CC BY
52
УДК 536.46
РАСПРОСТРАНЕНИЕ ПЛАМЕНИ В СОСУДЕ, ЧАСТИЧНО ЗАПОЛНЕННОМ ПОРИСТОЙ СРЕДОЙ
Ярослав Владимирович Козлов
Институт химической кинетики и горения СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, ул. Институтская, 3, ведущий инженер, тел. (383)333-22-96, e-mail: yaroslav@kinetics.nsc.ru
Алексей Анатольевич Коржавин
Институт химической кинетики и горения СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, ул. Институтская, 3, доктор технических наук, доцент, заведующий лабораторией физики и химии горения газов, тел. (383)333-22-96, e-mail: korzh@kinetics.nsc.ru
Павел Кондратьевич Сеначин
Алтайский государственный технический университет им. И. И. Ползунова, 656038, Россия, г. Барнаул, пр. Ленина, 46, доктор технических наук, тел. (3852)29-87-22, e-mail: senachinpk@mail.ru
Проведено исследование процессов горения в закрытом сосуде, частично заполненном пористой средой. Изучено влияние незаполненного объёма на основные характеристики горения: давление взрыва и пределы распространения.
Ключевые слова: горение, взрыв, пористая среда, закрытый сосуд.
FLAME PROPAGATION IN CLOSED VESSEL PARTIALLY FILLED WITH POROUS MEDIUM
Yaroslav V. Kozlov
Institute Chemical Kinetics and Combustion SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 3 Institutskaya, leading engineer, tel. (383)333-22-96, e-mail: yaroslav@kinetics.nsc.ru
Aleksey A. Korzhavin
Institute Chemical Kinetics and Combustion SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 3 Institutskaya, Dr.Sci, head laboratory PCCG, tel. (383)333-22-96, e-mail: korzh@kinetics.nsc.ru
Pavel K. Senachin
Polzunov Altai State Technical University, 656038, Russia, Barnaul, 46 Lenin Ave., Dr. Sci, professor, tel. (3852)29-87-22, e-mail: senachinpk@mail.ru
The study of combustion processes in closed vessel partially filled with porous medium was carried out. The influence of the unfilled volume on the main characteristics of combustion such as explosion pressure and flammability limits was investigated.
Key words: combustion, explosion, porous medium, closed vessel.
С точки зрения проблем пожаровзрывобезопасности интересны два режима горения в пористых средах: режим низких скоростей (РНС) с характерными скоростями распространения волн горения порядка 10-4м/с. Этот режим может осуществляться в пористой среде, с диаметром канала ниже критического и при
наличии сильного теплового взаимодействия. Режим высоких скоростей (РВС) это режим с характерными скоростями распространения пламени 0.4^10 м/с. Этот режим может реализовываться в условиях постоянного объёма в пористой среде, с диаметром канала выше критического [1, 2]. Пористые среды, в которых могут быть реализованы РНС, используются в качестве огнепреградителей [3, 4].
Взрывозащита закрытых объёмов возможна в режимах высоких скоростей [5-7] в полностью заполненном пористой средой сосуде. Интересно исследовать возможность взрывозащиты закрытых сосудов посредством частичного заполнения пористой средой. В этом случае начальные давления и давления входа в ПС могут сильно различаться. Снижение предельного давления и влияние на динамику давления по сравнению с полностью заполненными системами - это основные эффекты этой системы. В настоящей работе исследуется распространение пламени горения в линейном частично заполненном пористой средой сосуде вблизи предела распространения по начальному давлению.
Экспериментальная установка представляет собой вертикальную трубу квадратного сечения 48х48 мм и длиной L=1.68 м с окнами для фотодиодов. Расстояние между окнами, на которых были установлены фотодиоды, равно 12 см. Пористая среда (ПС) - засыпка стальными шарами диаметром 6 мм, пористостью £=0.4, высотой l (l может изменяться от 0 до L). Верхняя часть трубы оставалась свободной от ПС. Горючая смесь: 4% C3H8 в смеси с воздухом. Начальные давления изменялись от 0.1 МПа до 0.2 МПа. Зажигание осуществлялось в свободной верхней части трубы, пламя распространялось сверху вниз. Для характеристики степени заполнения используется параметр kf=l/L - коэффициент заполнения. kf изменялся от 0 до 1. kf=0 - труба без пористой среды, k=1 пористая среда полностью заполняет трубу.
