CC BY
28
А. О. ЖДАНОВА, аспирант кафедры автоматизации теплоэнергетических процессов, Энергетический институт Национального исследовательского Томского политехнического университета (Россия, 634050, г. Томск, просп. Ленина, 30; e-mail: [email protected])
Г. В. КУЗНЕЦОВ, д-р физ.-мат. наук, профессор, заведующий кафедрой теоретической и промышленной теплотехники, Энергетический институт Национального исследовательского Томского политехнического университета (Россия, 634050, г. Томск, просп. Ленина, 30; e-mail: [email protected])
П. А. СТРИЖАК, д-р физ.-мат. наук, профессор, профессор кафедры автоматизации теплоэнергетических процессов, Энергетический институт Национального исследовательского Томского политехнического университета (Россия, 634050, г. Томск, просп. Ленина, 30; e-mail: [email protected])
УДК 536.46
ЧИСЛЕННОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛОМАССОПЕРЕНОСА ПРИ ПОДАВЛЕНИИ РЕАКЦИИ ТЕРМИЧЕСКОГО РАЗЛОЖЕНИЯ ЛЕСНОГО ГОРЮЧЕГО МАТЕРИАЛА ГРУППОЙ КАПЕЛЬ ВОДЫ
Приведены результаты численных исследований процессов тепломассопереноса при подавлении реакции термического разложения типичных лесных горючих материалов (листья березы, хвоя сосны и ели) группой капель воды. Установлено влияние взаимного расположения капель на поверхности лесного горючего материала (ЛГМ), а также температуры внешней парогазовой смеси на времена подавления (прекращения) его пиролиза. Обоснована нецелесообразность заливания поверхности ЛГМ водой при подавлении химического реагирования в нем в процессе тушения лесных пожаров.
Ключевые слова: лесной горючий материал; вода; капли; термическое разложение; тепломассо-перенос.
Введение
Численные [1-3] и экспериментальные [4-6] исследования показали, что при типичном для авиации локальном сбросе воды в зону пламени в процессе тушения лесных пожаров эффективно используется (непосредственно испаряется), как правило, лишь малая часть (менее 10 %) жидкости. Показано [2-5], что для существенного (несколько сотен градусов) снижения температуры пламени с минимальными затратами воды целесообразно мелкодисперсное распыление жидкости. Для снижения температуры реагирующего слоя лесного горючего материала не более чем до 500 К (что соответствует условиям начала пиролиза ЛГМ) достаточна толщина пленок воды несколько миллиметров [2,3]. При этом время полного подавления (прекращения) реакции в прогретом слое ЛГМ составляет менее 5 мин. Следует отметить, что при движении через пламя малой совокупности капель тушащей жидкости (в частности, воды) поверхности ЛГМ достигает только их некоторая часть [5,6]. В таком случае при мелкодисперсном распылении маловероятно образование монолитных пленок жидкости на поверхности реагиру-
© Жданова А. О., Кузнецов Г. В., Стрижах П. А., 2014
ющего материала: капли осаждаются на некотором расстоянии друг от друга. В связи с этим представляет интерес анализ возможности подавления (прекращения) реакции термического разложения ЛГМ группой капель, расположенных на некотором расстоянии друг от друга.
Цель настоящей работы — численное исследование процессов тепломассопереноса при подавлении реакции термического разложения типичных лесных горючих материалов (листья березы, хвоя сосны и ели) группой капель воды.
Постановка задачи
При постановке задачи предполагалось, что "водяной снаряд" (большая совокупность капель воды) прошел через пламя и в основном испарился. Поверхности термически разлагающегося ЛГМ достигла лишь малая группа капель. В общем случае расстояния между отдельными каплями воды на поверхности интенсивно пиролизующегося ЛГМ могут быть различными. Из всего многообразия вероятных вариантов расположения группы капель на поверхности ЛГМ наиболее значимым для последующего
У*
Ь
О
Г I
X,
х-,
н
Рис. 1. Схема области решения задачи: 1 — парогазовая смесь; 2 — капли воды; 3 — ЛГМ
уравнение энергии для парогазовой смеси (Х1< х < Х2, У1 < у < У2, 0< х < И, У2 < у < Ь):
РС £ = *
( д 2Т1 д 2Т1 л
дх
ду
(4)
уравнение диффузии продуктов термического разложения ЛГМ (Х1 <х <Х2, У1 <у < У2, 0< х < И, У2< у < Ь):
д С
~дГ
= В
11
(д 2с7
дх 2
д с л
ду
(5)
анализа является вариант, при котором две капли (рис. 1) находятся на определенном расстоянии друг от друга (Ик = Х2 - Х1). Все остальные схемы являются модификациями данного варианта.
