CC BY
42
Ю. X. ПОЛАНДОВ, д-р техн. наук, профессор, руководитель Научно-образовательного центра "Механика жидкости и газа, физика горения", Орловский государственный университет им. И. С. Тургенева (Россия, 302026, г. Орел, ул. Комсомольская, 95; e-mail: polandov@yandex.ru) А. Д. КОРОЛЬЧЕНКО, инженер испытательной лаборатории Института комплексной безопасности в строительстве, Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет (Россия, 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, 26; e-mail: ikbs@mgsu.ru)
УДК 614.83;536.46
ОБ УСЛОВИЯХ РАЗВИТИЯ ВИБРАЦИОННОГО ГОРЕНИЯ ПРИ ГАЗОВОМ ВЗРЫВЕ В НЕЗАМКНУТОМ ОБЪЕМЕ
Получено, что при газовых взрывах в камерах, имеющих легкосбрасываемую панель, возможно развитие вибрационного горения после сброса панели. Замечено, что начало развития вибрационного горения совпадает с моментом приближения фронта пламени к стенкам камеры. Выявлено, что место зажигания смеси сильно влияет на интенсивность колебаний: в случае приближения устройства зажигания к центру камеры размах колебаний возрастает и может достичь значений, в несколько раз (от 5 до 10 раз) превышающих давление сброса панели, что обозначает вибрационное горение как очень опасный фактор.
Ключевые слова: газовые взрывы; вибрационное горение; опасность; физический эксперимент; место зажигания.
DOI: 10.18322/PVB.2018.27.07-08.9-23
Введение.
Актуальность исследования
Согласно статистике [1] более 95 % газовых взрывов происходит в быту. Это обстоятельство отмечаем потому, что взрыв в бытовом помещении имеет свои, характерные для этого случая, условия развития, и прежде всего потому, что взрыв происходит в сравнительно небольших по размеру помещениях, имеющих ограниченное разнообразие форм. Сведения, содержащиеся в нормативах (в том числе в таких основополагающих, как ГОСТ Р 12.3.047-2012, ББ БК 14994:2007, ОТРА 68) и публикациях о средствах снижения рисков при возможных газовых взрывах в таких помещениях, сводятся к рекомендации использовать окна в качестве легкосбрасываемых конструкций (ЛСК), которые способны разрушаться при повышении давления внутри помещения, обеспечивая тем самым соединение объема помещения с атмосферой. Рекомендации, которые содержатся в данных стандартах, основаны нарезуль-татах исследований взрывов с зажиганием смеси газ - воздух в середине помещений, близких по своей форме к кубу. В них же даются поправки на "турбу-лизацию пламени" и на случай взрыва в помещениях, имеющих форму, отличную от кубической и др. [2-9]. О возможном влиянии такого явления, как вибрационное горение, упоминается только в ГОСТ Р 12.3.047, да и то в самых общих чертах. При этом развитие данного варианта взрыва связывается со
© Поландов Ю. X., Королъченко А. Д., 2018
скоростью сброса легкосбрасываемой конструкции: "мгновенное" вскрытие сбросного сечения повышает вероятностъ возникновения вибрационного горения внутри аппарата. Амплитуда в акустической волне вибрационного горения может дости-гатъ значений ±0,1 МПа. Перемешивание смеси, например, вентилятором в процессе развития взрыва приводит к уменъшению амплитуды колебаний давления...". Следует обратить внимание на то, что значение давления, упомянутое в цитате, более чем на порядок превышает нормативы на допустимое давление в помещениях, да и то только тех, которые относятся к категории по пожаровзрывобезопасно-сти А или Б. О других факторах, кроме "мгновенного вскрытия" и "перемешивания смеси", влияющих на возникновение и развитие вибрационного горения, в документе не упоминается. Тем не менее это утверждение ставит под сомнение эффективность мер взрывобезопасности, не рассчитанных на развитие этого опасного типа горения.
Отвечая на вопрос о возможности существования вибрационного горения при газовых взрывах в бытовых помещениях, обратим внимание на то, что зарегистрированные в экспериментах случаи вибрационного горения относятся к объемам, близким по форме к бытовым помещениям [10,11]. Это дает основание утверждать, что не исключено, что это явление имеет место и в реальности.
Коротко о вибрационном горении
Первые сведения о вибрационном горении как лабораторном эффекте восходят ко временам Хиг-гинса и Рийке (XIX век) [12]. Наличие этого эффекта на практике известно по публикациям, в которых рассматривалось сжигание углеводородных топлив в промышленных топках и камерах сгорания авиационных и ракетных двигателей. В одних случаях вибрационное горение обозначено как проблема [12,13], так как оно приводит к разрушению конструкции, а в других — как способ форсирования процесса горения [14]. Заметим, что в этих случаях имеет место горение, характер которого должен быть стационарным или квазистационарным. Другое дело рассматриваемый объект — газовый взрыв, который длится обычно не более 1си имеет выраженный нестационарный характер. Оказывается, что во время этого быстротекущего процесса при определенных условиях также может развиться вибрационное горение, что показано в экспериментах, проведенных у нас, в России [10], и за рубежом [11]. Согласно результатам этих экспериментов при вибрационном горении не только амплитуда колебаний, но и среднее давление взрыва резко (иногда кратно) возрастало по сравнению с обычным взрывом, что не только согласуется с приведенной цитатой, но и расширяет границы опасности. Применительно к реалиям это означает, что, с одной стороны, опасность разрушения помещений и риски, оцениваемые людскими и материальными потерями, намного выше тех, на что рассчитаны нормативы, а с другой — исследование вибрационного горения при газовых взрывах должно быть возведено в ранг проблемы.
О возможности прогнозирования вибрационного горения
Есть ли на самом деле режим вибрационного горения при реальных газовых взрывах в быту или нет? Этот тезис невозможно ни опровергнуть, ни подтвердить, так как бытовые помещения не оснащены современными средствами измерения и регистрации.
