Тепломассоперенос при зажигании пожароопасных жидкостей одиночной нагретой до высоких температур частицей тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.14, кандидат физико-математических наук Стрижак, Павел Александрович

• Стрижак, Павел Александрович
• кандидат физико-математических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Стрижак, Павел Александрович

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕНОЕ СОСТОЯНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ЗАЖИГАНИЯ ПОЖАРООПАСНЫХ ЖИДКОСТЕЙ ОДИНОЧНОЙ НАГРЕТОЙ'ДО ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР

ЧАСТИЦЕЙ.

ГЛАВА 2. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ О ТЕПЛОМАССОПЕРЕНОСЕ ПРИ ЗАЖИГАНИИ ЖИДКОГО ГОРЮЧЕГО ВЕЩЕСТВА НАГРЕТОЙ ДО ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР ЧАСТИЦЕЙ И МЕТОД РЕШЕНИЯ.

2.1 Физическая постановка.

2.2 Математическая постановка.

2.3 Метод решения.

2.4 Решение уравнения энергии.

2.5 Решение уравнений теплопроводности.

2.6 Решение уравнения диффузии.

2.7 Решение уравнения Пуассона для функции тока.

2.8 Постановка граничных условий для уравнения вектора вихря скорости.

2.9 Решение уравнения для вектора вихря скорости.

2.10 Оценка достоверности получаемых результатов.

2.11 Алгоритм решения задачи.

ГЛАВА 3. РЕШЕНИЕ ТЕСТОВЫХ ЗАДАЧ.

3.1 Одномерный теплоперенос в плоской бесконечной пластине с фазовым переходом на границе (испарение материала).

3.2 Одномерный теплоперенос в плоской бесконечной пластине с химической реакцией в материале (термическое разложение).

3.3 Двумерный теплоперенос в пластине с фазовым переходом на двух границах (испарение материала).

3.4 Движение жидкости в полости с подвижной верхней крышкой.

3.5 Естественная конвекция в замкнутой прямоугольной области.

ГЛАВА 4. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЗАЖИГАНИЯ ЖИДКИХ ТОПЛИВ ОДИНОЧНОЙ ГОРЯЧЕЙ ЧАСТИЦЕЙ.

4.1 Зажигание жидкого топлива одиночной частицей, находящейся на его поверхности, в рамках диффузионной модели воспламенения .'.'.

4.2 Зажигание жидкого топлива одиночной частицей, находящейся на его поверхности, с учетом диффузии и конвекции при переносе паров горючего в среде окислителя.

4.3 Влияние парового зазора между частицей и жидкостью на характеристики зажигания.

4.4 Влияние частичного погружения источника нагрева в жидкость на характеристики зажигания.

4.5 Влияние процесса кристаллизации горячей частицы на характеристики зажигания.

4.6 Влияние зависимостей теплофизических характеристик взаимодействующих веществ от температуры на характеристики зажигания.

4.7 Зажигание жидкого топлива одиночной частицей, находящейся на некотором расстоянии от его поверхности.

4.8 Зажигание одиночной частицей паров жидкого топлива, поступающих в воздух с поверхности ткани, пропитанной пожароопасной жидкостью.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Тепломассоперенос при зажигании пожароопасных жидкостей одиночной нагретой до высоких температур частицей»

На ранних стадиях исследований процессов воспламенения и горения веществ, находящихся в различных агрегатных состояниях, основное внимание уделялось их преобразованию в результате химических реакций [1]. С расширением областей использования процессов воспламенения и горения исследования стали носить больше физический, чем химический характер. Вероятно, это связано с тем, что в большинстве случаев-изменение характерных параметров воспламенения и горения в значительной степени определяются более длительными физическими процессами, а не высокоскоростными химическими реакциями окисления [2].

Необходимость исследования процессов взаимодействия одиночных горячих частиц малых размеров с горючими жидкостями объясняется рядом факторов, наиболее значимыми из которых являются широкое распространение этих процессов на практике и* отсутствие в литературе какой либо-информации об их механизмах и основных закономерностях.

Несмотря на большую профилактическую работу, направленную на повышение пожарной безопасности промышленных предприятии, жилых зданий и сооружений, ежедневно^ в стране [3—5] и в мире [6, 7] происходят сотни небольших и десятки крупных пожаров. Ежегодно регистрируются тысячи воспламенений, которые удалось заранее обнаружить и предотвратить дальнейшее развитие пожаров [8]. Среди этих воспламенений наибольшую пожароопасность традиционно представляют возгорания жидких нефтепродуктов.

Проблема безопасного использования и хранения пожароопасных жидкостей является особо острой, для теплоэнергетики, химической, нефтехимической, нефтеперерабатывающей и родственных им отраслей промышленности. Это объясняется тем, что в перечисленных отраслях промышленности присутствуют большие объёмы жидких нефтепродуктов и других горючих материалов, а также достаточное количество различных по своей природе потенциальных источников воспламенения [8].

Нередко из-за разгерметизации аппаратов, трубопроводов и резервуаров с горючими жидкостями на предприятиях происходят аварии технологического оборудования [8]. Образующиеся при этом неконтролируемые объёмы жидких нефтепродуктов испаряются, пары горючего перемешиваются с окислителем в окружающем воздухе, формируется" парогазовая смесь. При наличии высокотемпературного источника зажигания химические реакции окисления в смеси ускоряются, следствием этого может стать как пожар, так и взрыв [9-11]. В связи с высокой пожароопасностью ряда горючих материалов, в частности, жидких топлив, требуется более глубокое изучение процессов их воспламенения. Следует отметить, что для решения обозначенной проблемы выполнен ряд работ [2, 12—14], однако не все факторы риска установлены.

