CC BY
22
А. О. ЖДАНОВА, аспирант кафедры автоматизации теплоэнергетических процессов Энергетического института Национального исследовательского Томского политехнического университета (Россия, 634050, г. Томск, просп. Ленина, 30; e-mail: zhdanovaao@tpu.ru)
Г. В. КУЗНЕЦОВ, д-р физ.-мат. наук, профессор, заведующий кафедрой теоретической и промышленной теплотехники Энергетического института Национального исследовательского Томского политехнического университета (Россия, 634050, г. Томск, просп. Ленина, 30; e-mail: elf@tpu.ru) П. А. СТРИЖАК, д-р физ.-мат. наук, профессор, профессор кафедры автоматизации теплоэнергетических процессов Энергетического института Национального исследовательского Томского политехнического университета (Россия, 634050, г. Томск, просп. Ленина, 30; e-mail: pavelspa@tpu.ru)
УДК 536.46
ЧИСЛЕННОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ИСПАРЕНИЯ ПЛЕНКИ ВОДЫ НА ПОВЕРХНОСТИ ЛЕСНОГО ГОРЮЧЕГО МАТЕРИАЛА
Проведено численное исследование процессов теплопереноса в условиях эндотермических фазовых превращений при испарении пленки воды на поверхности типичных лесных горючих материалов (ЛГМ). Установлены соотношения между толщиной слоя пленки жидкости, испарившегося при подавлении реакции термического разложения в рассматриваемых ЛГМ (листья березы, хвоя сосны и ели), и размерами прогретого приповерхностного слоя ЛГМ. Приведены характерные времена подавления реакции термического разложения типичных ЛГМ при испарении пленки воды на их поверхности.
Ключевые слова: лесной горючий материал; вода; пленка; термическое разложение; тушение.
Введение
Локальный сброс воды с воздушных судов в зону горения, как правило, приводит к существенному заливанию ограниченных по характерным размерам участков лесных пожаров [1,2]. Достаточно часто это не является гарантией ликвидации очага горения [3,4], так как пламя в малой окрестности зоны тушения может через относительно небольшой интервал времени интенсифицировать процесс горения. Рассматриваемые в качестве перспективных в последние годы водяные и пароводяные "завесы" [5-7] призваны покрыть существенно большую площадь пожара по сравнению со сплошными массами воды (при этом экономится достаточно много тушащей жидкости). Эффективность применения таких подходов для локализации пламени обоснована известными результатами теоретических и экспериментальных исследований [8-12]. Однако открытым остается вопрос об объемах жидкости, необходимых и достаточных (минимальных) для подавления реакции термического разложения в приповерхностных слоях типичных лесных горючих материалов (ЛГМ). Такие оценки можно провести при численном моделировании взаимосвязанных процессов теплопереноса и эндотермических фазовых превращений в системе пленка воды - ЛГМ.
Цель настоящей работы — численное исследование процессов теплопереноса в условиях эндотермических фазовых превращений при испарении пленки воды на поверхности типичных лесных горючих материалов.
Постановка задачи
При постановке рассматриваемой задачи тепло-переноса (рис. 1) предполагалось, что "водяной снаряд" (большая совокупность капель воды) проходит через пламя и вода равномерно растекается по поверхности ЛГМ (листья березы, хвоя сосны и ели). В результате образуется пленка жидкости фик-
Хк
L
1 ) /
Х1 2 \
3 ,
0
Рис. 1. Схема области решения задачи теплопереноса при испарении пленки воды на поверхности ЛГМ (0 < t < td): 1 — парогазовая смесь; 2 — вода; 3 — ЛГМ
© Жданова А. О., Кузнецов Г. В., Стрижах П. А., 2014
ХА
ь
) 1 )
хх
) 2
0
Рис. 2. Схема области решения задачи теплопереиоса при термическом разложении ЛГМ: 1 — пламя (высокотемпературная газовая среда); 2 — ЛГМ
Рис. 3. Типичные распределения температуры (а) и доли способного к химическому реагированию вещества (б) в ЛГМ (Ь^, = 0,02 м) при его термическом разложении в условиях постоянной внешней температуры (1170 К): 1 —листья березы; 2 — хвоя сосны; 3 — хвоя ели
сированных размеров (толщиной Ьк). Считалось, что жидкость прогревается за счет теплообмена с термически разлагающимся ЛГМ. На границе пленка воды - ЛГМ при достижении условий фазового перехода происходит парообразование (испарение). За счет теплоты эндотермического фазового перехода температура ЛГМ снижается. В процессе интенсивного парообразования толщина "водяного снаряда" (пленки жидкости) уменьшается. Фиксировалось время гл снижения температуры ЛГМ относительно температуры начала термического разложения Тл. Параметр гл иллюстрирует время подавления (прекращения) реакции термического разложения ЛГМ. Вычислялась также толщина испарившегося слоя жидкости Ье. Эта величина ил-
люстрирует толщину слоя пленки жидкости, непосредственно задействованного при подавлении реакции термического разложения.
