В настоящее время в промышленности достаточно широко применяются высокоэнергетические установки (ВЭУ), использующие энергию взрывчатых веществ, твердых и жидких топлив. В частности они нашли применение в различных отраслях горнодобывающей, металлообрабатывающей, авиационной и строительной промышленности. По мере усложнение технических систем и гуманизации общества проблемы безопасности человека при взаимодействии со сложными техническими системами постоянно актуализируются. Особенно это очевидно для энергетически насыщенных систем, использующих энергию сверхзвуковых струй и ударных волн, функционирование которых характерно наличием широкой номенклатуры опасных и вредных факторов. Уникальность формирования указанных факторов требует разработки специальных методик их идентификации, что в совокупности может быть решено в рамках диссертационной работы по выбранной тематике.
В данной работе представлены постановка и решение важной научно-технической задачи, связанной с определением опасных факторов и зон, возникающих при работе высокоэнергетических установок — источников высокоскоростных газовых струй и ударных волн.
В связи с этим актуальным и необходимым становится разработка средств и методов прогнозирования и снижения опасных и вредных факторов, возникающих при работе ВЭУ. Обобщенный спектр опасных и вредных факторов, возникающих при работе ВЭУ, представлен на рис. 1.
ОПАСНЫЕ И ВРЕДНЫЕ ФАКТОРЫ,.
ВОЗНИКАЮЩИЕ ПРИ РАБОТЕ ВЭУ.
ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ.
I¦¦¦¦'¦¦ш.
ВЫБРОСЫ ВРЕДНЫХ ВЕЩЕСТВ.
ЗАПЫЛЕННОСТЬ АТМОСФЕРЫ.
ФИЗИЧЕСКОЕ НАРУШЕНИЕ.
ЭКОСИСТЕМЫ.
ПОРАЖЕНИЕ БИОЛОГИЧЕСКИХ ОРГАНИЗМОВ.
ПОЖАР.
—.
ПРОФИСИОНАЛЬНЫЙ РИСК.
——I.
-—;
ОПАСНОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ В РЕЗУЛЬТАТЕ РАЗРУЩИИ КОНСТРУКЦИИ ВЭУ.
III.;
Г ¦
BP.
ВРЕДНОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ.
УДАРНАЯ ВОЛНА.
ПОРАЖЕНИЕ ЭЛЕМЕНТАМИ.
Ш КОНСТРУКЦИИ ВЭУ.
ЗДАНИИ (ПРИ РАБОТЕ В ПОЛУЗАМКНУТЫХ ПРОСТРАНСТВАХ) ;
-¦-——-—*—.
АКУСТИЧЕСКОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ.
-,—.
ВИБРАЦИОННОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ.
ЗАГАЗОВАННОСТЬ.
ЗАПЫЛЕННОСТЬ.
ТЕРМИЧЕСКОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ.
Рис. 1. Опасные и вредные факторы, возникающие при работе ВЭУ.
Успешность эксплуатации ВЭУ напрямую зависит не только от их технических характеристик, но и от качества работы обслуживающего их персонала. Поэтому, учитывая непосредственное участие человека в функционировании ВЭУ, в первую очередь следует рассмотреть вопросы защищенности и безопасности оператора. При этом возникает противоречие между стремлением интенсифицировать рабочие процессы и ограниченными физиологическими возможностями человека.
При выполнении операторами своих технологических функций в ряде случаев организм человека оказывается в экстремальных условиях наличия высокотемпературных, ударно-волновых, механических, шумовых, вибрационных, химических и других видов воздействий. Влияние указанных факторов существенно сказывается на состоянии здоровья и, соответственно, работоспособности оператора в момент выполнения задачи. Кроме того, при длительных воздействиях этих факторов могут возникнуть различные патологические явления, справиться с которыми сам организм не может вследствие ограниченности его адаптивных способностей.
Учитывая все перечисленные факторы, в настоящее время вопросы безопасности операторов ВЭУ становятся все более и более актуальными. Расширение экспорта технических устройств также требует улучшения их потребительских качеств с целью повышения конкурентоспособности на мировом рынке, а одним из основных потребительских качеств является безопасность ВЭУ. Кроме того, принимая во внимание участившиеся случаи чрезвычайных ситуаций, связанных с функционированием различных видов ВЭУ, также остро стоит вопрос обеспечения безопасности лиц, присутствующих на различного рода испытаниях, а, следовательно, определения границ опасной зоны при работе рассматриваемых установок.
Указанные факторы показывают, что создание и совершенствование ВЭУ требует детального изучения физических процессов, протекающих не только в их функциональных блоках, но и сопряженных областях окружающей среды. При этом необходимо учитывать особенности их эксплуатации и обеспечить безопасность оператора в различных условиях.
