времена его существования при различных метеорологических условиях в пог- раничном слое. Расчеты выполнены для облака, образующегося после взлета ракеты «Спейс-Шатл». Описанные выше модели не могут быть использованы для расчета рассеяния тяжелых газов и паров в условиях реальной застройки в связи с тем, что они предназначены для расчета дисперсии твердых примесей над равнинными поверхностями. С точки зрения данной дипломной работы крупным недостатком большинства рассмотренных выше работ является то, что они ни в коей мере не ориентированы на взрыв сосуда с токсикантом и могут представлять интерес лишь с точки зрения общей методики построения концентрационных полей. Условия, характеризующие распространение атмосферных примесей в условиях реальной производственной площадки, существенно отличаются от рассеяния над ровной поверхностью. Учет застройки при разработке математических моделей - отдельная и довольно сложная задача. В этом смысле интересна работа /35/. Фактически, в этой работе применен самый элементарный метод учета застройки - через ее плотность, равную отношению суммарной длины циркуляционных зон на участке от наветренной границы застройки до рассматриваемого сечения потока к полной длине площадки в тех же пределах. Резко осуждается подход к моделированию распространения примесей в атмосфере в городских условиях без учета реального ландшафта, а во многих других исследованиях были сделаны попытки создания моделей, учитывающих наличие зон рециркуляции вблизи поверхности земли. Лучшее решение по учету реальной застройки местности приведено в /37/, где авторами для численного моделирования распространения газа на территории городского микрорайона применен реализующий методы вычислительной гидродинамики программный комплекс PHOENICS. Кроме того, методы решения различных задач газовой динамики и их применение для решения задач рассеяния токсичных примесей в атмосфере рассмотрены в работах /38,39/. Проведенный анализ литературы позволяет сделать ряд выводов о состоянии проблемы моделирования процессов рассеяния. Эмпирический характер нормативной методики /29/ затрудняет ее анализ. Чрезвычайно упрощенная техника расчета распространения аварийных выбросов и отсутствие учета шероховатости поверхности ограничивает ее применение ориентировочными расчетами. Методика /30/ учитывает, хотя и упрощенно, застройку местности, что позволяет спрогнозировать распространение примеси более точно. Но, как и /29/, она может быть использована только для ориентировочных практических расчетов. Модели гауссова типа обладают рядом характерных недостатков: не учтена динамика пограничного слоя атмосферы, распространение вещества исследуется при заранее заданных метеоусловиях, величины дисперсий концентрации вещества выведены на основе экспериментальных данных и т.д., и по этой причине не могут быть эффективно использованы для моделирования рассеяния газов в условиях реальной застройки. Описанные выше двумерные и трехмерные модели обладают, к сожалению, общим недостатком: стремясь получить аналитическое решение, исследователями принимается ряд допущений, существенно снижающих точность расчетов, что подтверждается сопоставлением результатов расчетов с экспериментальными данными. Для модели рассеяния тяжелых газов в условиях реального производства, где необходимо учитывать ряд особенностей, оптимально использование методов вычислительной гидродинамики, реализованных, в частности, в программном комплексе PHOENICS. По результатам анализа можно сделать вывод о том, что для прогнозирования последствий аварии можно воспользоваться широким спектром моделей. Учет газодинамических процессов во всей их сложности и наличия препятствий на пути распространяющего токсикант потока, как показал анализ, целесообразно обеспечить, применив для моделирования программный комплекс PHOENICS. Отдельно следует рассмотреть вопрос об изучении распространения токсиканта под влиянием движения ударной волны. К сожалению, практически отсутствуют литературные данные, посвященные теоретическому рассмотрению этого вопроса во всей его полноте. Не проводились эксперименты (или недоступны данные по ним), которые давали бы ценную информацию по теме данной работы. По очевидным причинам, в ходе реальных аварийных ситуаций замеры концен- траций токсичного вещества непосредственно после окончания действия ударной волны проводиться не могли. Таким образом, возникает необходимость творческого использования имеющихся литературных данных для изучения рассматриваемой проблемы. Значительная часть приведенной выше информации может быть применима для расчета рассеяния не только тяжелых, но и прочих газов. При этом суть происходящих процессов существенно не изменяется и разработанные для тяжелых газов модели могут быть после соответствующей доработки использованы и для химических веществ, обладающих другими свойствами. При этом необходим учет соответствующего изменения роли гравитационных сил и возрастание влияния различных атмосферных процессов на распространение токсиканта. 1.4 Постановка задачи исследования После изучения литературных данных по вопросам, имеющим отношение к данной проблеме, было выяснено, что имеющаяся информация затрагивает лишь части проблемы, которую предстоит решить. Задачей данного исследования является выявление степени влияния ударной волны на концентрационные поля токсичного вещества при взрыве наполненного им сосуда в свободном и ограниченном пространстве. К конкретным задачам данной работы относятся: изучение процессов во взрывной волне, возникающей при разрушении сосуда под давлением, и нахождение ее параметров изучение явления нормального отражения и нахождение характеристик отраженной волны через характеристики прямой построение полей скоростей в зоне, прилегающей к месту аварии, с учетом ограниченности пространства построение концентрационных полей, формируемых прямой и отраженной волной получение выводов о степени влияния ударной волны и ограниченности пространства ее распространения на формирование концентрационных полей. Так как экспериментальное исследование взрывов сосудов с токсическим веществом практически неосуществимо, то для решения данной задачи в работе были применены методы математического моделирования. Модель должна адекватно отражать реально происходящие процессы распространения токсиканта, а ее результаты - позволять делать необходимые выводы по указанным выше вопросам. 2. ИССЛЕДОВАНИЕ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ТОКСИКАНТА ПРИ ВЗРЫВЕ СОСУДА ПОД ДАВЛЕНИЕМ Для решения задачи распространения токсиканта при взрыве сосуда с токсическим веществом необходимы построение полей скоростей во взрывной волне и расчет концентраций, возникших в результате ее воздействия на окружающую сосуд среду. После получения концентрационных полей токсиканта, созданных ударной волной, они могут быть использованы как исходные данные для изучения влияния на процессы массопереноса атмосферных условий и, таким образом, учитывать весь спектр условий, сопровождающих рассматриваемую аварию. .1 Построение полей скоростей в прямой волне Поля скоростей, играющие ключевую роль для изучения процессов переноса токсиканта в зоне действия ударной волны, могут быть построены после нахождения всех основных параметров среды, принимающей участие во взрывных процессах. Основной характеристикой, характеризующей энергию взрыва, является его тротиловый эквивалент /40/. Общая энергия взрыва сосуда под давлением, Дж: E=[(P1-P0)/(k-1)]×V, (16) где Р1-начальное давление газа в сосуде, Па; P0-атмосферное давление, Па; V -объем сосуда, м3. Тротиловый эквивалент взрыва сосуда под давлением, кг: Стнт=0.5×Е/Q, (17) где Q=4520000 - энергия взрыва тротила, Дж/кг. Расчет избыточного давления во фронте ударной волны производится по формуле (4). Построение полей давлений во фронте ударной волны необходимо для определения комбинированного воздействия на человека таких поражающих факторов, как барическое и токсическое воздействие. При последующих расчетах учитывается наличие как избыточного, так и атмосферного давления. Величина скоростного напора определяется по выражению (6). Величина скорости воздуха находится из выражения (5) через величину скоростного напора. Изменение плотности среды во фронте ударной волны определяется по зависимости: rf=r0×[1+dP’×(k+1)/2×k]/[1+dP’×(k-1)/2×k], (18) где rf,r0 - соответственно значения плотности среды во фронте волны и в невозмущенной атмосфере, кг/м3. Все указанные выше зависимости позволяют найти значения скоростей во фронте прямой волны. Значения скоростей за фронтом прямой волны находятся также через величину скоростного напора, которая, в свою очередь, определяется по формулам Броуда /3,4/: Psk/Pskf=(1-z)2×exp(-be×z), (0£z£1) (19) где Psk , Pskf - значения скоростного напора за фронтом и во фронте ударной волны, кг/м×с2; z - отношение данного расчетного времени к общему времени действия ударной волны. be= 0.75+3.2*dP’, (dP’£1) (20)= d+f/(1+h*z’), (1 где be,d,f,h - промежуточные расчетные параметры. Время действия положительного давления ударной волны, мс, в каждой точке находится по эмпирической формуле/1,3/: t= (Стнт0.167 )*x0.5 (27) Указанный выше параметр Z будет являться отношением текущего расчетного времени к периоду положительной фазы волны t. Все указанные выше зависимости, полученные как эмпирически, так и путем математического моделирования процесса, позволяют произвести расчет полей скоростей в прямой волне. .2 Построение полей скоростей с учетом отражения После построения поля скоростей в прямой волне учитывается ограниченность пространства, вызывающая явление отражения ударной волны. Давление во фронте отраженной волны рассчитывается через давление во фронте прямой волны по формуле (10). Расстояние действия отраженной волны от преграды, на котором давление в отраженной волне снижается до давления, создаваемого в данной точке прямой волной, рассчитывается по формуле (12). Давление за фронтом отраженной волны рассчитывается согласно источнику /1/ по указанным выше формулам Броуда (19-26). Затем по формулам (5), (6), (18) рассчитываются в необходимой последовательности плотность среды в отраженной волне, скоростной напор и значения векторов скорости. Учитывая суть процесса прямого отражения, вектора скоростей в отраженной волне принимаются направленными в сторону, противоположную направленности данных векторов в