CC BY
29
ПРОЦЕССЫ ГОРЕНИЯ
УДК 536.468
ЗАЖИГАНИЕ ЖИДКИХ ГОРЮЧИХ И ЛЕГКОВОСПЛАМЕНЯЮЩИХСЯ ВЕЩЕСТВ ТИПИЧНЫМИ ИСТОЧНИКАМИ ОГРАНИЧЕННОЙ ЭНЕРГОЕМКОСТИ
Проведен анализ современного состояния теоретических исследований физико-химических процессов, протекающих при зажигании жидких конденсированных веществ в условиях локального нагрева. Представлены физические и математические модели зажигания больших массивов, тонких пленок, смесей паров жидких веществ с окислителем и одиночных капель жидких горючих и легковоспламеняющихся веществ типичными источниками ограниченной энергоемкости (металлическими и неметаллическими частицами, проволочками, сфокусированными потоками излучения). Выделены возможные направления исследований и разработокна базе математического моделирования процессов зажигания жидких конденсированных веществ при локальном нагреве. Ключевые слова: зажигание; жидкие горючие и легковоспламеняющиеся вещества; частица; проволочка; поток излучения; пожарная опасность.
П. А. Стрижак
канд. физ.-мат. наук, доцент Национального исследовательского Томского политехнического университета, г. Томск, Россия
Легковоспламеняющиеся и горючие жидкости являются наиболее пожаровзрывоопасными веществами. В первую очередь, именно этим можно объяснить тревожную статистику по числу возгораний, пожаров и взрывов на предприятиях химической, нефтехимической и нефтеперерабатывающей отраслей промышленности [1]. Число установленных источников зажигания жидкостей постоянно растет [2]. Однако можно выделить такие источники энергии, при первичном рассмотрении которых трудно прогнозировать вероятность воспламенения жидкого вещества. К числу таких источников относятся, например, одиночные, нагретые до высоких температур металлические и неметаллические частицы различной физической природы, которые нередко образуются в ходе технологических процессов на различных производствах [3-5]. В частности, на предприятиях металлургической промышленности при обработке заготовительных материалов формируются твердые и жидкие металлические частицы малых размеров, температура нагрева которых превышает несколько сотен градусов. К образованию таких частиц могут приводить также резка и сварка металлических конструкций, неконтролируемые техногенные и природные процессы.
К настоящему времени по результатам теоретических [6-51] и экспериментальных [52-56] иссле-
© Стрижак П. А., 2011
дований сформулированы основные положения общей теории [57] зажигания горючих жидкостей в условиях локального нагрева для большой группы систем: нагретая частица - жидкое вещество -окислитель (рис. 1, а); нагретая частица - пленка жидкого вещества - окислитель (рис. 1, б); неподвижная разогретая проволочка - смесь паров жидкого вещества с окислителем (рис. 1, в); движущаяся разогретая частица - смесь паров жидкого вещества с окислителем; разогретая частица -ткань, пропитанная жидким веществом - окислитель; сфокусированный поток излучения - жидкое вещество - окислитель (рис. 1, г); капля жидкости -массивное нагретое тело-окислитель (рис. 1, д).
Зажигание больших массивов жидких горючих веществ разогретыми частицами
На примере схемы, приведенной на рис. 1, а, рассмотрим наиболее типичную постановку задачи зажигания большого массива жидкого горючего вещества разогретой частицей. Предполагалось [6-16], что типичный источник ограниченной энергоемкости — разогретая частица малых размеров — под действием сил инерции осаждается на поверхность жидкого вещества и погружается в него (см. рис. 1, а). В результате приповерхностный слой жидкости
/ у
/-7\ 1
/ /ШХ/УлС// ' /А
/ /
у////////////лЬ//////////А%///////////> з / /--------ъ.
о х,х,
о я„
Н х
Н х
Рис. 1. Схема области решения задачи зажигания в системе: а — частица - жидкость - парогазовая смесь; б — частица - пленка жидкости - парогазовая смесь; в — проволочка - жидкость - парогазовая смесь; г — поток излучения - пленка жидкости - парогазовая смесь; д — массивная подложка - капля жидкости - парогазовая смесь
прогревается, формируется паровой зазор между источником и жидким веществом. Пары горючего вдуваются и смешиваются с окислителем. За счет энергии, аккумулированной в источнике, парогазовая смесь прогревается. При достижении критических концентраций и температур происходит возгорание.
Приняты следующие условия воспламенения [6-16, 57]:
• тепло, выделяемое в результате химической реакции окисления паров горючего в воздухе, больше тепла, передаваемого от источника жидкому веществу и парогазовой смеси;
• температура смеси паров горючего и воздуха превышает начальную температуру источника. Система нелинейных нестационарных дифференциальных уравнений, описывающих процессы тепломассопереноса, имеет следующий вид [6-16].
Для парогазовой смеси (0 < х < Х2, У1 <у < У2; X1 <х < Х2, У2 <у < У3; Х1 <х < Н, У3 <у < У4; 0 < х < Н, У4<у< Ь):
• уравнение движения:
Зю ~дг
Зю
Зх
Зю _ Зу
З2 ю Зх
З2 ю" Зу2.
уравнение Пуассона:
З2 у
З2 у
Зх Зу • уравнение энергии:
_ ю;
Зх
(2)
Р1С, _ Ь
ЗТ1 ЗТ + и—1
ЗЬ Зх
З 2Т1 З 2Т1
Зх
Зу2
уравнение диффузии:
Р 4
З с
I
Зь
_ Р 4°4
З_с1
Зх
ЗТ1
Зу
йо^о;
Зс
(3)
Зу
З 2с1 Зх2
з с
Зу2
(4)
- ж •
о
уравнение баланса:
С + с„ = 1. Для частицы (0 < х < Х1, У2 < у < У4):
уравнение теплопроводности:
2 Ф д2
'2С2 _ Л2
З 2Т2 З 2Т2
Зх
2
Зу
2
Ь„
(5)
(6)
Для жидкого вещества (0 < х < Н, 0 < у < У{. Х2< х < Н, У2< у < У4):
уравнение теплопроводности:
Ас
о Г дТ3 -1 Р 3Г3 —д^ - 13
д 2Т3
дх
д 2Т3 ду2
(7)
Здесь ю — вектор вихря скорости, с- ; ? — время, с;
и, V—составляющие скорости конвекции смеси паров горючего и окислителя в проекции на ось х и у соответственно, м/с;
х, у — координаты декартовой системы координат;
V — кинематическая вязкость, м2/с; Р — коэффициент термического расширения, К-1; g — ускорение свободного падения, м/с2; Т — температура, К;
Т0 — начальная температура воздуха и жидкости, К;
у — функция тока, м2/с; р — плотность, кг/м3; Г — удельная теплоемкость, Дж/(кгК); 1 — коэффициент теплопроводности, Вт/(мК); Qo — тепловой эффект реакции окисления паров горючего в воздухе, МДж/кг; Ж0 — массовая скорость окисления паров горючего в воздухе, кг/(м3-с);
Г — концентрация паров жидкого горючего вещества (0 < Г < 1);
В — коэффициент диффузии паров жидкого горючего вещества в воздухе, м2/с;
Со
концентрация окислителя;
Жс — массовая скорость кристаллизации частицы, кг/ (м2-с);
Qc — тепловой эффект кристаллизации материала частицы, кДж/кг; Ьр — характерный размер частицы, м; "1", "2", "3", "4" — индексы, соответствующие смеси паров горючего с окислителем, частице, жидкости, парам горючего. Начальные и граничные условия, а также выражения для определения Жс и Жа приведены в [6-16].
Система уравнений (1)-(7) с соответствующими начальными и граничными условиями решена методом конечных разностей [58]. Для решения разностных аналогов дифференциальных уравнений использован локально-одномерный метод [58]. Система одномерных разностных уравнений решена методом прогонки [58] с применением неявной четырехточечной разностной схемы и методом итераций [59]. При моделировании использовались справочные данные [60-63].
