CC BY
17
УДК 534.222.2, 614.83,614.841.47
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ ПЫЛЕВОЙ ЗАВЕСЫ В УДАРНОЙ ТРУБЕ
RESULTS OF THE DUST CURTAIN PARAMETERS RESEARCH IN THE SHOCK TUBE
А. В. Пинаев - д-р физ.-мат. наук, доцент, главный научный сотрудник ФГБУН «Институт гидродинамики им. М.А. Лаврентьева СО РАН»
П. А. Пинаев - младший научный сотрудник ФГБУН «Институт лазерной физики СО РАН»
A. V. Pinaev - Dr. of Physical and Mathematical Sciences, Associate Professor, Chief Researcher of FGBUN "M.A. Lavrentyev Institute of Hydrodynamics SB of RAS"
P. A. Pinaev - Junior Researcher FGBUN "Institute of Laser Physics SB of RAS"
Применительно к задаче создания пылевых заслонов в шахтных условиях отработана методика создания взвеси мелкодисперсной пыли в вертикальной ударной трубе при различных начальных давлениях воздуха p0 = 0.1+0.01 МПа. Для трех фракций кварцевого песка с размерами частиц б = 250+600, 120+250, 90+120 мкм измерено распределение плотности пыли по высоте и определена среднеобъемная плотность пыли.
As applied to the problem of creating a dust barriers in mine conditions worked out a technique of creating of suspended matter of fine dust in a vertical shock tube at different initial air pressure p0 = 0.1 + 0.01 MPa. For three fractions of quartz sand with particle sizes б = 250 + 600, 120 + 250, 90 + 120 microns measured height distribution dust density and volume average density of the dust is determined.
Ключевые слова: ДЕТОНАЦИЯ, ВЗРЫВНАЯ ВОЛНА, БЕЗОПАСНОСТЬ ДОБЫЧИ УГЛЯ, ПЫЛЕВАЯ ЗАВЕСА, КВАРЦЕВЫЙ ПЕСОК
Key words: DETONATION, DETONATION WAVE COAL MINING SAFETY, DUST CURTAIN, QUARTZ SAND
Введение. Одним из способов гашения ударных и детонационных волн является использование завесы из частиц инертной пыли. Ослабление детонационных и взрывных волн в пылевом облаке происходит в основном по механизму передачи тепла и кинетической энергии от газового потока к твёрдым частицам. Экспериментальному и теоретическому изучению процесса затухания газовой детонации в запылённой среде посвящены, например, работы [1-7].
К обеспечению безопасности добычи угля имеет отношение задача гашения взрывов метановоздушных смесей пылевым мелкодисперсным облаком на длине характерного диаметра угольной шахты (5-6 м) (сечение выработк, примечание редактора). Для обеспечения быстродействия и равномерного заполнения сечения шахты пылевую завесу рациональнее создавать методом беспламенного взрывного или импульсного пневматического разбрасывания пыли, находящейся в контейнере в верхней точке сечения шахты. В этом случае длина пылевой завесы окажется не меньше диаметра шахты. На первом
этапе экспериментов предполагается создание и изучение пылевой взвеси в вертикальной ударной трубе. При исследованиях влияния концентрации частиц на ослабление детонационной волны (ДВ) естественным считается переход от малых концентраций, когда объем конденсированной фазы пренебрежимо мал по сравнению с объемом газовой фазы, к большим концентрациям.
Наиболее сильное разрушающее действие в шахте может оказать детонационная волна. Особенностью детонации является наличие ударного фронта и характерного масштаба детонационной ячейки (или зоны химической реакции Ь). Экспериментальные исследования пылевой завесы на характеристики затухания можно проводить не только при увеличении количества частиц в единице объема, но и при увеличении размера зоны реакции. Во втором случае пропорционально Ьг возрастает количество частиц, ослабляющих волну. Увеличить длину зоны реакции гораздо проще, чем среднеобъёмную плотность частиц ра, учитывая, что для большинства газовых смесей Ь обратно
А. В. Пинаев avpin@ngs.ru
П. А. Пинаев pavel_academ@ mail.ru
пропорциональна вы Поэаому в панной рабе-те была использована методика исследований парампправ петевойрарабе!, кягда измынялсйв и а^чвмаааон авление пояаность взвоси.
