Научная статья на тему 'Численное и экспериментальное исследование предельных условий возгорания ткани, пропитанной горючей жидкостью, при локальном нагреве'

Численное и экспериментальное исследование предельных условий возгорания ткани, пропитанной горючей жидкостью, при локальном нагреве Текст научной статьи по специальности «Физика»

CC BY
49
7
Поделиться
Область наук
Ключевые слова
ЗАЖИГАНИЕ / ПАРЫ ГОРЮЧЕГО / ТКАНЬ / ЛОКАЛЬНЫЙ НАГРЕВ / ОДИНОЧНАЯ ЧАСТИЦА / ВРЕМЯ ЗАДЕРЖКИ ЗАЖИГАНИЯ / IGNITION / COMBUSTIBLE VAPORS / CLOTH / LOCAL HEATING / SINGLE PARTICLE / IGNITION TIME DELAY

Аннотация научной статьи по физике, автор научной работы — Андреев Г. Г., Захаревич А. В., Панин B. Ф., Стрижак П. А.

Представлены результаты численного и экспериментального исследований макроскопических закономерностей зажигания паров горючей жидкости, поступающих с пропитанной ею ткани в среду окислителя, при локальном нагреве — взаимодействии с типичным источником ограниченной энергоемкости. Установлены предельные условия зажигания гетерогенной структуры ткань жидкость при нагревании ее одиночной металлической частицей малых размеров. Определены характерные времена задержки зажигания и зависимости интегральных характеристик зажигания от основных параметров локального источника энергии — температуры и размеров разогретой до высоких температур частицы. Проведено сопоставление численных и экспериментальных результатов исследований.

Похожие темы научных работ по физике , автор научной работы — Андреев Г. Г., Захаревич А. В., Панин B. Ф., Стрижак П. А.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

NUMERICAL AND EXPERIMENTAL RESEARCH OF LIMITING CONDITIONS OF IGNITION OF IMPREGNATED WITH COMBUSTIBLE LIQUID CLOTH IN CASE OF LOCAL HEATING

The results of numerical and experimental researches of ignition of combustible liquid vapors arose from the surface of the impregnated cloth (with thickness comparable with size of energy source) during local heating. It was supposed that in initial time the volume fraction of combustible liquid contained in cloth is known. In case of heating the liquid is evaporated from the surface of cloth, vapors of fuel and oxidizer are mixed, heated and ignited. The mathematical model includes motion, continuity, energy, diffusion and balance equations for the gas-vapor mixture taking into account the reaction of oxidation, for thermal conductivity of a particle taking into account the heat release as a result of crystallization, for heat conductivity of cloth impregnated with combustible liquid. In process of experimental research as a source of heating used a metal disc, which was heated in furnace to a temperature of 1473 K. As a combustible liquid it was chosen gasoline. It is experimentally determined that if the size of ignition source is R p = 3 10 -3 m and Z p = 5 TO -3 m, then minimum temperature of steel particle, initiated ignition of cloth, is T p = 1000 K. If R p and Z pvalues are increased, then limit value of T p is slightly decreased, but not reached the temperature of 950 K under no circumstances. It is also determined that ignition can be initiated only if content of flammable liquid in cloth (9) is not less than 30 % regardless of the temperature of a local heating source. On the base of results of numerical researches it was received the approximative dependences of the system ignition delay time on the initial temperature of the heated metal particle and from its size. Besides, rather good compliance of results of executed numerical and experimental researches is illustrated. A good adjustment of results of executed researches to the regularities obtained for homogeneous structures liquid fuels is also received.

Текст научной работы на тему «Численное и экспериментальное исследование предельных условий возгорания ткани, пропитанной горючей жидкостью, при локальном нагреве»

Г. Г. АНДРЕЕВ, д-р техн. наук, профессор кафедры химической технологии редких, рассеянных и радиоактивных элементов Физико-технического института Национального исследовательского Томского политехнического университета (Россия, 634050, г. Томск, пр. Ленина, 30)

A. В. ЗАХАРЕВИЧ, канд. физ.-мат. наук, инженер лаборатории моделирования процессов тепломассопереноса, доцент кафедры теоретической и промышленной теплотехники Энергетического института Национального исследовательского Томского политехнического университета (Россия, 634050, г. Томск, пр. Ленина, 30; e-mail: bet@tpu.ru)

B. Ф. ПАНИН, д-р техн. наук, профессор кафедры экологии и безопасности жизнедеятельности Института неразрушающего контроля Национального исследовательского Томского политехнического университета

(Россия, 634050, г. Томск, пр. Ленина, 30)

П. А. СТРИЖАК, д-р физ.-мат. наук, профессор кафедры автоматизации теплоэнергетических процессов Энергетического института Национального исследовательского Томского политехнического университета (Россия, 634050, г. Томск, пр. Ленина, 30; e-mail: pavelspa@tpu.ru)

УДК 536.468

ЧИСЛЕННОЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРЕДЕЛЬНЫХ УСЛОВИЙ ВОЗГОРАНИЯ ТКАНИ, ПРОПИТАННОЙ ГОРЮЧЕЙ ЖИДКОСТЬЮ, ПРИ ЛОКАЛЬНОМ НАГРЕВЕ

Представлены результаты численного и экспериментального исследований макроскопических закономерностей зажигания паров горючей жидкости, поступающих с пропитанной ею ткани в среду окислителя, при локальном нагреве — взаимодействии с типичным источником ограниченной энергоемкости. Установлены предельные условия зажигания гетерогенной структуры ткань - жидкость при нагревании ее одиночной металлической частицей малых размеров. Определены характерные времена задержки зажигания и зависимости интегральных характеристик зажигания от основных параметров локального источника энергии — температуры и размеров разогретой до высоких температур частицы. Проведено сопоставление численных и экспериментальных результатов исследований.