Установлены масштабы влияния основных параметров локального источника нагрева — разогретой частицы (температура Тр, размеры Ьр и Нр) на условия зажигания [6-8] (рис. 2). При этом рассмотрены диффузионный и диффузионно-конвек-
0,50 0,75 1,00 1,25 1,50 1,75 Нр=Ьр,мм
Рис. 2. Зависимость времени задержки зажигания керосина от температуры (а) и размеров (б) углеродистой частицы для моделей с диффузионным массопереносом (1)и диффузионно-конвективным массопереносом (2)
тивный механизмы массопереноса в газовой фазе. Зависимости времени задержки зажигания ^ от параметров Тр, Ьр и Hp (см. рис. 2) хорошо соответствуют основным положениям современной теории зажигания конденсированных веществ [57]. При снижении температуры Тр и размеров Ьр, Нр частицы, находящейся на поверхности жидкого вещества, уменьшается площадь ее контакта с воспламеняемым веществом и скорость прогрева приповерхностного слоя. Вследствие этого меньше тепла передается горючей жидкости, менее интенсивно происходит ее испарение и формирование восходящих потоков паров горючего. В таких условиях рост концентрации паров горючего в воздухе замедляется и вероятность воспламенения снижается. С другой стороны, зависимость ^ от размеров частицы объясняется тем, что при уменьшении последних источник зажигания теряет свое теплосодержание быстрее [6-8].
Сравнение значений соответствующих моделям с диффузионным (см. рис. 2, кривая 1) и диффузионно-конвективным (см. рис. 2, кривая 2) механизмами массопереноса паров горючего, позволяет сделать вывод о том, что движение смеси паров горючего с окислителем в воздухе усложняет механизмы переноса тепла и массы [6-8]. В таком случае более длительной становится стадия прогрева паров горючего в воздухе и, как следствие, времена задержки зажигания в несколько раз превышают аналогичные показатели для диффузионной модели тепломассопереноса. При этом показано [6-8], что установленные значения ^ существенно (на не-
сколько порядков) больше времен индукции — химических составляющих времен задержки зажигания 1а [57].
Проанализированы [9-11] масштабы влияния условий контакта (контакт, близкий к идеальному; наличие парового зазора; частичное или полное погружение) разогретой частицы с жидким топливом на характеристики зажигания. Установлено (рис. 3), что наименьшие времена задержки зажигания соответствуют условиям, близким к идеальному контакту между веществом и разогретой частицей. Наличие парового зазора между источником энергии и жидкостью с низким коэффициентом теплопроводности (по сравнению с жидким веществом и частицей) приводит при прочих идентичных условиях к большему увеличению времени задержки зажигания, чем при контакте на границе частица - жидкость, близком к идеальному. При погружении частицы в жидкое вещество увеличивается площадь поверхности источника, с которой осуществляется теплоотвод в жидкость и уменьшается площадь участков боковых поверхностей частицы, на которых происходит нагрев движущихся вверх паров горючего. Частица по мере погружения в жидкость более интенсивно остывает, ее теплосодержание уменьшается, и, как следствие, тепла, отдаваемого частицей в газовую фазу, становится недостаточно для нагрева и последующего воспламенения формирующейся вокруг нее парогазовой смеси. При полном же погружении частицы ни при каких температурах и размерах источника ограниченной энергоемкости условия воспламенения не реализуются [9-11].
Из решения задачи зажигания жидкого топлива частицей расплава металла (сталь, алюминий) с учетом кристаллизации материала источника энергии при остывании установлено [12], что за счет дополнительной энергии, выделяемой в результате кристаллизации материала источника, процессы теп-ломассопереноса в системе расплавленная металлическая частица - керосин - воздух протекают более интенсивно (рис. 4). При этом в области высоких температур фазовое состояние частиц играет определяющую роль [12].
Как правило, разогретые до высоких температур частицы, образующиеся при резке и сварке металлических конструкций, имеют шероховатые поверхности [3-5]. Анализ влияния шероховатости поверхности разогретой частицы на условия воспламенения жидкого топлива показал [13], что при понижении температуры частицы Тр усиливается влияние элементов шероховатости на инерционность зажигания (рис. 5). С увеличением же параметров шероховатости поверхности частицы возрастает площадь контакта жидкости с ее нижней гранью.
Рис. 3. Зависимость времени задержки зажигания бензина от температуры стальной частицы: 1 — при идеальном контакте частицы с жидкостью; 2 — при формировании парового зазора между частицей и веществом; 3 — при погружении частицы в жидкость
1000 1200 1400 1600 1800 Тр, К
Рис. 4. Зависимость времени задержки зажигания керосина от температуры стальной частицы для моделей с учетом кристаллизации материала частицы (1) и без учета ее (2)
Рис. 5. Зависимость времени задержки зажигания керосина от температуры стальной частицы: 1 — шероховатой (А = 0,2 мм, = 0,4 мм); 2 — гладкой
При этом уменьшается ее масса. В таких условиях источник нагрева погружается на меньшую глубину, процесс испарения жидкого горючего вещества проходит интенсивнее, больше подогретых паровых масс поднимается вверх и больше тепла передается формирующейся парогазовой смеси от частицы. При этом время протекания самой медленной стадии исследуемого комплекса процессов тепло-массопереноса — прогрева смеси уменьшается и, как следствие, условия воспламенения реализуются при меньших значениях
0,008 0,009 0,010 0,011 0,012 0,013 0,014 0,015 у, м
0,008 0,009 0,010 0,011 0,012 0,013
у, м
X, м
0,004
0,003
0,002 - Д
0,001
0,0085 0,0095 0,0105 0,0115 0,0125 у, м
Рис. 6. Изотермы в системе шероховатая стальная частица - керосин - окислитель в момент воспламенения: а — = 0,549 с, к, = 0,2 мм, I„ = 0,4 мм, Тр = 1150 К; б — =0,267 с, к, = 0,2 мм, 4 = 0,4 мм, Тр = 1250 К; в — гЛ =0,126 с, ^ = 0,4 мм, I, = 0,8 мм, Тр = 1250 К
При увеличении параметров шероховатости и повышении температуры частиц возможна [13] реализация трех режимов зажигания: 1 — зона воспламенения формируется вблизи верхней грани погружающейся частицы (рис. 6, а); 2 — зона интенсивной химической реакции формируется вблизи боковой грани погружающейся шероховатой части-
Рис. 7. Зависимость времени задержки зажигания керосина от температуры углеродистой частицы для двумерной (1) и одномерной (2) моделей
цы (рис. 6, б); 3 — воспламенение происходит в элементах шероховатости под погружающейся частицей (рис. 6, в).
Для гладких частиц [6-12] зона интенсивной химической реакции окисления ни при каких условиях не формируется в области парового зазора между источником нагрева и веществом. Следует отметить, что для выявления подобных режимов необходимы плоские [6-12] и пространственные [14] постановки задач зажигания. На примере упрощенных одномерных постановок [15, 16] можно провести оценку пожарной опасности взаимодействия горючей жидкости и частицы с заданными температурой и размерами. При этом одномерные модели [15, 16] дают близкие результаты к двумерным постановкам [6-12] (рис. 7). Однако выявить возможное перемещение зоны интенсивной химической реакции окисления на одномерных моделях трудно. Такие закономерности можно детально проанализировать только с применением плоских [6-13] и пространственных [14] схем.
Зажигание тонких пленок жидких горючих веществ разогретыми частицами
Известны результаты численного моделирования [17-33] процессов зажигания тонких пленок жидких топлив разогретыми до высоких температур металлическими частицами различной конфигурации (см. рис. 1, б). Использовались нелинейные нестационарные дифференциальные уравнения (1)-(7), записанные в цилиндрических и сферических координатах [17-33].
Установлены масштабы влияния формы (параллелепипед, многогранник, цилиндрический диск, полусфера) одиночной, нагретой до высоких температур частицы на условия тепломассопереноса при зажигании тонких пленок типичных жидких топлив (бензин, керосин, дизельное топливо, мазут) [17-20]. Показано, что конфигурация источника нагрева существенно влияет на время задержки зажигания тонкой пленки жидкого вещества (рис. 8)
с
0,21 1 0,19 . 0,17 0,15 • 0,13 0,11 0,09 0,07 0,05
2\\
==35^
1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 Тр,
К
Рис. 8. Зависимость времени задержки зажигания пленки дизельного топлива от температуры стальной частицы в форме: 1 — полусферы, Кр = 3 мм; 2 — цилиндрического диска, Кр = 2р =3 мм; 3 — многогранника (см. рис. 1, б), Нр = Ьр = 3 мм; 4 — параллелепипеда, Нр = Ьр =3 мм
[17-20]. Это играет особенно важную роль при сопоставимых размерах частицы и толщины пленки.
