Программный комплекс "Тепловой взрыв" (стр. 74 )

невозможность анализа химических реакций со сложной кинетикой; невозможность учета изменения свойств с температурой; невозможность отражения динамической картины развития теплового взрыва во времени и пространстве; возможность анализа объектов только простейшей геометрии; невозможность учета наличия в объектах деталей конструкции (нескольких оболочек, перегородок и т. д.); невозможность учета явлений конвекции.

В таблице 11.2. представлены в обобщенном виде основные свойства, приближения и ограничения классических теорий теплового взрыва.

Таблица 11.2

Сопоставление классических теорий теплового взрыва

Рассматриваемый фактор	Нестационарная теория	Стационарная теория	Квазистационарная теория
Кинетика	Нулевой порядок	Нулевой порядок	Автокаталитическая реакция первого порядка
Теплообмен	Закон Ньютона, Bi0.3, постоянные коэффициенты	Граничные условия 1-го рода, Bi Постоянные коэффициенты	Аналогично нестационарной теории
Временной фактор	Оценка периода индукции	Оценка периода индукции	Нет данных
Геометрия реагирующей системы	Несущественна	Простейшие формы	Несущественна
Возможность учета конструктивных элементов	Нет	Нет	Нет
Распределение температур и концентраций	Идеальное перемешивание	Рассматривается	Идеальное перемешивание
Физическое состояние реакционной системы	Хорошо перемешанный газ или жидкость	Твердое тело	Хорошо перемешанный газ или жидкость

Главное значение классических теорий – их познавательное значение, их использование в качестве средства изучения природы теплового взрыва как физического явления.

Современное развитие теории теплового взрыва определяется запросами практики, в первую очередь, требованиями атомной, оборонной и ракетно –космической техники, химических технологий [19].

Существует практическая необходимость учета сложности кинетики химических реакций, вызывающих тепловой взрыв, сложных условий теплообмена и сложной геометрии. Современные возможности вычислительной техники и уровень современного развития теории теплового взрыва позволяют рассматривать задачи теплового взрыва в самой общей постановке, при совместном действии всех этих факторов. В значительной мере этот процесс сдерживается отсутствием необходимых данных о физико – химических и кинетических свойствах реагирующих систем.

Причины возникновения аварийных ситуаций теплового взрыва на практике весьма разнообразны. Применительно к химико – технологическим процессам, многие из них указаны и проанализированы в прекрасном обзоре [20]:

слишком интенсивный нагрев; появление нецелевых реакций, вызванных аварийным вводом дополнительных веществ, в том числе, катализаторов; локальный перегрев; недостаточно эффективный теплоотвод от реагирующей системы вовне; избыточное время пребывания реагентов в зоне реакции, в том числе, возможность автокаталитических реакций; накопление реакционной массы в реакторе;

накопление газообразных продуктов, оказывающих автокаталитическое воздействие; фазовое разделение в реакторе нестабильных продуктов; смешение быстрореагирующих продуктов в отдельной фазе; внешний интенсивный нагрев, в том числе, внешний пожар.

Эти и другие причины приводят к появлению аварийных ситуаций теплового взрыва, которые должны быть проанализированы в ходе исследования конкретной проблемы термической безопасности. Экспериментальный путь решения этой проблемы весьма трудоемок и часто вообще невозможен. Использование для этого моделирования требует анализа моделей, существенно более полных, чем моделей, рассматриваемых в классической теории теплового взрыва и максимального использования комплекса численных методов. Необходимость документирования результатов исследования и их представления в органы контроля для обоснования безопасности целевого объекта в соответствии с требованиями законодательства необратимо ведут к использованию для таких исследований только сертифицированного программного обеспечения. Здесь можно ожидать ситуацию, которая аналогична той, которая существует в ядерной энергетике, где математическое моделирование – основной метод решения проблемы безопасности.

Основной инструмент для проведения исследований термической безопасности методами математического моделирования – пакеты прикладных программ соответствующего назначения, которые аккумулируют и делает доступными для практического использования самые различные модели теплового взрыва, существенно более полные, чем классические. Именно такую роль выполняют программы моделирования теплового взрыва комплекса TSS.

