CC BY
29
П. А. Пинаев pavel_academ@ mail.ru
УДК 534.222.2, 536.46, 614.83
О КРИТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРАХ ПЫЛЕВОЙ ЗАВЕСЫ, ОБЕСПЕЧИВАЮЩИХ ПОЛНОЕ ГАШЕНИЕ ВОЛНЫ ГАЗОВОЙ ДЕТОНАЦИИ
ABOUT DUST CURTAIN CRITICAL PARAMETERS, ENSURING A COMPLETE EXTINCTION OF GAS
DETONATION WAVE
А. В. Пинаев - д-р физ.-мат. наук, доцент, главный научный сотрудник ФГБУН «Институт гидродинамики им. М.А. Лаврентьева СО РАН»
А. А. Васильев - д-р физ.-мат. наук, профессор, заведующий лабораторией ФГБУН «Институт гидродинамики им. М.А. Лаврентьева СО РАН»
П. А. Пинаев - младший научный сотрудник ФГБУН «Институт лазерной физики СО РАН»
A. V. Pinaev - Dr. of Physical and Mathematical Sciences, Associate Professor, Chief Researcher of FGBUN "M.A. Lavrentyev Institute of Hydrodynamics SB of RAS"
A. A. Vasiliev - Dr. Sci. Sciences, Professor, Head of the Laboratory FGBUN "M.A. Lavrentyev Institute of Hydrodynamics SB of RAS"
P. A. Pinaev - Junior Researcher FGBUN "Institute of Laser Physics SB of RAS"
В газовой смеси CH4+2O2+N2 экспериментально изучено затухание волн детонации, распространяющихся по пылевым завесам со среднеобъёмными плотностямиpd = 2.2^3.5 г/л при начальных давленияхp0 = 0.1^0.01 МПа. Исследованы фракции кварцевого песка с размерами частиц д = 250^600, 120^250 и 90^120 мкм. Обнаружен немонотонный пульсационный характер затухания детонации, когда за её передним фронтом возникает вторичная детонация, временно ускоряющая волну.
The gas mixture CH4 + 2O2 + N2 attenuation of the detonation wave is studied experimentally propagating along dust air curtains with medium bulk density pd = 2.2 + 3.5 g/l at initial pressures p0 = 0.1 + 0.01 MPa. Studied quartz sand fraction with a particle size д = 250^600, 120^250 and 90^120 microns. Discovered non-monotone pulsating character of detonation attenuation when beyond its leading edge occurs secondary detonation temporarily accelerating wave.
Ключевые слова: ГАЗОВАЯ ДЕТОНАЦИЯ, УДАРНАЯ ВОЛНА, ПЛАМЯ, ПЫЛЕВАЯ ЗАВЕСА, ЗАТУХАНИЕ ДЕТОНАЦИИ, ГАШЕНИЕ ПЛАМЕНИ, КРИТЕРИЙ ГАШЕНИЯ ДЕТОНАЦИИ
Key words: GAS DETONATION, SHOCK WAVES, FLAME, DUST CURTAIN, DETONATION ATTENUATION, FLAME EXTINCTION, CRITERIA OF DETONATION EXTINCTION
Введение. В шахтах при угледобыче возможен выход метана с последующим образованием взрывоопасной метановоздушной смеси. Ее воспламенение может сопровождаться ускорением пламени и взрывом. Угольная пыль, срываясь с почвы, бортов и стенок шахты газовым потоком, загорается в зоне реакции и усиливает взрывную волну. В дальнейшем, на свободных от метана участках шахты, угольная пыль может уже самостоятельно поддерживать взрывную волну. Наиболее сильные аварии обычно наблюдаются при переходе ускоряющейся взрывной волны в детонацию, когда разрушающее действие оказывает высокотемпературное пламя и ударный фронт. С целью исключения де-
тонации угольной пыли необходимо гасить взрывные и детонационные волны на начальном этапе - в метановоздушной смеси.
Применение завес из частиц химически инертной пыли является одним из способов ослабления ударных, взрывных и детонационных волн (УВ и ДВ). Ослабление волн происходит за счет потери тепловой и кинетической энергии из газового потока в твёрдые частицы. Экспериментальному и теоретическому изучению процесса затухания газовой детонации в запылённых средах посвящены, например, работы [1-8].
