Подавление реакции термического разложения лесного горючего материала следом "водяного снаряда"

УДК 536.423.1

ПОДАВЛЕНИЕ РЕАКЦИИ ТЕРМИЧЕСКОГО РАЗЛОЖЕНИЯ ЛЕСНОГО ГОРЮЧЕГО МАТЕРИАЛА СЛЕДОМ «ВОДЯНОГО СНАРЯДА»

ЖДАНОВА АО., КУЗНЕЦОВ Г.В., СТРИЖАК П.А.

Национальный исследовательский Томский политехнический университет, 634050, г. Томск, пр. Ленина, 30

АННОТАЦИЯ. Выполнен численный анализ комплекса взаимосвязанных процессов тепломассопереноса, химического реагирования и фазовых превращений при подавлении реакции термического разложения типичных лесных горючих материалов (листья березы, хвоя сосны и ели) следом «водяного снаряда» (большой совокупности капель). Установлено влияние процессов тепло- и массопереноса в смеси паров воды и газообразных продуктов термического разложения над материалом (ЛГМ) на условия прекращения химического реагирования в нем. Вычислены характерные времена подавления реакции термического разложения ЛГМ при типичных температурах в следе «водяного снаряда» и толщинах прогретых слоев материала.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: термическое разложение, лесной горючий материал, след «водяного снаряда», тепломассоперенос, время подавления реакции.

ВВЕДЕНИЕ

Известно [1 - 7], что для максимально возможного снижения температуры в пламенной зоне горения целесообразно мелкодисперсное распыление тушащей жидкости (в частности, воды). Так, например, показано [5 - 7], что при средних размерах (условных радиусах) капель воды от 50 до 500 мкм реализуется практически полное испарение жидкости в области пламени. Определяющая доля энергии пламени поглощается вследствие большого теплового эффекта парообразования (2,26 МДж/кг [8]). Температура смеси продуктов сгорания и водяных паров (Тт) снижается до 300 - 450 К [3 - 5]. Формирующуюся при этом парогазовую смесь можно считать [5 - 7] следом «водяного снаряда».

При тушении крупных лесных пожаров особое внимание традиционно [9 - 11] уделяется процессам химического реагирования в прогретых слоях термически разлагающихся лесных горючих материалов.

Представляет интерес анализ предельных температур в следе типичного «водяного снаряда», при которых скорости химического реагирования в ЛГМ существенно снижаются и возможно полное прекращение подачи газообразных продуктов пиролиза материала в пламенную зону горения. Выполнить соответствующие экспериментальные исследования затруднительно вследствие высоких температур и существенной нестационарности рассматриваемых процессов. Поэтому целесообразно провести численное исследование комплекса взаимосвязанных процессов тепломассопереноса, химического реагирования и фазовых превращений в системе «след «водяного снаряда» - прогретый слой ЛГМ».

Целью настоящей работы является численный анализ процессов подавления реакции термического разложения типичных лесных горючих материалов (листья березы, хвоя сосны и ели) следом «водяного снаряда».

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

Результаты численного моделирования процессов тепломассопереноса и фазовых превращений при движении типичного «водяного снаряда» через продукты сгорания с температурой Tf = 1170 К, соответствующей средней температуре пожара [12], позволили получить [5 - 7] распределения температуры и концентраций компонентов формирующейся парогазовой смеси в следе перемещающихся капель. Установлено [6, 7], что по мере удаления «снаряда» от некоторого выбранного сечения в его следе температура смеси продуктов сгорания и водяных паров достаточно существенно возрастает (за счет диффузионно-конвективного тепломассообмена с высокотемпературными газами, движущимися параллельно «снаряду»). Тем не менее, в малой окрестности «снаряда» (удаление до нескольких его характерных продольных размеров) значения Тт составляют Тт = 300 - 450 К [6, 7]. При распылении воды размеры зоны пониженной температуры в следе «водяных снарядов» существенно увеличиваются [5 - 7]. Как следствие, возрастает и время сохранения относительно низкой температуры Гт.

