Моделирование зажигания древесины

УДК 614.841

Р. Ш. Еналеев, Ф. М. Гимранов, А. В. Картин, В. С. Гасилов

МОДЕЛИРОВАНИЕ ЗАЖИГАНИЯ ДРЕВЕСИНЫ

Ключевые слова: пожар, термическое разложение, критерии зажигания, сравнительный анализ, прогнозирование.

Проведен анализ экспериментальных и расчетных данных по зажиганию древесины тепловым излучением. Предложен критерий зажигания твердых топлив в широком диапазоне изменения плотности теплового потока. Показана практическая значимость результатов исследования для прогнозирования пожарной опасности древесины при воздействии опасных факторов природных и техногенных пожаров.

Keywords: fire, thermal decomposition, ignition criteria, comparative analysis, predicting.

The analysis of experimental and s computational data on wood ignition by thermal radiation is conducted. The ignition criterion for solid fuels in the wide range of thermal stream density change is offered. The practical importance of research results is shown for predicting of wood fire danger at influence of dangerous factors of natural and technogenic fires.

В некоторых случаях природные и техногенные катастрофы являются источником теплового излучения. Его воздействие на горючие полимерные материалы может привести к их возгоранию и образованию новых очагов пожаров. Самым распространенным природным полимерным горючим материалом является древесина. Создание теоретических основ процессов воспламенения и горения древесины является актуальной проблемой оценки ее пожарной опасности уже многие годы. В литературе [1 ^ 7] приводится огромный объем расчетных и экспериментальных данных по различным стадиям термоокислительной деструкции древесины - испарению, пиролизу, химическим реакциям в твердой и газовой фазах. Однако в отечественных и зарубежных нормативных документах не представлены инженерные модели и критерии прогнозирования характеристик зажигания горючих материалов при воздействии поражающих факторов пожаров.

В предлагаемой математической постановке гетерогенного воспламенения полимерных горючих материалов за основу принята твердофазная тепловая модель зажигания гомогенных топлив [8]. Правомерность такой постановки основана на экспериментальных и теоретических результатах, приводимых в [9, 10]. Согласно этим данным при воспламенении капиллярно-пористых материалов в момент образования углеродистого остатка адсорбированный кислород воздуха присутствует не только на поверхности, но и во всем микропористом объеме материала. Поэтому можно предположить, что смесь окислителя и горючего гомогенна. Тогда, следуя [10], воспламенение происходит при переходе из кинетической области в диффузионную.

В результате уравнение энергии с учетом фазовых превращений, объемного источника поглощенного излучения, выгорания материала до момента воспламенения, можно представить в виде: тдТ д ( ЭТ ^ Л1 / ч

Ср<Т) ЭТ=* (АдТ) + Ок(1 ^

•expl- 1 + ^ ехр

где Т - абсолютная температура; А - коэффициент теплопроводности, к - предэкспонент; С - удельная теплоемкость; Е - энергия активации, -газовая постоянная, р - плотность, Ц - коэффициент поглощения, Ро - заданное значение теплового потока, О - тепловой эффект физико-химических превращений; I = 1 - стадия испарения, I = 2 -пиролиза; I = 3 - химической реакции.

Момент воспламенения определяется по времени достижения критического значения критерия воспламенения. В качестве критерия используется отношение скорости роста температуры поверхности с источниками нехимической природы и физико-химическими превращениями к скорости роста температуры химически инертного тела. Инвариантность критерия к динамике нагрева, объемным источникам нехимической природы, оптико-геометрическим и теплофизическим свойствам топлива, механизму нагрева первоначально была установлена при численном моделировании зажигания баллиститных порохов. Поэтому он условно был назван «универсальным». Обосновано его критическое значение, равное 11. Применение универсального критерия (иС) для прогнозирования времени воспламенения текстильных материалов показало его адекватность экспериментальным данным [11 ^

13].

При идентификации многочисленных коэффициентов и параметров модели их начальные значения брались из литературных данных. Для стадии испарения из работы [3], пиролиза - [1, 3, 4], химической реакции - [1, 4]. Адекватность модели устанавливалась сравнением характеристик зажигания с результатами экспериментов по ГОСТ 3024494 РФ. Результаты численного моделирования зажигания древесины представлены на рисунке 1 и в таблицах 1 и 2.

Каждый из представленных результатов является решением определенной теоретической и (или) прикладной задачи. Так линейная зависимость на рисунке 1 получена в результате идентификации

кинетических параметров всех стадий термического разложения древесины.

/ = 2,4708* - 38,522

♦ -1  -2

4

15,5 16 16,5 Д7 17,5 18

Ж' Л.