Ключевые слова: зажигание; пары горючего; ткань; локальный нагрев; одиночная частица; время задержки зажигания.

Введение

Выполненный в последние годы цикл численных [1-5] и экспериментальных [6-9] исследований пожароопасных процессов зажигания типичных горючих и легковоспламеняющихся жидкостей широко распространенными источниками ограниченной энергоемкости (металлические и неметаллические частицы, проволочки, стержни и т. п.) позволил установить предельные условия зажигания конденсированных веществ при локальном нагреве для ряда областей (специальная техника, пожаровзрыво-опасность веществ и материалов, химические производства и др.). В [10, 11] приведены результаты численных исследований процессов зажигания такими же источниками нагрева сложных систем с гетерогенными структурами — тканей, пропитанных горючими жидкостями. При этом выбирались ткани, характерные толщины которых существенно больше

размеров источников нагрева. Следует отметить, что установленные интегральные характеристики зажигания (в частности, времена задержки зажигания ^) являются верхними оценками [10, 11]. На практике чаще возможна реализация условий, при которых локальные источники нагрева (разогретые частицы, проволочки, стержни, стружки и т. д.) имеют характерные размеры, сопоставимые с толщинами (или даже превышающие их) пропитанных горючими жидкостями тканей. Представляет интерес теоретический и экспериментальный анализ условий зажигания таких структур и сопоставление с результатами ранее выполненных исследований [10, 11].

Цель работы — численное и экспериментальное исследование предельных условий возгорания паров жидкого горючего вещества, поступающих с поверхности пропитанной им ткани (толщиной, сопоставимой с размерами источника энергии), при локальном нагреве.

© Андреев Г. Г., Захаревич А. В., Панин В. Ф., Стрижах П. А., 2013

Постановка задачи

Постановка задачи аналогична указанным в [10,11]. Рассматривалась система одиночная, нагретая до высоких температур металлическая частица -ткань, пропитанная горючей жидкостью - парогазовая смесь (рис. 1). В отличие от постановок, приведенных в [10, 11], характерные размеры частицы сопоставимы с толщиной ткани. Принималось, что в начальный момент времени в ткани содержится жидкое горючее вещество, объемная доля ф которого известна. При попадании на поверхность ткани нагретой до высоких температур частицы компоненты горючей жидкости начинают интенсивно испаряться. Образующиеся при этом пары горючего перемешиваются с окислителем — воздухом и нагреваются за счет энергии разогретой частицы. При достижении предельных температур парогазовой смеси и концентраций в ней горючего происходит ее воспламенение.

Аналогично задачам [10, 11] исследования выполнены для типичных пожароопасных жидкостей (бензин, керосин, дизельное топливо) и широко распространенных тканей (шерсть, шелк, лен). В отличие от [10, 11] в качестве источника нагрева выбрана стальная частица в форме цилиндрического диска малых размеров Яр и 2р. При этом характерные размеры области решения задачи зажигания Яь и принимались значительно больше Яр и 2р.

Численное моделирование выполнено аналогично [10, 11] при следующих допущениях:

1) в результате испарения горючей жидкости образуется одно вещество с известными характеристиками;

2) теплофизические характеристики материала частицы, ткани, жидкости и воздуха не зависят от температуры;

3) не учитывается возможная неидеальность теплового контакта на границе частица - ткань (деформация соприкасающихся поверхностей ткани и частицы).

В качестве условий воспламенения аналогично [10, 11] приняты следующие [12]:

Ч

Рис. 1. Схема области решения задачи при 0 < t < td: 1 — парогазовая смесь; 2 — металлическая частица; 3 — ткань, пропитанная горючей жидкостью

• тепло, выделяемое в результате химической реакции паров горючего с окислителем, больше тепла, передаваемого от частицы системе жидкость - ткань и в среду окислителя;

• температура парогазовой смеси превышает начальную температуру частицы.

Математическая модель и метод решения

Математическая модель включает уравнения движения, неразрывности, энергии, диффузии и баланса для парогазовой смеси с учетом реакции окисления и теплопроводности для частицы с учетом выделения тепла в результате кристаллизации и теплопроводности для ткани, пропитанной жидким горючим веществом (0 < t < td) [12-16]: • 21 <2 < Z2, Я1 <г < Я£; Z2 <2 < 2Ь, 0 < г < Я£:

= V,

дю

~дг

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

(д2 ю

дю дг

дю ~д2

юи г

ч ~ 1 дю д2 ю ю 1 „ дТ

дг2 г дг д22

д 2 у 1 ду д 2 у

дг

дг2

Р1С1 дТ1

дТ1 ~дг

г дг д22 дТ1

дг

= -г ю; дТ1

47Т

дг2

1

г дг

дТ12

а2"

(1)

(2)

(3)

^оК;

д С

/

д С

/

дt

= Д,

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

д С2 "дг2

дг 1 д Сг

д С / ~д2

д С2

дг д2 2

С + Со =1;

