Разрушения зданий при аварийных взрывах бытового газа (стр. 2 из 3)

Из формулы (1) в предположении, что все продукты сгорания мгновенно сбрасываются в атмосферу и при условии, что на сбросных проемах отсутствуют предохранительные конструкции, следует упрощенное соотношение для определения текущего значения давления:

(2)

где S(t) - текущее значение площади поверхности фронта пламени.

Количественное определение влияния параметров предохранительных конструкций (ПК) на уровни взрывных нагрузок проводится по различным методикам в зависимости от того, используется в качестве ПК «глухое» остекление или легкосбрасываемые конструкции (ЛСК).

Для определения f(t,P) в помещениях, оборудованных ЛСК, необходимо знать функциональную зависимость смещения ЛСК от времени - x(t). Для ее определения уравнение (1) дополняется системой из двух обыкновенных дифференциальных уравнений:

(3)

где V(t) - скорость перемещения ЛСК;

- параметр, характеризующий инерционность легкосбрасываемых конструкций; К – параметр, характеризующий место расположения ЛСК (К=1 – при расположении ЛСК на крыше здания, К=0 – при расположении ЛСК в стенах здания); g - ускорение свободного падения; m - масса единичной легкосбрасываемой конструкции.

Для подтверждения корректности описанной вычислительной схемы было проведено сравнение результатов расчета с экспериментальными данными (рис.7). Полученное удовлетворительное согласие между результатами расчета и эксперимента позволяет говорить о применимости расчетной схемы для прогнозирования взрывных нагрузок на объектах, где в качестве предохранительных конструкций используются ЛСК.

Рис.7. Сравнение экспериментальных и расчетных осциллограмм давления при взрыве пропановоздушной смеси в кубической камере (h = 305мм).

1 – открытые проемы;

2,3 – проемы закрыты пластинами, моделирующими ЛСК.

При определении динамики взрывного давления в помещении, оборудованном ПК с «глухим» остеклением, используются эмпирические зависимости f(t,P), описывающие процесс вскрытия (освобождения) оконного проема от стекла.

Опираясь на изложенный материал, рассмотрим последствия аварийных взрывов в жилых домах. Основной причиной возникновения взрывоопасной ситуации в жилых домах является утечка газа. При этом утечки газа можно подразделить на три группы: утечка через не зажженную конфорку; обрыв (частичный или полный) подводящего к стояку шланга или отрыв газовой плиты от стояка; коррозийный износ газовых коммуникаций или неплотность в системе газоснабжения.

Необходимо напомнить, что рабочее давление в газовой системе составляет около 100мм.вод.ст. При аварийной ситуации первой группы приток метана в помещение определяется расходом газа через не зажженные конфорки. Для одной конфорки расход газа составляет около qК=0.1м³/час. При неплотности в системе газоснабжения расход составляет около q=0.19м³/часS(мм²), где S – площадь неплотности в мм².

Учитывая, что для взрыва газовоздушной смеси концентрация горючей компоненты в ней должна находится между нижним и верхним концентрационными пределами (рис.1), при анализе причин и последствий аварийных взрывов в жилых домах необходимо рассмотреть вопрос формирования взрывоопасного облака. Например, метановоздушная смесь способна взрываться при объемном содержании в ней метана от 5 до 15%, т.е. пределы воспламеняемости метана составляют С5-15%.

Распределение концентрации вещества по объему и его изменение во времени описывается уравнением диффузии:

, (4)

где С - объемная концентрация вещества в смеси; D – коэффициент диффузии для различных направлений; Q=q-LвентС - объемный расход вещества; q – расход метана через аварийное отверстие; Lвент – вентиляционный расход; v – скорость воздушного потока в помещении; x, y, z - пространственные координаты; t - время; Vсм - объем смеси.

Уравнение (4) решается при нулевых начальных условиях и следующих граничных условиях: С=0 – на свободной границе;

- на жесткой границе. Скорость воздуха в помещении должна быть определена заранее, исходя из условий связи помещения с внешней средой.