Если в технологическом процессе используются жидкие горючие вещества и существует возможность их контакта с воздухом, то опасность пожара или взрыва может возникнуть как внутри технологических аппаратов, так и вне их, в помещениях и на открытых площадках [8]. Болыиую пожароопасность представляют аппараты, емкости и резервуары с горючими жидкостями, так как нередко они не заполнены полностью и в пространстве над жидкостью образуется паровоздушная взрывоопасная смесь. К числу потенциально пожароопасных помещений также относятся малярные участки и цехи предприятий, где в качестве растворителей используют легковоспламеняющиеся жидкости [8].

Известно большое количество потенциальных источников зажигания горючих жидкостей [8]. В связи с интенсивно развивающимися техникой и технологиями их число постоянно растет. Однако имеются такие источники зажигания, при первом рассмотрении которых трудно прогнозировать вероятность воспламенения жидкостей. К числу таких источников зажигания пожароопасных жидких веществ относятся одиночные нагретые до высоких температур частицы малых размеров различной физической природы.

Одиночные горячие частицы нередко на практике образуются в ходе технологических процессов на различных производствах. В частности, на предприятиях металлургической промышленности при обработке заготовительных материалов образуются твердые и жидкие металлические частицы малых размеров, температура нагрева которых превышает несколько сотен градусов. К формированию данного рода частиц также могут приводить неконтролируемые техногенные и природные процессы (например, пожары и взрывы). На первый взгляд эти частицы не представляют серьёзной пожароопасности. Однако на практике довольно часто источниками локальных очагов пожаров выступают углеродистые частицы, образующиеся при горении костров, металлические частицы, формирующиеся при резке, сварке, шлифовании металлов, заточке инструментов и других технологических процессах [8, 15-18]. В работе [15] установлено, что горячие частицы, возникающие от трения металлов, представляют реальную опасность пожара в пространствах, заполненных горючими газами, парами и пылью в опасных концентрациях. В связи с этим возникает необходимость исследования процессов взаимодействия горючих веществ с нагретыми до высоких температур частицами малых размеров.

Анализ механизмов воспламенения конденсированных веществ [14] показывает, что основную роль в создании условий для зажигания играют процессы тепло - и массопереноса в малой окрестности зоны контакта горючего вещества и источника нагрева.

Процессы тепло — и массопереноса при взаимодействии твердых конденсированных веществ с одиночными горячими частицами исследованы достаточно полно в работе [19]. Процессы взаимодействия одиночных разогретых частиц с жидкими топливами остаются не изученными.

Исследования процессов зажигания, воспламенения, самовоспламенения и горения веществ, находящихся в различных агрегатных состояниях, нередко связаны с постоянно увеличивающейся потребностью промышленности и военной техники в новых видах топлив, новых методах подготовки топлив перед воспламенением, новых способах зажигания и сжигания топлив с целью получения больших энергетических эффектов. В последнее время процессам зажигания и горения уделяется особое внимание также по ряду других причин. Наиболее важной из них является повышение пожарной безопасности промышленных предприятий и жилых домов. Довольно часто исследования в области горения различных веществ выполняются с целью решения нескольких выше обозначенных проблем. В частности, можно выделить ряд работ по изучению процессов зажигания и горения твердых конденсированных веществ, результаты которых Широко используются в фундаментальных исследованиях и при проведении экспериментов [14, 19-25].

В тоже время теоретическому и экспериментальному исследованию процессов воспламенения жидких горючих веществ уделено мало внимания. Это, очевидно, связано с существенной сложностью газофазных Моделей воспламенения горючих жидкостей по сравнению с твердофазными, традиционно используемыми для теоретического исследования процессов воспламенения твердых конденсированных веществ [14]. В частности, сложность механизма воспламенения жидкостей при их взаимодействии с одиночными нагретыми до высоких температур частицами объективно обусловлена совместным протеканием взаимосвязанных процессов различной физической природы: испарение жидкости или её термическое разложение, теплопроводность, диффузия и конвекция паров горючего в среде окислителя, кристаллизация вещества частицы с дополнительным выделением энергии, формирование парового зазора между частицей и жидкостью, частичное или полное погружение частицы в жидкость. Следует отметить, что процесс воспламенения жидкостей протекает при взаимном влиянии тепловых, кинетических и гидродинамических условий [2]. Скорости процессов воспламенения определяются интенсивностью тепло — и массопереноса в газовой области над поверхностью жидкости, теплопроводностью твердой (частица) и жидкой (жидкое топливо) областей, кинетикой процессов испарения и воспламенения жидкости и рядом других факторов [2, 14].

Для изучения основных закономерностей процессов горения жидких топлив выполнялись теоретические и экспериментальные исследования процессов воспламенения и горения капель этих топлив [2, 15, 26-32]. Основное внимание при изучении закономерностей процессов воспламенения и горения капель жидкостей уделялось кинетическому моделированию. В меньшей степени рассматривались процессы тепло — и массопереноса. Однако, для правильного понимания и объяснения основных закономерностей зажигания и горения капель жидкостей необходим тщательный анализ совокупности физико-химических процессов, отдельных механизмов, стадий и всего исследуемого процесса в целом. В результате этого анализа, очевидно, станет возможным наиболее полное описание механизмов и закономерностей процессов воспламенения и горения капель жидких топлив. На основе результатов теоретического анализа этих процессов можно объяснить ряд закономерностей процессов тепло - и массопереноса при зажигании жидких топлив одиночной частицей, но достаточно трудно создать математический аппарат для полного описания исследуемого процесса.