В зависимости от цели исследования можно выделить две группы задач, возникающих при исследовании термической безопасности [17, 18]. В первую группу входят задачи, конечной целью которых является определение параметров, обеспечивающих безопасный режим функционирования целевого объекта и минимизацию последствий аварийной ситуации, а во вторую - задачи, связанные с реконструкцией сценария аварии. При этом требования к точности полученных результатов для задач первой и второй группы существенно различаются. В первом случае вполне приемлемыми являются даже грубые оценки, но носящие обязательно консервативный характер и обеспечивающие разумный запас безопасности, а во втором необходимо максимально детальное и точное описание физических процессов.

В связи с этим для решения задач, принадлежащих к первой группе, могут быть использованы аналитические расчетные методики, основывающиеся на результатах классической теории теплового взрыва. С помощью этого подхода можно оценить такие важные параметры, как критические условия теплового взрыва, адиабатический период индукции, максимальный предвзрывной разогрев, адиабатическую температуру, условия зажигания и скорость распространения фронта пламени. Преимущество данного подхода состоит в его простоте и экономичности (он не требует сложных вычислений и сводится к расчету по явным аналитическим формулам или, в худшем случае, к решению трансцендентного алгебраического уравнения). Однако этот подход имеет ряд серьезных ограничений. В частности, он непригоден для многих реальных механизмов химического превращения, ограничиваясь возможностью аналитических решений только для одностадийных реакций n-го порядка и для простейших автокаталитических реакций. Он применим только для интенсивно протекающих химических процессов и непригоден для так называемых "вырожденных" режимов теплового взрыва. Имеется ряд ограничений на форму и конструкцию рассматриваемого объекта и граничные условия. Наконец, аналитический подход не позволяет получить какую-либо информацию о полях температуры, концентраций и давления, что делает его, по существу, непригодным для детальной реконструкции или прогнозирования аварии по заданному сценарию.

Часть перечисленных недостатков аналитических методов не играет существенной роли, поскольку эти методы позволяют получить необходимые оценки "с запасом". Например, вместо расчета периода индукции теплового взрыва при произвольных граничных условиях, невозможного в рамках этих подходов, с их помощью можно рассчитать период индукции в адиабатических условиях. Ясно, что для граничных условий первого или третьего рода при равенстве начальной температуры реагирующего вещества и температуры окружающей среды, адиабатическая оценка периода индукции теплового будет заведомо меньше истинной величины периода индукции, то есть будет выполнена с некоторым "запасом". Однако это возможно далеко не всегда. В частности, в том случае, когда химические превращения в рассматриваемом веществе имеют сложный многостадийный механизм, аналитические методы не позволяют получить даже такие консервативные оценки. Тем не менее, аналитические методики широко применялись и продолжают применяться до сих пор, в частности, они используются в рекомендациях по определению стандартных характеристик термической опасности грузов [7].

Круг существующих сегодня практических задач, возникающих в работах по обеспечению термической безопасности, значительно шире, чем перечисленные выше задачи, решаемые аналитически с использованием методов, основанных на классической теории теплового взрыва. В первую очередь, в такие задачи входит анализ теплового взрыва для объектов при наличии в них многостадийных химических реакций, объектов со сложной геометрией и в случае наличия в объекте конвективного теплообмена. Решить эти задачи аналитически невозможны. Они требуют использования численных методов. Именно эти задачи входят в круг задач, решаемых с использованием комплекса TSS. Конечно этот программный комплекс может применяться и для задач классической теории теплового взрыва. При наличии аналитических решений такие задачи в данном случае выступают как тестовые для контроля правильности работы программ. В тоже время, использование численных методов, реализованных в современных программах, и в этих случаях позволяет обеспечить единообразный подход к решению задач, что технологически упрощает процесс исследования.

Задачи моделирования теплового взрыва, особенно в случаях, когда подходы классической теории теплового взрыва неприемлемы - сложные задачи как в части своей постановки, так и методов решения. Невероятно, чтобы специалисты в области практического исследования проблем термической безопасности могли решать такие задачи без использования современного программного обеспечения и современных информационных технологий. Комплекс TSS – инструмент для решения подобных задач.