Т ' К

Рис. 1 - Зависимость времени зажигания древесины от температуры при нагреве тепловым излучением в диапазоне плотности теплового потока 20 - 300 кВт/м2: 1 - сосна, 2 - береза

Таблица 1 - Сопоставление критериев воспламенения древесины (сосна) при объемном нагреве тепловым излучением с коэффициентом поглощения 4500 1/м

№№ строк кВт 2 м Характеристики зажигания Значение критерия воспламенения Критерии

Тт/ , сек Т ,0С

1 20 60,1 219 0.41 Метод [14]

2 84.3 291 6 Метод [15]

3 84.5 301 11,4 ис

4 84,7 311 20 Метод [16]

5 50 10,8 240 0,5 Метод [14]

6 17,44 301 5,1 Метод [15]

7 17,63 325 11,3 ис

8 17,65 328 14 Метод [16]

9 100 3.44 257 0,58 Метод [14]

10 5.09 292 6 Метод [15]

11 5,74 340 11 ис

12 5,74 343 13 Метод [16]

Далее, в теории зажигания [17] аналитически установлено, что если в системе имеются внутренние объемные источника тепла, то максимум температуры может находиться не на поверхности.

Действительно, как видно из данных табл. 1, при численном моделировании зажигания полупрозрачных тел тепловым излучением выполняется критическое условие Зельдовича [16]: градиент температуры на поверхности становится равным нулю.

Алгоритмически условие реализуется по превышению температуры второго от поверхности дифференциального объема по сравнению с первым. В программе данное условие реализуется в виде фиксации времени интегрирования, при котором температуры первого и второго координатных слоев на облучаемой поверхности становятся равными.

Таблица 2 - Сопоставление критериев воспламенения древесины (береза) при объемном нагреве тепловым излучением с коэффициентом поглощения 4500 1/м

№№ строк кВт м2 Характеристики зажигания Значение критерия воспламенения Критерии

Тт/ , сек Т ,0С

1 20 92 207 0,44 Метод [14]

2 136,3 285 6.5 Метод [15]

3 136,6 294 11,1 ис

4 136,8 306 22,3 Метод [16]

5 50 15,7 224 0,55 Метод [14]

6 28,1 306 5,8 Метод [15]

7 28,2 317 11 ис

8 28.21 323 16 Метод [16]

9 100 5,5 252 0,53 Метод [14]

10 8,77 303 6,2 Метод [15]

11 8.96 335 11,2 ис

12 8,97 338 13.2 Метод [16]

Чтобы показать подобие процесса воспламенения различных сортов древесины независимо от скорости нагрева тепловым потоком излучения, результаты вычислительного эксперимента представляются в безразмерных переменных Франк-Каменецкого. При этом масштабную температуру предлагается определять в предварительных расчетах по критическому значению иС.

Прикладной аспект полученных результатов можно представить в виде зависимости, показанной на рисунке 2.

Прежде всего, необходимо подчеркнуть, что зависимость времени воспламенения от плотности теплового потока излучения в логарифмических координатах в отличие от [2] является практически линейной.

Корме того, обобщение известных результатов в области пожарной опасности древесины в виде полученной зависимости подтверждает теоретические и экспериментальные подходы в обосновании критических условий зажигания древесины.

qr mD-/-a'

Рис. 2 - Зависимость времени воспламенения от плотности потока лучистой энергии для различных образцов древесины при моделировании пожаров в лесу и помещениях (1), техногенных пожаров (2), теплового излучения энергоемких веществ и материалов (3): результаты экспериментов при воздействии излучения газоразрядных ксеноновых ламп на образцы 1 - береза, 2 - кедр, 3 - лиственница, 4 - осина, 5 - сосна в диапазоне плотности теплового потока q=200-2000 кВт/м2 [1, 7]; результаты численного моделирования зажигания сосны-6, березы-7 при q=20-300 кВт/м2

Практическая значимость полученных результатов состоит в том, что с помощью зависимости на рисунке 2 можно прогнозировать опасные зоны воздействия поражающих факторов пожаров вокруг опасного источника нагрева.

Литература

1. Гайнутдинов Р.Ш., Еналеев Р.Ш., Аверко-Антонович

B.И. Исследование линейного пиролиза материалов под действием мощного потока лучистой энергии. - В кн.: Горение и взрыв / Р.Ш. Гайнутдинов, Р.Ш. Еналеев, В.И. Аверко-Антонович // - М.: Наука, 1972. - 530 с.