Цнлмми яэРмпб1 аяпвютпц э^пр^паиюв методики создания пылевой взвеси в вертикально0 ццйвноЦ 6яу^^,(^г^рлмямйо^^ °аппцедеяи-нвм вооинсыти былапо ея высояеивабааены сыяд^^eoбыBцнoйпдцтнocтивзaвиоиыюцэи от дисперснолли чавтициначальногодавлечия газовой смеси.
ЭаеппржАоентальяля успынывкн и мета дпеа проЭк^г^ери^^еп-ты ойла^^еян ввертик^]^ьнаЫ цоепбоИ пааЫя дорайнZ = П18м иаипеапеом .^ове^^аайм бя 70 мм при давлении воздуха р0 = 0.1^0.01 МПа. Сверху удар но й врнбы няапдрмocьпаоpмпеоак дпя ядаРУУ— врубу,состяащие
из цилиндяией^оаъп йОпейИнбпас пябквм,кцэо-са, запирающего нижнее отверстие цилиндра, и элв ктуорагуитв. я
тр^С^^ оп°щоствляли эc^яканпcнцм ряля. йми-миыпзапусиэ кбяуевтяпивеотыя в плякеябмйг-нэаиятфываят паебосяин цийнньяэПылп из контейнера, скатываясь по конусу, попадает в тиумц,в раpaccрпныlэи 0.ц м^йяяъярня^спрп-дэляяпакпсйсняниыэрубы. Момент инициирования детонации подбирается из условия, когда
кыжыав гг^^п^е^цэ рыэ^ъ^е^ой ыавяяы дойтигнвт тыр-ца трубы. К этому времени часть трубы вверху должнй опызяться пок^^няй по ыыо^и,эвиквлйу тaмп|иeдлпъвraнтcяяcyщцвъеоивпaзгвимоиянa-ци- мцcтбоиянaвcоB скярясти.
йоййыциваниб зыкономррностяй варения столба пыли в ударной трубе. Динамику эыланвй ысвясв изучали в пямцыымфятяyмкя-житялыа ИФЭя) и cвбпцлвядяв, уцэовпэвцриых напротив оптических вводов ФЭУ. Время опо-рлжненая кянияйне-явяпредяеяли пя нсцил-лограммам с ФЭУ непосредственно на выходе вп генератора пэти. Иcпбыьзявaон щапнндои-аяскаакайяяйиыаые внесиннпм дна1яат^йом22 осы з диямелпаыи вымядпога отврэпаляб^кй О, -5.0 и -7.5 мя. Ыижя pцицпcэвры при
= 17.5 мм, максимальный объём V песка в кон-еейпеверосмигал ^йн^Исследяваны фракции ппсжъ с 8 = 20ру60у, 720=250 1У РйКШокм.
На цицанпаJпpивпданытиэичныцяPЫPЛ-лограммы опорожнения контейнеров с песком при а в^-йшм!^. рняъан свячяния
зяирэрн яэрлъанопнипыййвяй сы.Из ыян-аакио ро пыль высыпаятяе рыннымняся, йееяд-нзк выти ыонцентрации бтялба
пыли от времени всегда более крутой, чем за-оакн, иыавслвсуужя оавыхядыиз конаайнера из-за сопротивления воздуха мелкие частицы падают медленнее крупных. По этой причине
; а
, ,,, .... м , ,,,,
ы
1 б
,. .... .... ,,,, .... ,,,, —,
о
(
Рисунок1- Осциллограммысвечения светодиода,регистрируемогоФЭУ, через пылевую завесу на выходе из контейнера, по горизонтали 250 мс/дел, V=40 см3: а) 3=250+600 мкм, б;=15 мм; б)
¿=120^-250 мкм
ДГ, с
1.8 1,6 1,4 1,2 1
0,8 0,6 0,4 0,2 О
1 • 1 О 1 а2 д2
■ 3 □ 3 ' д р__Й|
v
к ^^^ 1 1 3
10
20
30
40
50
60 Г. СМ3
Рисунок 2 - Зависимость времени опорожнения контейнера от объёма песка, 1+3 - 3, мкм = 90+120,
120+250, 250+600 мкм соответственно.