В экспериментах обычно увеличивают концентрацию пыли до тех пор, пока не произойдет сколько-нибудь заметное
113
ослабление детонации. При детонации газовых смесей в условиях, далеких от предельных, горение осуществляется преимущественно в поперечных волнах, образующих ячеистую структуру. Средний размер детонационных ячеек а примерно совпадает с длиной зоны химической реакции Ьг. Экспериментальные исследования о влиянии концентрации частиц на характеристики затухания можно проводить не только при увеличении количества частиц в единице объема, но и за счет увеличения размера зоны реакции. Во втором случае пропорционально Ьг возрастает количество частиц, оказывающих влияние на ДВ. Повысить на порядок среднеобъёмную плотность частиц ра при фиксированном размере зоны химической реакции гораздо труднее, чем при фиксированной величине ра увеличить на порядок Ьг путем уменьшения начального давления смеси р0. Для большинства газовых смесей размер ячейки обратно пропорционален р0. Методика исследований с изменяющимся начальным давлением смеси, была использована в данной работе дополнительно к общепринятой методике с изменяющейся среднеобъёмной плотностью частиц.
В многочисленной литературе отсутствуют данные о параметрах пылевой завесы, при которых наблюдается полное затухание ДВ. И лишь в работах [7,8] впервые экспериментально зафиксировано полное гашение не только ДВ, но и пламени после срыва детонации. Ликвидация остаточного пламени - это наиболее сложный заключительный этап гашения взрывных волн, поскольку в противном случае не полностью исключается возможность возрождения взрывного и детонационного процесса.
Цели работы: изучение характера затухания ДВ в запылённой газовой смеси и определение критических параметров пылевой завесы (среднеобъёмной плотности и длины пылевого облака), обеспечивающих полное гашение детонации и пламени при уменьшении начального давления газовой смеси.
Экспериментальная методика. Эксперименты проводили в вертикальной ударной трубе длиной около 7 м с внутренним диаметром с = 70 мм. Инициирующие секции (СИ) длиной по 0.9 м диаметром 50 мм расположены симметрично вверху трубы. По длине трубы устанавливали пьезодатчики для измерения скорости фронта волны и в нижней части трубы - пьезодатчики Д1+Д5 и оптические вводы фотоумножителей (ФЭУ) для регистрации профилей давления и свечения.
Изучение структуры ДВ и степени их за-
тухания проводили путем регистрации скорости волн, профилей давления и свечения двумя 4-х лучевыми осциллографами. Световод ФЭУ1 расположен напротив Д3 (х3 = 5.29 м от верха трубы). Оптический ввод ФЭУ2 расположен на 55 мм ниже Д5 (х5 = 6.06 м). Генератор пылевой взвеси и электронное реле обеспечивали создание взвеси пыли и инициирование детонации высоковольтной искрой в момент времени, когда столб пыли достигал нижнего торца трубы. Генератор взвеси пыли состоял из цилиндрического контейнера с сыпучей пористой средой (песком), конуса, запирающего нижнее отверстие цилиндра, и электромагнита.
Фракции песка с размером частиц 8к = 250+600, 120+250 и 90+120 мкм помещались в контейнер с внутренним диаметром 22 мм и диаметром выходного отверстия С1 = 17.5 мм. Максимальный объём V песка в контейнере достигал 70 см3. При р0 = 0.01+0.05 МПа и V = 30+70 см3 для всех трёх фракций песка 2.2 <ра < 3.5 г/л, средне-объемная плотность более плотного ядра пылевой завесы 2.3 <рл < 4.0 г/л.
Трубу перед опытом откачивали и заполняли через СИ газовой смесью СИ4+202+Ы2 до давления 0.9 р0. Затем СИ заполняли смесью С2И2+2.502 до начального давления р0. = р0 с целью ускорения перехода детонации смеси СИ4+202+Ы2 в установившийся режим. Для этой смеси при нормальных условиях расчётная скорость детонации Чепмена-Жуге = 2225 м/с, п= рС/р0 = 25.5, а ~ 4 мм [7], т.е. d/a ~ 17.5. Для стехиометрической метано-воздушной смеси при нормальных условиях размер ячейки аа ~ 300 мм, с/а ^ ~ 17 при диаметре шахты ~ 5 м. Таким образом, примерно равны отношения диаметров трубы и шахты к соответствующим размерам ячеек этих газовых смесей и выполнено геометрическое подобие.
Волна детонации в газовой смеси без пыли. При р0 = 0.1+0.01 МПа ДВ выходит на установившийся режим (2200-2240 м/с) на расстоянии около 2 м от верха трубы, скорость волны В отличается от менее чем на 1 %. Характерные осциллограммы давления и свечения представлены на рис. 1. Здесь а ~ 13 мм, ра~ 0.765 МПа, плоскость Чепмена-Жуге отстоит по времени от ударного фронта на 6 мкс.