Прогнозировать возникновение и развитие вибрационного горения на основе математических моделей, составленных в "дочисловое, докомпьютерное" время и основанных на описании "механизмов обратной связи" [12-14], практически невозможно. Это связано прежде всего с тем, что колебания, развивающиеся при вибрационном горении, носят нелинейный характер, и механизмы, их возбуждающие, также сугубо нелинейны. Короче говоря, это автоколебания. А уравнения, которыми описывали процесс в те годы, могли быть только линейными или, в крайнем случае, должны были иметь малые нелинейности. И не только поэтому. Дело в том, что акустические колебания, имеющие место при виб-
рационном горении, представляют собой процесс с распределенными параметрами и могут быть описаны уравнениями в частных производных, решение которых возможно только численными методами. В настоящее время большие надежды возлагаются на численные методы CFD (Computational Fluid Dynamics), однако эти надежды пока не оправдываются, так как до сих пор с их помощью одним авторам не удалось описать эти автоколебания [15-17], а другим удалось лишь обозначить колебательные контуры [18, 19].
Тем не менее нам [8] удалось смоделировать возбуждение акустических колебаний, использовав отечественный метод "крупных частиц" [21] при описании газового взрыва в цилиндрической трубе. При этом в системе уравнений, описывающей процесс развития взрыва, не были заложены никакие "обратные связи": они всплыли сами в результате эволюции решения. К сожалению, в объемах, геометрически подобных бытовым помещениям, описать автоколебания пока не удалось.
Естественно, для исследования процесса вибрационного горения остается избрать затратный и малопроизводительный метод — экспериментальный, при реализации которого исследуется поочередно влияние каждого из факторов на развитие вибрационного горения при газовом взрыве.
В настоящей работе исследовано влияние места воспламенения стехиометрической газовой смеси на развитие вибрационного горения в незамкнутом объеме, размер и форма которого приближены к реальным бытовым помещениям.
Средства экспериментального исследования
Испытательный стенд. Эксперимент проводился на базе Института комплексной безопасности в строительстве при НИУ МГСУ с использованием взрывной камеры кубической формы объемом 10 м3, соответствующей ГОСТ Р 56289-2014, со сбросным окном площадью 2 м2 (рис. 1) [20]. В камеру подавался пропан для получения смеси с воздухом, близкой к стехиометрическому составу. Внутри камеры установлены вентилятор для перемешивания смеси и устройство для ее воспламенения. Устройство зажигания в ходе эксперимента перемещалось вдоль оси камеры от клапана до задней стенки. Согласно плану эксперимента зажигание производилось в пяти точках: в плоскости окна, по центру камеры, у задней стенки и в промежутках между ними.
Для обеспечения замкнутости объема малой камеры в процессе приготовления смеси сбросное окно камеры закрывалось клапаном многоразового действия, изготовленным из многослойной фанеры
Рис. 1. Схема взрывной камеры (а) и ее исходное состояние (б): ^ — датчики давления; 1-5 — позиции источника зажигания смеси; стрелкой указано на клапан
с поверхностной плотностью 5 кг/м2. При взрыве клапан открывался, и газы сбрасывались в атмосферу. Клапан прижимался к корпусу с помощью двух калиброванных проволок диаметром 1,2 мм, размещенных в верхней части клапана и разрушающихся при нарастании давления в емкости. Нижняя часть клапана прижималась четырьмя проволоками того же диаметра, что обеспечивало вначале разрушение верхних проволок, а затем и нижних. Такая последовательность срабатывания разрушающихся элементов позволяла воспроизводить первые пики давления при взрывах в камере достаточно уверенно.
Средства измерения. В состав системы измерения давления входили следующие устройства: три пьезометрических датчика давления MPX5050GP (на задней стенке, на боковой стенке по центру и на передней стенке рядом с окном); блок питания датчиков БП04Б-42; аналогово-цифровой преобразователь ЛА-20 USB (производство ЗАО "Руднев-Шиляев") и персональный компьютер. При обработке базы данных и построения графиков использовалась стандартная программа Excel 2010.
Концентрация газа в емкости определялась измерением его объемного расхода с помощью бытового счетчика газа ВК 04Т диафрагменного типа (изготовитель — "ЕМег-ОтЬИ", Германия). Счетчик снабжен устройством термокомпенсации для снижения влияния температуры наружного воздуха, что обеспечивает приемлемую погрешность измерения во всем рабочем диапазоне — не более 1,5 %.
Однако есть и другая погрешность, которая формируется в процессе заполнения камеры газом. Дело в том, что при этом в камере нарастает давление, что приводит к истечению из нее газовоздушной смеси через всякого рода неплотности и отверстия, которые чаще всего образуются в местах стыка клапана и корпуса. Эта утечка снижает реальное значение концентрации газа в емкости; погрешность при этом может составлять до 2,5 %. За счет точного решения задачи о величине утечки газа удалось разработать инженерную методику ее расчета [8]. Методика позволяет рассчитать потребный объем газа, который необходимо подать в камеру, чтобы получить заданную концентрацию:
Уг = V (1 - л/1 - 2с),
где Vг — объем подаваемого газа, м ;
V — объем камеры, м3;
с — ожидаемая концентрация.
Например, в используемую в эксперименте камеру объемом V = 10 м3 для достижения концентрации 5 % необходимо направить 513,3 л газа.
Анализ типичного опыта
На рис. 2 приведены видеокадры взрыва при зажигании в точке 2, на которых видно начало вскрытия клапана, его положение и форма раскрытия истекающей из камеры струи в разные моменты времени от начала взрыва. Неотфильтрованные записи показаний трех каналов регистрации давления приведены на рис. 3. На рисунке можно выделить три стадии развития взрыва. Точка "0" означает подачу сигнала на взрыв, далее в течение первых 0,25 с давление в камере нарастает до 1500 Паи, а затем в результате открытия клапана резко снижается, образуя тем самым первый пик давления. Резкий спад давления вызывает его колебания, которые постепенно затухают. Эти колебания известны и носят имя Гельмгольца. Основанием для такого утверждения служит факт практического совпадения амплитуд и частот колебаний между всеми датчиками давления, т. е. объем камеры ведет себя как единое целое. Этот эффект хорошо известен и описан. Говоря о практическом совпадении амплитуд, тем не менее заметим, что начальное давление у задней стенки в точке А и, соответственно, амплитуда колебаний в этом месте несколько больше, чем в других точках каме-
Рис. 2. Видеокадры взрыва при зажигании смеси в точке 2 в разные моменты времени от начала взрыва: а — 0,12с; б — 0,20 с; в — 0,30 с; г — 0,70 с
ры. Но это и понятно, поскольку перепад давления то с избытком, то с дефицитом является движущей силой колебания потоков газа при его движении из камеры и в нее.