прямой волне и при необходимости учитываются в расчетах со знаком минус. .3 Построение концентрационных полей токсиканта При проведении расчета рассеяния токсичного вещества в реальных условиях необходимо использовать законы сохранения и уравнения газовой динамики. Математическое описание состояния движущейся среды осуществляется с помощью функций, определяющих распределение вектора скорости среды, и каких-либо двух термодинамических величин, например давления и плотности. В основе любых газодинамических явлений лежат законы сохранения массы, импульса и энергии, которые имеют различную форму в различных системах координат. В газодинамической теории имеют большое значение уравнения Навье-Стокса. Для создания полусферической модели распространения токсичного вещества под действием ударной волны используется преобразованное уравнение неразрывности, выражающее закон сохранения массы /41/: d(r)/d(t)+div(r×u)=0, (28) Прочие законы сохранения используются в данной задаче в той ее стадии, где производится построение полей скоростей. Процессы переноса примеси к основной составляющей среды подобны процессам переноса этой составляющей и подчиняются тем же закономерностям. Для распространения токсиканта в полусфере, разбитой на шаровые сектора, центры которых находятся в точках i , высота каждого из которых равна dr, для каждого k-го момента времени уравнение, характеризующее баланс масс в ударной волне, выглядит следующим образом: (2/3)×3.14×(ri+1/23-ri-1/23)×(rik+1×cik+1-rik×cik)=(Mi+1/2k+1-Mi-1/2k+1)×dt, (29) где r - расстояние от центра сферы до данной точки,м; r - плотность среды, кг/м3; с - концентрация токсиканта, мг/м3; M - масса токсиканта, находящаяся в данном секторе, мг; dt - период времени переноса, с. Прочие уравнения, характеризующие процесс переноса, приводятся ниже в описании математической модели. После проведения соответствующих преобразований из данного уравнения могут быть получены конкретные зависимости для нахождения концентраций токсиканта сik для каждого шага по времени и расстоянию. Соответствующие функциональные зависимости, рассчитанные для рассмотренного выше случая, приведены ниже. Очевидно, что для практической реализации методов расчета процессов, описываемых дифференциальными уравнениями, необходимо использовать не функции с непрерывным набором аргументов, а заменяющие их дискретные наборы чисел. Для этого создается расчетная сетка, вычисление параметров производится в ее узлах. При решении данной задачи целесообразно использовать как сетку с простым шагом (при построении сферической модели распространения токсиканта), так и сетку с переменным шагом (при моделировании рассеяния токсиканта в атмосферных условиях). Шаг по времени, который в принципе подчиняется некоторым строгим ограничениям, при решении упрощенных задач может быть выбран произвольным, исходя из смысла этих задач. Указанным выше способом производится расчет концентраций, возникающих в окружающей среде из-за переноса токсиканта ударной волной. Рассмотрение рассеяния токсиканта под действием атмосферных факторов производится с использованием специализированного программного обеспечения, предназначенного для решения задач газовой динамики. Используются положения теории пограничного слоя, данные из указанных выше работ по рассеянию газов в атмосфере /10,24,26,38/. Для построения концентрационных полей токсиканта в реальных условиях необходимо учитывать процессы дрейфа токсичного вещества под действием ветра, разностей плотностей, температур и т.п., т.е. учитывать весь спектр атмосферных условий. Форма и площадь зоны ущерба, определяемые прежде всего концентрационными полями, зависят прежде всего от направления и скорости ветра, а так же класса устойчивости атмосферы. Скорость и направление ветра, как правило, задаются в каждой ситуации как конкретные значения; при этом во время рассмотрения реальной ситуации на конкретном производстве выбирается наиболее часто повторяющееся значение скорости и направления ветра, а при рассмотрении абстрактной ситуации рассматривается рассеяние токсиканта при таких параметрах, которые представляют наибольший интерес для данного исследования. При рассеянии тяжелого газа используются данные о скорости и направлении ветра в приземном слое. Для возможно более полного учета реальных атмосферных условий используются классы устойчивости атмосферы по Пасквиллу, характеристикой каждого из которых является определенный вертикальный градиент температуры. Для построения концентрационных полей токсиканта на реальной местности необходимо использование характеристик шероховатости поверхности, а также введение в исходные данные сведений о различной застройке местности. Практическое решение подобных задач, как правило, сопровождается рядом допущений, которые будут указаны ниже. 3. ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ТОКСИКАНТА В РЕАЛЬНЫХ УСЛОВИЯХ .1 Исходные данные для решения задачи В данной работе рассмотрен случай взрыва сосуда под давлением, наполненного токсичным веществом. Взрыв происходит без воздействия внешних факторов из-за нарушения правил эксплуатации сосуда. Объем сосуда - 100 м3, материал - нержавеющая сталь. Токсикант - фтор F2. Фтор хранится в сосуде сферической формы в газообразном виде под давлением 1.05 МПа, температура его хранения близка к температуре среды. Масса фтора, находящегося в сосуде - 1778 кг. Как правило, на промышленных предприятиях фтор хранится в количествах от 1 до 10 т /3/. При взрыве фтор, согласно его физическим свойствам, полностью переходит в первичное облако /42/. Фтор относится к тяжелым газам. Его молекулярная масса равна 38, плотность газа - 1.693 кг/м3. Фтор не горит, но может быть взрывоопасен. Фтор является чрезвычайно токсичным веществом /43/. Его предельно допустимая концентрация в воздухе рабочей зоны - 0.15 мг/м3, пороговая токсидоза 0.39 г*мин/м3, смертельная токсидоза (с вероятностью 50%) 4 г*мин/м3. Фтор раздражает дыхательные пути и вызывает поражения кожи. При остром отравлении возникает раздражение слизистых оболочек гортани и бронхов, глаз, слюнотечение, носовые кровотечения, в тяжелых случаях отек легких и поражение центральной нервной системы. Возможен смертельный исход, прежде всего из-за отека легких. При воздействии на человека даже небольших концентраций фтора возможны отдаленные последствия, такие, как конъюнктивит, хронический бронхит, пневмония, пневмосклероз. Характерными являются поражения кожи (экзема) и эмали зубов (флюороз). Кроме того, фтор оказывает негативное действие на живые организмы, т.к. ингибирует ряд ферментативных реакций и связывает ряд важных в биологическом отношении элементов (P, Ca, Mg), что нарушает их баланс в организме. Фтор обладает резким, раздражающим запахом. Как и в случае с другими токсичными веществами, токсическое воздействие фтора усиливается при наличии других поражающих факторов, в частности, барического воздействия ударной волны. При рассмотрении данной задачи распространение фтора рассматривается на свободном пространстве с поверхностью, обладающей низким коэффициентом шероховатости. Отдельный вариант расчета предусматривает ограничение распространения ударной волны неразрушаемой стеной значительной высоты, окружающей сосуд на расстоянии 100 м от него. Расчеты различных параметров ударных волн, производимых взрывом сосуда, производятся в зоне 100 м от сосуда, т.к. при большем удалении от места взрыва скорости движения среды приближаются к наблюдающимся в реальных атмосферных условиях. Исходя из реальных размеров производственных площадок промышленных предприятий, на которых может использоваться фтор, исследование рассеяния его под воздействием атмосферных условий производится в зоне до 1000 м от сосуда. При рассмотрении рассеяния фтора в реальных атмосферных условиях задано направление ветра, имеющего постоянную скорость в приземном слое воздуха. Данная постановка задачи имеет большое практическое значение, т.к. газообразный фтор широко применяется на предприятиях цветной металлургии (при производстве фторидов вольфрама и ванадия), на предприятиях по обогащению урана, в химической (для получения фторирующих агентов), электротехнической (для получения газообразных изоляторов) промышленности /44/. В данной работе рассмотрены несколько вариантов распространения токсиканта: распространение фтора при отсутствии ударной волны распространение фтора при наличии ударной волны Второй вариант рассмотрен при распространении ударной волны в свободном и частично ограниченном пространстве. .2 Принятые допущения весь токсикант, находящийся в сосуде, в процессе взрыва мгновенно поступает в атмосферу; среда и токсикант рассматриваются как идеальные нереагирующие газы, что позволяет избежать рассмотрения явлений, изучение которых не является целью данной работы; при рассмотрении процесса взрыва не учитываются размеры разрушенного сосуда, энергия взрыва и ударная волна распространяются в полусфере, центром которой служит центр сосуда, нижней ограничивающей поверхностью - поверхность земли; при использовании сферической модели переноса токсиканта не учитываются силы трения, возникающие при взаимодействии с поверхностью, т.к. относительно большие значения скоростей предполагают незначительную долю процессов трения во всей совокупности происходящих процессов; при использовании полусферической модели переноса лишь первая расчетная точка (центр сферы) выступает в роли источника токсиканта, т.