CC BY
14УДК 614.841.1 DOI 10.25257/FE.2021.3.21-29
РОЕНКО Владимир Васильевич Кандидат технических наук, профессор Академия ГПС МЧС России, Москва, Россия E-mail\ [email protected]
ХАЛИКОВ Ринат Валерьевич Академия ГПС МЧС России, Москва, Россия E-mail\ [email protected]
КАРМЕСАлексей Петрович Академия ГПС МЧС России, Москва, Россия E-mail, [email protected]
ХРАМЦОВ Сергей Петрович Кандидат технических наук, доцент Академия ГПС МЧС России, Москва, Россия E-mail, [email protected]
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ОБЪЁМНОГО ПОЖАРОТУШЕНИЯ СТРУЯМИ ТЕМПЕРАТУРНО-АКТИВИРОВАННОЙ ВОДЫ
В статье представлена обобщённая модель движения капли в высоконагретых тепловых потоках, учитывающая не только местный нагрев капли от тепловых потоков, но и интегральный, зависящий от геометрических и скоростных характеристик её движения. Проведено моделирование процесса испарения полидисперсной водной среды с использованием программно-аппаратного комплекса МаШЬаЬ. Определены эффективные характеристики подачи водных полидисперсных сред для тушения пожаров в замкнутых объёмах.
Ключевые слова: температурно-активированная вода, пожар, моделирование, МаЛЬаЬ, эффективность, замкнутые пространства, объёмное тушение пожара.
Одним из наиболее эффективных средств объёмного пожаротушения является температурно-активированная вода (ТАВ) [1-4]. ТАВ -это водная среда, состоящая из монодисперсной паровой и полидисперсной капельной фазы [1]. Струи ТАВ возникают в результате процесса взрывного вскипания в стволе [2], а взрывное вскипание, в свою очередь, - это переход воды из недогретого состояния (температурой 160-200 °С и давлением около 20 атм) в наиболее узком сечении ствола в струю ТАВ.
Основное огнетушащее действие струй ТАВ основано на торможении теплового процесса распространения пламени, однако наибольшей огнетушащей
эффективностью обладают составы, блокирующие атомы и радикалы, которые участвуют в разветвлённо-цепном процессе горения [5-8]. Анализ огнетушащих веществ, применимых для объёмного пожаротушения, показал, что струи ТАВ способны защитить больший замкнутый объём (рис. 1). Однако параметр негерметичности не должен превышать 0,2, и увеличение данного параметра, необходимого для использования струй ТАВ без потери огнетушащей эффективности, может быть осуществлено дозированием в недогретую воду ингибирующих водорастворимых составов [9-12].
Основным условием успешного пожаротушения струями ТАВ является эффективное охлаждение
10 000
600
680
2 000
4 000
6 000
8 000
10 000
12 000
Защищаемый объём, м3
Рисунок 1. Зависимость величины защищаемого объёма от вида огнетушащего вещества:
I - температурно-активированная вода;И - тонкораспылённая вода;И - паротушение;П - углекислота;^ _ аз°" ■ - пена высокой кратности;® _ пена средней кратности;^ - компрессионная пена Figure 1. Dependence of the protected area on the type of the extinguishing agent:
■ - temperature-activated water;H _ finely divided water;H _ steam suppression;^ - carbon dioxide;® _ nitrogen; ■ - high expansion foam;H _ medium expansion foam;Q - compression foam
5
0
© Роенко В. В., Халиков Р. В., Кармес А. П., Храмцов С. П., 2021
21
зоны горения, когда вся капельная фаза струи ТАВ, попадая в очаг пожара, испаряется, не выходя за его пределы. Эффективное охлаждение и ингибирование горения струями ТАВ с дозированием водорастворимых ингибирующих веществ может быть обеспечено техническими средствами подачи струй ТАВ, которые инициируют создание полидисперсной капельной фазы, содержащей наибольшее количество капель минимального диаметра (порядка 0,01 мкм). Однако процесс испарения капель подобного диаметра может произойти ещё до приближения к очагу пожара, тогда не будет обеспечиваться эффективное охлаждение зоны горения и не будет осуществлена доставка молекул ингибирующих веществ в зону пламени.
