《工程流體力學》第8章 安全工程領域的流體力學問題

工程流體力學

第八章安全工程領域的流體力學問題§8-1消防安全消防安全主要是針對火災現(xiàn)場的人員救援、火災撲滅與重要設備設施、財產(chǎn)的安全保護等，常見的火災場景主要有建筑火災、列車火災、船艙火災、礦井火災等，雖然它們都屬于消防火災，但在不同的火災場景下，涉及的可燃物以及環(huán)境溫度、濕度等條件均存在顯著差異，目前依據(jù)可燃物的類型和燃燒特性可將火災劃分為6類?；馂姆诸惗xA類火災固體物質火災（如木材、紙張）B類火災液體或可融化的固體物質火災（如煤油、石蠟）C類火災氣體火災（如甲烷、氫氣）D類火災金屬火災（如鈉、鎂）E類火災電器火災（如發(fā)電機房、電子計算機房）F類火災烹飪器具內(nèi)的烹飪物火災（如動植物油脂）§8-1消防安全火災是一種災害性的燃燒現(xiàn)象，它的發(fā)展過程中通常會經(jīng)過四個階段，分別為：火災初起階段、成長發(fā)展階段、猛烈燃燒階段與衰減熄滅階段，并且在此過程中，也會發(fā)生包含流體流動、傳熱性質和多種化學反應及其相互作用的復雜的物理化學過程?；馂陌l(fā)生時必將伴隨著發(fā)光、發(fā)熱以及CO2、CO等氣體的產(chǎn)生，其中溫度分布、煙氣運移是判定火災發(fā)展程度的重要標志?！?-1消防安全2019年4月15日下午6點40分左右，兩名安全員發(fā)現(xiàn)天花板上出現(xiàn)火情，火焰高度約有9英尺（約2.74m）高，十分鐘后教堂屋頂上冒出火焰和煙霧，約一小時后巴黎圣母院中部的尖塔坍塌，在8點10分左右，巴黎圣母院的整個屋頂?shù)顾耍蠡鸪掷m(xù)燃燒8小時左右到4月16日凌晨3時30分左右火情得到有效控制，大量文物珍寶被大火損壞?！?-1消防安全巴黎圣母院教堂總長約127m，總寬約48m，高度為69m，拱頂以下為10.1米，在火災發(fā)生時，煙氣厚度達到5m左右，假設煙氣流速為5m/s，煙氣溫度為500溫，煙氣平均分子質量為28.75kg/mol，材料燃燒的平均熱釋放速率為500kW。則：煙氣流量：