е. не учитывается дальнейший перенос токсиканта, уже поступившего на определенном шаге процесса в точки на периферии полусферы, что значительно упрощает расчет; при распространении волны в ограниченном пространстве в зоне отражения период положительной фазы отраженной волны, ввиду отсутствия данных для его точного определения, принимается равным периоду положительной фазы прямой волны с соответствующими параметрами; при рассмотрении процессов рассеяния токсиканта не учитывается его молекулярная диффузия ввиду ее малых значений; в центральной точке полусферы в момент взрыва среда полностью заполнена токсикантом, его концентрация равна плотности; при расчете рассеяния токсиканта в атмосферных условиях не учитываются гравитационные силы, что позволяет использовать полученные результаты как для тяжелых, так и для прочих газов. .3 Математическая модель переноса токсиканта ударной волной Данная модель, как было указано выше, основана на фундаментальных уравнениях, характеризующих основные физические законы, и представляет собой систему расчетных формул, характеризующих рассеяние токсиканта при поставленных выше условиях. Сферическая модель, при ее обоснованном использовании, существенно упрощает проведение расчетов, уменьшая количество вводимых и получаемых данных. Рассматривается полусфера, каждый радиус которой разбит 11 точками, включая центральную, на 10 отрезков, через центр каждого из которых проходит сферическая поверхность. Шаровой сектор, ограниченный двумя такими поверхностями и линиями, проходящими через узлы сетки, является базовой ячейкой, в пределах которой рассматривается перенос токсиканта. Уравнение (29) в целом характеризует перенос примеси за определенный промежуток времени. Это уравнение было преобразовано так, что ряд полученных формул позволяет в цикле по расстоянию и времени проводить расчет концентраций токсиканта. Начальное условие - заданные концентрации в начальный момент времени в узлах сетки. Для расчета используется метод прогонки. Его подробное описание и обоснование содержится в /45,46/. Первоначально задается система конечно-разностных уравнений для промежуточного слоя, затем прямой прогонкой последовательно рассчитываются прогоночные матрицы и векторы для узлов на левой границе секторов. Далее используются рекуррентные формулы для правых границ секторов, определяются значения искомой величины на правой границе расчетной области. Затем обратной прогонкой считаются искомые значения величин во всех точках. Концентрации, входящие в данные уравнения, для каждого шага по времени являются известными величинами, т.к. сначала задаются начальными условиями, затем для каждого последующего момента времени определяется результатами предшествующего расчета. Ниже приведены расчетные формулы модели: F=dr×(r12+r1×dr/2+dr2/12)×r1k+1 , (30)=dr×(r12+r1×dr/2+dr2/12)×r1k , (31)=r1k+1×u1k+1×dt×(-(r1)2+r1×dr+dr2/4), (32)=r2k+1×u2k+1×dt×(r12+ r1×dr+dr2/4), (33)=P/(F-H), (34)=G×C1k/(F-H), (35)k+1=Al1×C2k+1+Be1 , (36)=2×(3×ri2+dr3/4)×rik+1/3, (37)=2×(3×ri2+dr3/4)×rik/3, (38)=2×ri×dr×dt×rik+1×uik+1 , (39)= rik+1×uik+1×dt×(r12+ r1*dr+dr2/4), (40)=D/(A-C+E×Ali-1), (41)=(B×Cik-E×Bei-1)/(A-C+E×Ali-1), (42)+1=Ali×Ci+1k+1+Bei , (43)=rnk+1×dr×(rn2-rn×dr/2+dr2/12), (44)=Cnk ×rnk ×dr×(rn2-rn×dr/2+dr2/12), (45)=rn-1k+1 ×un-1k+1×(rn2-rn ×dr×dr2/4)×dt, (46)=rnk+1 unk+1×(-rn2-rn×dr×dr2/4)×dt , (47)+1=(R×Cnk-S×Ben-1)/(Q+S×Aln-1+T), (48)+1=Ali×Ci+1k+1+Bei , (49) токсикант взрыв авария где С - концентрация токсиканта, мг/м3 ; u - скорость движения среды, м/с; r - плотность среды, кг/м3; r - расстояние от центра сферы до расчетной точки,м; dr - расстояние между узлами сетки, м; dt - шаг по времени, с. Прочие обозначения представляют собой различные величины, используемые для промежуточных расчетов. Начальные условия: концентрация в центре взрыва в начальный момент равна плотности газа, во всех прочих точках - нулевая. Граничные условия: концентрация на внешней поверхности сферы - нулевая, перенос через эту поверхность отсутствует. Вывод указанных выше зависимостей не приводится, т.к. представляет собой исключительно математические преобразования формулы (29) применительно к условиям модели, описанным выше, и весьма громоздок. .4 Программная реализация модели Описанная выше математическая модель переноса токсиканта ударной волной требует проведения большого количества вычислений и в практических целях может быть применена лишь с использованием компьютерной техники. Для программной реализации данной модели была использована система MATLAB. Данная система разработана фирмой The MathWorks,Inc.(США) и является интерактивной системой для выполнения инженерных расчетов, ориентированной на работу с массивами данных. Эта система одновременно представляет из себя операционную среду и язык программирования с возможностью создания специализированных функций и программ. В данной работе для решения поставленных задач использована версия программы MATLAB for Windows 5.2 , и изложенные ниже тексты программ предназначены для работы именно в этой версии. При использовании на других версиях они должны быть соответствующим образом доработаны. Подробная информация о системе MATLAB и рекомендации по ее практическому применению для решения различных задач содержатся в работе /47/. В рамках настоящей дипломной работы были разработаны две сопряженные программы на алгоритмическом языке MATLAB, реализующие процесс расчета. В программе расчета концентрационных полей используются данные, полученные в программе расчета полей скоростей, и она является ее естественным продолжением. Структура программ относительно проста. Ввод данных осуществляется непосредственно в тексте программ перед каждым расчетом, т.е. различные параметры можно фиксировать. Вывод данных осуществляется в текстовые файлы в формате, доступном для последующей обработки. Ввиду специфических особенностей работы системы MATLAB объемы файлов могут быть такими, что расчеты целесообразно проводить поэтапно с одновременной записью или распечаткой их результатов. Текст программ начинается с группы служебных команд, обеспечивающих их работу и устанавливающих режим взаимодействия программ с пользователем. После ввода данных первоначально вычисляются значения давлений во фронте ударной волны (формула (4)), время действия ее положительного импульса в каждой точке (формула (27)). Далее по формулам (5,6,19 - 26) рассчитываются поля скоростей во фронте ударной волны и за ее фронтом. Затем по соответствующим формулам определяются необходимые параметры отраженной волны, а также зона ее воздействия. Аналогично расчету полей скоростей в прямой волне производится их расчет для отраженной волны. После каждого этапа расчетов производится вывод результатов в графической форме, параметры которой могут быть легко изменены пользователем. Программа расчета концентрационных полей осуществляет переход к необходимому шагу по времени и переход от декартовой системы координат к сферической системе. Далее непосредственно реализуется математическая модель переноса токсиканта ударной волной согласно формулам (30-49). При произведении всех расчетов в основном используются два цикла - по расстоянию и времени. В программе расчета полей скоростей шаг по расстоянию реализуется двумя циклами в связи с используемой системой координат. Процесс продолжается заданное число раз в зависимости от расчетного периода и шага по времени. Тексты обеих программы с объяснениями по их применению приведены в ПРИЛОЖЕНИИ 1 и ПРИЛОЖЕНИИ 2. Блок-схема программ не приводится, т.к. их структура предельно проста, и описанного выше алгоритма вычислений достаточно для возможной доработки программы с целью применения для конкретных задач. 3.5 Результаты расчетов Ниже приведены как результаты расчетов, непосредственно относящиеся к решению поставленных выше задач, так и данные, используемые для доказательства адекватности построенной математической модели. .5.1 Параметры ударной волны Одной из основных характеристик, определяющих разрушительное воздействие ударной волны, является избыточное давление в ее фронте. Параметры рассматриваемых волн приведены в табл. 1. Таблица 1 Избыточное давление во фронте ударной волны
где dPпр - избыточное давление во фронте прямой ударной волны, кПа; dPобр- избыточное давление с учетом отраженной волны, кПа; Х - расстояние от точки взрыва,. Данные о значениях скоростей в случае расчета с прямой волной представлены в табл. 2. Таблица 2 Поля скоростей в ударной волне без преграды, м/с
Как следует из данной таблицы, в целом характеристики полей скоростей соответствуют характеристикам полей давлений в ударной волне. Во фронте волны наблюдается непрерывное убывание скоростей движения среды, тем более сильное, чем более приближена рассматриваемая точка к центру взрыва. Вместе с тем за фронтом волны картина несколько меняется, и максимум значений скоростей смещается из окрестностей эпицентра взрыва все далее к периферии рассматриваемой зоны. При рассмотрении же изменения скоростей во времени, которое характеризуется параметром Z, наблюдается сильное ослабление скоростей к моменту окончания прохождения волны. Графические изображения изменения значений скоростей в прямой ударной волне в различные моменты времени приведены в ПРИЛОЖЕНИИ 3. Графические зависимости изменения значений скоростей в зависимости от расстояния при наличии отражения приведены в ПРИЛОЖЕНИИ 4. Данные о значениях скоростей при наличии отраженной волны приведены в табл. 3. Таблица 3 Поля скоростей в ударной волне с учетом преграды, м/с
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. В данном случае следует рассматривать два фактора, опасных с точки зрения их воздействия на персонал: токсическое воздействие при распространении облака фтора и барическое воздействие ударной волны при взрыве сосуда. Очевидно, что зоны воздействия данных факторов будут различными. Если воздействие ударной волны ощутимо в зоне радиусом до 50 м от сосуда, то зона опасного заражения имеет гораздо большие размеры и сложную форму. Для расчета предполагаемого ущерба при рассмотренной аварии были заданы условия, ориентировочно характеризующие распределение персонала в пределах зоны поражения. Было принято, что 3 человека находятся на расстоянии 10 м от сосуда, 10 человек - на расстоянии 100 м от сосуда, 20 человек - на расстоянии 350 м от сосуда (в зоне максимальных концентраций фтора). Для упрощения расчетов был принят ряд допущений: рассматриваемый персонал находится с вероятностью, равной единице, на указанных расстояниях по оси распространения токсиканта с подветренной стороны; рассматривается только вероятность смертельного поражения персонала; персонал не реагирует адекватно на происшедшую аварию и не имеет при себе средств защиты; для расчета токсического воздействия было использовано понятие токсической нагрузки, т.е. сумма усредненных концентраций в различных частях газового облака, проходящих через расчетную точку, с учетом времени их воздействия, равного частному геометрического размера части облака и скорости ветра. Данная токсическая нагрузка D рассчитывалась по формуле: D=(1/t)×åi((Ci+Ci+1)×(ti-ti+1)/2), (51) где t - время прохождения части облака, с; i - порядковый номер части облака. В качестве времени, в течение которого рассчитывалась токсическая нагрузка, был выбран период прохождения облака фтора через данную точку от начала его формирования до момента времени 600 с после взрыва. При этом для проведения практического расчета было также принято допущение о неизменности формы облака в течение рассматриваемого времени. Более точный расчет возможен с использованием данных о концентрационных полях в различные моменты времени в течение рассматриваемого периода. Т.