CC BY
47
_Успехи в химии и химической технологии. ТОМ XXIX. 2015. № 4_
УДК 681.3.01
А. Ю. Захарова*, Т. В. Савицкая
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, д. 20 * e-mail: [email protected]
ВЕРИФИКАЦИЯ МОДЕЛЕЙ РАССЕИВАНИЯ ГАЗА В ПРОГРАММНЫХ КОМПЛЕКСАХ ТОКСИ+RISK И FLACS
Аннотация
Проведена верификация моделей рассеивания газа в программных комплексах ТОКСИ+Risk и FLACS. Рассмотрены основные преимущества, допущения и области применения данных программ.
Ключевые слова: авария, выброс опасного вещества, рассеивание газообразных веществ, моделирование
Выбросы токсичных и взрывоопасных веществ являются одними из самых опасных сценариев развития аварий, в которых из-за достижения больших размеров зон поражения возможно большое число пострадавших. Для снижения негативных последствий распространения токсичных и взрывоопасных выбросов необходимо уметь правильно оценивать количественные показатели развития ситуации и принимать адекватные меры защиты. Это возможно с помощью моделирования распространения опасных веществ в окружающей среде с использованием комплексов программ.
Модели рассеивания газов представляют собой достаточно сложные соотношения, поэтому должны подвергаться тщательной проверке и верификации. Основным методом верификации таких моделей является сравнение модели с полевыми экспериментами. Однако масштабные эксперименты очень дороги и сложны в реализации, поэтому результаты, полученные в уже проведенных исследованиях и экспериментах, должны быть тщательно обработаны.
В начале 80-х годов проводились масштабные испытания по исследованию дисперсии газов в атмосфере. Одним из таких экспериментов является серия испытаний BURRO по исследованию дисперсии сжиженного природного газа (СПГ), которая проводилась в 1980 году на базе Центра Военно-морской техники США, China Lake, штат Калифорния [1]. Этот проект включает в себя восемь проливов СПГ и один - жидкого азота на поверхность озера, каждый объёмом примерно по 40 м3.
С целью верификации моделей рассеивания в работе было проведено моделирование испытаний с крайними (максимальным и минимальным в данном эксперименте) показателями скорости ветра, подобранных в соответствии со спецификой программы, а также проведены дополнительные расчеты взрывоопасных масс, ручной расчет, анализ полученных результатов и сопоставление их с экспериментальными данными.
Моделирование проводилось в программных комплексах:
- ТОКСИ+Risk версии 4.3.3, ЗАО «НТЦ ПБ»
верификация,
[2]
- FLACS версии 10.3, компания GexCon AS (Норвегия) [3],
предоставленных РХТУ им. Д.И. Менделеева для использования в учебном процессе.
Основой для исследования являлись данные об испытаниях, включающие полную информацию о проведенном эксперименте: устройство выброса СПГ, объемы и скорости выброса, расположение датчиков, данные о метеоусловиях, а также подробную информацию о результатах испытаний. Тщательная обработка эксперимента позволила частично повторить проведенные испытания в программных комплексах.
В качестве исходных данных для моделирования эксперимента в программном комплексе ТОКСИ+Risk из серии были выделены испытания № 3, 4 и 8. Испытание BURRO 8 было выбрано, так как при его проведении наблюдалась минимальная скорость ветра (1,8 м/с), по сравнению со всей серией экспериментов, и класс устойчивости равен E (инверсия), что максимально близко к «естественному» рассеянию. Испытания № 3 и № 4 были выбраны, так как концентрация сжиженного метана, разливаемого на поверхность озера, была близка к 100% (92,5% и 93,8% соотв.), что позволило при программном расчете максимально близко получить реальные условия испытаний.
Моделирование испытаний заключалось в получении полей концентраций СПГ в различные моменты времени (Методика «ТОКСИ-3» [4]) и сравнении этих результатов с данными, полученными в результате полевого эксперимента. Также для испытаний были проведены расчеты взрывоопасной массы вещества в различные моменты времени и определены максимумы этих значений.
