《工程流体力学》第8章 安全工程领域的流体力学问题

工程流体力学

第八章安全工程领域的流体力学问题§8-1消防安全消防安全主要是针对火灾现场的人员救援、火灾扑灭与重要设备设施、财产的安全保护等，常见的火灾场景主要有建筑火灾、列车火灾、船舱火灾、矿井火灾等，虽然它们都属于消防火灾，但在不同的火灾场景下，涉及的可燃物以及环境温度、湿度等条件均存在显著差异，目前依据可燃物的类型和燃烧特性可将火灾划分为6类。火灾分类定义A类火灾固体物质火灾（如木材、纸张）B类火灾液体或可融化的固体物质火灾（如煤油、石蜡）C类火灾气体火灾（如甲烷、氢气）D类火灾金属火灾（如钠、镁）E类火灾电器火灾（如发电机房、电子计算机房）F类火灾烹饪器具内的烹饪物火灾（如动植物油脂）§8-1消防安全火灾是一种灾害性的燃烧现象，它的发展过程中通常会经过四个阶段，分别为：火灾初起阶段、成长发展阶段、猛烈燃烧阶段与衰减熄灭阶段，并且在此过程中，也会发生包含流体流动、传热性质和多种化学反应及其相互作用的复杂的物理化学过程。火灾发生时必将伴随着发光、发热以及CO2、CO等气体的产生，其中温度分布、烟气运移是判定火灾发展程度的重要标志。§8-1消防安全2019年4月15日下午6点40分左右，两名安全员发现天花板上出现火情，火焰高度约有9英尺（约2.74m）高，十分钟后教堂屋顶上冒出火焰和烟雾，约一小时后巴黎圣母院中部的尖塔坍塌，在8点10分左右，巴黎圣母院的整个屋顶倒塌了，大火持续燃烧8小时左右到4月16日凌晨3时30分左右火情得到有效控制，大量文物珍宝被大火损坏。§8-1消防安全巴黎圣母院教堂总长约127m，总宽约48m，高度为69m，拱顶以下为10.1米，在火灾发生时，烟气厚度达到5m左右，假设烟气流速为5m/s，烟气温度为500温，烟气平均分子质量为28.75kg/mol，材料燃烧的平均热释放速率为500kW。则：烟气流量：