При постановке решаемой задачи тепломассопереноса предполагалось, что «водяной снаряд» полностью испарился при движении через пламя и над поверхностью типичного ЛГМ (рассматривались три варианта: листья березы, хвоя сосны и ели) сформировалась парогазовая смесь с некоторой температурой Тт (рис. 1). Важно отметить, что в малой окрестности следа типичного «водяного снаряда» концентрации окислителя и продуктов сгорания близки к нулю [6, 7] за счет достаточно интенсивного вдува водяных паров. Поэтому принималось, что в начальный момент времени парогазовая смесь содержит только водяные пары [6, 7]. Как следствие, при моделировании процессов тепломассопереноса в парогазовой смеси над ЛГМ не учитывались возможные реакции окисления продуктов его пиролиза. В этой области моделировались наиболее типичные для рассматриваемых условий процессы, обусловленные кондуктивно-конвективным теплопереносом и диффузионно-конвективным массопереносом.

В начальный момент времени в приповерхностном слое ЛГМ задавались (по результатам решения задач прогрева и термического разложения ЛГМ в условиях высоких температур [13 - 16]) распределения температуры и доли способного к термическому разложению вещества, соответствующие условиям реального пожара (рис. 2).

Считалось, что при контакте ЛГМ с внешней парогазовой средой (следом «водяного снаряда» с относительно низкой начальной температурой Тт) происходит интенсивный теплоотвод из зоны пиролиза. Целью численного исследования было определение интервала времени, в течение которого температура в приповерхностном слое ЛГМ становится меньше температуры начала термического разложения Td. Это время считалось временем подавления (прекращения) реакции термического разложения ЛГМ td. Для приближения постановки задачи к условиям реального пожара на границе х = Н, У1 < у < Ь моделировался вдув продуктов сгорания с линейной скоростью щ и температурой Tf (задавались соответствующие тепловые и диффузионные потоки по результатам решения задач [13 - 16]).

Рис. 1. Схема области решения задачи: 1 - «след водяного снаряда», 2 - ЛГМ

б

Рис. 2. Распределения температуры (а) и доли способного к химическому реагированию вещества (б) в ЛГМ (Lf = 0,02 м) при его термическом разложении в условиях постоянной внешней температуры (1170 К): 1 - листья березы, 2 - хвоя сосны, 3 - хвоя ели

При постановке задачи предполагалось, что теплофизические характеристики ЛГМ и парогазовой смеси не зависят от температуры. В рассматриваемых условиях значения коэффициентов теплопроводности (X), теплоемкости (С) и плотности (р) для исследуемых веществ изменяются в пределах 10 - 15 % [17 - 20]. Поэтому численные оценки основного интегрального параметра процесса - td (в первом приближении) можно провести при условии X = const, С = const, р = const.

МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ И МЕТОДЫ РЕШЕНИЯ

Математическая модель, сформулированная в соответствии с общими положениями теории [21 - 24] физико-химических превращений при высоких температурах, включает следующую систему нелинейных нестационарных дифференциальных уравнений в частных производных (0 < Х < для области решения, представленной на рис. 1.

Уравнения неразрывности, движения, энергии и диффузии для парогазовой смеси (0 < х < Н, 71 <у <Ь):

дV д V

—т + —Т дх2 дУ2

= -а.

да да да --+ и--+ и— = V

дХ дх дУ

д2а + д2а

йх2 дУ

2

дТ1 дУ

п I дТ , дТ дТ ] -

+идУ Г^

^д271 |д2Т1'