Для установления начального распределения температуры Т0(х) и доли способного к химическому реагированию (термическому разложению) вещества Ф0(х) в приповерхностном слое ЛГМ толщиной Ь^ решалась задача теплопереноса [13] в системе, представленной на рис. 2. Аналогично [13] вычислялись профили Т0(х) и Ф0(х) при постоянной температуре внешней газовой среды (продуктов сгорания) 1170 К, соответствующей средней температуре пожара [14]. На рис. 3 приведены типичные (начальные для сформулированной ниже задачи) распределения Т0(х) и Ф0(х) в приповерхностном слое ЛГМ (листья березы, хвоя сосны и ели), полученные при решении уравнения энергии для ЛГМ [13].
Математическая модель и методы решения
Нестационарные дифференциальные уравнения теплопереноса в частных производных для системы парогазовая смесь - пленка воды - ЛГМ (см. рис. 1) согласно основным положениям [15,16] при 0 < г < имеют следующий вид:
дТ д 2Т
-— = а1 —— при Х2 <х<Ь; дг дх2
дТ2
дг
=а
д 2Т2 д х2
при х1 < х < х2;
(1) (2)
д 2Т3
р г дТ3 х
р3С3 "57" 2
+ Q3W3 при 0 <х<хь (3) Е
£ = (> -ф3)к5°ехрI-^
(4)
где г — время, с;
Т — температура, К;
а—температуропроводность, м2/с; а = Х/(Ср); X — теплопроводность, Вт/(мК); С — теплоемкость, Дж/(кг-К); р — плотность, кг/м3; х — координата декартовой системы, м; Ь — размер области решения, м; Q3 — тепловой эффект реакции термического разложения, Дж/кг;
Ж3—скорость термического разложения, кг/(м^с);
к30 — предэкспонента, с-1;
Е3 — энергия активации, кДж/моль;
Фз — доля вещества, способного к химическому
реагированию;
Я — универсальная газовая постоянная, Дж/(моль-К);
индексы: 1 — парогазовая смесь, 2 — вода, 3 — ЛГМ.
Начальные ^ = 0) условия (см. рис. 1):
• ф3 = ф0(х), Т3 = Т0(х) при 0 < х < х1 (см. рис. 3);
• Т1 = Тп при х1 < х < Ь (где Тп — начальная температура воды и парогазовой смеси, К). Граничные условия при 0 < t < td (см. рис. 1):
• х = 0:
дТ3/ дх = 0; (5)
• х = Ь:
дТ1 / дх = 0; (6)
• х = х1:
-Х3 - Яз Ж* = -^2 ^ + ЯгЖ2, Тз = Т2; (7)
дх
х х^
-х
дТ2
дх
дТ,
21 О - = —Х - , Т 2 = Тт.
2 л 1 Л ' 2 1'
дх дх
(8)
у=У1 г е \
где = I ф3 р3 к3 ехр--— <х.
У =0 V ЯТ3 )
Теплофизические характеристики приповерхностного слоя ЛГМ вычислялись с учетом реакции термического разложения из следующих выражений:
Х3 = Х31Ф3 + Х32 (1 - Ф3);
С3 = С31Ф3 + С32 (1 Ф3);
Р3 = Р31ф3 + Р32 (1 - ф3),
где индексы "31" и "32" соответствуют непрореаги-ровавшему ЛГМ и продуктам его термического разложения.
