CC BY
12
УДК 658.382:533.46
УСЛОВИЯ ЗАЖИГАНИЯ СЛОЯ ЛЕСНЫХ ГОРЮЧИХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ ЛОКАЛЬНОМ НАГРЕВЕ
БАРАНОВСКИЙ Н.В., ЗАХАРЕВИЧ А.В., МАКСИМОВ В.И.
Национальный исследовательский Томский политехнический университет, 634050, г. Томск, пр. Ленина, 30
АННОТАЦИЯ. Представлены результаты экспериментального и численного исследования процессов зажигания типичного лесного горючего материала (ЛГМ) одиночной нагретой до высоких температур частицей. Математическое моделирование проведено с учетом специфики контакта частицы и слоя ЛГМ. Получены времена задержки зажигания в зависимости от начальной температуры частицы. Установлено хорошее соответствие экспериментальных и теоретических значений времен задержки зажигания.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: сравнительный анализ, зажигание, частица, предельные условия, лесной горючий материала, математическое моделирование, экспериментальное исследование.
ВВЕДЕНИЕ
На лесопокрытых территориях расположены различные промышленные производства (в том числе потенциально пожароопасные [1, 2]). При их функционировании возможно формирование нагретых до высоких температур частиц металлов и неметаллов (чаще всего стальных) [3]. Теоретически [4, 5] и экспериментально [6, 7] показана пожароопасность таких частиц для условий формирования пленок жидких топлив. Однако, в случае расположения промышленного объекта на лесопокрытой территории возможно выпадение таких частиц на слой лесного горючего материала и возникновение лесного пожара или пожара на границе "промышленный объект - лесной массив" [8] (в зарубежной литературе Wildlan-Urban Interface Fire [9, 10]). Ранее разработан комплекс математических моделей для описания процесса зажигания слоя ЛГМ одиночной нагретой до высоких температур частицей [11 - 13]. Но не была проведена верификация моделей по экспериментальным данным.
Цель настоящего исследования - сравнительный анализ результатов математического моделирования и экспериментального определения времен задержки зажигания (tign) ЛГМ одиночной частицей.
РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ И ФИЗИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ
Опыты проведены на установке [6] и по методике [7] со стальной частицей с характерным размерами и массой: диаметр d = 6 мм; высота h = 13 мм; масса m = 2,5 г. Эксперименты проведены с хвоей побуревшей, частично разложившейся, предварительно высушенной. Размеры отдельных хвоинок составляли 7 - 8 см в продольном и 0,7 - 1,2 мм в поперечном направлении. При математическом моделировании приняты следующие характерные размеры сечения частицы: x1 = 6 мм; z1 = 6 мм (плоская постановка задачи). Ранее было теоретически установлено [12, 13], что различия во временах задержки зажигания, полученных по двумерной и трехмерной постановкам составляют не более 3 %. В свою очередь в экспериментах было установлено, что различия в форме и материале частицы приводит к отличию этих времен от 10 до 25 %. Результаты сравнительного анализа экспериментальных и расчетных значений tign в условиях идеального контакта ЛГМ и частицы по всей площади контакта последней [12] приведены на рис. 1. Можно отметить достаточно существенные отличия (как по значениям tign, так и по предельным температурам зажигания) экспериментальных данных и теоретических следствий.
т,к
1 - экспериментальные точки; 2 - аппроксимирующая прямая; 3 - теоретическая зависимость
Рис. 1. Зависимость времени задержки зажигания от начальной температуры частицы в условиях идеального контакта
В результате экспериментального исследования установлено, что зажигание слоя ЛГМ одиночной нагретой до высоких температур частицей происходит по следующей схеме. После короткого периода инертного прогрева слоя ЛГМ начинается термическое разложение материала с выделением газообразных продуктов пиролиза. Лесной горючий материал в приповерхностном слое разлагается практически полностью с небольшим коксовым остатком. В пористой среде ЛГМ происходит фильтрация газообразных продуктов пиролиза к нагреваемой поверхности слоя и их смешивание с окислителем, нагрев газовой смеси с последующим зажиганием. Затем пламя распространяется по всему периметру частицы. На рис. 2 представлены характерные кадры видеосъемки процесса зажигания слоя ЛГМ нагретой до высоких температур частицей.
