Математическое моделирование возникновения природных пожаров в результате аварийных ситуаций на газопроводах

В данной работе представлены математические модели и численные результаты зажигания полога леса в результате разрыва газопровода с образованием “огненного шара” с учетом структурных особенностей и характеристик лесного горючего материала, а также особенности среды, в которой происходит тепловое излучение. Проблема взрывов в нефтехимической промышленности с образованием ОШ является сегодня актуальной для многих стран, включая и РФ. Разработаны компьютерные программы, которые используется для определения безопасных расстояний от газопровода до лесных угодий.

ВВЕДЕНИЕ ……………………………………………………………………………………………… 16

1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР …………………………………………………………………… 18

1.1. Явление «огненного шара» …………………………………………………………….. 21

1.2. Проблема взрывов с образованием «огненного шара» в
промышленности …………………………………………………………………………………… 24

1.2.1. Обзор аварий связанных с образованием «огненного шара» за
рубежом …………………………………………………………………………………………… 25

1.2.2. Обзор аварий на территории СССР/Российской Федерации ……… 26

1.3. Вероятные сценарии аварий с образованием «огненного шара» ………… 28

1.4. Зажигание растительности в результате воздействия «огненного шара»
при взрыве газопровода ………………………………………………………………………….. 31

2. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ЗАЖИГАНИЯ ЛЕСНОГО МАССИВА ОТ
ОГНЕННОГО ШАРА В ОДНОМЕРНОЙ ПОСТАНОВКЕ …………………………… 41

2.1. Физико-математическая постановка зажигания растительного покрова в
результате разрыва газопровода………………………………………………………………. 41

2.2. Результаты численного решения …………………………………………………….. 46

2.3. Оценка и анализ полученных данных………………………………………………. 54

3. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ЗАЖИГАНИЯ ЛЕСНОГО МАССИВА ОТ
ОГНЕННОГО ШАРА В ОСЕССИММЕТРИЧНОЙ ДВУМЕРНОЙ
ПОСТАНОВКЕ ………………………………………………………………………………………… 55

3.1. Физико-математическая постановка зажигания растительного покрова в
результате разрыва газопровода в двумерной постановке …………………………. 55

3.2. Результаты численного решения …………………………………………………….. 60

3.3. Оценка и анализ полученных данных………………………………………………. 65

4. ЧИСЛЕННЫЙ МЕТОД РЕШЕНИЯ ……………………………………………………… 66

4.1. Метод решения одномерной задачи ………………………………………………… 66
4.2. Метод решения двумерной задачи …………………………………………………… 69

5. ФИНАНСОВЫЙ МЕНЕДЖМЕНТ, РЕСУРСОЭФФЕКТИВНОСТЬ И
РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ ………………………………………………………………………….. 72

5.1. Оценка коммерческого потенциала и перспективности проведения
научных исследований с позиции ресурсоэффективности и
ресурсосбережения ………………………………………………………………………………… 73

5.1.1. Потенциальные потребители результатов исследования …………… 73

5.1.2. Анализ конкурентных технических решений …………………………… 75

5.1.3. SWOT-анализ ………………………………………………………………………… 76

5.2. Инициация проекта ………………………………………………………………………… 79

5.2.1. Цели и результат проекта ……………………………………………………….. 80

5.2.2. Организационная структура проекта ……………………………………….. 81

5.2.3. План проекта …………………………………………………………………………. 81

5.3. Бюджет научного исследования………………………………………………………. 85

5.3.1. Расчет затрат на материалы…………………………………………………….. 85

5.3.2. Расчет затрат на оборудование ……………………………………………….. 85

5.3.3. Расчет основной заработной платы …………………………………………. 86

5.3.4. Отчисления на социальные нужды ………………………………………….. 88

5.3.5. Накладные расходы ……………………………………………………………….. 88

5.3.6. Реестр рисков проекта ……………………………………………………………. 89

5.4. Определение ресурсной, финансовой, бюджетной, социальной и
экономической эффективности исследования ………………………………………….. 90

5.4.1. Оценка социальной эффективности исследования ……………………. 90

5.4.2. Оценка сравнительной эффективности исследования ………………. 91

5.5. Вывод ……………………………………………………………………………………………. 94

6. СОЦИАЛЬНАЯ ОТВЕТСВЕННОСТЬ ………………………………………………….. 95
6.1. Анализ выявленных вредных факторов проектируемой
производственной среды ………………………………………………………………………… 95

