CC BY
16
УДК 536.423.1
ПОДАВЛЕНИЕ РЕАКЦИИ ТЕРМИЧЕСКОГО РАЗЛОЖЕНИЯ ЛЕСНЫХ ГОРЮЧИХ МАТЕРИАЛОВ ПАРОКАПЕЛЬНЫМ ВОДЯНЫМ ПОТОКОМ
ЖДАНОВА АО., КУЗНЕЦОВ Г.В., СТРИЖАК П. А.
Национальный исследовательский Томский политехнический университет, 634050, г. Томск, пр. Ленина, 30
АННОТАЦИЯ. Представлены результаты экспериментального исследования макроскопических закономерностей подавления реакции термического разложения типичных (листья березы, хвоя ели) лесных горючих материалов парокапельным водяным потоком (размеры капель изменялись в диапазоне 0,160 < ЯА < 0,175 мм). Применены средства высокоскоростной видеорегистрации, кросскорреляционные комплексы и панорамные оптические методы «трассерной» визуализации. Рассмотрены типичные для низового лесного пожара толщины лесных горючих материалов = 0,02 - 0,06 м. Установлены характерные времена (4 = 374 - 734 с) снижения температуры лесных горючих материалов до значений, при которых активная фаза термического разложения лесного горючего материала завершается. Определены оптимальные условия тепломассопереноса и фазовых превращений на границе «парокапельный поток - лесной горючий материал», при которых времена подавления термического разложения минимальны.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: парокапельный поток, лесной горючий материал, термическое разложение, подавление химического реагирования, времена подавления.
ВВЕДЕНИЕ
Выполненные в последние годы циклы численных [1 - 10] и экспериментальных [11 - 13] исследований позволили определить влияние режимных параметров процесса (температуры, давления и скорости смещения) и толщины слоя промежуточного вещества (интермедиата) на скорость термического разложения лесных горючих материалов (ЛГМ). Также установлено влияние на характеристики пиролиза процесса прохождения тушащей жидкости через пламя и образование пленок конечной толщины и капель тушащей жидкости на поверхности термически разлагающегося лесного горючего материала [8 - 10].
В работах [6, 7] приведены результаты численного анализа комплекса взаимосвязанных процессов тепломассопереноса, химического реагирования и фазовых превращений при подавлении реакции термического разложения типичных ЛГМ следом «водяного снаряда» (большой совокупности капель распыленной воды). Представляет интерес установление экспериментальных значений (в частности, времени подавления реакции термического разложения) параметров подавления активной фазы реакции термического разложения ЛГМ для оценки адекватности моделей [6, 7] и сделанных на их основе заключений.
Целью настоящей работы является экспериментальное исследование макроскопических закономерностей подавления реакции термического разложения типичных (листья березы, хвоя ели) ЛГМ парокапельным водяным потоком.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ СТЕНД И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
При проведении экспериментальных исследований использован стенд, условная схема которого приведена на рис. 1. Основными элементами регистрирующей аппаратуры стенда являются: кросскорреляционная видеокамера 5 (формат изображения - 2048*2048 пикселей, кадровая частота - 1,5 Гц, минимальная задержка между двумя последовательными кадрами - 5 мкс), высокоскоростная видеокамера 6 (формат изображений 1024*1024 пикселей, частота кадров до 100000 в секунду), двойной импульсный твердотельный лазер 4 (с активной сферой «алюмо-иттриевый гранат» и добавками неодима, длина волны - 532 нм,
минимальная энергия в импульсе - 70 мДж, максимальная длительность импульса - 12 нс, частота повторений - 15 Гц), синхронизирующий процессор (максимальная дискретизация сигналов - 10 нс, поддержка режимов внешнего и внутреннего запуска).