Колебания затухают по мере снижения среднего давления в камере практически до нуля, но процесс взрыва на этом не заканчивается. Как заметили авторы публикаций В. А. Горев и др. [10] и C. Regis Bauwens, Sergey B. Dorofeev [18], при приближении фронта пламени к углам камеры в ней начинают развиваться акустические колебания (участок БВ). В том, что это акустические колебания, сомнений нет, так как их частота, во-первых, намного выше по сравнению с частотой Гельмгольца и, во-вторых, несмотря на одинаковую частоту колебаний в разных точках камеры, у них и амплитуды разные (но одного порядка). С догоранием смеси затухают акустические колебания в камере, на чем процесс взрыва завершается. Одинаковая частота колебаний (что фиксируется датчиками, расположенными в различных местах камеры) свидетельствует о едином колебательном процессе внутри камеры, что возможно при радиальном типе колебаний с узлами стоячей волны на стенках камеры.
Анализ результатов эксперимента
На рис. 4 приведены результаты обработки 20 опытных взрывов при 4 %-ной объемной концентрации газа при пяти положениях устройства зажигания (см. рис. 1). Обращает на себя внимание слабая воспроизводимость опытов, несмотря на повторение исходных условий при подготовке каждого из них. Это обстоятельство подтверждает сложность изучения такого явления, как акустические колебания при взрывах. Некоторым оправданием может служить то, что другие исследователи обходят этот вопрос, поэтому сравнивать этот важный фактор не с чем.
Единый колебательный процесс колебаний и возможность значительного роста их размаха при центральном положении устройства зажигания (точка 3 на рис. 1) позволяют полагать, что эти колебания носят радиальный характер. Эта гипотеза не противоречит расчету частоты колебаний, если положить, что, с одной стороны, скорость распространения звука в продуктах сгорания a = VkRT = = sj 1,4 • 290 • 1660 - 800 м/с (где k — постоянная Больцмана, k =1,4; R — газовая постоянная, для воздуха можно принять R = 290 Дж/(кг К); Т — температура газа, К), а с другой — в камере устанавливается стоячая волна, четверть длины которой равна половине длины камеры (радиусу). В этом случае длина волны L (м) составляет 4 м, и потому частота колебаний f= L/a = 4/800 = 200 с-1,что практически совпадает с результатами опытов. Скорост-
Р, Паи
Рис. 3. Развитие давления в камере при зажигании газа в точке 2:--давление у задней стенки;--на боковой стенке;
— на передней стенке
4 4 ► < » » ! » ►
9 ; ; » 4 ! | \ в
О ---1-•
1 2 3 4 5
Точка зажигания
Рис. 4. Зависимость максимальных значений размахов колебаний от позиции зажигания
ной съемкой внутри камеры зафиксировано [10,11], что колебания возникают тогда, когда фронт пламени приближается к стенкам камеры.
На рис. 4 видна отчетливая тенденция увеличения размаха колебаний с приближением устройства зажигания к центру камеры. Несмотря на большой разброс результатов, особенно при зажигании в центре камеры, можно ожидать, что именно при этом варианте зажигания возможно наиболее опасное развитие взрыва.
Смещение места зажигания от центра камеры делает несимметричным распространение фронта пламени относительно центра, что приводит к "несогласованности" воздействия его на колебательный процесс фронта пламени, невозможности развития резонанса на частоте радиальных колебаний. Этот факт подтверждается также результатами других исследователей [10, 11].
При замене легкого фанерного клапана на ЛСК типа панели с поверхностной плотностью 30 кг/м2 [8]
не наблюдалось сколько-нибудь значительных колебаний Гельмгольца и не было даже признаков акустических колебаний (рис. 5). Эти результаты хорошо воспроизводились.
Известно, что в замкнутых (без сброса газов) камерах вибрационное горение не развивается [5]. Что касается "мгновенного вскрытия сбросного сечения" и "перемешивания смеси", упомянутых в ГОСТ Р 12.3.047, то, во-первых, очевидно, что авторы приняли колебания Гельмгольца за акустические колебания, а во-вторых, факт влияния качества "перемешивания смеси" на вибрационное горение нуждается в экспериментальной проверке.
Интересен еще один эффект, замеченный при зажигании смеси у задней стенки (рис. 6) и хорошо воспроизводимый. Это — колебания Гельмгольца большой амплитуды, которые представлены на рис. 6 двумя пиками на фоне акустических колебаний (вибрационного горения) с небольшой амплитудой. Возможно, это связано с тем, что в этом случае из камеры выбрасывается подавляющая часть газовоздушной смеси, которая затем взрывается сразу за окном (энергия взрывной волны при этом может вызвать разрушение остекления в соседних зданиях). Давление взрывной волны на время взрыва "запирает" сечение окна, что приводит к росту давления в камере и возникновению двух пиков давления с частотой Гельмгольца. Максимальное давление в этих пиках незначительно превышает значение первого пика.
Во всех экспериментах, где наблюдалось вибрационное горение [10, 11], объем помещения и площадь окна имели близкие значения безразмерного критерия Б = / = 0,53^0,60 (где Б—площадь проема окна, V — объем камеры). При значениях этого критерия менее 0,5 вибрационного горения не наблюдалось [7, 16].
с
Рис. 5. Развитие давления при сбросе панели массой 60 кг:--давление у задней стенки;--на боковой стенке;
— — на передней стенке
Рис. 6. Развитие давления при зажигании у задней стенки камеры:--давление у задней стенки;--на боковой стенке;
— — на передней стенке
Условия, при которых возможно вибрационное горение при газовом взрыве
Полученные опытные данные дополнили опубликованные результаты, касающиеся вибрационного горения при взрывах. Это дало возможность выявить условия, при которых возможно вибрационное горение:
• размер камеры не играет роли, во всяком случае этот тип горения наблюдался и при V = 1м3 [10], и при V= 10 м3, и при V= 63 м3 [11];
• форма камер близка к кубической [10, 11];
• газовоздушная смесь по составу близка к стехи-ометрической [11];
• значение критерия Б превышает 0,53;
• клапан (ЛСК) имеет поверхностную плотность менее 5 кг/м2;
• зажигание газовой смеси производится в центре камеры.