Установленное несоответствие результатов экспериментов и численного моделирования в первую очередь может быть следствием существенно завышенного в модели [12] по сравнению с реальным процессом количества теплоты, передаваемой в зону пиролиза ЛГМ. Высокая пористость лесного горючего материала приводит к тому, что теплопередача от "горячей" частицы осуществляется в основном по отдельным хвоинкам, прилегающим к поверхности источника нагрева. Теплопроводность воздуха, заполняющего его поры почти в четыре раза ниже теплопроводности материала хвои.
Анализ видеограмм экспериментов также показал, что после выпадения на поверхность хвои частица внедряется в приповерхностный слой ЛГМ таким образом, что площадь ее контакта с отдельными хвоинками существенно (в 1,5 - 2 раза) увеличивается. Это происходит в результате деформации отдельных хвоинок под давлением частицы. Глубина внедрения зависит от концентрации отдельных хвоинок в приповерхностном слое.
В связи с выше изложенным можно сделать вывод о том, что в граничных условиях четвертого рода на границе раздела "ЛГМ-частица" необходимо учитывать неидеальность контакта поверхностей источника нагрева и непосредственно лесного горючего материала (хвоинок). При этом остается не вполне определенной площадь поверхности контакта в связи со случайным характером расположения отдельных хвоинок в приповерхностном слое и глубиной внедрения нагретой частицы в слой хвои. Отдельные хвоинки могут достаточно существенно отличаться по толщине и жесткости, обусловленной длительностью их пребывания в слое ЛГМ и процессами сушки в природных условиях [14, 15].
в
а - t = 0,08 с - инертный прогрев слоя ЛГМ; б - t = 0,12 с - вдув газообразных продуктов пиролиза; в - t = 0,20 с - появление пламени (зажигание ЛГМ)
Рис. 2. Характерные кадры видеосъемки процесса зажигания ЛГМ нагретой до высоких температур
частицей в различные моменты времени
Кроме того, анализ результатов выполненных экспериментов показал, что случайный характер распределения отдельных хвоинок в приповерхностном слое ЛГМ приводит к существенным (в 2 - 2,5 раза) отклонениям в пористости этого слоя. Оценки пористости ЛГМ на основе хвои [16] дают основания для обоснования нижнего предела этой величины на уровне 0,9. Соответственно, в реальных условиях объемная доля сухого органического вещества ф лесного горючего материала может изменяться в диапазоне 0,09 - 0,2.
Проведенные экспериментальные исследования дают основания для использования в качестве исходных данных по объемной доле хвои в приповерхностном слое ЛГМ диапазон значений 0,09 < ф < 0,2. Численное моделирование процесса зажигания лесного горючего материала - хвои проведено с использованием математической модели [12] (при изменении формы записи граничных условий четвертого рода на границе раздела "ЛГМ-частица"):
фХ} -—= X
az
дz
(1)
где ф - объемная доля сухого органического вещества; X, Т - теплопроводность и температура слоя ЛГМ (I = 1) и частицы (I = 2), z - пространственная координата (рис. 3).
1 - нагретая до высоких температур частица; 2 - отдельные хвоинки Рис. 3. Схема области решения задачи
При оценке времени задержки зажигания использовались известные критерии зажигания: 1) теплоприход от химической реакции превышает теплоприход от нагретой частицы; 2) температура газовой смеси достигает критического значения (средняя температура горения лесных горючих материалов).
Численная реализация проведена локально-одномерным конечно-разностным методом [17]. Разностные аналоги одномерных уравнений теплопроводности и диффузии решены методом прогонки в сочетании с методом простой итерации [17] с использованием алгоритма, разработанного при решении нелинейных задач сопряженного теплопереноса [18, 19].
РЕЗУЛЬТАТЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ И ОБСУЖДЕНИЕ
На рис. 4 представлены результаты сравнения времен задержки зажигания, рассчитанных с использованием модели неидеального контакта на границе "ЛГМ-частица". Установлено, что хорошее согласование результатов эксперимента и теории выполняется при ф = 0,2 Следует отметить, что нижний предел по начальной температуре изменился и составил 1000 К, но в диапазоне 1000 - 1150 К в экспериментах отмечались единичные возгорания, процесс этот был неустойчивым и носил случайный характер.
На рис. 5 представлено типичное поле температур в системе "слой ЛГМ-частица-газовая смесь". На рисунке отчетливо видно, что химическая реакция локализуется в пристенной области частицы, что подтверждается экспериментально (рис. 1, в).
т. к
1 - экспериментальные точки; 2 - аппроксимирующая прямая; 3 - теоретическая зависимость
Рис. 4. Зависимость времени задержки зажигания от начальной температуры частицы при учете пористой структуры приповерхностного слоя ЛГМ
Рис. 5. Типичное поле температур в системе "слой ЛГМ-частица-газовая смесь" в момент зажигания
Следует отметить, что по итогам выполненных исследований, учитывающих случайный характер распределения хвоинок в приповерхностном слое (по поперечным размерам, времени существования, плотности распределения по площади контакта, ориентации относительно источника нагрева, степени сжатия слоя ЛГМ), можно сделать вывод о хорошем соответствии математической модели [12] с модифицированными граничными условиями (1) реальному процессу теплопереноса в условиях зажигания сосновой хвои при локальном нагреве.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
На основании результатов экспериментального и теоретического исследования процесса зажигания типичного лесного горючего материала - хвои при локальном нагреве сформулирована физическая модель исследовавшегося процесса, отличающаяся от известных описанием неоднородной структуры приповерхностного слоя ЛГМ. Установлено, что учет реальной площади поверхности контакта в системе "ЛГМ-нагретая частица" при математическом моделировании теплопереноса в рассматриваемых условиях обеспечивает хорошее (в пределах погрешностей экспериментальных данных) соответствие теоретических и экспериментальных значений времен задержки зажигания наиболее распространенного ЛГМ - хвои сосны.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Приказ МЧС России от 4.11.2004 г. № 506 "Об утверждении типового паспорта безопасности опасного объекта". Зарегистрирован в Минюсте РФ 22 декабря 2004 г. № 6218.
2. Приказ МЧС России от 28.02.2003 г. № 105 "Об утверждении требований по предупреждению чрезвычайных ситуаций на потенциально опасных объектах и объектах жизнеобеспечения".
3. Кузнецов Г.В., Стрижак П.А. Нагретые до высоких температур частицы металла как источники локальных возгораний жидких веществ // Пожарная безопасность. 2008. № 4. С. 72-76.
4. Кузнецов Г.В., Стрижак П.А. Зажигание накаленной одиночной частицей жидких углеводородных топлив // Известия Томского политехнического университета. 2008. Т. 312, № 4. С. 5-9.
5. Kuznetsov G.V., Strizhak P.A. 3D problem of heat and mass transfer at the ignition of a combustible liquid by a heated metal particle // Journal of Engineering Thermophysics. 2009. V. 18, № 1. P. 72-79.
6. Захаревич А.В., Кузнецов Г.В., Максимов В.И. Механизм зажигания бензина одиночной нагретой до высоких температур металлической частицей // Пожаровзрывобезопасность. 2008. Т. 17, № 5. С. 39-42.
7. Кузнецов Г.В., Захаревич А.В., Максимов В.И. Зажигание дизельного топлива одиночной "горячей" металлической частицей // Пожаровзрывобезопасность. 2008. Т. 17, № 4. С. 28-30.
