ОСОБЕННОСТИ ОБРАЗОВАНИЯ ПОЖАРО- И ВЗРЫВООПАСНЫХ ЗОН ПРИ НАТЕКАНИИ ГАЗООБРАЗНОГО ВОДОРОДА В НИЖНЮЮ ЧАСТЬ УСЛОВНО ГЕРМЕТИЧНОГО ПОМЕЩЕНИЯ

Пузач Сергей Викторович; Лебедченко Ольга Сергеевна; Пузач Виктор Григорьевич; Меляшинский Максим Дмитриевич

УДК 614.841.4

DOI 10.25257/FE.2018.2.58-63

ПУЗАЧ Сергей Викторович

Доктор технических наук, профессор Академия ГПС МЧС России, Москва, Россия E-mail: [email protected]

ЛЕБЕДЧЕНКО Ольга Сергеевна

Кандидат юридических наук, доцент Академия ГПС МЧС России, Москва, Россия E-mail: [email protected]

ПУЗАЧ Виктор Григорьевич

Доктор технических наук

Объединённый институт высоких температур РАН, Москва, Россия

МЕЛЯШИНСКИЙ Максим Дмитриевич Академия ГПС МЧС России, Москва, Россия

ОСОБЕННОСТИ ОБРАЗОВАНИЯ ПОЖАРО- И ВЗРЫВООПАСНЫХ ЗОН ПРИ НАТЕКАНИИ ГАЗООБРАЗНОГО ВОДОРОДА В НИЖНЮЮ ЧАСТЬ УСЛОВНО ГЕРМЕТИЧНОГО ПОМЕЩЕНИЯ

Представлены результаты численных экспериментов по особенностям образования пожаро- и взрывоопасных зон при натекании газообразного водорода в нижнюю часть условно герметичного помещения с использованием трёхмерной нестационарной математической модели. Изучены особенности динамики развития пожаро- и взрывоопасных зон в помещении. Исследованы условия и промежутки времени существования квазистационарных пожаро- и взрывоопасных зон внутри конвективной колонки, образующейся над источником натекания водорода.

Ключевые слова: водород, натекание в помещение, водородно-воздушная смесь, конвективная колонка, пожароопасная зона.

Аинамика образования и развития локальных пожаро- и взрывоопасных зон в водородно-воздушной смеси, образующейся при натекании водорода в помещение, исследована в большом количестве работ [1-9]. Однако из-за сложности протекающих турбулентных процессов тепломассообмена задача до конца не решена.

В нормативной литературе коэффициенты участия водорода в горении и взрыве принимаются равными = 1 (табл. А.1 в СП 12.131 30.2009. «Определение категорий помещений, зданий и наружных установок по взрывопожарной и пожарной опасности»). Однако результаты численных экспериментов [3] и расчёты с использованием аналитических решений ряда модельных задач натекания водорода в помещение показывают, что вышеуказанные коэффициенты могут быть существенно меньше единицы [10-12].

Закономерности образования взрыво- и пожароопасных водородно-воздушных смесей при натека-нии водорода в верхнюю часть помещения большого объёма изучены достаточно широко [13]. Характерное время выравнивания концентраций водорода по всему объёму помещения при этом составляет порядка нескольких часов [13]. При натекании водорода в нижнюю часть помещения это время составляет порядка нескольких минут [3, 13], поэтому актуальной задачей является изучение закономерностей образования локальных взрыво- и пожароопасных концентраций при натекании газа вблизи пола помещения.

В настоящей статье представлены результаты численного исследования особенностей образования

пожаровзрывоопасных зон при натекании газообразного водорода в условно герметичное помещение в трёхмерной нестационарной постановке задачи.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ

Обобщённое трёхмерное нестационарное дифференциальное уравнение законов сохранения массы, импульса и энергии имеет следующий вид [14]:

^-(рФ)+сИу(р^Ф) = Шу(^гас1Ф)+5, (1) Эт

где т - время, с; р - плотность водородно-воздушной смеси, кг/м3; ш - скорость газовой смеси, м/с; Ф -зависимая переменная (проекции скорости на координатные оси, массовые концентрации компонентов газовой смеси О2, Н2, Ы2, кинетическая энергия турбулентности и скорость её диссипации); Г - коэффициент диффузии для Ф; 5 - источниковый член.