На переднем фронте ДВ регистрируется характерный для газов пик давления, величина которого зависит от случайного прихода на датчик какого-либо участка криволинейного переднего фронта, либо поперечных волн (этот пик давления принято называть химпиком). Крутизна свечения на переднем фронте увеличивает-
114
Рисунок 1 - Осциллограммы давления (1^3) и свечения ФЭУ1 (4) при детонации газовой смеси СИ+20+Ы2, р0 = 0.03 МПа, датчики Д+Д, х34 = 200 мм, х45 = 575 мм. По вертикали: (1^3) 1.0 МПа/дел, (4) 0.5 В/дел. По горизонтали: 250 мкс/дел.
ся с ростом давления. Интенсивность свечения за фронтом детонации практически постоянна, длительность свечения превышает 2 мс, в отраженной от торца тубы ударной волне свечение возрастает примерно в 2 раза.
Распространение волны газовой детонации в пылевой завесе.
Фракция песка б = 250+600 мкм. В пылевой завесе с ра < 2-2.5 г/л при р0 = 0.1 МПа ДВ практически не ослабляется, внизу трубы наблюдается снижение скорости детонации на 2040 м/с. На фронте ДВ регистрируется химпик, но фронт воспламенения гораздо более крутой, чем в газовой смеси без пыли, уровень свечения практически постоянен. При ра~ 2-2.5 г/л в 1 см3 содержится ~ 102 частиц пыли, расстояние между ними >> а = 4 мм, поэтому на частицах образуется практически сплошной передний фронт воспламенения газовой смеси непосредственно на самом фронте ДВ. Т.е. частицы пыли изменяют механизм воспламенения во фронте детонации, как следствие, должна измениться и структура волны - исчезнут поперечные волны и характерная ячеистая детонационная структура.
При р0 < 0.03 МПа увеличивается длина зоны реакции, и при фиксированной ра пылевая завеса начинает гасить ДВ. По мере затухания волны с расстоянием химпик на Д5 исчезает (рис. 2, 3), скорость волны на базе Д3-Д4 уменьшается до Б34 = 1961 м/с, а между Д4-Д5 - до Б45 = 1367 м/с, свечение в отражённой волне не регистрируется и полностью спадает из-за энергетических потерь примерно за 1.8 мс (рис. 2, 4).
При р0 = 0.01 МПа в завесе с V = 30 см3 на верхнем участке трубы скорость детонации постепенно уменьшается: 2215, 2190, 2082, 2077 м/с. Ниже, на базах измерения Д1+Д5 волна продолжала затухать: Б12 = 1667 м/с, Б23 = 1711 м/с, Б34 = 1460 м/с, Б45 = 1167 м/с. Датчик Д3 регистрирует химпик, ФЭУ1 в том же сечении трубы -свечение (рис. 3, а, 1, 2). На Д4 химпик исчезает и волна сжатия отстаёт от фронта, Д5 уже регистрирует затухающую ударную волну без свечения и химической реакции (рис. 3, а, 3, 4). Т.е. в приведённом на рис. 3, а опыте в окрестности Д5 произошёл локальный срыв детонации. Но это не означает, что произошло полное гашение детонации и пламени за фронтом детонации в нижней части трубы.
Статистика из нескольких опытов показывает, что затухание детонации иногда протекает немонотонным образом, когда замедляющаяся волна внезапно усиливается. В качестве примера на рис. 3, б приведён эксперимент при V = 60 см3 (с массой завесы в два раза большей, чем на рис. 3, а), в котором срыва детонации на длине трубы не произошло. В этом опыте детонация, распространяющаяся на верхнем свободном от пыли участке трубы со скоростью В = 2210 м/с, в пылевой завесе изменяла скорость следующим образом: Б]2 = 1915 м/с, Б23 = 1750 м/с, Б34 = 1724 м/с, Б45 = 1869 м/с. Т.е. детонация вначале затухала, а потом ускорилась, свечение в волне регистрировали оба ФЭУ - частицы пыли кроме способности отбирать тепло и импульс от газового потока в зоне реакции обладают ещё способностью активизировать воспламенение
1 1 ' . г ■ 1 1 : ! 1 ¡11 ■
______|_____|______ 1 ' 1 1 1 ■ 1 1
г -тки и ■ ■
„■„„^— -----1-----
— 4 1 1 ^ 1 1 1 ■ 1 1 1 1 ■ .....L.J.....
_1 ----г----- Ы V Г 1 1 1 -----р----н 1 1 • : ! 1
Г"! [ "1 У ! 1 • 1 • 1 ______1_____ Г 1 т 1 1 1 1 ■ 1
2 НЫнь. л. 1' - | 1
! н—ч
з » 1 ■"■ - ! . 1 . 1 . ----^ 1 1 1 .