Отклонение от этих условий ведет к уменьшению амплитуды колебаний давления при взрыве вплоть до незначительных проявлений признаков такого типа горения. Насколько условия возникновения вибрационного горения могут быть реализованы в бытовом помещении, сказать однозначно сложно.
Наблюдаемые колебания давления Гельмгольца не имеют отношения к вибрационному горению.
Их возникновение обусловлено резким падением давления в камере при раскрытии окна или газодинамическим запиранием проема окна при газовом взрыве вне камеры. Амплитуда этих колебаний в первом случае не превышает первого пика давления, а во втором (при взрывах вне камеры) — превышает его незначительно.
Выводы
Вибрационное горение при газовом взрыве повышает риски. Для их снижения необходимо выявить основные условия, при которых возникает вибрационное горение. Найдено, что наиболее интенсивными колебания давления бывают в камере околокубической формы при зажигании газовоз-
душной смеси в ее центре. На размах колебаний влияют также размер окна, масса ЛСК, качество смеси и другие факторы. Характерными для такого типа горения являются радиальные акустические колебания с частотой по первой моде. Вибрационное горение возникает в момент приближения фронта пламени к стенкам камеры. При сдвиге источника зажигания от центра камеры, увеличении массы ЛСК, уменьшении площади окна, снижении концентрации газа колебания ослабевают.
Благодарность. Эксперименталъные данные получены при поддержке и на оборудовании Института комплексной безопасности в строителъстве НИУМГСУ.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Взрывы газа с человеческими жертвами в многоквартирных домах в РФ с 2014 по 2017 год. Досье / Информационное агентство России ТАСС. URL: http://tass.ru/info/4255543 (дата обращения: 05.06.2018).
2. Risto Lautkaski. Modelling of vented gas explosions / Research Report VTT-R-04600-09. — 2009. — 52 p. URL: inf/julkaisut/muut/2009/VTT-R-04600-09.pdf (дата обращения: 05.06.2018).
3. Molkov V., BaratovA., Korolchenko A. Dynamics of gas explosions invented vessels; review and progress // Dynamic Aspects of Explosion Phenomena, Progress in Astronautics and Aeronautics / Kuhl A. L., Leyer J.-C., Borisov A. A., Sirignano W. A. (eds.). — 1993. — Vol. 154. — P. 117-131. DOI: 10.2514/5.9781600866272.0117.0131.
4. Molkov V.V.Explosions in buildings: modeling and interpretation of real accidents // Fire Safety Journal.
— 1999.—Vol. 33, Issue 1. — P. 45-56. DOI: 10.1016/s0379-7112(99)00003-x.
5. МольковВ. B., Некрасов В. П. Динамика сгорания газа в постоянном объеме при наличии истечения // Физика горения и взрыва. — 1981. — Т. 17, № 4. — С. 17-24.
6. Zalosh R. Explosion venting data and modeling literature review. — Batterymarch Park, Quincy, MA : Fire Protection Research Foundataion, 2008. — 52 p.
7. Поландов Ю. X., Бабанков В. А., Добриков С. А. Особенности развития газового взрыва в помещении при наличии смежной комнаты // Пожаровзрывобезопасность / Fire and Explosion Safety.
— 2016. — Т. 25, № 1. — С. 38-46. DOI: 10.18322/PVB.2016.25.01.38-46.
8. Поландов Ю. X., Добриков C. А., КукинД. А. Результаты испытаний легкосбрасываемых конструкций // Пожаровзрывобезопасность / Fire and Explosion Safety. — 2017. — Т. 26, № 8. — С. 5-14. DOI: 10.18322/PVB.2017.26.08.5-14.
9. Bauwens C. R., Chaffee J., Dorofeev S. В. Effect of ignition location, vent size, and obstacles on vented explosion overpressures in propane-air mixtures // Combustion Science and Technology. — 2010. — Vol. 182, Issue 11-12.—P. 1915-1932. DOI: 10.1080/00102202.2010.497415.
10. ГоревВ. А., Беляев В. В., Федотов В. Н. Условие начала вибрационного горения в разгерметизированном сосуде прямоугольной формы // Физика горения и взрыва. — 1989. — Т. 25, № 1. — С. 36-39.
11. Bauwens C. R., Dorofeev S. В. Parameters affecting flame-acoustic flame instabilities in vented explosions // 24th ICDERS (July 28 - August 2,2013, Taiwan, Taipei). — 6p. URL: http://www.icders.org/ ICDERS2013/PapersICDERS2013/ICDERS2013-0216.pdf (дата обращения: 05.06.2018).
12. Раушенбах Б. В. Вибрационное горение. — М. : Физматгиз, 1961. — 500 с.
13. КроккоЛ., Синь-и Чжень. Теория неустойчивости горения в жидкостных ракетных двигателях / Пер. с англ. — М. : Изд-во иностр. лит., 1958. — 351 с.
14. Ларионов В. М., Зарипов Р. Г. Автоколебания газа в установках с горением. — Казань : Изд-во Казан. гос. техн. ун-та, 2003. — 227 с.
15. Pedersen H. H., Middha P. Modelling of vented gas explosions in the CFD tool FLACS // Chemical Engineering Transactions. — 2012. — Vol. 26. — P. 357-362. DOI: 10.3303/CET1226060.
16. Комаров А. А., Бажина Е. В. Определение параметров динамических нагрузок от аварийных взрывов, действующих на здания и сооружения взрывоопасных производств // Вестник МГСУ.
— 2013.—№ 12. —С. 14-19.
17. Ping Tang, Juncheng Jiang. Numerical simulation of duct-vented gas explosion // Procedia Engineering. — 2011.—Vol. 18.—P. 25-30. DOI: 10.1016/j.proeng.2011.11.005.
18. Bauwens C. R., Chaffee J., Dorofeev S. Experimental and numerical study of methane-air deflagrations in a vented enclosure // Fire Safety Science. — 2008. — Vol. 9. — P. 1043-1054. DOI: 10.3801/IAFSS.FSS.9-1043.
19. Bauwens L., Bauwens C. R. L., Wierzba I. Oscillating flames: multiple-scale analysis // Proceedings of the Royal Society. A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences. — 2009. — Vol. 465, Issue 2107. — P. 2089-2110. DOI: 10.1098/rspa.2008.0388.