空气卷吸流量：

烟气运动速度：

烟气下沉速度：

§8-2工业燃气安全工业生产使用的能源种类很多，除煤、油和天然气外，其他主要都是由煤转换而成的二次能源。在钢铁企业中，焦炉煤气、高炉煤气和转炉煤气是生产过程中的副产品，也成为企业内部的主要燃气来源。焦炉煤气、高炉煤气分别产自于炼铁系统中的炼焦工序和高炉工序，转炉煤气产自于炼钢系统中的转炉工序。无论炼焦工序、高炉工序还是转炉工序所生产的煤气除了工序本身用气部分外，通过企业内部的煤气管网向其他用气工序输送。焦炉煤气、高炉煤气和转炉煤气的组分见下表。煤气名称组分（%）H2O2N2CH4COCO2C2H4C2H6C3H6高炉煤气（BFG）3.60.050.70.022.623.1---焦炉煤气（COG）60.60.01.326.06.62.22.30.80.2转炉煤气（LDG）3.1-200.860.515.60.058--§8-2工业燃气安全焦炉煤气、高炉煤气和转炉煤气均属于易燃、易爆、有毒性气体。焦炉煤气、高炉煤气和转炉煤气的爆炸极限范围均很宽，因此一旦泄漏后与空气混合，遇明火极易发生着火或爆炸。焦炉煤气、高炉煤气和转炉煤气均含有剧毒物质，特别是高炉煤气和转炉煤气，CO的含量分别高达22.6%和60.5%。人吸入后，会造成人体组织缺氧，神志不清，甚至危及生命。空气中含量超过100ppm时，人不到1分钟就感到头痛，呕吐，继续吸入半小时会导致死亡。另外，焦炉煤气中含有的烃类混合物，虽属低毒性物质，但长期接触可导致神经衰弱综合症状，其中含量很高的甲烷属“单纯窒息性”气体，高浓度时人会因缺氧而引起中毒，当空气的甲烷浓度达到25%-30%时人会出现头昏、呼吸加速、运动失调。因此，在焦炉煤气、高炉煤气和转炉煤气生产、输送与使用中稍有不慎，就会造成严重的后果。§8-3化工与石油安全目前，我国正处于进入工业化的关键阶段，对能源的消费和需求不断加大。能源作为经济发展的重要动力资源，对社会经济发展有着重要的作用。现阶段，石油资源在我国能源结构中仍然占据较为重要的地位。在我国，油气资源分布不均匀，大多位于东北和西北八大盆地地区，而消费人群则集中在东部沿海发达地区和中南部人口密集区。油气资源的分散性，对其运输提出了挑战。由于腐蚀、管道质量缺陷、腐蚀、冲刷、运行磨损、违规操作及人为破坏等因素导致的穿孔、破裂泄漏事故时有发生，再加上管道内输送介质大多具有易燃易爆、有毒等性质，发生泄漏后，容易引发火灾、爆炸、中毒等事故，造成人员伤亡和经济损失，产生较大的社会影响。近年来，原油管道泄漏事故时有发生，下表为统计的最近十几年国内外发生的部分原油管道泄漏事故。§8-3化工与石油安全时间事故后果2009.12.30兰郑长输原油管道泄漏150方柴油流入渭河2010.05.05墨西哥湾漏油油污面积2000平方英里，损失数千亿美元2010.07.16大连长输原油管道泄漏1人死亡，2人受伤，财产损失2.23亿元2011.06.04中海油渤海湾漏油影响海域840平方公里，赔偿16.83亿元2013.07.29泰国长输原油管道泄漏5万升原油溢出并污染附近海域2013.08.15延长石油管道泄漏约10吨原油泄漏至河道2013.11.22中石化东黄原油管道泄漏62人死亡、136人受伤，直接经济损失7.52亿2014.06.30大连中石油原油泄漏直接经济损失0.05亿元2016.08.30陕西长庆油田原油泄漏泄漏原油至少5吨，造成大面积环境污染§8-4矿山安全随着我们国家煤矿资源开采量的持续增多，关于煤矿资源开采过程当中出现的安全事故也愈来愈多，安全事故不仅会给开采人员带来了财产损失，还带来了人身伤害以及生命威胁，与此同时也对煤矿企业的经济发展造成了极大程度的影响。机械通风的工作原理通常能够划分成为三种：抽风式是将风机设置在出风口，应用负压将矿井当中的有害气体抽出，进而充分满足地下矿井的空气需求；压入式是应用通风设施将大量的新鲜空气压入到地下矿井当中，并应用气压将地下矿井当中的有害气体排出，进而进一步实现空气对流；混合式就是将抽风式与压入式相互结合，在出风口安置抽风式设施，在入风口安置压入式设施，进一步增大地下矿井当中的空气流通，以此来为地下矿井当中的空气安全提供保障。§8-4矿山安全工作面需风量计算方式有如下几种：1、按气象条件计算：2、按瓦斯涌出量计算：3、按二氧化碳涌出量计算：4、按人数进行验算：5、按巷道允许风速进行验算：§8-5水利安全在水利工程中存在着大量流体力学问题，但有几种非常重要而又未被人充分了解的流动现象如下：1、泥沙运动。泥沙的输运与沉积不仅对水工建筑物与海防工程的作用和使用寿命有重要影响，且对河床、河口三角洲和海岸线的发展以及地球表面的地形演变也起着决定性的作用。2、空化现象。在流动的水中，速度较大处或水固界面上的绝对静压强低于水的蒸汽压强时，局部水汽化，溶于水的气体逸出，在该处形成充满蒸汽或气体的空泡称为空化。船用螺旋桨、水翼、尾舵、水下兵器、水力机械和水工建筑物等的表面均易发生空化现象，它不仅影响这些设备的水动力性能，还会大大缩短它们的使用寿命§8-5水利安全在水利工程中存在着大量流体力学问题，但有几种非常重要而又未被人充分了解的流动现象如下：3、夹带（或卷吸）现象。在高速湍流区和静止或低速非湍流区之间的自由界面附近往往存在一个不稳定的自由剪切层，受到扰动后，它会迅速地得到发展成为一系列涡旋并导致非湍流区的流体质点被夹带入湍流区。这一现象广泛存在于自然界和工程技术中，例如大瀑布、明渠流、无压管流等的自由界面处同时射流的碰击与表面波的破碎也能产生祸旋和夹带现象，应当指出高速湍流与静止或低速非湍流可以分别是液体或气体，也可同时均为流体或气体，甚至为同一流体。在水力学中将高速水流的夹带现象称为掺气，工程师们通常利用自然掺气来增进泄水建筑物的消能效果，以及利用人工掺气来减轻或避免过水建筑物的空蚀损坏。§8-6航空安全任何一种航空器，在空中飞行时必须保持力的平衡，即有一升力L与一拉（或推）力T，以分别平衡重力W和阻力D，一个理想的设计是航空器某些部件在运动过程中能生成升力，如飞机的机翼。与飞行器有关的流动可分为绕物体外部的流动与流经物体-特别是动力装置-内部的流动，如图所示。§8-6航空安全飞机飞行的流体介质就是空气，飞机不同的外形会在空气介质中形成不同的气动特性。且飞机产生升力的主要部件是机翼，平行于飞机的机体坐标系x轴截得的机翼截面称翼剖面，一般称之为翼型，翼型的几何特征直接影响到机翼和整个飞机的气动特性。按机翼几何形状分，翼型可分为两大类：一种是圆头尖尾翼，应用于低速，亚音速，跨声速和低超声速飞行的飞机翼型；另一种是尖头尖尾翼，用于较高速度飞行的高超声速飞机翼型或导弹尾翼。而按飞行速度划分，机翼又可分为低速翼，亚音速翼，超声速翼和高超声速翼。§8-6航空安全由于机翼是飞机产生升力的主要部件，所以机翼也是阻力和力矩产生的主要来源。而翼型对升力L，阻力D，力矩M等参数产生直接的影响。为研究飞行器与其气动特性的关系，空气动力学中引入了升力系数LC，阻力系数DC，力矩