1 - ПК; 2 - синхронизатор ПК, кросскорреляционной камеры и лазера; 3 - генератор лазерного излучения; 4 - двойной твердотельный импульсный лазер; 5 - кросскорреляционная камера; 6 - высокоскоростная видеокамера; 7 - световой «нож»; 8 - ёмкость с рабочей жидкостью; 9 - канал движения рабочей жидкости; 10 - распылитель; 11 - штатив; 12 - капли рабочей жидкости; 13 - канал движения охлаждающей жидкости лазера; 14 - цилиндр из жаростойкого светопрозрачного материала; 15 - термопары; 16- таймер; 17 - металлическая подложка; 18 - лесной горючий материал; 19 - нагревательная камера; 20 - вытяжная система; 21 - пульт включения/отключения вытяжной системы
Рис. 1. Схема экспериментального стенда
При проведении исследований создавалась парокапельная смесь над разлагающимся ЛГМ с заданной температурой (Тт = 300 - 450 К). Далее фиксировалось время, за которое температура нагретого образца ЛГМ снизится ниже температуры термического разложения (принималось характерное значение Та = 350 К). Эта величина характеризует время прекращения химического реагирования ЛГМ.
Для каждого образца ЛГМ цикл опытов включал две серии по десять экспериментов. В первой серии экспериментов фиксировались видеокадры с газопарокапельной смесью на входе в цилиндрический канал 14 (высота 1 м, диаметр 0,2 м), заполненный высокотемпературными газами. Во второй серии регистрировались изображения парогазовой смеси и термически разлагающегося образца ЛГМ.
Каждая серия эксперимента состояла из нескольких этапов:
- к выходу канала 9, соединенного с емкостью 8, подключался распылитель 10, настраиваемый в зависимости от необходимых параметров газопарокапельной смеси;
- распылитель 10 устанавливался на штативе 11 на 0,5 м выше верхней грани цилиндра 14 (указанное удаление обусловлено необходимостью защиты распылителя 10 от оплавления выходящими из цилиндрического канала 14 высокотемпературными газами).
- высота фотоштатива кросскорреляционной камеры 5, а также высота установки лазера 4 выбирались таким образом, чтобы оптическая ось камеры и плоскость светового «ножа» 6 лазера пересекались под углом 90 градусов (точка их пересечения находилась в регистрационной области видеокадров);
- проводилась калибровка кросскорреляционной камеры 5 (с определением масштабного коэффициента на персональном компьютере (ПК) 1, а также настройка «перетяжки» светового «ножа» 7 лазера 4;
- при использовании нагревательной печи 19 образец ЛГМ 18 нагревался до температуры начала термического разложения (T& = 350 К) - наблюдалась вспышка и последующее ее исчезновение;
- контролировалась температура продуктов сгорания и образца ЛГМ хромель-алюмелевыми термопарами 15;
- по достижении температуры ЛГМ значений Td на верхней поверхности образца ЛГМ нагревательная печь 19 отключалась;
- запускался процесс распыления воды в пламенную зону горения (рис. 1). Размеры капель воды изменялись в диапазоне 0,160 < Rd < 0,175 мм в соответствии с рекомендациями [14, 15]. Это позволяло обеспечивать в основном газофазный механизм подавления реакции термического разложения ЛГМ, так как практически все капли испарялись, и над поверхностью ЛГМ формировалась парогазовая смесь;
- одновременно с процессом распыления на ПК 1 запускалось специализированное программное обеспечение (реализующее оптические методы диагностики «Particle Image Velocimetry» (PIV) и «Interferometric Particle Imaging» (IPI)) и проводилась процедура регистрации видеограмм с газопарокапельной смесью;
- контролировалась температура (Tm) газопарокапельной смеси над разлагающимся ЛГМ хромель-копелевой термопарой 15 с целью поддержания ее значений в интервале 300450 К [16,17];
- при помощи таймера 16 регистрировался интервал времени, в течение которого температура на нижней поверхности образца ЛГМ становилась меньше принятой (соответствующей началу активной фазы термического разложения) температуры (rd = 350 К).
Серии экспериментов проводились за короткие интервалы времени с целью минимизации расхождений условий проведения опытов, а также обеспечения постоянства начальных параметров парокапельной и газовой сред. В качестве образцов ЛГМ выбраны листья березы и хвоя ели.
