CC BY
15УДК 614.839
DOI 10.25257/FE.2018.3.15-20
ВОРОБЬЁВ Владимир Викторович
Кандидат технических наук, доцент Академия ГПС МЧС России, Москва, Россия E-mail: pbtpagps@yandex.ru
ИБАТУЛИН Равшан Камалович Академия ГПС МЧС России, Москва, Россия E-mail: irk.agps@mail.ru
ИГНАТЦЕВ Артём Сергеевич
Академия ГПС МЧС России, Москва, Россия E-mail: ignatcev@outlook.com
ВАЛИДАЦИЯ МОДЕЛЕЙ ПРОГРАММНОГО ПАКЕТА ANSYS FLUENT ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ПОЖАРА ПРОЛИВА НЕФТЕПРОДУКТОВ
В данной статье представлены результаты сравнения экспериментального исследования и численного моделирования горения бензина в противне в целях определения возможности применения методов вычислительной гидродинамики для прогнозирования плотности лучистого теплового потока пожара пролива нефтепродуктов при разгерметизации котла железнодорожной цистерны на сливоналивной эстакаде. Указанная плотность теплового потока может быть использована при проектировании водоплёночных защитных экранов, устанавливаемых на пожарных вышках железнодорожных сливоналивных эстакад и предназначенных для защиты ствольщика от теплового излучения пожара.
Ключевые слова: экспериментальное исследование, численное моделирование, пожар пролива, плотность лучистого теплового потока, железнодорожная сливоналивная эстакада, железнодорожная цистерна.
Одним из наиболее востребованных способов транспортировки нефтепродуктов к местам хранения, распределения и потребления является их перевозка железнодорожным транспортом [1]. Процессы заполнения и опорожнения железнодорожных цистерн (ЖДЦ) осуществляются на сливоналивных эстакадах (СНЭ) - наиболее пожароопасных участках процесса транспортировки, на которых существует опасность возникновения пожаров пролива нефтепродуктов.
Учитывая сложность технологического процесса и конфигурацию оборудования, пожары на СНЭ могут привести к значительному материальному ущербу, а также существует дополнительная опасность, связанная с распространением пожара на соседние ЖДЦ, в результате чего может возникнуть угроза полного уничтожения технологического комплекса. В связи с этим ликвидация подобного рода пожаров является одной из наиболее сложных и опасных задач для подразделений пожарной охраны.
Ниже приводятся примеры пожаров, произошедших при осуществлении технологических операций с ЖДЦ для перевозки нефти и нефтепродуктов.
15 февраля 2018 года на промывочно-пропа-рочной станции железной дороги на улице «3-й Нефтяной проезд» в посёлке Увек (Саратовская область) загорелась ЖДЦ с нефтью (рис. 1) [2]. В результате нарушения технологического регламента часть нефти вылилась на землю, после чего произошло её возгорание:
- площадь пожара составила 100 м2;
- в ликвидации пожара принимали участие 17 человек и 4 единицы техники;
- пострадавших не было.
28 мая 2012 года в Нижнем Новгороде на станции «Горький-Сортировочный» (рис. 2) при спуске ЖДЦ с бензином с сортировочной горки произошла её разгерметизация с последующим возгоранием [3]:
- общая площадь пожара составила 500 м2;
- огнём уничтожены 4 ЖДЦ, повреждения получили 1 ЖДЦ, 2 платформы, 6 полувагонов и 1 вагон;
- в ликвидации пожара принимали участие 220 человек и 57 единиц техники.
Кроме того, в результате теплового воздействия повреждена обшивка административного здания, расположенного в 100 м от очага пожара - оплавился сайдинг на площади 9 м2.
Рисунок 1. Пожар на промывочно-пропарочной станции железной дороги (посёлок Увек, Саратовская область)
© Воробьёв В. В., Ибатулин Р. К., Игнатцев А. С., 2018
15
Рисунок 2. Пожар на железнодорожной станции «Горький-Сортировочный» (Нижний Новгород)
5 июля 2000 года в Омске на территории УПТК ОАО «Омскнефтепроводстрой» (рис. 3) при сливе бензина из ЖДЦ произошло её возгорание [4]. Поблизости находился товарный поезд, состоящий из 9 ЖДЦ с газовым конденсатом. В ходе тушения пожара было отбуксировано 6 ЖДЦ, что уменьшило вероятность дальнейшего распространения пожара. Пожарными расчётами принимались меры, направленные на охлаждение ЖДЦ в целях предупреждения их взрыва и распространения огня, однако в результате теплового воздействия произошел взрыв одной из ЖДЦ с образованием огненного шара:
- погибли 5 человек, 85 человек получили травмы различной степени тяжести;
- в ликвидации пожара принимали участие 200 человек и 50 единиц техники, в том числе пожарный поезд.