РЪ

Р12

дС,. дС,. дС,, дХ дх дУ

дС„ дС„ дС„ —-+и—+и—

„дх2

Г

= Рц^11

дУ

2

у

д2С, +д2С„

дх

дх

дУ

= Р12 А

дх2 дУ2 У

Гд 2С д2С

12

-+-

дх2

дУ2

Уравнение энергии с учетом химического реагирования для ЛГМ (0 < х < Н, 0

+ 02^2,

дТ2

Р2С2 Г = ^ 2

дх

д2Т2 + д2Т2 дх2 д_У2 У

% = (1 -Ф2)к0ехр дХ

Г

Л

2 У

Начальные условия (Х = 0): 0 < х < Н, 0 < У < 71 0 < х < Н, 71 < У < Ь Граничные условия (0 < Х <

х = 0, х = Н, 0 < У < 71

х = 0, 71 < У < Ь

х = Н, 71 < У < Ь

.У = 0, 0 < х < Н

Т = Т0(х, .У), ф2 = ф0(х, .У);

Т1 = Тт, = 0, Су = 1, ^ = 0, т = 0.

дТ2 / дх = 0; дТ / дх = 0, дС^ / дх = 0, дСу / дх = 0, дv/дх = 0,

дv/дУ = 0; Х1(дГ1 / дх) = q,

Р[2^12(дС^ / йх) = у, дСу / дх = 0, дv/дх = 0,

дv/дУ = -иу; дТ /дУ = 0;

< У < 71):

у = 7Ь 0 < х < Н

у = Ь, 0 < х < Н

дщ/ ду = 0, дщ/ дх = 0.

Массовая скорость реакции термического разложения ЛГМ [21]:

-^2(дТ2/ ду) - 02Ж2 =-Х1(дТ1/ ду) Т = Т1,

Р12А2(дС§ / ду) = -^2, д щ / ду = 0, дщ/дх = -Ж2 /Р12; д 2Т1/ ду 2 = 0,

д2с^ / ду2 = 0, д 2С / ду2 = 0,

^ =

•м

0

2 еХР

ЯТ

ёу.

2 У

Теплофизические характеристики ЛГМ вычислялись с учетом пиролиза:

^2 =^21Ф2+^12

Теплофизические характеристики парогазовой смеси рассчитывались аналогично (16) с учетом распределений концентраций С и Су.

Скорости движения компонентов парогазовой смеси определялись с использованием выражений [22]:

дщ дщ ди ди

и = —, и = -—, ш =---

ду дх дх ду

При задании граничных условий для уравнения движения (2) использовалась формула Вудса второго порядка [24]:

Шо,; =

-8щ1,] +щ2,]-7що,] _ дщ 2К2 К дх

ш,,о =

_8щ,-д+щ,- 2-7щ,-,0 _ _дщ_

2К2 Ку ду

^ ..у

где ,, ] - номера шагов по координатам х и у Кх, Ку - величина шагов по координатам х и у, м.

В системе уравнений (1) - (18) приняты следующие обозначения: I - время, с; ^ - время подавления (прекращения) реакции термического разложения, с; х, у - координаты декартовой системы, м; Н, Ь - размеры области решения, м; щ - функция тока, м2/с; ю -вихрь скорости, с-1; и, и - компоненты скорости парогазовой смеси вдоль оси х и у соответственно, м/с; V - кинематическая вязкость, м2/с; в - коэффициент термического расширения, К-1; Т - температура, К; р - плотность, кг/м3; С - теплоемкость, Дж/(кг-К); X - теплопроводность, Вт/(м-К); Су - безразмерная концентрация паров воды; Б - коэффициент диффузии, м2/с; С - безразмерная концентрация газообразных продуктов термического разложения ЛГМ; 02 - тепловой эффект термического разложения, Дж/кг; - массовая скорость химического реагирования, кг/(м3-с); ф - относительная доля способного к химическому реагированию вещества в ЛГМ; к20 - предэкспонент химической реакции, с-1; Е2 - энергия активации, Дж/моль; Я - универсальная газовая постоянная, Дж/(моль-К); Т0 (х, у), ф0(х, у) - начальные распределения температуры (К) и относительной доли способного к химическому реагированию вещества; Тт - начальная температура парогазовой смеси, К; q - тепловой поток, Вт/м2; у - поток массы продуктов термического разложения, кг/(м2-с); индексы «1», «2», «11», «12», «21» соответствуют парогазовой смеси, ЛГМ, парам воды, газообразным продуктам его пиролиза, доли способного к химическому реагированию вещества в материале.