58
задний фронт интенсивности свечения, которая пропорциональна концентрации пыли, становится положе с уменьшением 8 (рис. 1, б).
Из подобных осциллограмм определяли время опорожнения контейнеров At в зависимости от V (рис. 2). Здесь светлыми значками обозначено время полного опорожнения контейнера, тёмными значками - время эффективного опорожнения (когда At определяется по полувысоте сигнала свечения). С увеличением 8 время опорожнения контейнера уменьшается.
Для выяснения закономерностей падения пыли в ударной трубе светодиоды и оптические вводы фотоумножителей были установлены на-
против друг друга на расстояниях Ь1 = 1.830 м, Ь2 = 5.295 м и Ь3 = 6.760 м от генератора взвеси пыли. Нижний светодиод и световод ФЭУ смонтированы внутри трубы непосредственно на нижнем фланце ударной трубы. Падающие вниз частицы уменьшают световой поток, изменяя выходной сигнал ФЭУ. Осциллограммы, характеризующие распространение пылевой взвеси в ударной трубе при различных значениях р0, 8, и V, приведёны на рис. 3. Здесь на любых двух соседних по горизонтали осциллограммах начальное давление совпадает, но фракции песка разные; для осциллограмм, расположенных в столбце (по вертикали вниз) фракция песка одна
■ ■ ■ ч : > ■ с ;
Л Л* 1 ,=, 1
: л
....... ш
: \
: : г \
1, 1 : 4
: 1
/ МВД \г*ч
¿1
,,, ^ II ^ ,„, г,-1
:
Рисунок 3 - Осциллограммы напряжения с ФЭУ для определения закономерностей падения пыли в ударной трубе. По горизонтали-500 мс/дел(а,в, д),1с/дел (б,г,е).1- напряжение с электронного реле, 2^4- напряжения с ФЭУ при Ь1=1.830, Ь2=5.295, Ь3=6.760 м соответственно: а) 8=250^600 мкм, V=30 см3, р0=0.05 МПа;б) 8=90^120, V=30 см3, р=0.05 МПа;в) 8=250^600 мкм, V=30 см3, р0=0.03 МПа; г) 8=90^120, ¥=30 см3, р0=0.03 МПа; д) 8=250^600 мкм, V=50 см3, р0=0.01 МПа; е) 8=90^120 мкм, V=30 см3,
р0=0.01 МПа
59
и та же, а р0 уменьшается.
Из осциллограмм следует, что по мере удаления облака пыли от верха трубы происходит разделение частиц по размерам, в завесе изменяется объёмная плотность. Передний и задний фронты пылевого облака становятся более вытянутыми. Задний фронт облака пыли имеет большую протяжённость, чем передний. С уменьшением размера частиц расслоение облака по плотности возрастает, его длина увеличивается. С уменьшением р0 скорость падения пылевого облака увеличивается, его длина уменьшается.