к. эффекты любого поражения носят вероятностный характер, то для определения масштабов нанесенного ущерба следует использовать понятие пробит-функции, которая является верхним пределом интегральной функции Гаусса, определяющей вероятность поражения, и отражает связь между вероятностью поражения и поглощенной дозой воздействия. Для определения вероятности летального исхода при воздействии ударной волны необходима величина ее импульса, Па×с: I=123×Cтнт0.66/R (52) Вероятность смертельного исхода при барическом воздействии характеризуется формулой /40/: Pr=-2.44×(ln(7380/dP)+1.9×109/(dP×I)) (53) Вероятность смертельного поражения при токсическом воздействии может быть охарактеризована формулой: Pr=-9.04+0.92×lnD (54) Численное значение вероятности поражения Р находится из пробит-функции (для упрощения расчетов с применением интеграла) с использованием формул разложения в ряд и основанных на проведенных расчетах справочных данных: X=Pr/1.41, (55) Ф(Х)=2×(Х-Х3/3+0.5×Х5/5-0.17×Х7/7…)/(3.14)0.5 , (56) P=0.5×Ф(Х)+0.5 , (57) где Х, Ф(Х) - вспомогательные параметры и функции. Для определения суммарной вероятности поражения персонала при одновременном воздействии на него поражающих факторов данной аварии - токсиканта и ударной волны - использовано свойство аддитивности, т.е. суммарная вероятность Рå равна сумме вероятностей поражения ударной волной Рбар и токсикантом Ртокс. Это возможно, т.к. в данном случае оба этих фактора рассматриваются как факторы однонаправленного действия, т.е. приводят к смерти пострадавших /49/. В данной работе не учитывается вероятность смертельного поражения персонала при разлете осколков взорвавшегося сосуда. Вместе с тем это необходимо учитывать при расчете ущерба, наносимого взрывами сосудов в реальных условиях. Результаты расчетов указанных выше величин на некоторых расстояниях от точки взрыва с использованием приведенных выше формул (51-57) приведены в табл. 8. Таблица 8 Вероятность смертельного поражения персонала
Как следует из этой таблицы, во всей рассмотренной области вероятность смертельного поражения персонала обусловлена прежде всего наличием токсического воздействия. Небольшие значения вероятности барического поражения являются следствием относительно малых размеров резервуара и, соответственно, малой величины тротилового эквивалента. На большом удалении от сосуда смертельные исходы в результате барического воздействия становятся очень маловероятными, а основным поражающим фактором является токсическое воздействие облака токсиканта. Вероятность поражения в нем тем больше, чем большая часть облака с высокими концентрациями проходит через данную точку. 5. ЛИКВИДАЦИЯ ПОСЛЕДСТВИЙ ЧРЕЗВЫЧАЙНОЙ СИТУАЦИИ .1 Общий план ликвидации чрезвычайной ситуации При взрыве сосуда с токсикантом, как и при любой другой чрезвычайной ситуации, для ликвидации негативных последствий проводятся спасательные и другие неотложные работы (СиДНР). Все мероприятия по их проведению планируются заблаговременно и в случае наступления чрезвычайной ситуации уточняются с учетом сложившейся обстановки /40/. На производстве, где используется фтор, должен существовать план ликвидации аварий, предусматривающий в том числе и действия при взрыве сосуда, содержащего фтор /50/. Источником химического поражения в данном случае служит первичное облако токсичного вещества. Для данного (первого) типа ЧС требуется своя технология ведения аварийно-спасательных работ, включающая в себя определенные набор и последовательность технологических операций, соответствующих видов работ. Для каждой операции должна разрабатываться технологическая карта. К необходимым в данном случае операциям относятся /51/: химическая разведка источника заражения химическая разведка зоны заражения экстренные работы по предотвращению развития аварии (если это возможно, при мгновенном выбросе фтора препятствовать этому затруднительно) локализация облака ОХВ, в т.ч.: постановка водяных завес, постановка жидкостных завес с использованием нейтрализующих растворов, рассеивание облака ОХВ с помощью тепловых потоков (применение тепловой машины ТМС-65 и др.), перемещение (сдувание) и рассеивание облака ОХВ воздушно-газовым потоком с помощью мощных вентиляторов, машины ТМС-65, компрессоров и др. обезвреживание (нейтрализация) облака ОХВ: постановка жидкостных завес (водяных или с использованием нейтрализующих растворов), подача распыленных растворов, нейтрализующих веществ или воды сверху и с помощью авиации; проведение спасательных работ в зоне химического заражения; проведение неотложных аварийно-восстановительных работ; обезвреживание (дегазация) техники и санитарная обработка людей. В данном случае, когда в результате аварии на объекте образуется только первичное облако ОХВ с высокими концентрациями, аварийно-спасательные работы проводятся в следующем объеме: оповещение и проведение экстренных мероприятий по защите персонала объекта и населения, химическая разведка, локализация и обезвреживание первичного облака ОХВ, поиск и спасение пострадавших, санитарная обработка людей. При этом главным фактором,определяющим технологию и организацию аварийно-спасательных работ, является острая нехватка времени. Т.к. образовавшееся облако ОХВ в данном случае (скорость ветра более 2 м/с), быстро перемещается и рассеивается, то на организацию работ по его локализации и обезвреживанию может не хватить времени. В этом случае такие работы не проводятся, за исключением срабатывания автоматизированных стационарных систем на химически опасных объектах (ХОО), а все внимание специальных органов и сил направляется на быструю оценку химической обстановки, предупреждение и защиту персонала и населения (укрытие в помещениях, применение средств индивидуальной защиты, в том числе простейших, эвакуацию людей, при необходимости и возможности, из предполагаемой зоны заражения). Если первичное облако распространяется медленно, застаиваясь в низких местах, зданиях и сооружениях, то возникают реальные условия для проведения работ по локализации и обезвреживанию первичного облака ОХВ. Технология локализации и обезвреживанию (нейтрализации) первичного облака ОХВ включает постановку жидкостных завес (водяных или с использованием нейтрализующих растворов), создание восходящих тепловых потоков, рассеивание и смещение облака ОХВ газовоздушным потоком. Для локализации и обезвреживания облака ОХВ создаются мелкодисперсные жидкостные завесы - водяные или с применением растворов химически активных веществ на период прохождения облака через намеченный рубеж, на котором устанавливаются распылительные устройства. Высота завесы должна быть соразмерна с высотой облака, но обычно не менее 10 м. Протяженность рубежа постановки завесы должна быть не меньше ширины облака ОХВ в приземном слое с поражающими концентрациями. Водяные завесы создаются с помощью пожарных (типа АЦ-40) и поливочно-моечных (ПМ-130) машин, авторазливочных станций (АРС-14, АРС-15) и других мобильных технических средств, обеспечивающих давление выброса струи через брандспойты и различные насадки не менее 0,6 МПа. Для постановки водяной завесы пожарные стволы и специальные прямые брандспойты устанавливаются на специальные лафеты с отражателями для получения распыленной струи воды требуемых размеров. Распылительные насадки устанавливаются на треногах. Расстояние между стволами (распылителями) должно быть не более 30 м (обычно пожарному расчету назначается рубеж длиной 25 м). Основное требование - обеспечить сплошную водяную завесу на всем намеченном рубеже. Для экстренной постановки водяных завес могут быть также применены мобильные лафетные установки со стволами и распылителями, питаемыми от водопроводной пожарной сети или подвижных насосных установок (если вблизи от рубежа имеется водоем). При постановке водяных завес, как правило, машины с экипажами размещаются на границе предполагаемой зоны заражения проходящим облаком ОХВ, а вода к распылительным устройствам должна подаваться по рукавам соответствующей длины. При необходимости машины могут располагаться и на рубеже перехвата первичного облака ОХВ (в зоне заражения), но в этом случае боевой расчет машин (два человека) должен работать в средствах индивидуальной защиты органов дыхания изолирующего типа. На рубеже постановки водяной завесы должен находиться химический наблюдательный пост, который сообщает о приближении облака ОХВ. В зависимости от параметров первичного облака ОХВ (геометрических размеров, скорости перемещения, концентрации паров вещества, растворимости ОХВ в воде, емкости цистерн технических средств и др.) определяются количество рубежей для постановки водяных завес, потребное количество технических средств, производительность (режим работы) насосов этих средств, время замены машин (количество работающих смен) и др. Чем медленнее движется облако и меньше концентрация в нем паров ОХВ, тем меньше должна быть производительность насосов, подающих воду к распылителям, но не меньше той, которая обеспечивает минимально необходимые параметры водяной завесы (высоту, дисперсность, расход). Обычно запаса воды в пожарных, поливо-моечных машинах и АРСах хватает на 10-15 мин. работы по постановке водяной завесы. Хотя водяные завесы дают некоторый эффект при распространении фтора, при его взаимодействии с водой образуется весьма токсичный фтористый водород, т.