Применение импульсной аэрозольной системы пожаротушения для борьбы с пожарами в угольных шахтах Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

Вычислительные технологии

Том 15, № 3, 2010

Применение импульсной аэрозольной системы пожаротушения для борьбы с пожарами в угольных шахтах*

А. Д. Рычков, Ю.И. Шокин Институт вычислительных технологий СО РАН, Новосибирск, Россия Новосибирский государственный университет, Россия e-mail: [email protected]

X. Милошевич Косовский университет, Косовска Митровица, Сербия e-mail: mhrane@yahoo. com

Моделируется работа импульсной аэрозольной системы пожаротушения (ИАСП) при тушении пожаров, возникающих при возгорании воздушно-метановой смеси в штреках и забоях угольных шахт. Вычислительный эксперимент показал, что система ИАСП способна обеспечить отсечку ударной волны, распространяющейся по штреку угольной шахты, заполненному горючей воздушно-метановой смесью, подавить процессы горения в ней и защитить людей и оборудование, находящееся в штреке, от воздействия ударной волны.

Ключевые слова: математическое моделирование, двухфазные течения, тепло-массобмен.

Введение

Проблема эффективной борьбы е пожарами, возникающими в угольных шахтах из-за воспламенения воздушно-метановой смеси, — чрезвычайно актуальна. Анализ динамики возникновения таких пожаров и их развития показывает, что наиболее успешна борьба с ними на начальной стадии воспламенения смеси. Поэтому вопросам разработки и создания эффективных средств пожаротушения постоянной готовности, позволяющим за короткое время сгенерировать и доставить к фронту горения, движущемуся со значительной скоростью, достаточно большую массу пламегасящего вещества (ПГВ), уделяется большое внимание. Чаще всего для этих целей применяются системы порошкового пожаротушения на основе различного рода пламегасителей, в качестве которых используются фосфорорганнческие, металлоорганичеекие, а также некоторые галоген-содержащне соединения. В зоне пламени данные пламегасящие вещества разлагаются с образованием газообразных активных соединений, которые вступают в химические реакции с радикалами, ответственными за горение и распространение пламени, переводя

* Работа выполнена при финансовой поддержке междисциплинарного интеграционного проекта фундаментальных исследований СО РАН № 26 и программы фундаментальных исследований Президиума СО РАН № 1.4.

© ИВТ СО РАН, 2010.

их в неактивные частицы. При этом цепные разветвленные реакции горения обрываются, в результате чего происходит гашение пламени. Эффективность тушения очагов горения при таком способе определяется главным образом концентрацией порошка пламегасителя в зоне горения [1]. Заметим, что в соответствии с описанным выше механизмом гашения пламени большую роль в повышении эффективности пожаротушения играет величина суммарной площади поверхности всех частиц пламегасителя, в связи с чем доставка их в зону горения в виде аэрозольного облака мелкодисперсных частиц является наиболее предпочтительной. Однако получение аэрозолей с размерами частиц порядка десяти микрон в существующих импульсных системах порошкового пожаротушения не представляется возможным. Такие системы обычно представляют собой газогенераторы, использующие унитарные аэрозоль-генерирующие твердотопливные составы, в продуктах сгорания которых содержатся мелкодисперсные частицы пламегасителя достаточно высокой концентрации, способные эффективно подавлять очаги возгорания за относительно короткое время [2]. Однако основными недостатками этих систем являются существенные технологические трудности, связанные с приготовлением твердотопливных составов, обладающих необходимыми свойствами, и относительно малая газопроизводительность, что делает невозможным их применение для тушения пожаров в штреках угольных шахт,

В данной работе для этих целей предлагается использовать импульсную аэрозольную систему пожаротушения (ИАСП), концепция которой изложена в работах [1, 3-5], Система состоит из нескольких устройств раздельного снаряжения направленного действия, каждый из которых представляет собой полузамкнутый сосуд с прочным корпусом (рис, 1 ,о). Рядом с глухой стенкой устройства расположены заряд унитарного твердого топлива (газогенератор) и контейнер с мелкодисперсным порошком ПГВ,