Площади поверхностей контакта частицы в форме полусферы, диска, параллелепипеда и многогранника с пленкой горючей жидкости и парогазовой смесью существенно различаются [17-20]. Так, например, для полусферических частиц большая часть поверхности находится в контакте с жидкостью, а парогазовая смесь нагревается за счет малой энергии, аккумулированной в источнике нагрева. В таких условиях прогрев смеси проходит медленнее, в результате чего увеличивается время задержки зажигания td. Для частиц в форме цилиндрического диска и параллелепипеда при характерных размерах, близких к толщине пленки, площадь контакта источника нагрева с парогазовой смесью больше. Вследствие этого смеси передается больше энергии, и она быстрее прогревается. В результате условия воспламенения реализуются при меньших значениях td (см. рис. 8). Различие значений td для частиц в форме параллелепипеда и диска с одинаковыми характерными размерами также вызвано неравенством площадей контакта частицы с жидкостью и смесью [17-20]. В данном случае при решении плоских задач тепломассопереноса это неравенство обусловлено неограниченностью размеров частицы в форме параллелепипеда по третьей координате и фиксированными аналогичными размерами частицы в форме диска. Для многогранника (см. рис. 1, б) в сравнении с параллелепипедом определяющую роль играет суммарная площадь поверхности, не погруженной в жидкость.
При увеличении размеров частиц влияние их конфигурации в случае фиксированной толщины пленки жидкости Ь1 становится менее масштабным, чем в случае, когда их размеры близки к толщине Ь. Этот результат объясняется [17-20] тем, что при уве-
личении размеров источника нагрева относительно Ь; уменьшается площадь контакта источника с жидкостью и доля энергии частицы, расходуемой на нагрев и испарение конденсированного вещества. При этом увеличивается аккумулированная энергия источника, передаваемая парогазовой смеси. В таких условиях при близких площадях контакта источников ограниченной энергоемкости различной конфигурации с жидкостью и существенно отличающихся площадях контакта со смесью изменение параметра td незначительно (см. рис. 8).
Стадия прогрева парогазовой смеси при Тр < < 1300 К играет главную роль в общем комплексе процессов тепломассопереноса в малой окрестности источника нагрева [17-20]. Тела в форме полусферы быстрее остывают согласно общей теории теплопереноса по сравнению с дисками, параллелепипедами и многогранниками, так как им свойственно наименьшее отношение площади поверхности к занимаемому объему. Эти факторы проявляются более масштабно при размерах частицы, близких к толщине пленки, и относительно невысоких температурах (Тр < 1300 К). Большое значение имеет соотношение площадей контакта источника ограниченной энергоемкости с жидкостью и формирующейся парогазовой смесью Б [21, 22].
Зависимость времени задержки зажигания td от соотношения площадей контакта [21, 22] разогретой стальной частицы с пленкой бензина Бр1 и с формирующейся парогазовой смесью показывает, что параметр Б оказывает существенное влияние на характеристики исследуемого процесса зажигания (рис. 9). Например, при Б = 0,5 и Б = 2 значения td различаются в несколько раз. Минимальное время задержки зажигания td в рассматриваемой системе наблюдается при Б = 0,5. Этот результат позволяет сделать вывод о том, что для минимизации инерционности процесса зажигания площадь должна превышать площадь контакта частицы с жидкостью Бр1 в два раза.
З.с
0,25 0,20 0,15 0,10 0,05
IX
1 1 1
к
0 0,25 0,50 0,75 1,00 1,25 1,50 1,75 2,00 5
Рис. 9. Зависимость времени задержки зажигания пленки керосина стальной частицей в форме цилиндрического диска размером Кр = 2р = 3 мм от соотношения Б при Тр = 1500 К (51 =0,125,52 = 2, где 51,52 — минимальное и максимальное значения параметра Б, при которых происходит зажигание)
При уменьшении Б относительно 0,5 значения td увеличиваются, а при Б < 0,125 зажигание не происходит. Установленная закономерность объясняется [21, 22] тем, что при снижении соотношения Б за счет уменьшения толщины пленки Ь1 увеличивается время прогрева и испарения жидкого топлива. При высокой температуре воздуха у боковой грани частицы вблизи границы испарения жидкости разогрев формирующейся парогазовой смеси проходит интенсивно. Но поскольку при уменьшении Б снижается массовая скорость испарения и концентрация горючего в газовой области в малой окрестности частицы возрастает медленно, значения td увеличиваются.
С другой стороны, при увеличении соотношения Б площадь контакта разогретой частицы с жидкостью Бр1 становится больше. В таких условиях увеличивается доля аккумулированной в источнике энергии, расходуемой на нагрев и испарение топлива. Как следствие, частица быстрее отдает тепло жидкости и остывает. При этом остается меньше энергии на разогрев формирующейся парогазовой смеси. Так, например, при Б >2 условия воспламенения в рассматриваемой системе взаимодействующих веществ не реализуются, что характерно для случая полного погружения частицы в пленку жидкого топлива.
Исследовано "совместное" влияние нескольких источников ограниченной энергоемкости на условия тепломассопереноса и характеристики зажигания [23, 24]. Зависимость времени задержки зажигания td от величины Ьпр (рис. 10), характеризующей отношение расстояния между частицами к определяющему размеру источников энергии Яр, показывает, что в системе две разогретые стальные частицы - пленка керосина - воздух в зависимости от значения Ьпр могут реализовываться три режима зажигания (1 — Ьпр < Ь*; 2 — Ьпр = Ь*; 3 — Ьпр > Ь*, где Ь* — значение параметра Ьпр, при котором достигается минимальное время задержки зажигания). Для каждого режима характерны определенные диапазоны изменения времен задержки зажигания td и положение зоны локализации ведущей химической реакции окисления в газовой области относительно поверхностей источников нагрева и испаряющегося топлива. При начальной температуре частиц Тр = 1000 К характерное значение Ь* составляет 0,5 [23, 24], а при ее повышении до Тр > 1000 К параметр Ь* увеличивается. Это обусловлено тем, что с повышением Тр возрастает теплосодержание источников и усиливается влияние соседних частиц на процессы нагрева пленки жидкого топлива и формирующейся парогазовой смеси. При понижении начальной температуры источников нагрева до Тр < 1000 К значение Ь* уменьшается и влияние
Рис. 10. Зависимость времени задержки зажигания пленки керосина двумя стальными частицами в форме цилиндрических дисков размерами Кр = 2р = 3 мм от соотношения Ьпр при Тр = 1000 К
Ьпр на время задержки зажигания td усиливается. В [23, 24] показано, что вне зависимости от параметра Ьпр формируются две локальные зоны воспламенения (два очага зажигания), каждая из которых располагается в малой окрестности "своего" источника нагрева. При этом с ростом параметра Ьпр эти зоны сближаются. На основании этого сделан вывод [23, 24], что для численного исследования закономерностей тепломассопереноса при зажигании жидких горючих веществ, в частности углеводородных топлив, несколькими разогретыми до высоких температур частицами при расстоянии между ними больше некоторого критического значения (Ь*) можно использовать модель одиночной частицы. При этом в каждом конкретном случае параметр Ь* будет принимать различные значения.
Не менее важным фактором, определяющим характеристики зажигания тонких пленок жидких топлив при локальном нагреве, является влияние вынужденной конвекции окислителя (или смешанной конвекции паров горючего и окислителя). Установлено [25-28], что предельные скорости окислителя, при которых происходит зажигание, существенно изменяются с ростом температуры источника нагрева (рис. 11). При повышении скорости движения воздушных масс и уменьшении температуры частицы конвективный перенос паров горючего замедляется, вследствие чего инерционность зажигания возрастает. При снижении же скорости движения воздушных масс и повышении температуры частицы конвективный перенос паров горючего ускоряется, что приводит к уменьшению времен задержки зажигания. В достаточно широком диапазоне изменения скоростей воздуха и температур частиц вынужденная конвекция окислителя и конвективный перенос паров горючего оказывают противоположное влияние на характеристики зажигания [25-28].