Для вычисления массовой скорости испарения воды использовалось следующее выражение [17]:
р (Рп - Р)
Же = _
е 1 - крр у]2пЯТ2,/М
(9)
где р — безразмерный коэффициент конденсации (испарения);
кр — безразмерный коэффициент; кр « 0,4 [17]; Рп — давление насыщенных паров воды, Н/м2; Р — давление паров воды вблизи границы испарения, Н/м2;
Т1б — температура на границе вода - ЛГМ, К; М — молярная масса воды, кг/кмоль. Скорость термического разложения ЛГМ вычислялась по формуле [15]:
Ж3 = ф3 р3 к3 ехрI -
ЯП
(10)
Для решения системы нестационарных нелинейных дифференциальных уравнений (1)—(10) применен метод конечных разностей [18]. Разностные аналоги дифференциальных уравнений решены локально-одномерным методом [18]. Решение нелинейных уравнений осуществлялось методом простых итераций [19]. Одномерные разностные уравнения
решены методом прогонки с использованием неявной четырехточечной разностной схемы [18]. Аналогично [11] применялась "сгущающаяся" в окрестности границы фазового перехода разностная координатная сетка. Моделирование проводилось с неравномерным шагом по времени — от 110-3 до 110-1 с.
Оценка достоверности полученных результатов численных исследований выполнялась проверкой консервативности используемых разностных схем (алгоритм аналогичен приведенному в [20, 21]).
Результаты исследований и их обсуждение
Численные исследования выполнены при следующих исходных данных [21-28]: начальная температура воды и парогазовой смеси Тп = 300 К; профили Т0(х) и ф0(х) задавались в соответствии с результатами решения задачи [13] в виде распределений, приведенных на рис. 3; температура начала термического разложения ЛГМ Тл =500 К; параметры химической реакции принимались идентичными для рассмотренных типов ЛГМ: к3 = 3,63 104 с-1, Е3 = = 78,114 кДж/моль, Я3 = 1103 Дж/кг; безразмерный коэффициент конденсации (испарения) р = 0,1; молярная масса воды М = 18 кг/кмоль; тепловой эффект испарения воды Яе = 2,26 МДж/кг. Толщина приповерхностного слоя ЛГМ варьировалась в диапазоне Ьу = 0,02^0,06 мм. Толщина пленки жидкости принималась ЬК = 0,01 мм. Размер области решения изменялся в зависимости от значений Ьу в диапазоне Ь = 0,02^0,20 м.
Теплофизические характеристики взаимодействующих веществ принимались следующими [21-25]: • для ЛГМ (листья березы):
Х31 = 0,125 Вт/(м-К), С31 = 1719 Дж/(кг-К),
р31 = 614 кг/м3, Х32 = 0,029 Вт/(м-К)
С32 = 2449 Дж/(кг-К), р32 = 2,7 кг/м3;
• для ЛГМ (хвоя сосны):
Х31 = 0,102 Вт/(м-К), С31 = 1400 Дж/(кг-К), р31 = 500 кг/м3, Х32 = 0,027 Вт/(м-К), С32 = 2280 Дж/(кг-К), р32 = 2,5 кг/м3;
• для ЛГМ (хвоя ели):
Х31 = 0,091 Вт/(м-К), С31 = 1246 Дж/(кг-К), р31 = 445 кг/м3, Х32 = 0,024 Вт/(м-К), С32 = 2026 Дж/(кг-К), р32 = 2,2 кг/м3;
• для воды:
Х2 = 0,56 Вт/(м-К), С2 = 4200 Дж/(кг-К), р2= 1000 кг/м3;
• для парогазовой смеси:
Х1 = 0,026 Вт/(м К), С1 = 1190 Дж/(кг-К), р1 = 1,161 кг/м3.
При решении задачи теплопереноса (1)—(10) фиксировались распределения температуры в приповерхностном слое ЛГМ в разные моменты времени. На рис. 4 приведены типичные распределения тем-
Рис. 4. Распределение температуры в приповерхностном слое ЛГМ (хвоя сосны) при Ьу = 0,02 ми Ьк = 0,01 м в разные моменты времени: 1 — 1с; 2 — 15 с; 3 — 34 с
пературы в приповерхностном слое ЛГМ (хвоя сосны) толщиной 0,02 м при начальной толщине пленки жидкости 0,01 м. Из рис. 4 видно, что температура в приповерхностном слое ЛГМ снижается нелинейно. Установленные особенности изменения температуры ЛГМ можно объяснить интенсивным химическим реагированием при термическом разложении в твердой фазе, а также теплообменом с внешней средой (пленкой воды) при энергозатратных и инерционных эндотермических фазовых превращениях.
На рис. 5,а представлены полученные в результате численных исследований зависимости толщины слоя испарившейся при подавлении реакции термического разложения жидкости Ье от характерного размера прогретого приповерхностного слоя ЛГМ Ьу. Параметр Ье представляет собой минимальную толщину пленки жидкости, при которой температура в ЛГМ становится ниже Тл.