При горении заряда газогенератора низкотемпературные газообразные продукты горения, не содержащие окислитель, под большим давлением в течение нескольких миллисекунд выбрасывают всю массу ПГВ в виде аэрозольного облака высокой концентрации, При истечении продуктов сгорания формируется также баллистическая волна, которая взаимодействует с фронтом движущейся ударной волны, препятствуя его дальнейшему распространению, а инертные продукты сгорания газогенератора уменьшают концентрацию воздуха и метана до уровня, препятствующего воспламенению смеси. Частицы ПГВ, доставляемые в зону горения, при своем испарении поглощают тепло, тем самым снижая температуру среды в зоне облака частиц, а их пары активно подавляют разветвленные цепные реакции, что приводит к подавлению процесса горения. Сочетание всех перечисленных факторов (действие баллистической волны, охлаждение газа в зоне облака частиц, вытеснение из этой зоны кислорода воздуха и метана, наличие паров пламегасителя), а также подбор необходимого соотношения масс заряда газогенератора и пламегасителя позволяют тушить различные типы пожаров, в том числе и в угольных шахтах, В этом случае ИАСП может быть охранной системой постоянной готовности и размещаться в стенках штрека, не препятствуя проведению горно-добывающих работ (рис, 1,6, в). Срабатывание системы происходит по сигналу от датчиков, располагаемых в возможных местах возгорания воздушно-метановой смеси, которые реагируют на резкое повышение давления и (или) температуры, а также способны определять направление и скорость движения фронта горения. Места установки датчиков, количество устройств направленного действия в ИАСП, времена их срабатывания, массы ПГВ и зарядов твердого топлива газогенераторов, а также направление выброса частиц ПГВ можно подобрать таким образом, чтобы создаваемые

/ / / /

Датчик

Газогенератор температуры

Пламегаситель

ИАСП Сектор

ПГВ

Заряд ТТ - газогенератора Пламегаситель

Рис. 1. Импульсная аэрозольная система пожаротушения: а — схема устройства ИАСП направленного действия, б — схема расположения ИАСП в штреке, в — схема размещения ИАСП в поперечном сечении штрека

ИАСП баллистическая волна и аэрозольное облако частиц ПГВ противодействовали распространению фронта ударной волны и активно подавляли процесс горения.

1. Описание модели и основные уравнения

При работе твердотопливного газогенератора его газообразные продукты сгорания создают давление в несколько десятков атмосфер и их истечение в окружающую среду происходит в турбулентном режиме. Поэтому в качестве модели движения несущего газа использовалась осредненная по Фавру система уравнений Навье — Стокса, замыкаемая q — ^-моделью турбулентности [6]. Описание движения полидисперсной твердой фазы проводилось в рамках стохастического подхода [7], учитывающего влияние турбулентной природы поля течения несущего газа на движение частиц. При построении математической модели принимались следующие допущения:

— система совокупности устройств ИАСП (см. рис. 1, в), воздействующих на фронт горения воздушно-метановой смеси, заменялась тором прямоугольного сечения, что позволило вместо пространственного течения в штреке рассматривать осесимметричное течение без существенного искажения сути протекающих процессов;

— горение смеси метана с воздухом описывалось одной брутто-реакцией

СН4 + 202 = С О2 + 2Н 2О; (1)

— несущий газ представлял собой химически реагирующую многокомпонентную смесь, состоящую из метана, углекислого газа, паров воды, воздуха, химически инертных продуктов сгорания газогенератора, не содержащих окислителя, и продуктов разложения твердых частиц ПГВ;

— течение является турбулентным, двухфазным, оеееимметричным и нестационарным;

— частицы ПГВ полагаются полидисперсными, имеют сферическую форму и состоят из N фракций, внутри каждой из которых частицы имеют одинаковый размер. Столкновениями между частицами на данном этапе моделирования пренебрегалось;

— распределение температуры по объему частицы считается однородным. При достижении ею заданной величины Тисп происходит разложение ПГВ с образованием паров, причем линейная скорость такого разложения rp предполагается постоянной;

— газоприход от гранул твердого топлива и от частиц ПГВ при их разложении моделировался источниковыми членами в уравнениях сохранения массы и энергии.