0

Для решения системы уравнений (1) - (18) применен метод конечных разностей [25]. Разностные аналоги дифференциальных уравнений решены локально-одномерным методом [25]. Для решения нелинейных уравнений применен метод простых итераций [26]. Одномерные разностные уравнения решены методом прогонки с использованием неявной четырехточечной разностной схемы [25]. Аналогично [5 - 7] использовалась «сгущающаяся» в окрестности границы вдува газообразных продуктов термического разложения разностная координатная сетка (от 200 до 400 узлов по каждой из координат). Применялся неравномерный шаг по времени от 10-6 с до 10-4 с.

Алгоритм численного моделирования и методика оценки достоверности результатов выполненных теоретических исследований, основанная на проверке консервативности применяемой разностной схемы, аналогичны используемым в [27 - 29].

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Численные исследования выполнены при следующих значениях параметров [13 - 15, 17 - 20]: начальная температура парогазовой смеси (следа «водяного снаряда») над ЛГМ Тт = 280 - 350 К; температура начала термического разложения материала Тс) = 500 К; кинетические параметры химической реакции к20 = 3,63-104 с-1, Е2 = 78,114 кДж/моль, 02 = 1,02 кДж/кг; тепловой и диффузионный (у) потоки на боковой границе

области решения, а также скорости (иу) движения газов соответствовали типичным условиям горения ЛГМ q = 100 Вт/м2, у = 10-4 кг/(м2-с), иу = 0,01 м/с. Толщина приповерхностного слоя материала варьировалась в диапазоне Lf = 0,02 - 0,06 м. Характерные размеры области решения изменялись в зависимости от значений Lf в диапазоне Н = 0,04 - 0,1 м, Ь = 0,04 - 0,1 м.

Теплофизические характеристики взаимодействующих веществ принимались следующими [17 - 20]:

листья березы - Х21 = 0,125 Вт/(м-К), С21 = 1719 Дж/(кг-К), р21 = 614 кг/м3, Х12 = 0,029 Вт/(м-К), С12 = 2449 Дж/(кг-К), р12 = 2,7 кг/м3, Б12 = 1,5-10-5 м2/с, у12 = 1,5-10-5 м2/с;

хвоя сосны - Х21 = 0,102 Вт/(м-К), С21 = 1400 Дж/(кг-К), р21 = 500 кг/м3, Х12 = 0,027 Вт/(м-К), С12 = 2280 Дж/(кг-К), р12 = 2,5 кг/м3, Б12 = 1>10-5 м2/с, у12 = 1,5-10-5 м2/с;

хвоя ели - Х21 = 0,091 Вт/(м^К), С21 = 1246 Дж/(кгК), р21 = 445 кг/м3, Х12 = 0,024 Вт/(м-К), С12 = 2026 Дж/(кг-К), р12 = 2,2 кг/м3, Б12 = 1>10-5 м2/с, у12 = 1,5-10-5 м2/с;

пары воды - Х11 = 0,025 Вт/(м^К), С11 = 2034 Дж/(кг-К), р11 = 0,5 кг/м3, Б11 = 2Д6-10-5 м2/с, у11 = 1,5^ 10-5 м2/с.

На рис. 3 и 4 приведены зависимости времени прекращения реакции термического разложения типичных ЛГМ от температуры в следе «водяного снаряда» (Тт) и толщины прогретого слоя материала (Ь).