Вышеописанные случаи подтверждают, что пожары ЖДЦ продолжают происходить, а их последствия могут носить катастрофический характер.
Одной из основных задач пожарных подразделений является предотвращение взрыва ЖДЦ с образованием огненного шара. Требования ВУП СНЭ-87 «Ведомственные указания по проектированию же-
Рисунок 3. Пожар на территории УПТК ОАО «Омскнефтепроводстрой» (Омск):
а - образование огненного шара при взрыве ЖДЦ; б - последствия взрыва ЖДЦ
лезнодорожных сливо-наливных эстакад легковоспламеняющихся и горючих жидкостей и сжиженных углеводородных газов» для орошения ЖДЦ регламентируют применение стационарных лафетных стволов, как правило, устанавливаемых на пожарных вышках (рис. 4) [5].
В соответствии с СП 155.13130.2014 «Склады нефти и нефтепродуктов. Требования пожарной безопасности» стационарные лафетные стволы следует устанавливать на расстоянии не менее 15 м от железнодорожных путей СНЭ и рекомендуется оборудовать водоплёночными защитными экранами, обеспечивающими снижение плотности падающего лучистого теплового потока (далее - плотность теплового потока) пламени при пожаре на ствольщика в специальной защитной одежде пожарного до допустимых значений (не более 5 кВт/м2). Однако требований к конструктивному исполнению этих экранов и их гидравлическим параметрам в нормативных документах не приводится. Таким образом, для обоснования параметров водоплёночных защитных экранов необходимо определить плотность теплового потока на расстоянии 15 м от железнодорожных путей СНЭ при пожаре пролива нефтепродукта.
Проведение натурных экспериментов для достижения поставленной цели связано с большими трудностями и высокой опасностью для жизни и здоровья их участников. Способы, применяемые в существующих на сегодняшний день методиках по определению параметров процессов горения нефтепродуктов, не позволяют получить достоверные результаты, так как реализованы на основании эмпирических и полуэмпирических методов и не учитывают влияние ЖДЦ, находящихся над очагом пожара, на структуру пламени. Необходимо добавить, что процессы горения, образования сажи, теплового излучения пламени и его рассеяния в атмосфере отличаются сложным взаимным влиянием, которые учесть в рамках упрощённых аналитических соотношений практически невозможно. Всё это определяет необходимость использования для решения подобного рода задач методов численного моделирования
Рисунок 4. Пожарные вышки со стационарными лафетными стволами на железнодорожной сливоналивной эстакаде в комплексе наливных грузов (порт «Усть-Луга»)
Рисунок 5. Общий вид экспериментальной установки: 1 - противень с бензином;
2 - приёмник теплового потока; 3 - видеокамера;
4 - стальной лист для крепления приёмника теплового потока
на основе пакетов вычислительной гидродинамики (CFD-пакеты, computational fluid dynamics). При таком моделировании сложная взаимосвязь тепло- и мас-сообменных процессов, сопровождающих развитие пожара, учитывается посредством совместного решения дифференциальных уравнений переноса массы, импульса, энергии и турбулентных характеристик [6].
Для моделирования пожара пролива и прогнозирования плотности теплового потока на расстоянии 15 м от железнодорожных путей СНЭ было принято решение использовать один из наиболее мощных пакетов вычислительной гидродинамики ANSYS Fluent, который содержит широкий набор верифицированных моделей, обеспечивающих быстрое получение точных результатов для широкого круга задач [13].
В целях проведения валидации выбранных моделей, параметров расчётной сетки и временного шага предварительно были проведены экспериментальные исследования горения бензина в противне, диаметр которого был принят равным 0,9 м для обеспечения турбулентного режима горения [10].
Задачей экспериментального исследования являлось выявление закономерностей процесса го-
Рисунок 6. Приёмник теплового потока ПТП-2001
рения и определение плотности теплового потока отсутствии ветрового воздействия.
Для исключения влияния иных возмущений в виде порывов естественного ветра эксперимент проводился в закрытом помещении размерами 12x24 м и высотой 6 м. Общий вид экспериментальной установки представлен на рисунке 5.