Традиционно при изучении процессов горения капель жидких топлив принимается ряд допущений, которые существенно не влияют на качественную картину исследуемого процесса, однако количественно могут приводить к значительным отклонениям ряда характерных параметров от реальных [26-32]. Принятие допущений довольно часто связано с невозможностью адекватно и просто описать исследуемый процесс.

Кроме высокой пожароопасности актуальность проблемы зажигания жидких топлив одиночной горячей частицей также объясняется необходимостью разработки новых способов зажигания топлив, находящихся в жидком агрегатном состоянии, в различных энергетических установках, технических устройствах, двигателях разного назначения [15]. Основным показателем эффективности применения этих способов является минимизация времени задержки воспламенения топлива.

Для решения обозначенной проблемы были предприняты попытки разработки технологии зажигания газовой и парогазовой смесей накаленными телами. В частности, в работе [15] рассмотрены основные закономерности процессов зажигания смесей природного и городского газов с воздухом полосой, стержнями и шариками накаленного металла. Установлено, что интенсивность процессов зажигания определяется размерами, температурой и каталитическим действием источника зажигания. В этих исследованиях газы с воздухом предварительно перемешаны перед воспламенением. Считается, что состав смеси остается неизменным. Однако на практике при воспламенении жидкостей процессы диффузии, конвекции и смешения паров горючего с окислителем в окружающем воздухе проходят параллельно и продолжаются с момента начала нагревания жидкости до её полного выгорания.

Вследствие отсутствия как экспериментальных, так и теоретических данных об основных закономерностях процессов тепло - и массопереноса при зажигании пожароопасных жидкостей одиночными горячими частицами различной физической природы возникают трудности с определением необходимых условий их хранения при возможном образовании в непосредственной близости реальных источников воспламенения (горячих частиц). К ним относятся: высокие скорости реакций окисления, малые размеры и высокие температуры источников зажигания (одиночных частиц).

Экспериментальное исследование таких процессов требует использования высокоточной измерительной техники, больших затрат ресурсов и времени. В ряде случаев вообще невозможны такие исследования вследствие малых размеров источников зажигания, зон воспламенения и времен задержки воспламенения. При теоретическом исследовании процессов воспламенения необходимо рассматривать области малых размеров с большими градиентами температур, концентраций горючего и окислителя [14]. В связи с постоянным усовершенствованием средств вычислительной техники нередко основным инструментом исследования закономерностей высокоскоростных и высокотемпературных процессов зажигания выступает математическое моделирование.

По этим причинам теоретическое исследование основных закономерностей процессов' тепло« — и массопереноса при зажигании жидкостей одиночной нагретой до-высоких температур частицей1 является актуальной, не решенной-до настоящего времени, задачей.

Целью работы является численное исследование закономерностей процессов тепло — и массопереноса при газофазном зажигании жидких горючих веществ одиночными нагретыми до высоких температур частицами малых размеров в рамках модели, учитывающей' двумерный теплоперенос, испарение жидкости, диффузию и конвекцию паров горючего в среде окислителя, кристаллизацию' источника зажигания, кинетику процессов испарения и воспламенения жидкостей.

Задачи исследования процессов тепло - и массопереноса при зажигании жидких топлив одиночными частицами состояли в установлении зависимостей основного параметра зажигания — времени- задержки воспламенения горючей жидкости от начальной температуры, размеров и материала частицы и определении влияния на него процессов кристаллизации частицы, зависимости теплофизических характеристик частицы, воспламеняемой жидкости и воздуха от температуры, неидеальности теплового' контакта на границе «частица - жидкость» (наличия парового зазора между частицей и жидкостью), частичного погружения источника зажигания в жидкое горючее вещество.

При теоретическом анализе основных закономерностей процессов зажигания паров жидких топлив одиночными нагретыми до высоких температур частицами, находящимися на фиксированном расстоянии от поверхности жидкости, задачи исследования состояли в получении численного решения задачи тепломассопереноса при газофазном воспламенении парогазовой смеси, образующейся вследствие испарения жидкости при достаточно низкой (комнатной) температуре, определении влияния на время задержки воспламенения величины расстояния от поверхности жидкости до частицы, температуры окружающего воздуха, начальной температуры, размеров и тепло физических характеристик материала частицы.

Задачи численного анализа процесса зажигания паров жидкого горючего вещества, поступающих в воздух с поверхности пропитанной пожароопасной жидкостью ткани, состояли в установлении зависимостей времени задержки воспламенения от величины объёмной доли жидкого топлива в ткани, начальной температуры частицы, вида топлива и материала ткани. .

Из числа наиболее важных задач исследований следует выделить необходимость установления положения зоны воспламенения в газовой фазе относительно поверхностей жидкости и частицы для случаев различных постановок задачи зажигания пожароопасной жидкости.

Научная новизна работы. Впервые поставлена и решена задача о тепломассопереносе при газофазном зажигании жидкого горючего вещества одиночной нагретой до высоких температур частицей малых размеров в рамках модели, учитывающей испарение жидкости, двумерный теплоперенос, диффузию и конвекцию паров горючего в среде окислителя, кинетику процессов испарения и воспламенения жидкостей, кристаллизацию частицы, наличие парового зазора между частицей и жидкостью, частичное погружение источника зажигания в жидкость. Задача не имеет аналогов по постановке, методу решения и полученным результатам.

В работе выполнено численное моделирование процессов тепло - и массопереноса при воспламенении широко распространенных жидких топлив (бензин, керосин, дизельное топливо) горячими углеродистыми и металлическими (сталь, алюминий) частицами. Теоретический анализ установил влияние ряда факторов на процесс воспламенения жидкого горючего вещества, таких как, размеры, начальная температура и теплофизические характеристики частицы, теплофизические и термохимические характеристики жидкого горючего вещества, процесс кристаллизации источника зажигания, наличие парового зазора между частицей и жидкостью, положение частицы (частичное погружение в жидкость, нахождение на поверхности жидкости).