Анализ масштабов влияния естественной конвекции в жидкости при ее зажигании локальным источником нагрева [29] показал (рис. 12), что наличие конвективного теплопереноса в жидком веществе
2000 1800 1600 1400 1200 1000
ТрЛ
Рис. 11. Зависимость времени задержки зажигания пленки керосина от температуры стальной частицы и скорости воздушных масс
Рис. 12. Зависимость времени задержки зажигания пленки керосина от температуры стальной частицы для моделей с естественной конвекцией в жидкости (1) и без учета ее (2)
приводит к некоторому увеличению значений ^ вследствие интенсификации процесса теплопере-носа в жидкости и дополнительного отвода энергии от поверхности испарения. Максимальные отклонения времен задержки зажигания для кривых 1 и 2 (см. рис. 12) достигаются при относительно небольших начальных температурах частиц (Тр = 1000 К) и составляют 6 %. При повышении значений Тр влияние естественной конвекции в жидкости на характеристики зажигания, и в частности на времена задержки уменьшается. Этот неочевидный, на первый взгляд, результат обусловлен тем, что при повышении температуры источника интенсифицируются процессы прогрева жидкости, ее испарения и последующего окисления паров в газовой фазе. В таких условиях времена задержки зажигания минимальны. При этом характерное время конвекции в жидком керосине в несколько раз превышает характерное время задержки зажигания паров этого топлива. Влияние естественной конвекции в жидкости на характеристики зажигания несущественно
(при Тр > 1300 К отклонения значений кривых 1 и 2 менее 1 %). При снижении же температуры источника энергии возрастают характерные времена некоторых стадий зажигания (прогрева приповерхностного слоя жидкости и парогазовой смеси), в результате чего роль группы процессов, в частности конвективного теплопереноса в жидкости, усиливается [29].
Сопоставление результатов исследований [25-28] и [29] позволяет сделать вывод о том, что роль конвективного тепломассопереноса в газовой фазе более масштабна по сравнению с аналогичными процессами в жидкости. Смешанная конвекция паров жидкого вещества и окислителя существенно влияет на характеристики и режимы зажигания топлив. При этом определяющее значение имеет вынужденная конвекция окислителя [25-28], от интенсивности которой зависит возможность реализации условий воспламенения.
Установлена роль выгорания приповерхностного слоя вещества в общем цикле физико-химических процессов и фазовых превращений, протекающих при зажигании жидких конденсированных веществ источниками ограниченной энергоемкости [30, 31]. Показано, что с ростом температуры источника масштабы влияния выгорания вещества на характеристики зажигания снижаются. Выявленная закономерность объясняется нелинейной зависимостью скорости химического реагирования Ж0 от температуры [30, 31]. С ростом начальной температуры источника энергии Тр процессы нагрева, испарения жидкости, прогрева парогазовой смеси, химического реагирования паров горючего с окислителем ускоряются. Времена задержки зажигания при этом значительно уменьшаются. Процесс зажигания проходит за относительно небольшой интервал времени, и жидкость не успевает существенно "выгореть". Толщина выгоревшего слоя пленки жидкости не превышает 0,3 мм [30, 31] при самом длительном временном интервале задержки зажигания (^ = 1,465 с). При повышении Тр (и сокращении уменьшаются глубина погружения источника нагрева в жидкость, размеры парового зазора и толщина выгоревшего слоя. Так, например, при Тр = 1700 К за время = 0,071 с глубина погружения частицы в жидкость не превышает 0,1 мм; размеры парового зазора между разогретой частицей и жидкостью при этом остаются менее 0,04 мм; толщина выгоревшего слоя не достигает и 0,01 мм [30,31].
Анализ закономерностей зажигания тонких пленок горючих жидкостей разогретыми частицами показывает [17-33], что в таких системах реализуются все три механизма теплопереноса — кондук-тивный, конвективный и радиационный. Для опре-
0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0
1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 Тр, К
Рис. 13. Зависимость времени задержки зажигания пленки дизельного топлива от температуры стальной частицы для моделей с радиационным теплообменом (1) и без учета его (2)
деления роли радиационного теплообмена на условия зажигания выполнен цикл теоретических исследований [32, 33]. При этом установлено, что отклонения характеристик зажигания жидкостей с учетом радиационного механизма и без учета его составляют не более 15 %(рис. 13). Кроме того, выявлено, что с ростом температуры источника нагрева эти отклонения уменьшаются [32, 33]. Так, например, при Тр = 1200 К отклонение времен задержки зажигания составляет 14,3 %, а при Тр = 2000 К — 0,5 %. При дальнейшем повышении Тр значения отклонений кривых 1 и 2 изменяются несущественно (менее 0,1 %). Полученный результат является неочевидным, так как при повышении температуры источника нагрева роль радиационного теплообмена в общем процессе прогрева жидкого топлива и парогазовой смеси возрастает. Вместе с тем при повышении температуры разогретой частицы времена задержки зажигания уменьшаются по экспоненте. Соответственно, при учете и без учета лучистого теплообмена значения td с ростом Тр существенно снижаются. При этом разность значений td (кривые 1 и 2) не возрастает, как можно было предположить, а также уменьшается.
В [32, 33] установлены диапазоны изменения начальной температуры частицы, при которых разность значений td (см. рис. 13,кривые 1 и 2),содной стороны, существенна, а с другой — наоборот, минимальна. Так, например, при высоких температурах (Тр > 2000 К) кривые 1 и 2 расходятся менее чем на 1 %, а при относительно низких температурах (Тр < 1200 К) — превышают 14 %. Этот результат объясняется тем, что при понижении Тр сокращается энергетический запас частиц [32, 33]. Вследствие этого уменьшается доля энергии, передаваемой от источника нагрева на разогрев жидкости и прогрев формирующейся парогазовой смеси, что влечет за собой повышение инерционности процесса
зажигания. Роль радиационного теплообмена становится более заметной. Дополнительная энергия, отводимая от разогретой частицы за счет лучистого теплообмена, при различных температурах Тр приводит к ускорению процессов тепломассопереноса и химической реакции окисления. Однако при высоких температурах в силу малой длительности процесса зажигания этот эффект мало заметен. При увеличении же инерционности комплекса физико-химических процессов, протекающих при зажигании жидкостей, влияние этого фактора становится ощутимым.
Зажигание смесей паров жидких горючих веществ и окислителя нагретыми неподвижными проволочками и движущимися частицами
Экспериментальные исследования [52-56] показали, что механизмы, режимы и времена задержки зажигания типичных жидких топлив (бензин, керосин, дизельное топливо, мазут) при локальном нагреве существенно различаются. Установлено [54], что бензин воспламеняется даже при отсутствии непосредственного контакта с разогретой частицей (при ее пролете над поверхностью топлива). Керосин, мазут и дизельное топливо зажигаются только в процессе погружения в них разогретых частиц. Эти результаты показали необходимость разработки моделей (см. рис. 1, в) газофазного зажигания жидких топлив локальными источниками нагрева без непосредственного контакта с жидкостью (неподвижная накаленная проволочка, находящаяся на определенном расстоянии от поверхности испаряющегося вещества, движущаяся разогретая частица в формирующейся смеси и т. п.).
Численные исследования закономерностей зажигания смесей паров жидких топлив и окислителя неподвижными локальными источниками энергии [34-36], находящимися на определенном расстоянии от поверхности жидкости, позволили установить зависимости времени задержки зажигания смесей от температуры и характерных размеров источника нагрева, температуры и влажности воздуха, расстояния от поверхности жидкости до источника. Аналогичные зависимости (рис. 14) выявлены для процессов зажигания смесей движущимися по различным траекториям разогретыми металлическими частицами [37-39].