е. данный метод может применяться весьма ограниченно. Для обезвреживания первичного облака фтора достаточно эффективным способом является способ постановки жидкостных завес с использованием соответствующего нейтрализующего вещества. Для этих целей используют авторазливочные станции (АРС-14, АРС-15) или другие машины, приспособленные для перевозки и применения нейтрализующих растворов. Для постановки указанных жидкостной завесы могут использоваться также специально подготовленные комплекты ДК-4 и компрессорные станции. В этом случае на рубеже постановки завесы устанавливаются 200-250 л стальные бочки с нейтрализующим раствором, в горловину каждой бочки вставляют эжектор от ДК-4 с распылителем и через переходник подсоединяют к нему воздушный шланг от компрессорной станции. Подача раствора через эжектор регулируется воздушным краном на раздаточной трубе компрессорной установки, разворачиваемый вне зоны химического заражения. Одна станция может обеспечить работу 3-4 эжекторов. Приготовление нейтрализующих растворов производят на специальных пунктах (площадках) непосредственно в цистернах машин или в резервуарах (таре). Запасы таких растворов и исходных нейтрализующих веществ должны создаваться на ХОО заблаговременно. Жидкостные завесы из нейтрализующих растворов ставятся на намеченных рубежах аналогично водяным завесам. Расход указанных растворов (производительность насоса) определяется исходя из природы ОХВ, скорости перемещения облака и концентрации в нем паров ОХВ. Для локализации и обезвреживания (нейтрализации) облака фтора может применяться способ распыления над облаком нейтрализующих растворов или воды с помощью вертолетов, сельскохозяйственной и пожарной авиации, оборудованных системой орошения местности жидкими растворами или водой. Использование таких средств наиболее эффективно при обеззараживании (нейтрализации) тяжелых облаков ОХВ в условиях инверсии в местах их застоя, а особенно в зонах заражения, где не может быть использована наземная техника. Способ создания тепловой завесы для борьбы с распространением облака фтора применяться не может ввиду его взрывоопасности. Для локализации первичного облака ОХВ на отдельных участках, в зоне размещения важных объектов (больницы, школы, детские сады, некоторые научные учреждения и др.) и густонаселенных жилых застроек может применяться способ смещения и рассеивания облака газо-воздушным потоком. Для создания таких потоков используют , мощные воздушные вентиляторы; на небольших участках могут применяться компрессорные станции. Последние наиболее эффективны при продувке застойных зон паров ОХВ. .2 Ведение спасательных работ в зоне заражения Спасательные работы в зоне химического заражения представляют собой комплекс мероприятий, выполняемый поисково-спасательными группами по поиску пострадавших, обеспечению к ним доступа, оказанию первой медицинской помощи и эвакуации из зоны заражения для оказания первой врачебной помощи и последующего стационарного лечения. Для выполнения спасательных работ в зоне химического заражения могут создаваться специализированные поисково-спасательные отряды (СПСО) на основе имеющихся сил экстренного реагирования. Типовой отряд общей численностью обычно состоит из трех команд и управления. Спасательные работы в зоне химического заражения включают: химическую и медицинскую разведку в интересах эффективного проведения спасательных работ; поиск пострадавших; проведение мероприятий по устранению или снижению воздействия на пострадавших и спасателей поражающих факторов в зоне химического заражения в период ведения спасательных работ; спасение пострадавших и оказание им первой медицинской помощи; эвакуацию пострадавших из зоны химического заражения. При ведении химической разведки в интересах эффективного проведения спасательных работ определяются: направление, геометрические размеры и скорость движения первичного облака ОХВ; площадь химического заражения, места застоя паров ОХВ в зданиях, сооружениях, на местности; степень и эффективность защиты населения от ОХВ в зданиях и сооружениях; места наибольшего скопления пострадавших в зоне заражения; степень повреждения зданий и сооружений, объем и характер завалов, состояние коммунально-энергетических и других сетей; наличие и степень опасности для пострадавших вторичных поражающих факторов и др. Поисковые работы в зоне химического заражения ведутся сплошным визуальным обследованием заданного участка спасательных работ, по свидетельствам очевидцев, с помощью приборов поиска. При ведении поиска пострадавших сплошным визуальным обследованием участок или зона заражения делится на полосы, назначаемые каждой поисковой группе. Ширина полосы поиска зависит от условий движения, видимости и других факторов. Группа оснащается средствами связи, обозначения мест нахождения пострадавших, оказания им первой медицинской помощи, средствами индивидуальной защиты для пострадавших. При ведении поиска пострадавших во внутренних помещениях производственных, административных и жилых зданий производится его осмотр по отдельным секциям (подъездам, цехам) путем перемещения с этажа на этаж обходом и осмотром всех помещений на каждом этаже здания: если в закрытых загерметизированных помещениях находятся люди, с ними устанавливается связь голосом и выясняется наличие пострадавших, двери не вскрываются до снижения концентрации паров ОХВ в здании до безопасных концентраций путем продувки чистым воздухом. При ведении поиска пострадавших в поврежденном (разрушенном) здании производится осмотр его внешних сторон в границах проектной застройки или по периметру образовавшегося завала. В первую очередь обследуются окна, сохранившиеся балконы,этажи в провалах стен. В местах, где есть реальная угроза обрушения элементов конструкций, продвижения и осмотр должны проводиться с соблюдением соответствующих мер безопасности. Обнаруженным пострадавшим одеваются средства индивидуальной защиты органов дыхания, оказывается первая медицинская помощь; при возможности их опрашивают о наличии поблизости других пострадавших; при малом количестве пострадавших и небольших расстояниях поисковые группы самостоятельно их эвакуируют в места сбора пострадавших на внешней границе зоны заражения. После завершения поисковых работ группа привлекается к выполнению других спасательных работ или продолжает ведение поиска на другом участке. Для опроса очевидцев назначаются специально подготовленные группы спасателей. Результаты опроса включаются в донесение о результатах поиска пострадавших и используются для уточнения и корректировки действий других поисково-спасательных подразделений и формирований. Опрос очевидцев ведется в местах проведения аварийно-спасательных работ; в пунктах сбора пострадавших; в медицинских пунктах и лечебных учреждениях; в местах временного размещения эвакуируемого населения. Поиск пострадавших с помощью приборов поиска производят в труднодоступных местах (разрушенных зданиях, завалах, подвальных помещениях), в темноте, в условиях сильного задымления и др. Спасение пострадавших в зоне химического заражения включает комплекс мероприятий, проводимых спасательными подразделениями по обеспечению доступа к пострадавшим, оказанию им первой медицинской помощи, защите от воздействия ОХВ, дальнейшей эвакуации пострадавших из зоны заражения. Пострадавшие в зоне химического заражения могут располагаться: на открытой местности; на нижних этажах зданий и в подвальных помещениях; в завалах от разрушенных зданий; на верхних этажах поврежденных зданий и зданий; в других помещениях производственных, административных и жилых зданий. При обнаружении пострадавших на открытой местности на них одевают средства индивидуальной защиты органов дыхания, оказывают им первую медицинскую помощь, осуществляют эвакуацию на пункт сбора пострадавших, находящийся на внешней границе зоны химического поражения. При обнаружении пострадавших в помещениях производственных, административных и жилых зданий, кроме указанных спасательных операций, могут проводиться мероприятия: по подаче чистого воздуха в помещения и их продувке; по обезвреживанию паров ОХВ в помещениях. При необходимости и возможности в помещения с пострадавшими, зараженные парами ОХВ, подают чистый воздух с помощью подвижных компрессорных станций, установленных вне зоны заражения на удалении от места проведения спасательных работ до 200 м. В отдельных случаях при проведении спасательных работ могут использоваться способы обезвреживания паров ОХВ в загазованных помещениях путем распыления с помощью ранцевых дегазационных приборов воды или нейтрализующих растворов. Спасение пострадавших, находящихся на верхних этажах поврежденных зданий и зданий, нижние этажи и окружающая территория которых заражены парами ОХВ производится путем организации доступа спасателей к пострадавшим, доставки им средств индивидуальной защиты и оказание первой медицинской помощи, эвакуации в медицинский пункт. Доступ к пострадавшим осуществляется по внешним стенам зданий, по сохранившимся внутренним коридорам, а также из соседних помещений, доступ в которые не затруднен. Спасение пострадавших, находящихся в завалах от разрушенных зданий, проводят путем их деблокирования различными способами, в т.ч. путем устройства лаза в завале, галерее или разборки завала сверху. До начала и в процессе ведения указанных работ необходимо принять меры для устранения воздействия поражающих факторов на пострадавших, а именно: снижение концентрации ОХВ до безопасных значений в местах проведения спасательных работ; подача чистого воздуха в завалы; экранирование мест нахождения пострадавших, а также участка производства спасательных работ от облака ОХВ. Снижение концентрации паров ОХВ в местах проведения спасательных работ и экранирование мест нахождения пострадавших производится путем постановки жидкостных или газовоздушных завес. Подача чистого воздуха в завалы производится с помощью подвижных компрессорных станций на протяжении всего времени разборки завала и извлечения пострадавших. Первая медицинская помощь пораженным в зоне химического заражения при проведении спасательных работ оказывается с целью спасения их жизни и приведения в состояние, позволяющее их дальнейшую эвакуацию. Основными мероприятиями по оказанию первой медицинской помощи являются: максимально быстрое удаление ядовитых веществ с открытых кожных покровов и слизистых оболочек; ослабление степени тяжести поражения путем введения антидотов; немедленная эвакуация пострадавшего за пределы зоны заражения. В зависимости от степени поражения пострадавших и концентрации ОХВ в воздухе первая медицинская помощь может оказываться на месте обнаружения пострадавшего или после эвакуации его на пункт сбора пораженных, расположенный вне зоны заражения. Эвакуацию пострадавших из зоны химического заражения проводят с целью исключения дальнейшего воздействия ОХВ на пострадавших и оказания им первой врачебной и специализированной медицинской помощи. Эвакуацию осуществляют в два этапа: на первом этапе пострадавших доставляют из