В связи с этим целью данной работы является повышение безопасности оператора при эксплуатации высокоэнергетических установок, использующих энергию взрывчатых веществ, твердых и жидких топлив, посредством прогнозирования методами математического моделирования комплекса взаимосвязанных процессов в их рабочем пространстве.
Можно выделить три основных варианта функционирования ВЭУ — в открытом пространстве, в полу ограниченном, пространстве и в помещении (рис.2). Все эти варианты отличаются друг от друга качественными и количественными характеристиками воздействий, поэтому при исследовании, вопросов безопасности оператора необходимо рассматривать каждый из представленных вариантов1 самостоятельно.
К основным факторам, определяющим границы зоны, в пределах которой опасно пребывание человека при работе ВЭУ относятся следующие: ударная волна (УВ), сопровождающаяся кратковременным повышением избыточного давления в определенных точках пространства при прохождении через них волнысверхзвуковая газопламенная струя, действие которой может привести к значительному росту давления и температуры, воздействующим на поверхности объектов, находящихся в газовой струеувеличение загазованности в месте работы ВЭУ. Этот фактор оказывает особое влияние при возможной работе двигателя из практически закрытых или полузакрытых помещений (продукты сгорания твердых топлив содержат значительное количество (30-ь40%) токсичной окиси углерода (СО), окислов азота (NO2) и других вредных веществ) — кинетическая энергия различных элементов конструкции, отделяющихся при работе ВЭУ, к которым относятся, в первую очередь, мембраны сопл и крышки, фрагменты герметизирующих деталей, а также поднятые истекающей струей продуктов сгорания крупные частицы грунта. Разлет таких элементов может привести к повреждению (травмированию) встретившегося на траектории его движения тела человека;
— существует вероятность травмирования оператора вследствие разрушения или повреждения зданий и сооружений в случае расположения работающих ВЭУ вблизи или внутри зданий.
ВОЗМОЖНЫЕ ВАРИАНТЫ РАБОТЫ ВЭУ.
В ОТКР ПРОСТР, ЫТОМ ЛНСТВЕ.
-—.
—.
В ПОЛУОГРАНИЧЕННЫХ ПРОСТРАНСТВАХ.
Г&trade—-¦ ' t ;
В ПОМЕЩЕНИИ.
УДАРНО.
ВОЛНОВЫЕ, АККУ-СТИЧЕСКИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ 1.
ХИМИЧЕСКИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ.
КИНЕТИЧЕСКИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ т 1.
РАЗРУШЕНИЕ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ.
БЕЗОПАСНОСТЬ ОПЕРАТОРА.
Рис. 2. Схема влияния особенностей работы ВЭУ на проявление негативных воздействий.
Как показали исследования, на все вышеперечисленные факторы существенное влияние (в сторону их интенсификации) оказывает наличие у большинства существующих современных ВЭУ разлетающихся элементов конструкций. В связи с этим актуальными становятся вопросы, связанные с исследованием влияния отлетающих с большой скоростью конструктивных элементов на количественные и качественные характеристики опасных и вредных факторов, действующих на оператора при работе ВЭУ, а также разработка мер по снижению интенсивности этих воздействий.
Одним из путей решения рассматриваемой проблемы является математическое моделирование указанных процессов и построение на его основе вычислительного эксперимента. Применение данного подхода обусловлено тремя основными причинами, дающими дополнительные возможности по сравнению с физическим экспериментом: возможностью реализации практически неограниченного числа моделируемых вариантов функционирования ВЭУнесомненной экономической предпочтительностью (сокращением времени и стоимости эксперимента) — недостижимой для натурных условий машинной визуализацией моделируемых процессов благодаря возросшим возможностям современной вычислительной техники и ее программного обеспечения.
Высокая достоверность численного анализа должна обеспечиваться за счет использования сложных математических моделей исследуемых процессов, максимально приближенных к реальным условиям. Такой выбор подразумевает правильный учёт возможностей вычислительной математики и вычислительной техники для обеспечения приемлемого компромисса между требованиями высокой точности, степени универсальности, малой трудоемкости подготовительных и вычислительных процедур. При этом для решения указанных задач требуется качественно новое содержание математических моделей протекающих процессов.
В данное время в инженерной расчетной практике в большей степени применяются двумерные модели газодинамических процессов [10,27]. Это, в первую очередь, обусловлено тем, что данный подход позволяет достаточно точно и оперативно решать конкретные задачи на компьютерах средней мощности.
