CC BY
27
ПЛЕНАРНОЕ ЗАСЕДАНИЕ
Моделирование процесса горения
древесно-полимерного композита
Калач А. В., Атапин А. А.,
Воронежский институт ГПС МЧС России, г. Воронеж
Посметьев В. В., ООО «Доступная робототехника», г. Воронеж
Древесно-полимерные композиты (ДПК) — это перспективные конструкционные материалы, состоящие из цельной или фрагментированной древесины и полимерного связующего или пропитывающего вещества. Моделирование процесса горения ДПК, как и чистой древесины, является чрезвычайно сложной задачей, так как в модели необходимо воспроизвести комплекс физико-химических процессов, учесть структуру материала, воспроизвести переход материала одного типа в материал совершенно другого типа [1]. Поэтому цель данной работы заключалась в разработке метода моделирования процесса горения, учитывающего состав и структуру ДПК, исходную форму поджигаемого образца материала и изменение его формы в процессе горения.
В основе предлагаемой модели процесса горения лежит метод динамики частиц [2], который позволяет моделировать эволюцию различных сложных сред, в частности имитировать изменение формы образца в процессе горения. В рамках данного метода ДПК представляется состоящим из большого количества элементов малого размера и круговой формы. Элементы могут быть двух типов: древесина и полимер. Предлагаемая модель является двумерной: моделирование производится в вертикальной плоскости Х-7.
Механическое взаимодействие между двумя контактирующими элементами считается вязкоупругим.
Уравнения движения элементов составляются на основе второго закона Ньютона:
2„ МЭ
т
d х.
d2 г..
1=1
] *г
с, (
d. + d.
г 1
2
(Х - х )
- Г )—-+ кВг} (Г -
di + dj di + dj
XV - V ), г <
/\ хг Х1 /' г,
2
2
+ мв;
d. + d. 0, г >--- + Ми;
тг -г- = -т* + г dt2
*+1
1=1 1 &
2
^ + d,
В'
(г - г,)
di + d,
di + d,
с, (^ - Г У-^г1 + кщ (г-^Жг - vZ]) г <^ + М„;
2
1
d . + d.
0, г >--1 + Adв;
' г1 2
2
В
где г - номер элемента; mi и ^ - масса и диаметра г-го элемента; xi, г;. - декартовы координаты элемента; t - время; ЫЭ - количество элементов;, - номер эле-
мента, возможно контактирующего с i-м элементом; Су и kBij - коэффициенты жесткости и вязкости взаимодействия элементов i и j; Гу - расстояние между центрами элементов i и j; vxi, vzi - декартовы составляющие скорости i-го элемента; dj0 - расстояние ограничения взаимодействия между элементами; dB -расстояние ограничения взаимодействия между элементами; g - ускорение свободного падения. Численное интегрирование уравнений движения производится методом Рунге-Кутта второго порядка.
Количество элементов в предлагаемой модели составляет около 1000, однако может быть увеличено до 104—106 для решения более сложных задач, требующих высокого пространственного разрешения модели.
Для решения задачи теплопереноса в модели используется нерегулярная сетка, узлами которой являются центры элементов. На каждом шаге интегрирования т производится расчет повышения температуры текущего элемента за счет перехода тепла от более нагретых соседних элементов по конечно-разностным формулам вида
Tт - Tт
TT+1 = T* + —- At, rj
где Т - температура i-го узла; %ij - коэффициент передачи температуры от элемента j элементу i; At - шаг интегрирования.
В модели считается, что каждый элемент материала обладает определенным запасом Ci химических веществ, которые высвобождаются при нагреве и поддерживают горение (являются источником теплоты). Параметр Ci в ходе горения каждого элемента уменьшается от 1 до 0. Горение каждого элемента начинается при превышении его температуры выше температуры горения. В модели также учитывается уменьшение размеров элементов di при сгорании материала, а также зависимость скорости горения от температуры.
В модели элементы полимера, по сравнению с элементами древесины, имеют более высокий коэффициент теплопроводности, более низкий коэффициент теплоотдачи при горении, сильнее уменьшаются в размерах при сгорании. Благодаря этим факторам даже при незначительной концентрации полимера (около 5 %) горение в ДПК не поддерживается.
Для реализации предлагаемого метода моделирования разработана компьютерная программа «Программа для моделирования процесса горения древес-но-полимерного композита» на языке Object Pascal в интегрированной среде программирования Borland Delphi 7.
Визуальное сравнение результатов моделирования с реальными фотографиями горящих древесно-полимерных материалов позволяет утверждать, что модель с высокой адекватностью воспроизводит процесс горения. Разработанная математическая модель горения является в высокой степени универсальной и позволяет моделировать: ДПК различного состава и структуры; ДПК различной геометрической формы, в том числе сложные пространственные конструкции; механическое поведение объектов в процессе горения, в том числе деформацию и обрушение конструкций и сооружений.
Библиографический список
1. Пузач С. В. Методы расчета тепломассообмена при пожаре в помещении и их применение при решении практических задач пожаровзрывобезопасности. -М.: Академия ГПС МЧС России, 2005. - 336 с.
2. Hoover W. G. Atomistic Nonequilibrium Computer Simulations // Physica A. -1983. - Vol. 118. - P. 111-122.
Современные системы порошкового пожаротушения
Маклецов А. К., группа компаний «ЭПОТОС», г. Воронеж
В последние годы во многих странах мира все большее распространение среди огнетушащих веществ получают порошковые огнетушащие составы. Подтверждением сказанного может служить тот факт, что из общей массы выпускаемых ручных огнетушителей более 60 % составляют порошковые.
Помимо ручных огнетушителей порошковые огнетушащие составы широко используются в автоматических установках пожаротушения и в пожарных автомобилях, предназначенных для тушения крупных пожаров, например, пожаров на аэродромах, на нефтехимических производствах и т. п. Порошковыми составами эффективно тушатся пожары газонефтяных фонтанов.
Огнетушащие порошки представляют собой мелкоизмельченные минеральные соли с различными добавками. Основой для огнетушащих порошков являются фосфорно-аммонийные соли (моно- и диаммоний фосфаты), такие как: NH4H2PO4; (NH4)2HPO4; карбонаты и бикарбонаты щелочных металлов (KHCO3; NaHCO3); хлорид калия KCl и др. В состав порошков также входят специальные добавки, которые препятствуют комкованию и слеживаемости порошка.
Порошки используются для тушения пожаров большинства классов, в том числе: А - горение твердых веществ, В - горение жидких веществ (бензин, нефтепродукты, спирты, растворители и др.), С - горение газообразных веществ (бытовой газ, аммиак, пропан и др.), D - горение металлов и металлосодержащих веществ (магний, алюминий, калий, натрий и др.), Е - горение материалов в электрических установках под напряжением. Следовательно, порошками можно тушить любые известные на сегодняшний день вещества и материалы.
Универсальными считаются порошки, которые могут использоваться для тушения пожаров нескольких классов (А, В, С, Е). Порошки, предназначенные для тушения только отдельных классов пожаров (В, С, Е или D), называются специальными.
1. Механизм тушения пожара огнетушащими порошками. Тушение пожаров порошковыми составами осуществляется на основе взаимодействия следующих факторов:
— эффекта огнепреграждения по аналогии с сетчатыми, гравийными и подобными огнепреградителями;