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЦЕССА ИСПАРЕНИЯ КАПЕЛЬТАВ В ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ СРЕДЕ
Ча„щ
В
работах [13-15] представлены модели для рассмотрения процессов, происходящих при движении капель через высокотемпературные потоки, однако в них принималось допущение постоянства теплофизических характеристик воды, продуктов сгорания и водяных паров, что недопустимо при исследовании процесса испарения капель ТАВ в высокотемпературной среде пожара. Струи ТАВ в своём составе содержат полидисперсную капельную среду, поэтому теплофизические параметры капель среды ТАВ на входе в высокотемпературные потоки различны. Кроме того, в данных моделях [13-15] не изучался вопрос нагревания капли в зависимости от её скоростных характеристик, что также необходимо при исследовании процессов испарения капельной фазы струй ТАВ, так как величина и вектор скорости капель изменяется в зависимости от технического средства подачи ТАВ [1-4]. Также необходимо решить задачу изменения теплоёмкости капель при дозировании в недогретую воду ингибирующих солей.
Следовательно, целью исследования стало определение параметров подачи ТАВ, обеспечивающих эффективное охлаждение зоны горения и доставку молекул ингибирующих веществ в очаг пожара. В качестве объекта моделирования был выбран пожар машинного зала газокомпрессорной станции, так как возникающие высокотемпературные тепловые потоки при пожарах пролива судового и турбинного масел целесообразно подавлять с помощью ТАВ.
На первом этапе исследования была разработана обобщённая модель движения капли в высоконагретых тепловых потоках и выбран диаметр капли для тушения пожара пролива турбинного и судового масел в машинном зале газокомпрессорной станции. На втором этапе был смоделирован процесс прогрева капель найденного диаметра. На третьем этапе - смоделирован процесс тушения пожара струями ТАВ, имеющими наибольшую плотность распределения капель найденного диаметра.
Обобщённая модель предназначена для определения такого диаметра капли воды и водных раст-
Рисунок 2. Обобщённая модель движения капли в высоконагретых тепловых потоках пожара: Окап - диаметр капли огнетушащей среды, м; VKan - линейная скорость движения капли, м/с; Гпд - ширина пламени, м (вданнойзадаче принимается наибольшая из сторон помещения машинного зала газокомпрессорной станции); Нпд - ось изменения высоты пламенного горения, м; Q(Hn/) - изменение величины интенсивности теплового потока в зависимости от высоты пламени, кВт/(мс2); t - время, с; r - удельная теплота парообразования, Дж/кг; r(t) - зависимость изменения удельной величины парообразования от времени, Дж/кг; Мкап - масса капли огнетушащей среды, кг; Mran(t) - зависимость процесса испарения капли при движении втепловом потоке пожара, кг
Figure 2. Generalized model ofdropletmotlon In highly heated heatfluxes of a fire;
DKan - extinguishing medium dropletdlameter, m; V - droplet movement linear velocity, m/s; Рд - flame width, m (In this task, the largestside ofgatherlngstation turbine room Is taken); Нпд - flame combustion height change axis, m; Q(HnJ - heat current Intensity change depending on flame height, kW/(ms2); t - time, s; r - vaporization heat capacity, J/kg; r(t) -vaporization specific value change dependence on time, J/kg; MKan - extinguishing medium droplet mass, kg; Mrarft) - droplet evaporation process dependence when moving in the fire heatflux, kg
воров, при котором время её испарения равно времени движения капли через высокотемпературные тепловые потоки пожара (рис. 2).
Преимуществом разработанной модели перед существующими [13-15] является то, что в ней учтено изменение удельной величины парообразования в зависимости от температуры капли при её движении в тепловых потоках пожара с помощью уравнения Клапейрона - Клаузиуса (1) [16]. В свою очередь, температура капли зависит от величины действующего на неё теплового потока (2) и саморазогрева капли при её движении (3).
Ar
Ф=_
dT Twn(Vn-V„)'
(1)
где р - давление насыщенного пара, Па; Т - температура, °С; Ткип - температура кипения воды, °С; Уп - объём паровой фазы , м3; Уж - объём жидкой фазы воды, м3.
M
При пожаре пролива судового и турбинного масел зависимость интенсивности теплового потока от высоты пламени, при условии, что за 0 высоту принимаем уровень зеркала масла, выглядит следующим образом [17]:
(?пот-42)31п(Япл).
(2)
Зависимость нагревания капли от скорости её движения учитывалась с использованием уравнения [18]:
—.
(3)
где - коэффициент теплопроводности воздуха, ВтДм-К); ^нагр - время, в течение которого происходит парообразование, с; С - исследуемый диаметр капли, м; ув - коэффициент кинематической вязкости воздуха при стандартных условиях пожара, м2/с [19].