В BURRO 3 наблюдается два пика значений - в 23 секунды после выброса и в 258 секунд после выброса - 587 и 555 кг взрывоопасной массы, соответственно. В испытании BURRO 4 скорость ветра была равной 9.0 м/с, поэтому максимум взрывоопасной массы был меньше - 491 кг и наблюдался в момент времени - 13 секунд. Класс устойчивости в испытании BURRO 8 -инверсия со скоростью ветра 1,8 м/с, поэтому
Успехи в химии и химической технологии. ТОМ XXIX. 2015. № 4
максимум взрывоопасной массы достаточно велик -942 кг и достигается в момент времени 55 секунд.
В качестве сравниваемой величины для испытаний была взята длина Монина-Обухова, которая, в целом, подтвердила результаты эксперимента.
Для работы в программе FLACS были выбраны испытания № 3, 7 и 8, так как для этих экспериментов приведены результаты, которые можно сравнить с результатами расчета, и они наиболее близки к испытаниям, моделируемым в ТОКСИ+Risk. Также испытание BURRO 4 было заменено на BURRO 7, потому что скорости ветра в обоих случаях велики (9,0 м/с и 8,8 м/с соответственно), но в последнем класс устойчивости - C/D, что позволило при моделировании задать исходные данные наиболее близко к реальным.
Перед заданием сценариев каждого эксперимента была создана общая геометрия местности, с заданием площади, в пределах которой будет рассматриваться рассеивание, озера - поверхности, на которую разливается СПГ, высоты его берега и двух зданий, расположенных с наветренной стороны от точки пролива.
В сценарии каждого испытания указывалось расположение датчиков. Для всех экспериментов на дугах 57 м, 140 м, 400 м и 800 м от места пролива (строго по координатам Х и У из имеющегося источника о полевом эксперименте) было установлено 45 датчиков на различной высоте от поверхности земли. Координата Z варьировалась от 30 см до 8 м в зависимости от расстояния до источника пролива. Также для датчиков задавались
измеряемые параметры: FUEL (массовая доля вещества), FMOLE (объемная доля вещества), RHO (плотность воздуха).
Для каждого сценария задавались необходимые параметры расчетной сетки и объема, в котором будет проводиться измерение параметров газообразных веществ.
Расчет велся по ряду моделей: модели разлива (в оригинальных источниках - Pool Model) и дисперсионной модели (в оригинальных источниках - Dispersion Model). Модель разлива представлена дифференциальными уравнениями и включает в себя основные уравнения и выражения, описывающие процессы трения и тепло- и массообмена для распространения пролива. Она может использоваться для моделирования распространения пролива с препятствиями и без в адиабатических условиях, для испарения пролива жидкого метана на твердую поверхность и распространения СПГ на поверхности воды. Диффузионная модель учитывает скорость и направление ветра, температуру окружающей среды, параметры турбулентности, шероховатость поверхности и класс устойчивости.
Сравниваемой величиной в этом случае было максимальное значение объемной доли паров СПГ на высоте 1 м от поверхности земли на расстояниях 57 м, 140 м, 400 м и 800 м от места пролива.
В целом, результаты, полученные с помощью эксперимента и рассчитанные в программе FLACS близки по значениям (таблица 1), что подтверждает правильность использования модели разлива, заложенной в программном комплексе, для моделирования аналогичных аварий.
Таблица 1. Значения максимумов объемной доли (экспериментальное/расчетное) на высоте 1м
57м 140м 400м 800м
BURRO 3 0,283/0,28 0,09/0,11 0,008/0,028 0,004/0,0095
BURRO 7 0,175/0,17 0,071/0,095 0,039/0,031 0,0055/0,0086
BURRO 8 0,56/0,23 0,15/0,10 0,043/0,037 0,021/0,016
В экспериментах BURRO 3 и BURRO 7 на расчета. Нарушающее тенденцию, значение
расстояниях 57 м и 140 м наблюдается наибольшая сходимость результатов, так как датчики здесь расположены в области с наименьшими ячейками расчетной сетки, что обеспечивает высокую точность
FWOLZ 3D [ГПД1ГП31
объемной доли вещества в BURRO 8 на расстоянии 57 м (0,23) может быть связано с неравномерностью порывов ветра при проведении эксперимента.