空氣卷吸流量：

煙氣運動速度：

煙氣下沉速度：

§8-2工業(yè)燃氣安全工業(yè)生產(chǎn)使用的能源種類很多，除煤、油和天然氣外，其他主要都是由煤轉換而成的二次能源。在鋼鐵企業(yè)中，焦爐煤氣、高爐煤氣和轉爐煤氣是生產(chǎn)過程中的副產(chǎn)品，也成為企業(yè)內(nèi)部的主要燃氣來源。焦爐煤氣、高爐煤氣分別產(chǎn)自于煉鐵系統(tǒng)中的煉焦工序和高爐工序，轉爐煤氣產(chǎn)自于煉鋼系統(tǒng)中的轉爐工序。無論煉焦工序、高爐工序還是轉爐工序所生產(chǎn)的煤氣除了工序本身用氣部分外，通過企業(yè)內(nèi)部的煤氣管網(wǎng)向其他用氣工序輸送。焦爐煤氣、高爐煤氣和轉爐煤氣的組分見下表。煤氣名稱組分（%）H2O2N2CH4COCO2C2H4C2H6C3H6高爐煤氣（BFG）3.60.050.70.022.623.1---焦爐煤氣（COG）60.60.01.326.06.62.22.30.80.2轉爐煤氣（LDG）3.1-200.860.515.60.058--§8-2工業(yè)燃氣安全焦爐煤氣、高爐煤氣和轉爐煤氣均屬于易燃、易爆、有毒性氣體。焦爐煤氣、高爐煤氣和轉爐煤氣的爆炸極限范圍均很寬，因此一旦泄漏后與空氣混合，遇明火極易發(fā)生著火或爆炸。焦爐煤氣、高爐煤氣和轉爐煤氣均含有劇毒物質，特別是高爐煤氣和轉爐煤氣，CO的含量分別高達22.6%和60.5%。人吸入后，會造成人體組織缺氧，神志不清，甚至危及生命?？諝庵泻砍^100ppm時，人不到1分鐘就感到頭痛，嘔吐，繼續(xù)吸入半小時會導致死亡。另外，焦爐煤氣中含有的烴類混合物，雖屬低毒性物質，但長期接觸可導致神經(jīng)衰弱綜合癥狀，其中含量很高的甲烷屬“單純窒息性”氣體，高濃度時人會因缺氧而引起中毒，當空氣的甲烷濃度達到25%-30%時人會出現(xiàn)頭昏、呼吸加速、運動失調(diào)。因此，在焦爐煤氣、高爐煤氣和轉爐煤氣生產(chǎn)、輸送與使用中稍有不慎，就會造成嚴重的后果?！?-3化工與石油安全目前，我國正處于進入工業(yè)化的關鍵階段，對能源的消費和需求不斷加大。能源作為經(jīng)濟發(fā)展的重要動力資源，對社會經(jīng)濟發(fā)展有著重要的作用。現(xiàn)階段，石油資源在我國能源結構中仍然占據(jù)較為重要的地位。在我國，油氣資源分布不均勻，大多位于東北和西北八大盆地地區(qū)，而消費人群則集中在東部沿海發(fā)達地區(qū)和中南部人口密集區(qū)。油氣資源的分散性，對其運輸提出了挑戰(zhàn)。由于腐蝕、管道質量缺陷、腐蝕、沖刷、運行磨損、違規(guī)操作及人為破壞等因素導致的穿孔、破裂泄漏事故時有發(fā)生，再加上管道內(nèi)輸送介質大多具有易燃易爆、有毒等性質，發(fā)生泄漏后，容易引發(fā)火災、爆炸、中毒等事故，造成人員傷亡和經(jīng)濟損失，產(chǎn)生較大的社會影響。近年來，原油管道泄漏事故時有發(fā)生，下表為統(tǒng)計的最近十幾年國內(nèi)外發(fā)生的部分原油管道泄漏事故?！?-3化工與石油安全時間事故后果2009.12.30蘭鄭長輸原油管道泄漏150方柴油流入渭河2010.05.05墨西哥灣漏油油污面積2000平方英里，損失數(shù)千億美元2010.07.16大連長輸原油管道泄漏1人死亡，2人受傷，財產(chǎn)損失2.23億元2011.06.04中海油渤海灣漏油影響海域840平方公里，賠償16.83億元2013.07.29泰國長輸原油管道泄漏5萬升原油溢出并污染附近海域2013.08.15延長石油管道泄漏約10噸原油泄漏至河道2013.11.22中石化東黃原油管道泄漏62人死亡、136人受傷，直接經(jīng)濟損失7.52億2014.06.30大連中石油原油泄漏直接經(jīng)濟損失0.05億元2016.08.30陜西長慶油田原油泄漏泄漏原油至少5噸，造成大面積環(huán)境污染§8-4礦山安全隨著我們國家煤礦資源開采量的持續(xù)增多，關于煤礦資源開采過程當中出現(xiàn)的安全事故也愈來愈多，安全事故不僅會給開采人員帶來了財產(chǎn)損失，還帶來了人身傷害以及生命威脅，與此同時也對煤礦企業(yè)的經(jīng)濟發(fā)展造成了極大程度的影響。