Рисунок 2 - Осциллограммы давления (1^3) и свечения (4) при детонации газовой смеси
СИ4+202+Ы2 в пылевой завесе. V = 30 см3, 8 = 250+600 мкм, р0 = 0.02 МПа. По вертикали: (1^3) 0.5 МПа/дел, (4) 1.0 В/дел. По горизонтали: 500 мкс/дел.
NM* —!— Т~щ i i a
i • i j
-----j.—»-----------¡.— i ■ i I
2 4 j" ! i » i i i ■ ----J---------
3 „ . 1 J^jJ. . 1
Г ! 1 > ---- —4.....j-— ■ i i :
о i i ! _____i____1_____
i I . î i î
„о..—о—ц-----1-----...
Рисунок 3 - Осциллограммы давления (1, 3) и свечения (2, 4) при детонации смеси СИ4+202+Ы2 в пылевой завесе, р0 = 0.01 МПа, 12=30 (а) и 60 (е>)св1ч/13, а = 350-600 мкм. По вертикмли: 0.2 (а, б; 1,3) МПа/ дел; 0.0 (а, 2), 0.5 (а, 4), К.Р ( Р,2) и 0.Ч (б, 4) В/дел.По ао:эизпптп^0би: 250 мпкс^^д^и^.
с миси.
Францам песка б б ыаил.230 оиао В збсо-се песка д = 120+250 мкм затухание ДВ проис-ходисмз1 сзвое,замв завазл 3 = 250+600 мш, на пвосзоогешения детоназ(ии и пламези зи сиз бло.млобо дажмпрв р0 -аеимп а. Для восар0 > (б.ЧСМПм свмчимое змеет более кробойфронт и меньшую длительность, чем в опытах с более кp^г^нc^1íC^в^í^кMР0м. Отсутеизрет ная за-
висимость ееищу скооиетью затухзющий воепы дбтонацои наотдемозосхзппсткахпзомпо нк^иси концет" рмиимп песка, чти спямано с пульсипион-ным характером распространения затухающих взир. Увеличение концентрации пыли маиет пмоаомизпк незолчиоелинави замедлениюсиа-рости волны на длине трубы. Для повышения эффективности гашения детонации необходимо
продолжать уменьшать размерчастиц.
Фракцияпеска Д = 90+120 мкм.01ца/>0 = 0.02 МПа ни в одном из опытов не наблюдалось иолного чушониа деторк.кт^величоьпа масоы П^СК2 1^(Т ВСеГца скоро-
сти водпыкррижшх Оазка ^маоеникНапои-мер,паи0 = 20 см3 0В м второо подонирн трцаы замедлилась до D34 = 1611 м/с и D45 = 1576 м/с. Но в другом опыте при V = 60 см3 скорость дето-нациинатех ша aчомтзaxизмаоeнииекaзaчacь боапшиеД, = Гов.3 г^/с т D45i1601mIc.
Мехааизмвозникновения нeоloдрьоиxих пульсаций скорости волны в завесе пыли ста-новвтся пааятенке аьо. 4 = 0.ц15 МПэГ. че ^«зь^б^х^лафаммы одного оиь 1та с V = 30 см3 (а, б) и два опыта (в, г) с V = 40 см3. В первом случае (а, б) скорость волны затухала до
i Cl
! !
3 I j j
4 i i l
i i i i • 1 !
Рисунок 4 - Осциллограммы давления (а, в; б, г - 1, 3;) и свечения (б, г - 2, 4) при детонации газо-войсмеси СИ4+202+Ы2, р0 = 0.015 МПа, впылевой завесе д = 90+120 мкм, К,см3 = 30 (а,б), 40 (в,г).По вертикали: 0.5 (а, 3,4), 0.2 (б,1, 3), 0.4 (в,3,4), 0.2 (г,1, 3) МПа/дел; 0.5 (б, 2), 0.2 (б, 4), 0.5 (г, 2) и 0.2 (г, 4)В/дел. По горизонтали, мкс/дел: 25 (а, в), 250 (б), 500 (г).