Можно отметить нелинейный характер изменения Ье в зависимости от параметра Ьу. Во-первых, это обусловлено нелинейной зависимостью скорости термического разложения ЛГМ от температуры (10). Во-вторых, существенное влияние на условия охлаждения ЛГМ оказывают начальные распределения Т0(х) и Ф0(х) в приповерхностном слое ЛГМ (соответствующие процессу его горения). Известно [3,4], что распределения температуры в приповерхностном слое ЛГМ при горении могут значительно изменяться с течением времени. Это главным образом связано с выгоранием определенной доли приповерхностного слоя и заполнением этой области газообразными продуктами сгорания и коксом (как следствие, существенно меняется доля способного к термическому разложению вещества). Пропорции между заполняющими указанную область компонентами могут существенно отличаться в зависимости от внешних условий. Выбранные в качестве начальных профили Т0(х) и Ф0(х) иллюстрируют (см. рис. 3) условия, при которых перед контактом с
0,020 0,025 0,030 0,035 0,040 0,045 0,050 0,055 Ц, м
с
0,020 0,025 0,030 0,035 0,040 0,045 0,050 0,055
Рис. 5. Зависимости толщины испарившегося слоя пленки жидкости (а) и времени подавления реакции термического разложения (б) от характерного размера ЛГМ: 1 — листья березы; 2 — хвоя сосны; 3 — хвоя ели
пленкой воды выгорание ЛГМ происходит в узком приповерхностном слое. На практике возможна реализация условий, при которых толщина прогретого приповерхностного слоя ЛГМ будет превышать рассматриваемые значения Ьу. Как следствие, возрастут и значения Ье.
Для зависимостей, приведенных на рис. 5,а, сформулированы следующие аппроксимационные выражения:
• для листьев березы:
Ье = 1266,7Ь3у - 82,429Ь2у + 2,087Ьу + 0,033 при 0,02 < Ьу < 0,06 м;
• для хвои сосны:
(11)
+ 2,174Ьу + 0,023
Ье = 1041,7Ь3у - 77,857Ь2
при 0,02 < Ьу < 0,06 м; • для хвои ели:
2,081Ь
Ье = 891,67Ь3у - 70Ьу
/
0,017
(12)
(13)
при 0,02 < Ьу< 0,06 м.
Зависимости Ье =/(Ьу) показывают (см. рис. 5,а), что для подавления (предотвращения) реакции термического разложения в приповерхностных слоях типичных ЛГМ размерами до 0,06 м требуются пленки жидкости толщиной Ье, не превышающей 1 мм. Выявленная особенность иллюстрирует избыточность подачи воды типичным для авиации способом — локальным сбрасыванием [1,2], при котором на
поверхности ЛГМ могут формироваться пленки жидкости толщиной, существенно превышающей установленные достаточные (минимальные) значения Ье.
При численном моделировании определены также характерные времена подавления реакции термического разложения рассматриваемых ЛГМ td при воздействии на них рассматриваемой пленки воды (см. рис. 5,6).
Показано, что для Ьу < 0,05 м значения td не превышают 1 мин. При Ьу ^ 0,06 мм для полного подавления реакции термического разложения потребуется td < 1,5 мин. Установленные результаты позволяют сделать вывод о том, что даже при минимальных толщинах пленки жидкости Ьк для подавления реакции термического разложения ЛГМ достаточно испарения слоя воды Ье в течение очень малого интервала времени.
Для зависимостей, приведенных нарис. 5,6, сформулированы аппроксимационные выражения: • для листьев березы:
+ 1186,4Lf + 29,74
td = 600000Lf - 45643L2f
при 0,02 < Lf < 0,06 м; • для хвои сосны:
td = 458333Lf - 37143Lf
при 0,02 < Lf < 0,06 м; • для хвои ели:
1430,6L
td = 558333Lf - 48643L2f
+ 1075,6Lf + 23,94
16,36
(14)
(15)
(16)
^ 558333Ьу 48643Ьу Т 1430,6Ь^
при 0,02 < Ь/ < 0,06 м.