При проведении эксперимента для регистрации падающего лучистого теплового потока применялся прибор ПТП-2001 (рис. 6), измеряемая плотность теплового потока находилась в диапазоне от 1 до 100 кВт/м2, чувствительность приёмника -93,5 (мкВ-м2)/кВт, погрешность измерения приёмника составляла ±4,8 %.
Приёмник теплового потока располагался на расстоянии 2,1 м от центра противня и на высоте 0,93 м от уровня пола помещения.
Регистрация сигнала, передаваемого приёмником теплового потока, осуществлялась с помощью цифрового мультиметра UT60A, диапазон измерения напряжения - от 400 мВ до 1000 В, погрешность измерения составляла ±0,8 %. Мультиметр был подключён к персональному компьютеру через интерфейс RS-232C и провод USB. Мониторинг и запись данных осуществлялись в программном обеспечении UT60A Interface Program. Видеозапись эксперимента производилась на экшн-камеру SJCAM M10 Cube Mini, формат записи - 720р, частота кадров при съёмке видео - 60 кадров/с.
Среднее значение измеренной плотности теплового потока составило 6,4 кВт/м2. Характерный контур пламени, образующийся при горении бензина в противне, полученный в ходе эксперимента, представлен на рисунке 7.
При моделировании проведённого эксперимента в программном пакете ANSYS Fluent были выбраны:
- модель турбулентности LES (Large Eddy Simulation) с подсеточной моделью Smagorinsky-Lilly,
- модель горения Eddy Dissipation,
- модель излучения Discrete Ordinates,
Рисунок 7. Характерный контур пламени при горении бензина в противне
3е+003 (mm)
JL
1,5e+003
б
Рисунок 8. Геометрическая модель расчётной области: 1 - очаг горения; 2 - точки, в которых производилось измерение плотности теплового потока
0
а
- модель образования сажи Moss-Brookes [7-9],
- модель окисления Lee [13] - данная модель показала хорошую сходимость с результатами проведённых ранее экспериментов [14].
На рисунке 8, а приведена геометрическая модель расчётной области, которая представляет собой параллелепипед со сторонами 4,2 м и высотой 6 м. Четыре одинаковые вертикальные полосы используются для поддержания осевой симметрии потока и для усреднения падающих лучистых тепловых потоков от пульсирующего пламени (см. рис. 8, а).
На входе в расчётную область (выделена красным цветом на рис. 8, б) задавался гомогенный поток паров бензина с осредненной температурой
кипения и удельным расходом, равным удельной массовой скорости выгорания [12].
Для дискретизации расчетной области была построена гексаэдрическая сетка, состоящая из 3 835 200 элементов с максимальным размером 40 мм. Задача решалась в нестационарной постановке с временным шагом 10-3 с, время моделирования горения составляло 9 с.
Сравнение контуров мгновенных разрешённых температур, полученных в результате численного моделирования и экспериментального исследования, представлено на рисунке 9.
Полученные в результате численного модели -рования контуры мгновенных разрешенных температур, частота и масштаб турбулентных пульсаций,
contour
Static Temperature
п
U
[ k ]
1.70e+03 1.63e+03 1.56e+03 1.49e+03 1.42e+03 1.35e+03 1.28e+03 1.21e+03 1.14e+03 1.07e+03 1.00e+03 9.30e+02 8.60e+02 7.90e+02 7.20e+02 6.50e+02 5.79e+02 5.09e+02 4.39e+02 3.69e+02 2.99e+02
Рисунок 9. Типичные контуры мгновенных разрешённых температур, полученных в результате численного моделирования и экспериментального исследования
образующихся при горении вихрей, удовлетворительно согласуются с экспериментальными данными.
Регистрация плотности теплового потока при численном моделировании производилась в четырёх точках, расположенных на вертикальных полосах (см. рис. 8, б). Высота размещения указанных точек измерения принималась равной высоте крепления приёмника теплового потока при проведении экспериментального исследования. Учитывая асимметричность турбулентных пульсаций пламени, было произведено осреднение плотности теплового потока в точках измерения на каждом временном шаге.
Анализ данных, представленных на рисунке 10, показал, что среднее расхождение значений плотности теплового потока, полученных в результате численного моделирования и экспериментального исследования, не превышает 10 %.
Удовлетворительная сходимость результатов численного моделирования и экспериментального исследования позволяет судить об успешной вали-дации выбранных моделей. Таким образом, дальнейшее исследование должно быть направлено на численное моделирование пожара пролива на СНЭ
Рисунок 10. График зависимости теплового потока от времени моделирования:
--численное моделирование;
--экспериментальное исследование
в целях определения плотности теплового потока и обоснования требований к конструктивному исполнению водоплёночных защитных экранов и их гидравлическим параметрам.