Установлен ы моменты времени, ко гдапы-левая зсвесадостипоет тортцатрубы, определен н соответствующее с линызавес ей размера! сапЛоднУго олпыси верхнеаоучастнс тсуДыты По полувысоте интенсивности свечения опреде-лзвыпнлнуоаиа в дсиеы ялс^(5пшлн(^1^о ядря Лс.н пыллтей оавесы и л-метрные длинУ/| са-чУлнол--
завенаа Исходя ин элам размеров, усеанонтллы среднеобъёмные концентрации пыли pd=4pV/Xпd и плотной пыли^^ о/е- (^^А.Некотл^ое фй-фичлекие рсзл^1^-^мт^||^с^1Рлр^нс^яЕ^Лемено рал-пфястраненияа ыолзуйуоаес^^1сг^л дллнв х для трёх разных фракций песка, объёмов пыли
в контейнере и начальных давлений газа приведены на рис. 4, 5. Здесь светлые значки и сплошные линии соответствуют положениям передней границы пылевой завесы,наполовину затемнённые значки и сплошные линии - положениям передней границы для плотной пыли, определяемым на половине интенсивности свечения ФЭУ. Пунктирные линии с аналогичными наполовину затемненными и светлыми значками соответствуют верхним границам плотного и менее плотного пылевого облака. Горизонтальными стрелками для некоторых начальных давлений отмечены хвосты пыли и плотной пыли в момен-тыв°еа1ени, м-! лосврсых cooтеетствyющие са-чале тылевым зсолбов досттгама ворцал-убы. Мемыо ннжниа кри выееариа. Д,л - эзу;^ел^-мнети, евусс^но^л^^ стлажомао нсвясл стснба падающей пыли в вакууме, здесь g = 9.8 м/с2.
У еерснего ев.цстр^ы (л = ф няолла м ствессоотентствуео/ч ^УсИх клуллм сеноения а - м- - куют ема сусйoжнлнисl-oнтeйнepсвl В мемливы велтнаи сскогдн евлынос авесднсти-гают торца трубы (х = Ь3), контейнер полностью емаднжняетси и в верхс^части ерубы -
су свсКрсмым нв мыли уча сток пpлтяжейнoссью
о=о.8^1.еы.
св
С увеличением объёма пыли в контейнере
I С 4,03.5' 3,0 2,5 2.0' 1,5 1.0 0,5'
1—I
4 5 6 7 8 Х,М
/.,= 5.295 м ¿5= 6.76 м
1 1_1 > Ол А -1 1
у 1
! у .Ж >
у у \ л!
■ Своб< простр щное )НСТВ( *
✓
/ / / /
Г Л) л от ПЫ1 Ь 1'
/ / 0 01 МПа / 1
Г
1 / ПЫ1 > 001 ► 1Па а
У
/
/ ! ~0
\
1 1 1 ,Ро
1 1
1 • 1
/., = 1.83м
5.295 м ¿.,= 6 76 м
Рисунок 4 - Экспериментальные зависимости, описывающие падение пылевой завесы д = 250^600 мкм в вертикальной ударной трубе: а) V=30 см3, 1, 1'-р0=0.03 МПа, ра=2.24 г/л, К=3.03 г/л; 2, 2'-р=0.05 МПа, р=2.24 г/л, Я=3.21 г/л; б) V=50 см3, 1, 1'-р0=0.01 МПа, р=3.48 г/л, Я=3.79 г/л
60
длина столба пыли возрастает. Кроме того, для одной и той же фракции частиц при увеличении V время падения столба пыли непропорционально возрастает из-за возникновения завихрений газа в ударной трубе. Этот же нелинейный эффект заметен и при росте р0.
