2015-05-10
542
Лабораторная работа № 3
Цель работы – приобрести навыки применения математической модели рассеяния в атмосфере трехкомпонентной смеси газов (воздух, продукты сгорания и несгоревшее горючее), образовавшейся в результате взрыва газообразной примеси в атмосфере с учетом химического взаимодействия, для инженерного анализа последствий взрыва.
Постановка задачи:
1. Разработать схему расчета процессов взрыва газообразной двухкомпонентной смеси под внешним воздействием с учетом химического взаимодействия и распространения газовой смеси воздуха, продуктов сгорания и несгоревшего горючего (например, водорода) в атмосфере под воздействием ветра (рис. 3.1).
2. Подготовить необходимые для расчета исходные данные, граничные и начальные условия.
3. Выполнить поставленную задачу с использованием прикладной программы FIRE.
Рис. 3.1
Типовой вариант
1. Найти распределение массовой концентрации газообразного водорода и продуктов его сгорания (образовавшихся в результате взрыва водородо-воздушной смеси) через заданное время t = 0,1 с после момента выброса водорода в атмосферу.
|
|
|
2. Для всех вариантов принять: начальный объем облака газообразного водорода V1 = 1 м3; время взрыва t = 0,01 c; молярная масса водорода 
= 0,002 кг/моль; молярная масса продуктов сгорания = 0,028 кг/моль; коэффициент адиабаты продуктов сгорания к = 1,25.
3. Параметры облака выброса в начальный момент времени, размеры расчетной области взять из лабораторной работы № 2. На входе в расчетную область и выходе из нее принять нормальные атмосферные условия, скорость ветра C1 = 0,1 м/c.
4. Остальные параметры расчета оставить равными по умолчанию.
Реализация типового варианта
1. Разработайте карту расположения исходного облака сжатого водорода у земли (рис. 1.0) с учетом того, что:
- облако задается диапазонами номеров ячеек по длине (L1…L2) и ширине области (N1…N2) в плоскости XOZ у земли;
- облако находится примерно посередине области в первом слое ячеек у земли по высоте;
- облако имеет прямоугольную форму, максимально приближенную к квадрату.
Рис. 1.0
Заданное облако имеет объем V1 = 1 м3, поэтому стороны его на карте можно взять длиной, шириной и высотой 1 м (1 ячейка). Чтобы определить количество ячеек до облака от начала координат по оси OZ, надо от общего числа ячеек L0=15 м отнять длину облака 1 м и разделить пополам (15-1)/2=7 ячеек. Аналогично количество ячеек до облака от начала координат по оси OX будет составлять (15-1)/2=7 ячеек. Соответственно, облако задается диапазонами номеров ячеек по длине L1…L2=8…8 и ширине области N1…N2=8…8. Эти данные пригодятся позже для задания исходных данных облака.
|
|
|
2. Создайте на рабочем диске компьютера папку, в которой будут файлы проекта. Скопируйте в папку выполняемый файл «Fire-3.exe».
3. Запустите на выполнение расчетную среду программы двойным щелчком левой кнопки мыши по файлу «Fire-3.exe». Открывается главное окно программы и стартовая заставка, которую можно закрыть щелчком мыши.
4. Подготовьте исходные данные для расчета (кнопка «Е») (см. также карту расположения облака п. 1).
4.1. Выберите вариант расчета «Мгновенный выброс облака» и внесите информацию об авторе расчета на диалоговой панели «Сценарий расчета» (рис. 3.2). Нажмите на кнопку «OK» для подтверждения данных и закрытия панели.
Рис. 3.2
4.2. Задайте название расчета и геометрические параметры расчетной области (вкладка «Область» панели «Страница свойств»).
4.3. Введите параметры потока на входе и выходе из расчетной области (вкладка «Воздух» панели «Страница свойств»).
4.4. Задайте начальные параметры примеси (вкладка «Примесь» панели «Страница свойств») (рис. 3.3) и контрольную ячейку по ширине для дальнейшего вывода графика максимальных избыточных давлений.
Рис. 3.3
4.5. Определите временные параметры расчета (вкладка «Установление» панели «Страница свойств»).
4.6. Задайте условия протекания на границах расчетной области и наличие в ней твердых тел (вкладка «Границы» панели «Страница свойств»).
4.7. Задайте молекулярный состав горючего, нижний и верхний концентрационные пределы воспламеняемости горючей смеси, нижнюю теплоту сгорания горючего, молекулярную массу и коэффициент адиабаты продуктов сгорания и время возникновения взрыва (вкладка «Взрыв» панели «Страница свойств») (рис. 3.4).