ЛИТЕРАТУРА
1. Российский статистический ежегодник. Статистический сборник / Государственный комитет Российской Федерации по статистике (Госкомстат России) / под общ. ред. В. Л. Соколина, А. Е. Суринова. М.: Государственный комитет Российской Федерации по статистике, 2017. 686 с.
2. В посёлке Увек под Саратовом полыхало «чёрное золото» [Электронный ресурс] // Новости Саратова [сайт]. Режим доступа: http://novosti-saratova.ru/v-poselke-uvek-pod-saratovom-polyihalo-chernoe-zoloto.html (дата обращения 22.06.2018).
3. Пожар на Сортировке произошёл из-за повреждённой во время спуска цистерны [Электронный ресурс] // Время: новости Нижнего Новгорода и Нижегородской области [сайт]. Режим доступа: http: //www.vremyan.ru/news/pozhar_na_sortirovke_proizoshel_ iz-za_povrezhdennoj_vo_vremja_spuska_cisterny.html (дата обращения 22.06.2018).
4. Мунаев Тлеген Жумабаевич (Книга памяти Омской области) [Электронный ресурс] // Fireman.club: Клуб пожарных и спасателей [сайт]. Режим доступа: https://fireman.club/kniga-pamyaty/ munaev-tlegen-zhumabaevich/ (дата обращения 22.06.2018).
5. Реализованные проекты [Электронный ресурс] // Парк-нефть [сайт]. Режим доступа: http://www.parkneft.ru/projects/ completed.php (дата обращения 22.06.2018).
6. Патанкар С. В. Численные методы решения задач теплообмена и динамики жидкости / пер. с англ. под ред. В. Д. Виленс-кого. М.: Энергоатомиздат, 1984. 152 с.
7. ANSYS FLUENT Solver Theory Guide. Release 14.0. Pennsylvania, Canonsburg, 2011. 418 p.
8. ANSYS FLUENT Tutorials. Release 14.0. Pennsylvania, Canonsburg, 2011. 696 p.
9. ANSYS FLUENT Solver Modeling Guide. Release 14.0. Pennsylvania, Canonsburg, 2011. 594 p.
10. Блинов В. И., Худяков Г. Н. Диффузионное горение жидкостей. М.: Академия наук СССР, 1961. 208 с.
11. Recourse library [Электронный ресурс] // ANSYS, Inc. [сайт]. Режим доступа: http://www.ansys.com/ (дата обращения 22.06.2018).
12. Методика определения расчётных величин пожарного риска на производственных объектах [Электронный ресурс] // МЧС России [сайт]. Режим доступа: www.mchs.gov.ru/upload/site1/ fz_404.doc (дата обращения 22.06.2018).
13. Lee K. B., Thring M. W, Beer J. M. On the Rate of Combustion of Soot in a Laminar Soot Flame. Combustion and Flame. 1962. Vol. 6, no. 8, P. 437-443.
14. Snegirev A, Kokovina E, Tsoy A, Harris J., Wu. T. The effect of soot modeling on thermal radiation in buoyant turbulent diffusion flames [Электронный ресурс]. Journal of Physics: Conference Series. 2016. Vol. 745, Technical sessions. Режим доступа: http://iopscience.iop.org/article/10.1088/1742-6596/745/3/ 032028/pdf (дата обращения 22.06.2018). DOI: 10.1088/17426596/745/3/032028
Материал поступил в редакцию 29 июня 2018 года.
Vladimir VOROBYEV
Doctor of Philosophy in Engineering Sciences, Associate Professor State Fire Academy of EMERCOM of Russia, Moscow, Russia E-mail: pbtpagps@yandex.ru
Ravshan IBATULIN
State Fire Academy of EMERCOM of Russia, Moscow, Russia E-mail: irk.agps@mail.ru
Artem IGNATTSEV
State Fire Academy of EMERCOM of Russia, Moscow, Russia E-mail: ignatcev@outlook.com
VALIDATION OF ANSYS FLUENT SOFTWARE PACKAGE MODELS TO DETERMINE THE PARAMETERS OF PETROLEUM PRODUCTS SPILL FIRES
ABSTRACT
Purpose. The article presents the results of comparing experimental research and numerical simulation of gasoline combustion in a baking sheet in order to determine the possibility of using computational fluid dynamics methods to predict radiant heat flow density in an oil spill fire during the depressurization of the boiler of a railway tank on a drain-filling overpass.