Поясним, каким образом на рисунке 4, например, для кривых 1 (р0 = 0.03 МПа) определять Асв и А. Вначале проводим горизонтальную прямую через точку гп = принадлежащую сплошной кривой 1. Эта прямая пересекает пунктирную кривую 1 в точке х*. Измерив длину отрезка х*, получим, что Асв = х* ~ 1.07 м, в этот момент времени длина столба пыли А = L3 - х* ~ ~ 5.69 м. Аналогично для кривой 2 на рисунке 4, а Ав ~ 1.18 м, А ~ 5.58 м, то есть длина пылевой завесы уменьшилась с увеличением начального давления газа. Длина соответствующей плотной завесы определяется как отрезок на той же горизонтальной прямой между точками пересечения с ней сплошной и пунктирной кривых 1'. Отсюда
/, с
12л
Х,м
Рисунок 5 - Экспериментальные зависимости, описывающие падение пылевой завесы 8=90^120 мкм в вертикальной ударной трубе, V=30 см3. 1, 1' - р0=0.01 МПа, р=2.01 г/л, я=2.26 г/л; 2, 2' - р0=0.03 МПа, р==2.04 г/л, Л=2.31 г/л; 3, 3'-р0=0.05 МПа, р=2.14 г/л, Я=2.33 г/л.
получим, что для кривых 1' и 2' Ат ~ 2.45 и 2.28 м. Для рисунка 4, б значения А ~ 0.76 м, А ~ 6 м, А ~
I I I ./ ' св ' ' пл
3.5 м. Увеличение объема пыли в контейнере с 30 см3 (рис. 4, а) до 50 см3 (рис. 4, б) привело к увеличению длины завесы.
Во фракции песка 8 = 120+250 мкм в опытах для р0 = 0.01, 0.03 и 0.05 МПа при фиксированном V = 30 см3 А ~ 1.36, 1.60, 1.68 м, А ~ 5.40,
св
5.16, 5.08 м соответственно, А ~ 2.88, 3.26, 3.80
пл
м. С ростом р0 размер свободной от пыли области в трубе возрастает, длина пылевой завесы убывает, размер плотной части пылевого облака возрастает.
В опытах на рисунке 5 приведены экспериментальные кривые, описывающие динамику пылевой завесы, для р0 = 0.01, 0.03 и 0.05 МПа при V = 30 см3 с размерами частиц 8 = 90+120 мкм. Здесь для кривых 1^3 Ав ~ 1.02, 1.02, 1.44 м, А ~ 5.74, 5.74, 5.32 м соответственно, для кривых 1'+3' Ат ~ 4.24, 4.15, 4.37 м. С ростом р0 размер свободной от пыли области в трубе возрастает, длина пылевой завесы убывает, размер плотной части пылевого облака возрастает.
С уменьшением размера фракции песка наиболее заметно возрастает время падения облака пыли. Так, для фракции 8 = 250+600 мкм столб пыли достигает торца трубы за время ~ ~ 1.4+1.55 с (где I = 1+3). Для фракции 8 = = 120+250 мкм г.3 ~ 2.1, 2.8 и 3 соответственно при р0 = 0.01, 0.03 и 0.05 МПа. Если 8 = 90+120 мкм, то Г.3 ~ 3.1, 3.3 и 4.1 с (р0 = 0.01, 0.03 и 0.05 МПа).
Получение зависимостей, подобных приведённым на рис. 4, 5, для разных значений V, 8, р0 требует проведения большого количества опытов. Для исследованного контейнера 17.5 мм в диапазонах р0 = 0.01+0.05 МПа и V = 30+60 см3 для всех трёх фракций песка получено, что 2.2 < РЛ < 3.5 г/л, 2.3 < Rd < 4.0 г/л. Т.е. удвоение объема сыпучего материала в контейнере увеличивает ра и Яа примерно на 60 и 70% соответственно. Такая непропорциональность средней плотности пылевой завесы от объема песка в контейнере и начального давления газа объясняется сложной нелинейной зависимостью длины пылевого облака от этих параметров.
Выводы. С уменьшением размера частиц пыли во фракции с 8 = 250+600 мкм до 8 = 90+120 мкм время падения пылевой завесы увеличивается примерно в два раза при р0 = 0.01 МПа, в 2.2 раза при р0 = 0.03 МПа и в 2.7 раза для р0 = 0.05 МПа. Среднеобъёмная плотность пыли в завесе для V = 30+60 см3 и р0 = 0.01+0.05 МПа составляет 2.2+3.5 г/л.