2. Mikkola E., Wichman I.S. On the thermal ignition of combustible materials / E. Mikkola, I.S. Wichman // Fire and Materials. - 1989. - Vol. 14. - P. 87 - 96.

3. Гришин А.М., Синицын С.П., Акимова И.В. Сравнительный анализ термокинетических постоянных сушки и пиролиза лесных горючих материалов / А.М. Гришин,

C.П. Синицын, И.В. Акимова // Физика горения и взрыва. - 1990. - С. 17 - 24.

4. Кислицын А.Н. Пиролиз древесины. Химизм, кинетика, продукты, новые процессы. - М.: «Лесная промышленность», 1990. - 312 с.

5. Tzeng L.S., Atreya A., Wichman I.S / A one-dimensional model of piloted ignition // Combustion and Flame. - 1990. -Vol. 80. - P. 94 - 107.

6. Babrauskas V. Ignition of wood: a review of the state of the art // J. Fire Protection Eng. - 2002. - V. 12 (Aug). - P. 163 - 189.

7. Кузнецов В.Т., Фильков А.И. Воспламенение различных видов древесины потоком лучистой энергии / В.Т. Кузнецов, А.И. Фильков // Физика горения и взрыва. -2011. - Т.47. - №1. - С. 74 - 79.

8. Merzhanov A.J., Averson A.E. The Present State of the Thermal Ignition Theory: An Invited Review / A.J. Merzhanov, A.E. Averson // Combustion and Flame. - 1971. - Vol. 16. - P. 89 - 124.

9. Хайкина С.Э. Окисление углерода / С.Э. Хайкина // Журнал технической физики. - 1938. - Т.8. - Вып.1.

10. Франк-Каменецкий Д. А. Воспламенение угля и высокоскоростная газификация / Франк-Каменецкий Д.А. // Журнал технической физики. - 1939. - Т.9. - Вып.16. - C. 1458 - 1464.

11. Еналеев Р.Ш. Зажигание целлюлозных материалов / Р.Ш. Еналеев, Ю.С. Чистов, А.М. Закиров, Э.Ш. Теля-ков // Вестник Казанского технологического университета. - 2012. - Т15, №17. - С. 45 - 49.

12. Еналеев Р.Ш. К теории зажигания целлюлозных материалов / Р.Ш. Еналеев, Э.Ш. Теляков, Г.М. Чистов, Га-силов В.С. // Вестник Казанского технологического университета. - 2012. - Т.15, №11. - С. 38 - 44.

13. Enalejev R.Sh. Modeling of the fabrics ignition // Proceedings of 4th Fire Behavior and Fuels Conference, July 1-4, 2013, St. Petersburg, Published by the International Association of Wildland Fire, 2014, Missoula, Montana, USA. - P. 394 - 410.

14. Аверсон А.Э., Барзыкин В.В., Мержанов А.Г. Приближенный метод решения задач тепловой теории зажигания / А.Э. Аверсон, В.В. Барзыкин, А.Г. Мержанов // Доклады Академии наук СССР. - 1968. - Vol. 178, № 1. -P. 131 - 134.

15. Ассовский И.Г., Закиров З.Г., Лейпунский О.П. О зажигании и горении топлива в потоке излучающего газа / И.Г. Ассовский, З.Г. Закиров, О.П. Лейпунский // Физика горения и взрыва. - 1986. - № 6. - P. 20 - 26.

16. Зельдович Я.Б. Теория зажигания накаленной поверхностью / Я.Б. Зельдович // Журнал экспериментальной и теоретической физики. - 1939. - Vol. 9, № 12. - P. 1530 -1534.

17. Аверсон А.Э. Теория зажигания. - В кн.: Тепломассообмен в процессах горения / А.Э. Аверсон // Черноголовка. - 1980. - С. 16 - 36.

© Р. Ш. Еналеев - к.т.н., доцент, старший научный сотрудник кафедры плазмохимии и нанотехнологии высокомолекулярных соединений КНИТУ, firepredict@yandex.ru; Ф. М. Гимранов - д.т.н., профессор, заведующий кафедрой промышленной безопасности КНИТУ; А. В. Каргин - инженер КНИТУ; В. С. Гасилов - к.т.н., доцент кафедры промышленной безопасности КНИТУ.

© R.Sh. Enalejev - Ph.D., associate Professor, senior researcher of the Department of plasma chemistry and nanotechnology macro-molecular compounds KNRTU; F. M. Gimranov - doctor of technical Sciences, professor, head of Department of industrial safety KNRTU;A.V. Kargin - engineer KNRTU; V. S. Gasilov - Ph.D., associate Professor of industrial safety KNRTU.

l33