Следует отметить, что на величину td и Ье существенное влияние оказывают исходные параметры
решения задачи теплопереноса, и в первую очередь — кинетические показатели термического разложения (Е3, к3, Я3, Т^. Известные на сегодняшний день значения Е3, к3, Я3 и Тй варьируются для широкой группы типичных ЛГМ в пределах 30-40 % [26-28]. В настоящей работе приведены результаты вычислений при средних значениях известных диапазонов изменения Е3, к3, Я3, Тй. Разработанную модель теплопереноса можно использовать для вычисления необходимых и достаточных толщин пленок воды и времен их испарения при различных значениях Е3, к30, Я3 и Т^
Заключение
На основании результатов численных исследований можно сделать вывод о том, что условия, при которых реакция термического разложения в приповерхностном слое типичного ЛГМ прекращается (температура менее Тс), реализуются при толщине испарившегося слоя пленки воды менее 1 мм. Приведенные аппроксимационные выражения (11)—(16) для функций Ье = /(Ьу) и td = /(Ьу) позволяют определить необходимую толщину пленки тушащей жидкости (и, как следствие, объем "водяного снаряда"), а также характерные времена td для подавления (прекращения) реакции термического разложения широко распространенных ЛГМ (листья березы, хвоя сосны и ели).
Работа выполнена при финансовой поддержке гранта Президента Российской Федерации (МК-620.2012.8).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Хасанов И. Р., Москвилин Е. А. Авиационные методы тушения крупных лесных пожаров // Проблемы горения и тушения пожаров на рубеже веков : матер. XV науч.-практ. конф. — М. : ВНИИПО, 1999. — Ч. 1. —С. 300-301.
2. Горшков B. C., Москвилин Е. А., Хасанов И. Р. Оценка параметров тушения лесных пожаров авиационными средствами // Проблемы прогнозирования чрезвычайных ситуаций и их источников : сб. тез. науч.-практ. конф. — М. : ИИЦ ВНИИ ГОЧС, 2001. — С. 34-35.
3. Щетинский Е. А. Тушение лесных пожаров. — М. : ВНИИЛМ, 2002. — 104 с.
4. Кузнецов Г. В., Барановский H. В. Прогноз возникновения лесных пожаров и их экологических последствий. — Новосибирск : Изд-во СО РАН, 2009. — 301 с.
5. Wighus R. Water mist fire suppression technology — status and gaps in knowledge // Proceedings of the International Water Mist Conference. — Vienna, 2001. — P. 1-26.
6. Karpov A. I., Novozhilov V. B., GalatA. A., Bulgakov V. K. Numerical modeling of the effect of fine water mist on the small scale flame spreading over solid combustibles // Fire safety science : proceeding of Eight International Symposium. — 2005. — Vol. 27. — P. 753-764.
7. Ковалев А. H., Журавлева Л. А. Перспективные направления тушения низовых лесных и степных пожаров // Научная жизнь. — 2012. — № 4. — С. 153-157.
8. СоковиковВ. В., ТуговА. H., ГришинВ. В., Камышев В. H. Автоматическое водяное пожаротушение с применением тонкораспыленной воды на электростанциях // Энергетик. — 2008. — № 6. — С. 37-38.
9. Копылов Н. П., Чибисов А. Л., Душкин А. Л., Кудрявцев Е. А. Изучение закономерностей тушения тонкораспыленной водой модельных очагов пожара // Пожарная безопасность. — 2008. —№ 4.
— С. 45-58.
10. Корольченко Д. А., Громовой В. Ю., Ворогушин О. О. Применение тонкораспыленной воды для тушения пожаров в высотных зданиях // Пожаровзрывобезопасность. — 2011. — Т. 20, № 11.
— С. 54-57.
11. Волков Р. С., Кузнецов Г. В., Стрижак П. А. Численная оценка оптимальных размеров капель воды в условиях ее распыления средствами пожаротушения в помещениях // Пожаровзрывобезопасность. — 2012. — Т. 21, № 5. — С. 74-78.
12. Волков Р. С., Высокоморная О. В., Кузнецов Г. В., СтрижакП. А. Экспериментальное исследование закономерностей испарения тонкораспыленной воды при движении через высокотемпературные продукты сгорания // Бутлеровские сообщения. — 2013. — Т. 35, № 9. — С. 38-46.
13. Жданова А. О. Определение характерных времен прекращения реакции термического разложения типичных лесных горючих материалов при воздействии "водяного снаряда" // I Международный молодежный форум "Интеллектуальные энергосистемы". — Томск, 2013. — Т. 1. — С. 295-298.