В]2 = 1935 м/с, Вп = 1540 м/с, Б34 = 1429 м/с, В45= 1013 м/с. На Б3 зарегистрирован детонационный профиль давления (а, 3; б, 1), длительность свечения в ДВ составляет 250 мкс. Через 0.2 м на Д4 область повышенного давления отстала от переднего ударного фронта на 25 мкс, и амплитуда пика давления в ней уменьшилась в 4 раза (а, 4). На Б5 (через 0.575 м) зарегистрирован срыв детонации - давление в волне выродилось в прямоугольный ударный профиль (б, 3), ФЭУ2 регистрирует за фронтом волны слабое свечение (б, 4), начало которого отстаёт от переднего ударного фронта примерно на 100 мкс (около 10 см). Интенсивность и длительность свечения за фронтом ДВ в мелкой фракции в несколько раз уменьшились по сравнению с предыдущими более крупными фракциями.
Увеличение V до 40 см3 может ускорять срыв детонации. Так на рис. 4, в возмущение давления, регистрируемое Д3 (3) через 57 мкс за передним фронтом волны, усилилось на участке Д3-Д4, поскольку Д4 (4) зарегистрировал вторичную детонацию через 25 мкс за передним фронтом, распространяющимся со скоростью Б34 = 1307 м/с. В момент прихода этого вторичного детонационного фронта на передний фронт волна ускорится. В дальнейшем из-за потерь в пылевой завесе она вновь замедляется до скорости 045 = 1262 м/с. В этом опыте не произошло полного гашения детонации, ФЭУ2 регистрирует слабое свечение. Вероятность регистрации датчиками момента возникновения вторичной детонации в опытах не превышает 10-20 % в силу случайности места события. Вторичная детонация является причиной наблюдаемых пульсаций скорости детонации и объясняет, почему иногда на нижних участках измерения волна затухает «как бы слабее» при большей концентрации пыли. При той же концентрации пыли в завесе замедление волны в опыте на рис. 4, г шло до полного срыва детонации: Б12 = 1412 м/с, Б23 = 1448 м/с, В„ = 909 м/с, Б„ = 681 м/с, свечение
'34 ' 45 '
пламени при данной чувствительности ФЭУ2 не зарегистрировано. Эти результаты указывают на существенное улучшение гасящей способности фракции песка д = 90+120 мкм.
Несмотря на то, что при р0 = 0.015 МПа происходит срыв и гашение детонации, ударная волна затухает, ФЭУ2 не регистрирует свечение, остаются следующие вопросы: существует ли на удалении за фронтом затухающей УВ какое-либо слабое остаточное свечение и пламя, если остаточное пламя существует, то впоследствии оно совсем исчезнет или может возродить детонационный процесс?
Для ответа на эти вопросы выполнены опыты при р0 = 0.01 МПа. Для V = 50-60 см3 скорость ДВ затухает с 2160-2190 м/с (на верхнем участке трубы) до Б12 = 1600-1090, Б23 = 592-462, Б,, = 690-570, п = 310-100 м/с. В опытах уве-
34 45
личена чувствительность ФЭУ, всех каналов осциллографа и длина временной развертки. Датчики Д и Д2 регистрируют затухающую ДВ со скоростью Б12 ~ 1090 м/с, амплитуда давления на фронте волны на Д2р12 ~ 0.09 МПа. Ниже распространяется волна сжатия с плавным профилем давления амплитудой 0.07-0.09 МПа и длительностью 2-3 мс (на Д3 и Д4), Б34 ~ 570 м/с, Б45 ~ 385 м/с. При увеличении Vдо 60 см3 амплитуда волны на Д3 уменьшается до р2 ~ 0.04 МПа. Интенсивность свечения в пламени примерно на порядок меньше, чем в волне затухающей детонации, длительность свечения - около 3 мс. Пламя здесь - это движущиеся вниз продукты реакции затухшей ДВ, их свечение, регистрируемое ФЭУ1, отстаёт от волны сжатия на 3.5 мс (~ 2м), средняя скорость пламени на участке между ФЭУ1 и ФЭУ2 составляет 255 м/с. Запись сигналов на ещё более длинных развёртках показала, что после отражения волны сжатия от торца, вторичного воспламенения не происходит, свечение полностью исчезает. Для ускорения гашения остаточного пламени необходимо применять пламегасящие порошки или увеличивать концентрацию пылевой завесы из кварцевого песка.
