CC BY
11
УДК 632.187, 628.743 Руденко Михаил Георгиевич,
д. т. н., доцент, профессор кафедры «Энергообеспечение и теплотехника»,
ФГБОУ ВПО ИрГСХА, e-mail: mg-rud@mail.ru Щербаков Иван Сергеевич, к. т. н., доцент, начальник научно-исследовательского и редакционного отдела,
ФГБОУ ВПО ВСИ МВД России
НЕКОТОРЫЕ ОСОБЕННОСТИ СТРУИ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИ НЕРАВНОВЕСНОГО
ВОДЯНОГО ПАРА
M. G. Rudenko, I. S. Sherbakov SOME FEATURES OF THE THERMODYNAMICALLY NONEQUILIBRIUM STEAM JET
Аннотация. Приведены результаты экспериментальных исследований характеристик струи переохлажденного водяного пара. Температура пара на срезе сопла составляла примерно 76 °С при атмосферном давлении 718 миллиметров ртутного столба. Струю переохлажденного водяного пара можно условно разделить на две области. Первая - область абсолютно нестабильного водяного пара, в которой процессы конденсации преобладают над другими процессами. Вторая - область метастабильного пара. В этой области основным механизмом, определяющим изменение оптической плотности, является механизм растворения пара окружающим воздухом. Экспериментально подтверждено существование некоторого механизма, обеспечивающего дополнительный унос влаги за пределы видимой части струи. Полученные результаты позволяют постулировать основные механизмы взаимодействия переохлажденного пара с фронтом горения низового степного и лесного пожаров.
Ключевые слова: водяной пар, турбулентная струя, переохлажденная среда, термодинамическое равновесие.
Abstract. The results of experimental studies of the characteristics of the supercooled water vapor jet are given. Steam temperature at the nozzle was about 76 °C at atmospheric pressure 718 mm Hg. Supercooled stream of water vapor can be divided into two areas. The first is the area with processes of unstable steam condensation which dominate over other processes. The second is the region of the metastable vapor. In this area, the main mechanism for determining the change in absorbance is dissolution couple. The existence of a mechanism providing additional moisture carryover beyond the visible part of the jet of steam is experimentally confirmed. The results obtained allow to postulate the basic mechanisms of interaction of the supercooled vapor with the fire of steppe and forest fires.
Keywords: steam, turbulent jet, supercooled environment, thermodynamic equilibrium.
Горение травы в зоне отчуждения железнодорожных путей осложняет соблюдение графика движения подвижного состава. Исследования, проведенные в последние годы, позволили выявить новое, перспективное средство тушения лесных и степных пожаров - струю переохлажденного водяного пара [1, 2]. Количественные или качественные данные по характеристикам термодинамически нестабильных струй, влияющих на эффективность тушения, в настоящее время отсутствуют. Это не позволяет постулировать механизмы взаимодействия струи с очагом горения и составить математическое описание процесса тушения рассматриваемой струей.
Целью данной работы является выявление физических эффектов, сопровождающих течение струи переохлажденного водяного пара.
Исходя из теории распространения лесного пожара [3, 4, 5], наиболее актуальным представляется исследование следующих характеристик: внешних границ, оптической плотности, температуры по оси струи.
Эксперименты проводились на установке, состоящей из собственно парогенератора 1,
системы обеспечения стабильных параметров его работы 2, измерительного оборудования 3 (рис. 1).
Исследования проводились при постоянном расходе переохлажденного водяного пара.
На рис. 2 представлены характерные результаты измерения видимых границ струи. Здесь и далее линейные размеры указаны в диаметрах сопла.
Рис. 1. Схема экспериментальной установки
Сплошная линия соответствует углу полураствора термодинамически равновесной,
Информатика, вычислительная техника и управление. Моделирование. Приборостроение. Метрология. Информационно-измерительные приборы и системы
затопленной турбулентной струи (»12,4°) [6]. Точками отмечены характерные результаты, полученные в одной из серий экспериментов; пунктирная линия отражает статистическую модель, полученную при обработке всех серий эксперимента (угол полураствора »11о); Имеющееся отклонение составляет менее 1,5о и является статистически значимым.
60 50 И 40 30
Рис. 2. Границы струи переохлажденного водяного пара и свободной автомодельной турбулентной струи
Уместно указать на возможность появления систематической ошибки в определении ширины струи.
Измерения проводились по видимым границам струи. При распространении водяного пара в окружающем воздухе, формируется пограничный слой, состоящий из смеси пара и воздуха. Концентрация воздуха на периферии струи выше, чем на ее оси. Воздух, имеющий недостаточную влажность, растворяет пар. Это может приводить к потере оптической плотности периферийной части струи и уменьшению угла полураствора.