Для зависимостей, приведенных на рис. 3 и 4, получена группа аппроксимационных выражений:

и = 0,0004 Тт3 - 0,3775 Тт2 + 109,37 Тт - 10569 при 280 < Тт < 340 К (листья березы); Ь = 0,0004 Тт3 - 0,32 Тт2 + 91,974 Тт - 8797,4 при 280 < Тт < 340 К (хвоя сосны); и = 0,0004 Тт3 - 0,3825 Тт2 + 111,93 Тт - 10900 при 280 < Тт < 340 К (хвоя ели); ^ = 0,0024 Ь3 - 0,1825 Ь2 + 5,2833 Ь - 24 при 20 < Ь < 60 мм (листья березы);

= 0,0017 Ь3 - 0,1129 Ь2 + 3,0378 Ь - 7,412 при 20 < Ь < 60 мм (хвоя сосны); ^ = 0,0015 Ь3 - 0,1 Ь/ + 2,55 Ь - 5 при 20 <Ь < 60 мм (хвоя ели).

Приведенные аппроксимационные выражения для ^ в зависимости от Тт и Ьf можно использовать при прогностическом определении условий, необходимых и достаточных для подавления (прекращения) реакции термического разложения типичных ЛГМ с различной толщиной прогретого приповерхностного слоя.

Следует отметить нелинейный характер изменения ^ при варьировании Тт и Ьf в наиболее типичных для практики диапазонах (рис. 3 и 4). Это обусловлено, в первую очередь, нелинейной зависимостью скорости химического реагирования (термического разложения) в приповерхностном слое ЛГМ (15). Во-вторых, существенное влияние на

условия охлаждения ЛГМ оказывают начальные распределения Т0(х, у) и ф0(х, _у), соответствующие процессу его горения (рис. 2). Известно [9, 10], что в процессе выгорания прогретого слоя ЛГМ увеличивается пористость последнего. Как следствие, происходит образование неоднородного (гетерогенного) слоя (с газообразными и твердыми продуктами пиролиза). При интенсивном вдуве газообразных компонентов температура приповерхностного слоя ЛГМ может быть выше представленной на рис. 2. При высокой доле кокса (твердых составляющих) возможно некоторое снижение температуры приповерхностного слоя ЛГМ.

Рис. 3. Зависимости времени прекращения реакции термического разложения ЛГМ от температуры в следе «водяного снаряда» при ^ = 0,05 м: 1 - листья березы, 2 - хвоя сосны, 3 - хвоя ели

Рис. 4. Зависимости времени прекращения реакции термического разложения ЛГМ от толщины прогретого слоя при Тт=300 К: 1 - листья березы, 2 - хвоя сосны, 3 - хвоя ели

Установленные значения ^ (рис. 3, 4) иллюстрируют необходимость поддержания в течение относительно небольших времен (до 5 минут) типичных [5 - 7] для следа «водяных снарядов» температур Тт = 280 - 340 К над поверхностью ЛГМ для прекращения термического разложения последнего. В [5 - 7] показано, что наименьших температур в следе движения «снаряда» можно достичь при его мелкодисперсном распылении. Уменьшение размеров капель воды в «снаряде» приводит к интенсификации парообразования (вследствие увеличения площади поверхности испарения). При этом

основная масса жидкости испаряется (при размерах капель в несколько десятков микрон -до 95 %) в пламенной зоне горения ЛГМ и лишь малая часть достигает его поверхности [6, 7]. Поэтому поддержание низких значений Тт возможно при равномерной подаче потока мелкодисперсной воды, например [6, 7], в течение установленных времен Параметры распыления можно определить при использовании аппроксимационных зависимостей и моделей [5 - 7].

Следует отметить, что целесообразно развитие физических и математических моделей рассматриваемых процессов (рис. 1) как в направлении учета максимально возможного числа факторов и соответствующих эффектов, так и создания математического аппарата, позволяющего проводить прогностические оценки интегральных характеристик процессов. Для этих целей сформулирована существенно упрощенная (относительно (1) - (18)) модель, учитывающая только диффузионный массоперенос и кондуктивный теплоперенос в парогазовой смеси над ЛГМ (аналогично [6, 7]). Установлено, что полученные с использованием этой модели зависимости ^ = /(Гт) и ^ = /(Ь) характеризуются значениями времен прекращения реакции термического разложения ЛГМ только на 10 - 12 % больше, чем на рис. 3 и 4.