20. Поландов Ю. X., Добриков С. А., Корольченко А. Я. Взрыв газа в цилиндрической трубе с отверстием на боковой поверхности // Пожаровзрывобезопасность / Fire and Explosion Safety. — 2016.—T. 25, № 11. — С. 17-26. DOI: 10.18322/PVB.2016.25.11.17-26.
21. Белоцерковский О. М., ДавыдовЮ. М.Метод крупных частиц в газовой динамике. —М. : Наука, 1982.— 392 с.
Материал поступил в редакцию 15 июня 2018 г.
Для цитирования: Поландов Ю. X., Корольченко А. Д. Об условиях развития вибрационного
горения при газовом взрыве в незамкнутом объеме // Пожаровзрывобезопасность / Fire and
Explosion Safety. —2018. — T. 27, № 7-8. — С. 9-23. DOI: 10.18322/PVB.2018.27.07-08.9-23.
ООО -Издательство «ПОЖНАУКА»
предлагает Вашему вниманию Учебное пособие
Холщевников В. В. Корольченко Д, А. Парфененко А. П.
ЭВАКУАЦИЯ ЗРИТЕЛЕЙ ИЗ СПОРТИВНО-ЗРЕЛИЩНЫХ СООРУЖЕНИЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ВНУТРЕННЕГО
ТРАНСПОРТА
М. : Изд-во "ПОЖНАУКА", 2016. — 88 с.
Впервые в практике архитектурно-строительного преподавания рассмотрена методология учета важнейшего функционального процесса — движения людских потоков с использованием эскалаторов и лифтовых установок при различных режимах эксплуатации зданий, включая чрезвычайную ситуацию пожара, на примере реального объекта с большим количеством
находящихся в нем людей.
f
vï iJi i
Yu. Kh. POLANDOV, Doctor of Technical Sciences, Professor, Head of Scientific-Educational Center "Fluid Mechanics. Combustion", Orel State University named after I. S. Turgenev (Komsomolskaya St., 95, Orel, 302026, Russian Federation; e-mail: polandov@yandex.ru)
A. D. KOROLCHENKO, Engineer of Testing Laboratory of Institute of Integrated Safety in Construction, National Research Moscow State University of Civil Engineering (Yaroslavskoye Shosse, 26, Moscow, 129337, Russian Federation; e-mail: ikbs@mgsu.ru)
UDC 614.83;536.46
ON CONDITIONS ENABLING RESONANT COMBUSTION IN GAS EXPLOSION IN NON-ENCLOSED VOLUME
It has been observed, that resonant combustion may develop in gas explosions taking place in chambers with light relief panel after the panel is removed. It has been noted, that initiation of the resonant combustion coincides with the moment of the combustion wave approaching the chamber walls. It has been found out that the location of the ignition point has a great influence over the oscillation intensity: when the ignition happens closer to the center of the chamber, the amplitude increases and may reach the values that are from 5 to 10 times higher than the panel removal pressure, thus signifying the resonant combustion as a highly hazardous factor.
Keywords: gas explosions; resonant combustion; hazard; physical experiment; ignition point. DOI: 10.18322/PVB.2018.27.07-08.9-23
Introduction. Rationale
Statistics shows that over 95 % of gas explosions take place in households [1]. This circumstance is notable, as an explosion in domestic space has characteristic development conditions, primarily because the explosion takes place in relatively small rooms that have a limited variety of forms. Information in regulatory documents (including the fundamental ones, such as GOST R 12.3.047-2012, BS EN 14994:2007, NFPA 68) and published papers covering risk reduction for possible gas explosion in such premises amounts to a recommendation to use windows as relief structures (RS) that are destructible when the pressure inside increases, thus providing connection of the inner volume with the atmosphere. Recommendations in these standards are based upon studies of explosions with ignition of gas-air mixture in the middle of approximately cubic rooms. They also have corrections for flame-generated turbulence in case of explosion at premises with the form deviating from cubic one, etc. [2-9]. Only GOST R 12.3.047 passingly mentions a possible influence of resonant combustion and only. At that, development of this variant of explosion is linked with the relief structure removal speed: "momentary" breaking of relief section increases probability of resonant combustion arising inside the apparatus. Amplitude in the acoustic wave of resonant combustion may attain ±0.1 MPa. Actuating the mixture, e. g., with afan during the development of the explosion leads to decrease in amplitude of pressure oscillations...". It should be noted, that the value of pressure stated in this quotation is more than an order of magnitude higher
than the allowable pressure indoors and only for premises that are in category A or B of fire-explosion safety. The document mentions no other factors influencing appearance and development of resonant combustion other than momentary breaking and actuating the mixture. Nevertheless, this statement puts the efficiency of fire and explosion safety measures in question, if they do not cover development of this dangerous type of combustion.
Answering the question whether the resonant combustion is possible in gas explosions in residential properties, let us note that the experimentally registered events of resonant combustion refer to volumes that are close to those of residential properties [10,11]. It gives us ground to suppose that such phenomenon may take place in real life.
Resonant combustion in brief
The first reports of resonant combustion as a laboratory effect date back to the times of Higgins and Rijke (XIX century) [12]. Appearance of this effect is known from publications that analyzed burning of hydrocarbon fuels in industrial furnaces and combustion chambers of aircraft androcket engines. In some cases the resonant combustion was marked as a problem [12, 13], as it leads to destruction of the structure, in others — as a way to boost the combustion process [14]. Let us note that in those cases there was a combustion with a stationary or quazistationary nature. Gas explosion, which lasts for less than one second and has a pronouncedly non-stationary nature, is a different story. In turns out that during this fast process, under certain conditions the re-
sonant combustion may develop as well, as it is evident from experiments conducted both in Russia [10] and abroad [11]. According to the results of these experiments, under resonant combustion conditions, both amplitude of oscillations and the average explosion pressure underwent abrupt increase (sometimes several-fold) in comparison to a regular explosion, which is not only supportive of the quote above, but also extends the hazard boundary. With respect to real-life situations, it means that, on the one hand, the hazard of building destruction and both loss of life and loss of property risks are significantly higher than those stated in the regulations, and on the other hand, that studying the resonant combustion in gas explosions shall be seen as a viable problem.