Основными характеристическими давлениями являются начальное давление смеси p0, давление входа пламени в ПС pent, максимальное давление pm. Давление входа - текущее давление в момент входа в ПС, достигаемое при распространении волны горения по свободному объёму. Это давление есть начальный параметр распространения волны горения в ПС. Максимальное давление pm - наибольшее измеряемое давление в эксперименте, возникающее при вхождении волны горения в ПС за счет перестройки структуры волны с ламинарного на турбулентный тип [5-7]. После воспламенения волна горения сначала распространялась по свободному объёму, затем входила в ПС. В эксперименте регистрировались текущее давление и координата пламени по сигналам фотодиодов на окнах.
Распространение пламени в свободной части сосуда происходит послойно в ламинарном фронте с постепенным ростом давления. В этом случае в свободной части сосуда устанавливается неравномерное распределение температуры в продуктах сгорания вследствие Махе-эффекта и охлаждения стенкой [8]. Пламя подходит к границе «свободный объём / пористая среда» не при начальном давлении p0, а при значении pent (рис.1, штрих-пунктир f).
При вхождении в ПС волна горения (пламя) претерпевает существенную перестройку с ламинарного на турбулентно-подобный тип. При заполнениях ниже 0.5 (рис. 1) на осциллограмме отчетливо виден бросок давления до рт, обусловленный вождением волны в ПС и перестройкой её структуры.
Рис. 1. Динамика давления ж(1), п=р/р0. 1 - к=0.107, р0=0.122 МРа; 2 - £=0.107, р0=0.185 МРа; f - время и давление входа в ПС, с - окончание распространения
На рис. 2 представлена зависимость безразмерного давления пт=рт/р0 от к. 86-
2
0 Ц—I—|—I—|—I—|—I—|—.—|—I—|—I—|—I—|—.—|—I—|
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
к
Рис. 2. Зависимость безразмерного максимального давления пт=рт/р0 от к
Как видно, при снижении заполнения от к=1 до £=0.2 пт монотонно растет. При уменьшении к ниже 0.2 рост замедляется, и пт стремится к пт=4.2 (для адиабатического случая пт=8.15), что говорит о сильном влиянии охлаждения продуктов сгорания на стенках в свободном объеме на процесс распространения пламени. Т.е. для малых к давление рт определяется не только начальными условиями по давлению и к, но также условиями теплообмена между газом и стенками сосуда. Например, для к =0.107, р0=0.122 МПа (рис.1, кривая 1, 1=200^270 мс) заметно некоторое понижение давления перед входом в ПС за счет охлаждения продуктов в незаполненной части сосуда. После вхождения пламени в ПС, волна горения распространяется в ПС уже в режиме РВС. При этом характерное время охлаждения продуктов сгорания в ПС порядка 10" с, поэтому продукты сгорания успевают расшириться и охладиться на длине волны горения [9]. В случае к=1 охлаждение полностью определяется тепловым взаимодействием между ПС и газовой фазой, а конденсация паров воды из продуктов приводит к тому, что конечное давление становится немного меньше начального [9]. В случае частично заполненных сосудов, большое падение давления относительно максимального давления обусловлено не межфазным взаимодействием в ПС, а охлаждением продуктов горения на стенке в свободной части сосуда. Например (рис.1), окончание процесса горения в ПС происходит на фоне продолжающего снижения давления в сосуде. Опыты показали, что начальное давление для к<1 может быть ниже предельного давления для к=1. Таким образом, в этих условиях возможно вхождение пламени и распространение по ПС, с достижением максимальных для данных условий давлений.
На рис. 3 представлена зависимость пт от р0 для разных коэффициентов заполнения, в условиях вхождения и распространения пламени по ПС.
Рис. 3. Зависимость пт от р0. 1 - к=0.25; 2 - 0.32; 3 - 0.46; 4- 0.53; 5 - 0.82; 6-к=1.