Выявленную особенность можно объяснить интенсификацией процессов тепломассопереноса в области смеси газообразных продуктов термического разложения и водяных паров за счет конвекции. На рис. 5 приведены наиболее типичные распределения основных параметров процессов тепломассопереноса в некоторый момент времени (т = 5 с), полученные с использованием модели (1) - (18). Градиенты температуры имеют максимальные значения в окрестности поверхности ЛГМ (рис. 5, а). Это обусловлено аккумуляцией энергии в очень тонком слое термически разлагающегося материала. Также можно выделить границу х = Х1, 71 <.У <Ь (рис. 1), на которой моделировался подвод энергии от высокотемпературных газов по боковой поверхности «водяного снаряда» (т.е. движущихся параллельно последнему).

Установлено, что при учете конвекции существенно интенсифицируются процессы смешения продуктов термического разложения (рис. 5, б) и паров воды (рис. 5, в). Это, в свою очередь, вызывает интенсификацию теплопереноса. Формируются соответствующие вихри в окрестностях: границы «ЛГМ - парогазовая смесь», боковых границ области решения и оси симметрии (рис. 5, г и д). Выявленный эффект обусловлен тем, что происходит слияние встречных потоков газов и паров вблизи оси симметрии (х = 0, 71 < .У <Ь), которые прогреваются при движении вдоль поверхности ЛГМ. Так как на границах х = Н, 71 < .У <Ь и 0 < х < Н, У = 71 происходит вдув газообразных продуктов термического разложения, то формируются локальные завихрения. Этим можно объяснить интенсивную циркуляцию (рис. 5, д) компонентов парогазовой смеси.

Выявлено, что с ростом времени протекания процессов тепломассопереноса в рассматриваемой системе (рис. 1) концентрации водяных паров и газообразных продуктов термического разложения ЛГМ в несколько раз уменьшаются (рис. 5, б и в). Это обусловлено тем, что при подавлении реакции в прогретом слое материала снижается массовая скорость вдува продуктов пиролиза ЛГМ. Как следствие, при Х ^ ^ концентрации С в парогазовой смеси над ЛГМ существенно уменьшаются (они составляют не более 10 % от максимальных значений при Х = 0 с и Т >> Т) в материале).

Анализ возможных изменений интегральных характеристик тепломассопереноса (в частности, времен при учете конвекции в парогазовой смеси над термически разлагающимся ЛГМ показывает, что этот фактор приводит к интенсификации процессов прогрева указанной парогазовой смеси и, как следствие, значительному остыванию материала. В то же время установлено, что отклонения времен для модели, учитывающей только диффузионный механизм массопереноса, и модели (1) - (18) не превышают 12 %. Очевидно, что с повышением характерной температуры парогазовой смеси Тт эти отклонения могут существенно возрасти.

д

Рис. 5. Изотермы (а) и изолинии концентраций газообразных продуктов термического разложения (б), водяных паров (в), функций тока (г), вихря скорости (д) при ^ = 0,04 мм, Тт = 350 К, т = 5 с

б

а

в

г

Так, численный анализ показал, что при Tm = 400 - 500 К времена прекращения реакции термического разложения типичных ЛГM не превышают 350 с. При учете только диффузионных процессов, например [6, 7], и адекватных внешних условиях времена td достигают 500 с (отклонения времен td для выделенных моделей возрастают до 30 %). При варьировании второго определяющего параметра - толщины прогретого слоя ЛГM масштабы влияния конвекции над его поверхностью практически не изменяются. Mожно заключить, что при анализе условий прекращения реакции термического разложения J11 M целесообразно применять диффузионные модели (например [6, 7]), так как в следе типичных «водяных снарядов» температура формирующейся парогазовой смеси, как правило, не превышает 400 К [5 - 7]. При более высоких температурах Tm роль конвекции компонентов парогазовой смеси над ЛГM возрастает и модель (1) - (18) позволяет существенно уточнить интегральные характеристики этих процессов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

