Струя высокого давления

Контурная анимация изменения мольной доли (от 0,025 до 0,05) струи природного газа при ее столкновении со стальным резервуаром, выполненная с помощью CFD .

Струя высокого давления — это поток жидкости под давлением , который выбрасывается из окружающей среды под значительно более высоким давлением, чем давление окружающей среды , из сопла или отверстия из-за рабочего или случайного выброса . В области техники безопасности выбросы токсичных и горючих газов были предметом многих исследований и разработок из-за серьезного риска , который они представляют для здоровья и безопасности работников, оборудования и окружающей среды . Преднамеренный или случайный выброс может произойти в промышленных условиях, таких как заводы по переработке природного газа , нефтеперерабатывающие заводы и хранилища водорода .

Основное внимание в процессе оценки риска уделяется оценке расширения и рассеивания газового облака , важных параметров, которые позволяют оценить и установить пределы безопасности, которые необходимо соблюдать, чтобы свести к минимуму возможный ущерб после сброса высокого давления.

Механизм и строение газовой струи

Дозвуковой и звуковой поток

Когда газ под давлением высвобождается, скорость потока будет сильно зависеть от разницы давлений между давлением застоя и давлением на выходе. Предполагая изоэнтропическое расширение идеального газа от его застойных состояний (P ₀ , что означает, что скорость газа равна нулю) до состояний ниже по потоку (P ₁ , расположено на выходной плоскости сопла или отверстия), дозвуковой расход потока исходный термин задается формулировкой Рамскилла:

Скорость потока идеального газа можно представить графической линией. По мере уменьшения степени сжатия и приближения к критическому значению поток меняется с недроссельного на дросселируемый, устанавливая верхний предел скорости газа скорости звука среды.

$Q\;=\;C_{D}\;A_{o}\;\rho _{1}\;{\sqrt {\;2\;{\frac {P_{0}}{\rho _{0}\ }}\;\left[{\frac {\gamma \ }{\gamma \ -1}}\right]\left[1-\;\,\left({\frac {\;P_{1}}{P_{0}}}\right)^{\frac {\gamma \ -1}{\gamma \ }}\;\right]}}$

По мере того, как соотношение между давлением на выходе и давлением в застойном состоянии уменьшается, скорость потока идеального газа увеличивается. Такое поведение будет продолжаться до тех пор, пока не будет достигнуто критическое значение (в воздухе P ₁ /P ₀ составляет примерно 0,528, в зависимости от коэффициента теплоемкости , γ), изменяя состояние струи с неподсеченного течения на подсеченное . Это приведет к новому определению выражения для вышеупомянутого соотношения давлений и, как следствие, к уравнению расхода.

Критическое значение степени сжатия определяется как:

${\frac {\;P_{1}}{P_{0}}}\;=\;\left[{\frac {2}{\gamma \ +1}}\right]^{\left({\frac {\gamma \ }{\gamma \ -1}}\right)}$

Это новое определенное соотношение затем можно использовать для определения скорости потока для потока с акустическим дросселированием:

$Q\;=\;C_{D}\;A_{o}\;\rho _{1}\;V_{c}$

Уравнение расхода для дросселированного потока будет иметь фиксированную скорость, которая представляет собой скорость звука среды, где число Маха равно 1:

$V_{c}\;=\;{\sqrt {\;{\frac {T_{1}\;\gamma \ R}{M}}}}$

Где:
вопрос	= массовый расход , кг/с
В с	= скорость звука среды, м/с
К Д	= коэффициент расхода , безразмерный (его значение выбирается в зависимости от формы отверстия)
К ​	= площадь выходной плоскости отверстия/сопла, м 2
с	= коэффициент теплоемкости газа
п 0	= газа плотность при P 0 и T 0 , кг/м 3
р 1	= газа плотность при P 1 и T 1 , кг/м 3
Т 0	= Температура в застойных условиях, К
Т 1	= Температура на выходе, К
PP0	= абсолютное давление в застойных условиях, Па
PП1	= абсолютное давление в условиях ниже по потоку, Па
М	идеального газа = молекулярная масса , кг/кмоль
Р	= Константа универсального газового закона = 8,3145 Дж/(моль·К)

Важно отметить, что если P ₁ продолжает уменьшаться, никакого изменения расхода не произойдет, если соотношение уже ниже критического значения, если только P ₀ также не изменится (также предполагая, что площадь выхода из отверстия/форсунки и температура на входе остаются прежними). ).