Как видно из рис. 3, в полностью заполненной трубе при k=1, предел распространения в ПС 0.150 МПа, а пт=1.1. При уменьшении коэффициента заполнения, происходит снижение предельного давления за счёт большего прироста pent=nentp0. Если для к=0.82 пределом, выше которого волна горения распространяется до конца, является p0=0.146 МПа, то уже для к=0.25 при начальных давлениях p0=0.11 МПа волна горения входит и распространяется через ПС. Рост пт от p0 указывает на увеличение ширины зоны горения в ПС вследствие увеличения давления, что хорошо согласуется с [9].
Из [7,10] следует, что для полностью заполненного ПС сосуда, динамическое изменение параметров состояния газа в процессе горения, приводит к нестационарным эффектам. Например, межрежимному переходу, гашению пламени во время распространения по ПС для некоторых частных случаев. Для сосуда с частичным заполнением ПС, для начальных давлений 0.1^0.14 МПа и k>0.3, присутствует широкая область гашения пламени в ПС. Эта область нестационарного распространения обусловлена незаполненным объемом. Так как это пространство позволяет получить давления входа выше предельных, а затем, при распространении пламени в ПС, за счет охлаждения продуктов сгорания в незаполненном пространстве достигается предельное давление для распространения пламени в ПС.
Выводы.
Были проведены эксперименты в частично заполненном сосуде в диапазоне давлений от 0.1 МПа до 0.2 МПа при изменении степени заполнения сосуда пористой средой к от 0.107 до 1.
Получены и обобщены зависимости текущего давления от начального давления и коэффициента заполнения пористой средой. Динамика давления существенно зависит от охлаждения продуктов сгорания стенками в свободной части сосуда.
Получена зависимость относительного максимального давления от степени заполнения сосуда пористой средой.
Причиной понижения предельного давления является наличие свободного объема, распространение пламени в нем вызывает рост давления до величин, превышающих начальное подпредельное давление.
Получены новые экспериментальные данные о нестационарных явлениях, которые связаны с гашением при распространении пламени в ПС.
Работа поддержана РФФИ грант 13-08-00480.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Лаевский Ю.М., Бабкин В.С. Фильтрационное горение газов // В кн. Распространение тепловых волн в гетерогенных средах. Под ред. проф. Ю.Ш.Матрос. - Новосибирск: Наука, -1988. -С.108-145.
2. Замащиков В.В., Козлов Я.В., Коржавин А.А., Лаевский Ю.М., Бабкин В.С. Особый режим фильтрационного горения газов // ДАН.- 2009,Т.428, №4, - С.484-486.
3. Babkin V.S. The Problems of Porous Flame-Arresters // In: Prevention of Hazardous Fires and Explosions, V.E. Zarko et al., (Ed.), Kluwer Academic Publishers, Printed in Netherlands, -1999, -P.199-213.
4. Babkin V.S. Some Problems of Critical Diameter.// Proc. on the Second Intern. Seminar Fire- and Explosion Hazard of Substances and Venting of Deflagrations Ed. V. Molkov, All-Russian Research Institute for Fire Protection, Moscow, Russia, -1998. —P.113-125.
5. Бабкин В.С., Бунев В.А., Коржавин А.А. и др. Горение газа в закрытом сосуде с инертной высокопористой средой // Физика горения и взрыва.-1985.-Т.21, № 5.-С. 17-22
6. Babkin V.S., Korzhavin A.A., Bunev V.A. Propagation of premixed explosion flames in porous media.//Combust.Flame. - 1991. - Vol. 87, N 2. - P. 182-190.
7. Korzhavin A.A., Bunev V.A., Babkin V.S. Dinamics of Gas Combustion in Closed Systems with an Inert Porous Medium.//Combustion and Flame. -1997. Vol. 109. - P. 507-520.
8. Зельдович Я.Б., Баренблатт Г.И., Либрович В.Б., Махвиладзе Г.М.//Математическая теория горения и взрыва. М: Наука, 1980. -472 с.
9. О зоне пламени при горении газа в инертной пористой среде/ Коржавин А.А., Бунев В.А., Абдуллин Р.Х., Бабкин В.С.// Физика горения и взрыва.-1982. - Т.18, № 6.- С. 20-23.
10. Коржавин А.А., Бунев В.А., Бабкин В.С. Нестационарные эффекты при горении газа в закрытых сосудах с инертной пористой средой// Физика горения и взрыва. -1997.- Т.33, № 1.- С. 24-32.
© Я. В. Козлов, А. А. Коржавин, П. К. Сеначин, 2015