Использовалась вода со специальными включениями - «трассерами», представляющими примесь (0,5 % по массе) нанопорошка диоксида титана. Последние вводились для повышения контрастности видеограмм, получаемых кросскорреляционной камерой. Частицы TiO2 выбраны в качестве «трассеров», так как не растворяются в воде [15]. Начальная температура распыляемой воды принималась постоянной (Tw = const) и составляла около 300 К.
По результатам обработки видеокадров с применением метода цифровой трассерной визуализации PIV [18 - 21] строились «двухкомпонентные» поля скорости «трассеров» и определялись скорости движения отдельных капель. Измерение мгновенного поля скорости в заданном сечении основано на регистрации перемещения «трассеров», находящихся в плоскости сечения, за фиксированный интервал времени [19]. Размеры, плотность и массовая концентрация «трассирующих» частиц TiO2 подбирались таким образом, чтобы эффекты, связанные с плавучестью частиц и другими факторами, были минимальны [22]. Установлено, что примесей TiO2 с концентрацией 0,5 % в воде достаточно для видеорегистрации капель жидкости в проводимых опытах.
Измерительной областью видеокадров кросскорреляционной камеры считалась плоскость «светового ножа» лазера (рис. 1). «Трассирующие» частицы в измерительной плоскости потока многократно освещались. Образы частиц регистрировались на цифровую
видеокамеру. Последующая обработка изображений позволяла рассчитать смещения частиц за время между вспышками источника света и построить «двухкомпонентные» поля скорости «трассеров» [19]. Эти процедуры основаны на итерационном кросскорреляционном алгоритме, представляющем метод быстрого преобразования Фурье с добавлением условий выполнения «корреляционной теоремы» [23].
Размеры капель в регистрационных областях видеограмм определялись с использованием оптического метода 1Р1 [21]. Капли в регистрационной области многократно освещались «ножом» 7. Наблюдалась интерференция между отраженным и преломленным каплями светом. Выполнялась процедура видеофиксации изображений с использованием кросскорреляционной камеры. По числу наблюдаемых на видеограммах интерференционных полос определялись размеры капель в потоке газов [21].
При обработке видеограмм рассчитывался масштабный коэффициент Б, который для исследуемых рабочих областей (на входе и выходе канала 14) составил 0,043 мм/пикс. При обработке каждая видеограмма разбивалась на регистрационные области 32*32 пикс. Для каждой области рассчитывалась корреляционная функция. Максимум корреляционной функции соответствовал наиболее вероятному сдвигу частиц в регистрационной области [21]. Согласно основным положениям [21] считалось, что скорость потока в элементарной области неизменна и у всех частиц одинаковые перемещения (т.е. у корреляционной функции существует один наиболее ярко выделенный максимум на фоне возможных шумов).
Начальная температура воды Т№ и температура на поверхности образца ЛГМ Та измерялась хромель-копелевыми термопарами. Использовалась методика термопарных измерений [24]. Систематические погрешности измерения температуры Та и Т№ не превысили 2,5 % [24], размеров капель - 1,5 % [25], скоростей «трассеров» - 2 % [21].
Для проверки адекватности подхода [26] к численному моделированию исследуемых процессов выполнены теоретические и экспериментальные исследования в максимально приближенных условиях.
МОДЕЛЬ ТЕПЛОМАССОПЕРЕНОСА
Принятая постановка задачи аналогична [26]. Рассматривалась система «ЛГМ - смесь продуктов сгорания и водяных паров» (рис. 2). Предполагалось [26], что водяной поток полностью испарился при движении через пламя, и над поверхностью ЛГМ сформировалась смесь водяных паров и продуктов сгорания с некоторой температурой (в проведенных экспериментах установлено, что это допущение вполне обоснованно при распылении воды с размерами капель не более нескольких сотен микрометров). В качестве ЛГМ выбраны листья березы и хвоя ели.