機械通風的工作原理通常能夠劃分成為三種：抽風式是將風機設置在出風口，應用負壓將礦井當中的有害氣體抽出，進而充分滿足地下礦井的空氣需求；壓入式是應用通風設施將大量的新鮮空氣壓入到地下礦井當中，并應用氣壓將地下礦井當中的有害氣體排出，進而進一步實現(xiàn)空氣對流；混合式就是將抽風式與壓入式相互結合，在出風口安置抽風式設施，在入風口安置壓入式設施，進一步增大地下礦井當中的空氣流通，以此來為地下礦井當中的空氣安全提供保障?！?-4礦山安全工作面需風量計算方式有如下幾種：1、按氣象條件計算：2、按瓦斯涌出量計算：3、按二氧化碳涌出量計算：4、按人數(shù)進行驗算：5、按巷道允許風速進行驗算：§8-5水利安全在水利工程中存在著大量流體力學問題，但有幾種非常重要而又未被人充分了解的流動現(xiàn)象如下：1、泥沙運動。泥沙的輸運與沉積不僅對水工建筑物與海防工程的作用和使用壽命有重要影響，且對河床、河口三角洲和海岸線的發(fā)展以及地球表面的地形演變也起著決定性的作用。2、空化現(xiàn)象。在流動的水中，速度較大處或水固界面上的絕對靜壓強低于水的蒸汽壓強時，局部水汽化，溶于水的氣體逸出，在該處形成充滿蒸汽或氣體的空泡稱為空化。船用螺旋槳、水翼、尾舵、水下兵器、水力機械和水工建筑物等的表面均易發(fā)生空化現(xiàn)象，它不僅影響這些設備的水動力性能，還會大大縮短它們的使用壽命§8-5水利安全在水利工程中存在著大量流體力學問題，但有幾種非常重要而又未被人充分了解的流動現(xiàn)象如下：3、夾帶（或卷吸）現(xiàn)象。在高速湍流區(qū)和靜止或低速非湍流區(qū)之間的自由界面附近往往存在一個不穩(wěn)定的自由剪切層，受到擾動后，它會迅速地得到發(fā)展成為一系列渦旋并導致非湍流區(qū)的流體質點被夾帶入湍流區(qū)。這一現(xiàn)象廣泛存在于自然界和工程技術中，例如大瀑布、明渠流、無壓管流等的自由界面處同時射流的碰擊與表面波的破碎也能產(chǎn)生禍旋和夾帶現(xiàn)象，應當指出高速湍流與靜止或低速非湍流可以分別是液體或氣體，也可同時均為流體或氣體，甚至為同一流體。在水力學中將高速水流的夾帶現(xiàn)象稱為摻氣，工程師們通常利用自然摻氣來增進泄水建筑物的消能效果，以及利用人工摻氣來減輕或避免過水建筑物的空蝕損壞?！?-6航空安全任何一種航空器，在空中飛行時必須保持力的平衡，即有一升力L與一拉（或推）力T，以分別平衡重力W和阻力D，一個理想的設計是航空器某些部件在運動過程中能生成升力，如飛機的機翼。與飛行器有關的流動可分為繞物體外部的流動與流經(jīng)物體-特別是動力裝置-內(nèi)部的流動，如圖所示。§8-6航空安全飛機飛行的流體介質就是空氣，飛機不同的外形會在空氣介質中形成不同的氣動特性。且飛機產(chǎn)生升力的主要部件是機翼，平行于飛機的機體坐標系x軸截得的機翼截面稱翼剖面，一般稱之為翼型，翼型的幾何特征直接影響到機翼和整個飛機的氣動特性。按機翼幾何形狀分，翼型可分為兩大類：一種是圓頭尖尾翼，應用于低速，亞音速，跨聲速和低超聲速飛行的飛機翼型；另一種是尖頭尖尾翼，用于較高速度飛行的高超聲速飛機翼型或導彈尾翼。而按飛行速度劃分，機翼又可分為低速翼，亞音速翼，超聲速翼和高超聲速翼?！?-6航空安全由于機翼是飛機產(chǎn)生升力的主要部件，所以機翼也是阻力和力矩產(chǎn)生的主要來源。而翼型對升力L，阻力D，力矩M等參數(shù)產(chǎn)生直接的影響。為研究飛行器與其氣動特性的關系，空氣動力學中引入了升力系數(shù)LC，阻力系數(shù)DC，力矩