С учётом уравнений (1)-(3) общее уравнение модели испарения капли в данных условиях примет вид:
Q^+{s0AJ)dt=(NK3nMKj
' dC 4 Ar +—-AT v dT y
где So4 - площадь очага горения, м2; NKan - количество
лГ
капель в исследуемой группе, шт.; - изменение
теплоёмкости огнетушащей среды при нагревании, ДжДкг-К); AT - изменение температуры, К.
Для введения зависимости высоты пламени от площади зеркала горения введём следующие допущения:
1) конвективная колонка имеет коническую форму;
2) границы конвективной колонки являются условно непроницаемыми;
3) пренебрегаем влиянием кривизны условной поверхности конвективной колонки;
4) принимаем границу пламенной зоны там, где смыкается концентрационный предел по кислороду.
Таким образом, зависимость между высотой пламени и площадью зеркала горения можно описать выражением [20-22]:
Я = 84
Un
0,61
где и - удельная скорость выгорания горючего, кг/ (с-м2); ра - плотность воздуха вне зоны горения, кг/м3; д - ускорение свободного падения, м/с2.
Для расчётов примем величину плотности воздуха при 20 °С, равную 1,28 кг/м3, и величину удельной скорости выгорания смешанного судового и турбинного масла, равную 0,01 кг/(с-м2) [23].
При составлении алгоритма поиска эффективных параметров распределения капель в струе ТАВ были приняты следующие допущения:
1) не учитывалось влияние сопротивления движению капли в среде дымовых газов в силу их малой величины;
2) начало движения капель считалось равноудалённым от очага;
3) не учитывалось влияние паровой фазы испарившихся капель на снижение теплового потока для капель, следующих за ними;
4) не учитывалось влияние паровой фазы струи ТАВ на охлаждение зоны горения.
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
ПРОЦЕССА ИСПАРЕНИЯ КАПЕЛЬ TAB В ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ СРЕДЕ
С учётом вышеизложенных положений была составлена блок-схема для написания программы определения выбора распределения капель в полидисперсной капельной фазе струи ТАВ для тушения пожара пролива турбинного и судового масел в машинном зале газокомпрессорной станции (рис. 3).
Обозначения для блок-схемы приняты следующие: входные данные - блок данных, вводимых перед проведением расчёта (Укап, ^пл, Cv, T0 - начальная температура капель воды, °С, T1 - конечная температура капель воды, °С, N , p - плотность воды, кг/м3, SJ; Нпл(5оч) - операция нахождения высоты пламени в зависимости от площади зеркала горения, м; Н - высота потолка в помещении, м; А, В, С - масси-
пот 1111
вы выбора диаметров капель, высоты пламени и времени соответственно; N, Y, Z - количество элементов в массивах А, В и С соответственно; i, j, k - изменяющиеся номера элементов в массивах при выполнении циклов; 0пот(Нпл) - операция нахождения интенсивности теплового потока в зависимости от высоты измерения, кВт/(м-с2); 0движ(^) - операция нахождения величины количества теплоты, полученного каплей при её движении в зависимости от её диаметра, м; r(t) - операция нахождения удельной теплоты испарения в зависимости от её движения, Дж/кг; tdv (входные данные, 0пот(Нпл), 0движ(^), r(t)) - нахождение времени испарения капли определённого диаметра по данным, рассчитанным в циклах, с; d to D[ ] - операция заполнения массива D значениями диаметров капель, время испарения которых превышает время движения капли сквозь пламя; From D (d ., d , d ) -
1 4 min max' сред'
определение капель минимального, максимального, среднего диаметров и их количества для определения эффективных параметров подачи струи ТАВ.
По разработанной блок-схеме с использованием программного комплекса MathLab была написана программа, произведено численное моделирование и получены модели визуализации (рис. 4—6).