Результаты исследований [34-39] позволяют сделать вывод о том, что во многих случаях зажигание жидких топлив накаленными проволочками, стержнями и одиночными горячими частицами происходит до их взаимодействия с открытой поверхностью топлива. Так как расстояние от поверхности, на котором происходит воспламенение, отно-
1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 Тр, К
с
0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 СЛ^о, м/с
Ьр1, мм
0,05 0,10 0,15 0,20 0,25
Рис. 14. Зависимость времени задержки зажигания смеси паров бензина с окислителем движущейся по криволинейной траектории стальной частицей от параметров: а —температуры источника энергии, Ьр = 2 мм, Нр = 4 мм, их0 = 0,5 м/с, а = 1 м/с2, Ьр1 = 20 мм, Та = 308 К, С„0 = 0; б — начальной скорости частицы, Ьр = 2 мм, Нр = 4 мм, Тр = 1500 К, а =1 м/с2, Ьр1 = 20 мм, Та = 308 К, С„0 = 0; в — начального расстояния от поверхности жидкости до движущейся частицы, Ьр = 2 мм, Нр = 4 мм, Тр = 1500 К, а =1 м/с2, их0 = 0,5 м/с, Та = 308 К, Сш0 = 0; г — температуры окружающего воздуха, Ьр = 2 мм, Нр = 4 мм, Тр = 1500 К, а = 1 м/с2, их0 = 0,5 м/с, Ьр1 = 20 мм, С„0 = 0; д — начальной влажности окружающего воздуха, Ьр = 2мм, Нр = 4 мм, Тр = 1500 К, а =1 м/с2, их0 = 0,5 м/с, Ьр1 = 20 мм, Та = 308 К
сительно невелико (например, Ьр1 = 30^40 мм при Тр = 1250^1400 К), этот механизм достаточно трудно зафиксировать в случае возникновения пожара. Однако высокая вероятность реализации этого механизма является основанием для вывода о том, что зажигание может происходить при движении проволочки, стержня и нагретой частицы параллельно поверхности испарения пожароопасных жидкостей, например при пролете частицы, образующейся при раздувании источников открытого огня, над поверхностью разлитого и испаряющегося бензина. Аналогичные условия зажигания могут возникать и при открытых горловинах емкостей с бензином, керосином и другими пожароопасными жидкостями самого различного назначения, даже если частица, проволочка и стержень не попадают непосредственно в отверстие емкости.
Особый интерес представляют условия зажигания таких сложных гетерогенных систем, как ткани, пропитанные жидкими горючими и легковоспламеняющимися веществами. На базе группы моделей тепломассопереноса проанализированы макроскопические закономерности процессов зажигания в системеразогретая до высоких температур металлическая частица - ткань, пропитанная жидким топливом - окислитель [40, 41]. Исследования были выполнены для нескольких видов топлив и материалов тканей. При этом были установлены [40, 41] зависимости времени задержки зажигания смеси паров жидкого топлива и окислителя от объемной доли жидкого горючего вещества ф в ткани и начальной температуры частицы Тр (рис. 15). Из рисунка видно резкое увеличение значений td при уменьшении параметров Тр и ф. В этом случае частица при остывании отдает тепло гетерогенной системе жидкость - ткань, которая содержит недостаточную для воспламенения массу горючего. При таких
2000 0,10
Рис. 15. Зависимость времени задержки зажигания от температуры источника нагрева и объемной доли жидкости ф в ткани в системе стальная частица - шерстяная ткань, пропитанная бензином - воздух
условиях низка вероятность возгорания, но при увеличении значений Тр и ф риск воспламенения возрастает. Приведенная нарис. 15 поверхность является границей [40, 41], разделяющей области реализации воспламенения (под поверхностью) и его отсутствия (над поверхностью).
Довольно часто резка и сварка металлов на технологических объектах выполняются в непосредственной близости от двигателей различных механизмов, строительной техники и транспортных средств. В этих случаях куски тканей, полностью или частично пропитанные бензином, керосином, дизельным топливом, трансформаторным маслом или другими пожароопасными жидкостями, используются для очистки загрязненных участков свариваемых конструкций, поверхностей двигателей транспортных средств и строительной техники от горюче-смазочных материалов. И несмотря на то что при выполнении ремонтных и строительных работ большое внимание уделяется технике безопасности, возможность возгорания пропитанной пожароопасной жидкостью ткани или смеси паров этой жидкости с окислителем высока. Это обусловлено тем, что в нормативных документах подобные ситуации не предусмотрены и не описаны из-за отсутствия соответствующих результатов теоретических и экспериментальных исследований. К тому же можно предположить, что при определенных условиях существенную роль в возгорании играет не только окисление смеси паров жидкого горючего вещества с окислителем, но и тление непосредственно материала ткани.
Зажигание смесей паров жидких горючих веществ и окислителя сфокусированным потоком излучения
Моделирование процессов зажигания смесей паров типичных жидких топлив сфокусированным потоком солнечного излучения [42-47] выполнено с применением схемы, приведенной на рис. 1, г. Численно исследованы условия нагрева жидкостей сфокусированными потоками излучения с характерными плотностями, близкими к максимальным концентрированным потокам солнечного излучения и минимальным для промышленных лазеров. Максимальная плотность солнечного излучения составляет 1,4 кВт/м2. Согласно памяткам пожарных служб для населения стеклянные сосуды (бутылки, банки и т. д.), электрические лампы накаливания, линзы фотоаппаратов, кинескопы телевизоров, капли смолы могут фокусировать потоки солнечного излучения, тем самым усиливая его в десятки и сотни раз. На практике сфокусированные солнечные потоки излучения могут иметь плотности порядка десятков и сотен кВт/м2, поэтому при моделирова-
нии плотность излучения Н1 принималась в диапазоне от 100 до 900 кВт/м2 [42-47].
Зависимость времени задержки зажигания от плотности потока излучения (рис. 16) для моделей с учетом поглощения излучения в газовой фазе (кривая 1) и без учета его (кривая 2) показывает, что времена задержки зажигания керосина меняются на несколько порядков при увеличении плотности Н;. Это обусловлено тем, что при повышении мощности излучения Р и неизменном радиусе зоны его действия Я1 возрастает плотность Н[ и увеличивается доля энергии, подводимой к жидкому топливу [42-47]. Так как плотность потока излучения максимальна на оси симметрии потока (г = 0), на этом участке с повышением плотности излучения Н1 значительно возрастает доля теплоты, расходуемой на прогрев и испарение жидкости. Из-за ограниченных размеров зоны действия излучения большая часть его энергии расходуется на разогрев небольшой площади поверхности жидкости. Это приводит к ускорению процесса испарения и увеличению количества паров, вдуваемых в воздух с поверхности жидкого вещества. Чем меньше площадь зоны действия излучения и больше его мощность, тем быстрее происходит прогрев и испарение жидкого топлива. При увеличении площади зоны действия излучения сокращаются масштабы влияния мощности на инерционность процессов тепломассопе-реноса. Аналогичным образом уменьшается степень влияния площади зоны действия излучения на время задержки зажигания при больших значениях его мощности.
При поглощении энергии излучения формирующейся вблизи поверхности жидкого топлива парогазовой смесью инерционность процессов тепло-массопереноса возрастает (см. рис. 16). Это обусловлено уменьшением доли энергии, подводимой к жидкому топливу и, как следствие, понижением массовой скорости испарения горючего вещества [42-47]. Скорость вдува паров горючего в газовую фазу снижается. При поглощении энергии излуче-
с 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5
0,
1-Вт/м2
Рис. 16. Зависимость времени задержки зажигания смеси паров керосина с окислителем от плотности потока излучения в моделях с поглощением излучения в газовой фазе (1) и без учета его (2)
ния пары разогреваются. Однако их количества недостаточно для зажигания, поэтому возрастает инерционность процесса.
Если энергия излучения в газовой фазе не поглощается, то механизм зажигания несколько меняется [42-47]. Жидкое топливо интенсивно испаряется за счет энергии непрерывно действующего потока излучения, причем массовая скорость испарения изменяется незначительно. Пары горючего вдуваются в газовую фазу также непрерывно и вступают в реакцию с окислителем, но не подогреваются дополнительно за счет поглощения энергии излучения. Зажигание происходит при превышении критических концентраций компонентов смеси в условиях относительно невысоких температур.