Недорасширенная конструкция струи

Недорасширенная струя – это струя, которая проявляется, когда давление на выходе (на конце сопла или отверстия) превышает давление среды, в которую выпускается газ. Говорят, что она недостаточно расширена, поскольку газ будет расширяться, пытаясь достичь того же давления, что и окружающая его среда. При недостаточном расширении струя будет иметь характеристики сжимаемого потока - состояние, при котором изменения давления достаточно значительны, чтобы оказывать сильное влияние на скорость (где она может превышать скорость звука газа), плотность и температуру. Важно отметить, что по мере того, как струя расширяется и включает в себя газы из окружающей среды, она будет вести себя все больше и больше как несжимаемая жидкость , что позволяет принять следующее общее определение структуры струи:

Разделение струи высокого давления по мере ее расширения под давлением окружающих условий.

• Зона ближнего поля : эта зона состоит из основного слоя, который изолирован от окружающей среды, в его поведении в основном преобладают эффекты сжимаемости, и внешнего слоя, который находится в контакте с окружающей жидкостью среды. За счет турбулентных эффектов внешний слой, называемый слоем смешения, способствует уносу газа , поскольку он облегчается, разжижая струю. В этой зоне сдвига можно выделить дозвуковой и сверхзвуковой участок, где температура, плотность и давление сильно изменяются на расстоянии нескольких сантиметров от источника. Эта зона имеет характеристики сжимаемой жидкости.

• Переходная зона : начало этой зоны представляет собой окончание ближней зоны, где изменения (в продольном и радиальном направлении к оси струи) малы по сравнению с предыдущей. Изменения плотности и температуры происходят главным образом из-за смешивания с окружающей жидкостью.

• Зона дальнего поля : эта последняя зона представляет собой зону полностью расширенной и несжимаемой струи. Продольная скорость и температура теперь обратно пропорциональны расстоянию от источника, а радиальная эволюция может быть описана моделью гауссовой дисперсии . Важно отметить, что эту зону можно далее разделить на инерционную (с преобладанием начального ускорения), плавучесть (с преобладанием внутренних сил плавучести) и турбулентную зону (с преобладанием окружающей турбулентности).

Недорасширенная классификация реактивных самолетов

Дальнейшая классификация струи может быть связана с тем, как развивается ближнепольная зона вследствие управляющих ею сжимающих эффектов. Когда струя впервые попадает в отверстие или сопло, она очень быстро расширяется, что приводит к чрезмерному расширению потока (что также снижает температуру и плотность потока так же быстро, как и происходит сброс давления). Газы, расширившиеся до давления ниже давления окружающей жидкости, будут сжиматься внутрь, вызывая увеличение давления потока. Если это повторное сжатие приведет к тому, что жидкость будет иметь более высокое давление, чем окружающая жидкость, произойдет еще одно расширение. Этот процесс будет повторяться до тех пор, пока разница давлений между давлением окружающей среды и давлением струи не станет нулевой (или близкой к нулю). Сжатие и расширение осуществляются посредством серии ударных волн , образующихся в результате волн расширения и сжатия Прандльта-Мейера .

Развитие упомянутых выше ударных волн будет связано с разницей давлений между застойными условиями или условиями ниже по течению и условиями окружающей среды (η ₀ = P ₀ /P _amb и η _e = P ₁ /P _amb соответственно), а также ( число Маха Ma = V/V _c , где V — скорость потока, V _c — скорость звука среды). С различной степенью давления недорасширенные струи можно классифицировать как:

CFD-моделирование чрезвычайно недостаточно расширенной струи природного газа. Участки, где число Маха намного превышает 1, представляют собой точки, в которых скорость жидкости намного превышает скорость звука, и этот эффект проявляется из-за внезапной разгерметизации газа. P _∞ — давление окружающей среды 101325 Па.