В связи с развитием вычислительной техники становится возможным решение рассматриваемых газодинамических задач в трехмерной постановке с учетом осложняющих факторов, характерных для работы ВЭУ. В работах Липанова A.M. [33] приводятся варианты моделирования данных процессов, но все они рассчитаны на многопроцессорную технику и пока неприменимы в инженерной практике. В работе Могильникова Н. В. [58] реализован метод, который может быть использован при решении практических задач, но с его помощью нельзя определить распределение концентраций компонентов газовой смеси.
В диссертации Фам Куок Хунга [51] разработан метод, решающий газодинамические задачи в двухмерной постановке. В этой работе определены лишь параметры распространения ударных волн взрывчатых веществ и силового воздействия ударных волн на элементы конструкций окружающей среды.
Следует также отметить тот факт, что в приведенных исследованиях проводился анализ исключительно ударно-волновых и акустических воздействий на оператора.
Предметом исследований данной работы является математическая модель взаимосвязанных процессов газодинамики в рабочем пространстве ВЭУ с учетом химических реакций и подвижных объектов, проблемно ориентированная на прогнозирование безопасности оператора.
Очевидно, при расчете распространения газовой струи продуктов сгорания и сопутствующих ударных волн следует отдать предпочтение газодинамическим моделям.
Научная новизна данной работы заключается в комплексном исследовании газодинамических процессов в рабочем пространстве высокоэнергетических установок, с учетом ударно-волновых явлений, подвижных объектов и химических реакций, с применением современной технологии математического моделирования и вычислительного эксперимента.
На защиту выносятся следующие новые научные результаты:
— синтезированная структура математической модели, описывающей комплекс взаимосвязанных процессов, сопровождающих работу ВЭУ, ориентированная на создание системы компьютерного моделирования распространяющихся в полузамкнутых областях газовых струй, ударных волн и химических компонентов, воздействующих на оператораалгоритм численного моделирования процессов газодинамики в ограниченном рабочем*пространстве ВЭУ с учетом химических реакций и подвижных объектовтеоретическое обоснование необходимости учета взаимовлияния ударных волн, отделяющихся элементов конструкции и многокомпонентно-сти. среды в рабочем пространстве ВЭУ при прогнозировании безопасности' системы «оператор-ВЭУ—среда».
В соответствии с поставленной целью, в работе решены следующие задачи: анализ и идентификация опасных и вредных факторов, возникающих при работе высокоэнергетических установокразработка комплексной математической модели газодинамических процессов, сопутствующих работе ВЭУ, обладающей высокой информативностью, достоверностью прогнозирования, сравниваемой физическим экспериментом, и доступностью для инженераразработка алгоритма численного моделирования процессов нестационарной газодинамики в рабочем пространстве функционирования ВЭУ с учетом многокомпонентности, химических реакций и наличия подвижных объектовсоздание программно-математического обеспечения, необходимого для постановки вычислительного эксперимента по исследованию и визуализации газодинамических процессов в зоне работы ВЭУ, обеспечивающего эффективное решение проектных задач непосредственно на рабочем месте конструкторавыработка рекомендаций, направленных на повышение безопасность эксплуатации ВЭУ.
Задачи, решение которых позволило достичь поставленной цели, представлены в виде схемы структуры работы (рис. 3).
Основные гипотезы и допущения диссертации, постановки рассматриваемых задач, используемые методы вычислений обоснованы использованием широко апробированных математических методов, основанных на фундаментальных положениях механики сплошной среды и газовой динамики.
Достоверность основных научных положений и выводов обеспечивается строгой математической постановкой проводимых исследований, сравнением рассчитанных параметров с экспериментальными данными и известными решениями.
Рис. 3. Структура работы.
Полученные результаты соответствуют физической природе моделируемых процессов, вполне удовлетворительно согласуются с результатами других исследований по данной тематике и решениями тестовых задач.
Практическая значимость проведенных исследований для науки и практики в первую очередь определяется тем, что разработанный в диссертации программно-математический комплекс численного моделирования и визуализации газодинамических процессов, сопровождающих работу ВЭУ, позволяет сформулировать концепцию минимизации риска повреждения здоровья оператора, оперативно и качественно прогнозировать непосредственно на рабочем месте конструктора безопасность оператора при разработке новых конструкций или их эксплуатации в новых условиях, сократить объем экспериментальных работ и заменить некоторые натурные испытания вычислительным экспериментом, тем самым существенно сократить сроки и объем отработки проектируемых образцов ВЭУ.