Считалось, что жидкость прогревается в процессе теплообмена с термически разлагающимся, нагретым до высоких температур ЛГМ. На всех границах капель воды при достижении соответствующих условий происходит парообразование (испарение). За счет теплоты эндотермического фазового перехода и кондуктивного теплообмена температура ЛГМ снижается.
По результатам численного моделирования определялось время подавления (прекращения) реакции термического разложения ЛГМ гл, которое характеризуется снижением температуры ЛГМ до температуры начала термического разложения Тл.
Математическая модель и методы решения
Нелинейные нестационарные дифференциальные уравнения тепломассопереноса в частных производных для системы ЛГМ - капли воды - парогазовая смесь (см. рис. 1) при 0 <г<гй имеют следующий вид (согласно теории физико-химических процессов [7-9] при высоких температурах): • уравнение энергии для ЛГМ (0 <х <И, 0<у < У1):
Р С дТз = * Р зС3 "аГ = *3
Гд2Т1 дх 2
д2Т3 ^
ду
+ QзWз; (1)
• уравнение химического реагирования в прогретом слое ЛГМ (0 < х < И, 0 < у < У1):
й Ф з п ч,0 ( Е3 = (1 "Ф з) кз ехР I ^ 3
йг
ЯТ3
(2)
уравнение теплопроводности для капель воды (0< х < Х1, Х2< х < И, У1< у < У2):
Р С дТ2 = * р2 С2 "д^ _ 2
(д2Т2 д2Т2 ^
дх2
ду2
(3)
уравнение диффузии паров воды (Х1 < х < Х2,
У1< у < У2, 0< х < И, У2< у < Ь):
д Су дг
= В
12
(гС
дх 2
д2 С ^
ду
(6)
где р — плотность, кг/м3;
С — теплоемкость, Дж/(кг-К); Т — температура, К; г — время, с;
* — теплопроводность, Вт/(мК); Q3 — тепловой эффект термического разложения, Дж/кг;
Ж3 — массовая скорость термического разложения, кг/(м3-с);
Ф3 — относительная доля способного к термическому разложению вещества; к3° — предэкспонента реакции термического разложения, с-1;
Е — энергия активации реакции термического разложения, Дж/моль;
Я — универсальная газовая постоянная, Дж/(мольК);
С
безразмерная концентрация газообразных продуктов термического разложения ЛГМ; В — коэффициент диффузии, м2/с; Су — безразмерная концентрация паров воды; индексы: 1 — парогазовая смесь, 2 — вода, 3 — ЛГМ, 11 — водяной пар, 12 — газообразные продукты термического разложения. Начальные (г = 0) условия (см. рис. 1):
• Т = Т0(х, у), ф3 = Ф0(х, у) при 0 < х < И, 0 <у< У1;
• Т = ТК при 0< х < Х1, Х2< х < И, У1< у < У2;
• Т = Тг, Су = 0, Сг = 0 при Х1 < х < Х2, У1< у < У2, 0< х < И, У2< у < Ь.
Здесь Т0(х, у), Ф0(х, у) — начальные распределения температуры и доли способного к термическому разложению вещества в ЛГМ; ТК — начальная температура капель воды, К; Ту —начальная температура парогазовой смеси, К.
Граничные условия при 0 < I < td (см. рис. 1):
• х = 0, х=Н, 0< у < У1:
дГ3/ дх = 0; (7)
• х = 0, х = Н, У1 < у < У2:
дТ2/ дх = 0; (8)
• х = 0, х = Н, У2< у < Ь:
Т = 0, = 0, ££ = 0; (9)
дх дх дх
• у = 0, 0< х < Н:
дТ»/ ду = 0; (10)
• у = У1, 0< х < Х1, Х2< х < Н:
Л/р Луг
3 "Т - взЩ* - =-Х2 -г2; (11) ду ду
• у = У1, Х1 < х < Х2:
-а3 дг -^ = -а
ду „ _ ду (12)
д Сг д С„
ду Р11 п11 ду х = Х1, х = Х2, У1 < у < У2:
= 0;
-^2 дт - =-^1 ^
дх дх
д С № д С
дх р12 В12 дх у = У2, 0< х < Х1, Х2< х < Н:
= 0;
-а* дг -=-Ь дп
ду ду
д С №2 д С
-I
= 0;
ду Р12 В12 ду • у = Ь, 0<х<Н:
д 2Т2 = 0 дС = 0 д 2С/
ду 2 ду 2 ду 2
(13)
(14)
= 0, (15)
где 02 — тепловой эффект испарения, Дж/кг; №2 — массовая скорость испарения, кг/(м2-с). Массовая скорость испарения жидкости вычислялась по формуле [10]:
№2 =
р рп - р
1-
крр V2%ЯТ2,1Ы
(16)
где р, кр — безразмерные коэффициенты (эмпирические константы) испарения [10, 11]; Р — давление насыщенных паров воды, Н/м2; р — давление паров воды вблизи границы испарения, Н/м2;
Тъ — температура на границе испарения жидкости, К;
М — молярная масса, кг/кмоль.