• Умеренно недорасширенная струя : Ближнее поле с ромбовидными структурами (каждая структура называется ячейкой). Расширение Прандльта-Мейера генерирует наклонные волны расширения, которые расширяют жидкость вниз по потоку от выходного отверстия. Поскольку эти волны достигают постоянного давления со стороны окружающей жидкости, они отклоняются назад в виде волн сжатия, сходясь в косые ударные волны (так называемые перехватывающие ударные волны ). При встрече на оси струи отраженные ударные волны движутся наружу до тех пор, пока не достигнут постоянного давления со стороны окружающей жидкости, повторяя процесс и, в свою очередь, воссоздавая структуру ячейки (это явление происходит в воздухе в диапазоне 2 ≤ η ₀ ≤ 4 или 1,1 ≤ η _e ≤ 3).

• Сильно недорасширенная струя : Ближнее поле с бочкообразными структурами. По мере увеличения степени сжатия перехватывающие ударные волны больше не могут встречаться на оси струи, что приводит к образованию нормальной ударной волны, когда перехватывающие ударные волны выходят за пределы определенного критического угла (Нормальная ударная волна называется Маха Диск). От точки перехвата диска Маха и перехватывающего скачка остаточный поток будет отражаться наружу, пока не достигнет постоянного давления со стороны окружающей жидкости, повторяя процесс, воссоздавая бочкообразную структуру ячеек (это явление происходит в воздухе на расстоянии 5 ≤ η ₀ ≤ 7 или 2 ≤ η _e ≤ 4).

• Чрезвычайно недостаточно расширенная струя : Ближнее поле с одноячеистой структурой. Когда степень сжатия выходит за критическое значение (в воздухе в диапазоне η ₀ ≥ 7 или η _e ≥ 4), количество ячеек в ближнем поле струи уменьшается, пока все они не объединятся в одну ячейку с одним маховым диском. . Из-за увеличения скорости и зон пониженного давления вокруг струи будет увеличиваться унос окружающей жидкости.

Выпуск природного газа

Среди непредвиденных сценариев выбросы природного газа стали особенно актуальными в условиях перерабатывающей промышленности . При общем составе метана 94,7% . важно учитывать, как этот газ может вызвать дополнительный ущерб при его выбросе. Метан — это нетоксичный, легковоспламеняющийся газ, который при более высоких концентрациях может действовать как удушающий газ из-за вытеснения кислорода из легких. Основная проблема, связанная с метаном, связана с его воспламеняемостью и потенциальным ущербом, который может быть нанесен окружающей среде, если струя высокого давления воспламенится и превратится в реактивный пожар .

Три параметра, которые необходимо учитывать при работе с горючими газами, - это их температура вспышки (FP), верхний предел воспламеняемости (UFL) и нижний предел воспламеняемости (LFL), поскольку они являются заданными значениями для любого соединения при определенном давлении и температуре. Если мы рассмотрим модель огненного треугольника , то для того, чтобы вызвать реакцию горения, необходимы три компонента: топливо , окислитель и тепло . Когда выброс происходит в среде, наполненной воздухом , окислителем будет кислород (в стандартных условиях воздух имеет постоянную концентрацию 21%). При почти чистой концентрации , в нескольких сантиметрах от выходной плоскости, концентрация природного газа слишком высока, а кислорода слишком низка, чтобы вызвать какую-либо реакцию горения, но по мере развития струи высокого давления концентрация ее компонентов будет уменьшаться, поскольку Вовлечение воздуха увеличивается, позволяя обогащать струю кислородом. Предполагая постоянную концентрацию кислорода, струя должна разжижаться настолько, чтобы войти в диапазон воспламеняемости; ниже его UFL. В этом диапазоне можно получить легковоспламеняющуюся смесь, и любой источник тепла может запустить реакцию.