Начальные условия к уравнению (1) принимаются следующими:

- температуры газовой среды помещения, водорода, ограждающих конструкций помещения и наружного воздуха равны 293 К;

- давления в газовой среде помещения и наружном воздухе на уровне пола равны 105 Па;

- массовые концентрации: кислорода -Х0г = 0,23, азота - = 0,77, остальных газов -равны нулю.

58

Граничные условия к уравнению (1) на поверхностях ограждающих конструкций:

- тепловой поток в ограждающие конструкции равен нулю;

- условие «прилипания» для уравнения неразрывности [7].

Уравнение (1) решено численно методом контрольных объёмов с использованием компьютерной программы «Интегральные, зонные и полевые методы расчёта динамики опасных факторов пожара» [14].

Дифференциальное уравнение для расчёта распределения массовой концентрации водорода по высоте стационарной конвективной колонки, образующейся над источником натекания водорода в помещение, имеет следующий вид [12]:

йг

В

-Ра

9 \ 2 +г*9Ч

Х„

(2)

2ЦЛ

Х„

где Хи - средняя по поперечному сечению колонки на высоте г массовая концентрация водорода; г - координата вдоль высоты конвективной колонки, отсчитываемая от уровня выходного сечения отвер-

стия, через которое водород поступает в помещение, м; у - угол полураскрытия конвективной колонки, град; d - эквивалентный диаметр отверстия, через которое водород поступает в помещение, м;

С2

д - ускорение свободного падения, м/с2; А = —ф -размерный параметр, м3-кмоль/с2; В = - раз-

мерный параметр, кг2/(м3-кмоль); - массовый расход водорода, поступающего через отверстие в помещение, кг/с; ца, - молекулярные массы воздуха и водорода, соответственно, кг/кмоль; Т -температура воздуха и водорода, К; ро - давление воздуха на высоте г = 0, Па; - универсальная газовая постоянная, Дж/(кмоль-К); ра - плотность воздуха, кг/м3.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Рассматривается условно герметичное помещение с размерами бхбхб м (V = 218 м3). Натекание водорода происходит на высоте 0,5 м над геометрическим центром пола помещения.

Массовый расход водорода изменяется в пределах 0,000665-0,00665 кг/с как в работе [12], по-свящённой изучению закономерностей образования пожаро- и взрывоопасных зон по высоте стационарной конвективной колонки с использованием дифференциального уравнения (2).

Поля массовых концентраций водорода в вертикальной плоскости, проходящей через центр пола,

г, м 6 -, 5

4 -3 2 -1 -

0

г, м 6 -, 5

4 -3

2 -

1 -

0

1, м 6 5 -4 3 2 -1

0

1, м 6 5 -4 3 2 -1

0

Рисунок 1. Поля массовых концентраций водорода в вертикальной плоскости, проходящей через центр пола, через 120 (а), 300 (б), 600 (в) и 1140 с (г) от начала натекания водорода

х, м

1

2

3

2

3

4

6

5

а

х, м

1

2

3

4

5

6

1

2

3

4

5

6

в

г

□

■Рп □

□ □ □ □ : :

200

400

600

800

1000

1200

Рисунок 2. Графическая зависимость высоты пожароопасной зоны от времени с начала натекания водорода

в различные промежутки времени от начала натекания водорода через отверстие диаметром d = 0,06 м при массовом расходе водорода Gh = 0,000665 кг/с, представлены на рисунке 1.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Координаты x и z на рисунке 1 направлены, соответственно, вдоль длины и высоты помещения. Выделенными линиями обозначены линии равной массовой концентрации Хь =0,0029 (нижний массовый концентрационный предел горения [15]).

Зависимость высоты пожароопасной зоны (где массовая концентрация водорода равна нижнему концентрационному пределу его горения в воздухе Хь = 0,0029), образующейся внутри конвективной колонки, от времени с начала натекания водорода через отверстие с d = 0,06 м при Gh = 0,000665 кг/с, приведена на рисунке 2.

В течение длительного времени (примерно 10 мин) существует квазистационарная пожароопасная зона внутри конвективной колонки, практически не меняющая свою высоту (см. рис. 1 и 2). Взрывоопасная зона расположена внутри пожароопасной зоны и также практически не меняет свою высоту, при этом весь остальной объём помещения не представляет пожаро- и взрывоопасности.

Анализ результатов численных экспериментов показал, что вышеуказанная зона является квазистационарной только при небольших расходах натекающего водорода Gh < 0,0046 кг/с.