На рисунке 5 показано изменение скорости волны детонации по длине трубы. При р0 > 0.02 МПа срыва детонации не происходит, волна незначительно уменьшает скорость (1). Для р0 =
О, м/с
2000
1600
1200
800
400
% - -с
— — £ г-
„Л
\ л. V
Е X V
о д X +
1 2 3 5- ■0 \
4
О 5
О
1
х, м
Рисунок 5 - Изменение скорости детонации в пылевом облаке по длине трубы х. 1 - р0 = 0.02 МПа, д = 250+600 мкм, V = 60 см3; 2, 3, - ро = 0.015 МПа, д = 90+120 мкм, V = 40 см3; 4, 5 - Ро = 0.01 МПа, д = 90+120 мкм, V = 50 см3
0.01 и 0.015 МПа наибольшее затухание ДВ происходит в плотном пылевом «ядре». Свободное вверху от пыли пространство составляет 0.8-0.9 м, началу «ядра» соответствует x = 2.2-2.3 м. На участке 2.2 < x < 5.3 м ДВ в некоторых опытах распространяется в пульсирующем режиме, когда за её передним фронтом возникает вторичная детонация. При этом волна может временно ускоряться и увеличивать скорость, но в конце трубы (x > 5.3 м) происходит срыв детонации (2+5). С увеличением концентрации песка, уменьшением 3 и p0 (увеличением длины зоны реакции) облегчается срыв не только детонации, но и пламени. В наиболее мелкой фракции песка (3 = 90+120 мкм) при p0 = 0.01 МПа (4, 5) вторая стадия резкого затухания волны происходит на расстоянии x > 5.5 м, и к концу трубы пламя затухает. На верхнем участке трубы, где ДВ распространялась в газовой смеси без пыли, размер ячейки (и длина зоны реакции) a ~ 40 мм. Волна детонации затухала при pd ~ 2-2.5 г/л, эта величина примерно в 20-25 раз превышает начальную плотность газовой смеси.
Проиллюстрируем важность учета эффектов пространственной неоднородности. Рассмотрим промежуточный режим движения взрывной волны с D = 880 м/с, который близок к режиму перехода горения в детонацию, (D ~ 0.5DCJ , где DCJ = 1803 м/с для стехиометрической метано-воз-душной смеси). В рамках одномерных представлений за такой УВ достигаются: температура 615°К, плотность р = 3.47р0, скорость газа u = 626 м/с. Если поток за УВ затормозить на частице завесы, то дополнительный подъем температуры за счет торможения потока составит величину AT = u2/2cV ~ 258°К, т.е. температура достигнет величины T* = 873°К (cV - удельная мольная теплоемкость). Для оценки задержки воспламенения т воспользуемся широко распространенной для одномерных течений гомогенной смеси формулой Аррениуса:
A ■ exp(E / RT) т =-
[/floflinf3 . Откуда получим для данной УВ уменьшение т при торможении на частице в e8 ~ 3000 раз по сравнению с величиной т за проходящей по однородной смеси УВ (здесь из [9] для метановых смесей А = 6 10-6 с моль/л, энергия активации Е = 33200 кал/моль, = 0, k2 = 1, k3 = 0, в квадратных скобках - концентрации топлива f - метан), окислителя (о - кислород) и инертного газа (in -азот)).
Критерий гашения газовой детонации.
Для практики наибольший интерес представляют метано-воздушные смеси. Эти смеси менее
активны, чем смесь СИ4+202+Ы2 и имеют более длинные зоны реакции. Сделаем оценку тепловых потерь из зоны реакции в частицы пыли и получим оценку критической плотности пыли ра*з4 для стехиометрической метано-воздушной смеси (везде далее индекс при нормальных условиях. Для смесей, состав которых отличается от стехиометрии, зона реакции превышает величину Ьг поэтому для них значения будут еще меньше, чем р.*..
' "а
Для сравнительно крупных частиц (когда в зоне реакции не выполняется условие тепловой и скоростной релаксации между частицами и газом) при определяющей роли тепловых потерь на основании полученных опытных данных можно предложить критерий гашения газовой детонации:
Кр;ш « QPo , (1)
где К - постоянный размерный коэффициент, Q - удельное тепловыделение смеси, р0 - начальная плотность газовой смеси. Критерий (1) означает, что при фиксированной суммарной массе пылевой завесы потери тепла в частицы пропорциональны длине зоны реакции Ьг, площади частицы Б:82 и числу частиц Ы-.1/83. Поскольку Ь:1/ р0 (здесь Ьг = £/р0, где £ - постоянный коэффициент), то из (1) следует, что р* ~K*Q8р20, где К* -постоянный размерный коэффициент.
Для двух близких по составу смесей К*1 ~ К*^ при одинаковых 8 отношение:
Ра*,/ ра*1 ~ (Кг А МШРо М. В смеси СИ4+202+Ы2 Q1 = 957.8 кал/г. В стехиометрической метано-воздушной смеси Q2 = 542.4 кал/г, Ьгй ~ 0.3 м (для р0й = 0.1 МПа). Тогда для р0 х1= 0.1 МПа и р01 = 0.01 МПа (когда Ьг1 ~ 0.04 м, р;> = 2-2-5 г/л) получим р^/р^ = 0.76, ¿Цл = 15-19 г/л, т.е. сравнительно небольшие концентрации пыли для подавления тепловой компоненты ДВ в метановоздушных смесях при атмосферном давлении. Оценим, какая масса песка М* потребуется в этом случае. Приняв, что в шахте диаметром 6 м необходимо создать пылевую завесу на длине 6 м с величиной р*51 = 2 г/л получим, что М* ~ 340 кг.