Methods. The data were obtained on the basis of experimental research and numerical simulation of gasoline combustion in a pan with a diameter of 0.9 m to provide a turbulent combustion mode.
Findings. The selection of ANSYS Fluent software package models to determine the parameters of the oil spill fire was carried out.
Research application field. The obtained results can be used for numerical simulation of an oil products spill fire on railway loading and unloading racks in order
to determine the density of an incident radiant heat flow to justify the requirements for the design of water-film protective screens and their hydraulic parameters.
Conclusions. For the numerical simulation of an oil spill fire in the ANSYS Fluent software package it is proposed to use the LES turbulence (Large Eddy Simulation) model with the Smagorinsky-Lilly subgrid model, the Eddy Dissipation combustion model, the Discrete Ordinates radiation model and the Moss-Brookes soot formation model with the Lee oxidation model. The satisfactory convergence of the results of modeling and experimental research allows us to estimate successful validation of the selected models.
Key words: experimental study, numerical simulation, spill fire, radiant heat flux density, railway discharge-loading overpass, railway tank.
REFERENCES
1. Rossiyskiy statisticheskiy ezhegodnik. Statisticheskiy sbornik, Gosudarstvennyy komitet Rossiyskoy Federatsii po statistike [Russian Statistical Yearbook. Statistical compilation, State Committee for Statistics. Ed. by V.L. Sokolin, A.E. Surinov]. Moscow, State Committee for Statistics Publ., 2017. 686 p.
2. In Uvek's settlement under Saratov "black gold" blazed, Saratov's news. Available at: http://novosti-saratova.ru/v-poselke-uvek-pod-saratovom-polyihalo-chernoe-zoloto.html (accessed June 22, 2018). (in Russ.).
3. The fire at the railway station "Sortirovkd' occurred due to the damaged during the descent of the tank, Time: Nizhny Novgorod and Nizhny Novgorod region's news. Available at: http://www.vremyan.ru/ news/pozhar_na_sortirovke_proizoshel_iz-za_povrezhdennoj_vo_ vremja_spuska_cisterny.html (accessed June 22, 2018). (in Russ.).
4. Munaev Tlegen Zhumabaevich, Memory book of the Omsk region, Fireman.club - Fire and rescue club. Available at: https:// fireman.club/kniga-pamyaty/munaev-tlegen-zhumabaevich/ (accessed June 22, 2018). (in Russ.).
5. Completed projects, Parkneft. Available at: http:// www.parkneft.ru/projects/completed.php (accessed June 22, 2018). (in Russ.).
6. 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. Vilensky. Moscow, Energoatomizdat Publ., 1984. 152 p.].
7. ANSYS FLUENT Solver Theory Guide, Release 14.0. Pennsylvania, Canonsburg, 2011. 418 p.
8. ANSYS FLUENT Tutorials, Release 14.0. Pennsylvania, Canonsburg, 2011. 696 p.
9. ANSYS FLUENT Solver Modeling Guide, Release 14.0. Pennsylvania, Canonsburg, 2011. 594 p.
10. Blinov V.I., Khudyakov G.N. Diffuzionnoe gorenie zhidkostey [Diffusion combustion of liquids]. Moscow, Academy of Sciences of the USSR Publ., 1961. 208 p.
11. Recourse library, ANSYS, Inc. Available at: http://www.ansys.com/ (accessed June 22, 2018).
12. Method of determining the calculated values of fire risk at production facilities, EMERCOM of Russia. Available at: www.mchs.gov.ru/upload/site1/fz_404.doc (accessed June 22, 2018). (in Russ.)
13. Lee K.B., Thring M.W., Beer J.M. On the Rate of Combustion of Soot in a Laminar Soot Flame. Combustion and Flame. 1962, vol. 6, no. 8, pp. 437-443.
14. Snegirev A., Kokovina E., Tsoy A., Harris J., Wu. T. The effect of soot modeling on thermal radiation in buoyant turbulent diffusion flames. Journal of Physics: Conference Series, 2016, vol. 745, technical sessions, available at: http://iopscience.iop.org/ article/10.1088/1742-6596/745/3/032028/pdf (accessed June 22, 2018). DOI: 10.1088/1742-6596/745/3/032028
20
© Vorobyev V., Ibatulin R., Ignattsev A., 2018