Чтобы правильно оценить ущерб и потенциальный риск, который может вызвать пожар струи, было проведено несколько исследований относительно максимального расстояния, на которое может достичь облако, созданное струей. Поскольку разрежение струи продолжается из-за воздухововлечения в дальней зоне, опускаясь ниже ее ВПС, максимальное расстояние, на которое может достичь горючая смесь, находится в точке, в которой концентрация облака равна НПВ газа, поскольку — минимально допустимая концентрация, которая допускает образование горючей смеси между воздухом и природным газом при стандартных условиях (НПВ для природного газа составляет 4 %). ). Рассматривая свободную струю при докритическом давлении (за пределами ближней зоны), ее среднеобъемную долю падения осевой концентрации любого газа, выделяющегося в воздухе, можно определить следующим образом:

${\bar {\eta \ }}\;=\;{\frac {k\;d}{z+a}}{\sqrt {\;{\frac {\rho _{a}\ }{\rho _{g}\ }}}}$

Где:
${\bar {\eta \ }}$	= средняя объемная доля осевой концентрации газа, [-]
к	= экспериментальный постоянный коэффициент, [-]
д	= диаметр отверстия, м
С	= расстояние вниз по течению, м
а	= смещение виртуального начала координат, м
р а	= плотность воздуха, кг/м 3
ρ г	= плотность выделяющегося газа, кг/м 3

Вычислительная гидродинамика

Экспериментальные данные о струях высокого давления должны быть ограничены с точки зрения размера и сложности сценария из-за унаследованных опасностей и затрат, связанных с самим экспериментом. Альтернативные методы сбора данных, такие как репрезентативные модели , можно использовать, чтобы предсказать, чего может достичь максимальная протяженность газового облака при его концентрации LFL. Более простые модели, такие как модель гауссовской дисперсии газа (например, SCREEN3 – модель дисперсии) или интегральная модель (например, PHAST – интегральная модель), могут быть полезны для быстрого и качественного обзора того, как может распространяться струя. К сожалению, их неспособность должным образом моделировать взаимодействие струи с препятствием делает их невозможными для использования за пределами предварительных расчетов. Именно по этой причине моделирование вычислительной гидродинамики (CFD) обычно предпочтительнее для более сложных сценариев.

Хотя существует несколько подходов к моделированию CFD, распространенным подходом является использование метода конечного объема , который дискретизирует объем на более мелкие ячейки различной формы. Каждая отдельная ячейка будет представлять собой заполненный жидкостью объем, к которому будут применяться параметры сценария. Каждая смоделированная ячейка решает ряд уравнений сохранения массы , импульса и энергии , а также уравнение неразрывности . Затем взаимодействие жидкости с препятствием моделируется с помощью различных алгоритмов, основанных на используемой замыкательной турбулентной модели . В зависимости от общего количества ячеек в объеме, чем лучше качество моделирования, тем дольше время моделирования. Проблемы сходимости могут возникнуть в рамках моделирования, поскольку в объеме появляются большие градиенты импульса, массы и энергии. Точки, где ожидается появление этих проблем (например, в ближней зоне струи), должны иметь большее количество ячеек, чтобы добиться постепенного перехода между одной ячейкой и другой. В идеале, с помощью CFD-моделирования можно получить более простую модель, которая для определенного набора сценариев позволяет получить результаты с уровнем точности и точности, аналогичным самому CFD-моделированию.

Подход Берча

В ходе серии мелкомасштабных экспериментов при различных давлениях Берч и др. сформулировал уравнение, которое позволило оценить источник виртуальной поверхности, учитывая сохранение массы между выходной плоскостью отверстия и виртуальной поверхностью. Этот подход позволяет моделировать сжимаемую, недорасширенную струю как несжимаемую, полностью расширенную струю. Как следствие, можно смоделировать более простую модель CFD, используя следующий диаметр (называемый псевдодиаметром ) в качестве новой выходной плоскости:

$d_{ps}\;=\;d\;{\sqrt {\;C_{D}\;\left({\frac {T_{2}}{T_{0}}}\right)^{0.5}\left({\frac {P_{0}}{P_{2}}}\right)\left({\frac {2}{\gamma \ +1}}\right)^{\left({\frac {1+\gamma \ }{2\gamma \ -2}}\right)}}}$

Где:
д пс	= псевдодиаметр Берча, м
д	= диаметр отверстия, м
Т 0	= температура в застойных условиях, К
Т 2	= температура в условиях окружающей среды, К
PP0	= давление в застойных условиях, Па
П 2	= давление в условиях окружающей среды, Па