зоны заражения на пункт сбора пострадавших с помощью носилок или других подручных переносных средств автотранспортом или пешим порядком, если это позволяет состояние пострадавшего; на втором этапе производятся сортировка пострадавших по степени поражения, оказание им первой врачебной помощи и эвакуация в специализированные медицинские учреждения или в район размещения пострадавшего населения; на этом этапе эвакуация производится с использованием санитарного автотранспорта или вертолетов. .3 Ведение неотложных восстановительных работ Неотложные аварийно-восстановительные работы при крупных авариях на химически опасном объекте проводится с целью локализации повреждений на технологических системах и недопущения дальнейшего развития аварии; ликвидации повреждений на коммунально-энергетических сетях (источников вторичных поражающих факторов),создания условий для беспрепятственного проведения спасательных работ и восстановления функционирования аварийного объекта в короткие сроки. Локализация и ликвидация повреждений на технологических и коммунально-энергетических системах аварийного объекта, как правило, проводятся по временным схемам с последующим капитальным восстановлением поврежденных систем после ликвидации чрезвычайной ситуации. Основными способами локализации повреждений на технологических системах являются: отключение указанных поврежденных систем от установленного технологического процесса путем перекрытия запорно-регулирующей аппаратуры; перекачивание перерабатываемых веществ из поврежденных систем в резервные емкости; замена поврежденных трубопроводов временными гибкими вставками и т.п. Указанные работы выполняются аварийно-восстановительной командой аварийного объекта под руководством ответственных лиц из руководства объекта. Работы выполняются в соответствии с аварийными карточками, разрабатываемыми на химически опасных объектах применительно к основным потенциально-возможным типам аварий. В данной работе было принято, что фтор является в данной ситуации нереагирующим веществом и не происходит взрывов и пожаров. В противном случае техника проведения описанных выше работ меняется, и это необходимо учитывать при составлении плана ликвидации аварий на конкретном производстве. .4 Необходимые силы и средства В качестве необходимой для ликвидации последствий аварии силы может выступать специализированная сводная команда объекта. Организационно специализированная сводная команда состоит из групп разведывательной (звенья: химической разведки, инженерной разведки, пожарной разведки); спасательной, аварийно-технической, инженерной, группы химической защиты, которая состоит из звеньев: обезвреживания местности, обезвреживания техники и сооружений, приготовления растворов, химического контроля. Численность команды зависит от имеющихся возможностей. На оснащении группы может состоять: поливомоечных машин типа ПМ-130Б - 4 ед. (из них одна машина в звене приготовления растворов); пескоразбрасыватели типа ПР-53 - 4 ед.; 2-3 автоцистерны; 1-2 бульдозера; 2-3 экскаватора; 10-12 грузовых автомобилей. Согласно нормативам расхода обезвреживающих веществ /40/ для ликвидации последствий данной аварии необходимо около 1000 т воды для уничтожения всего облака фтора и перевода его в жидкую фазу, а также около 100 т десятипроцентного раствора аммиака для нейтрализации полученного фтористого водорода. В реальных же условиях, т.к. далеко не весь газ может быть нейтрализован (с учетом распространения облака на сотни метров за несколько минут), потребуется не более 500 т воды и 50 т раствора аммиака. Поэтому необходимо усиление данной группы автоцистернами и станциями АРС-15. Должны применяться средства химической разведки: специализированные приборы марок ВПХР, ПГО-11, ПХР-МВ, а также переносные технические средства газового анализа (газоопределители, газоанализаторы, сенсоры): ГХ-4, УГ-2, ГПХВ-2. Для локализации и обезвреживания первичного облаков фтора могут быть использованы авторазливочные станции (АРС) различных модификаций (АРС-14, АРС-15), являющиеся техническими средствами частей и подразделений ГО и войск РХБ-защиты. АРС-14 и АРС-15 представляет собой автомобиль ЗИЛ-131 (ЗИЛ-157), на котором смонтировано специальное оборудование: цистерна, механический насос с приводом, ручной насос,трубопроводы, резинометалло- и резинотканевые рукава, съемное оборудование и принадлежности. Согласно масштабам рассмотренной аварии, необходимы 3-4 подобных станции. Для смещения (сдувания) и отрыва от земли первичного облака ОХВ и защиты отдельных объектов (школ, больниц, детских садов и др.зданий) от оздействия высоких концентраций паров ОХВ, а также для дегазации обезвреживания) техники может быть использован газовый поток тепловой машины для спецобработки - ТМС-65. Для подачи больших количеств воды из ближайших водоисточников в зону аварийно-спасательных работ с целью постановки водяных завес, приготовления нейтрализующих растворов и др., могут использоваться сборно-разборные трубопроводы и соответствующие средства подачи воды (перекачивающие станции и мотопомпы).На оснащении частей ГО состоит комплект полевого сборно-разборного трубопровода протяженностью 10 км. В него входят линейное оборудование, запорная арматура, аварийное и вспомогательное оборудование, перекачивающая станция ПСГ-65/130 или ПСГ-160, передвижная насосная установка ПНУ-100/200М. Перекачивающие станции, входящие в комплекты трубопроводов ПТ ГО-100/150-6/4, предназначены для забора воды из водоема и подачи ее в передвижные насосные установки. Для защиты участников работ по ликвидации последствий аварии необходимо применять средства индивидуальной защиты.В качестве средств защиты органов дыхания (СИЗОД) применяются малогабаритные гражданские противогазы ГП-7 (ГП-7В) с дополнительными патронами ДПГ-3. Они обеспечивают при рассчитанных концентрациях фтора защиту человека в течение 120 мин. Могут использоваться также фильтрующие промышленные противогазы с коробками В (желтого цвета).Необходимо также применение средств защиты кожи, в качестве которых могут выступать костюмы изолирующие химические КИХ-4, КИХ-5 в комплекте с дыхательными аппаратами АСВ-2, КИП-8, ИП-4М.Изделия КИХ-4 и КИХ-5 предназначены для защиты людей от высоких концентраций паров ОХВ. .5 Первая медицинская помощь Для спасения жизни и здоровья пострадавших при рассмотренной выше аварии необходимо /52/: вынести пострадавших на свежий воздух; ввести 1 мл 1% раствора морфина, 1 мл 0.1% раствора атропина, 1 мл 5% раствора эфедрина; при возможности ввести 15 мл 10% раствора хлорида калиция или 20 мл 10% раствора глюконата кальция; эуфиллин внутривенно; димедрол подкожно и гидрокортизон внутримышечно; ингаляция аэрозолей раствора гидрокарбоната кальция, антибиотиков, новокаина с эфедрином; антибиотикотерапия; лечение токсического отека легких и токсического шока; лечение конъюнктивита; промывание глаз водопроводной водой; введение стерильного вазелинового масла. При данном виде поражения противопоказана ингаляция кислорода. После оказания первой медицинской помощи пострадавшие должны быть доставлены в стационар и подвергнуты тщательному медицинскому обследованию и необходимому лечению. 6. Социально-экономическая оценка результатов 6.1 Оценка ущерба от чрезвычайной ситуации Одним из главных инструментов оценки влияния аварийных выбросов токсичных веществ в атмосферу являются методы оценки риска. В их основе лежат данные о распространении токсиканта в атмосфере, а также накопленные данные токсикологических исследований и статистического анализа, позволяющие анализировать степень риска для здоровья людей. Для проведения этой оценки осуществляется переход от физических характеристик загрязнения (например, поля концентраций) к вероятностным показателям нанесения ущерба жизни и здоровью людей (поля потенциального ущерба, потенциальной опасности и потенциального риска) /40/. Для проведения экономической оптимизации химически опасных производств необходим переход от показателей риска и натурального ущерба к экономическим единицам измерения. Этот переход может быть осуществлен на основе концепции социально-экономического ущерба, в соответствии с которым предполагается линейная связь между натуральными показателями (такими, как сокращение продолжительности жизни (СПЖ)) и экономическими показателями ущерба /49/. Социально-экономический ущерб, определяющий экономические потери из-за ущерба жизни и здоровью населения Y, рублей (долларов) равен произведению коэффициента пропорциональности a, рублей (долларов) в год, характеризующего натуральный ущерб для здоровья, и величины сокращения продолжительности жизни G, лет: Y = a×G (58) Указанный коэффициент включает в себя: объективную (хозяйственную) составляющую цены ущерба, характеризующую прямой экономический ущерб для общества в результате смерти или болезни человека как производителя национального продукта, а также расходы на компенсацию ущерба, лечение и т.