Трубный опыт: ученые создали установку для имитации взрывов и пожаров
Российские ученые разработали аэродинамическую трубу, которая позволяет моделировать атмосферные потоки и перепады давления в помещениях. Это дает возможность проверять надежность конструкций и устройств при перегрузках, вызванных перемещением масс воздуха, а также испытывать системы вентиляции, жизнеобеспечения и проектировать пути эвакуации людей при чрезвычайных ситуациях. Среди прочего испытательный стенд помогает имитировать взрывы и пожары.
Как смоделировать воздушный поток
Ученые из Уральского государственного горного университете разработали и внедрили в производственный процесс аэродинамическую трубу для моделирования движения воздушных потоков и перепадов давления внутри крупных инфраструктурных объектов, таких как здания торговых центров, станции метро или шахты горных выработок.
В том числе новое оборудование позволяет имитировать экстремальные сценарии, которые могут произойти внутри этих сооружений, например взрывы или сильные пожары.
Размеры аэротрубы — 15 м в длину и 4 м в диаметре. Такие габариты делают ее одним из крупнейших отечественных стендов такого типа. Установка оборудована датчиками, которые позволяют с высокой точностью отслеживать результаты экспериментов.
— Обычно аэротрубы имеют замкнутую конструкцию. В них эффект движения тела в среде достигается за счет быстрого перемещения воздуха или другого вещества по кругу. Однако наша установка разомкнута и состоит из двух частей — нагнетающего и всасывающего вентиляторов. Получается природоподобная система, где в одной зоне создается повышенное давление, а в другой — пониженное, то есть антициклон и циклон. И воздушные массы перемещаются из первой области во вторую, — объяснил «Известиям» принцип действия оборудования руководитель команды разработчиков, советник при ректорате УГГУ Вадим Минин.
Он пояснил, что, управляя мощностью вентиляторов, специалисты могут имитировать разные режимы перемещения воздушных масс, воссоздавая процессы, аналогичные тем, что происходят в природе. В том числе ученые могут управлять силой ветра и атмосферного давления и доводить эти показатели до экстремальных значений.
Помещая разные объекты в модельные условия, можно испытывать надежность функциональных и несущих конструкций при значительных перегрузках.
Например, аэротруба позволяет изучить работоспособность вентиляционного оборудования или определить, какие объемы газа и за какой период способны пропустить через себя тоннели, коридоры, дверные, оконные проемы и разного рода технические каналы и отверстия. Такие исследования дают возможность инженерам визуализировать движение газов в помещениях, что важно, в частности, для создания систем жизнеобеспечения и проектирования путей эвакуации.
— На распределение воздушных потоков в замкнутых пространствах влияют источники тепла, геометрия помещений, ширина проходов, присутствие людей и другие факторы. Если иметь в виду горные выработки, то имеет значение и постоянное увеличение размеров рудника, и тип оборудования, и наличие двигателей внутреннего сгорания и так далее. Поэтому, к примеру, моделирование отдельных элементов системы проветривания помещений позволит получить точные параметры, чтобы обеспечить оптимальный и безопасный режим работы объекта, — отметил Вадим Минин.
Взрывная аэротруба
В частности, пояснил специалист, благодаря аэротрубе специалисты могут воссоздать условия, которые возникают в шахтах во время проведения взрывных работ. Такие мероприятия служат частью технологического процесса, помогая отбить горную массу или произвести разведку породы.
— При взрыве под действием ударной волны воздух кратковременно расширяется и уплотняется. В этот момент газ по своим свойствам аналогичен твердому телу. С учетом того что взрывные работы на руднике производятся регулярно, сила разрушающего воздействия может оказаться значительной. Это нужно учитывать при сооружении несущих конструкций горных выработок, — объяснил Вадим Минин.
По его словам, аэротруба позволяет смоделировать взрыв силой 500 т в тротиловом эквиваленте. Помимо этого с ее помощью инженеры получают возможность имитировать и другие аварийные ситуации, например распространение огня в помещениях при пожаре.
Еще одной сферой применения нового стенда, подчеркнул ученый, может стать моделирование рабочей среды для испытания беспилотников, предназначенных для полетов в замкнутых пространствах. Для них резкое изменение атмосферных условий может привести к утрате устойчивости, потере управления и аварии. Изучение специфических режимов полетов в аэротрубе позволит улучшить аэродинамику и маневренность такого рода аппаратов. Особенно это актуально при разработке микрокоптеров или дронов-насекомых — миниатюрных роботов, приспособленных проникать в небольшие отверстия.
— Важно, что с помощью аэротрубы инженеры получили возможность проводить полноценные натурные испытания. Это дает возможность еще на этапе опытно-конструкторских работ использовать наиболее достоверную информацию об изготавливаемых устройствах и вносить необходимые коррективы в конструкцию, добиваясь наиболее оптимального результата. Такие данные невозможно получить с помощью расчетов или косвенных методов, — рассказал «Известиям» генеральный директор артемовского машиностроительного завода «Вентпром» Павел Вяткин.
Он добавил, что дальнейшее совершенствование стенда может также идти по пути установки более точных измерительных датчиков и приборов.
— Уральская аэротруба — это инструмент, который позволяет моделировать уникальные условия. Однако вентиляторы, которые в этой установке создают вихри возмущения в потоке, — это источники дополнительных вибраций и электромагнитных полей, из-за которых возникают погрешности в измерениях, — в свою очередь отметил эксперт, начальник отдела аэрофизики многофазных течений, разреженных газов и плазмы Центрального аэрогидродинамического института им. Н.Е. Жуковского Иван Амелюшкин.
Он объяснил, что в соответствии с законами физики перемещение воздушных потоков в природе происходит из-за разности температур и давлений. Поэтому для более точных измерений можно создать установку, где по обеим сторонам от трубы будут размещены резервуары с разными давлениями и температурами. В этом случае при открытии перегородок будет возникать поток воздуха без возмущений, вызванных работой вентиляторов.