При больших расходах натекающего водорода в течение небольшого промежутка времени (1-2 мин) помещение полностью заполняется пожаро- и взрывоопасной водородно-воздушной смесью [3, 13].

Зависимость безразмерной высоты Е пожароопасной зоны, в которой средняя массовая концентрация водорода равна нижнему концентрационному

Ç 180 160 140 120 100 80 60 40 20

0

Л

д

д //

¿Л

7

Re

1000

2000 3000 4000 5000 6000

Рисунок 3. Зависимость безразмерной высоты ^ до поперечного сечения колонки:

□ - уравнение (1); Д - уравнение (2); — ^ = 43,31 1п (Re) - 199,34 (аппроксимация результатов расчётов с достоверностью аппроксимации 0,79); ^ = z /d; р, и/ с1

Яе = -пг1£--число Рейнольдса;

Мл

рп - плотность водорода на срезе отверстия, кг/м3; - коэффициент кинематической вязкости водорода, кг/(м • с)

пределу горения, от числа Рейнольдса представлены на рисунке 3.

Результаты расчёта Е в трёхмерной нестационарной постановке задачи (уравнение (1), квазистационарная колонка) с достаточной точностью для инженерного метода расчёта (погрешность менее 10 %) совпадают с величиной Е, полученной с использованием одномерного стационарного уравнения (2) (стационарная колонка) (рис. 3).

Существует критическое значение массового расхода газообразного водорода, натекающего в нижнюю часть помещения, при превышении которого резко увеличивается опасность возникновения горения и взрыва во всём объёме помещения.

При небольших величинах массового расхода водорода существует длительный промежуток времени, в течение которого пожаро- и взрывоопасные зоны водородно-воздушной смеси ограничены областью конвективной колонки, образующейся над источником натекания водорода. При этом высота вышеуказанных зон слабо меняется, т. е. эти зоны являются квазистационарными.

Для расчёта высот квазистационарных по-жаро- и взрывоопасных зон можно использовать одномерный подход к расчёту концентраций водорода по высоте стационарной конвективной колонки (уравнение (2)).

zp м 7

6

5

4

3

2

1

т, м

0

ЛИТЕРАТУРА

1. Шевяков Г. Г., Савельева Н. И. Распространение и горение струи водорода в открытой атмосфере // Альтернативная энергетика и экология. 2004. № 1 (9). С. 23-27.

2. Домашенко А. М. Проблемы взрывобезопасности при создании и эксплуатации промышленных систем хранения и транспортирования жидкого водорода. Стандарты // Альтернативная энергетика и экология. 2006. № 11. С. 28-38.

3. Puzach S. V. Some features of formation of local combustible hydrogen-air mixtures during continuous release of hydrogen in a room. International Journal of Hydrogen Energy. 2003. Vol. 28, no. 9. P. 1019-1026. DOI: 10.1016/s0360-3199(02)00165-9

4. Горев В. А. О концентрационных пределах распространения пламени в системе водород - воздух // Пожаровзрывобезопас-ность. 2011. Т. 20, № 12. С. 23-26.

5. Agrawal N, Velusamy K, Das S. K. A method to characterize mixing and flammability of hydrogen - air mixtures in enclosures. International Journal of Hydrogen Energy. 2011. Vol. 36, no. 19. P. 12607-12617. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2011.06.116

6. Vollmer K. G, Ettner F., Sattelmayer T. Deflagration-to-detonation transition in hydrogen/air mixtures with a concentration gradient. Combustion Science and Technology. 2012. Vol. 184, no. 10-11. P. 1903-1915. DOI: 10.1080/00102202.2012.690652

7. Rubtsov N. M., Seplyarskii B. S. Concentration limits of combustion in rich hydrogen - air mixtures in the presence of inhibitors. Mendeleev Communications. 2010. Vol. 20, no. 5. P. 296-298. DOI: 10.1016/j.mencom.2010.09.020

8. Dorofeev S. B, Sidorov V. P., Dvoinishnikov A. E, Breitung W. Deflagration to detonation transition in large confined volume of lean hydrogen-air mixtures. Combustion and Flame. 1996. Vol. 104, no. 1-2. P. 95-110. DOI: 10.1016/0010-2180(95)00113-1

9. Boeck L. R, Berger F. M, Hasslberger J., Sattelmayer T. Detonation propagation in hydrogen-air mixtures with transverse concentration gradients. Shock Waves. 2015. Vol. 26, is. 2. P. 181-192. DOI: 10.1007/s00193-015-0598-8

10. Пузач С. В., Лебедченко О. С., Воробьев Н. С. Модельная задача определения коэффициентов участия водорода в горении и взрыве // Пожаровзрывобезопасность. 2007. Т. 16, № 5. С. 16-18.