Безразмерные параметры р и кр принимались равными соответственно 0,1 и 0,4 по результатам исследований [10, 11].
Для вычисления массовой скорости термического разложения ЛГМ использовалось выражение [7]:
№3 = ф3 Р 3 к30ехР | - Е-
(17)
Давление паров воды рассчитывалось по уравнению Клапейрона-Менделеева [8].
Для учета вдува паров воды и продуктов термического разложения в парогазовую область из-под капель применялись алгоритмы и методы, описанные в [2, 3].
Теплофизические характеристики ЛГМ вычислялись с учетом их изменения в процессе пиролиза:
а3 = а31 Ф3 + а32 (1- Ф3); С3 = С31 Ф3 + С32(1- Ф3); Р3 =Р31 Ф3 +Р32(1- Ф3) =
(18)
где 31, 32 — индексы, соответствующие твердым и газообразным продуктам пиролиза ЛГМ. В целях установления начальных для рассматриваемой задачи тепломассопереноса (см. рис. 1) распределений температуры Т0(х, у) и Ф0(х, у) в приповерхностном слое ЛГМ толщиной Ь^ решались задачи, описанные в [12-15]. Вычислялись распределения Т0(х, у) и Ф0(х, у) к некоторому моменту времени (характерному для выхода процесса горения материала на стационарный режим) при постоянной температуре внешней газовой среды 1170 К.
Система нестационарных дифференциальных уравнений (1)—(18) решалась методом конечных разностей [16], разностные аналоги дифференциальных уравнений — локально-одномерным методом [16]. Для решения одномерных разностных уравнений применялся метод прогонки с использованием неявной четырехточечной схемы [16]. Нелинейные уравнения решались методом итераций [17]. Для повышения точности решения системы дифференциальных уравнений (1)—(18) применялись неравномерные шаги по времени (10^-Ю-2 с) и координатам (10-8-10-6 м). Вблизи границ фазового перехода разностная сетка сгущалась по алгоритму, аналогичному [2, 3].
Методика оценки достоверности результатов выполненных теоретических исследований, основанная на проверке консервативности применяемой разностной схемы, аналогична используемой в [2, 3].
Результаты и их обсуждение
Численные исследования выполнялись при следующих значениях параметров [13-15, 18-21]: начальная температура воды ТК = 300 К и парогазовой
смеси Ту = 300^800 К; температура начала термического разложения ЛГМ Та = 500 К; кинетические параметры химической реакции: к3 = 3,63 104 с-1, Е3 = 78,114 кДж/моль, Qз = 1,021 103 Дж/кг; молярная масса воды М = 18 кг/кмоль; тепловой эффект испарения воды Q2 = 2,26 МДж/кг. Толщина прогретого слоя ЛГМ выбиралась типичной для лесных пожаров Ьу = 0,04^0,06 м [22-24]. Продольные и поперечные размеры капель варьировались в диапазоне Ийг = 0,01^0,05 м при ЬЛг = 0,01 м, а расстояние между каплями — ИК = 0,001^0,090 м. Характерные размеры области решения изменялись в зависимости от значений ИЛг, ИК и Ьу в диапазонах: И = 0,05^0,10 м, Ь = 0,05^0,10 м. Теплофизические характеристики ЛГМ (листья березы, хвоя сосны и ели), продуктов пиролиза, воды и водяных паров принимались согласно [18-21].
На рис. 2 приведены зависимости времени подавления реакции термического разложения наиболее типичного ЛГМ — хвои сосны от расстояния между двумя каплями жидкости ИК при различных температурах в следе "водяного снаряда". Можно отметить, что при уменьшении ИК время прекращения реакции термического разложения гл нелинейно снижается. Целесообразно выделить также изменение характера снижения гл при варьировании температуры парогазовой смеси Т . Так, при значениях Т , соответствующих диапазону типичного "водяного снаряда" (300-450 К), зависимости гй =/ (ИК) отличаются незначительно (кривые 1-3 практически "сливаются"). Однако при Ту > 450 К и увеличении расстояния ИК до 0,06 м кривые 4-6 существенно (времена гл отличаются более чем на 45 %) расходятся (рис. 2). Установлено, что при Ту > 800 К и ИК > 0,06 м реакция термического разложения не подавляется (гл ^ да). Поэтому значения Ту = 800 К
250 200 150 100 50
0
0,01
0,02
0,03 0,04 0,05 НК, м
Рис. 2. Зависимость времени подавления реакции термического разложения ЛГМ (хвоя сосны) от параметра И„ при различных температурах в следе "водяного снаряда" и Ьу = 0,04 м:
и ИК = 0,06 м можно считать предельными для исследуемой системы (см. рис. 1).
