Верификация модели распространения волн избыточного давления программного комплекса TOXI+CFD


Аннотация:

Описаны актуальность, постановка задачи, подходы, структура, ход разработки, основные уравнения и метод решения, а также особенности проведения расчетов российского программного комплекса TOXI+CFD, который реализует численное решение системы уравнений гидрогазодинамики (так называемые методы CFD — Computational Fluid Dynamics). В основе такого моделирования лежит подход, базирующийся на стандартных уравнениях в частных производных, выражающих законы сохранения массы, импульса и энергии. Использование CFD-методов позволит более точно моделировать образование и взрывы облаков топливно-воздушных смесей в трехмерном загроможденном пространстве. В рамках проекта разработан и реализован программный код для расчета распространения волн избыточного давления в окружающей среде. Проведена верификация полученных с помощью TOXI+CFD результатов путем сравнения с аналитическим решением задачи Сода, а также экспериментальными исследованиями ударных волн в бронекамере. Результаты измерений, полученные в экспериментах, а также с помощью TOXI+CFD, демонстрируют предельные отклонения результатов для сетки 3,4 млн ячеек — не более 9 %, а для сетки 8 млн ячеек — не более 7 %, что является показателем удовлетворительной работы модели. Из результатов также следует, что с ростом числа расчетных ячеек расчетное давление становится ближе к экспериментальным значениям на 1–2 %, что свидетельствует о сходимости решения задачи. Представлены отличительные особенности программного комплекса: наличие графического интерфейса пользователя, возможность работы под управлением операционных систем Windows и Linux, поддержка кластерных вычислений, а также основные этапы его использования. На следующей стадии работ по совершенствованию TOXI+CFD планируется добавить в программный комплекс модель турбулентности и силу тяжести, а впоследствии — модель атмосферы с учетом стратификации и модель горения.

В.А. Шаргатов, канд. физ.-мат. наук, доцент С.И. Сумской, канд. техн. наук, ст. преподаватель НИЯУ МИФИ, Москва, Россия А.С. Софьин, канд. техн. наук, зав. отделом, toxi@safety.ru ЗАО НТЦ ПБ, Москва, Россия


Подпишитесь чтобы читать статьи полностью

Год за

16 848 р.