1 - смесь продуктов сгорания и водяных паров, 2 - приповерхностный слой ЛГМ [26] Рис. 2. Схема области решения задачи при 0 < £ < 4
Численное моделирование выполнено при допущении [26], что парогазовая смесь состоит из водяных паров (90 %) и продуктов сгорания (10 %). При моделировании процессов теплопереноса в газовой фазе не учитывались возможные реакции окисления продуктов пиролиза ЛГМ.
В начальный момент времени [26] в приповерхностном слое ЛГМ задавалось типичное распределение температуры, соответствующее процессу термического разложения в условиях реального пожара. При контакте ЛГМ с внешней газовой средой (с относительно низкой температурой Тт) происходит интенсивный теплоотвод из зоны пиролиза.
Нестационарные дифференциальные уравнения теплопереноса в частных производных для системы «ЛГМ - смесь продуктов сгорания и водяных паров» (рис. 2) в соответствии с основными положениями [27, 28] при 0 < I < td имеют следующий вид:
эt
= а,
э 2т1
+
э 2т1
эх Эу
р2с2
эТ.
эt
= 1,
э 2т
+
э 2т
эх эу2
при 0<х<Ь, у1<у<Н;
+ Q2W2 при 0<х<Ь, 0<у<у1,
d ф а e
^ = (1 ^к^-^)
(1)
(2)
(3)
dt У- ч-^"2 ят2 где t - время, с; T - температура, К; a - температуропроводность, м2/с (а = Х/Ср)); Х - теплопроводность, Вт/(м-К); C - теплоемкость, Дж/(кг-К); р - плотность, кг/м ; х, у - координаты декартовой системы, м; H, Ь - размеры области решения, м; Q2 - теплота реакции термического разложения, Дж/кг; W2 - скорость химического реагирования, кг/(м-с); к2 - предэкспонент, с- ; Е2 - энергия активации, кДж/моль; ф2 - доля вещества, способного к химическому реагированию; Я - универсальная газовая постоянная, Дж/(моль-К); индексы: 1 - парогазовая смесь, 2 - ЛГМ.
Для вычисления скорости термического разложения ЛГМ использовалось выражение
[27]:
Е
Щ = Ф2Р2к2 ехР(-ягГ)
(4)
Начальные (t = 0) условия (рис. 2): ф2 = ф0, Т2 = Т0(х, у) при 0<х<Ь, 0<у<у1; Т1 = Тт при 0<х<Ь, у1<у<Н, где ф0 - начальная доля термически разлагающегося компонента; Т0(х, у) - начальная температура ЛГМ (принималась согласно [26]), К; Тт - начальная температура парогазовой смеси, К.
где
Граничные условия при (рис. 2):
х=0, х=Ь, 0<у<у1
х=0, х=Ь, у1<у<Н
у=0, 0<х<Ь у=Н, 0<х<Ь
у=у1, 0<х<Ь
у=у1 Е
W2E = | ф2р2к20ехр(-^^у.
ЭЛ
Эх
эл
эх
Эл
Эу
= 0;
= 0;
= 0;
-1
Т=Тт'
эТ х * эТ 2 - ^2W2s=-1l-1,
эу
эу
(5)
(6)
(7)
(8)
(9)
Т2=Т1,
у=0
ЯТ
Для решения системы нестационарных нелинейных дифференциальных уравнений (1) - (9) применен метод конечных разностей [29]. Разностные аналоги дифференциальных уравнений решены локально-одномерным методом [29]. Для решения нелинейных уравнений применен метод простых итераций [30]. Одномерные разностные уравнения решены методом прогонки с использованием неявной четырехточечной разностной схемы [29].
Для оценки достоверности полученных результатов численных исследований выполнялась проверка консервативности используемых разностных схем (алгоритм аналогичен приведенному в [31]).
ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ ДЛЯ ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ
Численные исследования выполнены при следующих типичных значениях параметров процесса [32 - 36]: начальная температура приповерхностного слоя ЛГМ Т0(х, у) принималась аналогично [26]; температура парогазовой смеси варьировалась в диапазоне Тт = 280 - 400 К [26]; температура начала термического разложения ЛГМ Та = 350 К; параметры химической реакции к20 = 3,63-104 с-1, Е2 = 78,114 кДж/моль, Q2 = 103 Дж/кг, ф0 = 1. Толщина приповерхностного слоя ЛГМ варьировалась в диапазоне Ь = 0,02 - 0,06 м. Размеры области решения изменялись в зависимости от значений Ь в диапазонах Н = 0,04 - 0,12 м, Ь = 0,04 - 0,12 м. Теплофизические характеристики взаимодействующих веществ принимались следующими [29 - 33]: ЛГМ (листья березы) - Х2 = 0,125 Вт/(м-К), С2 = 1719 Дж/(кг-К), р2 = 614 кг/м3, (хвоя ели) - Х2 = 0,110 Вт/(м-К), С2 = 2300 Дж/(кг-к),
33
р2 = 740 кг/м ; парогазовая смесь - = 0,026 Вт/(м-К), С1 = 1190 Дж/(кг-К), р1 = 1,161 кг/м . РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
При проведении серии экспериментов в соответствии с описанной методикой регистрировались видеоизображения распыленной воды на входе в канал 14. На рис. 3 приведена видеограмма потока распыленной жидкости 12.
При численном моделировании значение температуры парогазовой среды (Тт) варьировалось в диапазоне от 280 до 400 К. При проведении серии экспериментов значение (Тт) контролировалось хромель-копелевой термопарой 15 и составляло около 300 К. Численно и экспериментально установлено, что при температуре парогазовой смеси Тт ~ 300 К над образцом ЛГМ (листьев березы) в течение времени, не превышающего 374 с, реакция термического разложения прекращается (рис. 4, а). Для ЛГМ (хвоя ели) времена прекращения реакции термического разложения составили не более 734 с (рис. 4, б). Кроме того, варьирование температуры парогазовой среды над образцом ЛГМ в рассматриваемом диапазоне при численном моделировании показало, что существенных изменений (до 8 с для листьев березы и 15,5 с для хвои ели) во времени подавления реакции термического разложения не наблюдается при изменении температуры на 120 К (табл.).
На рис. 4 приведены результаты численного моделирования времени подавления реакции термического разложения td и экспериментальная аппроксимационная кривая с использованием метода наименьших квадратов. Отклонения экспериментальных значений td (по аппроксимационной кривой) не превышают 40 % для толщин ЛГМ (листьев березы) более 0,04 м. При этом с ростом толщины ЛГМ (листьев березы) эти отклонения уменьшаются до 1,6 % (при Тт = 300 К). Для образцов ЛГМ (хвои ели) отклонения составили около 61 %. Значительное отклонение экспериментальных данных от теоретических для ЛГМ хвои ели обусловлены в большей степени тем, что образцы материала были подготовлены из ели с «естественной» влажностью.
Рис. 3. Видеограмма потока распыленной жидкости на входе в канал с продуктами термического разложения
Таблица
Характерные времена подавления реакции термического разложения ЛГМ при толщине
приповерхностного слоя = 0,04 м
ЛГМ Температура Тт, К
280 300 320 350 400
листья березы 168,14 169,25 170,45 172,33 175,56
хвоя ели 365,67 368 370,38 374,35 381,21
450 400 -350 -300 -250 200 -150 = 100 -50 -
0
/<Ь С
1
.Л
-1-1-1-1-1—
0.02 0,025 0.03 0,035 0.04 0,045
2
и, м
—I-1-1
0,05 0,055 0,06
1 - экспериментальные данные; 2 - результаты численного моделирования
Рис. 4. Характерные времена подавления реакции термического разложения ЛГМ:
а) - листья березы; б) - хвоя ели
Установлено (рис. 4) удовлетворительное соответствие результатов выполненных численных и экспериментальных исследований. Выявленную особенность можно объяснить тем, что при моделировании в качестве значений теплофизических параметров (X = const, C = const, р = const) использовались константы [37]. Для приближения теоретических моделей к реальным приложениям целесообразно [37] учитывать зависимость X, C и р от влагосодержания и температуры. В работе [37] показано, что эта особенность важна, так как, например, увеличение влажности материала на 15 - 20 % (характерно для «воздушно-сухого» состояния) приводит к увеличению теплопроводности материалов.
