CC BY
10
ПРОЦЕССЫ ГОРЕНИЯ И ВЗРЫВА
УДК 662.612.12
ЧИСЛЕННОЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ЗАЖИГАНИЯ ГЕТЕРОГЕННОЙ СИСТЕМЫ «ТКАНЬ - ГОРЮЧАЯ ЖИДКОСТЬ» ПРИ ЛОКАЛЬНОМ НАГРЕВЕ
ВЫСОКОМОРНАЯ О.В., ЗАХАРЕВИЧ А.В., СТРИЖАК П.А.
Национальный исследовательский Томский политехнический университет, 634050, г. Томск, пр. Ленина, 30
АННОТАЦИЯ. Выполнен численный и экспериментальный анализ макроскопических закономерностей процессов тепломассопереноса в условиях фазовых переходов и химического реагирования при зажигании паров горючей жидкости, поступающих с пропитанной ею ткани в среду окислителя, при локальном нагреве. Установлены предельные условия зажигания гетерогенной системы «ткань - горючая жидкость» при взаимодействии с одиночной разогретой до высоких температур металлической частицей малых размеров. Определены диапазоны изменения характерных времен задержки зажигания и зависимости интегральных характеристик зажигания от температуры и размеров локального источника энергии. Проведено сопоставление численных и экспериментальных результатов исследований.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: зажигание, тепломассоперенос, окисление, испарение, горючая жидкость, частица, время задержки зажигания.
ВВЕДЕНИЕ
Выполненный в последние годы цикл численных и экспериментальных исследований процессов зажигания горючих и легковоспламеняющихся твердых [1-5] и жидких [6-10] конденсированных веществ, полимерных материалов [11-13] и парогазовых смесей [14-16] источниками ограниченной энергоемкости (металлические и неметаллические частицы, проволочки, стержни, концентрированные потоки излучения и т.д.) позволил определить предельные и оптимальные условия зажигания при локальном нагреве для большой группы важнейших практических приложений (специальная техника, пожаровзрывоопасность веществ и материалов, химические производства и другие). В работах [17, 18] приведены результаты численного анализа закономерностей зажигания такими же локальными источниками нагрева гетерогенных систем - тканей, пропитанных горючими жидкостями. При этом характерные толщины тканей выбирались существенно большими по сравнению с размерами источников нагрева. В связи с этим установленные [17, 18] интегральные характеристики зажигания (в частности, времена задержки зажигания можно считать верхними оценками.
В реальной практике чаще возможна реализация условий, при которых локальные источники нагрева (разогретые частицы, проволочки, стержни, стружки и т.д.) имеют характерные размеры, сопоставимые или даже превышающие толщины пропитанных горючими жидкостями тканей. Представляет интерес численный и экспериментальный анализ условий зажигания таких структур.
Целью настоящей работы является численное и экспериментальное исследование макроскопических закономерностей и предельных условий зажигания паров типичных жидких горючих веществ (топлив), поступающих с поверхностей пропитанных ими тканей (с толщинами, сопоставимыми с размерами источников энергии), при локальном нагреве.
ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
Принятая постановка задачи аналогична приведенным в работах [17, 18]. Рассматривалась система «нагретая до высоких температур металлическая частица - ткань, пропитанная жидким горючим веществом - парогазовая смесь» (рис. 1). В отличие от постановок [17, 18] характерные размеры источника зажигания - разогретой частицы и Zp сопоставимы с толщиной ткани Z1. Принималось, что в начальный момент времени в ткани содержится жидкое горючее вещество, объемная доля которого (ф) известна. При попадании на поверхность ткани нагретой до высоких температур частицы компоненты горючей жидкости начинают интенсивно испаряться. Образующиеся 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 воспламенение.
1 - парогазовая смесь, 2 - металлическая частица, 3 - ткань, пропитанная горючей жидкостью
Рис. 1. Схема области решения задачи при 0<т<тй
Исследования выполнены для типичных жидких топлив (бензин, керосин, дизельное топливо) и широко распространенных тканей (шерсть, шелк, лен). В качестве источника нагрева выбрана стальная частица в форме цилиндрического диска малых размеров Яр и 7Р. При этом характерные размеры области решения задачи зажигания ^ и ZL принимались значительно больше и Zp (рис. 1).
Численное моделирование выполнено при следующих допущениях, не ограничивающих существенно общность постановки задачи:
1. В результате испарения горючей жидкости образуется одно вещество с известными характеристиками. При экспериментальном определении кинетических параметров реакций окисления паров жидких веществ обычно [19, 20] определяются «эффективные» значения энергии активации Е и предэкспоненциального множителя к0. Предполагается реализация одной «эффективной» реакции, в которой участвует одно химическое соединение. Соответственно, теоретический анализ исследуемого процесса возможен при использовании кинетической схемы, для которой известны значения Е и к0.