2Х< 2 < Z2, 0 < г < Я1:

дt

= а2

дТ2

дг 2

1:

г дг

Т. д22

Zp Р2 С2

0 < 2 < 0 < г < Я£:

дТ3

~дГ

= а3

дТ32

дг 2

1

г дг

дТ32

а2

(4)

(5)

(6)

(7)

Здесь t — время, с; г, 2 — координаты цилиндрической системы координат; ю — вектор вихря скорости, с-1; и, w — составляющие скорости конвекции смеси паров горючего и окислителя в проекции на оси г и 2 соответственно, м/с; V — кинематическая вязкость, м2/с; g — ускорение свободного падения в проекции на ось 2, м/с2; Р — коэффициент термического расширения, К-1; Т — температура, К; у — функция тока, м2/с; р — плотность, кг/м3; С—удель-

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

ная теплоемкость, Дж/(кгК); X — коэффициент теплопроводности, Вт/(м-К); Qo — тепловой эффект реакции окисления паров горючего в воздухе, МДж/кг; Ж0 — массовая скорость окисления паров горючего в воздухе, кг/(м3 с); Су — массовая концентрация паров жидкого горючего вещества (0 < Су< 1); В—коэффициент диффузии, м2/с; С0 — массовая концентрация окислителя; а — коэффициент температуропроводности, м2/с; Qc — тепловой эффект кристаллизации частицы, кДж/кг; Жс — массовая скорость кристаллизации частицы, кг/(м2-с); индексы "1", "2", "3", "4" соответствуют парогазовой смеси, частице, системе жидкость — ткань, парам горючего.

Начальные условия ^ =0): Тз = То при 0 < г < Ъь 0 < г < Яь; Т2 = Тр при 21 < г < Ъг, 0 < г < Ль Т1 = Т0, Су = 0, у = 0, ю = 0 при Ъ1 < г < Ъ2, Л1<г<Яь; Ъ2<г < 2и 0 < г<Яи где Т0 — начальная температура воздуха, ткани и жидкости, К;

Тр — начальная температура частицы, К. Граничные условия при 0 < t < td задавались следующие:

• на границе частица - парогазовая смесь (г = Ъ2, 0< г < Л1; г = Л1, Ъ1 < г < Ъ2): для уравнений энергии и теплопроводности — граничные условия IV рода; для уравнений диффузии, движения, неразрывности — условие равенства нулю градиентов соответствующих функций;

• на границе парогазовая смесь - ткань (г = Ъ1, Л1 < г < Я1): для уравнения энергии — граничные условия IV рода с учетом испарения компонентов жидкости с поверхности ткани; для уравнений диффузии, движения, неразрывности — граничные условия II рода;

• на границе частица - ткань (г = Ъ1, 0 < г < Л1): для уравнений теплопроводности — граничные условия IV рода;

• на оси симметрии и внешних границах (г = 0, г = 0 < г < Л£; г = Яь, 0 < г < Ъ£): для всех уравнений — условие равенства нулю градиентов соответствующих функций.

Методы решения системы нестационарных дифференциальных уравнений (1)-(7) с соответствующими начальными и граничными условиями аналогичны описанным в [10, 11].

Методика оценки достоверности результатов выполненных теоретических исследований, основанная на проверке консервативности применяемой разностной схемы, аналогична используемым в [1-5].

Методика проведения эксперимента

Экспериментальные исследования проводили на установке (рис. 2) и по методикам, описанным в [6-9].

13

м

71:-ЦГЗгов

-,10 11 9

Рис. 2. Принципиальная схема экспериментальной установки: 1 — нагревательный прибор; 2 — штатив; 3—хромель-алюме-левая термопара; 4 — керамический стержень; 5 — устройство для измерения и контроля температуры УКТ-Щ4-ТП; 6 — металлическая частица; 7 — рабочая поверхность экспериментальной установки; 8 — огнестойкая площадка; 9 — приемник излучения и регистратор пламени; 10 — излучатель; 11 — образец ткани, пропитанной горючей жидкостью; 12 — аналого-цифровой преобразователь; 13 — персональный компьютер

В качестве источника зажигания использовался металлический диск фиксированных размеров: радиусом Лр = (3^5)-10-3 м; высотой Ър = (3^5)-10-3 м. Размеры Ър и Лр диска выбирались таким образом, чтобы обеспечивался хороший контакт его с поверхностью ткани. Экспериментально установлено, что положение слишком маленьких (и, соответственно, легких) частиц (Лр = Ър <210-3м) в момент контакта с тканью не было устойчивым.

Металлическая частица при падении на поверхность ткани находилась в твердом состоянии и не деформировалась, так как ее скорость в момент удара о поверхность экспериментального образца не превышала 1,5 м/с. Форма образца ткани после осаждения на его поверхность "горячей" частицы также не менялась. Эксперименты проводились в хорошо воспроизводимых условиях.

Нагрев металлического диска до заданной температуры осуществлялся в нагревательной печи [6-9], обеспечивающей стабильную температуру рабочего объема (до 1473 К) в течение длительного времени.

Аналогично [6-9] с помощью видеосъемки контролировалось время с момента соприкосновения частицы с тканью до зажигания последней.