Так, например, при проведении серии экспериментов для образцов ЛГМ хвои ели наблюдался монотонный рост температуры во фронте реакции (верхней границе слоя ЛГМ). Далее при достижении максимального значения температура на верхней поверхности образца начинала снижаться. Так как в «спутном» потоке воздуха газообразные продукты реакции могут дореагировать в рыхлом слое [38] за фронтом реакции, наблюдалось повышение температуры на нижней поверхности слоя образца ЛГМ (хвои ели) (в то время как на верхней поверхности температура снижалась). В серии опытов с образцами ЛГМ (хвоя ели) фиксировалось время снижения температуры ниже температуры реакции термического разложения по показаниям всех используемых термопар. В то время как значение температуры на нижней поверхности образца ЛГМ определяется, главным образом, скоростью теплоотдачи от слоя ЛГМ в подложку [38].
Также на отклонение результатов экспериментальных данных от численных может влиять теплопроводность подложки [38, 39], которая не принималась в рассмотрение при численном моделировании. При проведении экспериментов рассматривалась «полуоткрытая» система [34, 38] (плоский слой на инертной подложке, вторая сторона граничит с газом).
При удовлетворительном отклонении теории и эксперимента можно использовать разработанную модель теплопереноса (1) - (9) для прогнозирования условий подавления реакции термического разложения лесных горючих материалов при разных значениях температуры парогазовой среды Tm. Примененный в данной работе подход при построении модели позволяет проводить такие оценки для многих типичных ЛГМ (в частности, листьев березы и хвои ели).
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В результате выполненного цикла численных и экспериментальных исследований установлены характерные времена подавления реакции термического разложения лесных горючих материалов. Выявлено, что для рассмотренного диапазона толщин лесных горючих материалов (листьев березы) времена не превышают 374 с, для образцов материала (хвои ели) времена подавления реакции составили не более 734 с. В реальной практике толщины прореагирующих слоев ЛГМ могут быть больше рассмотренного диапазона. Следовательно, времена подавления реакции термического разложения возрастут.
Также проиллюстрировано удовлетворительное соответствие результатов выполненных численных и экспериментальных исследований (обоснованы использованные допущения и подтверждена адекватность разработанной физико-математической модели). Отклонения экспериментальных и численных значений td не превышают 40 % (для листьев березы) и 61 % (для хвои ели) при варьировании толщины ЛГМ в достаточно широком диапазоне. Определены факторы, главным образом влияющие на это соответствие.
Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда (проект 14-39-00003).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Moghtaderi B., Novozhilov V., Fletcher D., Kent J.H. An Integral Model for the Transient Pyrolysis of Solid Materials // Fire and Materials. 1997. V. 21. P. 7-16.
2. Валеев И. А. Математическое моделирование процесса пиролиза древесины при регулировании давления среды // Деревообрабатывающая промышленность. 2012. № 3. С. 41-46.
3. Макаров А.А., Грачев А.Н., Сафин Р.Г., Шаймуллин А.Т. Математическая модель термического разложения древесины в абляционном режиме // Вестник Казанского технологического университета. 2011. № 8. С. 68-72.
4. Грачев А.Н., Макаров А.А., Сафин Р.Г. Результаты математического моделирования термического разложения древесины в абляционном режиме // Вестник Казанского технологического университета, 2011, № 14. С. 90-93.
5. Герасимов М.К., Грачев А.Н., Петров В.И., Макаров А.А. Математическое моделирование процесса термической переработки древесины в абляционном режиме // Вестник Казанского технологического университета. 2012. Т. 15, №4, С. 50-51.
6. Жданова А.О., Кузнецов Г.В., Стрижак П.А. Влияние температуры в следе «водяного снаряда» на условия термического разложения типичного лесного горючего материала // Проблемы безопасности и чрезвычайных ситуаций. 2014. № 1. С. 48-55.