Рис. 3.4
4.8. Задайте данные, определяющие начальные расположение и размер облака газообразного горючего: диапазоны номеров ячеек (L, M, N) вдоль соответствующих осей (Z, Y, X), занимаемых облаком у земли (вкладка «Облако» панели «Страница свойств») (рис. 3.5). Завершите ввод данных кнопкой OK страницы свойств.
Рис. 3.5
5. Выполните расчет геометрических параметров расчетной области (кнопка «G») (рис. 2.9).
Рис. 2.9
6. Выполните инициализацию параметров потока (кнопка „I”).
7. Подготовьте к запуску расчет параметров потока методом
С.К. Годунова (кнопка «F»).
8. Выполните запуск расчета по времени процесса формирования взрывоопасного облака и его взрыва в атмосфере с учетом химического взаимодействия (кнопка «Старт» немодальной диалоговой панели «Поток»). Панель позволяет контролировать расчет по времени. В случае необходимости расчет можно прервать кнопкой «Финиш». Кроме того, кнопка «Show» позволяет повторить рисование последнего изображения в окне Вида и следить за изменением картины течения.
9. Поскольку панель «Поток» является немодальной, можно параллельно выводить на экран рисунки, визуализирущие поток (инструментальная кнопка «V»).
10. В результате появляется модальная диалоговая панель „Параметры визуализации” (рис. 3.6). Здесь можно задать тип рисунка (группа „Тип”), выводимый параметр (группа „Параметр”), плоскость (группа „Плоскость”), вдоль которой выводится рисунок, и номер ячейки по оси, перпендикулярно которой эта плоскость проводится („Номер ячейки”). В группе „Экстремумы функции” можно изменить пределы значения параметра, в которых выводится рисунок.
Рис. 3.6
11. В окне программы будет выведено начальное распределение массовой концентрации примеси. Видно, что облако располагается примерно посередине расчетной области у земли. Максимальная массовая концентрация примеси составляет 11,1% (стехиометрическая смесь), а масса примеси равна приблизительно 0,054 кг, причем вся эта примесь будет участвовать во взрыве. Смесь занимает 1 м3 из общего объема 2250 м3 расчетной области.
|
|
|
12. В момент взрыва расчет приостановится (со звуковым сигналом и выводом слова «Пауза» в окне). Выведите массовую концентрацию продуктов сгорания.
13. Выведите давление смеси при взрыве.
14. Выведите температуру смеси при взрыве.
15. Для завершения расчета нажмите на инструментальную кнопку паузы 
или команду меню «Пауза».
16. После завершения расчета удалите панель „Поток” (кнопка „Финиш”) и выведите распределение массовой концентрации продуктов сгорания в плоскости, перпендикулярной поверхности земли (YOZ) посередине расчетной области (ячейка 8 по ширине) (рис. 3.7).
Рис. 3.7
17. Проанализируйте результаты расчета (текстовый файл „finish_M.out”, сечение M = 1). Определите максимальное избыточное давление 
в эпицентре взрыва (команда меню «Visual | DPmax»).
18. В результате будет выведено распределение максимального избыточного давления у земли вдоль расчетной области вдоль линии, проходящей через заданную в исходных данных контрольную ячейку (N=8). В рассматриваемом случае 
(рис. 3.8).
Рис. 3.8
19. Оформите отчет о проделанной работе.
Варианты исходных данных
| Номер варианта | t, c | Lz, м | Lx, м | Ly, м | C1, м/с | T1, К |
| 0,10 | 0,11 | |||||
| 0,13 | 0,15 | |||||
| 0,12 | 0,13 | |||||
| 0,14 | 0,17 | |||||
| 0,15 | 0,20 | |||||
| 0,10 | 0,18 | |||||
| 0,13 | 0,30 | |||||
| 0,12 | 0,10 | |||||
| 0,14 | 0,15 | |||||
| 0,15 | 0,13 | |||||
| 0,10 | 0,17 | |||||
| 0,13 | 0,20 | |||||
| 0,12 | 0,18 | |||||
| 0,14 | 0,30 | |||||
| 0,15 | 0,10 | |||||
| 0,10 | 0,15 | |||||
| 0,13 | 0,13 | |||||
| 0,12 | 0,17 | |||||
| 0,14 | 0,20 | |||||
| 0,15 | 0,10 | |||||
| 0,10 | 0,15 | |||||
| 0,13 | 0,13 | |||||
| 0,12 | 0,17 | |||||
| 0,14 | 0,20 | |||||
| 0,15 | 0,18 |
УДК 533.27:519.63