2. Теплофизические характеристики материала частицы, ткани, жидкости и воздуха не зависят от температуры. Установлено [21], что для рассматриваемого диапазона температур в системе «нагретая до высоких температур металлическая частица - ткань, пропитанная жидким горючим веществом - парогазовая смесь» (рис. 1) изменение теплофизических характеристик взаимодействующих веществ несущественно.
3. Не учитывается возможная неидеальность теплового контакта на границе «частица -ткань». Выполненные ранее численные и экспериментальные исследования [1-5] показали, что при умеренных скоростях осаждения частиц (менее 1,5 м/с) поверхности контакта частицы и конденсированного вещества не деформируются.
В качестве условий воспламенения приняты [22]:
1. Теплота, выделяемая в результате химической реакции паров горючего с окислителем, больше теплоты, передаваемой от частицы системе «жидкость - ткань» и в среду окислителя.
2. Температура парогазовой смеси превышает начальную температуру частицы. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ И МЕТОД РЕШЕНИЯ
Математическая модель включает следующую систему нелинейных нестационарных дифференциальных уравнений в частных производных [23-27] при 0 < т < т^:
21 < 2 < 22, Я1 < Я < Яь; 22 < 2 < 2ь, 0 < Я < Яь
1
уравнение движения для парогазовой смеси
1 до т^до тто
--+и—+V--и— =
Sh дт дЯ д2 Я Re уравнение неразрывности для парогазовой смеси
д2О . XдП ,д2О О дЯ2 Я дЯ д22 Я2
+
д01 дЯ
д1 д^ д
— + -
= - ЯП.
дЯ2 Я дЯ д22
(1)
(2)
уравнение энергии для парогазовой смеси с учетом выделения тепла при окислении паров горючего
1 *©-+и д©+V д01
1
д2©, + Xд©, д2©,
+-
дЯ2 Я дЯ д2
+
аД. г.
р\С1А7Ут
Sh дт дЯ д2 Re1Pr1 уравнение диффузии паров горючего с учетом выделения тепла при их окислении
1
1 дС ^дС. т,дС. -+и—L+V- 1
Sh дт дЯ д2 уравнение баланса для парогазовой смеси
С + С = 1;
Re4Sc4
д2С, + XдС , д2С1 дЯ2 Я дЯ д22
(3)
(4)
(5)
21 < 2 < 22, 0 < Я < Я1
уравнение теплопроводности для частицы с учетом выделения тепла в результате кристаллизации
1 д© д 20, 1 д©, д2©
Fo, дт дЯ2 Я дЯ д22
2 + ад
*р АТ ^
(6)
0 < 2 < 21, 0 < Я < Яь
уравнение теплопроводности для ткани, пропитанной жидким горючим веществом
1 д©3 д2©3 1 д©3 д 2©3
--3 =-г +--3 +-г-. (7)
Fo3 дт дЯ2 Я дЯ д22
Здесь т - безразмерное время (т = ¿/¿т); ^ - время, с; ¿т - масштаб времени, с; Td - безразмерное время задержки зажигания; г, г - координаты цилиндрической системы, м; Я, 2 - безразмерные аналоги г, г; гь, - размеры области решения, м; гр, ¿р - радиус и высота частицы, м; г1 - толщина ткани, м; Яр, Яь, 2р, 2ь, 21 - безразмерные аналоги гр, гь, гр, г1; ¥ - безразмерный аналог функции тока; О - безразмерный аналог вихря скорости; Sh - число Струхаля; и, V - безразмерные составляющие скорости паров горючего в проекции на оси Я и 2; Re - число Рейнольдса; 0 - безразмерная температура; Рг - число
Прандтля; - тепловой эффект реакции окисления паров горючего в воздухе, МДж/кг; Жо - массовая скорость окисления паров горючего в воздухе, кг/(м3с); р - плотность, кг/м3; С - удельная теплоёмкость, Дж/(кг-К); АГ - разность температур (АГ=Гт-Г0), К; Гт - масштаб температуры, К; Г0 - начальная температура жидкости и окислителя, К; Кт - скорость паров горючего вблизи поверхности ткани, м/с; Сf - массовая концентрация паров горючего в парогазовой смеси; Sc - число Шмидта; Со - массовая концентрация окислителя в парогазовой смеси; Fo - число Фурье; - тепловой эффект кристаллизации материала частицы, кДж/кг; ЖС - массовая скорость кристаллизации материала источника нагрева, кг/(м2-с); X - теплопроводность, Вт/(м-К). Индексы «1», «2», «3», «4» соответствуют парогазовой смеси, металлической частице, гетерогенной системе «ткань - горючая жидкость», парам горючего.
