CC BY
39
8. Д-101 Зарубежное руководство по оценке пожарного риска. Дайджест // ООО «СИТИС». - 2009.
«ВЗРЫВНОЕ» ДРОБЛЕНИЕ НЕОДНОРОДНЫХ КАПЕЛЬ ТУШАЩЕГО СОСТАВА В ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ГАЗОВОЙ СРЕДЕ
П.А. Стрижак, доцент, д.ф.-м.н., О.В. Высокоморная, к.ф.-м.н., М.В. Пискунов, аспирант, Национальный исследовательский Томский политехнический университет,
г. Томск
Одним из распространённых способов тушения крупных городских и лесных пожаров является распыление в зоне пламени воды и эмульсий на её основе. Важнейшим параметром, определяющим эффективность применения тушащего состава на основе распылённой жидкости, является степень дробления капель. В работах [1, 2] показано, что для полного испарения тонкораспылённой воды, необходимо дробление капель до характерных размеров в несколько микрометров. В качестве альтернативы интенсификации тепломассообменных процессов за счёт дробления капель может быть рассмотрено применение неоднородных капель жидкости с твёрдыми включениями в виде углеродистых частиц. Как известно [3], плёнка воды способна пропускать энергию излучения. Можно предположить, что при нагреве капель жидкости с твёрдым включением в высокотемпературной газовой среде возможен эффект «взрывного» разрушения неоднородных капель вследствие возникновения на внутренней границе раздела сред очагов парообразования.
Цель настоящей работы - проведение численных и экспериментальных исследований нагрева и испарения неоднородных капель жидкости с твёрдым включением в высокотемпературной газовой среде.
При проведении численных исследований постановка задачи предусматривала, что капля жидкости с твёрдым включением в центре находится в среде высокотемпературных продуктов сгорания органического топлива с температурой Т. За счёт теплообмена с горячими газами происходит прогрев капли от внешней границы к центру, капля испаряется с внешней границы. Часть энергии излучения продуктов сгорания через плёнку жидкости поступает к углеродистой частице в центре капли. Частица аккумулирует энергию, и в центре капли формируется дополнительный источник нагрева. При достижении на внутренней границе капли условий испарения (для воды Т>370 К) вблизи твёрдого включения начинают формироваться паровые пузырьки. При дальнейшем подводе энергии, объём и давление пара внутри пузырьков возрастают, что приводит к «взрывному» разрушению капли с образованием новых более мелких капель.
Математическая модель включала в себя нестационарные дифференциальные уравнения энергии плёнки жидкости и твёрдого включения.
Система дифференциальных уравнений с соответствующими начальными и граничными условиями решена методом конечных разностей в сочетании с методом прогонки при использовании неявной четырёхточечной разностной схемы [4].
При проведении численного моделирования тепломассопереноса при нагреве неоднородной капли жидкости в среде высокотемпературных газов были выявлены предельные условия реализации «взрывного» разрушения капли с твёрдым включением. Предельным значением температуры газовой среды, при котором происходит «взрывное» дробление капли, является Т=1050 К. При температуре газа Т<1050 К испарение жидкости происходит только с внешней границы капли. Следует отметить, что предельной для реализации режима «взрывного» испарения толщиной плёнки жидкости, обволакивающей твёрдое включение, является 5^=0.2 мм. При меньшей толщине плёнки жидкость быстро испаряется со свободной поверхности, и условия испарения на внутренней границе капли не достигаются.
На рисунке 1 представлена зависимость времён существования капли (от начала нагрева капли в высокотемпературных газах до её «взрывного» разрушения) ^ от толщины плёнки жидкости 5Я, обволакивающей твёрдое включение при разных значениях температуры газов Т^.
Анализируя зависимости, представленные на рисунке 1, можно сделать вывод о незначительном влиянии изменения толщины плёнки жидкости в неоднородной капле на время существования последней. Более существенное влияние на времена существования капель оказывает изменение температуры газовой среды.
2.2 ' - _ I
1.8 —-""""
1.6 -
1.4 -
0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 6Я"103.М
Рис. 1. Зависимость времён существования капель с твёрдым включением от толщины плёнки жидкости при радиусе капли Я=10"3 м: 1 - Т=1100 К, 2 - Т=1200 К, 3 - Т=1300 К
При проведении экспериментальных исследований нагрева и испарения неоднородных капель жидкости в высокотемпературной газовой среде использовался стенд, оснащённый высокоскоростными средствами
3 3
видеорегистрации. Капля заданной массы (0.04-10" кг до 0.2-10" кг) специальным дозатором опускалась на твёрдое включение (цилиндрическую графитовую
3 3
частицу ^=2-10" м, ^=2-10 м), закреплённое на стержне. Сформированная таким образом неоднородная капля с использованием стержня через одно из трёх
отверстий вводилась в цилиндр с пламенем (температура пламени контролировалась термопарами). После ввода капли в область пламени проводилась высокоскоростная (не менее 105 кадров в секунду) видеосъёмка процесса её испарения с фиксацией изменения размеров неоднородной капли и толщины плёнки жидкости. Такие измерения продолжались в каждом эксперименте до полного испарения воды или «взрыва» (распада) капли.
На рисунке 2 представлены типичные видеокадры стадий прогрева, кипения и «взрывного» распада неоднородной капли.
Рис. 2. Типичные стадии нагрева и испарения неоднородной капли воды с включением в виде частицы графита: прогрев капли (а), парообразование на границе контакта твёрдого включения с жидкостью (б), увеличение объёма капли (б), «взрывное» разрушение капли (г)
Кадры, представленные на рисунке 2, подтверждают возможность реализации «взрывного» дробления капель жидкости в пламени при наличии в них способных поглощать энергию излучения неоднородностей. Такой эффект может быть использован при разработке и усовершенствовании технологий тушения пожаров распылёнными жидкостями.
Разработанные численная модель и методика экспериментальных исследований могут быть использованы для создания теоретических основ технологий пожаротушения с применением тушащего состава на основе неоднородных капель жидкости с твёрдыми включениями.
Список использованной литературы
1. Хасанов И.Р., Москвилин Е.А. Авиационные методы тушения крупных лесных пожаров. Проблемы горения и тушения пожаров на рубеже веков: Материалы XV науч.-практ. конф.. М.: ВНИИПО, 1999. - Ч. 1. - С. 300-301.
2. Волков Р.С., Кузнецов Г.В., Стрижак П.А. Экспериментальное исследование полноты испарения распылённой воды при её движении через пламя // Пожаровзрывобезопасность. 2013. - Т. 22. - № 10. - С. 15-24.
3. Кутателадзе С.С. Основы теории теплообмена. М.: Атомиздат, 1979. -
456 с.
4. Самарский А.А. Теория разностных схем. М.: Наука, 1983. - 616 с.