On possibility of predicting the resonant combustion
Is there a resonant combustion mode in real-life domestic gas explosions? This thesis is impossible to contest, neither support, as the residential accommodations are not equipped with modern means of measurement and recording.
It is virtually impossible to predict appearance and development of the resonant combustion from mathematical models that were createdbefore the rise of computers and digital technologies and based upon feedback mechanism [12-14]. This is primarily due to the fact that the oscillations that develop during the resonant combustion have non-linear characteristics and mechanisms of their actuation are also exclusively non-linear. In short, they are self-sustained oscillations. During those years, the equations used for process description were almost exclusively linear, or, if absolutely necessary those of low non-linearity. It is also not the only cause. The thing is, acoustic oscillations appearing in the resonant combustion are a process with distributed parameters and they may be described with partial differential equations, which may be solved only numerically. Currently, there are great hopes for CFD (Computational Fluid Dynamics) numerical methods, however as of now these hopes have been fruitless, as one group of authors failed to describe these self-sustained oscillations using the methods [15-17], while another group of authors succeeded only after marking the oscillating contours [18,19].
Nevertheless, the authors of [8] succeeded in modeling acoustic oscillation excitation when describing a gas explosion in a cylindrical tube while applying the large-particle method having been developed in Russia [21]. At that, the system of equations used to describe the explosive development did not have any feedback loops: they appeared on their own, as a result of evolution of the solution. Unfortunately, self-sustained oscil-
lations are still not described for volumes similar to those of accommodation spaces.
Naturally, to study the resonant combustion process we shall select an expensive and inefficient experimental method, aiming at thoroughly looking through each factor that may influence the resonant combustion development under gas explosion conditions.
This paper studies influence of the stoichiometric mixture ignition point location in open volume with a size and form close to those of real-life accommodations.
Experimental means
Test bench. The experiment was carried out at the premises of Moscow State Construction University's Institute of Complex Construction Safety with the help of a cubic explosion chamber with the volume of 10 m3, complying with the requirements of GOST R 56289-2014 and provided with a relief window with the area of 2 m2 (Fig. 1) [20]. Propane was fed into the chamber until a mixture with air close to stoichoimetric was obtained. Inside the chamber, there was a fan for mixture agitation and an ignition device. During the experiment,
Fig. 1. Diagram of the chamber (a) and its initial state (b): — pressure sensors; 1-5 — locations of ignition device; the arrow shows the valve location
the ignition device was moved along the chamber axis from the valve to the back wall. According to the design of the experiment, ignition happened in five various points: in the window plane, in the center of the chamber, at the back wall and in the midway from the center.
To provide enclosed nature of the small chamber when preparing the mixture, the relief window were locked with a multi-use valve made of laminated wood with the surface density of 5 kg/m2. During the explosion, the valve is opened and the gases are releases to the atmosphere. The valve was pressed against the body with two calibrated 1.2 mm wires located in the upper part of the valve and breaking when the pressure in the enclosure rises. The lower part of the valve was similarly pressed with four wires of the same diameter, thus ensuring that the top wires to be broken first and the bottom ones last. Such a sequence of actuation of collapsing elements allowed rather confidently reproducing the first pressure peaks of explosions in the chamber.
Measuring equipment. The pressure measuring system included the following devices: three piezometric pressure transmitters MPX5050GP (at the back wall, as the center of the sidewall and at the front wall near the window); transmitter power supply BP04B-42; ADC LA-20 USB (manufactured by ZAO Rudnev-Shilyayev) and a PC. A standard version of Microsoft Excel 2010 was used for data processing and plotting.
Gas concentration in the volume was determined by measuring its voluminous flow with a household-grade orifice gas meter BK G4T (manufactured by ElsterGmbh, Germany). The meter is provided with a thermal compensation device to reduce the influence of ambient air temperature, thus ensuring admissible error of measurement throughout the working range: 1.5 % maximum.
However, there is another type of error due to the process of filling the chamber with gas. The thing is, the pressure in the chamber increases, leading to gas-air mixture leaving the chamber through any type of leaks and openings, usually at the joint between the valve and the body. This leakage reduces the real value of gas concentration in the room, the error may reach up to 2.5 %. Thanks to accurate solution of the gas leakage problem, an engineering method for its calculation has been developed [8]. The method allows calculating the gas volume that shall be supplied to the chamber to obtain a required concentration:
Vg = V (1 -J 1 - 2c), where Vg is the volume of supplied gas, m3;
g 3
V is the chamber volume, m ;
c is the required concentration.
For instance, for the chamber with the V = 10 m3 that was employed in the experiments, to attain 5 % concentration, is was necessary to supply 513.3 liter of gas.
Analysis of typical experiment
Fig. 2 shows video capture of an explosion with ignition in Point 2, where one may see the beginning of valve cracking, its location and the expansive form of the jet exiting the chamber in various moments from the beginning of the explosion. Unfiltered recordings of the three channels of pressure measurement are given in Fig. 3. Three stages of explosion development may be distinguished in the figure. Point 0 means the signaling of the explosion, then, during the first 0.25 sec pressure in the chamber increases to 1500 Pag, then, as a result of valve opening it drops abruptly, forming the first pressure peak. The abrupt drop in pressure causes oscillations that gradually fade. These are Helmholtz oscillations. This statement is grounded in the fact that the oscillation amplitudes and frequencies are virtually the same for all the pressure transmitters, that is, the chamber volume behaves as an integral whole. This effect is well-known and described. Speaking of virtual equality of the amplitudes, we shall nevertheless note that the initial pressure (and oscillation amplitude) at the back wall in Point A is somewhat higher than in other points ofthe chamber. However, this is understandable, as pressure difference with its excesses and deficiencies is the moving force behind the gas flow oscillations when the gas proceeds into the chamber and out of it.
The oscillations fade as the average pressure in the chamber falls to zero, but the explosion process does not end there. As it has been noted by V. A. Gorev etal [10] andC. Regis Bauwens, Sergey B.Dorofeev [18], when the combustion wave approach the corners of the chamber, acoustic oscillations arise (segment BC). There is no doubt that they are acoustic oscillation, as, first, their frequency is much higher than the Helmholtz frequency, and second, despite the same frequency of the oscillation in various points of the chamber, its amplitudes differ (but are of the same order of magnitude). The acoustic oscillations fade with afterburning of the mixture in the chamber, thus ending the explosion process. The same frequency of oscillations (registered by transmitters in various locations of the chamber) is the evidence of an integral oscillatory process inside the chamber, which is possible for radial type of oscillations with standing pressure wave nodes at the chamber walls.