Учитывая величину полученного расхождения и возможность систематической ошибки, мы предположили, что процессы взаимодействия струи переохлажденного водяного пара с окружающим воздухом идентичны процессам взаимодействия, наблюдаемым при распространении термодинамически равновесной, затопленной турбулентной струи.
Во время проведения экспериментов был обнаружен эффект увлажнения горизонтальной поверхности, расположенной параллельно оси струи за пределами ее видимых границ. Через 1015 минут после начала работы парогенератора на твердой поверхности, параллельной оси струи, оставался «влажный» след в виде конуса с вершиной в районе сопла. Угол полураствора между границами следа составляет примерно 17,5°. После непродолжительной сушки в естественных условиях область «влажного» следа высыхала. Харак-
терно, что в области «влажного» следа вода испарялась постепенно, с сохранением ее границ.
После испарения «влажного» следа проявлялась зона «мокрого» следа, которую можно охарактеризовать как стабильную область сильно увлажненной поверхности, которая не высыхала в течение достаточно большого промежутка времени (30 минут). Угол полураствора между грани-цами«мокрого» следа составляет примерно 11,5о. На рис. 3 сплошная линия отображает границы «влажного» следа, пунктирная линия отображает границы «мокрого» следа, точками отмечены экспериментально измеренные границы струи.
/
/
/
/ ^£
У*
0 50 100 150 200 250 300 350
I
Рис. 3. Границы видимой части струи, зон слабого и сильного увлажнения
Совпадение границ «мокрого» следа и видимых границ струи позволяет объяснить появление мокрого следа за счет гравитационного осаждения влаги, конденсирующейся при движении переохлажденного водяного пара.
Величина угла полураствора «влажного» следа не может быть объяснена гравитационным осаждением.
Таким образом, в струе переохлажденного водяного пара имеется некоторый механизм, обеспечивающий дополнительный унос влаги за границы струи.
Графическая зависимость температуры Т = /(Ь) не имеет ярко выраженных характерных точек (рис. 4). Результаты измерений показали, что на выходе из сопла парогенератора температура пара составляет примерно 349 К, что на 24 К ниже температуры конденсации при атмосферном давлении. Это свидетельствует о том, что истекающий пар находится в термодинамически неравновесном состоянии. С увеличением расстояния от среза сопла, температура струи уменьшается до температуры окружающего воздуха.
80
70
80
70
20
60
10
50
0
1т 40
0
50
00
50
200
250
300
350
I
30
20
0
0
I1' *
I > ■
. > .
Рис. 4. Графики изменения температур вдоль оси струи пара
Сплошной линией приведены значения температур на оси струи, рассчитанные без учета процессов конденсации. На рис. 4 видно, что экспериментальные значения температур несколько выше расчетных. Это можно объяснить теплотой, выделяемой в паре при его конденсации.
По разности температур была проведена оценка массы конденсата в % от исходной массы пара (рис. 5). При удалении от сечения сопла на расстояние до 230 калибров происходит интенсивное приращение массы конденсата. Количество образовавшейся жидкой фазы увеличивается до 5 %. При дальнейшем удалении от сопла интенсивность приращения массы конденсата незначительна.
Рис. 5. Оценка массы конденсата в струе пара
На рис. 6 представ лены результаты измерений оптической плотности струи пара от удаления до выходного сопла парогенератора.
Рис. 6. Оптическая плотность струи переохлажденного водяного пара
Практически нулевая оптическая плотность струи на выходе из сопла парогенератора (L »0) свидетельствует о малом количестве и малых размерах оптических неоднородностей в струе пара. Поскольку в паре оптические неоднородности представляют центры конденсации, то можно утверждать, что из среза сопла выходит практически однофазная струя, без жидких частиц.
Повышение оптической плотности струи пара (Ь < 230) свидетельствует о том, что в струе образовавшиеся центры конденсации увеличиваются в размерах; одновременно увеличивается количество этих центров.
Понижение оптической плотности струи (Ь > 230) можно объяснить тем, что интенсивность конденсации уменьшается. В то же время струя пара, распространяясь в пространстве, смешивается с окружающим воздухом, имеющим недостаточную влажность. В результате этого пар может растворяться в нем.
Таким образом, струю переохлажденного водяного пара можно условно разделить на две области. Первая - область абсолютно нестабильного водяного пара, в которой процессы конденсации преобладают над другими процессами. Вторая - область метастабильного пара. В этой области основным механизмом, определяющим изменение оптической плотности, является механизм растворения пара окружающим воздухом.