Взаимодействие земли и препятствий

В перерабатывающей промышленности существует множество случаев, когда может произойти выброс струи высокого давления. СПГ в хранилищах или в трубопроводных системах природного газа Утечка может перерасти в реактивный пожар и, по принципу домино , нанести серьезный ущерб персоналу, оборудованию и окружающей среде. Для различных сценариев, которые могут произойти, необходимо разработать протоколы безопасности, направленные на установление минимальных расстояний между оборудованием и рабочей силой, а также превентивные системы , которые снижают опасность потенциального случайного сценария. Ниже приведены некоторые из наиболее распространенных сценариев, которые могут возникнуть в промышленной среде:

Взаимодействие струи, резервуара и земли будет влиять на максимальное расширение облака при концентрациях LFL. Вихри, возникающие в результате их взаимодействия, будут способствовать рассеиванию газа. s представляет собой расстояние между центрами двух резервуаров, D — диаметр резервуаров.

• Взаимодействие струи с землей : это один из наиболее распространенных сценариев, когда свободная струя не взаимодействует ни с каким другим препятствием, кроме земли. Хотя струя может рассеиваться до концентрации ниже ее нижнего предела воспламенения примерно через 16 метров без взаимодействия (взаимодействие с бетоном и при застойном давлении 65 бар, обычном давлении для трубопроводов природного газа, с размером отверстия 2,54 мм), по мере приближения струи к земле и контакта с ней эффект увлечения приводит к дальнейшему удлинению. Струя имеет тенденцию изгибаться вниз, если находится достаточно близко к земле, из-за зон с более низким давлением под ней.

• струи и горизонтального резервуара Взаимодействие : взаимодействие струи и резервуара будет зависеть от типа используемого материала. Для цилиндрических стальных резервуаров на взаимодействие будет влиять расстояние от плоскости выхода, а также ее угол по отношению к оси струи и высота выхода струи. Обычно, когда струя попадает в горизонтальный резервуар вдоль оси резервуара, струя опускается вниз, обеспечивая взаимодействие с землей. Это часто приводит к расширению струи при ее концентрации LFL относительно ее свободной струи (тот же сценарий моделируется без каких-либо других препятствий, кроме земли). Кроме того, ожидается также поперечное расширение.

• Взаимодействие струи с вертикальным резервуаром : для цилиндрического стального резервуара на взаимодействие влияет расстояние от выходной плоскости. Обычно, когда струя сталкивается с вертикальным резервуаром вдоль оси резервуара, препятствие будет действовать как ограничивающий фактор для расширения струи при ее концентрации LFL по отношению к ее свободной струе. Удар о резервуар создаст больше завихрений в хвостовой части струи и ограничит взаимодействие с землей (при достаточно низких расходах и скоростях), ускоряя разбавление газа ниже нижнего предела воспламеняемости.

• Взаимодействие струи и горизонтального тандемного резервуара : за счет добавления второго горизонтального резервуара позади первого достигается эффект сокращения. Наличие второго препятствия приводит к образованию вихрей после первого, способствующих диссипации. Более того, второе препятствие может иметь эффект отрыва струи от земли, поскольку из-за эффекта Коанда она будет стремиться прилипнуть к круглой поверхности второго резервуара . Расстояние между двумя резервуарами будет иметь значение, поскольку после определенного расстояния второе препятствие больше не будет оказывать влияние на облако при концентрации LFL.

• Взаимодействие тандемной струи и вертикального резервуара : добавление второго вертикального резервуара позади первого обычно позволяет добиться эффекта сокращения. Наличие второго препятствия приводит к образованию вихрей после первого, способствующих диссипации. В отличие от предыдущего сценария, второе препятствие может привести к взаимодействию струи с землей и удлинению струи, что ухудшается из-за эффекта Коанды. Расстояние между двумя резервуарами будет иметь значение, поскольку после определенного расстояния второе препятствие больше не будет оказывать влияние на облако при концентрации LFL.

См. также

• Задушенный поток
• Сопло Де Лаваля
• Ограничительное отверстие потока
• Сопло ракетного двигателя
• Эффект Вентури

Внешние ссылки

• Ударные алмазы и диски Маха в выхлопном шлейфе двигателя F-15E

• Берч и др. пересмотр своей формулы источника виртуальной поверхности

• Проблемы хранения и транспортировки водорода