Как видно из рис. 2, при ИК < 0,02 м кривые 1-6 "смыкаются". Данный результат показывает, что обеспечиваются условия подавления реакции разложения материала даже при достаточно высоких температурах внешней парогазовой среды. Теплоты фазового превращения при испарении двух "соседних" капель воды достаточно для поглощения энергии, аккумулированной в прогретом слое ЛГМ, и прекращения реакции его термического разложения во всем диапазоне возможного изменения Ту практически за равные значения времени гл при ИК = 0,02 м.
В результате обработки зависимостей, приведенных на рис. 2, получен ряд аппроксимационных выражений, наиболее типичными из которых являются:
га =5-10-5и3, -0,0332И2 +4,0259И + 26,018 при 0 < И < 70 мм и Ту = 300 К;
га = 3-10-"5И^, - 0,0307И2 + 4,0425И + 25,801 при 0 < И < 70 мм и Ту = 350 К;
га = -6 -10-5И^, - 0,0184И^ + 3,8476И + 26,461 при 0 < И < 70 мм и Ту = 450 К;
гл = -2 -10-5И^ - 0,0199И^ + 4,0545И + 25,302 при 0 < И < 70 мм и Ту = 550 К;
гл =0,0001И1 -0,023И1+4,2114Ик + 24,878 при 0 < И < 70 мм и Ту = 650 К;
гл =0,0007И1 - 0,0352И^ + 4,084И + 26,114 при 0 < И < 70 мм и Ту = 800 К.
На рис. 3 приведены зависимости времени подавления реакции термического разложения от температуры в следе "водяного снаряда" Ту при Ьу = 0,04 м и ИК = 0,015 м. Рассмотрены три варианта типичных ЛГМ — листья березы, хвоя сосны и ели. Для них можно отметить нелинейный характер зависимостей гл =у (Ту). Это обусловлено как химическим реагированием в прогретом слое ЛГМ, так и интенсивным парообразованием в малой окрестности поверхности последнего.
1 — Ту = 300 К; 2 — Ту= 5 — Ту = 650 К; 6 — Ту=
350 К; 3 — Ту= 800 К
450 К; 4 — Ту =550К
300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 Тг, К
Рис. 3. Зависимость времени подавления реакции от температуры в следе "водяного снаряда" Ту при Ьу = 0,04 м, ИК = = 0,015м: 1 —листья березы; 2—хвоя сосны; 3 —хвоя ели
Для зависимостей, приведенных на рис. 3, также получены аппроксимационные выражения: • для листьев березы:
гл = 7-10-8 Т) -6-10-5 Т2 +0,02712) + 89,253 при 300 < Т/ < 800 К;
для хвои сосны:
и = 4-10 Т} -2-10-5Т/ +0,0043Т) +82,171
при 300 < Тг < 800 К; • для хвои ели:
га = 8-10-8 Т} -9-10-5 Т2 +0,0426Т) +68,724 при 300 < Т < 800 К.
Установленные зависимости ¿¿,)(Н,) и ^ =)(Т)) (см. рис. 2 и 3) можно объяснить тем, что при термическом разложении ЛГМ вследствие интенсивного тепловыделения значительно возрастает температура парогазовой смеси в области между каплями (рис. 4,а). При расстояниях между каплями менее 0,02 м большая доля этого тепла расходуется на реализацию фазовых превращений на боковых границах капель (X = Х1, X = Х2, У1< У < У2) вследствие большого теплового эффекта испарения жидкости (<22 = 2,26 МДж/кг). В этом случае область прогрева парогазовой смеси ограничивается толщиной капель жидкости ЬЛг (см. рис. 4,а). При увеличении значений Ик установлено существенное возрастание размеров области прогрева парогазовой смеси относительно ЬЛг (см. рис. 2).
В результате численного моделирования процессов тепломассопереноса в рассматриваемой системе (см. рис. 1) выявлено, что при интенсивном парообразовании значительно возрастают линейные скорости вдува водяных паров во внешнюю парогазовую среду. На рис. 4 приведены изолинии концентраций паров воды и газообразных продуктов пиролиза ЛГМ при I = 10 с. Следует отметить, что массовая скорость термического разложения Ж3 существенно превышает скорость парообразования Ж2 при 1 < I < 3 с. Процесс вдува продуктов пиролиза в парогазовую область над ЛГМ не вызывает ускорения реакции их окисления, так как в реальном следе "водяного снаряда" окислителя практически нет (относительная концентрация менее 5 %). Как следствие, не формируется область интенсивного тепловыделения в результате химического реагирования, что приводит к инерционному остыванию как парогазовой области, так и приповерхностного слоя ЛГМ (см. рис. 3).