Практическая значимость. Созданные математические модели, алгоритм и методы численного решения задач зажигания могут быть .использованы для оценки пожарной опасности процессов взаимодействия типичных жидких топлив с одиночными горячими частицами различной физической природы. Полученные результаты исследований создают объективные предпосылки для прогнозирования возникновения и объяснения механизмов локальных очагов пожаров на практике. Представленные в работе численные значения характеристик зажигания служат дополнительной основной для построения и апробации моделей воспламенения жидких конденсированных веществ.

Исследования выполнялись при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (код проекта 06-08-00366-а).

Степень достоверности результатов проведенных исследований. Оценка достоверности полученных в ходе вычислений результатов проводилась проверкой консервативности разностной схемы. Тестирование выбранных численных методов и разработанного алгоритма решения основной задачи выполнено на ряде менее сложных нестационарных, нелинейных задач теплопроводности, гидродинамики, конвективного тепло - и массообмена.

Автор защищает:

1. Постановку задачи, численные результаты исследований закономерностей процессов тепломассопереноса при газофазном зажигании жидкого горючего вещества одиночной нагретой до высоких температур частицей малых размеров в рамках модели, учитывающей испарение жидкости, двумерный теплоперенос, диффузию и конвекцию паров горючего в среде окислителя, кристаллизацию источника зажигания, кинетику процессов испарения и воспламенения-жидкостей.

2. Рёзультаты численного' исследования» влияния ряда факторов; (начальная температура, размеры, теплофизические характеристики материала частицы, теплофизические и термохимические: характеристики жидкого горючего вещества, кристаллизация; частицы, формирование парового зазора между частицей; и жидкостью, частичное погружение источника зажигания в жидкость) на основные характеристики процессов зажигания пожароопасных жидкостей одиночными горячими частицами.

3: Результаты численного моделирования процесса зажигания интенсивно испаряющегося жидкого топлива; одиночной частицей при отсутствии непосредственного контакта между ними.

4. Результаты численного моделирования процесса зажигания смеси окислителя с парами жидкого топлива, поступающими в окружающий воздух, с поверхности, участка ткани, содержащей фиксированную'объёмную долю компонентов жидкости.

Апробация работы. Основные положения: и результаты диссертации' докладывались и обсуждались на конференции молодых ученых в рамках IX международной; конференции «Средства и системы автоматизации»- (Томск, 2007), на XIII Всероссийской научно-технической конференции «Энергетика: экология^ надёжность, безопасность» (Томск,. 2001),. на международной научно-технической конференции «Современные;техника и; технологии - 2008» (Томск,, 2008), на V международной конференции студентов и молодых ученых «Перспективы, развития фундаментальных наук» (Томск, 2008):

Публикации. Основные: результаты диссертации: представлены в;трудах вышеперечисленных конференций; а также в журналах: «Известия; высших учебных заведений: Физика», «Известия Томского политехнического университета», «Пожаровзрывобезопасность».

Содержание работы.

Первая глава отражает современное состояние теоретических и экспериментальных исследований процессов зажигания пожароопасных жидкостей одиночными горячими частицами различной физической природы. В ней рассмотрены результаты немногочисленных работ по зажиганию капель жидких топлив массивными горячими поверхностями, проволокой, металлическими стержнями^ и шарами, диффузионному горению жидкостей, газовых смесей. Рассмотрена общая, теория газофазного зажигания твердых конденсированных веществ, которую можно использовать в качестве основы при построении моделей зажигания жидких горючих веществ; Проанализированные в главе работы позволяют оценить сложность исследуемого процесса. Установлено отсутствие результатов экспериментальных и теоретических исследований зажигания жидких горючих веществ одиночными горячими частицами различной физической природы;

Во второй главе представлена постановка задачи. Приведено описание выбранных численных методов решения. Рассмотрено решение всех уравнений, используемых для описания исследуемого процесса. Для оценки: достоверности получаемых результатов при решении системы уравнений, описывающих процессы тепло — и массопереноса при воспламенении жидких веществ, приведен алгоритм проверки консервативности разностной схемы. Подробно рассмотрен алгоритм решения задачи.

Третья глава посвящена численному решению тестовых, задач для верификации используемого алгоритма и выбранных численных методов решения основной задачи: Представлены результаты решения одномерных и двумерных нестационарных, нелинейных задач теплопроводности, с: учетом фазовых переходов при испарении материала на границе, химической реакции в материале, двух задач гидродинамики и конвективного тепло - и массообмена, в которых рассматриваются процессы течения жидкости в полости с подвижной крышкой и тепловая конвекция в замкнутой плоской области соответственно.

В четвертой главе выполнен анализ закономерностей процессов тепло — и массопереноса при зажигании жидких топлив одиночной горячей частицей. Приведены основные результаты численных исследований, в частности, зависимости времени задержки воспламенения типичных жидких топлив от размеров, начальной температуры и теплофизических характеристик материала частицы, теплофизических и термохимических свойств жидкости. Проанализировано влияние процесса кристаллизации источника зажигания, зависимости теплофизических характеристик частицы, жидкого топлива и воздуха от температуры, парового зазора между частицей и поверхностью жидкости, частичного погружения горячего источника в жидкость на время задержки воспламенения жидких топлив.

Исследованы основные закономерности процесса зажигания парогазовой смеси одиночной горячей частицей в рамках модели, которая предполагает отсутствие непосредственного контакта между частицей и жидкостью. Проанализированы зависимости времени задержки воспламенения парогазовой смеси от температуры окружающего воздуха, расстояния между частицей и поверхностью жидкости, начальной температуры, размеров и теплофизических характеристик материала источника зажигания.