Систематическая погрешность измерения температуры источника нагрева, оцениваемая по методике [17], не превышала 1-2 %. Установлено, что за время падения температура поверхности контакта частицы с тканью снижается не более чем на 3-4 К. Таким образом, погрешность определения температуры равна +0,5 %. Этим отклонением при анализе можно пренебречь, так как в экспериментах температура частицы превышала 900 К. Систематическая погрешность измерения времени составляла +0,005 % и определялась возможностями ЭВМ.

Случайная ошибка определения времени задержки зажигания вычислялась по результатам экспериментов. При фиксированном значении Тр для каждого размера частиц проводилось 6-8 опытов, после чего определялись средние для каждого значения Тр времена задержки зажигания td и среднеквадрати-ческие отклонения а по методике [18]. Значения а для исследуемых тканей различались и составляли от +0,01 до ±0,17 с. Соответствующие коэффициенты вариации изменялись от ±4,5 до ±15 %. Полученные среднеквадратические отклонения и коэффициенты вариации можно считать приемлемыми для проведенных экспериментов в связи со сложностью механизма реализации изучаемого процесса.

Визуальные наблюдения за процессом зажигания исследуемых гетерогенных структур были недостаточны для адекватного описания деталей и условий механизма зажигания. Поэтому использовалась видеосъемка [6-9] с частотой 50 кадров в секунду, которая обеспечивала возможность детализации исследуемых механизмов и выделения достаточно тонких эффектов при многократном анализе видеокадров.

Результаты и обсуждение

Для численных исследований принимались следующие значения параметров [19-22]:

• термохимические характеристики реакций окисления: паров бензина — Qо = 45 МДж/кг, Е = 130 кДж/моль, к0 = 7-106 с-1; керосина — Qо = = 43,8 МДж/кг, Е = 190 кДж/моль, к0 = 7107 с-1; дизельного топлива — Qо = 42 МДж/кг, Е = = 250 кДж/моль, к0 = 9108 с-1; размеры частицы — Яр = Zp = (3^5)-10-3 м, ткани — ^ = 4 10-3 м

р р _3 -3

и области решения—Яь = 2010 м, ZL =1010 м; начальные температуры частицы — Тр = 1000^ 1500 К, ткани и окислителя — Т0 = 300 К;

• теплофизические характеристики жидких горючих веществ (керосин, бензин, дизельное топливо), тканей (шерсть, шелк, лен), окислителя (воздух) и стальной частицы — согласно [19-22]. Выполненные ранее численные исследования

[10, 11] позволили определить группу факторов и процессов, оказывающих доминирующее влияние на необходимые и достаточные условия реализации зажигания в системе локальный источник нагрева -ткань, пропитанная жидким горючим веществом -окислитель. Так, например, установлено [10, 11], что основными параметрами являются температура источника зажигания Тр и объемная доля паров горючей жидкости в ткани ф. В связи с этим представляет интерес оценка влияния на интегральные характеристики зажигания именно этих параметров.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

На рис. 3 и 4 приведены кадры видеограмм, полученных при реализации условий зажигания и от-

Рис. 3. Кадр видеограммы эксперимента с воспламенением паров керосина, поступающих с поверхности гетерогенной структуры — шерстяной ткани, пропитанной горючей жидкостью (Тр = 1250 К, Яр = 310-3 м, Zp = 5 10-3 м): 1 — ткань; 2 — стальная частица; 3 — пламя

3

- /

< ^ •

Рис. 4. Кадр видеограммы эксперимента без воспламенения паров керосина, поступающих с поверхности гетерогенной структуры — шерстяной ткани, пропитанной горючей жидкостью (Тр = 1000 К, Яр = 310-3 м, Zp = 510-3 м): 1 — ткань; 2 — стальная частица; 3 — дымообразование без пламени

сутствии возгорания соответственно. При температуре частицы менее 1000 К зажигания не происходило. На рис. 4 видно интенсивное парообразование без ускорения реакции окисления и последующего появления пламени. Серия экспериментов показала, что при Тр > 1000 К зажигание происходит стабильно (см. рис. 3). Таким образом, при размерах стальной частицы Яр = 310-3 ми Zp = 510-3 м предельное (нижнее) значение ее температуры, при которой происходит зажигание, составляет Тр = 1000 К. При увеличении Яр и Zp предельное значение Тр несколько снижается, но не достигает 950 К ни при каких условиях.

Объемная доля паров горючей жидкости в ткани ф при проведении серии экспериментов определялась взвешиванием образцов до и после пропитки. Установлено, что стабильное зажигание происходит при высокопористой структуре ткани (до 30-40 %

Рис. 5. Зависимость времени задержки зажигания от температуры источника нагрева:--теоретические значения; ♦ — экспериментальные значения;-----аппрок-

симационная кривая для экспериментальных значений

массы гетерогенной структуры составляет горючая жидкость). Поэтому можно заключить, что вне зависимости от температуры локального источника нагрева для реализации зажигания необходимо выполнение условия ф > 30 %.