Технически сложно обеспечить в большом объёме плотность пыли р* >> 2 г/л, поскольку величина М* будет составлять несколько тонн. По этой причине нецелесообразно осуществлять гашение детонации в активных газовых смесях при атмосферном давлении, когда одновременно возрастает энергия смеси и сокращается длина зоны реакции до нескольких миллиметров или долей миллиметра. Практически невозможно также за короткие времена создать пылевую завесу из частиц с размерами 8 < 1-10 мкм, по-
118
этому размер частиц 8 ~ 102 мкм, по-видимому, является оптимальным для гашения техногенных взрывных волн.
2. Наличие пыли в газовой смеси приводит к изменению механизма воспламенения во фронте детонации, поскольку возникают дополнительные горячие точки за счёт торможения газового потока на частицах. Это может способствовать возникновению вторичной детонации и замедлять процесс затухания волны детонации.
волну до уровня звуковой волны на длине около
6 м при ра = 2-2.5 г/л.
ВЫВОДЫ
1. Экспериментально изучен характер затухания детонационной волны в запылённой газовой смеси СИ4+202+Ыг Определены предельные для гашения ДВ концентрации пылевого облака в зависимости от дисперсности частиц.
3. Предложена оценка гашения детонации газовых смесей с помощью пылевой завесы, дающая для стехиометрической метано-воздуш-ной смеси при атмосферном давлении величину концентрации пыли р*^ ~ 1.5-1.9 г/л. Требуется экспериментальная проверка.
При начальном давлении 0.1 МПа пылевая завеса длиной около 6 м из частиц песка размером 250+600 мкм со среднеобъёмной концентрацией пыли ра ~ 2.5 г/л практически не ослабляет детонационную волну.
С уменьшением начального давления смеси и размера частиц гасящие свойства пылевой завесы существенно увеличиваются. При начальном давлении 0.01 МПа во фракции пе-
4. Для обеспечения более эффективного гашения остаточного пламени необходимо применять пламегасящие составы или увеличивать концентрацию пыли.
ска 90+120 мкм удается загасить детонационную
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Laffite, P. Suppression of explosion waves in gaseous mixtures by means of fine powders / P. Laffite, R. Bouchet // 7-th Symposium (Intern.) on Combustion, Butterworth, London. - 1959. - 504 p.
2. Kauffmann, C. W. Dust, hybrid and dusty detonation / C. W. Kauffmann, P. Wolanski, A. Arisoy [et al.] // AIIA Progress in Astronautics, and Aeronautics. - 1984. - Vol. 94. - Pp. 221-239.
3. Wolanski, P. The effects of inert particles on methane-air detonations / P. Wolanski, J. C. Liu, C. W. Kauffmann [et al.] // Archivum Combustionis. - 1988. - Vol. 8. - № 1. - Pp.15-32.
4. Chen Z., Fan B., Jiang X. Suppression effects of powder suppressant on the explosions of oxyhydrogen gas // Journal of Loss Prevention in the Process Industries. 2006. V. 19. P. 648-655.
5. Dong, J. Experimental investigation and numerical validation of explosion suppression by inert particles in large-scale duct / J. Dong, B. Fan, B. Ye j. Xie // Proceedings of the Combustion Institute. - 2005.
- Vol. 30. - Pp. 2361-2368.
6. Фёдоров, А. В. Физико-математическое моделирование подавления детонации облаками мелких частиц / А. В. Фёдоров, П. А. Фомин, В. М. Фомин [и др.]. - Новосибирск: НГАСУ (Сибстрин), 2011.
- 156 с.
7. А. А. Васильев, В. А. Газодинамические параметры горения и детонации смесей метан-воздух-угольная пыль / А. А. Васильев, В. А. Васильев, А. В. Пинаев [и др.] // Труды XIV Минского международного форума по тепло- и массообмену (10-13 сентября 2012 года, Минск). - Т. 2, Ч. 2. С. 422-425.
8. Васильев, А. А. Полное подавление волн горения и детонации пылевой завесой / А. А. Васильев, А. В. Пинаев, А. В.Троцюк [и др.] // Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. - 2015. - № 4. - С. 12-21.