Отметим удовлетворительное согласование положения максимума оптической плотности струи пара и области перегиба в графике зависимости массы конденсата по длине струи, т. е. результаты оптических и термогравиметрических методов имеют качественное согласование.
Оценка объемного содержания пара в струе на различных расстояниях от выпускного сопла представлена на рис. 7.
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
Информатика, вычислительная техника и управление. Моделирование. Приборостроение. Метрология. Информационно-измерительные приборы и системы
4. Экранирование зоны горения от зон прогрева, сушки и пиролиза.
1.
Рис. 7. Объемное содержание пара в струе
При удалении от среза сопла на расстояние до 800 калибров объемное содержание пара в струе приближается к 43 %. Это значение превышает минимальную огнетушащую концентрацию пара (35 %), при которой происходит прекращение диффузионного горения горючих газов.
Полученные данные позволяют ожидать, что возможными механизмами взаимодействия струи переохлажденного водяного пара с фронтом пожара будут:
1. Разбавление горючих продуктов пиролиза и кислорода воздуха паром.
2. Охлаждение зоны горения.
3. Изоляция факела пламени от кислорода окружающего воздуха.
6.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИМ СПИСОК
Способ тушения пожара : пат. 2216367 Рос. Федерация / М.Г. Руденко, И.С. Щербаков,
A.М. Гришин ; заявитель и патентообладатель Вост.-Сиб. ин-т МВД России. № 2002102296/12 ; заявл. 25.01.02 ; опубл. 27.06.03.
2. Гришин А.М., Руденко М.Г., Щербаков И.С. Экспериментальное исследование действия струи переохлажденного водяного пара на очаг низового лесного пожара // Экологические системы и приборы. 2006. № 2. С. 38-39.
3. Гришин А.М. Математическое моделирование лесных пожаров и новые способы борьбы с ними. Новосибирск : Наука, 1992. 407 с.
4. Гришин А.М. Физика лесных пожаров. Томск : Изд-во Том. гос. ун-та, 1994. 218 с.
5. Гришин А.М. Математические модели лесных пожаров. Томск : Изд-во Том. гос. ун-та, 1981. 227 с.
Теоретические основы теплотехники. Теплотехнический эксперимент. : справочник / под общ. ред. Чл.-корр. АН СССР
B.А. Григорьева, В.М. Зорина. 2-е изд., перераб. М. : Энергоатомиздат, 1988. 560 с.
00
70
40
30
10
УДК 681.3.069 Хоменко Татьяна Владимировна,
к. т. н., доцент, доцент кафедры «Эксплуатация водного транспорта», Астраханский государственный технический университет
Петрова Ирина Юрьевна,
д. т. н., профессор, заведующий кафедрой «Системы автоматизированного проектирования»,
Астраханский инженерно-строительный институт Лежнина Юлия Аркадьевна, к. т. н., доцент кафедры «Системы автоматизированного проектирования», Астраханский инженерно-строительный институт
МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ И МЕТОД ОЦЕНКИ СЦЕНАРИЯ ВЫБОРА ФИЗИЧЕСКОГО ПРИНЦИПА ДЕЙСТВИЯ ЧУВСТВИТЕЛЬНОГО ЭЛЕМЕНТА
T. V. Khomenko, I. Yu. Petrova, Y. А Lezhnina
MATHEMATICAL MODEL AND METHOD OF ASSESSMENT OF SENSOR PHYSICAL PRINCIPLE OF ACTION SELECTION SCENARIO
Аннотация. В работе построена математическая модель задачи выбора физического принципа действия чувствительных элементов с использованием аппарата теории множеств. Полученная модель позволяет при различных сочетаниях неоднородной входной информации о множестве альтернатив определить такой сценарий выбора, чтобы отклонение оценки выбранного физического принципа действия чувствительных элементов от заданных значений было минимальным. Для получения наилучшей оценки выбора физического принципа действия чувствительных элементов на этапе концептуального проектирования, предложен новый комплексный информационный метод, который базируется на основных понятиях теории информации и заключается в определении количества информации в управляемых состояниях. Разработанная вычислительная процедура позволяет выполнить расчёт количества информации, содержащейся в сообщении об одном факте наступления события, по одной итерации. Динамика формируемого сценария описывается последовательностью событий, каждое из которых образуется путём замыкания некоторого порождающего множества действий состояния. По каждому из факторов числовое значение коэффициента значимости и коэффициента достигнутого уровня устанавливается экс-