(mJíriO)
I
H 4
Рис. 1. Концентрационные поля паров СПГ в момент времени 160 с после начала пролива на высоте 64 см от поверхности земли (BURRO 8)
Успехи в химии и химической технологии. ТОМ XXIX. 2015. № 4
Следует отметить тот факт, что при 2Б и 3Б визуализации результатов расчета, отчетливо видно влияние расположенных зданий, так как газ является тяжелым (рис. 1).
Срез концентрационного облака иллюстрирует застойные процессы вблизи здания. Также отчетливо видно распространение вещества как по направлению ветра, так и против, вследствие действия гравитационных сил.
В процессе работы были выявлены преимущества и недостатки каждого программного комплекса.
Так в ТОКСИ+Кл8к существует возможность получить картину всего жизненного цикла
Также в ТОКСИ+Ш8к есть возможность задания всех классов устойчивости без влияния на ход вычислений.
Преимуществами РЬЛСБ является учет рельефа поверхности и взаимного расположения различных объектов, особенностей испарения вещества с поверхности воды, визуализация результатов с помощью 2Б и 3Б анимации.
распространения облака опасного вещества, что в силу высокой точности и длительности расчета затруднительно сделать во FLACS.
Данные по длительностям расчета приведены в таблице 2. Большие различия между продолжительностями расчета в программе FLACS сценариев BURRO 3, BURRO 8 и BURRO 7 обусловлено значительной разницей в площади поверхности земли (примерно в 2 раза) и заданного объема пространства для расчета распространения газа (высота 300 м и 30 м соответственно).
Таким образом, в результате проведенных вычислительных экспериментов были подтверждены модели, используемые программными комплексами ТОКСИ+Risk и FLACS, получены дополнительные сведения о дисперсии СПГ в атмосфере при различных метеоусловиях, выявлены особенности работы с программными комплексами ТОКСИ+Risk и FLACS.
Таблица 2. Сводная таблица времен расчета в ТОКСИ+ Risk и FLACS
Время расчета FLACS Время расчета ТОКСИ+Risk
BURRO 3 3,5 дня 23 мин
BURRO 7 3 часа 15 мин
BURRO 8 4,5 дня Зб мин
Захарова Анастасия Юрьевна, студентка 5 курса факультета Информационных технологий и управления РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва.
Савицкая Татьяна Вадимовна, д.т.н., профессор кафедры Компьютерно-интегрированных систем в химической технологии РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва.
Литература
1. Серия экспериментов BURRO - Wiki Toxi. [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://wiki.toxi.ru/index.php/Серия_экспериментов_BURRO,_1980_(выброс_LNG) (Дата обращения: 21.02.2015).
2. Группа компаний Промышленная Безопасность. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.safety.ru/ (дата обращения: 04.05.2015).
3. Сайт компании GexCon As. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.gexcon.com/ (дата обращения: 04.05.2015).
4. РД-03-26-2007. Методические указания по оценке последствий аварийных выбросов опасных веществ. Серия 27. Выпуск 6/ Б. А. Красных [и др]. - М.: ГУП «Научно-технический центр по безопасности в промышленности», 2008. - 124 с.
Zakharova Anastasiya Yurievna*, Savitskaya Tatiana Vadimovna
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia. * e-mail: [email protected]
GAS DISPERSION MODELS VERIFICATION BY SOFTWARE PACKAGES TOXI+RISK AND FLACS
Abstract
The verification of gas dispersion models in software packages TOXI+Risk and FLACS has been executed. Main benefits, assumptions and fields of application of these programs have been considered.
Key words: accident, hazardous substance release, dispersion of gaseous substances, verification, simulation.