Начальные условия (т=0): 03=00 при 0<7<7Ь 0<Я<Я^ 02=0Р при 7^7<72, 0<Я<% 01=00, С^0, ¥=0, й=0 при 71<7<72, Я1<ЖЯц 72<7<7Ь 0<ЖЯь где 0о - безразмерная начальная температура воздуха, ткани и жидкости; 0Р - безразмерная начальная температура частицы.
Граничные условия при 0<т<^: на границе «частица - парогазовая смесь» (7=72, 0<К<К1; 71<7<72) устанавливались граничные условия IV рода для уравнений
энергии и теплопроводности, условие равенства нулю градиентов соответствующих функций для уравнений диффузии, движения, неразрывности; на границе «парогазовая смесь - ткань» (7=71, Я^ЖЯц) для уравнения энергии задавались граничные условия IV рода с учетом испарения компонентов жидкости с поверхности ткани, для уравнений диффузии, движения, неразрывности - граничные условия второго рода; на границе «частица - ткань» (7=71, 0<К<К1) для уравнений теплопроводности устанавливались граничные условия IV рода, на оси симметрии и внешних границах (7=0, 7=7^ 0<К<^; 0<7<7ц) для всех
уравнений задавалось условие равенства нулю градиентов соответствующих функций.
Для перехода к безразмерным переменным аналогично постановке [18] в качестве масштабных величин использовались: zL - характерный размер области решения ^=0,02 м), Тт - масштаб температуры (Тт=1000 К), ¿т - масштаб времени (¿т=1 с), Кт - скорость паров
горючего вблизи поверхности ткани (^т = ^). Здесь g - ускорение свободного
2 -1 падения, м/с2; в - коэффициент термического расширения, К .
Методы решения системы нелинейных нестационарных дифференциальных уравнений (1)-(7) с соответствующими начальными и граничными условиями аналогичны описанным в
[17, 18].
Верификация физико-математической модели и оценка достоверности результатов численного моделирования предусматривала их сравнение с данными выполненных экспериментов, а также проверку консервативности используемых разностных схем. Методика проверки консервативности разностной схемы аналогична используемым в [1-5].
МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА
При проведении экспериментальных исследований использована установка (рис. 2) и методики, описанные в [28-30]. В качестве источника зажигания использовался металлический диск фиксированных размеров ^,=0,15^0,25, 7Р =0,15^0,25. Высота 7Р и радиус диска выбирались таким образом, чтобы обеспечить его хороший контакт с поверхностью ткани. Серия выполненных экспериментов показала, что положение слишком маленьких (при ^Р=7Р<0,1) частиц в момент контакта с тканью даже при умеренных (до 1^2 м/с) скоростях осаждения не было устойчивым.
Металлическая частица при падении на поверхность ткани находилась в твёрдом состоянии и не деформировалась, так как скорость удара частицы о поверхность экспериментального образца не превышала 1,5 м/с. Форма образца ткани после осаждения на его поверхность «горячей» частицы так же не менялась. Эксперименты проводились в хорошо воспроизводимых условиях.
1 - нагревательный прибор, 2 - штатив, 3 - хромель-алюмелевая 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
Рис. 2. Принципиальная схема экспериментальной установки
Нагрев металлического диска до заданной температуры осуществлялся в нагревательной печи [28-30], обеспечивающей стабильную температуру рабочего объёма (до 0Р=1,473) в течение продолжительного времени (рис. 2).
Аналогично [28-30] с применением видеосъемки контролировался период времени от момента соприкосновения частицы с тканью до зажигания (появления пламени).
Систематическая погрешность измерения температуры источника нагрева, оцениваемая по методике [31], не превышала 1^2 %. Установлено, что за время падения температура поверхности контакта частицы с тканью уменьшается не более чем на 3^4 К. Таким образом погрешность определения температуры не превышала ± 0,5 %. Этим отклонением при анализе можно пренебречь, так как в экспериментах температура частицы составляла более 900 К. Систематическая погрешность измерения времени составляла ± 0,005 % и соответствовала возможностям ЭВМ.