В результате моделирования было установлено, что для тушения типового машинного зала газокомпрессорной станции необходимо подавать струи
/Входные данные
1 '
Л, = [0,01; 0,01; 10]; N; ' B = [0; 0,1; H ]; Y;
j L ' ' ' пл '
Ck = [0; 0,1; t1 ]; Z;
Нет > i < N \ Да d = A(i)
i = i+1
i = i +1 Нет
j = j +1
Да > t = C(k) k = k + 1
Qno^X ^.J^ r(t)
й^х.даннье QпоT(Hпл), r(t))
Рисунок 3. Блок-схема поиска эффективного распределения капель в струе TAB Figure 3. Search for effective droplet distribution In TAW sprays flow-diagram
Диаметр капли, мкм Диаметр капли, мкм Диаметр капли, мкм Диаметр капли, мкм
А (е) е (f)
Рисунок 4. Визуализация процесса прогрева капли диаметром 3,2 мкм в высокотемпературныхтепловых потоках пожара: a) t = 0с; б) t = 0,5 с; в) t = 1с; г) t = 1,5 с; д) t = 2с; е) t = 2,5 с Figure 4. Droplet with a diameter of3.2 pm heating process visualization in high-temperature heatfiuxes of a fire: a)t = 0s;b)t=0.5s;c)t=ls;d)t = 1.5s;e)t = 2s;f)t = 2.5 s
ТАВ, содержащие капли минимального диаметра 1,25 мкм, среднего - 3,2 мкм и максимального -6,6 мкм, при этом время их нагревания до температуры кипения будет не менее 2,5 с (рис. 4).
Исследование процесса прогревания капли до температуры кипения (рис. 4) позволяет сделать вывод, что при подаче полидисперсной капельной фазы струи ТАВ в очаг пожара происходит не поверхностный прогрев капли, а послойный. Поэтому при движении капель в полидисперсной группе будет происходить неравномерное испарение. Для обеспечения равномерного испарения необходимо, чтобы
наибольшую плотность распределения в струе ТАВ имели капли среднего диаметра - 3,2 мкм, в нижней части струи, соответственно, должны быть более тяжёлые капли диаметром до 6,6 мкм, в верхней части струи - капли диаметром не более 1,25 мкм. Так будет обеспечена достаточно однородная плотность обогрева и реализовано равномерное испарение. На рисунке 5 представлена зависимость изменения массы капли при её одиночном движении в высокотемпературных тепловых потоках пожара. Зависимость близка к линейной, так как рассматривался процесс испарения единичной капли. При движении
Зависимость массы капли от времени при испарении
2,5-
2 —
1,5-
1 —
0,5 —
0 —
-i—
6 8 12 16 Время движения капли, с
Рисунок 5. Зависимость массы капли минимального диаметра от времени при испарении Figure 5. Minimum diameter droplet mass dependence on time during evaporation
полидисперсная водная среда доставляется в очаг пожара не за счёт направленной начальной скорости, а способом эжекции вместе с потоком воздуха.
При подаче среды в объём горящего машинного зала время испарения капли будет увеличиваться благодаря объёмному охлаждению среды и будет составлять не менее 18 с (рис. 7). Математическим моделированием установлено, что время нагревания капли до температуры кипения при её движении в струе ТАВ возрастает более чем в 3 раза по сравнению с одиночным движением и составляет около 8,5 с. График демонстрирует, что в промежуток времени от начала движения капли до момента её нагревания до температуры кипения процесс испарения имеет параболический характер, однако после приобретает асимптотический вид. Это связано с тем, что при равных условиях скорость испарения при кипении много больше скорости испарения при меньшей температуре.
Необходимое распределение капель
90 80 70 60 50 40 30 20 10
Диаметр капель, мкм
Рисунок 6. Эффективное распределение капель в струе TAB Figure 6. Effective droplet distribution in TAW spray
21,81,61,41,210,80,60,40,2-
Процесс испарения среды ТАВ с эффективными параметрами
......!...... ! ! ' :
: \ \ 1
i .......:.....,, ; ....../S..,...;.......
14 1
| I -V .......i...... .......:.......
; ï т .......i............. : ; \
;
! |...... ч \ : i
; ; .......?....... .......:.......
; : i i X. :
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 Время испарения среды ТАВ, с
Рисунок 7. Время испарения капель минимального диаметра при подаче среды TAB с эффективным распределением капель
Figure 7 Minimum diameter droplets evaporation time when discharging TAW medium with effective droplet distribution
полидисперсной среды время испарения при одинаковых условиях будет больше, а зависимость, вероятно, будет представлять асимптотический характер.
На основе результатов моделирования, полученных на первом этапе, было воспроизведено эффективное распределение капель в струе ТАВ (рис. 6). Анализ распределения показал, что при преобладании капель первой моды тушение будет происходить наиболее эффективно. Таким образом, капли диаметром менее 5 мкм должны иметь плотность распределения не менее 60 %.