Рассмотрен широко распространенный на практике механизм зажигания паров, горючего, поступающих в окружающий воздух с поверхности пропитанной пожароопасной жидкостью ткани. Исследовано влияние на время задержки воспламенения в рассматриваемом случае ряда факторов, в частности, начальной температуры частицы, объёмной доли пожароопасной жидкости в пропитанной ей ткани, вида жидкого топлива и материала ткани.

В заключении подведены основные итоги выполненных численных исследований.

Заключение диссертации по теме «Теплофизика и теоретическая теплотехника», Стрижак, Павел Александрович

Результаты работы [67] 873 1265,7 1270,3 1295,1 1347,5 1591,2

Отклонение, % 0 0,04 0,01 0,03 0,11 0,12

3.4 Движение жидкости в полости с подвижной верхней крышкой

Физическая постановка

Рассматривается течение жидкости в замкнутой квадратной области размером Ь (рис. 3.4.1), вызываемым движением верхней границы со скоростью У0, остальные границы неподвижны [54].

Рисунок 3.4.1. Геометрия задачи

Для записи в безразмерной форме уравнения Пуассона для функции тока и уравнения для вектора вихря скорости значения Ь и V используются в качестве масштабов длины и скорости соответственно.

Математическая постановка

Система уравнений в безразмерной форме для сформулированной: задачи имеет следующий вид: дг дХ дУ Яе кдХ2 дУ2 7 д2х¥ д2х¥ дХ2 дУ2 П. (3.4.2)

V-Ь

Здесь Яе =--число Рейнольдса; V ,11 — скорости движения жидкости V вдоль оси х и у соответственно ( V = -—-, V = ——). иХ и±

Начальные условия (жидкость неподвижна во всем поле, верхняя: крышка внезапно приводится в движение): т = 0, 7 = 1, 0<Х<1: 0) = 1, ¥(Х,Г,0) = 0. (3.4.3>

Граничные условия имеют вид: т>0: дЧ*

7 = 1, 0<Х <\ \ = 1, Ч7 = О (верхняя граница - крышка); (3.4.4)

Х = 0, 0<7<1: 1^ = 0, ¥ = 0 (леваяграница); (3.4.5) дХ

Х = 1, 0<7<1: = ¥ = 0 (правая граница); (3.4.6) дХ дЧ*

Г=0,0<Х<1:-|^ = 0,ХР = 0 (правая граница). (3.4.7) иХ

Результаты решения

На рисунках 3.4.2 и 3.4.3 представлены результаты численного решения задачи при использовании сетки 100x100. Для тестирования полученных данных в таблице 3.4.1 приведены результаты работ [68-70].

Рисунок 3.4.2. Поле линии тока при Яе^ЮО

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Результаты диссертационной работы заключаются в следующем:

1. Впервые поставлена и решена нелинейная нестационарная задача газофазного зажигания жидкого горючего вещества одиночной нагретой до высоких температур частицей малых размеров в рамках модели воспламенения, учитывающей двумерный теплоперенос, испарение жидкости, диффузию и конвекцию паров горючего в среде окислителя, кинетику процессов испарения и воспламенения жидкости, кристаллизацию источника зажигания, формирование парового зазора между частицей и поверхностью жидкости, частичное погружение источника зажигания в жидкость.

2. Численно исследованы основные закономерности процессов тепло - и массопереноса при зажигании типичных пожароопасных жидкостей (бензин, керосин, дизельное топливо) одиночными углеродистыми и металлическими (сталь, алюминий) частицами.

3. Проведен анализ влияния на величину времени задержки воспламенения пожароопасной жидкости:

- начальной температуры частицы;

- размеров частицы;

- теплофизических характеристик материала частицы;

- неидеальности теплового контакта на границе «частица - жидкость» (наличие парового зазора между частицей и жидкостью);

- частичного погружения источника зажигания в жидкость;

- процесса кристаллизации частицы;

- зависимости теплофизических характеристик частицы, горючей жидкости и воздуха от температуры.

4. Показано, что уменьшение размеров и начальной температуры частицы приводит к увеличению времени задержки воспламенения при прочих адекватных параметрах процесса.

5. Установлено, что время задержки воспламенения существенно зависит от глубины погружения частицы в жидкость и величины парового зазора между частицей и жидкостью. При этом наилучшие условия зажигания реализуются при положении частицы на поверхности жидкости.

6. Полученные зависимости времени задержки воспламенения от теплофизических характеристик материала частицы показали, что наилучшие характеристики зажигания наблюдаются при взаимодействии жидких топлив с металлическими частицами.

7. Численный анализ исследуемого процесса зажигания показал, что процессы тепло - и массопереноса при зажигании жидкостей одиночными горячими частицами возможно моделировать достаточно точноj при пренебрежении зависимостью теплофизических характеристик взаимодействующих веществ от температуры и процессами кристаллизации частицы в достаточно широком диапазоне изменения температуры.

8. Исследован процесс зажигания пожароопасного жидкого вещества одиночной частицей, находящейся на некотором расстоянии от его поверхности (при отсутствии непосредственного контакта между* ними). Проведен анализ влияния на величину времени задержки воспламенения начальной температуры частицы, расстояния между частицей и поверхностью жидкости (удаленности источника зажигания от границы испарения жидкости) и температуры окружающей среды.