Analysis of the experimental results
Fig. 4 shows the results of processing 20 experimental explosions at 4 % by vol. concentration of gas and five locations of the ignition device (see Fig. 1). Weak repeatability of the experiment is notable, despite the same starting conditions used in its preparation. This circumstance support the complicated nature of studying such a phenomenon as acoustic oscillations in explosions. It may be excused by the fact that other re-
Fig. 2. Still frames from mixture ignition in Point 2 at various moments from the beginning of the explosion: a — 0.12 sec; b — 0.20 sec; c — 0.30 sec; d — 0.70 sec
t, sec
-2000
Fig. 3. Pressure evolution in the chamber when igniting the gas in Point 2:--pressure at the back wall;--pressure at the side
wall;--pressure at the front wall
searchers stay away from this issue, so there is nothing to compare this important factor to.
The common oscillatory process and the possibility for a significant growth of their excursion in case of central location of the ignition device (Point 3 in Fig. 1) allow assuming that these oscillations have a radial nature. This hypothesis is in agreement with frequency calculation, if we assume that, on the one hand, the speed of sound in the combustion products is a = s[kRT =
= 71.4 • 290 • 1660 - 800 m/s (where k is Boltzmann's constant, k = 1.4; R is the gas constant, for air we may take R = 290 J/(kg-K); T is the gas temperature, K), on the other hand, there is a standing wave in the chamber with its quarter-wavelength equal to the half of the chamber's length (radius). In this case, the wavelength L (m) is 4 m, and thus frequency of oscillation f = L/a = = 4/800 = 200 sec-1, which is virtually the same as in the experimental results. High-speed filming inside
P, kPag
20
15
10
-i-
I
a
Point of ignition
Fig. 4. Maximum excursion of oscillations depending on location of ignition
the camera [10,11] has shown that the oscillations arise when the combustion wave approaches the walls of the chamber.
In Fig. 4 there is a vivid trend to increased excursion of the oscillations when the ignition device is located closer to the center of the chamber. Despite the wide scatter of the results, especially when igniting in the center of the chamber, one may expect that this variant of ignition results in a possibly most hazardous development of the explosion.
Moving the ignition away from the center of chamber makes the combustion wave asymmetric with respect to the center, thus leading to mismatch of its action upon the oscillatory process of the combustion wave and impossibility to develop a resonance at the radial oscillation frequency. This fact is also supported by results from other researchers [10, 11].
When replacing the light plywood valve with RS with a surface density of 30 kg/m2 [8], there were no significant Helmholtz oscillations recorded and no symptoms of acoustic oscillations at all (Fig. 5). These results had good repeatability.
It is known, that in closed (without gas relief) chambers the resonant combustion never develops [5]. Speaking of momentary break of relief section and mixture actuation mentioned in GOST R 12.3.047, first, it is evident that the authors of the standard took Helmholtz oscillations for acoustic ones, and second, influence of actuation onto resonant combustion requires further experimental verification.
There is another interesting effect that was noted when igniting the mixture near the back wall (Fig. 6) and which is well repeatable. It is Helmholtz oscillations of large amplitude represented in Fig. 6 with two peaks against the acoustic oscillations (resonant combustion) of low amplitude. It is possible that it is due to the fact that in this case the most of the gas-air mixture is ejected from the chamber and then immediately explode outside the window (energy of this explosion may cause destruction of glazing in nearby buildings). Explosive pressure during the explosion locks the window section, leading to increased pressure in the chamber and appearance of two pressure peaks with the Helm-holtz frequency. Maximum pressure in these peaks is insignificantly higher than the value of the first peak.
In all the experiments where resonant combustion was observed [10, 11], the volume of the room and the area of the window had close values of the dimension-less factor criterion B = 4F/3V = 0,53^0,60 (where F is the window area, Vis the chamber volume). When this criterion is less than 0.5, no resonant combustion was observed [7, 16].
P, Pag
3500
3000
2500
-500
Fig. 5. Pressure evolution when relieving a panel with a weight of 60 kg: the side wall; — — pressure at the front wall
t, sec
- — pressure at the back wall;--pressure at
-1000 -------
Fig. 6. Pressure evolution for ignition near the back wall of the chamber: - — pressure at the back wall;--pressure at
the side wall; - — pressure at the front wall
Conditions that enable resonant combustion in gas explosion
The experimental data obtained allowed to complement the previously published results pertaining to resonant combustion in explosion. It allowed identifying the conditions that make the resonant combustion possible:
• the size of the chamber is on no importance: this type of combustion was observed for chambers with V= 1m3 [10], V= 10m3,and V= 63m3 [11];
• chamber forms is close to cubic one [10, 11];
• gas-air mixture is close to stoichoimetric one [11];
• the value of criterion B is higher than 0.53;
• the valve (RS) has the surface density lower than 5 kg/m2;
• ignition of the gas mixture takes place in the center of the chamber.
Deviation from these conditions leads to reduced amplitude of the oscillations in explosion, down to insignificant manifestations of such type of combustion. It is hard to tell, how well these resonant-combustion-enabling conditions may be implemented in an accommodation space.
The Helmholtz oscillations of pressure are irrelevant to the resonant combustion. They arise due to an abrupt drop in pressure when the window is opened, or when the window section is under gas-dynamic lock
due to a gas explosion outside the chamber. The amplitude of these oscillations in the first case never exceeds the first pressure peak, while in the second case (explosions outside the chamber) it exceeds the first peak insignificantly.
Conclusions
Resonant combustion in gas explosion increases hazard level. To reduce the hazard, it is necessary to identify the main conditions enabling the resonant combustion. It has been found out, that the oscillations of the highest intensity are observed in chambers that approach cube in theirs form and when the gas-air mixture is ignited in the center of the chamber. Window size, RS weight, quality of the mixture and other factors also influence the amplitude. Radial acoustic oscillations with the frequency of the first mode are characteristic for this type of combustion. The resonant combustion arises when the combustion wave approaches the walls of the chamber. The oscillations are weakened if the ignition source moved away from the center of the chamber, RS weight is increased, window area is reduced or gas concentration is reduced.