Переходя к моделированию процесса испарения капли при её движении в составе струи ТАВ необходимо отметить недостаток разработанной модели в части пренебрежения расстоянием движения капли до очага. Данное допущение обосновано особенностями тактического применения струй ТАВ:
А
гЛ
ВЫВОДЫ
вторами разработана обобщённая модель движения капли в высоконагретых тепловых потоках, учитывающая не только местный нагрев капли от тепловых потоков, но и интегральный, зависящий от геометрических и скоростных характеристик движения капли. С использованием разработанной модели и программно-аппаратного комплекса MathLab был смоделирован процесс нагревания и испарения как отдельной капли, так и их полидисперсной совокупности (струи ТАВ). Было определено, что для тушения пожаров проливов масел типовых машинных залов газокомпрессорных станций целесообразно использовать технические средства
3
подачи, создающие струи ТАВ с плотностью распределения капель диаметром менее 5 мкм более 60 %. Моделированием было установлено, что процесс испарения струи ТАВ, содержащей большее количество капель первой моды имеет параболически-асимптотический характер. В дальнейших
исследованиях целесообразно смоделировать процесс испарения струи ТАВ с ингибирующими водорастворимыми солями.
Исследование проводится при поддержке Фонда содействия инновациям по договору № 15204ГУ/2020 от 05.06.2020.
ЛИТЕРАТУРА
1. Роенко В. В., Пряничников А. В., Бондарев Е. Б. Применение температурно-активированной воды для тушения пожаров турбинных масел на объектах теплоэнергетики [Электронный ресурс] // Технологии техносферной безопасности. 2015. Вып. 4(62). С. 84-93. Режим доступа: https://elibrary.ru/item. asp?id=25846407 (дата обращения 02.08.2021).
2. Роенко В. В., Ищенко А. Д., Краснов С. М., Храмцов С. П., Соковнин А. И. Тушение пламени в протяжённых замкнутых сооружениях энергообъектов // Пожары и чрезвычайные ситуации: предотвращение, ликвидация. 2016. № 3. С. 44-49. D0I:10.25257/FE.2016.3.44-49
3. Роенко В. В., Ищенко А. Д., Краснов С. М., Храмцов С. П., Соковнин А. И. Тушение маслонаполненых кабелей в зигзагообразном коллекторе // Пожары и чрезвычайные ситуации: предотвращение, ликвидация. 2016. № 4. С. 38-42. D0I:10.25257/FE.2016.4.38-42
4. Роенко В. В., Халиков Р. В. Пожаровзрывобезопасность замкнутых пространств объектов газокомпрессорных станций // Пожары и чрезвычайные ситуации: предотвращение, ликвидация. 2020. № 1. С. 30-35. D0I:10.25257/FE.2020.1.30-35
5. Азатян В. В. Особенности физико-химических механизмов и кинетических закономерностей горения, взрыва и детонации газов // Кинетика и катализ. 2020. Т. 61, № 3. С. 291-311. DOI: 10.31857/S0453881120030041
6. Liu H., Wang F. Research on N2-inhibitor-water mist fire prevention and extinguishing technology and equipment in coal mine goaf // PLoS ONE 14(9). 2019. Pp. 1-21. D0I:10.1371/journal.pone.0222003
7. Azatyan V. V, Wagner G. Gg, Vedeshkin G. K. Suppression of Detonations by Efficient Inhibitors // Gaseous and Heterogeneous Detonations. Moscow: ENAS Publishers, 1999. P. 331-336.
8. Fleming J. W, Williams B. A, Sheinson R. S. Fleming Suppression effectiveness of aerosols: the effect of size and flame type // Navy Technology Center for Safety and Survivability Combustion Dynamics Section. 2019. 21 p.
9. Халиков Р. В., Роенко В. В. Аналитические аспекты инги-бирования пламени водяными средами в метастабильном фазовом состоянии // Материалы XXVII международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Ломоносов». М.: МГУ им М. В. Ломоносова. 2020. С. 501.
10. Халиков Р. В. Применение ингибиторов горения для объёмного пожаротушения газокомпрессорных станций // Материалы I международной научной конференции «Роль противопожарных служб в решении нетрадиционных угроз безопасности». Вьетнам, Ханой: Институт пожарной безопасности МОБ СРВ. 2020. С. 1535-1540.
11. Шмаков А. Г., Коробейничев О. П., Шварцберг В. М., Якимов С. А, Князьков Д. А, Комаров В. Ф., Сакович Г. В. Исследование фосфорорганических, фторорганических, металлсодержащих соединений и твёрдотопливных газогенерирующих составов с добавками фосфорсодержащих соединений в качестве эффективных пламегасителей // Физика горения и взрыва. 2006. № 6. С. 64-73.