п. субъективную (социальную) составляющую цены ущерба, отражающую субъективное отношение человека к риску и степень неприятия отдельных видов риска. В общем случае степень ухудшения состояния здоровья при воздействии на персонал предприятия каких-либо поражающих факторов определяется по шкале Россера /53/. Для рассматриваемого в данной работе летального исхода значение обобщенного ущерба здоровью является очевидным и равен единице. Суммируя вышеизложенное, можно предложить следующую формулу для определения величины суммарного социально-экономического ущерба от летальных исходов про разрушении сосуда с токсическим веществом: Yå = a × åi × Pi×Ni, (59) где N - число людей, подвергшихся воздействию; i - число поражающих факторов. .2 Ущерб при взрыве сосуда с токсикантом Для аварии, рассмотренной в данной дипломной работе, возможно произвести приблизительный расчет ущерба, наносимого взрывом содержащего фтор сосуда, с использованием допущений, принятых в разделе 4 и данных о вероятностях смертельного исхода (см. табл. 8). Расчет произведен по формуле (59). Значение коэффициента a принято на основании данных источников /49, 54/. Y = 300100×(1.00×3+0.97×10+0.92×20)=9333110 долларов США. При проведении более точных расчетов необходимо также учитывать следующие виды ущерба: ущерб от поражения персонала, не приведшего к летальному исходу; расходы на ликвидацию последствий аварии; ущерб окружающей природной среде. Как показал расчет, данная авария наносит существенный материальный ущерб, основной составляющей которого является ущерб из-за токсического поражения персонала, находящегося в зоне c максимальными концентрациями токсиканта. При этом реальная сумма ущерба должна быть еще большей как из-за учета указанных выше факторов, так и с учетом вероятности попадания в зону заражения особо важных объектов (системы жизнеобеспечения, важные объекты социальной сферы, охраняемые природные объекты). .3 Меры по уменьшению социально-экономического ущерба Поскольку рассмотренная выше авария способна привести к значительному социально-экономическому ущербу, необходимо принятие ряда мер по его минимизации. К подобным мерам могут относиться: Меры по предотвращению аварийных ситуаций: -составление необходимой документации (декларации промышленной безопасности, планы ликвидации аварий); контроль состояния объектов; аттестация и обучение персонала; прочие мероприятия по повышению устойчивости функционирования объектов экономики. Правильная организация мероприятий по ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций: -заблаговременное обеспечение необходимых сил и средств; координация действий структур, ответственных за ликвидацию чрезвычайной ситуации; использование необходимых средств коллективной и индивидуальной защиты; использование современных технических решений, новейших изобретений в области борьбы с чрезвычайными ситуациями. . Создание теоретической основы для мер по уменьшению ущерба: исследование всех возможных аварийных ситуаций на данном объекте; экспериментальное исследование и компьютерное моделирование чрезвычайных ситуаций; внедрение эффективных средств и методов борьбы с поражающими факторами чрезвычайных ситуаций. 7. Охрана труда ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ КОМПЬЮТЕРНОЙ ТЕХНИКИ 7.1 Анализ опасных и вредных факторов при работе на компьютере Настоящая дипломная работа преимущественно выполнялась с использованием компьютерной техники. Площадь рабочего помещения 18 м2, высота потолка - 2,7 м. Вентиляция неорганизованная. Размер оконного проема 2,5 м2. Применяя классификацию опасных и вредных факторов, принятую в ГОСТ 12.0.003-74, проанализируем характер различных воздействий на исполнителя работы. По данной классификации, различают физические, химические, биологические и психофизические факторы. К физическим опасным и вредным факторам, наличие которых возможно в рассматриваемом помещении, следует отнести: повышенная или пониженная температура воздуха рабочей зоны. Этот фактор может проявиться в случае отсутствия либо недостаточной мощности систем отопления и вентиляции, что имеет место лишь периодически. повышенный уровень шума на рабочем месте. Возникает при печати на матричном принтере. повышенная или пониженная влажность воздуха. Хотя в помещении не расположены источники влаги, возможно ее поступление с наружным воздухом при неблагоприятных погодных условиях. повышенная или пониженная подвижность воздуха. Защита от этого фактора достигается грамотным проектированием системы отопления, вентиляции и кондиционирования. отсутствие или недостаток естественного освещения, недостаточная освещенность рабочей зоны. В проекте при сооружении данного помещения были предусмотрены решения по созданию системы освещения для обеспечения оптимальных условий труда. опасность поражения электрическим током. Хотя теоретическая опасность поражения электрическим током существует, в настоящей работе считается, что приняты необходимые меры защиты. В рассматриваемом помещении отсутствуют выделения вредных химических веществ, не образуются опасные микроорганизмы, и, следовательно, химические и биологические опасные и вредные факторы воздействуют. К разряду психофизиологических опасных и вредных факторов рабочего места следует отнести: повышенное зрительное напряжение; умственная и психологическая перегрузка; гиподинамия (длительное неизменное положение тела при работе). Эти факторы связаны непосредственно с работой на персональных компьютерах, меры защиты от них будут рассмотрены ниже. .2 Комплексная оценка условий труда Определение интегральной балльной оценки тяжести труда производится по методике Б.Ф. Ломова /55/. Для определения категории тяжести работ каждый из факторов рабочей среды оценивается по шестибалльной системе, после чего определяется интегральная балльная оценка по формуле: UT=Xmax+(6-Xmin)×åni Xi /6×(N-1) (60) где Хmax - наивысшая из полученных частных балльных оценок; n - число учитываемых факторов без учета Хmax ; N - общее число факторов. Данная формула справедлива, если каждый из учитываемых факторов действует в течение всего рабочего дня. Если же какой-то фактор действует эпизодически, для него оценка определяется умножением балла на удельный вес времени действия фактора в течение рабочего дня. После расчета интегральной оценки по таблице определяют категорию тяжести выполняемой работы. Непосредственно комплексная оценка факторов рабочей среды производится на основании методико-физиологической категории тяжести работ. Под тяжестью работ подразумевается совокупность воздействия всех факторов рабочей среды на здоровье человека и его работоспособность. Согласно /2/,тяжесть выполняемой работы подразделяется на шесть категорий. К первой категории относятся работы, выполняемые в оптимальных условиях рабочей среды при благоприятной физической, умственной и нервно-эмоциональной нагрузке. Ко второй категории относятся работы, выполняемые в условиях, соответствующих предельно допустимым концентрациям и уровням производственных факторов по действующим санитарным правилам, нормам и инженерно-психологическим требованиям. К третьей категории относятся работы, при которых вследствие не вполне благоприятных условий труда у работающего формируются реакции, характерные для пограничного состояния организма. К четвертой категории относятся работы, при которых неблагоприятные условия труда приводят к реакциям, характерным для предпатологического состояния людей. Поддержание работоспособности осуществляется за счет перенапряжения механизмов, компенсирующих нарушение жизненно важных функций организма. К пятой категории относятся работы, при выполнении которых в результате воздействия на человека неблагоприятных условий труда у людей формируются четко выраженные признаки , характерные для патологического состояния организма. К шестой категории относятся работы, при которых подобные реакции формируются вскоре после начала трудового процесса. Связь категорий тяжести работ и уровней факторов рабочей среды устанавливается следующим образом: первая и вторая категории соответствуют комфортной рабочей среде, третья категория - дискомфортной, четвертая и пятая - экстремальной рабочей среде, шестая - сверхэкстремальной. Оценим по описанной выше методике условия труда на рабочем месте (РМ) оператора компьютерной техники. Для этого оценим опасные факторы рабочей среды с учетом времени их воздействия в течение рабочего дня (табл. 9). Таблица 9 Данные для расчета интегральной балльной оценки тяжести труда
Рассчитаем интегральную балльную оценку тяжести труда:=2+(6-1)×10/6×(7-1)=3,38 Согласно полученной интегральной балльной оценке, определяем категорию тяжести работы. Рассматриваемое рабочее место соответствует второй категории (на границе третьей). В целом условия труда на рабочем месте комфортные и не представляют существенной опасности для здоровья. Относительно невысокий балл, характеризующий работу, получен, в частности, по той причине, что использованная методика не предусматривает учет влияния вредного воздействия компьютерных мониторов. В большей мере использованный выше подход применим для физической работы в условиях производственного предприятия. Специально разработанные требования к компьютерной технике и видеомониторам приведены в издании /56/. Помещение, в котором проводилась работа над дипломной работой, отвечает всем требованиям к помещениям и расположению видеомониторов. Освещенность рабочего места обеспечена на уровне 300 лк и выше. Режим работы - 8 часов в день, суммарная продолжительность работы с компьютером не превышала 4 часа. Через каждые два часа работы совершались перерывы необходимой продолжительности с проветриванием помещения. Для снижения негативного воздействия на физическое и психическое состояние в процессе работы желательно выполнение следующих мероприятий /57/: проведение упражнений для глаз через каждые 20-25 минут работы. устройство перерывов через каждые 2 часа работы продолжительностью не менее 15 минут. осуществление во время перерывов физкультурных пауз продолжительностью 3-4 мин. в соответствии с рекомендациями /58/. На основании проведенного анализа условий труда можно сделать вывод об удовлетворительной организации процесса по написанию настоящей работы с точки зрения воздействия опасных и вредных факторов. Тем не менее необходимо дальнейшее совершенствование мероприятий по охране труда при проведении различных учебных и исследовательских работ. ВЫВОДЫ Методом математического моделирования проведено исследование закономерностей распространения токсиканта при взрыве сосуда под давлением в условиях различной ограниченности пространства. Выявлено влияние степени ограничения окружающего пространства неразрушаемыми преградами на распространение токсиканта прямой и отраженной волнами. Установлено, что при взрыве сосуда лишь небольшая часть токсиканта переносится ударной волной, что объясняется малым временем ее существования. Отмечено, что создаваемые этой волной концентрации токсиканта тем не менее должны учитываться с точки зрения их воздействия на человека. Показано, что в ограниченном пространстве возникающее из-за явления отражения обратное движение среды приводит к изменению концентрационных полей вблизи преграды. Обнаружено, что главенствующую роль в процессе переноса токсиканта ударной волной играет ее фронтальная часть. При определении поражающих факторов при взрыве сосуда с токсикантом следует учитывать вероятность поражения людей как в результате барического воздействия ударной волны, так и токсического воздействия. СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ .Садовский М.А. Избранные труды. Геофизика и физика взрыва. - М.: Наука, 1999. .Физика взрыва. / Ф.А. Баум, Л.П. Орленко, К.П. Станюкович и др. - М.: Наука, 1975. .Аварии и катастрофы. Предупреждение и ликвидация последствий. / К.