14. Горшков В. И. Тушение пламени горючих жидкостей. — М. : Пожнаука, 2007. — 268 с.
15. Франк-Каменецкий Д. А. Диффузия и теплопередача в химической кинетике.—М. :Наука, 1987.
— 490 с.
16. Пасконов В. М., Полежаев В. И., Чудов Л. А. Численное моделирование процессов тепло- и массообмена. — М. : Наука, 1984. — 277 с.
17. Муратова Т. М., Лабунцов Д. А. Кинетический анализ процессов испарения и конденсации // Теплофизика высоких температур. — 1969. — Т. 7, № 5. — С. 959-967.
18. Самарский А. А. Теория разностных схем. — М. : Наука, 1983. — 616 с.
19. КоздобаЛ.А. Методы решения нелинейных задач теплопроводности.—М.: Наука, 1975.—227 с.
20. Kuznetsov G. V., StrizhakP. 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. — Vol. 53, Issues 5-6.
— P. 923-930.
21. Vysokomornaya O. V., Kuznetsov G. V., StrizhakP. A. Heat and mass transfer in the process of movement of water drops in a high-temperature gas medium // Journal of Engineering Physics and Thermo-physics. —2013. — Vol. 86, No. 1. — P. 62-68.
22. Варгафтик Н. Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. — М. : ООО "Старс", 2006. — 720 с.
23. Теплотехнический справочник / Под ред. В. Н. Юренева, П. Д. Лебедева. — М.: Энергия, 1975.
— Т. 1. —743 с.
24. Теплотехнический справочник / Под ред. В. Н. Юренева, П. Д. Лебедева. — М.: Энергия, 1975.
— Т. 2.— 896 с.
25. Корольченко А. Я., Корольченко Д. А. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов и средства их тушения : справочник. — М. : Пожнаука, 2004. — Ч. 1. — 713 с.
26. Grishin A. M., Sinitsyn S. P., Akimova I. V.Comparative analysis of thermokinetic constant of drying and pyrolysis of forest fuels // Combustion and Explosion Physics Journal. —1991.—Vol. 27. — P. 17-24.
27. Lautenberger C. H., Fernando-Pello C. A model for the oxidative pyrolysis of wood // Combustion and Flame. — 2009. — Vol. 156.—P. 1503-1513.
28. Барановский Н. В., Гоман П. Н. Сравнительный анализ численного моделирования и экспериментальных данных по зажиганию лесных горючих материалов лучистым тепловым потоком // Фундаментальные исследования. Физико-математические науки. — 2013. — № 10. — С. 747-751.
Материал поступил в редакцию 8 ноября 2013 г.
= English
NUMERICAL INVESTIGATION OF WATER FILM EVAPORATION ON THE SURFACE OFF FOREST FUEL
ZHDANOVA A. O., Postgraduate Student of Automation Thermal and Power Processes Department, Power Institute of National Research Tomsk Polytechnic University (Lenina Avenue, 30, Tomsk, 634050, Russian Federation; e-mail address: zhdanovaao@tpu.ru)
KUZNETSOV G. V., Doctor of Physical and Mathematical Sciences, Professor, Head of Theoretical and Industrial Heat Engineering Department, Power Institute of National Research Tomsk Polytechnic University (Lenina Avenue, 30, Tomsk, 634050, Russian Federation; e-mail address: elf@tpu.ru)
STRIZHAK P. A., Doctor of Physical and Mathematical Sciences, Professor, Professor of Automation Thermal and Power Processes Department, Power Institute of National Research Tomsk Polytechnic University (Lenina Avenue, 30, Tomsk, 634050, Russian Federation; e-mail address: pavelspa@tpu.ru)
ABSTRACT
The results of numerical studies of heat transfer processes at the evaporation of liquid film on a surface of typical forest fuel (FF) are presented.
Values of the desired thickness of the liquid film at different sizes of the heated surface layer of the typical FF (birch leaves, pine and spruce needles) for suppression of the thermal decomposition reaction (end of burning) are shown. It is established that at the thickness of the surface layer FF is not more than 0.06 m in the process of suppressing the thermal decomposition reaction evaporates the water layer with a thickness Le less than 1 mm. This result shows that the "cooling" of the near-surface FF layer quite substantially smaller liquid film thickness as compared with the actually emerging in extinguishing fires.
The characteristic times of suppression of the thermal decomposition reaction (end of burning) of typical FF disease when exposed to water films with minimum dimensions. It is established that at the thickness of the near-surface FF layer less than 0.06 m need time not more than 1.5 minutes.