Подписаться
Подписка - это:
  • Возможность читать полные тексты статей за последние 3 года (недоступны без подписки)
  • Свежий номер до его печатного издания
  • Удобное чтение с любого типа устройств (Компьютеры, планшеты, смартфоны)
Список литературы:
1. О промышленной безопасности опасных производственных объектов: федер. закон от 21 июля 1997 г. № 116-ФЗ (ред. от 07.03.2017). — М.: ЗАО НТЦ ПБ, 2017. — 52 с.
 2. Общие правила взрывобезопасности для взрывопожароопасных химических, нефтехимических и нефтеперерабатывающих производств: федер. нормы и правила в обл. пром. безопасности. — 3-е изд., испр. и доп. — Сер. 09. — Вып. 37. — М.: ЗАО НТЦ ПБ, 2018. — 132 с.
 3. Расчет зон разрушения зданий и сооружений при взрывах топливно-воздушных смесей на опасных производственных объектах/ К.В. Ефремов, М.В. Лисанов, А.С. Софьин и др.// Безопасность труда в промышленности. — 2011. — № 9. — C. 70–77.
 4. Количественный анализ риска при обосновании взрывоустойчивости зданий и сооружений/ Д.В. Дегтярев, М.В. Лисанов, С.И. Сумской, А.А. Швыряев// Безопасность труда в промышленности. — 2013. — № 6. — C. 82–89.
 5. Сверчков А.М., Сумской С.И. Верификация программного средства TOXI+Гидроудар для моделирования нестационарных процессов в трубопроводах// Безопасность труда в промышленности. — 2017. — № 10. — С. 5–10.
 6. Расчет параметров ударных волн при детонации горючих газообразных смесей переменного состава/ Б.Е. Гельфанд, С.А. Губин, В.Н. Михалкин, В.А. Шаргатов// Физика горения и взрыва. — 1985. — Т. 21. — № 3. — С. 92–97.
 7. Губин С.А., Шаргатов В.А. Параметры воздушных ударных волн при переходе горения в детонацию// Физика горения и взрыва. — 1989. — Т. 25. — № 5. — С. 111–115.
 8. Параметры воздушных ударных волн при разных режимах взрывного превращения горючих газовых смесей/ А.А. Борисов, Б.Е. Гельфанд, С.А. Губин и др.// Химическая физика. — 1986. — Т. 3. — № 5. — С. 435.
 9. Numerical modeling of the detonation of a submerged hydrogen-air jet/ Y.A. Gostintsev, S.A. Gubin, S.I. Sumskoi, V.A. Shargatov// Combustion, Explosion, and Shock Waves. — 1990. — Vol. 26. — № 4. — P. 473.
 10. Детонация топливно-воздушных смесей над поверхностью земли/ А.А. Борисов, Б.Е. Гельфанд, С.А. Губин и др.// Физика горения и взрыва. — 1988. — Т. 24. — № 2. — С. 124–126.
 11. Методика оценки последствий аварий на взрывопожароопасных химических производствах: рук. по безопасности. — Сер. 09. — Вып. 43. — М.: ЗАО НТЦ ПБ, 2015. — 32 с.
 12. Сравнительный анализ российских и зарубежных методик и компьютерных программ по моделированию аварийных выбросов и оценке риска/ Е.А. Агапова, Д.В. Дегтярёв, М.В. Лисанов и др.// Безопасность труда в промышленности. — 2015. — № 9. — С. 71–78.
 13. CFD modeling of large-scale flammable cloud dispersion using FLACS/ Ankit Dasgotra, G.V.V. Varun Teja, Ankit Sharma, Kirti Bhushan Mishra// Journal of Loss Prevention in the Process Industries. — 2018. DOI: 10.1016/j.jlp.2018.01.001
 14. Hansen O.R., Mathieu R., Davis S.G. Validation of FLACS for Vapor Dispersion from LNG Spills: Model Evaluation Protocol// 12th Annual International Symposium of the Mary Kay O’Connor Process Safety Center. — Texas, 2009.
 15. Coherent Computational Analysis of Large-Scale Explosions and Fires in Complex Geometries — From Combustion Science to a Safer Oil and Gas Industry/ K.E. Rian, T. Evanger, B.E. Vembe et al.// Chemical engineering transactions. — 2016. — Vol. 48. — P. 175–180. DOI 10.3303/CET1648030
 16. Chang Bong Jang, Seungho Jung. Numerical computation of a large-scale jet fire of high-pressure hydrogen in process plant// Energy Science and Engineering. — 2016. — Vol. 4. — Iss. 6. DOI 10.1002/ese3.143
 17. Comparisons between FLUENT and ADMS for atmospheric dispersion modeling/ A. Riddle, D. Carruthers, A. Sharpe et al.// Atmospheric Environment. — 2004. — Vol. 38. — Iss. 7. — P. 1029–1038. DOI 10.1016/j.atmosenv.2003.10.052
 18. Солодовников А.В., Ахматвалиева Е.Р. Повышение безопасности насосной станции на основе моделирования образования и рассеивания пожаровзрывоопасных смесей// Нефтегазовое дело. — 2013. — № 2. — С. 395–406.
 19. Численное моделирование пограничного слоя атмосферы с учетом ее стратификации/ А.И. Купцов, Р.Р. Акберов, Д.Я. Исламхузин, Ф.М. Гимранов// Фундаментальные исследования. — 2014. — № 9–7. — С. 1452–1460.
 20. Антонов А.С. Параллельное программирование с использованием технологии MPI: учеб. пособие. — М.: Изд-во МГУ, 2004. — 71 с.
 21. SALOME. The Open Source Integration Platform for Numerical Simulation. URL: http://salome-platform.org/ (дата обращения: 27.04.2017).
 22. Колган В.П. Применение принципа минимальных значений производной к построению конечноразностных схем для расчета разрывных решений газовой динамики// Ученые записки ЦАГИ. — 1972. — Т. 3. — № 6. — С. 68–77.
 23. Sod G.A. A survey of several finite difference methods for systems of nonlinear hyperbolic conservation laws// Journal of Computational Physics. — 1978. — Vol. 27. — Iss. 1. — P. 1–31. DOI: 10.1016/0021-9991(78)90023-2
 24. Boyer D.W. An experimental study of the explosion generated by a pressurized sphere// Journal of Fluid Mechanics. — 1960. — Vol. 9. — Iss. 3. — P. 401–429.
 25. Верификация методик оценки последствий аварийных выбросов газа от источников продолжительного действия/ С.И. Сумской, А.В. Пчельников, М.В. Лисанов и др.// Безопасность труда в промышленности. — 2005. — № 8. — С. 28–35.
 26. Верификация методик для последствий химических аварий/ С.А. Губин, С.М. Лыков, И.В. Маклашова и др.// Химическая промышленность. — 1999. — № 10. — С. 58.

Журнал входит в Перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученых степеней кандидата и доктора наук, сформированный ВАК Минобрнауки России. Публикуются статьи по следующим отраслям и группам научных специальностей: 01.04.00 — физика; 05.26.00 — безопасность деятельности человека; 02.00.00 — химические науки.

Журнал включен в Российский индекс научного цитирования (РИНЦ) и в международные базы данных: Scopus, Chemical Abstracts Service (CAS), EBSCO Publishing, Ulrich's Periodicals Directory.

подробнее