Для анализа критических условий зажигания потоком излучения пленки жидкого конденсированного вещества при испарении последнего можно использовать параметр х [42-47]:
X = Р веК Я*!2),
где Р — мощность потока излучения, Вт;
ве — тепловой эффект фазового перехода при испарении жидкости, кДж/кг;
— массовая скорость испарения жидкого вещества, кг/(м2-с);
Я1 — радиус зоны действия потока излучения, м. Параметр х характеризует отношение энергии, подведенной к пленке жидкости в зоне действия излучения, и энергии, затраченной на испарение жидкого вещества на этом участке. Следует отметить, что в зависимости от мощности излучения Р меняется доля энергии, подводимой к жидкости. Поэтому массовая скорость испарения вещества Же непостоянна. При вычислении параметра х учитывались значения Же, характерные для соответствующих мощностей Р, в момент воспламенения на оси симметрии зоны действия потока (г = 0,2 = Z1). Зависимость времени задержки зажигания от параметра х [42-47] показывает (рис. 17), что для реализации условий воспламенения в системе пленка жидкого топлива - поток излучения - парогазовая смесь при выбранных параметрах процесса энергетический запас источника энергии должен более чем в восемь раз превышать долю энергии, поглощаемой при испарении жидкости (хцт = 8).
Кроме того, установлено влияние распределения плотности энергии концентрированного потока излучения на условия реализации физико-химических превращений [42-47]. На рис. 18 приведены зависимости времени задержки зажигания парогазовой смеси потоками с переменной плотностью по радиусу (максимальное значение в центре потока) и постоянной плотностью Как видно из рис. 18, распределение плотности энергии потока на грани-
8 б 4
2
О 5 10 15 20 25 30 35 40 %
Рис. 17. Зависимость времени задержки зажигания смеси паров керосина сфокусированным потоком излучения от параметра х
Рис. 18. Зависимость времени задержки зажигания смеси паров керосина сфокусированным потоком излучения при переменной по сечению плотности потока излучения (/) и постоянной плотности (2)
це раздела сред заметно влияет на времена задержки зажигания только при относительно небольших плотностях энергии излучения (Н1 < 3105 Вт/м2). При плотности же энергии более 4105 Вт/м2 фактор распределения мощности излучения практически незначителен. Полученные зависимости объясняются тем, что при постоянной плотности теплового потока по радиусу к жидкости подводится больше тепла [45-47], что вызывает более интенсивное испарение бензина и повышение концентрации паров горючего в среде окислителя. Однако при увеличении мощности излучения влияние постоянной плотности Н по радиусу уменьшается, поскольку энергии в центре потока излучения достаточно для разогрева и последующего зажигания жидкости практически за тот же интервал времени, что и при постоянной плотности энергии по радиусу.
Зажигание одиночных капель жидких горючих веществ на нагретых подложках
Макроскопические закономерности зажигания жидких топлив, как правило, анализируются на базе кинетических моделей зажигания их капель [64]. Представляет интерес исследование правомерности такого подхода. Созданы физико-математические модели для описания процессов тепломассопере-
\
\
X 1Ш
носа в системе капля жидкого горючего вещества -разогретая подложка - окислитель [48, 49] и выполнено их сопоставление с данными кинетического моделирования [64]. Для максимального приближения моделей [48, 49] к реальным условиям учтены процессы деформации капель при соударении с подложкой и растекания в условиях фазового перехода (см. рис. 1, д).
Отклонения вычисленных в [48, 49] времен задержки зажигания от определенных в [64] в выбранном диапазоне изменения температуры подложки Т8 не превышают 25 % (рис. 19). При повышении температуры подложки Т8 от 950 до 1050 К эти отклонения уменьшаются до 3 %. Полученный результат позволяет сделать вывод о хорошем соответствии значений td, приведенных в [48, 49] и [64].
При Тр = Т8 = 1000 К значения td для процессов зажигания капли керосина массивным нагретым телом и частицей с ограниченным энергетическим запасом значительно различаются [48, 49]. Так, при зажигании капли керосина в системе со стальной подложкой td равно 0,053 с, а стальной частицей — 0,915 с. Масштабное отличие времен задержки зажигания в этом случае обусловлено тем, что при наличии массивного нагретого тела энергии достаточно для прогрева капли топлива, испарения горючего и разогрева формирующейся парогазовой смеси за относительно небольшой интервал времени (td = 0,053 с) [48, 49]. В случае, когда источником зажигания является разогретая частица малых размеров, вследствие ограниченного запаса энергии скорости прогрева жидкости, ее испарения, а также разогрева парогазовой смеси снижаются и, как следствие, время задержки зажигания возрастает. Лишь при Тр = 1420 К и остальных адекватных условиях процесса зажигания керосина одиночной стальной частицей td = 0,053 с. При этом время задержки зажигания в системе со стальной подложкой ни при каких условиях не достигает 0,915 с. Зажигание капель керосина при изменении температуры подложки в диапазоне 900 < Т8 < 1500 К происходит при значениях td, не превышающих 0,25 с.
Установлено [48, 49], что времена задержки зажигания капли существенно зависят от скорости ее растекания (рис. 20). Выявленные зависимости позволяют сделать вывод, что реализация условий воспламенения капли определяется достаточно сложным совместным влиянием теплосодержания металлической подложки и динамики растекания капли. С ростом скорости растекания капли инерционность процесса зажигания повышается. При деформации и растекании капли жидкости по нагретой поверхности радиус контактного пятна и площадь испарения растут. Однако одновременно с этим увеличивается и площадь капли, которая "блокирует"
О1----
900 950 1000 1050 Ts, К
Рис. 19. Зависимость времени задержки зажигания капли керосина радиусом Rd =2 мм от температуры стальной подложки: ♦ — экспериментальные значения A. J. Dean [64]; ■ — экспериментальные значения D.F.Davidson [64];--теоретические значения [48, 49]
fd>c 0,08 0,07 0,06 0,05 0,04 0,03 0,02 0,01
0 0,1 0,2 0,3 0,4 Vd, м/с
Рис. 20. Зависимость времен задержки зажигания капли керосина радиусом Rd = 2 мм от начальной скорости растекания капли Vd при различных температурах подложки Ts: 1 — 700 К; 2—800 К; 3 — 900 К; 4 —1000 К; J —1100 К; 6 —1200 К; 7 — 1300 К; 8 — 1400 К; 9 — 1500 К
выход паров горючего. При малых скоростях растекания и высоких температурах подложки скорость выхода паров горючего превышает гидродинамические скорости течения слоев капли. Разогретые пары горючего вступают в химическую реакцию с окислителем, которая ускоряется при достижении критических температур и концентраций. При высоких скоростях растекания (Vd > 0,25 м/с) слои капли "закрывают" площадь испарения, и формирующиеся пары горючего создают контуры завихрений вблизи основания капли. Лишь малая доля этих паров выходит в газовую фазу и вступает в химическую реакцию с окислителем. При снижении скорости вду-ва паров горючего в парогазовую смесь повышается инерционность процессов тепломассопереноса [48, 49].
Следует подчеркнуть, что даже при высоких скоростях растекания (Vd > 0,35 м/с) зажигание происходит (см. рис. 20). Однако условия воспламенения реализуются только при Ts > 1400 К и характеризуются относительно большими временами задержки зажигания (td > 0,07 с). При высоких температурах подложки (Ts > 1400 К) зависимость вре-
мен задержки зажигания td от скорости растекания, которая варьируется в диапазоне 0 < < 0,15 м/с, практически линейная (время задержки зажигания изменяется в пределах 1 %). Этот результат показывает, что существуют такие режимы зажигания капли [48, 49], при которых доминирующую роль играет температура источника, а влияние других факторов незначительно.
Кроме того, выявлены зависимости времен задержки зажигания одиночной капли жидкого топлива на разогретой подложке от температуры и размеров капли, а также от внешних условий (температура и влажность воздуха) [48, 49].
Выполненные численные исследования [6-51] позволили выработать рекомендации для обеспечения пожарной безопасности различных технологических процессов с возможным образованием локальных источников нагрева (резка, сварка, трение, шлифование металлов и т. д.) в непосредственной близости от участков хранения, транспортирования, перегрузки и переработки горючих и легковоспламеняющихся жидкостей:
1) проводить огневые работы при минимально возможных температурах функционирования сварочных аппаратов;
2) использовать закрытые сосуды для хранения жидких горючих и легковоспламеняющихся веществ, что позволит предотвратить возможность испарения жидкостей в комнатных условиях и формирование пожаровзрыво-опасных парогазовых смесей;
3) установить в помещении минимальную температуру и максимальную влажность воздуха, при которых возможно хранение горючих и легковоспламеняющихся жидкостей;
4) организовать принудительную вентиляцию помещения (скорость воздушных потоков не менее 2 м/с) перед началом работ;
5) обеспечить достаточную удаленность сварочных электродов и других аппаратов от резервуаров и участков перегрузки жидкостей (минимальное расстояние, при прохождении которого формирующиеся источники энергии — металлические частицы, проволочки или стержни остывают до "безопасных" температур [6-51]);
6) устранить посторонние предметы (например, ткани, пропитанные смазочными, горючими и легковоспламеняющимися веществами) с рабочих участков.