9. Солоухин, Р. И. Методы измерений и основные результаты в экспериментах на ударных трубах / Р. И. Солоухин // 7-ой Международный Симпозиум по ударным трубам. - Новосибирск,1969.
REFERENCES
1. Laffitte, P., & Bouchet, R. (1959). Suppression of explosion waves in gaseous mixtures by means of fine powders. Symposium (International) on Combustion, 7(1), 504. doi:10.1016/s0082-0784(58)80085-5
2. Kauffmann, C. W., Wolanski, P., Arisoy, A., Adams, P. R., Maker, B. N., & Nicholls, J. A. (1984). Dust, Hybrid and Dusty Detonations. AIIA Progress in Astronautics, and Aeronautics, 94, 221-239. doi:10.2514/5.9 781600865695.0221.0240
3. Wolanski, P., Liu, J. C., & Kauffmann, C. W. (1988). The effects of inert particles on methane-air detonations. Archivum Combustionis, 8, 15-32.
4. Chen, Z., Fan, B., & Jiang, X. (2006). Suppression effects of powder suppressants on the explosions of oxyhydrogen gas. Journal of Loss Prevention in the Process Industries, 19(6), 648-655. doi:10.1016/j.
научно-технический журнал № 2-2016
ВЕСТНИК
jlp.2006.03.006
5. Dong, G., Fan, B., Xie, B., & Ye, J. (2005). Experimental investigation and numerical validation of explosion suppression by inert particles in large-scale duct. Proceedings of the Combustion Institute, 30(2), 2361-2368. doi:10.1016/j.proci.2004.07.046
6. Fedorov, A. V., Fomin, P. A., Fomin, V. M., Tropin, D. A., & Chen, J. R. (2011). Fiziko-matematicheskoe modelirovanie podavlenija detonacii oblakami melkih chastic [Mathematical Modeling of Detonation Damping by Cloud of Small Particles]. Novosibirsk: ITAM SB RAS - SibStrin [in Russian].
7. Vasil'ev, A. A., Vasil'ev, V. A., & Pinaev, A. V. et al. (2012). Gazodinamicheskie parametry gorenija i detonacii smesej metan-vozduh-ugol'naja pyl' [Gas-dynamic parameters of combustion and detonation of methane-air-coal dust mixtures]. Trudy XIV Minskogo Mezhdunarodnogo Foruma Po Teplo-1 Massoobmenu (10-13 Sentjabrja 2012 Goda, Minsk), 2(2), 422-425.
8. Vasil'ev, A. A., Pinaev, A. V., Trutsjuk, A. V., Fomin, P. A., Trubitsyn, A. A., & Trubitsyna, D. A. (2015). Polnoe podavlenie voln gorenija i detonacii pylevoj zavesoj [complete suppression of detonation and combustion of methane mixtures of dust veil]. Vestnik of safety in coal mining scientific center, (4), 12-21.
9.Solouhin, R. I. (1969). Metody izmerenij i osnovnye rezul'taty v jeksperimentah na udarnyh trubah [Methods of measurement and the main results in experiments with shock tubes]. 7-oj Mezhdunarodnyj Simpozium Po Udarnym Trubam. Novosibirsk.
ПО! РТАЛ ПРО! гррпьо квдпани |||§§№асности ^^ЩШШрШУвостЭКО»
ГЛАВНАЯ КОНТАКТЫ Разра |
ВСТРЕЧИ С СЕМЬЯМИ ПОГИБШИХ ГОРНЯКОВ 15-07-2015
В Кузбассе прошли первые в этом году традиционные встречи с
НЕ НУЖЕН УГОЛЬ ЛЮБОЙ ЦЕНОЙ
родственниками погибших горняков.
Подробнее...
В РАЗВИТИЕ ГЛАВНОЙ ТЕМЫ 24-06-2015
Из печати вышел второй в этом году номер научно-технического журнала «Вестник». В своём обращении к читателям главный редактор издания, доктор технических наук Нэля Вадимовна Трубицына подчеркивает, что на угледобывающих предприятиях Кузнецкого бассейна аварийность с тяжёлыми последствиями и человеческими жертвами заметно снизилась.
"УГОЛЬНАЯ" ПРОКУРАТУРА: ИТОГИ ПОЛУГОД
D
Научные публикации
КОНЦЕПЦИЯ СОЗДАНИЯ ПУНКТОВ КОЛЛЕКТИВНОГО СПАСЕНИЯ ПЕРСОНАЛА ПРИ
ПОРТАЛ ПРОМЫШЛЕННОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
эат е. ru
120