Случайная ошибка определения времени задержки зажигания вычислялась по результатам проведенных экспериментов. При фиксированном значении 0Р для каждого размера частиц проводилось 6^8 опытов. После этого определялись средние для каждого 0Р значения Td и среднеквадратические отклонения £ по методике [31]. Значения £ для каждых из исследовавшихся тканей и горючих жидкостей отличались одно от другого 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 исследовавшихся гетерогенных структур были недостаточны для адекватного описания деталей и условий механизма зажигания. Поэтому использовалась видеосъёмка [28-30] с частотой 50 кадров в секунду, которая обеспечивала возможность детализации исследуемых механизмов и выделения достаточно тонких эффектов при многократном повторном анализе видеокадров.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Численное моделирование выполнено при следующих типичных для практики
значениях параметров [32-35]: термохимические характеристики реакций окисления паров
бензина 0о=45 МДж/кг, Е=130 кДж/моль, ^=7-106 с-1; керосина 0о=43,8 МДж/кг,
Е=190 кДж/моль, k0=7•107 с-1; дизельного топлива 0о=42 МДж/кг, Е=250 кДж/моль, 8 -1
k0=9•10 с ; размеры частицы Яр=0,15^0,25, 2р=0,15^0,25, ткани 21=0,15 и области решения Яь=2ь=1, начальные температуры частицы 0р=1^1,5, ткани и окислителя 00=0,3. Теплофизические характеристики жидких топлив (керосин, бензин, дизельное топливо), тканей (шерсть, шелк, лен), окислителя (воздуха) и стальной частицы выбирались согласно [32-34].
Результаты ранее выполненных численных исследований процессов зажигания сложных гетерогенных систем «ткань - горючая жидкость» [17, 18] показывают, что основными параметрами, главным образом влияющими на формирование необходимых и достаточных условий зажигания, являются объемная доля паров горючей жидкости в ткани ф и теплосодержание источника зажигания (зависит от температуры 0р и размеров Яр и 2р). Поэтому представляет интерес оценка влияния на интегральные характеристики зажигания именно этих параметров.
При численном моделировании значение объемной доли ф варьировалось в диапазоне от 5 до 50 % в условиях фиксированной толщины ткани 21. При проведении серии экспериментов значение ф контролировалась взвешиванием образцов до и после пропитки. Численно и экспериментально установлено, что стабильное зажигание рассматриваемой гетерогенной системы (рис. 1) происходит при высокопористой структуре ткани (до 30^40 % массы гетерогенной системы составляет жидкое конденсированное вещество). Поэтому вне зависимости от температуры локального источника нагрева 0р и его размеров Яр и 2р можно заключить, что для реализации зажигания в рассматриваемой системе (рис. 1) должно выполняться необходимое условие ф>30 %.
Важно отметить, что установленное предельное значение ф несколько меньше приведенных в [17, 18]. Это можно объяснить тем, что для тканей большой (21>0,25) толщины локальный подвод энергии от частицы приводит к прогреву лишь достаточно тонкого приповерхностного слоя [17, 18]. Поэтому в эндотермическом фазовом переходе «активно участвует» малая часть жидкости. В результате выполненных численных исследований установлено, что при нагревании тонких (21<0,15) тканей в зависимости от температуры и размеров источника энергии ткань может достаточно существенно прогреваться даже по всей толщине 21. Поэтому вдув паров с поверхности ткани происходит интенсивнее, чем это предполагалось в постановках [17, 18]. Как следствие, для реализации зажигания достаточно несколько меньших значений концентраций горючей жидкости в ткани по сравнению с принятыми в работах [17, 18].
На рис. 3 и 4 приведены полученные из решения системы уравнений (1)-(7) зависимости интегральных характеристик зажигания (времен тd) от температуры 0р и характерного размера Яр (при фиксированном 2р) металлической частицы для тканей, пропитанных несколькими видами жидких топлив (бензин, керосин, дизельное топливо). Варьировался поперечный размер частицы Яр, определяющий площадь ее контакта с тканью, так как ранее [6-8] было установлено, что именно соотношение площадей контакта локального источника энергии с конденсированным веществом и газовой средой определяет возможность реализации условий зажигания.
На рис. 3 также приведены экспериментальные значения тd и полученная с использованием метода наименьших квадратов аппроксимационная кривая. Видно достаточно хорошее соответствие результатов выполненных численных и экспериментальных исследований. Отклонения экспериментальных значений тd (по аппроксимационной кривой) от численных не превышают 18 %. При этом с ростом температуры 0р эти отклонения уменьшаются до 11 % (при 0р=1,45). Установленную
особенность можно объяснить тем, что при моделировании использовались известные [35] значения кинетических параметров реакций окисления (k0=const и Е=сом1). Для приближения теоретических моделей к реальным приложениям целесообразно согласно [36, 37] учитывать зависимость к0 и Е от температуры. В работах [36, 37] показано, что эта особенность важна при локальном нагреве малых капель, тонких пленок и больших массивов жидких конденсированных веществ источниками нагрева ограниченного теплосодержания. В тоже время следует подчеркнуть, что такие задачи требуют отдельного изучения. Поэтому особенности физико-химических процессов, связанные с зависимостями ко=Д0р) и Е=Д0р), не проанализированы в настоящей работе.