Скорость брупо-реакции горения метана определялась выражением, типичным для бимолекулярных реакций [8]:

W = p2YQ2Yen4Ко exp(-E/(R • T)), (2)

где p, T — плотность и температура газовой смеси; Yq2, Yqн4 — массовые концентрации

Ко, E, R

уса, энергия активации и газовая постоянная. Влияние паров ПГВ на процесс горения

Ко

заменой его на множитель КО, вычисляемый по формуле, предложенной профессором О.П. Коробейничевым с сотрудниками (частное сообщение):

К* ={ Ко(1 - 7.071 YjJ/в)2, если YnrB < 0.02,

0 \ 0, если YnrB > 0.02,

Y

Система уравнений, описывающая такое течение в цилиндрической системе координат (x,r), имеет следующий вид:

д р д 1 д ^ *

it + &W + rlir(rpv) = -^^f'" "" (4)

i= 1

dpY д 1 д

-^— + —(puY + qx) + -—r(pv Y + qr) = S, (5)

dt дх r or

дри д 2 1 d ^^ dui ,

~dT + ^pU +P + T^ + ~]frr(Puv + T*r) = ~2^пг<тг— >, (6)

i= 1

dpv д 1 d 2 p ^^ dvi ,

-77Г + + тгх) + ~—r{pv +p + Trr) =--> щ < mi— >, (7)

dt дх r Ог r ^ dt

i=1

дрЕ д . TT .1 д . TT .

+ ^—{puh + UTXX + VTxr + fx) H— — r{pvn + UTxr + VTrr + ifr) =

^ . 1 О I ^ ' xx I X! ' ТХ/ I i-1

dt дх r dr

N

= П

i=1

dui dvi _ . . ,

и < mi—— > + v < mi—— > + < 7гагЛ • iVM (i — _/> — dt dt

- < - то > dt

+ QgenMgen + WQp, (8)

dpq д 1 д

~дГ + ^РЩ + Tx'q) + ~гЪ~гГ^РЩ + ^ = Sq' ^

дрш д 1 д

~~дГ + ~дх Ш + Тх + г 5гГ' Ш + Т =

7 7

P = pTRoY^T7, 5>=1> (П)

г = 1 г = 1

Y — {Усн4, Yo2, yH2о, Yco2, Yпгв, Yш, yN2}

T

N

T

i mc н4 mch4 mch4 "=1 dt

T 7

H — j CpdT, Cp — YkCp,k, Sq — Cql(CilS/u2 - 2D /(3ш) - 1)pwq,

To k=1

.2 гу n /, Л ГУ 1 „, .2 .. _ ГУ__2

Sw — [Cwi(CMS/w - C^D/ш) - СШ2]рш , ßt — Cßpq /ш,

1 дтп ду \ дТ дТ

--ö--Ь 7Г~ , Фх — Фг —

т дт дх дх дт

дп 1 дту

ße = ß + ßt, Ле = Л + Лt, Лt = ßtCp /Ргt , D = ——| -—,

дх т дт

а Sc*) дх ' Чг V а Sc*) дг '

где Y — вектор массовых концентраций компонентов смеси; Ум ~ массовая концентрация инертных продуктов сгорания газогенератора; q = \fk} ш = e/k — "турбулентные" переменные, связанные с кинетической энергией турбулентности k и со скоростью ее диссипации е; E — CvТ + (u2 + v2)/2 — полная удельная эпергия; H — E + p/p — удельная энтальпия смеси; ß и ßt — молекулярная и турбулентная вязкости; p,T — статические давление и температура; Ro _ газовая постоянная; Mgen и Qgen _ источники массы и энергии, моделирующие приход высокотемпературных продуктов сгорания от газогенератора; Qp, W — удельная теплота горения метана и скорость протекания обобщенной брутто-реакции его горения (2); тг, di — масса и диаметр частиц i-й фракции. Члены в угловых скобках означают осреднение по объему ячейки разностной сетки. Константы, входящие в описание модели турбулентности, имеют следующие значения:

CM1 — 0.55, Cu2 — 0.833, Cu3 — 0.666, Cß — 0.09, Cq1 — 0.5. i

dmi ,2 Z \

— = -ppd^Tp, (12)

^ Ro .

(u + u! - пг), (13)

duj _ 3 ßCDiRePi dt 4 ppd2

£\ .

(v + v' - Vi), (14)

dvi 3 ßCoMdpi

dt 4 ppd2

¿Щ = 6 А • N11 т ^^

¿Ь С г Рр

-ж =^ (16)

= ^ (17)

где С г — удельная теплоемкость частицы; хг, уг — ее координ аты; пг — концентрация частиц г-й фракции в ячейке в данный момент времени. Для коэффициентов сопротивления в уравнениях движения частиц выбиралась зависимость

24 / Ее2/3\ 3

1 Н--, если Ее™ < 1Сг

Ст={ Шрг\ 6 у (18)