11. Пузач С. В., Лебедченко О. С., Болдырев Е. Н. Коэффициенты участия водорода в горении и взрыве при ламинарной и турбулентной конвекции на горизонтальной пластине // Пожаровзрывобезопасность. 2014. Т. 23, № 6. С. 26-30.

12. Пузач С. В., Лебедченко О. С. Расположение взрыво-и пожароопасных участков водородно-воздушной смеси по высоте конвективной колонки, образующейся над источником натекания водорода в помещении // Пожаровзрывобезопасность. 2017. Т. 26, № 1. С. 18-24. 001: 10.18322/РУВ.2017.26.01.18-24

13. Шебеко Ю. Н., Келлер В. Д., Еременко О. Я, Смолин И. М., Серкин М. А. Закономерности образования и горения локальных водородовоздушных смесей в большом объёме // Химическая промышленность. 1988. № 12. С. 24-27.

14. Патанкар С. В. Численные методы решения задач теплообмена и динамики жидкости / пер. с англ. под ред. В. Д. Виленско-го. М.: Энергоатомиздат, 1984. 152 с.

15. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов и средства их тушения. Справочное издание. В 2 кн. Кн. 1 / под ред. А. Н. Баратова, А. Я. Корольченко. М.: Химия, 1990. 496 с.

Материал поступил в редакцию 5 марта 2018 года.

Sergei PUZACH

Grand Doctor of Philosophy in Engineering Sciences, Professor State Fire Academy of EMERCOM of Russia, Moscow, Russia E-mail: [email protected]

Olga LEBEDCHENKO

Doctor of Philosophy in Juridical Sciences, Associate Professor State Fire Academy of EMERCOM of Russia, Moscow, Russia E-mail: [email protected]

Victor PUZACH

Grand Doctor of Philosophy in Engineering Sciences Joint Institute for High Temperatures of Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia

Maksim MELYASHINSKY

State Fire Academy of EMERCOM of Russia, Moscow, Russia

PECULIARITIES OF FORMING FIRE AND EXPLOSION HAZARDOUS ZONES DURING INLEAKAGE OF GASEOUS HYDROGEN INTO THE LOWER PART OF A CONDITIONALLY SEALED ROOM

ABSTRACT

Purpose. The dynamics of formation and development of local fire and explosion hazardous zones in the hydrogen-air mixture formed during the inleakage of hydrogen into the room has been investigated in a large number of works, but the problem has not been completely solved because of the complexity of the turbulent heat and mass transfer processes that take place. One more essential objective is to study peculiarities of forming local explosion and fire hazardous concentrations during the gas inleakage near the room floor. In this article the authors consider the features of the formation of fire and explosion hazardous zones during the inleakage of gaseous hydrogen into the lower part of a conditionally sealed room.

Methods. Three-dimensional time-dependent differential equations of mass conservation laws, momentum and energy are solved by the numerical method of control volumes.

Findings. The results of the numerical experiments on the features forming of fire and explosion hazardous zones during the inleakage of gaseous hydrogen into the lower part of a conditionally sealed room are presented. The features of the development dynamics of fire and explosion hazardous zones in the room are studied. The conditions and time intervals for the existence of "quasistationary" fire and explosion hazard

zones within a convective column formed above the source of hydrogen leakage are investigated.

It has been shown that the height of the quasistationary fire-hazardous zone with an error not exceeding 10 % coincides with the results of the calculation obtained with the help of a one-dimensional differential equation for the distribution of hydrogen mass flow along the height of a fixed convective column.

Research application field. The obtained results can be used in the development of fire and explosion protection of industrial facilities in which hydrogen is used, stored or transported.

Conclusions. There is a critical value of the mass flow of gaseous hydrogen flowing into the lower part of the room, above which the risk of burning and explosion in the whole room increases sharply.

At low values of hydrogen mass flow there is a long period of time during which the fire and explosion hazardous zones of the hydrogen-air mixture are limited by the space of the convective column formed above the source of hydrogen inleakage.