1 - экспериментальные значения, 2 - теоретические значения, 3 - аппроксимационная кривая для экспериментальных точек
Рис. 3. Зависимость времени задержки зажигания от температуры источника нагрева
1 - бензин, 2 - керосин, 3 - дизельное топливо
Рис. 4. Зависимости времени задержки зажигания тканей, пропитанных различными горючими жидкостями, от характерного размера источника нагрева Лр при Zp=0,4, 0Р=1,35
Также можно отметить, что на сходимость результатов численных и экспериментальных исследований, в частности, значений тd (рис. 3), существенное влияние оказали и теплофизические характеристики исследуемых веществ (особенно жидких топлив) - X, С, р. Так, в серии экспериментов было установлено, что составы исследуемых жидких топлив в некоторых случаях достаточно значительно отличались как вследствие разного по длительности срока хранения, так и специфических особенностей заводов-производителей. Поэтому при наличии выделенных выше и группы других неучитываемых пока факторов установленную корреляцию (рис. 3) результатов численных и экспериментальных исследований можно считать удовлетворительной.
Сопоставление зависимостей т,!=/(0р), приведенных на рис. 3, 4, и результатов ранее выполненных исследований [17, 18] позволяет сделать вывод о том, что для тканей малой толщины 21 (рис. 1) времена задержки зажигания в несколько раз меньше указанных в [17, 18]. Это можно объяснить интенсификацией процессов прогрева ткани при уменьшении 21. Как следствие, увеличивается вдув продуктов испарения в окрестности источника нагрева. За счет меньшего расходования энергии источника на прогрев гетерогенной структуры больше аккумулированной энергии расходуется на разогрев смешивающихся с окислителем паров горючего. Это, в свою очередь, приводит к снижению времени прогрева смеси и ускорению реакции окисления.
Зависимости, приведенные на рис. 4, показывают, что характерные размеры источника (в частности Яр) менее масштабно влияют на интегральные характеристики зажигания по сравнению с 0р (рис. 3). Это обусловлено тем, что даже относительно малой площади контакта частицы с пропитанной тканью достаточно для достижения высоких скоростей фазового перехода и ускорения реакции окисления (при 0р>1). При этом зависимости скоростей испарения Де [27] и окисления Д0 [26] от температуры нелинейные. Поэтому даже небольшое (± 0,1) изменение 0р существенно влияет на тd.
Для зависимостей, приведенных на рис. 3 и 4, получена группа следующих аппроксимационных выражений:
^ = 7,271 - 9,719©р + 3,264©р при 1,25 < 0р < 1,5, Яр = 0,15, 2р = 0,25;
тй = 0,147 - 0,579Яр + 1,116Яр2 при 0,15 < Яр < 0,25, 2р = 0,25, 0р = 1,35, горючая жидкость -бензин;
^ = 0,145 -0,481Яр + 0,976Яр при 0,15 < Яр < 0,25, 2р = 0,25, 0р = 1,35, горючая жидкость -керосин;
тй = 0,178 - 0,749Яр + 1,541Яр2 при 0,15 < Яр < 0,25, 2р = 0,25, 0р = 1,35, горючая жидкость -дизельное топливо.
Можно отметить, что модель (1)-(7) позволяет получить большую группу аппроксимационных выражений при варьировании основных параметров процесса в достаточно широких диапазонах (0,15 < Яр < 0,25, 1 < 0р < 1,5). Однако сформулировать аппроксимационные выражения, учитывающие зависимости времени задержки зажигания тd от температуры 0р и размеров Яр и 2р источника, а также удовлетворительно соответствующие экспериментальным и численным результатам, не представляется возможным. Это обусловлено тем, что чем больше параметров или факторов учитывается при записи аппроксимационных выражений, тем больше погрешность аппроксимации (точность неизбежно падает). Поэтому целесообразно ограничиться записью группы аппроксимационных выражений вида та=/(0р) и та=/(Яр).
В результате проведенных численных и экспериментальных исследований процессов зажигания в рассматриваемой системе (рис. 1) установлены отличия интегральных характеристик зажигания тканей, пропитанных несколькими типичными жидкими топливами (бензин, керосин, дизельное топливо). Эти характеристики хорошо соответствуют результатам ранее выполненных экспериментальных исследований процессов зажигания гомогенных систем - жидких топлив [28-30]. В частности, выявлено, что времена Td для
систем с парами бензина минимальны, а для дизельного топлива максимальны (рис. 4) при прочих равных условиях. Времена Td для систем с парами керосина имеют некоторые промежуточные значения (рис. 4). Это обусловлено закономерностями испарения (температуры фазового перехода, кинетика, химический состав и т.д.) рассматриваемых топлив [28-30]. Так, при экспериментах с тканями, пропитанными бензином, установлено, что формирование условий (по концентрации Cf), 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 Cf и 0Р достигаются за большие времена Td по сравнению с бензином). В то же время серия выполненных экспериментов показала, что несмотря на отличие интегральных характеристик рассматриваемых процессов, для всех видов горючих жидкостей зажигание происходило стабильно.