12. Коробейничев О. П., Шмаков А. Г., Чернов А. А., Шварцберг В. М., Куценогий К. П., Марков В. И. Применение аэрозольной технологии и эффективных нелетучих пламегасителей для тушения различных типов пожаров // Интерэкспо гео-сибирь. 2012. № 3. С. 92-101.
13. Высокоморная О. В., Марков А. О., Назаров М. Н., Стри-жак П. А, Янов С. Р. Численное исследование влияния условий распыления воды на температуру в следе «Водяного снаряда» // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. 2013. № 4. С. 24-31.
14. Стрижак П. А. Численный анализ диффузионно-конвективных процессов тепломассопереноса при движении капель воды через высокотемпературные продукты сгорания // Пожаровзрыво-безопасность. 2013. Т. 22, № 7. С. 11-21.
15. Жданова А. О., Кузнецов Г. В., Стрижак П. А. Влияние распределения капель воды в «водяном снаряде» на температуру в его следе // Пожаровзрывобезопасность. 2013. Т. 22, № 2. С. 9-17.
16. Розенцвайг А. К., Страшинский Ч. С. Кипение капель низ-кокипящей дисперсной фазы в режиме гетерогенной нуклеации // Инновационная наука. 2016. № 11-2. С. 56-60.
17. Хасанов Р. М., Лиштаков А. А, Чистов Ю. С. Исследование интенсивности теплового излучения в зависимости от очага пожара и площади розлива легко воспламеняющихся жидкостей и горючих веществ // Вестник технологического университета. 2017. Т. 20, № 16. С. 110-112.
18. Дахин С. В., Дроздов И. Г., Шматов Д. П. К определению относительной скорости капли жидкости в потоке газа // Вестник воронежского государственного технического университета. 2013. Т. 9, № 5-1. С. 86-90.
19. Маркус Е. С., СнегиревА. Ю, Кузнецов Е. А, ТанклевскийЛ. Т., Аракчеев А. В. Численное моделирование распространения пламени по дискретной совокупности горючих материалов // Пожаровзрывобезопасность. 2019. Т. 28, № 4. С. 29-41. D0I:10.18322/PVB.2019.28.04.29-41
20. Бородай С. П., Летин А. Н., Шедько С. В. Экспериментальные исследования структуры пламени и его воздействия на ограждающие судовые конструкции // Труды Кры-ловского государственного научного центра. 2020. №2 (392). D0I:10.24937/2542-2324-2020-2-392-79-88
21. Пузач С. В., Абакумов Е. С. К определению высоты пламенной зоны при диффузионном горении жидкости // Пожаро-взрывобезопасность. 2012. Т. 21, № 2. С. 31-34.
22. Gottuk D. T., Gott J. E, Williams F. W. Fire dynamic of spill fires Spill Fires: An Experimental Study. 2000. P. 1-36.
23. Огурцов С. Ю, Семичевский С. В. К вопросу необходимости обоснования исходных данных для моделирования процессов горения турбинного масла // Науковий вюник: Цившьний захист та пожежна безпека. 2016. № 2. С. 44-48.
Материал поступил в редакцию 5 апреля 2021 года.
Vladimir ROYENKO
PhD in Engineering, Professor
State Fire Academy of EMERCOM of Russia, Moscow, Russia E-mail. [email protected]
Rinat KHALIKOV
State Fire Academy of EMERCOM of Russia, Moscow, Russia E-mail. [email protected]
Aleksey KARMES
State Fire Academy of EMERCOM of Russia, Moscow, Russia E-mail, [email protected]
Sergey KHRAMTSOV
PhD in Engineering, Associate Professor
State Fire Academy of EMERCOM of Russia, Moscow, Russia
E-mail, [email protected]
MODELING OF FLOODING BY TEMPERATURE-ACTIVATED WATER SPRAYS
ABSTRACT
Purpose. Fire extinguishing efficiency of flooding with temperature-activated water (TAW) sprays depends on the constituent droplets size and their distribution density. This work is aimed at determining effective characteristics of TAW polydisperse droplet phase for extinguishing fires in confined spaces. The research objectives are:
1) theoretical research of TAW extinguishing capacity dependence on its discharge parameters;
2) developing a generalized model of droplet motion in highly heated fluxes based on the physical process of TAW droplets evaporation in high-temperature environment;
3) modeling the evaporation process of TAW polydisperse droplet phase using the MathLab hardwaresoftware system.