При остывании ЛГМ значения Ж3 существенно снижаются (при I > 5 с выполняется неравенство Ж3 < Ж2). Установлено, что при 0 < I < ^ скорость парообразования сохраняет практически максимальные значения, так как температура на границе вода — ЛГМ не опускается ниже температуры кипения
О 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 х, м
б
0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 х,м
в
1
^-0,05-^
\
0,15
^ 0,20 ^ /*\.0,25/\ у<.0,30?% ',-<0,35^0 />^0,40>ч\ 0,50 д\ \
2 2
у, м
0,080
0,070
0,060
0,050
0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 х, м
Рис. 4. Изотермы (а), изолинии концентраций паров воды (б) и продуктов пиролиза (в) в системе хвоя сосны - капли воды -парогазовая смесь при Т) = 300 К, Иш = 0,02 м, £) = 0,05 м, (= 10 с: 1 — парогазовая смесь; 2 — капли воды; 3 — ЛГМ
(Т) = 370 К). В результате концентрация паров воды Су растет в несколько раз быстрее, чем газообразных продуктов пиролиза С) (см. рис. 4). Вследствие остывания ЛГМ при дальнейшем увеличении времен реализации рассматриваемых процессов массовые скорости вдува продуктов пиролиза снижают-
ся. Концентрации паров воды Су к моменту полного прекращения реакции термического разложения материала в несколько раз превышают соответствующие значения С . Можно сделать вывод, что даже при наличии незакрытой каплями жидкости поверхности ЛГМ практически всю парогазовую область над ним заполняют водяные пары.
Используя полученные результаты численных исследований, можно сделать заключение о возможности существенного повышения коэффициента эффективного использования воды при тушении пожаров (особенно лесных [22-25]) за счет мелкодисперсного распыления и поддержания некоторой требуемой температуры Ту в течение ограниченного времени гл. Полученные результаты еще раз подчеркивают целесообразность применения тонкораспыленной воды, паровых завес и различных газопарокапельных смесей как для локализации пламени, так и для полной ликвидации лесных пожаров [26-30].
Заключение
Численные исследования показали, что расстояние между каплями воды Ик существенно влияет на время подавления реакции термического разложения типичных ЛГМ (листья березы, хвоя сосны и
ели). При этом показано, что в зависимости от температуры парогазовой смеси у поверхности ЛГМ и, как следствие, между каплями жидкости времена га могут отличаться на 10-40 % при идентичных значениях Ик.
Установлено также, что при варьировании температуры парогазовой смеси в диапазоне, соответствующем типичному следу "водяного снаряда" (Ту = 300^450 К), время гл практически не изменяется (отклонения менее 1 %). Этот свидетельствует о том, что для подавления реакции термического разложения ЛГМ достаточно сформировать на период времени гл над его поверхностью парогазовую смесь с температурой 300-450 К за счет мелкодисперсного [4-6] распыления воды в пламенной зоне горения. При этом наличие капель или пленок жидкости большой толщины (существенно превышающей Ьу) на поверхности термически разлагающегося ЛГМ объективно избыточно.
***
Работа выполнена при финансовой поддержке грантов Президента Российской Федерации (проект № МК-620.2012.8) и РФФИ (проект № 13-08-90703).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Волков Р. С., Высокомерная О. В., СтрижакП. А. Численное исследование условий взаимодействия диспергированного флегматизатора горения с высокотемпературными продуктами сгорания // Безопасность труда в промышленности. — 2012. — № 10. — С. 74-79.
2. Кузнецов Г. В., СтрижакП. А. Влияние формы капли воды на результаты математического моделирования ее испарения при движении через высокотемпературные продукты сгорания // Тепловые процессы в технике. — 2013. — № 6. — С. 254-261.
3. Кузнецов Г. В., Стрижак П. А. Оценка эффективности использования теплоты испарения воды при тушении лесных пожаров // Пожаровзрывобезопасность. — 2013. — Т. 22, № 9. — С. 57-63.
4. Волков Р. С., Кузнецов Г. В., СтрижакП. А. Экспериментальное исследование полноты испарения распыленной воды при ее движении через пламя // Пожаровзрывобезопасность. —2013. — Т. 22, № 10.— С. 15-24.
5. Волков Р. С., Кузнецов Г. В., СтрижакП. А. О некоторых физических закономерностях испарения распыленной воды при движении через высокотемпературные продукты сгорания // Известия Томского политехнического университета. — 2013. — Т. 323, № 2. — С. 201-207.