На рис. 5 приведена установленная с использованием модели (1)-(7) зависимость времени задержки зажигания исследуемых веществ от температуры металлической частицы размерами Яр = 3 10-3 м и = 5 10-3 м. Показаны также экспериментальные точки и полученная с использованием метода наименьших квадратов аппроксимационная кривая. Из рис. 5 видно достаточно хорошее соответствие результатов численных и экспериментальных исследований: отклонения экспериментальных значений ^ (по аппроксимационной кривой) от численных не превышают 18 %, а с ростом температуры Тр они уменьшаются до 11 % (при Тр = 1450 К). Эту особенность можно объяснить тем, что при моделировании использовались известные значения кинетических параметров реакций окисления (предэкспонента к0 и энергия активации Е) [22]. Для приближения теоретических моделей к практике целесообразно согласно [23, 24] учитывать зависимость к0и Е от температуры. В [23, 24] показано, что эта особенность очень важна при локальном нагреве конденсированных веществ источниками нагрева ограниченного теплосодержания. Следует подчеркнуть, что такие задачи достаточно сложны и требуют отдельного рассмотрения, поэтому не рассматриваются в настоящей работе.

В то же время можно отметить, что на сходимость численных и экспериментальных значений ^ (см. рис. 5) существенное влияние оказывают и теплофизические характеристики исследуемых веществ (особенно горючих жидкостей). Так, в серии экспериментов было установлено, что составы исследуемых горючих жидкостей в некоторых случаях существенно различались как вследствие разных сроков хранения, так и из-за специфических осо-

Рис. 6. Зависимости времени задержки зажигания тканей, пропитанных различными горючими жидкостями, от характерного размера источника нагрева Кр при 2р = 5 10-3 м, Тр = = 1350 К: 1 — бензин; 2 — керосин; 3—дизельное топливо

бенностей заводов-производителей. Поэтому при наличии указанных выше и ряда других, не учитываемых пока факторов установленную корреляцию результатов численных и экспериментальных исследований можно считать удовлетворительной.

Сравнительный анализ зависимостей ^ = /(Тр), приведенных на рис. 5, и результатов [10, 11] позволяет сделать вывод о том, что для тканей малой толщины Z1 (см. рис. 1) времена задержки зажигания в несколько раз меньше указанных в [10, 11]. Это можно объяснить интенсификацией процессов прогрева ткани в экспериментах и, как следствие, повышением массовой скорости испарения в окрестности источника нагрева (наблюдается рост массы вдуваемых паров). За счет снижения расхода энергии источника на прогрев гетерогенной структуры создаются условия для увеличения расхода аккумулированной энергии на разогрев смешивающихся с окислителем паров горючего. Это, в свою очередь, приводит к сокращению времени прогрева смеси и ускорению реакции окисления.

На рис. 6 приведены зависимости времени задержки зажигания паров трех типичных горючих жидкостей (бензина, керосина, дизельного топлива) в рассматриваемой системе (см. рис. 1) от размеров стальной частицы = /(Яр) при Zp = 510-3 м) при Тр = 1350 К. Из рис. 6 видно, что радиус диска Яр менее масштабно влияет на интегральные характеристики зажигания по сравнению с температурой частицы Тр. Это можно объяснить тем, что даже относительно малой площади контакта частицы с пропитанной тканью достаточно для интенсификации фазового перехода и ускорения реакции окисления (при Тр >1000 К). Зависимости скоростей испарения [17] и окисления Жа [16] от температуры в зоне реакции носят нелинейный характер, поэтому даже небольшое изменение Тр (+10 К) существенно влияет на параметр ^.

Для зависимостей, приведенных на рис. 5 и 6, получена следующая группа аппроксимационных выражений для горючих жидкостей:

• бензин:

при 1250 < Тр <1500 К, Яр = 310-3м, Zp = 510-3м: td = 7,271 - 0,009Тр + 3 10 6 Тр2;

при 3 ■ 10-3 < Яр <510-3 м, Zp = 510-3 м, Тр = 1350 К: td = 0,147 - 0,029Яр + 2,8• 10-3Я2р;

• керосин:

при310-3< Яр <510-3м, Zp = 510-3м, Тр = 1350К:

td = 0,145 - 0,024Яр + 2,4•Ю-3Яр;

• дизельное топливо:

при 310-3< Яр <510-3 м, Zp = 510-3 м, Тр = 1350 К:

td = 0,178 - 0,037Яр + 3,9•Ю-3Яр;.

Следует отметить, что модель (1)-(7) позволяет получить большую группу аппроксимационных выражений при варьировании основных параметров процесса в достаточно широких диапазонах (310-3 < Яр <510-3 м, 1250 < Тр < 1500 К). Сформулировать аппроксимационные выражения, учитывающие зависимость времени задержки зажигания от температуры и размеров источника, а также удовлетворительно согласующиеся с экспериментальными и численными результатами, не представляется возможным. Это обусловлено тем, что чем больше параметров или факторов учитывается при записи аппроксимационных выражений, тем больше погрешность аппроксимации (точность неизбежно падает).