Разработанная по результатам численных исследований [6-51] общая теория тепломассопере-носа при зажигании жидких конденсированных веществ и парогазовых смесей типичными локальными источниками энергии обладает большим
прогностическим потенциалом. Так, например, задачи газофазного зажигания твердых конденсированных веществ (в частности, композиционных и полимерных материалов) могут быть решены с использованием математического аппарата [6-51]. При этом задача о зажигании, например, термопластичного полимерного аморфного материала будет существенно проще по постановке и процедуре решения по сравнению с задачами о зажигании горючей жидкости нагретой до высоких температур частицей, проволочкой или стержнем. Скорости процессов термического разложения и сублимации полимеров много меньше скоростей испарения горючих и пожароопасных жидкостей при идентичных условиях нагрева. Соответственно, и интенсивность всех процессов тепломассопереноса будет у полимеров ниже, чем у жидкости. В итоге градиенты температур и скорости их изменения в области решения будут также существенно ниже, что повлечет за собой упрощение методов и алгоритмов решения задач зажигания твердых конденсированных веществ локальными источниками. Решение задач зажигания полимеров в рассматриваемых условиях будет упрощено еще и потому, что процесс термического разложения полимерных материалов протекает не на поверхности, как испарение жидкости, а в небольшой по размерам зоне, соответствующей перепаду температур 400-800 К. Этот фактор значительно упрощает алгоритм вычислений, потому что становится возможным использование более крупных шагов разностной сетки по пространственным и временной координатам. Аналогичные задачи зажигания могут быть решены и для природных веществ (древесина, уголь, торф и др.). В этом случае математический аппарат [6-51] является достаточным для моделирования процессов газофазного зажигания любых природных веществ.
Наиболее сложным для численного моделирования из всех возможных вариантов, скорее всего, является зажигание кристаллических полимерных материалов, плавящихся при высокотемпературном нагреве, а затем проходящих стадию термического разложения. Но и в этом случае задача, по существу, сводится к решению систем уравнений [6-51] (с соответствующими краевыми условиями) в зависимости от формы источника нагрева и условий его взаимодействия с горючим материалом. Можно утверждать, что и для этой группы пожароопасных материалов разработаны теоретические основы анализа условий зажигания при локальном нагреве.
***
Работа выполнена при финансовой поддержке гранта Президента Российской Федерации (МК-330.2010.8).
2
4)| 0869-7493 ООЖАРОВЗРЫВОБЕЗООАСНОСТЬ 2011 ТОМ 20 №11
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Акинин Н. И., Булхов Н. Н., Гериш В. А. Статистический анализ причин аварий и травматизма на опасных производственных объектах // Пожаровзрывобезопасность. — 2010. — Т. 19, № 10.
— С.53-55.
2. Горшков В. И. Тушение пламени горючих жидкостей. — М.: Пожнаука, 2007. — 268 с.
3. Романенков И. Г., Левитес Ф. А. Огнезащита строительных конструкций. — М. : Стройиздат, 1991.— 320 с.
4. Хренов К. К. Сварка, резка и пайка металлов. — М. : Машиностроение, 1970. — 408 с.
5. Ерохин А. А. Основы сварки плавлением. Физико-химические закономерности. — М.: Машиностроение, 1973. — 443 с.
6. Кузнецов Г. В., Стрижак П. А. Математическое моделирование зажигания жидкого горючего вещества нагретой до высоких температур частицей // Известия вузов. Физика. — 2007. — № 9/2. — С. 103-112.
7. Кузнецов Г. В., Стрижак П. А. Моделирование воспламенения жидкого вещества горячей частицей // Химическая физика. — 2009. — № 5. — С. 90-97.
8. Кузнецов Г. В., Стрижак П. А. Воспламенение пожароопасной жидкости одиночной "горячей" частицей // Пожаровзрывобезопасность. — 2007. — Т. 16, № 6. — С. 13-20.
9. KuznetsovG. V., StrizhakP.A. Heat and mass transfer at the ignition of a liquid substance by a single "hot" particle // Journal of Engineering Thermophysics. — 2008. — No. 3. — P. 244-252.
10. Кузнецов Г. В., Стрижак П. А. Зажигание накаленной одиночной частицей жидких углеводородных топлив // Известия Томского политехнического университета. — 2008. — № 4. — С. 5-9.
11. 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.
12. Кузнецов Г. В., Стрижак П. А. Влияние фазового состояния частиц металлов на условия зажигания пожароопасных жидкостей // Пожаровзрывобезопасность. — 2008. — Т. 17, № 4. — С.17-21.
13. Kuznetsov G. V., Strizhak P. A. The influence of heat transfer conditions at the hot particle - liquid fuel interface on the ignition characteristics // Journal of Engineering Thermophysics. — 2009. — No. 2. — P. 162-167.
14. KuznetsovG. 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. — No. 1. — P. 72-79.
15. Кузнецов Г. В., Стрижак П. А. О возможности использования одномерной модели при численном анализе процесса зажигания жидкого конденсированного вещества одиночной нагретой частицей // Физика горения и взрыва. — 2010. — № 6. — С. 78-85.
16. Стрижак П. А. Упрощенная постановка задачи зажигания горючих и легковоспламеняющихся жидкостей источником ограниченной энергоемкости // Пожарная безопасность. — 2011. — № 3. — С. 44-49.
17. Кузнецов Г. В., Стрижак П. А. Зажигание пленки дизельного топлива частицей расплавленного металла в форме полусферы // Пожаровзрывобезопасность. — 2009. — Т. 18, № 3. — С. 39-43.
18. Кузнецов Г. В., Стрижак П. А. Численное решение задачи воспламенения жидкого пожароопасного вещества одиночной "горячей" частицей // Физика горения и взрыва. — 2009. — № 5. — С. 42-50.
19. Кузнецов Г. В., Стрижак П. А. Влияние формы разогретой металлической частицы на характеристики процесса зажигания горючей жидкости // Пожаровзрывобезопасность. — 2009. — Т. 18, № 6. — С. 20-24.
20. Кузнецов Г. В., Стрижак П. А. Влияние формы нагретой до высоких температур частицы на газофазное зажигание пленки жидкого конденсированного вещества // Химическая физика.
— 2010. — № 2. — С. 249-255.
21. Kuznetsov G. V., Strizhak P. A. On peculiarities of heat and mass transfer in a hot metal particle — liquid fuel condensed substance — air system // Journal of Engineering Thermophysics. — 2009. — No. 3. — P. 241-248.
22. Кузнецов Г. В., Стрижак П. А. Оценка пожарной опасности процессов взаимодействия разогретых частиц с пленками горючих жидкостей на химических производствах // Безопасность труда в промышленности. — 2009. — № 10. — С. 54-58.
23. Кузнецов Г. В., Стрижак П. А. Особенности зажигания пленки жидкого топлива двумя разогретыми до высоких температур металлическими частицами // Пожарная безопасность. — 2009. — № 2.— С. 60-64.
24. Kuznetsov G. V., StrizhakP. A. On the scale of "simultaneous" influence of several "hot" particles on the conditions of heat and mass transfer at ignition of liquid condensed substance // Journal of Engineering Thermophysics. — 2009. — No. 4. — P. 263-270.
25. Стрижак П. А. Анализ условий и характеристик пожароопасных процессов зажигания пленок жидких нефтепродуктов нагретыми до высокихтемператур металлическими частицами // Известия Самарского научного центра РАН. — 2009. — № 9. — С. 236-240.
26. Кузнецов Г. В., Стрижак П. А. Влияние скоростей воздушных масс на характеристики зажигания пленок горючих жидкостей разогретыми частицами // Пожарная безопасность. — 2009.
— № 3.— С. 96-100.