6. VolkovR. S., Vysokomornaya O. V., Kuznetsov G. V., StrizhakP. A. Experimental study of the change in the mass of water droplets in their motion through high-temperature combustion products // Journal of Engineering Physics and Thermophysics. — 2013. — Vol. 86, No. 6. — P. 1413-1418.
7. Франк-Каменецкий Д. А. Диффузия и теплопередача в химической кинетике. — М. : Наука, 1987.—490 с.
8. Кутателадзе С. С. Основы теории теплообмена. — М. : Атомиздат, 1979. — 416 с.
9. Пасконов В. М., Полежаев В. И., Чудов Л. А. Численное моделирование процессов тепло- и массообмена. — М. : Наука, 1984. — 277 с.
10. Муратова Т. М., Лабунцов Д. А. Кинетический анализ процессов испарения и конденсации // Теплофизика высоких температур. — 1969. — Т. 7, № 5. — С. 959-967.
11. Кнаке О., Странский И. Н. Механизм испарения // Успехи физических наук. — 1959. — Т. 68, №2. —С. 261-305.
12. 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.
13. Lautenberger C. H., Fernando-Pello C. A model for the oxidative pyrolysis of wood // Combustion and Flame. — 2009. — Vol. 156. — P. 1503-1513.
14. Барановский H.B., Гоман П. ^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.
15. Жданова А. О. Определение характерных времен прекращения реакции термического разложения типичных лесных горючих материалов при воздействии "водяного снаряда" //1 Международный форум "Интеллектуальные энергосистемы", г. Томск. — 2013. — Т. 1. — С. 295-298.
16. Самарский А. А. Теория разностных схем. — М. : Наука, 1983. — 616 с.
17. КоздобаЛ.А. Методы решения нелинейных задач теплопроводности.—М. :Наука, 1975.—227 с.
18. Варгафтик Н. Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. — М. : ООО "Старс", 2006. — 720 с.
19. Теплотехнический справочник / Под ред. В. Н. Юренева, П. Д. Лебедева. — М.: Энергия, 1975.
— Т. 1. —743 с.
20. Теплотехнический справочник / Под ред. В. Н. Юренева, П. Д. Лебедева. — М. : Энергия, 1975.
— Т. 2.— 896 с.
21. Корольченко А. Я., Корольченко Д. А. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов и средства их тушения : справочник. — М. : Пожнаука, 2004. — Ч. 1. — 713 с.
22. Гришин А. М. Математическое моделирование лесных пожаров и новые способы борьбы с ними.
— Новосибирск : Наука, 1992. — 408 с.
23. Барановский Н. В. Детерминированно-вероятностный прогноз лесной пожарной опасности на основе экспериментальных данных по зажиганию лесного горючего материала // Наукоемкие технологии. — 2009. — Т. 10, № 6. — С. 66-70.
24. Кузнецов Г. В., Барановский Н. В. Прогноз возникновения лесных пожаров и их экологических последствий. — Новосибирск : Изд-во СО РАН, 2009. — 301 с.
25. ГнездиловН. Н., Козлов И. М.,ДобрегоК. В. Математическое моделирование горения торфяного слоя. Влияние конденсации паров воды // Инженерно-физический журнал. — 2012. — Т. 58, № 5. — С. 982-990.
26. KarpovA. I., Novozhilov V.B., GalatA.A., Bulgakov V. K. Numericalmodelingofthe effectof 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.
27. СоковиковВ. В., ТуговА. Н., ГришинВ. В., Камышев В. Н. Автоматическое водяное пожаротушение с применением тонкораспыленной воды на электростанциях // Энергетик. — 2008. — № 6.
— С. 37-38.
28. 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.
29. Андрюшкин А. Ю., Пелех М. Т. Эффективность пожаротушения тонкораспыленной водой // Проблемы управления рисками в техносфере. — 2012. — Т. 21, № 1. — С. 64-69.
30. Ковалев А. Н., Журавлева Л. А. Перспективные направления тушения низовых лесных и степных пожаров // Научная жизнь. — 2012. — № 4. — С. 153-157.
Материал поступил в редакцию 14 января 2014 г.
NUMERICAL INVESTIGNATION OF HEAT AND MASS TRANSFER PROCESSES AT THE THERMAL DECOMPOSITION REACTION SUPPRESSING FOR FOREST FUEL BY WATER DROPLETS GROUP
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: [email protected])
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: [email protected])
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: [email protected])
: English
ABSTRACT
In this study there are the numerical investigation results of heat and mass processes under the thermal decomposition reaction suppressing of forest fuel by water droplets group.
The time dependence of the thermal decomposition reaction suppressing of typical forest fuels (leaves of birch, pine and spruce needles) on distance between the droplets (Hw) was presented. It has been established that depending on gas-vapor mixture temperature by the forest fuel surface and, as consequence, between water droplets the times td may differ by 10-40 % under identic Hw.