9. Выполнено численное исследование процесса зажигания смеси окислителя с парами жидкого топлива, поступающими в окружающий воздух, с поверхности участка ткани, пропитанной пожароопасной жидкостью. Установлены зависимости времени задержки воспламенения от начальной температуры частицы и объёмной доли жидкости в материале ткани. Определено, что даже при относительно небольшой объёмной доле жидкого топлива (фз2=0Д0) возможно воспламенение в рассматриваемом случае. Установлено, что при увеличении начальной температуры частицы интенсивность процессов тепло — и массопереноса увеличивается и воспламенение происходит при низком относительном содержании жидкого топлива в ткани. В случае большой объёмной доли фзг в ткани условия воспламенения реализуются при относительно низких температурах (950 К).

10. В результате численного моделирования процесса зажигания жидкого горючего вещества одиночной горячей частицей при наличии непосредственного теплового контакта между ними определено положение зоны воспламенения в газовой области над верхней гранью частицы. Этот неочевидный при первичном рассмотрении проблемы результат обусловлен спецификой механизма воспламенения жидкости. Эндотермический эффект фазового перехода при испарении жидкости является причиной того, что температура паров на границе «жидкость — окислитель» остается недостаточной для воспламенения смеси паров горючего с воздухом. Только после дополнительного разогрева паров при их движении вдоль боковых граней нагретой частицы воспламенение становится возможным.

Однако в случае зажигания жидкого топлива одиночной частицей, находящейся на- некотором расстоянии от его поверхности, зона воспламенения располагается в газовой фазе вблизи нижней грани частицы. Расположение зоны воспламенения в этом случае объясняется тем, что при достижении нижней грани частицы парами горючего в этой области формируется парогазовая смесь с высокой концентрацией горючего, но имеющая недостаточную для воспламенения температуру. За счет тепла горячей частицы температура смеси резко возрастает, ускоряются химические реакции окисления паров горючего, что приводит к воспламенению парогазовой смеси в непосредственной близости от источника зажигания.

11. Теоретически исследованы механизмы газофазного воспламенения типичных жидких топлив, которые могут быть реализованы во многих случаях на практике. Полученные результаты создают объективные предпосылки для объяснения причин многих пожаров, возникающих при проведении сварочных работ или демонтаже металлических конструкций в непосредственной близости от участков испарения горючих жидкостей. 12. Математические модели и созданный алгоритм решения задач зажигания жидких веществ, представленные в данной работе, могут использоваться для дальнейшего фундаментального изучения процессов зажигания отличных от рассмотренных пожароопасных жидкостей (спирт, нефть, трансформаторное масло, мазут и т.д.) нагретыми до высоких температур частицами различной физической природы.

В завершении диссертации автор выражает особую благодарность научному руководителю профессору Кузнецову Гению Владимировичу за его советы, поддержку, размышления и помощь в обсуждении полученных результатов выполненных численных исследований.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Стрижак, Павел Александрович, 2008 год

1. Химия горения / Под ред. У. Гардинера. - М.: Мир, 1988. - 461 с.

2. Варнатц Ю.М. Горение. Физические и химические аспекты, моделирование, эксперименты, образование загрязняющих веществ. М.: Физматлит, 2006. — 352 с.

3. Пожар, как техногенная катастрофа и экологическое бедствие // ЭКОС. -2005. №3.-С. 3.

4. Статистика пожаров в Российской Федерации за 7 месяцев 2006 г. // Пожаровзрывобезопасность. 2006. - № 5. - С. 68.

5. Обстановка с пожарами в Российской федерации в 2007 году // Пожарная безопасность. 2008. - № 1. - С. 65-66.

6. World fire statistics. Geneva Association Newsletter. Centre of Fire Statistics of CTIF. Report № 10, 2006. Р. 1.

7. World Fire Statistics. Geneva Association Newsletter, 2007. № 23. - Р. 1.

8. Горшков В.И. Тушение пламени горючих жидкостей. М.: Пожнаука, 2007.-268 с.

9. Зрелов В.Н. Жидкие ракетные топлива. М.: Химия, 1975. - 320 с.

10. Карабин А.И. Сжигание жидкого топлива в промышленных установках. -М.: Металлургия, 1966. 371 с.

11. П.Баратов А.Н. Горение Пожар - Взрыв - Безопасность. - М.: ФГУП ВНИИПО МЧС России, 2003. - 364 с.

12. Вильяме Ф.А. Теория горения. -М.: Наука, 1971. 615 с.

13. Зельдович Я.Б. Математическая теория горения и взрыва. М.: Наука, 1980.-478 с.

14. Вилюнов В.Н. Теория зажигания конденсированных веществ. -Новосибирск: Наука, 1984. 190 с.

15. Кумагаи С. Горение. М.: Химия, 1979. - 255 с.

16. Дьяконов В.В. Вернуть статистике достоверность // Пожарное дело. — 1988.-№ 10.-С. 18-23.

17. Кошмаров Ю.А., Башкирцев М.П., Светашов И.Т, Сидорук В.И. Пожарная профилактика систем вентиляции. М.: ВИПТШ МВД СССР, 1981. -158 с.

18. Романенков И.Г., Левитес Ф.А. Огнезащита строительных конструкций. — Mi: Стройиздат, 1991.-320 с.

19. Таратушкина Г.В. Теплоперенос при зажигании конденсированных веществ и эрозии конструкционных материалов* при инерционном осаждении твердых горячих частиц. Диссертация кандидата физ.-мат. наук. Томск. 2004. 184 с.

20. Зельдович Я.Б. К теории горения порохов и взрывчатых веществ. В кн.: Теория горения порохов и взрывчатых веществ. М.: Наука, 1982. - С. 49-86.

21. Зельдович Я.Б. Горение пороха при переменном давлении. В кн.: Теория горения порохов и взрывчатых веществ. М.: Наука; 1982. - С. 278-300.