Установленные отличия времен задержки зажигания тканей, пропитанных типичными жидкими топ-ливами (бензин, керосин, дизельное топливо), хорошо согласуются с результатами выполненных ранее экспериментальных исследований [6-8]. В частности, времена td для систем с парами бензина минимальны, с парами дизельного топлива — максимальны, а с парами керосина — имеют некоторые промежуточные значения. Это обусловлено закономерностями испарения (температуры фазового пе-

рехода, кинетика, химический состав и т. д.) рассматриваемых топлив [6-8]. Так, установлено, что при экспериментах с тканями, пропитанными бензином, формирование условий (по концентрации С^), достаточных для зажигания (в малой окрестности ткани), происходит еще до падения частицы на поверхность гетерогенной структуры. Контакт частицы с тканью приводит к повышению температуры в зоне реакции и ее последующему ускорению. Для тканей, пропитанных керосином и дизельным топливом, устойчивое зажигание происходит только при относительно продолжительном контакте с разогретой частицей (необходимые условия по С и Тр достигаются за большие времена td). В то же время серия экспериментов показала, что, несмотря на отличие интегральных характеристик рассматриваемых процессов, для всех видов горючих жидкостей зажигание происходило стабильно.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Заключение

В результате численных и экспериментальных исследований установлены необходимые и достаточные условия возгорания сложных гетерогенных структур — широко распространенных тканей, пропитанных типичными горючими жидкостями, при локальном нагреве. При этом показано, что времена задержки зажигания для большей части практических приложений (с тонкими высокопористыми тканями) могут быть существенно меньше приведенных в [10, 11].

Проиллюстрировано достаточно хорошее соответствие результатов численных и экспериментальных исследований. Определены факторы, оказывающие доминирующее влияние на это соответствие. Получено также хорошее согласование результатов выполненных исследований с закономерностями, описанными в [6-8] для гомогенных структур — жидких топлив.

***

Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ (госконтракт 2.80.2012).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Кузнецов Г. В., Стрижак П. А. Воспламенение пожароопасной жидкости одиночной "горячей" частицей // Пожаровзрывобезопасность. — 2007. — Т. 16, № 6. — С. 13-20.

2. КузнецовГ.В., СтрижакП.А. Особенности зажигания парогазовой смеси нагретой до высоких температур металлической частицей //Пожаровзрывобезопасность.—2008.—Т. 17,№ 3. — С. 25-33.

3. Kuznetsov G. V., StrizhakP. A. Heat and mass transfer at the ignition of a liquid substance by a single "hot" particle // Journal of Engineering Thermophysics. — 2008. — Vol. 18, No. 3. — P. 244-252.

4. Кузнецов Г. В., Стрижак П. А. Зажигание парогазовой смеси движущимся источником нагрева малых размеров // Химическая физика. — 2010. — Т. 29, № 2. — С. 29-37.

5. Кузнецов Г. В., СтрижакП. А. Анализ возможных причин макроскопических различий характеристик зажигания жидкого топлива локальным источником энергии и массивным нагретым телом // Химическая физика. — 2012. — Т. 31, № 7. — С. 41-55.

6. Кузнецов Г. В., ЗахаревичА. В., Максимов В. И. Зажигание дизельного топлива одиночной "горячей" металлической частицей // Пожаровзрывобезопасность. — 2008. — Т. 17, № 4. — С. 28-30.

7. Кузнецов Г. В., Захаревич А. В., Максимов В. И. О механизме зажигания бензина одиночной нагретой до высоких температур металлической частицей // Пожаровзрывобезопасность. — 2008.

— Т. 17, №5. — С. 39-42.

8. ЗахаревичА. В., Кузнецов Г. В., Максимов В. И., Панин В. Ф., РавдинД. С. Оценка пожарной опасности мазута в условиях перегрузки, хранения и транспорта на тепловых электрических станциях // Известия Томского политехнического университета. — 2008. — Т. 312, № 3. — С. 30-33.

9. Захаревич А. В., СтрижакП. А. Пожарная опасность взаимодействия источников ограниченного теплосодержания с легковоспламеняющимися жидкостями // Пожарная безопасность. — 2011.—№4.— С. 70-75.

10. Кузнецов Г. В., Стрижак П. А. Пожароопасность процессов взаимодействия разогретых до высоких температур частиц с тканями, пропитанными горючими жидкостями // Пожаровзрывобез-опасность. — 2008. — Т. 17, № 5. — С. 16-22.

11. Kuznetsov G. V., StrizhakP. A. Heat and mass transfer in hot-particle-induced ignition of a liquid-fuel vapor entering the ambient air from the surface of a fabric impregnated with the fuel // Journal of Engineering Physics and Thermophysics. — 2009. — Vol. 82, No. 3. — P. 448-453.

12. ВилюновВ.Н. Теория зажигания конденсированных веществ. —Новосибирск: Наука, 1984. —190 с.

13. Кутателадзе С. С. Основы теории теплообмена. — М. : Атомиздат, 1979. — 416 с.

14. Роуч П. Дж. Вычислительная гидродинамика. — М. : Мир, 1980. — 616 с.

15. Пасконов В. М., Полежаев В. И., ЧудовЛ. А. Численное моделирование процессов тепло-и массо-обмена. — М. : Наука, 1984. — 277 с.

16. Франк-Каменецкий Д. А. Диффузия и теплопередача в химической кинетике. — М.: Наука, 1987.

— 490 с.

17. Полежаев Ю. В., Юревич Ф. Б. Тепловая защита. — М. : Энергия, 1976. — 391 с.

18. Зайдель А. Н. Элементарные оценки ошибок измерений / Академия наук СССР. — Изд. 3-е, испр. и доп. — Л. : Наука, 1968. — 96 с.

19. Варгафтик Н. Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. — М. : ООО "Старс", 2006. — 720 с.

20. Теплотехнический справочник / Под ред. В. Н. Юренева, П. Д. Лебедева. — М. : Энергия, 1975.

— Т. 1. —743 с.