0.44, если Еерг > 103,

Еерг= ^гр|У~Уг|, V' = л/2к/Зег!'с~1(Мг)У/\У\, №

где V — вектор осредненной скорости; V' = {и', у'} — случайный вектор возмущения скорости газа; N — случайное число из диапазона [-1, +1]; вг1с-1( ) — обратная функция ошибок. При интегрировании системы уравнений движения частиц вдоль каждой траектории шаг интегрирования т определяется из условия [9]

к I I

Т = тш{Тс,Те,П), тс = 0.35|^-|, Те = П = _ ,

где I = —^----масштаб турбулентности, к — характерный размер ячейки,

См = 0.09 — эмпирическая константа

Для расчета течения несущего газа применялась противопотоковая 1.Г разностная схема второго порядка точности, обладающая ТУБ-свойствами, близкая к схеме из работы [10]. Расчет движения частиц проводился с помощью А-уетойчивой разностной схемы также второго порядка точности [11]. Рассматривался участок штрека, ограниченный слева глухой стенкой и заполненный в начальный момент времени воздушно-метановой смесью заданной концентрации. Правая граница штрека полагалась открытой, Таким образом, область решения системы уравнений (1)—(10) снизу ограничивалась осью симметрии течения, сверху и слева — стенками штрека. Граничные условия для несущего газа задавались следующим образом. На оси ОХ задавались условия симметрии течения, на поверхностях ИАСП и на стенках штрека — условия прилипания, на открытой (правой) границе штрека — неотражающие граничные условия. Для системы (12)—(17) принималось, что на стенках штрека имеет место поглощение частиц ПГВ,

С целью получения большой поверхности горения в газогенераторе использовался гранулированный заряд твердого топлива, В этом случае величина маееоприхода Иёеп продуктов сгорания газогенератора в (4) определялась из решения уравнения

¿И

J^ — PgrS ■ rbgNgg,

где pgr, S, rbg — плотность материала топливной гранулы, ее текущая поверхность и скорость испарения; N^g — число гранул в единице объема заряда твердого топлива, которое остается постоянным в процессе их горения и определяется из начальных условий.

2. Некоторые результаты численного моделирования

Во всех приведенных ниже расчетах скорость испарения частиц полагалась гр = 10 мм/с, число фракций полидисперсной среды равнялось десяти, температура испарения частиц ПГВ Тисп = 400 К, теплотворность твердого топлива газогенератора (еп = 800 кДж/кг, диаметр его гранул 3 мм, линейная скорость горения гранулы гЬд = 20 мм/с, В выражении (2) значения параметров взяты из [8]: К0 = 1010, Е/Я = 18400 К, теплота сгорания метана (р = 50 МДж/кг, Высота штрека равнялась 4 м, длина штрека — 20 м. Общая масса ПГВ в ИАСП составляла 400 кг, общая масса зарядов твердого топлива в газогенераторах — 40 кг. Выброс частиц ПГВ проводился в направлении, перпендикулярном оси ОХ.

При моделировании процесса воздействия ИАСП на движущийся фронт горения полагалось, что в начальный момент времени весь штрек заполнен воздушно-метановой смесью, в которой массовая концентрация метана составляла 10 %, Смесь поджигалась у глухой (левой) стенки штрека (см, рис, 1,6), и фронт горения со скоростью ударной волны распространялся по штреку слева направо.

Изолинии Г, К

У, м

и 10

2800

2200.34

1729.11

1358.8

1067.79

839.113

659.406

518.185

407.209

337.968

320

7, м 8 6 4

Изолинии Т, К

15 13 11 9 7 5 3 1

10

3200

2302.09

1657.43

1192.83

858.463

617.823

444.639

320

15

X, м

Рис. 2. Изотермы в поле течения при Ь = 14 мс (а) и Ь = 40 мс (б)

У, м|-

Изолинии Р, МПа

Изолинии

15 13 11

Р, МПа

1.68371

1.47912

1.27453

1.06994

0.865356

0.660769

0.456181

0.251594

1м

Рис. 3. Изобары в поле течения при Ь = 14 мс (а) и Ь = 40 мс {б)

На рис, 2 для двух моментов времени показаны положения изотерм, свидетельствующие о том, что взаимодействие баллистической волны, генерируемой ИАСП, с фронтом горения приводит к образованию своеобразного газодинамического затвора, препятствующего распространению фронта горения правее места расположения ИАСП, Черными точками показаны положения частиц ПГВ, По положению изобар (рис, 3) можно судить о том, что область резкого повышения давления, возникающая при взаимодействии ударной и баллистической волн, оказывается достаточно локальной и не распространяется в сторону открытой части штрека и, следовательно, не приводит к баротравмам людей и не разрушает горно-добывающее оборудование в защищаемой части штрека.