22. Беляев А.Ф. О горении взрывчатых, веществ. В кн.: Теория горения порохов и взрывчатых веществ. — М.: Наука, 1982. — С. 35-43.

23. Похил П.Ф. О механизме горения, бездымных порохов. В кн.: Теория горения порохов и взрывчатых веществ. М.: Наука, 1982. - С. 117-140.

24. Аристова З.И., Лейпунский О.И. О прогреве пороха перед воспламенением. В кн.: Теория горения порохов и взрывчатых веществ. — М.: Наука, 1982. С. 310-314.

25. Vilyunov V.N., Zarko V.E. «Ignition of Solids» Elsevier Science Publishers, Amsterdam, Oxford, New York, Tokyo, 1989. 442 p.

26. 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. - № 32. - P. 48-92.

27. Скрипник A.A., Фролов C.Mi, Кавтарадзе P.3., Эфрос B.B. Моделирование воспламенения в струе жидкого топлива // Химическая физика. 2004. - № 1. - Т. 23. - С. 54-61.

28. Басевич В .Я., Фролов ; С.М. Глобальные кинетические механизмы, разработанные для моделирования многостадийного самовоспламенения углеводородов в реагирующих течениях // Химическая: физика. — 2006. — № 6.-Т. 25.-G. 54-62.

29. Lindstedt R.P., Skevis G. Detailed kinetic modeling of premixed benzene flames // Combustion and Flame. 1994.-№99.- P. 551-561.

30. Блинов В.И., Худяков Г.Н. Диффузионное горение жидкостей. — М.: Изд-во АН ССР, 1961, 201 с.

31. Варшавский Г.Л. Горение капли жидкого, топлива. В кн.: Теория горения-порохов и взрывчатых веществ. -М;: Наука, 1982. С. 87-107.

32. Lindstedt R.P., Vaos E.M. Modeling of premixed turbulent flames with second moment methods // Combustion and Flame. 1999. -№ 116.-P.461-485.

33. Новожилов Б.В. Нестационарное горение твердых ракетных топлив. — М.: Наука, 1973.- 176 с.

34. Гусаченко JI.K., Зарко B.R., Зырянов В .Я., Бобры шев В. II. Моделирование процессов горения твердых топлив. — Новосибирск: Наука, 1985.- 182 с.

35. Бекстед М.В. Современный прогресс в моделировании горения твердого топлива // Физика горения и взрыва. — 2006. — № 6. Т. 42. - С. 4-24.

36. Похил П.Ф., Беляев А.Ф., Фролов Ю.В; Горение порошкообразных металлов в-активных средах. М.: Наука, 1972. — 294 с.

37. Dreizin E.L. On the mechanism of asymmetric aluminum particle combustion // Combustion and flame. 1999; - V 115. - P. 809-850:

38. Бекстед M.B., Лианг У., Паддуппаккам К.В. Математическое моделирование: горения одиночной алюминиевой частицы // Физика горения и взрыва. — 2005. — № 6. Т. 41. — С. 15-33 .

39. Золотко А.Н., Вовчук Я.И., Шевчук В:Г., Полетаев Н.И. Воспламенение и горение газовзвесей // Физика горения и взрыва; 2005. - № 6. - Т. 41. -С. 3-14.

40. Lindstedt R.P., Vaos E.M. Transported PDF modeling of high-Reynolds-number premixed turbulent flames // Combustion and Flame. 2006. - № 145. -P. 495-511.

41. Hulek Т., Lindstedt R.P. Computations of steady-state and transient premixed turbulent flames using PDF methods // Combustion and Flame. 1996. - № 104.-P. 481-504.

42. Lindstedt R.P., Ozarovsky H.C. Joint scalar transported PDF modeling of nonpiloted turbulent diffusion flames // Combustion and Flame. 2005. - № 143.-P. 471-490.

43. Фитжеральд Р.П., Брюстер M.K. Горение слоевых топлив. Теоретические исследования // Физика горения и взрыва. 2006. — № 1. — Т. 42. — С. 3— 21.

44. Merzhanov A.G., Averson А.Е. The present state of the thermal ignition theory. An invited review // Combustion and Flame. 1971. - № 1. - P. 89124.

45. Зельдович Я.Б. К теории зажигания // Доклады АН СССР, 1963. № 2. -Т. 150. - С. 283-285.

46. Вилюнов В.Н. К тепловой теории зажигания // Физика горения и взрыва. 1966. - № 2. - Т. 2. - С. 77-82.

47. Основы практической теории горения / Под ред. В.В. Померанцева. Учебное пособие для студентов высших учебных заведений. Д.: Энергия, 1973.-263 с.

48. Сполдинг Д.Б. Основы теории горения. -М.: Госэнергоатомиздат, 1959. -320 с.

49. Мальцев В.М. Основные характеристики горения. М.: Химия, 1977. — 320 с.

50. Молчанов В.П. Основные принципы обеспечения пожарной безопасности объектов добычи нефти и газа // Пожарная безопасность. — 2004. — № 1. — С. 29-32.

51. Кунаков Г.А., Чулков А.З. Характеристики продуктов сгорания металлосодержащих топлив. В кн.: Ракетные топлива. М.: Мир, 1975. -С. 74-96.

52. Бакиров Ф.Т., Захаров В.М., Полещук И.З. Образование и выгорание сажи при сжигании углеводородов. — М.: Машиностроение, 1989.

53. Варгафтик Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. М.: ООО «Старс», 2006. - 720 с.

54. Пасконов В.М. Численное моделирование процессов тепло — и массообмена. М.: Наука, 1984. - 277 с.к*

55. Джалурия И. Естественная конвекция: тепло — и массообмен. М.: Мир, 1983.-399 с.