Для рассматриваемой системы (рис. 1) аналогично [6-10] выполнен численный анализ возможных режимов зажигания, отличающихся характерными интервалами времен задержки зажигания и положением ведущей реакции окисления (относительно границы контакта источника зажигания с веществом). Установлено, что для системы «ткань - жидкое горючее вещество» (рис. 1) при локальном нагреве также возможна реализация трех режимов зажигания. Однако в отличие от гомогенных жидких топлив [6-10] наиболее типичным режимом при варьировании 0Р, 2р, ф в достаточно широких диапазонах является режим, при котором зона ведущей экзотермической реакции формируется в малой окрестности боковой поверхности источника нагрева (рис. 5). Это обусловлено тем, что площадь контакта источника нагрева с веществом в системе «ткань - горючая жидкость - частица» меньше, чем в системе «горючая жидкость - частица» (при взаимодействии с жидкостями происходит погружение частицы и возрастает площадь теплоотвода в приповерхностный слой вещества). Поэтому локальный источник энергии остывает более интенсивно при взаимодействии с жидкостью по сравнению с системой, включающей пропитанную ткань. Достаточные для воспламенения температуры (рис. 5, а) и концентрации (рис. 5, б) достигаются в малой окрестности боковой поверхности частицы.
а б
1 - парогазовая смесь, 2 - металлическая частица, 3 - ткань, пропитанная горючей жидкостью
Рис. 5. Изотермы 0 (а) и изолинии концентраций горючего С (б) в системе «стальная частица -шерстяная ткань, пропитанная керосином - воздух» в момент воспламенения (та=0,314)
при 0Р=1,15, Лр=0,15, Zp =0,25, ф=0,35
На рис. 6, 7 приведены кадры видеограмм при реализации условий зажигания и отсутствии возгорания соответственно. Установлено, что при температуре частицы 0р<1 зажигание в рассматриваемой системе (рис. 1) не происходит. Реализуется интенсивное парообразование (рис. 7) без ускорения реакции окисления и последующего появления пламени. Серия выполненных экспериментов показала, что при 0р>1 зажигание происходит стабильно (рис. 6). Таким образом, при Яр=0,15 и 2р=0,25 предельное (нижнее) значение температуры стальной частицы, при которой происходит зажигание, составляет 0р=1. При увеличении Яр и 2р предельное значение 0р несколько уменьшается, но не достигает 0,95 ни при каких условиях. При уменьшении толщины ткани 21 и увеличении объемной доли горючей жидкости ф также можно несколько уменьшить предельное значение 0р, при котором происходит зажигание. Однако в этом случае достаточно трудно обеспечить условия для выхода системы на режим стационарного горения (без наличия вспышек и последующего потухания).
1 - ткань, 2 - стальная частица, 3 - пламя
Рис. 6. Кадр видеограммы эксперимента с воспламенением паров керосина, поступающих с поверхности гетерогенной структуры - шерстяной ткани, пропитанной горючей жидкостью (0Р=1,25, Лр=0,15, Zp=0,25)
1 - ткань, 2 - стальная частица, 3 - дымообразование без пламени
Рис. 7. Кадр видеограммы эксперимента без воспламенения паров керосина, поступающих с поверхности гетерогенной структуры - шерстяной ткани, пропитанной горючей жидкостью (0Р=1, Лр=0,15, Zp=0,25)
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В результате выполненного цикла численных и экспериментальных исследований установлены необходимые (ф>30 %) и достаточные (0p>1) условия зажигания сложных гетерогенных систем - широко распространенных тканей (шерсть, шелк, лен), пропитанных типичными горючими жидкостями (бензин, керосин, дизельное топливо), при локальном нагреве. Определены масштабы влияния на интегральные характеристики зажигания температуры и размеров локального источника энергии, а также объемной доли жидкости в ткани. Установлено, что доминирующую роль играют значения 0p и ф. При этом показано, что основные интегральные характеристик - времена задержки зажигания для систем с тонкими высокопористыми тканями могут быть существенно меньше полученных для тканей большой толщины [17, 18].
Также проиллюстрировано достаточно хорошее соответствие результатов выполненных численных и экспериментальных исследований (обоснованы использованные допущения и подтверждена адекватность разработанной физико-математической модели). Отклонения численных и экспериментальных значений Td не превышают 18 % при варьировании основных параметров процессов в достаточно широких диапазонах. Определены факторы, главным образом влияющие на это соответствие. Получена хорошая корреляция результатов выполненных исследований с закономерностями (по режимам и механизмам зажигания), установленными ранее [28-30] для гомогенных структур - жидких топлив.