Более подробная динамика движения фронта горения в виде кривых распределения температуры и давления вдоль оси ОХ показана на рис, 4, 5, из которых следует, что

т, к

3000 2500 2000 1500 1000 500

„Л

1 \ I 1 уу

'IV

ни « |!

I I1 2 ! 1г-

'1 \1

1 Л^ % ¡1 )

т, к

3000 2500 2000 1500 1000 500

\ \

к \

\ \ \ 1 V У

\ ^ 5 \ \ , Уг

V V 1 \ \ \ \ \

V \ \\ \ ■•^Л

-------

0 5 10 15 Дм 0 5 10 15 Дм

а б

Рис. 4. Распределение температуры вдоль оси ОХ в различные моменты времени: а, — Ь = 5 мс (1), 10 (2), 12 (3), 14 мс (4); б-Ь = 18 мс (1), 20 (2), 30 (3), 40 мс (4)

Р, МПа

8

|

1

3_ .1 1

0 5 10 15 Дм

Рис. 5. Распределение давления вдоль оси ОХ в моменты времени Ь = 5 (1), 14 (2), 40 мс (3)

в защищаемой части штрека уровень температуры остается достаточно низким, при котором не происходит воспламенение метана. Кроме того, инертные продукты сгорания газогенератора вблизи места расположения ИАСП понижают концентрацию воздушно-метановой смеси и вытесняют ее к открытой части штрека, тем самым осуществляя вентиляцию последнего.

При расчетах использовалась прямоугольная неравномерная разностная сетка, которая сгущалась в области, занимаемой ИАСП, и вблизи непроницаемых границ.

Для оценки точности полученных численных решений проводились расчеты одного из вариантов на последовательности трех вложенных разностных сеток, основная из которых имела размер 150 х 60 узлов по осям OX и OY соответственно. Проведенные расчеты показали, что значения температуры в поле течения определяются с точностью около 3%, Для получения качественных оценок основных характеристик процесса взаимодействия ИАСП с движущимся фронтом горения такая точность является вполне приемлемой.

Список литературы

[1] Баратов А.Н., Вогман Л.П. Огнетушащие порошковые составы. М.: Стройиздат, 1982. 72 с.

[2] Исавнин Н.В. Средства порошкового пожаротушения. М.: Стройиздат, 1983. 156 с.

[3] Рычков А.Д., Шокин Ю.И., Милошевич X. Исследование возможности применения твердотопливных газогенераторов для тушения пожаров на газовых скважинах // Математическое моделирование научно-технологических и экологических проблем в нефтегазодобывающей промышленности. Материалы VI Казахстанско-Российской международной научно-практ. конф. Астана: Изд-во Евразийского ун-та, 2007. С. 274-278.

[4] Рычков А.Д., Шокин Ю.И. Генератор наноразмерных аэрозолей для тушения пожаров на газовых скважинах и на разливах нефти // Вычисл. технологии. 2007. Т. 12, № 6. С. 81-89.

[5] Рычков А.Д. Импульсная система пожаротушения на основе твердотопливного газогенератора // Там же. 2008. Т. 13. Спец. выпуск 2. С. 78-86.

[61 Coakley T.J. Turbulence modeling for high speed flows // AIAA Paper, 92-0436, 1992.

[7] Crow C.T. Review-numerical models for dilute gas-particles flows // Trans. ASME J. Fluid Eng. 1982. Vol. 104. P. 297-303.

[8] Волков Э.П., Кудрявцев Н.Ю. Моделирование образования окислов азота в турбулентном диффузионном факеле // Инж.-физ. журнал. 1989. Т. 56, № 6. С. 885-894.

[9] Gosman A.D., Ioannides S.I. Aspects of computer simulation of liquid-fuelled combustors / / AIAA J. Energy. 1983. Vol. 7, No. 6. P. 482-490.

[10] Yoon S., Jameson A. An LU-SSOR scheme for the Euler and Navier-Stokes equations // AIAA Paper, 87-600, 1987.

[11] Рычков А.Д. Математическое моделирование газодинамических процессов в каналах и соплах. Новосибирск: Наука, 1988. 222 с.

Поступила в редакцию Ц апреля 2010 г.