56. Роуч П.Дж. Вычислительная гидродинамика. М.: Мир, 1980. - 616 с.

57. Франк-Каменецкий Д.А. Диффузия и теплопередача в химической кинетике. М;: Наука, 1987. - 490 с.

58. Полежаев Ю.В., Юрьевич Ф.Б. Тепловая защита. — М.: Энергия, 1976. -391 с.

59. Исаченко В.П. Теплообмен при конденсации. М.: Энергия, 1977. - 239 с.

60. Самарский A.A. Теория разностных схем. М.: Наука, 1983. - 616 с.

61. Самарский A.A., Вабищевич П.Н. Численные методы решения задач конвекции диффузии. - М.: Эдиториал УРСС, 1999. — 248 с.

62. Березин И.С., Жидков Н.П. Методы вычислений. М.: Физматгиз, 1962. -Т.2. - 620 с.

63. Калиткин H.H. Численные методы. М.: Наука, 1978. - 512 с.

64. Вержбицкий В.М. Основы численных методов. — М.: Высшая школа, 2002. 840 с.

65. Коздоба JI.A. Методы решения нелинейных задач теплопроводности. -М.: Наука, 1975.-227 с.

66. Кузнецов Г.В., Шеремет М.А. Разностные методы решения задач теплопроводности: учебное пособие. Томск: Изд-во ТПУ, 2007. - 172 с.

67. Rogers S.E., Kwak D. An Upwind Differencing Scheme for the Incompressible Navier-Stokes Equations // Applied Numerical Mathematics. 1991. - V. 8. — P. 43-64.

68. Ghia U., Ghia K.N., Shin C.T. High-Re Solutions for Incompressible Flow Using the Navier-Stokes Equations and a Multigrid Method // J. Comput. Rhys.- 1982. V. 48.-P. 387-411.

69. Шеремет М.А. Сопряженный конвективно — кондуктивный теплоперенос в замкнутом объёме с локально сосредоточенными источниками тепловыделения. Диссертация кандидата физ.-мат. наук. Томск. 2006. -189 с.

70. Merrikh A.A., Lage J.L. Natural convection in an enclosure with disconnected and conducting solid blocks // International Journal of Heat and Mass.Transfer.- 2005. V. 48. - P. 1361-1372.

71. Liagat A., Baytas A.C. Conjugate natural convection in a square enclosure containing volumetric sources // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2001. - V. 44. - P. 3273-3280.

72. Кузнецов Г.В., Стрижак П.А. Математическое моделирование зажигания жидкого горючего вещества нагретой до высоких температур частицей // Изв. вузов. Физика. 2007. - № 9/2. - Т. 50. - С. 103-112.

73. Корольченко А .Я. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов и средства их тушения: Справочник. М.: Пожнаука, 2004. - Ч. 1.-713 с.

74. Бабичев А.П., Бабушкина Н.А., Братковский A.M. Физические величины: Справочник. -М.: Энергоатомиздат, 1991. 1232 с.

75. Щетинков Е.С. Физика горения газов. М.: Наука, 1965. - 739 с.

76. Кондратьев В.Н., Никитин Е.Е. Константы скорости газофазных реакций: Справочник. М.: Наука, 1971.-351 с.

77. Кондратьев В.Н., Никитин Е.Е. Кинетика и механизм газофазных реакций. -М.: Наука, 1974. 558 с.

78. Тепломассообмен: Справочник / Под ред. A.B. Лыкова. М.: Энергия, 1978.-479 с.

79. Васильев A.A. Задержка воспламенения в монотопливных смесях // Физика горения и взрыва. 2007. - № 3. - Т. 43. — С. 42-46.

80. Парахин Н.Ф. Топливо и теория горения. — Севастополь: Вебер, 2003. -170 с.

81. Иссерлин A.C. Основы сжигания газового топлива: справочное руководство. Л.: Недра, 1980. - 271 с.

82. Льюис Б., Эльбе Г. Горение, пламя и взрывы в газах. М.: Мир, 1968. -468 с.

83. Кузнецов Г.В., Стрижак П.А. Воспламенение пожароопасной жидкости одиночной «горячей» частицей // Пожаровзрывобезопасность. 2007. - № 6. - С. 13-20.

84. Кузнецов Г.В., Стрижак П.А. Моделирование воспламенения горючих жидкостей одиночной горячей частицей. ТПУ. — Томск. — 22 с. Деп. в ВИНИТИ 25.03.08, № 244 -В2008.

85. Кузнецов Г.В., Стрижак П.А. Зажигание накаленной одиночной частицей жидких углеводородных топлив // Известия Томского политехнического университета. 2008. - № 4. - С. 5-9.

86. Теплотехнический справочник / Под ред. В. Н. Юренева, П. Д. Лебедева. М: Энергия, 1975. - Т. 1. - 743 с.

87. Теплотехнический справочник / Под ред. В. Н. Юренева, П. Д. Лебедева. М: Энергия, 1975. - Т. 2. - 896 с.

88. Кузнецов Г.В., Стрижак П.А. Тепломассоперенос при зажигании паров жидкого топлива одиночной разогретой частицей. ТПУ. — Томск. 20 с. Деп. в ВИНИТИ 04.05.08, № 376 - В2008.

89. Кузнецов Г.В., Стрижак П.А. Особенности зажигания парогазовой смеси нагретой до высоких температур металлической частицей // Пожаровзрывобезопасность. 2008. - № 3. — С. 26-32.

90. Теория тепло — и массопереноса / Под ред. A.B. Лыкова, Ю.А. Михайлова. — Л.: Госэнергоиздат, 1963. — 535 с.