7. Жданова А.О., Кузнецов Г.В., Стрижак П.А. Подавление реакции термического разложения лесного горючего материала следом «водяного снаряда» // Химическая физика и мезоскопия. 2014. Т. 16, № 2. С. 215-225.
8. Жданова А.О., Кузнецов Г.В., Стрижак П. А. Численное исследование физико-химических процессов при испарении воды в порах приповерхностного слоя лесного горючего материала // Инженерно-физический журнал. 2014. Т. 87, № 4. P. 751-758.
9. Жданова А.О., Кузнецов Г.В., Стрижак П.А. Численное исследование испарения пленки воды на поверхности лесного горючего материала // Пожаровзрывобезопасность. 2014. Т. 23, № 6. С. 18-25.
10. Жданова А.О., Кузнецов Г.В., Стрижак П. А. Численное исследование процессов тепломассопереноса при подавлении реакции термического разложения лесного горючего материала группой капель воды // Пожаровзрывобезопасность. 2014. Т. 23, № 7. С. 6-14.
11. Серков Б.Б., Асеева Р.М., Сивенков А.Б. Физико-химические основы горения и пожарная опасность древесины (часть 2) // Технологии техносферной безопасности. 2012. № 1(41). С. 1.
12. Wu W., Yang L., Gong J., Qie J., Wang Y., He C. Experimental study of the effect of spark power on piloted ignition of wood at different altitudes // Journal of Fire Sciences. 2011. V. 29, № 5. P. 465-475.
13. McAllister S. Critical mass flux for flaming ignition of wet wood // Fire Safety Journal. 2013. V. 61. P. 200-206.
14. Волков Р.С., Кузнецов Г.В., Стрижак П.А. Экспериментальное исследование полноты испарения распыленной воды при ее движении через пламя // Пожаровзрывобезопасность. 2013. № 10. С. 15-24.
15. Волков Р.С., Кузнецов Г.В., Стрижак П. А. Экспериментальное исследование особенностей движения капель распыленной тушащей жидкости на входе в зону пламени // Пожаровзрывобезопасность. 2013. № 12. С. 16-22.
16. Strizhak P.A. Influence of droplet distribution in a «water slug» on the temperature and concentration of combustion products in its wake // Journal of Engineering Physics and Thermophysics. 2013. V. 86, № 4. P. 895-904.
17. Высокоморная О.В., Марков А.О., Назаров М.Н., Стрижак П.А., Янов С.Р. Численное исследование влияния условий распыления воды на температуру в следе «водяного снаряда» // Известия Томского политехнического университета. 2013. Т. 322, № 4. С. 24-31.
18. Raffel M., Willert C., Kompenhans J. Particle image velocimetry. Berlin : Springer Verlag, 1998. 253 p.
19. Keane R.D., Adrian R.J. Theory of cross-correlation analysis of PIV images // Applied Scientific Research. 1992. V. 49. P. 191-215.
20. Westerweel J. Fundamentals of digital particle image velocimetry // Measurement Science and Technology. 1997. V. 8. P. 1379-1392.
21. Foucaut J.M., Stanislas M. Some considerations on the accuracy and frequency response of some derivative filters applied to particle image velocimetry vector fields // Measurement Science and Technology. 2002. V. 13. P. 1058-1071.
22. Ильин А.П., Назаренко О.Б., Коршунов А.В., Роот Л.О. Особенности физико-химических свойств нанопорошков и наноматериалов. Томск : Изд-во ТПУ, 2012. 196 с.
23. Полежаев Ю.В., Юрьевич Ф.Б. Тепловая защита. М. : Энергия, 1976. 391 с.
24. Шенк Х. Теория инженерного эксперимента. М. : Мир, 1972. 381 с.
25. Зайдель А.Н. Элементарные оценки ошибок измерений. Академия Наук СССР. Ленинград : Наука, 1968. 96 с.