27. Кузнецов Г. В., Стрижак П. А. Газофазное зажигание пленки жидкого конденсированного вещества нагретой до высокихтемператур металлической частицей в условиях смешанной конвекции // Инженерно-физический журнал. — 2009. — № 6.— С. 1052-1058.
28. Кузнецов Г. В., Панин В. Ф., Стрижак П. А. Прогностический анализ пожарной опасности возгораний жидких топлив при проведении ремонтных работ на тепловых электрических станциях // Безопасность жизнедеятельности. — 2009. — № 12. — С. 32-36.
29. Strizhak P. A. Numerical estimation of the influence of natural convection in liquid on the conditions of ignition by a local heat source // Journal of Engineering Thermophysics. — 2011. — № 2. — P.211-216.
30. Стрижак П. А. Численный анализ влияния выгорания жидкого топлива на характеристики его зажигания источником ограниченной энергоемкости // Пожаровзрывобезопасность. — 2010.
— Т.19,№ 12. — С. 4-8.
31. Высокоморная О. В., Кузнецов Г. В., Стрижак П. А. Моделирование зажигания жидкого топлива локальным источником нагрева в условиях выгорания жидкости // Химическая физика.
— 2011. — № 8. — С. 62-67.
32. Kuznetsov G. V., Strizhak P. A. The influence of radiation heat exchange on characteristics of liquid fuel ignition by a heated metal particle // Journal of Engineering Thermophysics. — 2010. — No. 1.
— P. 1-8.
33. Высокоморная О. В., Кузнецов Г. В., Стрижак П. А. Численный анализ вероятности возгорания мазута на тепловых электрических станциях // Энергобезопасность и энергосбережение.
— 2009. — № 6. — С. 7-12.
34. Кузнецов Г. В., Стрижак П. А. Особенности газофазного зажигания смеси паров керосина с воздухом нагретой до высокихтемператур стальной проволочкой // Инженерно-физический журнал. — 2009. — № 6. — С. 1046-1051.
35. Кузнецов Г. В., Стрижак П. А. Особенности зажигания парогазовой смеси нагретой до высокихтемператур металлической частицей // Пожаровзрывобезопасность. — 2008. —Т. 17, № 3.
— С.25-33.
36. Кузнецов Г. В., Стрижак П. А. Пожарная опасность формирования разогретых до высоких температур частиц металлов в непосредственной близости от участков испарения горючих жидкостей // Пожарная безопасность. — 2009. — № 1. — С. 67-71.
37. 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. — Vol. 53. — P. 923-930.
38. Кузнецов Г. В., Стрижак П. А. Численное исследование процесса зажигания парогазовой смеси движущейся разогретой металлической частицей // Пожаровзрывобезопасность. — 2009. — Т. 18, № 5. — С. 7-14.
39. Кузнецов Г. В., Стрижак П. А. Зажигание парогазовой смеси движущимся источником нагрева малых размеров // Химическая физика. — 2010. — № 2. — С. 29-37.
40. Кузнецов Г. В., Стрижак П. А. Пожароопасность процессов взаимодействия разогретых до высокихтемператур частиц с тканями, пропитанными горючими жидкостями // Пожаровзрывобезопасность. — 2008. — Т. 17, № 5. — С. 16-22.
41. Кузнецов Г. В., Стрижак П. А. Тепломассоперенос при зажигании горячей частицей паров жидкого топлива, поступающих в воздух с поверхности пропитанной им ткани // Инженерно-физический журнал. — 2009. — № 3. — С. 454-460.
42. Кузнецов Г. В., Стрижак П. А. Зажигание жидкого топлива сфокусированным потоком светового излучения // Пожаровзрывобезопасность. — 2010. — Т. 19, № 3. — С. 9-13.
43. Vysokomornaya О. V., Kuznetsov G. V., Strizhak P. A. Numerical analysis of heat-mass transfer mechanisms in gas-phase ignition of films of liquid condensed substances by a laser beam // Journal of Engineering Thermophysics. — 2010. — No. 2. — P. 85-93.
44. Кузнецов Г. В., Стрижак П. А. Численное моделирование лазерного зажигания пленки жидкого топлива // Химическая физика. — 2010. — № 8.— С. 60-66.
45. Высокоморная О. В., Кузнецов Г. В., Стрижак П. А. Численное моделирование особенностей тепломассопереноса при зажигании жидкого конденсированного вещества лазером // Тепловые процессы в технике. — 2011. — № 3.—С. 113-117.
46. Высокоморная О. В., Кузнецов Г. В., Стрижак П. А. Тепломассоперенос при локальном нагреве и зажигании жидкого топлива сфокусированным потоком излучения // Известия Томского политехнического университета. — 2010. — № 4. — С. 29-33.
47. Vysokomornaya О. V., Kuznetsov G. V., Strizhak P. A. Numerical solution of the plane heat-mass transfer problem in a system of focused radiation flux — liquid condensed substance film — oxidizer // Journal of Engineering Thermophysics. — 2011. — No. 1. — P. 34-41.
48. Кузнецов Г. В., Стрижак П. А. Определение кинетики зажигания типичных жидких топлив источниками нагрева с конечным запасом энергии // Пожаровзрывобезопасность. — 2009. — Т. 18, № 7. — С. 35-40.
49. Kuznetsov G. V., Strizhak P. A. Heat and mass transfer at the ignition of liquid fuel droplet spreading on the hot surface // Journal of Engineering Thermophysics. — 2010. — No. 2. — P. 75-84.
50. Кузнецов Г. В., Стрижак П. А. Зажигание конденсированных веществ при локальном нагреве.
— Новосибирск : Изд-во СО РАН, 2010. — 269 c.
51. Стрижак П. А. Тепломассоперенос при зажигании жидких конденсированных веществ и парогазовых смесей локальными источниками энергии: дис. ... д-ра физ.-мат. наук. — Томск, 2011. — 393 с.
52. Кузнецов Г. В., Захаревич А. В., Максимов В. И. Зажигание жидкого пожароопасного вещества одиночной "горячей" металлической частицей // Известия вузов. Физика. — 2007. — № 9/2. — С. 90-95.
53. Кузнецов Г. В., Захаревич А. В., Максимов В. И. Зажигание дизельного топлива одиночной "горячей" металлической частицей // Пожаровзрывобезопасность. — 2008. — Т. 17, № 4. — С.28-30.
54. Кузнецов Г. В., Захаревич А. В., Максимов В. И. О механизме зажигания бензина одиночной нагретой до высоких температур металлической частицей // Пожаровзрывобезопасность. — 2008. — Т. 17, № 5. — С. 39-42.
55. Захаревич А. В., Кузнецов Г. В., Максимов В. И., Панин В. Ф., Равдин Д. С. Оценка пожарной опасности мазута в условиях перегрузки, хранения и транспорта на тепловых электрических станциях// Известия Томского политехнического университета. — 2008. — № 3. — С. 30-33.
56. Захаревич А. В. Зажигание твердых и жидких конденсированных веществ одиночными нагретыми до высоких температур частицами : дис.... канд. физ.-мат. наук. — Томск, 2008. — 117 с.
57. Vilyunov V. N., Zarko V. Е. Ignition of Solids. — Amsterdam : Elsevier Science Publishers, 1989. — 442 p.
58. Самарский А. А. Теория разностных схем. — M. : Наука, 1983. — 616 с.
59. Коздоба Л. А. Методы решения нелинейных задач теплопроводности. — M. : Наука, 1975. — 227 с.
60. Щетинков Е. С. Физика горения газов. — М. : Наука, 1965. — 739 с.
61. Корольченко А. Я., Корольченко Д. А. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов и средства их тушения : справочник. — М. : Пожнаука, 2004. — Ч. 1. — 713 с.
62. Варгафтик Н. Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. — М. : ООО "Старс", 2006. — 720 с.
63. Теплотехнический справочник/ В. Н. Юренева, П. Д. Лебедева. — M : Энергия, 1975. — Т. 1.
— 743 с.
64. Dagaut P., Cathonnet M. The ignition, oxidation, and combustion of kerosene: a review of experimental and kinetic modeling // Progress in Energy and Combustion Science. — 2006. — Vol. 32. — P. 48-92.
Материал поступил в редакцию 26 сентября 2011 г.
Электронный адрес автора: [email protected]