21. Теплотехнический справочник / Под ред. В. Н. Юренева, П. Д. Лебедева. — М. : Энергия, 1975.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

— Т. 2.— 896 с.

22. Щетинков Е. С. Физика горения газов. — М. : Наука, 1965. — 739 с.

23. DagautP., Cathonnet M. The ignition, oxidation and combustion of kerosene: A review of experimental andkinetic modeling // Progress in Energy and Combustion Science. — 2006. — Vol. 32. — P. 48-92.

24. Кузнецов E. В., Стрижак П. А. Определение кинетики зажигания типичных жидких топлив источниками нагрева с конечным запасом энергии // Пожаровзрывобезопасность. — 2009. — Т. 18, № 7. — С. 35-40.

Материал поступил в редакцию 4 октября 2012 г.

— English

NUMERICAL AND EXPERIMENTAL RESEARCH OF LIMITING CONDITIONS OF IGNITION OF IMPREGNATED WITH COMBUSTIBLE LIQUID CLOTH IN CASE OF LOCAL HEATING

ANDREEV Genrikh Georgievich, Doctor of Technical Sciences, Professor of Chemical Technology of Rare, Absent-Minded and Radioactive Elements Department, Physical and Technical Institute of National Research Tomsk Polytechnic University (Lenin Avenue, 30, Tomsk 634050, Russian Federation)

ZAKHAREVICH Arkadiy Vladimirovich, Candidate of Physical and Mathematical Sciences, Engineer of Laboratory Simulation for Heat and Mass Transfer, Associate Professor of Theoretical and Industrial Thermal Physics Department, Power Institute of National Research Tomsk Polytechnic University (Lenin Avenue, 30, Tomsk 634050, Russian Federation; e-mail address: bet@tpu.ru)

PANIN Vladimir Filippovich, Doctor of Technical Sciences, Professor of Ecology and Safety Department, Institute of Nondestructive Testing of National Research Tomsk Polytechnic University (Lenin Avenue, 30, Tomsk 634050, Russian Federation)

STRIZHAK Pavel Aleksandrovich, Doctor of Physical and Mathematical Sciences, Professor of Automation Thermal and Power Processes Department, Power Institute of National Research Tomsk Polytechnic University (Lenin Avenue, 30, Tomsk 634050, Russian Federation; e-mail address: pavelspa@tpu.ru)

ABSTRACT

The results of numerical and experimental researches of ignition of combustible liquid vapors arose from the surface of the impregnated cloth (with thickness comparable with size of energy source) during local heating.

It was supposed that in initial time the volume fraction of combustible liquid contained in cloth is known. In case of heating the liquid is evaporated from the surface of cloth, vapors of fuel and oxidizer are mixed, heated and ignited.

The mathematical model includes motion, continuity, energy, diffusion and balance equations for the gas-vapor mixture taking into account the reaction of oxidation, for thermal conductivity of a particle taking into account the heat release as a result of crystallization, for heat conductivity of cloth impregnated with combustible liquid.

In process of experimental research as a source of heating used a metal disc, which was heated in furnace to a temperature of 1473 K. As a combustible liquid it was chosen gasoline.

It is experimentally determined that if the size of ignition source is Rp = 3 10-3 m and Zp = 5 10-3 m, then minimum temperature of steel particle, initiated ignition of cloth, is Tp = 1000 K. If Rp and Zp values are increased, then limit value of Tp is slightly decreased, but not reached the temperature of 950 K under no circumstances. It is also determined that ignition can be initiated only if content of flammable liquid in cloth (ф) is not less than 30 % regardless of the temperature of a local heating source.

On the base of results of numerical researches it was received the approximative dependences of the system ignition delay time on the initial temperature of the heated metal particle and from its size.

Besides, rather good compliance of results of executed numerical and experimental researches is illustrated. A good adjustment of results of executed researches to the regularities obtained for homogeneous structures - liquid fuels - is also received.

Keywords: ignition; combustible vapors; cloth; local heating; single particle; ignition time delay.

REFERENCES

1. Kuznetsov G. V., Strizhak P. A. Vosplameneniye pozharoopasnoy zhidkosti odinochnoy "goryachey" chastitsey [Ignition of fire-dangerous liquid by the single "hot" particle]. Pozharovzryvobezopasnost — Fire and Explosion Safety, 2007, vol. 16, no. 6, pp. 13-20.

2. Kuznetsov G.V., Strizhak P.A. Osobennosti zazhiganiya parogazovoy smesi nagretoy do vysokikh temperatur metallicheskoy chastitsey [Peculiarities of ignition of gas-vapor mixture by the heated till high temperatures metallic particle]. Pozharovzryvobezopasnost — Fire and Explosion Safety, 2008, vol. 17, no. 3, pp. 25-33.

3. Kuznetsov G. V., Strizhak P. A. Heat and mass transfer at the ignition of a liquid substance by a single "hot" particle. Journal of Engineering Thermophysics, 2008, vol. 18, no. 3, pp. 244-254.

4. Kuznetsov G. V., Strizhak P. A. Ignition of a vapor gas mixture by a moving small size source. Russian Journal of Physical Chemistry B, 2010, vol. 4, no. 1, pp. 93-100 (in Russian).