Acknowledgment. The experimental data were obtained with support and on the equipment of the Institute of Complex Safety of Construction of Moscow State Construction University.
REFERENCES
1. Gas explosions with casualties in apartment buildings in Russia from 2014 to 2017. Dossier. TASS Russian News Agency (in Russian). Available at: http://tass.ru/info/4255543 (Accessed 5 June 2018).
2. Risto Lautkaski. Modelling of vented gas explosions. Research Report VTT-R-04600-09. Available at: inf/julkaisut/muut/2009/VTT-R-04600-09.pdf (Accessed 5 June 2018).
3. Molkov V., Baratov A., Korolchenko A. Dynamics of gas explosions in vented vessels; review and progress. In: Kuhl A. L., Leyer J.-C., Borisov A. A., Sirignano W. A. (eds.). Dynamic Aspects of Explosion Phenomena, Progress in Astronautics and Aeronautics, 1993,vol. 154, pp. 117-131.DOI: 10.2514/5.9781600866272.0117.0131.
4. Molkov V. V. Explosions in buildings: modeling and interpretation of real accidents. Fire Safety Journal, 1999, vol. 33, issue 1, pp. 45-56. DOI: 10.1016/s0379-7112(99)00003-x.
5. Molkov V. V., Nekrasov V. P. Dynamics of gas combustion in a constant volume in the presence of the expiration. Fizika goreniya i vzryva / Combustion, Explosion, and Shock Waves, 1981, vol. 17, no. 4, pp. 17-24 (in Russian).
6. Zalosh R. Explosion venting data and modeling literature review. Batterymarch Park, Quincy, MA, Fire Protection Research Foundataion, 2008. 52 p.
7. Polandov Yu. Kh., Babankov V. A., Dobrikov S. A. Features ofinfluence of adjacent rooms on the development of gas explosion. Pozharovzryvobezopasnost / Fire and Explosion Safety, 2016, vol. 25, no. 1,pp. 38-46 (in Russian). DOI: 10.18322/PVB.2016.25.01.38-46.
8. Polandov Yu. Kh., Dobrikov S. A., Kukin D. A. Results oftests pressure-relief panels. Pozharovzryvobezopasnost / Fire and Explosion Safety, 2017, vol. 26, no. 8, pp. 5-14 (in Russian). DOI: 10.18322/PVB.2017.26.08.5-14.
9. Bauwens C. R., Chaffee J., Dorofeev S. B. Effect of ignition location, vent size, and obstacles on vented explosion overpressures in propane-air mixtures. Combustion Science and Technology, 2010, vol. 182, issue 11-12, pp. 1915-1932. DOI: 10.1080/00102202.2010.497415.
10. Gorev V. A., Belyaev V. V., Fedotov V. N. The condition for the initiation of vibration combustion in a depressurized rectangular vessel. Fizika goreniya i vzryva / Combustion, Explosion, and Shock Waves, 1989, vol. 25, no. 1, pp. 36-39 (in Russian).
11. Bauwens C. R., Dorofeev S. B. Parameters affecting flame-acoustic flame instabilities in vented explosions. In: Proceedings of 24th ICDERS (July 28 - August 2 2013, Taiwan, Taipei). 6 p. Available at: http://www.icders.org/ICDERS2013/ PapersICDERS2013/ICDERS2013-0216.pdf (Accessed 5 June 2018).
12. RaushenbakhB. V. Vibratsionnoyegoreniye [Vibratory burning]. Moscow, FizmatgizPubl., 1961.500p. (in Russian).
13. Crocco Luigi, Sin-I Cheng. Theory of combustion instability in liquid propellant rocket motors. Butterworth, London, 1956.200 p. (Russ. ed.: Crocco Luigi, Sin-I Cheng. Teoriyaneustoychivosti goreniya v zhidkostnykhraketnykhdvigatelyakh. Moscow, Foreign Languages Publishing House, 1958.351 p.).
14. Larionov V. M., Zaripov R. G. Avtokolebaniyagaza v ustanovkakh s goreniyem [Self-oscillation of gas in installations with combustion]. Kazan, Kazan National Research Technical University Publ., 2003. 227 p. (in Russian).
15. Pedersen H. H., Middha P. Modelling of vented gas explosions in the CFD tool FLACS. Chemical Engineering Transactions, 2012, vol. 26, pp. 357-362. DOI: 10.3303/CET1226060.
16. Komarov A. A., Bazhina E. V. Determining the dynamic load caused by accidental explosions affecting buildings and structures ofhazardous areas. VestnikMGSU / Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering, 2013, no. 12, pp. 14-19 (in Russian).
17. Ping Tang, Juncheng Jiang. Numerical simulation of duct-vented gas explosion. Procedia Engineering, 2011, vol. 18, pp. 25-30. DOI: 10.1016/j.proeng.2011.11.005.
18. Bauwens C. R., Chaffee J., Dorofeev S. Experimental and numerical study of methane-air deflagrations in a vented enclosure. Fire Safety Science, 2008, vol. 9, pp. 1043-1054. DOI: 10.3801/IAFSS.FSS.9-1043.
19. Bauwens L., Bauwens C. R. L., Wierzba I. Oscillating flames: multiple-scale analysis. Proceedings of the Royal Society. A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences, 2009, vol. 465, issue 2107, pp. 2089-2110. DOI: 10.1098/rspa.2008.0388.
20. Polandov Yu. Kh., Dobrikov S.A., Korolchenko A. Ya. Gas explosion in a cylindrical tube with a hole on the lateral surface. Pozharovzryvobezopasnost / Fire and Explosion Safety, 2016, vol. 25, no. 11, pp. 17-26 (inRussain). DOI: 10.18322/PVB.2016.25.11.17-26.
21. Belotserkovskiy O. M., Davydov Yu. M. Metod krupnykh chastits v gazovoy dinamike [The method of large particles in gas dynamics]. Moscow, Nauka Publ., 1982. 392 p. (in Russian).
Received 15 June 2018
For citation: Polandov Yu. Kh., Korolchenko A. D. On conditions enabling resonant combustion in
gas explosion in non-enclosed volume. Pozharovzryvobezopasnost / Fire and Explosion Safety, 2018,
vol. 27, no. 7-8, pp. 9-23 (in Russian). DOI: 10.18322/PVB.2018.27.07-08.9-23.