Methods. Chemical thermodynamics theory has been used to study evaporation and motion processes of TAW droplet phase. Similarity theory and algorithms theory have been used to simulate the evaporation process of TAW polydisperse droplet phase.
Findings. The research has made it possible to establish that the most effective fire extinguishing characteristics are exhibited by temperature-activated water sprays, having droplets with a diameter of less than 5 jum distribution density of more than 60%. In addition, it has been found that evaporation process of TAW sprays containing a greater number of first mode droplets has a parabolic-asymptotic character.
Research application field. The compiled model can be applied to describe the evaporation process of water polydisperse media in highly heated fluxes, as well as to increase flooding efficiency with TAW sprays.
Conclusions. Flooding process by means of TAW simulation makes it possible to determine the most effective fire extinguishing characteristics of its discharge for flooding. In further studies, it is advisable to simulate TAW sprays with inhibiting water-soluble salts evaporation process.
Key words: fire, energy facility, heat flux, gathering station, confined spaces, MathLab, efficiency.
REFERENCES
1. Roenko V.V., Prynanichnikov A.V., Bondarev E.B. The use of temperature-activated water to extinguish fires of turbine oils in thermal power engineering facilities Tehnologii tehnosfernoj bezopasnosti (Technology of technosphere safety). 2015, iss. 4(62), pp. 84-93. Available at: https://elibrary.ru/item.asp?id=25846407 (accessed August 2, 2021) (in Russ.).
2. Roenko V., Ishchenko A., Krasnov S., Khramtsov S., Sokovnin A. Flame extinguishment at extended and confined power facilities. Pozhary i chrezvychaynyye situatsii: predotvrashcheniye, likvidatsiya (Fire and Emergencies: Prevention, Elimination). 2016, no. 3, pp. 4449 (in Russ.). D0I:10.25257/FE.2016.3.44-49
3. Roenko V., Ishchenko A., Krasnov S., Khramtsov S., Sokovnin A. Flame extinguishment inside a cable utility vault of a complicated layout. Pozhary i chrezvychaynyye situatsii: predotvrashcheniye, likvidatsiya (Fire and Emergencies: Prevention, Elimination). 2016, no. 4, pp. 38-42 (in Russ.). D0I:10.25257/FE.2016.4.38-42
4. Royenko V., Khalikov R. Fire and explosion safety of enclosed spaces of gas-compressor stations. Pozhary i chrezvychaynyye situatsii: predotvrashcheniye, likvidatsiya (Fire and Emergencies: Prevention, Elimination). 2020, no. 1, pp. 30-35 (in Russ.). D0I:10.25257/FE. 2020.1.30-35
5. Azatyan V.V. Features of the physicochemical mechanisms and kinetic laws of combustion, explosion, and detonation of gases. Kinetika i kataliz (Kinetics and Catalysis). 2020, vol. 61, no. 3, pp. 291311 (in Russ.). D0I:10.31857/S0453881120030041
6. Liu H., Wang F. Research on N2-inhibitor-water mist fire prevention and extinguishing technology and equipment in coal mine goaf. PLoS ONE 14(9), 2019, pp. 1-21. D0I:10.1371/journal.pone.0222003
7. Azatyan V.V., Wagner G.Gg., Vedeshkin G.K. Suppression of Detonations by Efficient Inhibitors. Gaseous and Heterogeneous Detonations. Moscow, ENAS Publishers, 1999. P. 331-336 (in Russ.).
8. Fleming J.W., Williams B.A., Sheinson R.S. Fleming Suppression effectiveness of aerosols: the effect of size and flame type. Navy Technology Center for Safety and Survivability Combustion Dynamics Section. 2019, 21.
9. Khalikov R.V., Roenko V.V. Analytical aspects of flame inhibition by water media in a metastable phase state. In: Materialy XXVII mezhdunarodnoi nauchnoi konferentsii studentov, aspirantov i molodykh uchenykh "Lomonosov [Materials of the XXVII International Scientific Conference of students, postgraduates and young scientists "Lomonosov"]. Moscow, Lomonosov Moscow State University Publ., 2020, p. 501 (in Russ.).
10. Khalikov R.V. The use of combustion inhibitors for volumetric fire extinguishing of gas compressor stations. In: Materialy I mezhdunarodnoi nauchnoi konferentsii "Rol protivopozharnykh sluzhb v reshenii netraditsionnykh ugroz bezopasnosti" [Materials of the I international scientific conference "The role of fire-fighting services in solving non-traditional security threats"]. Vietnam, Hanoi, Institute of Fire Safety, SRV Publ., 2020, pp. 1535-1540 (in Russ.).