26. Жданова А.О., Кузнецов Г.В., Стрижак П.А. Влияние температуры в следе «водяного снаряда» на условия термического разложения типичного лесного горючего материала // Проблемы безопасности и чрезвычайных ситуаций. 2014. № 1. С. 48-55.
27. Франк-Каменецкий Д. А. Диффузия и теплопередача в химической кинетике. М. : Наука, 1987. 490 с.
28. Пасконов В.М., Полежаев В.И., Чудов Л.А. Численное моделирование процессов тепло- и массообмена. М. : Наука, 1984. 277 с.
29. Самарский А. А. Теория разностных схем. М. : Наука, 1983. 616 с.
30. Коздоба Л. А. Методы решения нелинейных задач теплопроводности. М. : Наука, 1975. 227 с.
31. Kuznetsov G.V., Strizhak P.A. Transient heat and mass transfer at the ignition of vapor and gas mixture by a moving hot particle // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2010. V. 53, Is. 5-6. P. 923-930.
32. Щетинский Е.А. Тушение лесных пожаров. М. : ВНИИЛМ, 2002. 104 с.
33. Кузнецов Г.В., Барановский Н.В. Прогноз возникновения лесных пожаров и их экологических последствий. Новосибирск : Изд-во СО РАН, 2009. 301 с.
34. Корольченко А.Я., Корольченко Д.А. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов и средства их тушения: справочник. М. : Пожнаука, 2004. Ч. 1. 713 с.
35. Варгафтик Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. М. : ООО «Старс», 2006. 720 с.
36. Теплотехнический справочник / под ред. В.Н. Юренева, П. Д. Лебедева. М. : Энергия, 1975. Т. 1. 743 с.
37. Гришин А.М. Математическое моделирование лесных пожаров. Томск : Изд-во Томского университета, 1981. 277 с.
38. Бахман Н.Н., Кузнецов Г.П., Пучков В.М. Влияние направления и скорости потока воздуха на характеристики волн тления в пористых слоях горючего // Физика горения и взрыва. 2002. Т. 38, № 5. С. 33-40.
39. Бахман Н.Н. Закономерности распространения волны тления. I. Критические условия тления // Физика горения и взрыва. 1993. №1. С. 16-20.
SUPPRESSION OF COMBUSTIBLE WOOD THERMAL DECOMPOSITION REACTION BY VAPOR-DROPLET WATER FLOW
Zhdanova A.O., Kuznetsov G.V., Strizhak P.A.
National Research Tomsk Polytechnic University, Russia, Tomsk
SUMMARY. The experimental investigation results of macroscopic regularities of thermal decomposition reaction suppression by the vapor-droplet water flow (the drop sizes were varied in the range 0.160 < Rd < 0.175 mm) for the typical (birch leaves, spruce needles) combustible woods are presented. The high speed video recording equipment, cross-correlation systems and particle image velocimetry methods were used. The typical of ground forest fire combustible woods thicknesses Lf=0.02-0.06 m were considered. The characteristic times (td=374-734 s) of combustible woods temperature reduction to the values when the active phase of combustible wood thermal decomposition is completed were determine. The optimal conditions of heat and mass transfer and phase transformations at the boundary "vapor-droplet flow - combustible wood" under which the times of suppression reaction are minimal were determined.
KEYWORDS: vapor-droplet flow, combustible wood, thermal decomposition, suppression of chemical reaction, time of suppression reaction.
Жданова Алёна Олеговна, аспирант НИ ТПУ, ЭИ, тел. 8(3822)701-777, доп. 1957, е-mail: zhdanovaao@tpu. т
Кузнецов Гений Владимирович, доктор физико-математических наук, профессор, заведующий кафедрой теоретической и промышленной теплотехники НИ ТПУ, ЭИ, тел. 8(3822)563-613, е-mail: elf@tpu.ru
Стрижак Павел Александрович, доктор физико-математических наук, профессор кафедры автоматизации теплоэнергетических процессов НИ ТПУ, ЭИ, тел. 8(3822)701-777, доп. 1910, е-mail: pavelspa@tpu.т