Полученные результаты моделирования служат основой для проведения априорного анализа и прогнозирования вредного и опасного воздействия системы «ВЭУ — среда» на оператора, и позволяют дать конкретные рекомендации по достижению необходимого уровня безопасности в тех или иных условиях эксплуатации ВЭУ.
Работа состоит из введения, четырех разделов и заключения.
В первом разделе представленной работы рассматриваются особенности функционирования ВЭУ и роль человека-оператора при их эксплуатации. Приводится описание физических и химических процессов, протекающих при течении газ из ВЭУ. Произведена качественная оценка и классификация опасных и вредных факторов, влияющих на оператора. Проведен обзор научно-технической литературы, посвященной исследованию этих вопросоврассмотрены требования нормативной документации по вопросам безопасности. Определена концепция построения комплексной математической модели процессов, сопровождающих работу ВЭУ. Проведенный анализ позволил сформулировать цель и основные задачи исследования, определяющие общую концепцию диссертации.
Второй раздел посвящен описанию принятой математической модели газодинамических процессов, выявлению граничных условий, обусловленных введением в модель уравнений, описывающих поведение подвижных объектов и их взаимодействие с потоком газообразных продуктов сгорания твердого топлива. Показано развитие численных подходов для решения современных инженерных задач в области газодинамики на примере работ, выполненных под руководством академика О. М. Белоцерковского. Отмечены наиболее существенные моменты метода частиц в ячейках Ф. Харлоу, показаны положительные стороны этого метода и основные трудности в его использовании. Отмечены работы В. Ф. Дьяченко, Н. Н. Яненко и его учеников, С. П. Ломнева, использующие подходы, аналогичные методу частиц в ячейках. Проводится анализ развития и реализации метода крупных частиц (МКЧ). При рассмотрении численных схем отмечены работы С. К. Годунова. Дано описание модифицированного МКЧ. Представлена принятая численная модель. Разработанный метод использует схемы расщепления МКЧ, но реализуется на непрямоугольной неравномерной сетке. Применение непрямоугольной формы частиц, позволяет анализировать нестационарные дои сверхзвуковые течения в областях сложной формы, осуществлять произвольную дискретизацию пространства и более точную аппроксимацию криволинейных границ. Включение в численную схему составляющих, учитывающих многокомпонентность газовых смесей и протекание химических реакций, дает возможность определения концентраций компонентов в каждый момент времени в любой точке пространства, на основе чего происходит перерасчет этих параметров при условиях химического реагирования.
Также приведен алгоритм и методика моделирования рассматриваемых процессов, краткое описание основных этапов расчета. Показана блок-схема алгоритма расчета. Анализируется точность программного комплекса.
Третий раздел посвящен анализу результатов экспериментальных и расчетных исследований распространений избыточного давления в пространстве. Также рассматривается влияние симметричного и несимметричного расположения ВЭУ на уровень избыточного давления. Приведена сравнительная характеристика результатов численного решения с данными критериями.
Четвертый раздел посвящен исследованию распространения концентраций химических компонентов в полуограниченном пространстве и влиянию отлетающего объекта на уровень избыточного давления в зоне оператора. Приведены результаты оценки возможности разрушения зданий в полуограниченном пространстве.
В заключении приведены общие выводы по работе.
Разработанная методика расчета опасных зон при работе ВЭУ внедрена и используется на предприятиях Социалистической Республики Вьетнам, а также в качестве обучающей системы технического университета им. Ле Куй Дона (г. Ханой, СРВ).
Результаты работы докладывались на:
Всероссийской научно-практической конференции «Проектирование систем и комплексов» (г. Тула, 2005, 2006, 2007 гг.);
Всероссийской научно-технической конференции «XXI век глазами молодых ученых и специалистов» (г. Тула, 2006 г) — научных семинарах кафедры «Ракетостроение» (ТулГУ, 20 052 007 гг.).
По результатам выполненных исследований опубликовано 5 работ.
Выводы по главе.
• Установлено, что многокомпонентность среды и химические процессы оказывают значительное влияние на параметры, от которых зависит безопасность оператора.
• Получены поля концентраций компонентов газовой смеси в полуограниченном пространстве в процессе работы, по которым можно оценить значения концентраций вредных веществ с точки зрения дозового подхода и синергетического эффекта взаимодействия полей давления и концентраций, установлены зоны опасности отравления оператора ВЭУ и предельное время нахождения оператор в рабочей зоне без угрозы здоровью человека.