28
©RoyenkoV., KhalikovR., KarmesA., Khramtsov S., 2021
11. Shmakov A.G., Korobeinichev O.P., Shvartsberg V.M., Knyazkov D.A., Yakimov S.A., Komarov V.F., Sakovich G.V. Testing ogranophosphorus, organofluorine, and metal-containing compounds and solid-propellant gas-generating compositions doped with phosphorus-containing additives as effective fire suppressants. Combustion, Explosion, and Shock Waves. 2006, vol. 42, no. 6, pp. 678-687 (in Russ.). D0l:10.1007/s10573-006-0101-z
12. Korobeinichev O.P., Shmakov A.G., Chernov A.A., Shvartsberg V.M., Koutsenogii K.P., Makarov V.I. Application of aerosol technoligy and non-volatile effective fire suppressants for fire-fighting of various types of fires. Interexpo Geo-Siberia. 2012, no. 3, pp. 92-101 (in Russ.).
13. Vysokomornaya O.V., Markov A.O., Nazarov M.N., Strizhak P.A., Yanov S.R. Numerical study of the influence of water atomization conditions on the temperature in the wake of a "Water projectile". Izvestiia Tomskogo politekhnicheskogo universiteta. Inzhiniring georesursov (Proceedings of the Tomsk Polytechnic University. Georesource engineering). 2013, no. 4, pp. 24-31 (in Russ.).
14. Strizhak P.A. Numerical analysis of diffusion and convection heat and mass transfer processes at the moving of water drops through high combustion products. Pozharovzryvobezopasnost (Fire and Explosion Safety). 2013, no. 7, pp. 11-21 (in Russ.).
15. Zhdanova A.O., Kuznetsov G.V., Strizhak P.A. Influence of water droplets distribution in the "water shell" on temperature in follow movement Pozharovzryvobezopasnost (Fire and Explosion Safety). 2013, no. 2, pp. 9-17 (in Russ.).
16. Rozentsvaig A.K., Strashinskii Ch.S. Boiling of droplets of low-boiling of dispersed phase in mode of heterogeneous
nucleation. Innovatsionnaia nauka (Innovative Science). 2016, no. 11-2, pp. 56-60 (in Russ.).
17. Khasanov R.M., Lishtakov A.A., Chistov Yu.S. Study of the intensity of thermal radiation depending on the fire source and the area of filling of highly flammable liquids and combustible substances. Vestnik tekhnologicheskogo universiteta (Bulletin of the Technological University). 2017, vol. 20, no. 16, pp. 110-112 (in Russ.).
18. Dakhin S.V., Drozdov I.G., Shmatov D.P. To the determination of relative velocity liquid drops in a gas. Vestnik Voronezhskogo Gosudarstvennogo Tekhnicheskogo Universiteta (Bulletin of the Voronezh State Technical University). 2013, vol. 9, no. 5-1, pp. 86-90 (in Russ.).
19. Markus E.S., Snegirev A.Yu., Kuznetsov E.A., Tanklevskiy L.T., Arakcheev A.V. Simulation of flame spread over discrete fire load. Pozharovzryvobezopasnost (Fire and Explosion Safety). 2019, vol. 28, no. 4, pp. 29-41 (in Russ.). DOI: 10.18322/PVB.2019.28.04.29-41
20. Boroday S., Letin A., Shedko S. Experimental study of flame composition and its effect upon fire-retardant structures. Transactions of the Krylov State Research Centre. 2020, 392(2), pp. 79-88 (in Russ.). D0I:10.24937/2542-2324-2020-2-392-79-88
21. Puzach S.V., Abakumov E.S. Definition of flame height zone in case of liquid diffusion combustion. Pozharovzryvobezopasnost (Fire and Explosion Safety). 2012, vol. 21, no. 2, pp. 31-34 (in Russ.).
22. Gottuk D.T., Gott J.E., Williams F.W. Fire dynamic of spill fires Spill Fires: An Experimental Study. 2000. P. 1-36.
23. Ogurtsov S., Semichaevskiy S. To the issue about the necessity of reasoning initial data for modeling the turbine oil combustion process. Scientific bulletin: Civil Protection and fire safety. 2016, no. 2, pp. 44-48 (in Russ.).