The time dependence of the thermal decomposition reaction suppressing of typical forest fuels on gas-vapor mixture temperature was presented. It has been determined that for the thermal decomposition reaction suppressing of forest fuel it is sufficient to form the gas-vapor mixture above its surface with temperature about 300-450 K during td by the finely dispersed water spray in the flaming combustion area.
Approximate expressions are obtained, which illustrate the redundancy of large thickness (all the more so they exceed characteristic size of the heated material layer Lj-) liquid films formed by the set of droplets on the surface of thermally decomposing forest fuel.
Keywords: forest fuel; water; droplets; thermal decomposition; heat and mass transfer.
REFERENCES
1. Volkov R. S., Vysokomornaya O. V., Strizhak P. A. Chislennoye issledovaniye usloviy vzaimodey-stviya dispergirovannogo flegmatizatora goreniya s vysokotemperaturnymi produktami sgoraniya [Numerical investigation of conditions of dispersed phlegmatizer combustion interaction with high-temperature combustion products]. Bezopasnost truda vpromyshlennosti — Workplace Safety in Industry, 2012, no. 10, pp. 74-79.
2. Kuznetsov G. V., Strizhak P. A. Vliyaniye formy kapli vody na rezultaty matematicheskogo modeliro-vaniya yeye ispareniya pri dvizhenii cherez vysokotemperaturnyye produkty sgoraniya [Influence of water droplet shape on mathematical modeling results of its evaporation in motion through the high-temperature combustion products]. Teplovyye protsessy v tekhnike — Thermal Processes in Engineering, 2013, no. 6, pp. 254-261.
3. Kuznetsov G. V., Strizhak P. A. Otsenka effektivnosti ispolzovaniya teploty ispareniya vody pri tushe-nii lesnykh pozharov [Efficiency assessment of water evaporation heat using in woods fire extinguishing]. Pozharovzryvobezopasnost — Fire and Explosion Safety, 2013, vol. 22, no 9, pp. 57-63.
4. Volkov R. S., Kuznetsov G. V., Strizhak P. A. Eksperimentalnoye issledovaniye polnoty ispareniya ras-pylennoy vody pri yeye dvizhenii cherez plamya [Experimental investigation of sprayed water evaporation fullness in its motion through the flame]. Pozharovzryvobezopasnost—Fire and Explosion Safety, 2013, vol. 22, no 10, pp. 15-24.
5. Volkov R. S., Kuznetsov G. V., Strizhak P. A. O nekotorykh fizicheskikh zakonomernostyakh ispareniya raspylennoy vody pri dvizhenii cherez vysokotemperaturnyye produkty sgoraniya [Some physical laws of sprayed water evaporation in motion through high-temperature combustion products]. Izvestiya Tomskogo politekhnicheskogo universiteta — Bulletin of Tomsk Polytechnic University, 2013, vol. 323, no 2, pp. 201-207.
6. Volkov R. S., Vysokomornaya O. V., Kuznetsov G. V., Strizhak P. A. Experimental study of the change in the mass of water droplets in their motion through high-temperature combustion products. Journal of Engineering Physics and Thermophysics, 2013, vol. 86, no. 6, pp. 1413-1418.
7. Frank-Kamenetskiy D. A. Diffuziya i teploperedacha v khimicheskoy kinetike [Diffusion and heat-transfer process in chemical kinetics]. Moscow, Nauka Publ., 1987. 490 p.
8. Kutateladze S. S. Osnovy teorii teploobmena [Theoretical foundations of heat-transfer process]. Moscow, Atomizdat, 1979. 416 p.
9. 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.
10. Muratova T. M., Labuntsov D. A. Kineticheskiy analiz protsessov ispareniya i kondensatsii [Kinetic analysis of evaporation and condensation processes]. Teplofizikavysokikh temperatur — High Temperature, 1969, vol. 7, no. 5, pp. 959-967.
11. Knake O., Stranskiy I. N. Mekhanizm ispareniya [Evaporation mechanism]. Uspekhifizicheskikh nauk — Physics-Uspekhi (Advances in Physical Sciences), 1959, vol. 68, no 2, pp. 261-305.
12. Grishin A. M., Sinitsyn S. P., Akimoval. V. Comparative analysis ofthermokinetic constant of drying and pyrolysis of forest fuels. Combustion and Explosion Physics Journal, 1991, vol. 27, pp. 17-24.
13. Lautenberger C. H., Fernando-Pello C. A model for the oxidative pyrolysis of wood. Combustion and Flame, 2009, vol. 156, pp. 1503-1513.