5. Kuznetsov G. V., Strizhak P. A. Analysis of possible reasons for macroscopic differences in the characteristics of the ignition of a model liquid fuel by a local heat source and a massive heated body. Russian Journal of Physical Chemistry B., 2012, vol. 31, no. 7, pp. 41-55 (in Russian).

6. Kuznetsov G. V., Zakharevich A. V., Maksimov V. I. Zazhiganiye dizelnogo topliva odinochnoy "goryachey" metallicheskoy chastitsey [Ignition of diesel fuel by single "hot" metal particle]. Pozharovzryvobezopasnost — Fire and Explosion Safety, 2008, vol. 17, no. 4, pp. 28-30.

7. Kuznetsov G. V., Zakharevich A. V., Maksimov V. I. O mekhanizme zazhiganiya benzina odinochnoy nagretoy do vysokikh temperatur metallicheskoy chastitsey [About mechanism of gasoline ignition by single heated till high temperatures metal particle]. Pozharovzryvobezopasnost — Fire and Explosion Safety, 2008, vol. 17, no. 5, pp. 39-42.

8. Zakharevich A. V., Kuznetsov G. V., Maksimov V. I., Panin V. F., Ravdin D. S. Otsenka pozharnoy opasnosti mazuta v usloviyakh peregruzki, khraneniya i transporta na teplovykh elektricheskikh stan-tsiyakh [Estimation of fire dangerous for fuel oil at the transfer, storage and transport on the heat power station]. Izvestiya Tomskogo polytechnicheskogo universiteta — Bulletin of the Tomsk Polytechnic University, 2008, vol. 312, no. 3, pp. 30-33.

9. Zakharevich A. V., StrizhakP. A. Pozharnaya opasnost vzaimodeystviya istochnikov ogranichennogo teplosoderzhaniya s legkovosplamenyayushchimisya zhidkostyami [Fire dangerous of interaction for limited heat content source with combustible liquids]. Pozharnaya bezopasnost — Fire Safety, 2011, no. 4, pp. 70-75.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

10. Kuznetsov G. V., Strizhak P. A. Pozharoopasnost protsessov vzaimodeystviya razogretykh do vysokikh temperatur chastits s tkanyami, propitannymi goryuchimi zhidkostyami [Fire risk of the iteraction processes of particles heating till high temperatures with clothes impregnated by combustible liquids]. Pozharovzryvobezopasnost — Fire and Explosion Safety, 2008, vol. 17, no. 5, pp. 16-22.

11. Kuznetsov G. V., StrizhakP. A. Heat and mass transfer in hot-particle-induced ignition of a liquid-fuel vapor entering the ambient air from the surface of a fabric impregnated with the fuel. Journal of Engineering Physics and Thermophysics, 2009, vol. 82, no. 3, pp. 448-453.

12. Vilyunov V. N. Teoriya zazhiganiya kondensirovannykh veshchestv [Ignition theory condensed substances]. Novosibirsk, Nauka Publ., 1984. 190 p.

13. Kutateladze S. S. Osnovy teorii teploobmena [Foundations of the theory of heat transfer]. Moscow, Atomizdat Publ., 1979. 416 p.

14. Rouch P. J. Vychislitelnaya gidrodinamika [Computational hydrodynamics]. Moscow, Mir Publ., 1980. 616 p.

15. Paskonov V. M., Polezhayev V. I., Chudov L. A. Chislennoye modelirovaniyeprotsessov teplo- i masso-obmena [Numerical modeling of heat and mass transfer]. Moscow, Nauka Publ., 1984. 277 p.

16. Frank-Kamenetskiy D. A. Diffuziya i teploperedacha v khimicheskoy kinetike [Diffusion and heat transfer in chemical kinetics]. Moscow, Nauka Publ., 1987. 490 p.

17. Polezhayev Yu. V., Yurevich F. B. Teplovaya zashchita [Thermal protection]. Moscow, Energiya Publ., 1976. 391 p.

18. Zaydel A. N. Elementarnyye otsenki oshibok izmereniy [Elementary estimates of the measurement errors]. Leningrad, Nauka Publ., 1968. 96 p.

19. Vargaftik N. B. Spravochnikpo teplofizicheskim svoystvam gazov i zhidkostey [Reference for thermo-physical properties of gases and liquids]. Moscow, Stars Ltd., 2006. 720 p.

20. Yurenev V. N., Lebedev P. D., eds. Teplotekhnicheskiy spravochnik [Thermophysical reference]. Moscow, Energiya Publ., 1975. Vol. 1, 743 p.

21. Yurenev V. N., Lebedev P. D., eds. Teplotekhnicheskiy spravochnik [Thermophysical reference]. Moscow, Energiya Publ., 1975. Vol. 2, 896 p.

22. Shchetinkov Ye. S. Fizika goreniya gazov [Physics of combustion gases]. Moscow, Nauka Publ., 1965. 739 p.

23. DagautP., CathonnetM. The ignition, oxidation and combustion of kerosene: A review of experimental and kinetic modeling. Progress in energy and combustion science, 2006, vol. 32, pp. 48-92.

24. KuznetsovG. V., StrizhakP. A. Opredeleniyekinetikizazhiganiyatipichnykhzhidkikhtoplivistochni-kami nagreva s konechnym zapasom energii [Ignition kinetic determination of typical liquid fuels by heating sources with limited energy content]. Pozharovzryvobezopasnost—Fire and Explosion Safety, 2009, vol. 18, no. 7, pp. 35-40.