Результаты исследований позволяют сделать заключение о высокой вероятности реализации условий зажигания при взаимодействии типичных локальных источников нагрева не только с горючими и легковоспламеняющимися жидкими и твердыми конденсированными веществами, но и сложными гетерогенными структурами, в частности, тканями, пропитанными жидкими конденсированными веществами. При этом в случае малых толщин тканей и их высокой пористости процессы зажигания характеризуются относительно небольшой инерционностью (Td<0,1), близкой к гомогенным жидким топливам.
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ (госконтракт 2.80.2012) и частичной финансовой поддержке ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг. (соглашение № 8175).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Кузнецов Г.В., Мамонтов Г.Я., Таратушкина Г.В. Зажигание конденсированного вещества частицей // Химическая физика. 2004. Т. 23, № 3. С. 67-72.
2. Захаревич А.В., Кузнецов Г.В., Максимов В.И. Зажигание модельных смесевых топливных композиций одиночной, нагретой до высоких температур частицей // Физика горения и взрыва. 2008. Т. 44, № 5. С. 54-57.
3. Буркина Р.С., Микова Е.А. Высокотемпературное зажигание реакционноспособного вещества горячей инертной частицей с конечным запасом тепла // Физика горения и взрыва. 2009. Т. 45, № 2. С. 40-47.
4. Глушков Д.О., Кузнецов Г.В., Стрижак П.А. Численное моделирование твердофазного зажигания металлизированного конденсированного вещества нагретой до высоких температур частицей // Химическая физика. 2011. Т. 30, № 12. С. 35-42.
5. Глушков Д.О., Стрижак П.А. Влияние формы локального источника энергии на условия зажигания структурно-неоднородного твердого конденсированного вещества // Химическая физика и мезоскопия. 2012. Т. 14, № 3. С. 334-340.
6. Кузнецов Г.В., Стрижак П.А. Численное решение задачи воспламенения жидкого пожароопасного вещества одиночной «горячей» частицей // Физика горения и взрыва. 2009. Т. 45, № 5. С. 42-50.
7. Захаревич А.В., Стрижак П.А. Пожарная опасность взаимодействия источников ограниченного теплосодержания с легковоспламеняющимися жидкостями // Пожарная безопасность. 2011. № 4. С. 70-75.
8. Стрижак П.А. Зажигание жидких горючих и легковоспламеняющихся веществ типичными источниками ограниченной энергоемкости // Пожаровзрывобезопасность. 2011. Т. 20, № 11. С. 11-27.
9. Высокоморная О.В., Кузнецов Г.В., Стрижак П.А. Численное моделирование особенностей тепломассопереноса при зажигании жидкого конденсированного вещества лазером // Тепловые процессы в технике. 2011. Т. 3, № 3. С. 113-117.
10. Высокоморная О.В., Кузнецов Г.В., Стрижак П.А. Моделирование зажигания жидкого топлива локальным источником нагрева в условиях выгорания жидкости // Химическая физика. 2011. Т. 30, № 8. С. 62-67.
11. Глушков Д.О., Стрижак П.А. Зажигание полимерного материала одиночной, нагретой до высоких температур частицей // Пожаровзрывобезопасность. 2011. Т. 20, № 9. С. 3-8.
12. Глушков Д.О., Стрижак П.А. Зажигание полимерного материала нагретой до высоких температур металлической частицей в условиях конвективного тепломассопереноса // Пожаровзрывобезопасность. 2011. Т. 20, № 12. С. 15-22.
13. Глушков Д.О., Стрижак П.А. Конвективный тепломассоперенос при зажигании полимерного материала локальным источником нагрева // Бутлеровские сообщения. 2012. Т. 29, № 1. С. 99-111.
14. Кузнецов Г.В., Стрижак П.А. Особенности зажигания парогазовой смеси нагретой до высоких температур металлической частицей // Пожаровзрывобезопасность. 2008. Т. 17, № 3. С. 25-33.
15. Кузнецов Г.В., Стрижак П.А. Зажигание парогазовой смеси движущимся источником нагрева малых размеров // Химическая физика. 2010. Т. 29, № 2. С. 29-37.
16. Kuznetsov G.V., Strizhak P.A. Transient heat and mass transfer at the ignition of vapor and gas mixture by a moving hot particle // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2010. V. 53, № 5-6. P. 923-930.
17. Кузнецов Г.В., Стрижак П.А. Пожароопасность процессов взаимодействия разогретых до высоких температур частиц с тканями, пропитанными горючими жидкостями // Пожаровзрывобезопасность. 2008. Т. 17 № 5. С. 16-22.