61
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Laffite, P. Suppression of explosion waves in gaseous mixtures by means of fine powders / P. Laffite, R. Bouchet // 7-th Symposium (Intern.) on Combustion, Butterworth, London, 1958. - 504 p.
2. Kauffmann, C. W. Dust, hybrid and dusty detonation / C. W. Kauffmann, P. Wolanski, A. Arisoy [et al.] // AIIA Progress in Astronautics, and Aeronautics. - 1984. - Vol. 94. - Pp. 221-239.
3. Wolanski, P. The effects of inert particles on methane-air detonations / P. Wolanski, J. C. Liu, C. W. Kauffmann [et al.] // Archivum Combustionis. - 1988. - Vol. 8. - № 1. - Pp.15-32.
4. Chen, Z. Suppression effects of powder suppressant on the explosions of oxyhydrogen gas / Z. Chen, B. Fan, X. Jiang // Journal of Loss Prevention in the Process Industries. - 2006. - Vol. 19. - Pp. 648-655.
5. Dong, J. Experimental investigation and numerical validation of explosion suppression by inert particles in large-scale duct / J. Dong, B. Fan, B. Ye j. Xie // Proceedings of the Combustion Institute. - 2005.
- Vol. 30. - Pp. 2361-2368.
6. Фёдоров, А. В. Физико-математическое моделирование подавления детонации облаками мелких частиц / А. В. Фёдоров, П. А. Фомин, В. М. Фомин [и др.]. - Новосибирск: НГАСУ (Сибстрин), 2011.
- 156 с.
7. Pinaev, A. V. Suppression of gas detonation by a dust cloud at reduced mixture pressures / A. V. Pinaev, A. A. Vasil'ev, P. A. Pinaev // Shock Waves. - 2015. - Vol. 25. - №.3. - Pp. 267-275. Doi: 10.1007/ s00193-014-0543-2.
REFERENCES
1. Laffitte, P., & Bouchet, R. (1958). Suppression of explosion waves in gaseous mixtures by means of fine powders. Symposium (International) on Combustion, 7(1), 504. doi:10.1016/s0082-0784(58)80085-5
2. Kauffmann, C. W., Wolanski, P., Arisoy, A., Adams, P. R., Maker, B. N., & Nicholls, J. A. (1984). Dust, Hybrid and Dusty Detonations. AIIA Progress in Astronautics, and Aeronautics, 94, 221-239. doi:10.2514/5.9 781600865695.0221.0240
3. Wolanski, P., Liu, J. C., & Kauffmann, C. W. (1988). The effects of inert particles on methane-air detonations. Archivum Combustionis, 8, 15-32.
4. Chen, Z., Fan, B., & Jiang, X. (2006). Suppression effects of powder suppressants on the explosions of oxyhydrogen gas. Journal of Loss Prevention in the Process Industries, 19(6), 648-655. doi:10.1016/j. jlp.2006.03.006
5. Dong, G., Fan, B., Xie, B., & Ye, J. (2005). Experimental investigation and numerical validation of explosion suppression by inert particles in large-scale duct. Proceedings of the Combustion Institute, 30(2), 2361-2368. doi:10.1016/j.proci.2004.07.046
6. Fedorov, A. V., Fomin, P. A., Fomin, V. M., Tropin, D. A., & Chen, J. R. (2011). Fiziko-matematicheskoe modelirovanie podavlenija detonacii oblakami melkih chastic [Mathematical Modeling of Detonation Damping by Cloud of Small Particles]. Novosibirsk: ITAM SB RAS - SibStrin [in Russian].
7. Pinaev, A. V., Vasil'Ev, A. A., & Pinaev, P. A. (2015). Suppression of gas detonation by a dust cloud at reduced mixture pressures. Shock Waves, 25(3), 267-275. doi:10.1007/s00193-014-0543-2
62