Approximation expression showing redundancy water supply into the combustion zone "local dropping", in which the surface of FF can form a liquid film thickness significantly greater than the required set (minimum) value Le are formulated.
Keywords: forest fuel; water; liquid film; thermal decomposition; suppression.
REFERENCES
1. Khasanov I. R., Moskvilin E. A. Aviatsionnyye metody tusheniya krupnykh lesnykh pozharov [Aviation methods extinguishing large forest fires]. Problemy goreniya i tusheniya pozharov na rubezhe vekov: materialy XV nauchno-prakticheskoy konferentsii [Problems burning and extinguishing fires at the turn of the century]. Moscow, All-Russian Research Institute for Fire Protection Publ., 1999, part 1, pp. 300-301.
2. Gorshkov V. S., Moskvilin E. A., Khasanov I. R. Otsenka parametrov tusheniya lesnykh pozharov avi-atsionnymi sredstvami [Parameter estimation forest fire fighting air assets]. Problemyprognozirova-niya chrezvychaynykh situatsiy i ikh istochnikov: sbornik tezisov nauchno-prakticheskoy konferentsii [The problem of forecasting of emergency situations and their sources: book of abstracts of scientific and practical conference]. Moscow, IITs VNII GOChS Publ., 2001, pp. 34-35.
3. Shchetinskiy Ye. A. Tusheniye lesnykh pozharov [Fighting forest fires]. Moscow, VNIILM Publ., 2002. 104 p.
4. Kuznetsov G. V., Baranovskiy N. V. Prognoz vozniknoveniya lesnykh pozharov i ikh ekologicheskikh posledstviy [Prediction of forest fires and their environmental impacts]. Novosibirsk, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences Publ., 2009. 301 p.
5. Wighus R. Water mist fire suppression technology — status and gaps in knowledge. Proceedings of the International Water Mist Conference. Vienna, 2001, pp. 1-26.
6. Karpov A. I., Novozhilov V. B., Galat A. A., Bulgakov V. K. Numerical modeling of the effect of fine water mist on the small scale flame spreading over solid combustibles. Fire Safety Science: Proceeding of Eight International Symposium, 2005, vol. 27, pp. 753-764.
7. Kovalev A. N., Zhuravleva L. A. Perspektivnyye napravleniya tusheniya nizovykh lesnykh i stepnykh pozharov [Perspective directions of quenching fire ground forest and grassland fire]. Nauchnaya zhizn — Academic Life, 2012, no. 4, pp. 153-157.
8. Sokovikov V. V., Tugov A. N., Grishin V. V., Kamyshev V. N. Avtomatisheckoye vodyanoye pozharo-tusheniye c primeneniyem tonkoraspylennoy vody na elektrostantsiyakh [Automatic fire extinguishing using water mist in power plants]. Energetic, 2008, no. 6, pp. 37-38.
9. KopylovN. P., Chibisov A. L., Dushkin A. L., Kudryavtsev E. A. Izucheniye zakonomernostey tushe-niya tonkoraspylennoy vodoy modelnykh ochagov pozhara [Study of the patterns for water mist fire model site]. Pozharnaya bezopasnost — Fire Safety, 2008, no. 4, pp. 45-48.
10. Korol'chenko D. A., Gromovoy V. Yu., Vorogushin O. O. Primeneniye tonkoraspylennoy vody dlya tusheniya pozharov v vysotnykh zdaniyakh [Using of water mist to extinguish fires in high-rise buildings]. Pozharovzryvobezopasnost — Fire and Explosion Safety, 2011, vol. 20, no. 9, pp. 54-57.
11. VolkovR. S., KuznetsovG. V., StrizhakP. A. Chislennayaotsenkaoptimalnykhrazmerovkapelvody v usloviyakh yeye raspyleniya sredstvami pozharotusheniya v pomeshcheniyakh [Numerical evaluation of optimal size of water droplets in it spraying fire-extinguishing equipment in the premises]. Pozharovzryvobezopasnost — Fire and Explosion Safety, 2012, vol. 21, no. 5, pp. 74-78.
12. Volkov R. S., Vysokomornaya O. V., Kuznetsov G. V., Strizhak P. A. Eksperimentalnoye issledova-niye zakonomernostey ispareniya tonkoraspylennoy vody pri dvizhenii cherez vysokotemperaturnyye produkty sgoraniya [Experimental research of evaporation regularities for pulverized water moving through high-temperature combustion products]. Butlerovskiye soobshcheniya — Butlerov Communications, 2013, vol. 35, no. 9, pp. 38-46.