18. Kuznetsov G.V., Strizhak P.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. № 3. P. 448-453.
19. Кондратьев В.Н., Никитин Е.Е. Константы скорости газофазных реакций: справочник. М. : Наука, 1971. 351 с.
20. Кондратьев В.Н., Никитин Е.Е. Кинетика и механизм газофазных реакций. М. : Наука, 1974. 558 с.
21. Кузнецов Г.В., Стрижак П.А. Зажигание накаленной одиночной частицей жидких углеводородных топлив // Известия Томского политехнического университета. 2008. Т. 312, № 4. С. 5-9.
22. Вилюнов В.Н. Теория зажигания конденсированных веществ. Новосибирск : Наука, 1984. 190 с.
23. Кутателадзе С.С. Основы теории теплообмена. М. : Атомиздат, 1979. 416 с.
24. Роуч П.Дж. Вычислительная гидродинамика. М. : Мир, 1980. 616 с.
25. Пасконов В.М., Полежаев В.И., Чудов Л.А. Численное моделирование процессов тепло- и массообмена. М. : Наука, 1984. 277 с.
26. Франк-Каменецкий Д.А. Диффузия и теплопередача в химической кинетике. М. : Наука, 1987. 490 с.
27. Полежаев Ю.В., Юревич Ф.Б. Тепловая защита. М. : Энергия, 1976. 391 с.
28. Кузнецов Г.В., Захаревич А.В., Максимов В.И. Зажигание дизельного топлива одиночной «горячей» металлической частицей // Пожаровзрывобезопасность. 2008. Т. 17, № 4. С. 28-30.
29. 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.
30. Захаревич А.В., Кузнецов Г.В., Максимов В.И., Панин В.Ф., Равдин Д.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.
31. Зайдель А.Н. Элементарные оценки ошибок измерений. Л. : Наука, 1968. 96 с.
32. Варгафтик Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. М. : ООО «Старс», 2006. 720 с.
33. Теплотехнический справочник / под ред. В.Н. Юренева, П.Д. Лебедева. М. : Энергия, 1975. Т. 1. 743 с.
34. Теплотехнический справочник / под ред. В.Н. Юренева, П.Д. Лебедева. М.: Энергия, 1975. Т. 2. 896 с.
35. Щетинков Е.С. Физика горения газов. М. : Наука, 1965. 739 с.
36. Dagaut P., Cathonnet M. The ignition, oxidation and combustion of kerosene: A review of experimental and kinetic modeling // Progress in energy and combustion science. 2006. V. 32. P. 48-92.
37. Кузнецов Г.В., Стрижак П.А. Определение кинетики зажигания типичных жидких топлив источниками нагрева с конечным запасом энергии // Пожаровзрывобезопасность. 2009. Т. 18, № 7. С. 35-40.
NUMERICAL AND EXPERIMENTAL INVESTIGATION OF IGNITION PROCESS FOR SYSTEM "FABRIC -COMBUSTIBLE LIQUID" AT LIMITED HEATING
Vysokomornaya O.V., Zaharevich A.V., Strizhak P.A.
National Research Tomsk Polytechnic University, Tomsk, Russia
SUMMARY. A numerical and experimental analysis of macroscopic laws for heat and mass transfer processes at phase transfers and chemical reactions with ignition of combustible liquids vapors coming from her soaked cloth on oxidant zone, with local heating is performed. Limited ignition conditions for heterogeneous system "fabric - combustible liquid" at interaction with single heated to high temperatures metal particle of small sizes are established. The ranges of change for characteristic ignition time delay and dependence of the integral characteristics from temperature and size of the local power supply are determined. A comparison of numerical and experimental research results is performed.
KEYWORDS: ignition, heat and mass transfer, oxidation, evaporation, combustible liquid, particle, ignition time delay.
Высокоморная Ольга Валерьевна, кандидат физико-математических наук, старший преподаватель кафедры теоретической и промышленной теплотехники, инженер лаборатории моделирования процессов тепломассопереноса, НИ ТПУ, Энергетический институт, тел. 8(3822) 563-368, е-таг'1: [email protected]
Захаревич Аркадий Владимирович, кандидат физико-математических наук, доцент кафедры теоретической и промышленной теплотехники, ведущий инженер лаборатории моделирования процессов тепломассопереноса, НИ 7ПУ Энергетический институт, е-таг'1: [email protected]
Стрижак Павел Александрович, доктор физико-математических наук, заведующий лабораторией моделирования процессов тепломассопереноса, профессор кафедры автоматизации теплоэнергетических процессов, НИ 7ПУ Энергетический институт, е-таг'1: [email protected]