14. BaranovskiyN. V., GomanP. N. Sravnitelnyy analiz chislennogo modelirovaniyai eksperimentalnykh dannykh po zazhiganiyu lesnykh goryuchikh materialov luchistym teplovym potokom [Comparative analysis of numerical simulations and experimental facts on combustible wood ignition by the radiant heat flux]. Fundamentalnyye issledovaniya. Fiziko-matematicheskiye nauki—Fundamental Research. Physics and mathematics, 2013, no. 10, pp. 747-751.
15. Zhdanova A. O. Opredeleniye kharakternykh vremen prekrashcheniya reaktsii termicheskogo razlo-zheniya tipichnykh lesnykh goryuchikh materialov pri vozdeystvii "vodyanogo snaryada" [Termination characteristic times definition of the thermal decomposition reaction of typical combustible wood by "water slug" influence]. I Mezhdunarodnyyforum "Intellektualnyye energosistemy" [I International Forum "Smart grids"]. Tomsk, 2013, vol. 1, pp. 295-298.
16. Samarskiy A. A. Teoriya raznostnykh skhem [The theory of difference schemes]. Moscow, Nauka Publ., 1983. 616 p.
17. Kozdoba L. A. Metody resheniya nelineynykh zadach teploprovodnosti [Methods for solving nonlinear heat conduction problems]. Moscow, Nauka Publ., 1975. 227 p.
18. Vargaftik N. B. Spravochnik po teplofizicheskim svoystvam gazov i zhidkostey [Gases and liquids thermophysical properties guide]. Moscow, Stars Publ., 2006. 720 p.
19. Yurenev V. N., Lebedev P. D. (eds). Teplotekhnicheskiy spravochnik [Thermophysical guide]. Moscow, Energiya Publ., 1975, vol. 1. 743 p.
20. Yurenev V. N., Lebedev P. D. (eds). Teplotekhnicheskiy spravochnik [Thermophysical guide]. Moscow, Energiya Publ., 1975, vol. 2. 896 p.
21. 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 extinguishing agent: guide]. Moscow, Pozhnauka Publ., 2004. Part 1, 713 p.
22. Grishin A. M. Matematicheskoye modelirovaniye lesnykh pozharov i novyye sposoby borby s nimi [Mathematical modeling of woods fires and new ways of firefighting system]. Novosibirsk, Nauka Publ., 1992. 408 p.
23. Baranovskiy N. V. Determinirovanno-veroyatnostnyy prognoz lesnoy pozharnoy opasnosti na osnove eksperimentalnykh dannykh po zazhiganiyu lesnogo goryuchego materiala [Deterministic and probabilistic forecast of woods combustion hazard based on the experimental data about combustible wood ignition]. Naukoyemkiye tekhnologii — High Technologies, 2009, no. 6, vol. 10, pp. 66-70.
24. Kuznetsov G. V., Baranovskiy N. V. Prognoz vozniknoveniya lesnykh pozharov i ikh ekologicheskikh posledstviy [Forecast of woods fires beginning and its environmental effects]. Novosibirsk, Publishing House of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, 2009. 301 p.
25. GnezdilovN. N., Kozlovl. M., Dobrego K. V. Matematicheskoye modelirovaniye goreniyatorfyanogo sloya. Vliyaniye kondensatsii parov vody [Mathematical modeling of the water layer combustion. Effect of water vapor condensation]. Inzhenerno-fizicheskiy zhurnal — Journal of Engineering Physics and Thermophysics, 2012, vol. 58, no 5, pp. 982-990.
26. 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.
27. Sokovikov V. V., Tugov A. N., GrishinV. V., KamyshevV. N. Avtomaticheskoye vodyanoye pozharo-tusheniye s primeneniyem tonkoraspylennoy vody na elektrostantsiyakh [Automatic water-based fire suppression with using water spray in power stations]. Energetik—Energetic, 2008, no. 6, pp. 37-38.
28. Korol'chenko D. A., Gromovoy V. Yu., Vorogushin O. O. Primeneniye tonkoraspylennoy vody dlya tusheniya pozharov v vysotnykh zdaniyakh [Water spray application for fires extinction in the high buildings]. Pozharovzryvobezopasnost—Fire and Explosion Safety, 2011, vol. 20, no 11, pp. 54-57.
29. Andryushkin A. Yu., PelekhM. T. Effektivnostpozharotusheniyatonkoraspylennoy vodoy [The effectiveness of water spray firefighting]. Problemy upravleniya riskami v tekhnosfere — Control Risks Issues in a Technosphere, 2012, vol. 21, no. 1, pp. 64-69.
30. Kovalev A. N., Zhuravleva L. A. Perspektivnyye napravleniya tusheniya nizovykh lesnykh i stepnykh pozharov [Promising directions of ground wood and steppe fires extinction]. Nauchnaya zhizn — Scientific Life, 2012, no 4, pp. 153-157.