13. Zhdanova A. O. Opredeleniye kharakternykh vremen prekrashcheniya reaktsii termicheskogo razlo-zheniya tipichnykh lesnykh goryuchikh materialov pri vozdeystvii "vodyanogo snaryada" [Determination of the characteristic times of the termination of the thermal decomposition reaction of typical forest fuel when exposed to "water shell"]. IMezhdunarodnyy molodezhnyy forum "Intellektualnyye energo-sistemy" [Ist International Youth Forum "SMART GRIDS" ]. Tomsk, 2013, vol. 1, pp. 295-298.
14. Gorshkov V. I. Tusheniyeplamenigoryuchikh zhidkostey [Extinguishing the flame flammable liquids]. Moscow, Pozhnauka Publ., 2007. 268 p.
15. Frank-Kamenetskiy D. A. Diffuziya i teploperedacha v khimicheskoy kinetike [Diffusion and heat transfer in chemical kinetics]. Moscow, Nauka Publ., 1987. 490 p.
16. Paskonov V. M., Polezhaev V. I., Chudov L. A. Chislennoye modelirovaniyeprotsessov teplo- i masso-obmena [Numerical modeling of heat and mass transfer]. Moscow, Nauka Publ., 1984. 277 p.
17. Muratova T. M., Labuntsov D. A. Kineticheskiy analizprotsessov ispareniya i kondensatsii [Kinetic analysis of evaporation and condensation processes]. Teplofizika vysokikh temperatur — Thermophy-sics of High Temperatures, 1969, vol. 7, no. 5, pp. 959-967.
18. Samarskiy A. A. Teoriya raznostnykh skhem [The theory of difference schemes]. Moscow, Nauka Publ., 1983. 616 p.
19. Kozdoba L. A. Metody resheniya nelineynykh zadach teploprovodnosti [Methods for solving nonlinear heat conduction problems]. Moscow, Nauka Publ., 1975. 227 p.
20. Kuznetsov G. V., StrizhakP. 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, vol. 53, pp. 923-930.
21. Vysokomornaya O. V., Kuznetsov G. V., Strizhak P. A. Heat and mass transfer in the process of movement of water drops in a high-temperature gas medium. Journal of Engineering Physics and Thermo-physics, 2013, vol. 86, no. 1, pp. 62-68.
22. Vargaftik N. B. Spravochnikpo teplofizicheskim svoystvam gazov i zhidkostey [Reference for thermo-physical properties of gases and liquids]. Moscow, Stars Publ., 2006. 720 p.
23. Yurenev V. N., Lebedev P. D. (eds.) Teplotekhnicheskiy spravochnik [Thermophysical reference]. Moscow, Energiya Publ., 1975. Vol. 1, 743 p.
24. Yurenev V. N., Lebedev P. D. (eds.) Teplotekhnicheskiy spravochnik [Thermophysical reference]. Moscow, Energiya Publ., 1975. Vol. 2, 896 p.
25. Korol'chenko A. Ya., Korol'chenko D. A. Pozharovzryvoopasnost veshchestv i materialov i sredstva ikh tusheniya: spravochnik [Fire and explosion hazard of substances and materials and their means of fighting: reference]. Moscow, Pozhnauka Publ., 2004. Part 1, 713 p.
26. Grishin A. M., Sinitsin S. P., Akimova I. V. Comparative analysis of thermokinetic constant of drying and pyrolysis of forest fuels. Combustion and Explosion Physics Journal, 1991, vol. 27, pp. 17-24.
27. Lautenberger C. H., Fernando-Pello C. A model for the oxidative pyrolysis of wood. Combustion and Flame, 2009, vol. 156, pp. 1503-1513.
28. BaranovskiyN. V., GomanP. N. Sravnitelnyy analiz chislennogo modelirovaniyai eksperimentalnykh dannykh po zazhiganiyu lesnykh goryuchikh materialov luchistym teplovym potokom [Comparative analysis of numerical simulation and experimental data on the ignition of combustible forest materials by radiant heat flow]. Fundamentalnyye issledovaniya. Fiziko-matematicheskiye nauki — Fundamental Research. Physics and Mathematics, 2013, vol. 10, pp. 747-751.