Е. Кочетков, В.А. Котляревский, А.В. Забегаев и др. - М.: Издательство АСВ, 1995. .Безопасность жизнедеятельности в металлургии. / Л.С. Стрижко, Е.П. Потоцкий, И.В. Бабайцев и др. - М.: Металлургия, 1996. .Броуд Г. Расчет взрывов на ЭВМ. // Газодинамика взрывов. - М.: Мир, 1976. .Забабахин Е.И. Некоторые вопросы газодинамики взрыва. - Снежинск: АПБ, 1997. .Жигалко Е.Ф. Динамика ударных волн. - Л.: Наука, 1987. .Бесчастнов М.В. Промышленные взрывы. Оценка и предупреждение. М.: Химия, 1991. .Зельдович Я.Б., Райзер Ю.П. Физика ударных волн и высокотемпературных гидродинамических явлений. М.: Наука, 1966. .Зельдович Я.Б. Теория ударных волн и введение в газодинамику. М.-Л.: Изд-во АН СССР, 1946. .Коробейников В.П. Задачи теории точечного взрыва в газах. М.: Наука, 1973. .Покровский Г.И. Взрыв. М.: Недра, 1973. .Котляревский В.А., Чистов А.Г. Численный анализ дифракции волн в упруго-вязких средах при плоской деформации. // Изв. АН СССР. МТТ. - 1976. -№3. .Бейкер У., Кокс Р. Взрывные явления. Оценка и последствия. М.: Мир, 1986. .Безопасность жизнедеятельности. / С.В. Белов, А.В. Ильницкая, А.Ф. Козьяков и др. - М.: Высшая школа, 1999. .Орлова Ф.П. Нестационарные течения газов с ударными волнами. // Сборник научных трудов ФТИ им. Иоффе. Л.: 1990. - №1. .Котляревский В.А. Метание воздушной ударной волной незакрепленного твердого тела вблизи плоской преграды. // Журнал ПМТФ. - 1984. - №2. .Арутюнян Г.М., Карчевский Л.В. Отраженные ударные волны. М.: Машиностроение, 1973. .Григорян С.С. О действии ударных волн на твердое тело. // Журнал ПМТФ. - 1963. - №3. .Головачев Ю.П. Численное моделирование течений вязкого газа в ударном слое. - М.: Наука, 1996. .Каменецкий В.Ф., Турчак Л.И. Сверхзвуковое движение тел в газе с ударными волнами. // Изв. АН СССР. МЖГ. -1984. -№5. .Численное исследование современных задач газовой динамики. / Белоцерковский О.М., Головачев Ю.П., Грудницкий В.Г. и др. - М.: Наука, 1974. .Толстых А.И. О структуре криволинейной ударной волны. // Прикладная математика и механика. - 1964. -Т.28. - №3. .Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. - М.: Наука, 1987. .Численное решение многомерных задач газовой динамики. / Под ред. С.К. Годунова. - М.: Наука, 1976. 26.Доброчеев О.В. Рассеяние тяжелых газов в атмосфере. Физический механизм. Математические модели. // Обзор РНЦ Курчатовский институт. - 1993. 27. Van Loon М. Numerical smog prediction. - Amsterdam: 1995. .The evaluation of emergency response trace gas and dense gas dispersion model. / Dickerson M.H., Ermak D.L. // Lawrence Laboratory. Preprint UCRL-99348 S.L. - 1988. .Методика прогнозирования масштабов заражения сильнодействующими ядовитыми веществами при авариях (разрушениях) на химически опасных объектах и транспорте. -Л.: 1990. 30.Разработка комплекса методик по оценке опасности промышленных объектов для обеспечения процедуры декларирования. Отчет о НИР. Этап2. / НТЦ "Промышленная безопасность"- М.: 1996. .Оценка последствий возможных аварий на объекте по хранению люизита в районе г.Камбарки. /Карлссон Э., Конберт М., Рунн П., Роинтер С. // Рос. хим. журнал. - 1995. - т.39. - №4. 32. Havens J.A. The atmospheric dispersion of heavy gases: an update. / Institution of Chemical Engineers. Symposium series. - 1985. -- N93. . Доброчеев О.В., Кулешов А.А. Математическая модель рассеяния инертных облаков тяжелых газов при авариях промышленных предприятий. -М.: 1989. . Едигаров А.С. Исследование рассеяния тяжелого газа при залповом выбросе. // Рос. хим. журнал. - 1995. - т.39. - №2. . Расчет наземных концентраций сероводорода при возможных аварийных ситуациях на Астраханском газовом комплексе. / Башлачев В.К., Григорьев С.И. и др. // Химическая промышленность. - 1994. - №3. 36. Stewart R.B., Grose W.L. Parametric study with an atmospheric diffusion model that assesses toxic fuel hazards due to the ground clouds generated by rocket launches. - Washington: 1975. 37. Жубрин С.В., Хрупов А.П. Дисперсия газовых выбросов в городском микрорайоне. М.: 1990. . Патанкар С. Численные методы решения задач теплообмена и динамики жидкости. - М.: Мир, 1984. . Джалурия И. Естественная конвекция. Тепло- и массообмен. - М.: Мир,1983. .Мастрюков Б.С. Безопасность в чрезвычайных ситуациях. - М.: МИСиС, 1999. .Лыков А.В. Тепломассообмен. Справочник. - М.: Энергия, 1971. .Квасенков И.И. Безопасность жизнедеятельности. М.: МИСиС, 1992. .Рысс И.Г. Профессиональные болезни. М.: Здоровье, 1973. .Кнунянц И.Л., Фокин А.В. Покорение неприступного элемента. М.: Химия, 1963. .Годунов С.К., Рябенький В.С. Разностные схемы. М.: Наука, 1973. .Огнева В.В. Метод “прогонки” для решения разностных уравнений. // ЖВМиМФ. - 1967. -№4. .Потемкин В.Г. Система инженерных и научных расчетов MATLAB 5.х. - М.: Диалог-МИФИ, 1999. . Иванов А. В., Мастрюков Б. С. Прогнозирование распространения аварийных выбросов аммиака в атмосфере города. // Изв. Высших учебных заведений. Цветная металлургия - 1998. - №6. . Методические рекомендации по оценке социально-экономического ущерба от нарушения здоровья населения, обусловленного загрязнением атмосферного воздуха. / А. А. Быков, Л. Соленова, Г. Земляная и др. // Управление риском. - 1999. - № 3. . Инструкция по составлению планов ликвидации (локализации) аварий в металлургических и коксохимических производствах. / Госгортехнадзор России. - М.: 1994. . Основы инженерной психологии. / Под ред. Ломова Б.Ф. - М.: Высшая школа, 1986. . Справочник практического врача. / Ю. Е. Вельтищев, Ф. И. Комаров, С. М. Навашин и др. - М.: Баян, 1992. 53. Rosser R., Kund P. // Int. J. Of Epidemiology. - 1978, № 7, p. 347-358. 54. Быков А. А., Мурзин Н.В. Проблемы анализа безопасности человека, общества, природы. - СПб.: Наука, 1997. . Основы инженерной психологии. / Под ред. Ломова Б.Ф. - М.: Высшая школа, 1986. . Мастрюков Б.С. Компьютер - друг или враг? // Сталь. -- №15-16. - 1998. .Сидоров А.П. Секреты здоровья. М.: Физкультура и спорт, 1990. .Воробьев В.И. Оздоровление. М.: Центр, 1992. ПРИЛОЖЕНИЕ 1 ПРОГРАММА РАСЧЕТА ПОЛЕЙ СКОРОСТЕЙ Errortrap ononshort e on %Тротиловый эквивалент взрыва сосуда с токсикантом ctnt=26.9 %Размер элементарной ячейки x0=1 y0=1 %Размеры расчетной области dl=100 shir=100 %Интервал разбиения расчетной области dx=x0 %Расчет избыточного давления во фронте ударной волны for x=1:dx:dly=1:dy:shir(x,y)=101300+(113.4*(ctnt)^0.33)/sqrt(x^2+y^2)+185.9*(ctnt^0.67)/(x^2+y^2)+9.02*ctnt/(x^2+y^2)^1.5)*1000(x,y)=(P0(x,y)-101300)/101300(x,y)=1.29*(1+DP0(x,y)*0.85)/(1+DP0(x,y)*0.147)(x,y)=(P0(x,y)-101300)*DP0(x,y)/(0.4*DP0(x,y)+2.8)(x,y)=sqrt(2*PSK(x,y)/R0(x,y)) End %Построение графика поля скоростей во фронте волны [X,Y]=meshgrid([1:dx:dl])(1)tall(1,1,1)gray fill contour(V0) title(“Поле скоростей в прямой волне, zet=0”) xlabel(“Координата X, дам”) ylabel(“Координата Y, дам”) %Продолжительность фазы сжатия for x=1:dx:dl for y=1:dy:shir(x,y)=ctnt^0.167*(x^2+y^2)^0.25*0.001 End %Изменение скоростей за фронтом ударной волны for zet=0.1:0.1:0.9x=1:dx:dly=1:dy:shirDP0(x,y)<=3(x,y)=(-1.33)*DP0(x,y)DP0(x,y)>10(x,y)=0(x,y)=0.33*DP0(x,y)-5.6DP0(x,y)<=1(x,y)=3.2*DP0(x,y)-0.75(x,y)=de(x,y)+6.4*DP0(x,y)/(1+0.725*DP0(x,y)*zet)(x,y)=PSK(x,y)*(1-zet)^2*exp((-1)*be(x,y)*zet)(x,y)=sqrt(2*PSKNOV(x,y)/R0(x,y)) End %Построение графика поля скоростей за фронтом волны [X,Y]=meshgrid([1:dx:dl])(zet*10+1)tall(1,1,1)grayfill(VNOV)(“Поле скоростей за фронтом прямой волны, zet=”) xlabel(“Координата X, дам”) ylabel(“Координата Y, дам”) end %Расстояние действия отраженной от преграды волны xwol=0.7*dl %Расчет поля скоростей в зоне отраженной волны for x=xwol:dx:dly=1:dy:shir(x,y)=(P0(x,y)*101300*3.2-0.4*P0(x,y))/(0.4*P0(x,y)+1.4*101300)(x,y)=(P0(x,y)-101300)/101300(x,y)=1.29*(1+DP0(x,y)*0.85)/(1+DP0(x,y)*0.147)(x,y)=(P0(x,y)-101300)*DP0(x,y)/(0.4*DP0(x,y)+2.8)(x,y)=sqrt(2*PSK(x,y)/R0(x,y)) End %Построение графика поля скоростей в отраженной волне [X,Y]=meshgrid([1:dx:dl])(1)tall(1,1,1)gray fill contour(V0) title(“Поле скоростей в отраженной волне, zet=0”) xlabel(“Координата X, дам”) ylabel(“Координата Y, дам”) %Изменение скоростей за фронтом отраженной волны for zet=0.1:0.1:0.9x=xwol:dx:dly=1:dy:shirDP0(x,y)<=3(x,y)=(-1.33)*DP0(x,y)DP0(x,y)>10(x,y)=0(x,y)=0.33*DP0(x,y)-5.6DP0(x,y)<=1(x,y)=3.2*DP0(x,y)-0.75(x,y)=de(x,y)+6.4*DP0(x,y)/(1+0.725*DP0(x,y)*zet)(x,y)=PSK(x,y)*(1-zet)^2*exp((-1)*be(x,y)*zet)(x,y)=sqrt(2*PSKNOV(x,y)/R0(x,y)) End %Построение графика поля скоростей за фронтом отраженной волны [X,Y]=meshgrid([1:dx:dl])(zet*10+10)tall(1,1,1)grayfill(VNOV)(“Поле скоростей за фронтом отраженной волны, zet=”) xlabel(“Координата X, дам”) ylabel(“Координата Y, дам”) end ПРИЛОЖЕНИЕ 2 ПРОГРАММА РАСЧЕТА ПОЛЕЙ КОНЦЕНТРАЦИЙ В УДАРНОЙ ВОЛНЕ %Данная программа разработана как продолжение программы расчета %полей скоростей и использует имеющиеся в ней данные. Для практи- %ческого использования тело данной программы должно быть %размещено непосредственно после окончания программы расчета %полей скоростей. Графическое изображение результатов производится %так же, как в первой части расчета. %Интервал разбиения по расстоянию dr=10 %Первоначальные концентрации C(1,0)=1693000 For i=2:1:10 C(i,0)=0 end %Переход к сферической системе for x=1:dx:dly=1:dy:shirrr=1:1:10x=y(rr)=varargin(x) end end end %Переход к конечному шагу по времени for zet=0:0.1:0.9=10*zetk=0:1:9=T0(rr)*zet End %Проведение расчета F=dr*((r(1))^2+r(1)*dr/2+dr^2/12)*RO(1,k+1)=dr((r(1))^2+r(1)*dr/2+dr^2/12)*Ro(1,k)=RO(1,k+1)*VNOV(1,k+1)*dt*((-1)*r(1)^2+r(1)*dr+dr^2/4)=RO(2,k+1)*VNOV(2,k+1)*dt*((r(1))^2+r(1)*dr+dr^2/4)(1,k+1)=P*C(2,k+1)/(F-H)+G*C(1,k)/(F-H)(1)=P/(F-H)(1)=G*C(1,0)/(F-H)i=2:1:9k=0:1:9(i)=(2/3)*(3*(r(i))^2+dr^3/4)*RO(i,k+1)(i)=(2/3)*( 3*(r(i))^2+dr^3/4)*RO(i,k)(i)=2*r(i)*dr*dt*RO(i,k+1)*VNOV(i,k+1)(i)=RO(i+1,k+1)*VNOV(i+1,k+1)*dt*((r(i)^2+r(i)*dr+dr^2/4)(i)=RO(i-1,k+1)*VNOV(i-1,k+1)*dt*((r(i)^2+r(i)*dr+dr^2/4)(i)=D/(A-C+E*al(i-1))(i)=(B(i)*C(i,k)-E*be(i-1))/(A-C+E*al(i-1))(i,k+1)=al(i)*C(i+1,k+1)+be(i)k=0:1:9=RO(10,k+1)*dr*((r(10))^2-r(10)*dr/2+dr^2/12)=C(10,k)*RO(10,k)*dr*((r(10))^2-r(10)*dr/2+dr^2/12)=RO(9,k+1)*VNOV(9,k+1*((r(10))^2-r(10)*dr+dr^2/4)*dt=RO(9,k+1)*VNOV(10,k+1) *(-(r(10))^2-r(10)*dr+dr^2/4)*dt(10,k+1)=(R*C(10,k)-S*(be(9))/(Q+S*al(9)+T)i=9:1:1k=0:1:9(i,k+1)=al(i)*C(i+1,k+1)+be(i) Download 0.55 Mb. Do'stlaringiz bilan baham: 
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||