• Выполнена оценка возможности разрушения зданий при работе высокоэнергетических установок в полуограниченном пространстве. Показано, что оператор при запуске ВЭУ в близи (или внутри) зданий и сооружений должен выбирать место для работы таким образом, чтобы расстояние от ВЭУ до расположенной позади нее преграды составляло не менее 3−3,5 метров от кирпичных зданий, не менее 4,5−5 метров от деревянных, и не менее 2,5−3 метров от промышленных зданий и сооружений.
• Исследовано влияние отделяющихся элементов конструкции ВЭУ на параметры ударной волны, показано, что под воздействием отлетающего элемента газовый поток распространяется не по оси струи, а поворачивается на некоторый угол относительно оси, и образует опасную коническую возмущенную зону, что может приводить к возрастанию давления на 40%.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
В целом по своему теоретическому и практическому значению проведенные исследования можно квалифицировать как новое решение важной научно-технической задачи в области математического моделирования, направленное на совершенствование функционирования и эксплуатации высокоэнергетических установок при различных условиях, внедрение вычислительного эксперимента в процесс проектирования с целью нахождения эффективных методов обеспечения безопасности оператора ВЭУ.
В результате проведенных исследований:
• Проведен анализ и идентификация опасных и вредных факторов, возникающих при работе высокоэнергетических установок.
• Разработана комплексная математическая модель взаимосвязанных газодинамических процессов, сопровождающих работу ВЭУ, ориентированная на создание системы компьютерного моделирования распространяющихся в полузамкнутых областях газовых струй, ударных волн и химических компонентов, воздействующих на оператора.
• Предложен новый вариант метода численного моделирования процессов газодинамики в ограниченном рабочем пространстве ВЭУ с учетом химических реакций и подвижных объектов, проблемно ориентированный на прогнозирование безопасности оператора.
• Создан программно-математический комплекс численного моделирования и визуализации газодинамических процессов, сопровождающих работу ВЭУ, позволяющий оперативно и качественно прогнозировать непосредственно на рабочем месте конструктора безопасность оператора при разработке новых конструкций или их эксплуатации в новых условиях. Для обеспечения высокой достоверности прогнозирования использованы высокоинформативные модели, учитывающие не только основные закономерности процессов, но и характерные для ВЭУ осложняющие эти процессы факторы. Программный комплекс достаточно прост и доступен для инженеров-пользователей.
• Решен ряд научно-технических задач прогнозирования физических явлений в зоне работы ВЭУ, общая закономерность которых осложнена значительным числом возмущающих факторов: нестационарностью, многокомпонентностью, химическими реакциями в потоке, подвижными объектами, преградами. В частности:
— выявлена физическая картина течения продуктов сгорания и распространения ударных волн в рабочей зоне высокоэнергетической установкипроанализировано воздействие на оператора и окружающие элементы опасных факторов (ударных волн, химически агрессивных сред, температурных воздействий) при работе ВЭУ в закрытых и полузакрытых помещениях и установлено, что многокомпонентность среды и химические процессы оказывают значительное влияние на параметры, от которых зависит безопасность оператора;
— проведена оценка влияния высоты преграды и расстояния до неё на величину избыточного давления в зоне оператора на открытой площадке, показано, что с увеличением расстояния до преграды с 1,5 м до 3,6 м максимальное избыточное давление снижается на 11%;
— изучено влияние несимметричного расположения ВЭУ на уровень избыточного давления в зоне оператора при работе в помещении, показано, что при ориентации истекающей струи под углом к стенам максимальные пиковые нагрузки на оператора по давлению снижаются (при уголе 25° максимальные пиковые нагрузки снижаются 1,2 раза);
— получены поля концентраций компонентов газовой смеси в полуограниченном пространстве в процессе работы, по которым можно оценить влияние концентраций вредных веществ с точки зрения дозового подхода и синергети-ческого эффекта взаимодействия полей давления и концентрацийустановлены зоны опасности отравления оператора ВЭУ и предельное время нахождения оператора в рабочей зоне без угрозы здоровью человека.
— выполнена оценка возможности разрушения зданий при работе высокоэнергетических установок в полуограниченном пространстве. Показано, что оператор при запуске ВЭУ в близи (или внутри) зданий и сооружений должен выбирать место для работы таким образом, чтобы расстояние от ВЭУ до расположенной позади нее преграды составляло не менее 3−3,5 метров от кирпичных зданий, не менее 4,5−5 метров от деревянных, и не менее 2,5−3 метров от промышленных зданий и сооружений;
— исследовано влияние отделяющихся элементов конструкции высокоэнергетических установок на параметры ударной волны, показано, что под воздействием отлетающего элемента газовый поток поворачивается на некоторый угол относительно оси и образует коническую возмущенную зону. Это приводит к возрастанию давления в зоне оператора на 40%.