6.2. Анализ выявленных опасных факторов проектируемой
производственной среды ………………………………………………………………………. 104

6.2.1. Факторы электрической природы ………………………………………….. 104

6.2.2. Факторы пожарной и взрывной природы ……………………………….. 105

6.3. Охрана окружающей среды …………………………………………………………… 106

6.3.1. Утилизация компьютерной техники ………………………………………. 106

6.3.2. Утилизация промышленных отходов …………………………………….. 108

6.4. Защита в ЧС…………………………………………………………………………………. 109

6.5. Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности ….. 110

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ………………………………………………………………………………………. 111

Список публикаций …………………………………………………………………………………. 112

Список литературы …………………………………………………………………………………. 114

Приложение А Раздел 1.1 The phenomenon of the fireball ……………………………. 120

В ходе исследовательской работы было проведено математическое
моделирование зажигания растительного покрова в результате разрыва
газопровода в одномерной и двумерной постановке. В ходе проделанной
работы были осуществлены следующие задачи:
1. Разработана математическая модель зажигания растительного
покрова в результате разрыва газопровода.
2. Численно решена поставленная задача.
3. Изучено влияние массы топлива на изменение радиуса зажигания.
4. Изучено влияние влагосодержания ЛГМ на радиус зажигания.
По результатам исследовательской работы был найден определяющий
параметр безопасности – максимальный радиус зажигания для полога леса в
результате воздействия на его поверхность лучистого источника энергии в виде
ОШ, образованного в результате взрыва газопровода. И установлено влияние
структурных особенностей и характеристик ЛГМ на радиус зажигания, что
позволяет сделать вывод о необходимости учета данных параметров при
определении безопасных расстояний от газопроводов до лесных угодий. Также
было проведено сравнение результатов поставленных задач. Значения радиусов
зажигания при одинаковых исходных данных практически совпадают. Поэтому
был сделан еще один вывод, что для расчета максимальных зон зажигания
практичнее использовать одномерную постановку, т.к. результаты были
получены в более короткие сроки.
Список публикаций
1. Акчина С.С., Алтамирова Э., Перминов В.А. Анализ и оценка
параметров огненного шара по существующим методикам.// XXI век.
Техносферная безопасность. 2018, Т. 3, №1, с. 84-94.
2. Акчина С.С. Влияние текущего состояния атмосферы на расчет
интенсивности теплового излучения от «огненного шара»// Всероссийская
научная конференция студентов физиков. ВНКСФ 24. Томск, 2018, 536 с.
3. Акчина С.С. Математическое моделирование зажигания
растительного покрова в результате разрыва газопровода. Техносферная
безопасность в XXI веке. VIII Всероссийская научно-практическая
конференция. Сборник научных трудов магистрантов, аспирантов и молодых
ученых – Иркутск: Изд-во ИРНИТУ, 2018. – 424 с.
4. Акчина С.С., Перминов В.А. Численное решение зажигания
растительного покрова в результате разрыва газопровода. Всероссийская
молодежная научная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых
«Все грани математики и механики»: сборник статей – Томск: Изд. Дом
Томского гос. ун-та, 2019 г. – 260 с.
5. Акчина С.С. Численное решение задачи о зажигании лесного
горючего материала лучистым тепловым потоком в многоярусном лесном
массиве. Международная научно-техническая конференция студентов,
аспирантов и молодых ученых «Научная сессия ТУСУР – 2019»: сборник
статей – Томск: Изд. ТУСУР, 2019 г.
6. Акчина С.С., Перминов В.А. Математическое моделирование
зажигания лесного горючего материала лучистым тепловым потоком в
многоярусном массиве в результате разрыва газопровода. I всероссийская
научно-практическая конференция «Техносферная безопасность – 2019.
Современные реалии»: сборник статей – Дагестан: Изд. Даггостехуниверситет,
2019 г.
7. Акчина С.С. Численное решение задачи о зажигании лесного
массива световым излучением в результате разрыва газопровода. VIII
Международная конференция школьников, студентов, аспирантов, молодых
ученых «Ресурсоэффективные системы в управлении и контроле: взгляд в
будущее»: сборник научных трудов – Томск: Изд. ТПУ. – 378 с.
8. Акчина С.С. Численное решение задачи о зажигании лесного
массива световым излучением в результате разрыва газопровода. III
Международная научно-практическая конференция «Современные
пожаробезопасные материалы и технологии»: сборник материалов – Иваново:
Изд. ИПСА ГПС МЧС России, 2019 г. – 716 с.