Анализ уравнения (4), записанного в безразмерном виде, показывает, что характер его решения зависит от соотношения между

, где Vист - характерный размер источника вещества; L - характерный линейный размер помещения, или от безразмерного параметра

. При относительно больших расходах или малых значениях коэффициента диффузии

концентрация вещества в помещении значительно зависит от пространственной координаты, а в решении уравнения (4) присутствует явно выраженный максимум, расположенный у источника. При малых расходах вещества

концентрация вещества в помещении практически не зависит от пространственной координаты.

На рис.8 приведено распределение метана по пространству типовой кухни с минимальными габаритами – 2.4х2.1м (площадь – 5м², объем – 12.6м³).

В расчетах принят минимальный коэффициент диффузии D=0.0005м²/с. Принято, что дверь на кухню закрыта и отсутствует вентиляция Lвент=0м³/час, т.е. нет связи с внешней средой. Расход газа - q=0.4м³/час соответствует производительности четырех газовых конфорок.

Рис.8. Распределение концентрации метана С% по помещению кухни через 2 часа после начала утечки.

Вентиляция отсутствует. Дверь на кухню закрыта.

При равномерном распределении концентрации метана по пространству помещения (малых утечках газа или больших значениях коэффициента диффузии) изменение концентрации во времени описывается однозонной моделью. В однозонной модели помещение заменяется одной расчетной ячейкой, имеющей однородные свойства (температура, концентрация, плотность и т.д.) по всем координатам. При этом изменение концентрации в помещении определяется из условий связи данного помещения с другими помещениями и с атмосферой.

Исходя из этих предпосылок, можно записать уравнение изменения концентрации в помещении от времени:

, (5)

где C - объемная концентрация метана, %; q - расход метана; Lвент - вентиляционный расход; D - коэффициент диффузии; Sпр – площадь открытого проема (двери и т.д.), Lпр – характерное расстояние от источника утечки до открытого проема; V - объем помещения.

Из приведенных выше соотношений следует, что на формирование взрывоопасных облаков значительное влияние оказывает вентиляция помещения.

Рассмотрим количественное влияние вентиляции на процесс формирования газовоздушного облака в помещении.

Известно, что вентиляционный расход зависит от времени суток. Так, около 6-7 часов утра вентиляционный расход минимален. Вентиляция может в это время суток отсутствовать или быть отрицательной (например, в период межсезонья, когда центральное отопление выключено). Далее происходит увеличение вентиляционного расхода. Максимальный расход наблюдается в 18-19 часов, после чего начинает снижаться и т.д., т.е. наблюдается циклическое изменение вентиляционного расхода в течение суток. Этот процесс оказывает значительное влияние на образование взрывоопасной смеси при малых значениях аварийного притока газа в помещение.

Рассмотрим возможность формирования взрывоопасной смеси при минимальной вентиляции (исследования показывают, что минимальный вентиляционный расход в жилом помещении составляет около Lвент=5м³/час) и при равномерном распределении концентрации по пространству.

На рис.9 приведено изменение концентрации во времени для нескольких значений аварийного расхода метана в помещение кухни. Величина расхода q=0.1м³/час соответствует производительности одной конфорки типовой газовой плиты.

Рис.9. Зависимость от времени концентрации метана в помещении кухни при минимальной вентиляции и различных расходах метана. Дверь на кухне закрыта.

Расход метана: 1 - 0.02; 2 -0.04; 3 - 0.06; 4 - 0.08; 5 - 0.1м /час.

Видно, что взрывоопасная концентрации на кухне может реализоваться при одной не зажженной газовой конфорке. При этом время формирования взрывоопасного облака достаточно велико и составляет, в зависимости от времени начала утечки, от 10 до 25 часов. При аварийном расходе метана q<0.02м³/час формирование взрывоопасной смеси в жилом помещении гарантированно исключено. Во-первых, это связано с тем, что при расходе метана q<0.02м³/час распределение концентрации по помещению во всех случаях носит равномерный характер. Во-вторых, при самом минимальном вентиляционном расходе в жилом помещении столь малые утечки могут обеспечить концентрацию смеси не более 1%, что в пять раз ниже предела взрываемости.