Key words: hydrogen, inleakage into the room, hydrogen-air mixture, convective column, fire-hazardous zone.

REFERENCES

1. Shevyakov G.G., Savelyeva N.I. Hydrogen jet propagation and burning in ambient air. Alternativnaya energetika i ekologiya, 2004, no. 1 (9), pp. 23-27. (in Russ.).

2. Domashenko A.M. Problems of explosion safety in the creation and operation of industrial storage and transportation of liquid hydrogen. Standards. Alternativnaya energetika i ekologiya, 2006, no. 11, pp. 28-38. (in Russ.).

3. Puzach S.V. Some features of formation of local combustible hydrogen-air mixtures during continuous release of hydrogen in a room. International Journal of Hydrogen Energy, 2003, vol. 28, no. 9, pp. 1019-1026. DOI: 10.1016/s0360-3199(02)00165-9

4. Gorev V.A. Flammability limits of premixed for hydrogen -air mixtures. Pozharovzryvobezopasnost, 2011, vol. 20, no. 12, pp. 23-26. (in Russ.).

5. Agrawal N., Velusamy K., Das S.K. A method to characterize mixing and flammability of hydrogen-air mixtures in enclosures. International Journal of Hydrogen Energy, 2011, vol. 36, no. 19, pp. 12607-12617. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2011.06.116

6. Vollmer K.G., Ettner F., Sattelmayer T. Deflagration-to-detonation transition in hydrogen/air mixtures with a concentration gradient. Combustion Science and Technology, 2012, vol. 184, no. 10-11, pp. 1903-1915. DOI: 10.1080/00102202.2012.690652

7. Rubtsov N.M., Seplyarskii B.S. Concentration limits of combustion in rich hydrogen-air mixtures in the presence of inhibitors. Mendeleev Communications, 2010, vol. 20, no. 5, pp. 296-298. DOI: 10.1016/j.mencom.2010.09.020

8. Dorofeev S.B., Sidorov V.P., Dvoinishnikov A.E., Breitung W. Deflagration to detonation transition in large confined volume of

62

lean hydrogen-air mixtures. Combustion and Flame, 1996, vol. 104, no. 1-2, pp. 95-110. DOI: 10.1016/0010-2180(95)00113-1

9. Boeck L.R., Berger F.M., Hasslberger J., Sattelmayer T. Detonation propagation in hydrogen-air mixtures with transverse concentration gradients. Shock Waves, 2015, vol. 26, is. 2, pp. 181-192. DOI: 10.1007/s00193-015-0598-8

10. Puzach S.V., Lebedchenko O.S., Vorobyev N.S. A model problem of determining the coefficients of participation of hydrogen in combustion and explosion. Pozharovzryvobezopasnost, 2007, vol. 16, no. 5, pp. 16-18. (in Russ.).

11. Puzach S.V., Lebedchenko O.S., Boldyrev E.N. Coefficients of hydrogen combustion and explosionin case of laminar and turbulent convectionon a horizontal plate. Pozharovzryvobezopasnost, 2014, vol. 23, no. 6, pp. 26-30. (in Russ.).

12. Puzach S.V., Lebedchenko O.S. Location of explosion and fire dangerous areas of the hydrogen-air mixture along height

of convective column formed over the source of hydrogen leakage in the room. Pozharovzryvobezopasnost, 2017, vol. 26, no. 1, pp. 18-24. DOI: 10.18322/PVB.2017.26.01.18-24 (in Russ.).

13. Shebeko Yu.N., Keller V.D., Eremenko O.Ya., Smolin I.M., Serkin M.A. Regularities in the formation and combustion of local hydrogen-air mixtures in a large volume. Khimicheskaia promyshlennost, 1988, no. 12, pp. 24-27 (in Russ.).

14. Patankar S.V. Numerical heat transfer and fluid flow. New York, 1980. 198 p. [Russ. ed.: Patankar S.V. Chislennye metody resheniia zadach teploobmena i dinamiki zhidkosti. Trans. and ed. by V.D. Vilenskii. Moscow, Energoatomizdat Publ., 1984. 152 p.].

15. Pozharovzryvoopasnost veshchestv i materialov i sredstva ikh tusheniia [Fire and explosion hazard of substances and materials and their extinguishing agents. Ed. by A.N. Baratov, A.Ya. Korolchenko]. Moscow, Khimiia Publ., 1990, 496 p.