8. Барановский Н.В. Модель для оценки пожарной безопасности населенного пункта при лесных пожарах // Технологии техносферной безопасности: Интернет-журнал, 2010. № 5. 8 с. URL : http://ipb.mos.ru/ttb (дата обращения 24.02.12.
9. Lein J.K., Stump N.I. Assessing wildfire potential within the wildland-urban interface: A southern Ohio example // Applied Geography. 2009. V. 29, № 1. P. 21-34.
10. Badia A., Serra P., Modugno S. Identifying dynamics of fire ignition probabilities in two representative Mediterranean wildland-urban interface areas // Applied Geography. 2011. V. 31, № 3. P. 930-940.
11. Кузнецов Г.В., Барановский Н.В. Математическое моделирование зажигания слоя лесных горючих материалов нагретой до высоких температур частицей // Пожаровзрывобезопасность. 2006. Т. 15, № 4. С. 42-46.
12. Кузнецов Г.В., Барановский Н.В. Численное исследование задачи о зажигании слоя лесного горючего материала нагретой до высоких температур частицей в плоской постановке // Химическая физика и мезоскопия. 2011. Т.13, № 2. С. 173-181.
13. Кузнецов Г.В., Барановский Н.В. Пространственная постановка и численное исследование задачи о зажигании слоя лесного горючего материала нагретой до высоких температур частицей // Бутлеровские сообщения. 2010. Т. 22, № 12. С. 30-37.
14. Гришин А.М., Голованов А.Н., Долгов А.А. и др. Экспериментальное и теоретическое исследование сушки лесных горючих материалов // Известия Томского политехнического университета. 2002. Т. 05, вып. 2. С 31-43.
15. Гришин А.М., Барановский Н.В. Сравнительный анализ простых моделей сушки слоя ЛГМ, включая данные экспериментов и натурных наблюдений // Инженерно-физический журнал. 2003. Т. 76, № 5. С. 166-169.
16. Гришин А.М., Зима В.П., Кузнецов В.Т. и др. Зажигание лесных горючих материалов потоком лучистой энергии // Физика горения и взрыва. 2002. Т. 38, № 1. С. 30-35.
17. Самарский А.А., Вабищевич П.Н. Аддитивные схемы для задач математической физики. М. : Наука, 2001. 320 с.
18. Кузнецов Г.В., Шеремет М.А. Сопряженный теплоперенос в замкнутой области с локально сосредоточенным источником тепловыделения // Инженерно-физический журнал. 2006. Т. 79, № 1. С. 56-56.
19. Кузнецов Г.В., Шеремет М.А. Двумерная задача естественной конвекции в прямоугольной области при локальном нагреве и теплопроводных границах конечной толщины // Известия РАН. Механика жидкости и газа. 2006. № 6. С. 29-39.
CONDITIONS OF IGNITION OF FOREST FUEL LAYER AT LOCAL HEATING
Baranovskiy N.V., Zaharevich A.V., Maksimov V.I.
National Research Tomsk Polytechnic University, Tomsk, Russia
SUMMARY. Results of experimental and numerical research of ignition processes of typical forest fuel by the single particle heated up to high temperatures are submitted. Mathematical modelling is lead taking into account specificity of contact of particle and forest fuel layer. Ignition delay times are obtained depending on initial temperature of particle. Good conformity of experimental and theoretical values of ignition delay times is established.
KEYWORDS: comparative analysis, ignition, particle, limiting conditions, forest fuel, mathematical modelling, experimental research.
Барановский Николай Викторович, кандидат физико-математических наук, доцент НИ ТПУ, тел. (3822)65-54-50, e-mail: firedanger@narod.ru
Захаревич Аркадий Владимирович, кандидат физико-математических наук, доцент НИ ТПУ, тел. (3822)42-08-33, е-mail: bet@tpu.ru
Максимов Вячеслав Иванович, кандидат технических наук, доцент НИ ТПУ, e-mail: elf@tpu.ru