С использованием разработанной модели (1) - (18) выполнено исследование интегральных характеристик (времен прекращения процесса td при различных Lf и Tm) подавления реакции термического разложения группы наиболее типичных nTM следом «водяного снаряда». Установлено, что отклонения значений td для моделей, учитывающих диффузионно-конвективный и только диффузионный механизмы массопереноса в парогазовой смеси над ЛГM, составляют не более 12 %. Поэтому при определении верхних оценок времен td представляется целесообразным использовать диффузионные модели, например [5 - 7].

Выявлено, что характерные времена td существенно зависят от распределений температуры и доли способного к термическому разложению вещества в прогретом слое ЛГM (распределения температуры в ЛГM при горении могут значительно изменяться с ростом времени [6, 7]). Это главным образом связано с выгоранием определенной массы приповерхностного слоя. Последний представляет смесь газообразных продуктов пиролиза и кокса (как следствие, существенно меняется относительная доля способного к термическому разложению вещества). Соотношения между заполняющими указанную область компонентами могут значительно отличаться в зависимости от внешних условий. На практике возможна реализация условий, при которых толщина прогретого приповерхностного слоя ЛГM будет превышать рассматриваемые значения Lf. Как следствие, возрастут и значения времен td относительно представленных в настоящей работе.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ, проект № 14-08-00057. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Wighus R. Water mist fire suppression technology - status and gaps in knowledge // Proceedings of the international water mist conference, Vienna, 2001. P. 1-26.

2. Karpov A.I., Novozhilov V.B., Galat A.A., Bulgakov V.K. Numerical modeling of the effect of fine water mist on the small scale flame spreading over solid combustibles // Fire safety science: proceeding of eight international symposium. 2005. V. 27. P. 753-764.

3. Копылов Н.П., Чибисов A..H., Душкин A..H., Кудрявцев E.A. Изучение закономерностей тушения тонкораспыленной водой модельных очагов пожара // Пожарная безопасность. 2008. № 4. С. 45-58.

4. Шумихин A.A., Карпов AÄ, Корепанов M.A., Новожилов В.Б. Численное исследование воздействия тонкораспылeнной воды на турбулентное диффузионное пламя // Химическая физика и мезоскопия. 2012. Т. 14, № 3. С. 391-400.

5. Волков Р.С., Кузнецов Г.В., Стрижак ПА. Численная оценка оптимальных размеров капель воды в условиях ее распыления средствами пожаротушения в помещениях // Пожаровзрывобезопасность. 2012. Т. 21, № 5. С. 74-78.

6. Strizhak P.A. Influence of droplet distribution in a «water slug» on the temperature and concentration of combustion products in its wake // Journal of Engineering Physics and Thermophysics, 2013. V. 86, № 4. P. 895-904.

7. Высокоморная О.В., Mарков A.O., Назаров M.R, Стрижак ПА., Янов С.Р. Численное исследование влияния условий распыления воды на температуру в следе «водяного снаряда» // Известия Томского политехнического университета. 2013. Т. 322, № 4. С. 24-31.

8. Исаченко В.П. Теплообмен при конденсации. M. : Энергия, 1977. 239 с.

9. Щетинский Е.А. Тушение лесных пожаров. М. : ВНИИЛМ, 2002. 104 с.

10. Кузнецов Г.В., Барановский Н.В. Прогноз возникновения лесных пожаров и их экологических последствий. Новосибирск : Изд-во СО РАН, 2009. 301 с.

11. Ковалев А.Н., Журавлева Л.А. Перспективные направления тушения низовых лесных и степных пожаров // Научная жизнь. 2012. № 4. С. 153-157.

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

13. Grishin A.M., Sinitsyn S.P., Akimova I.V. Comparative analysis of thermokinetic constant of drying and pyrolysis of forest fuels // Combustion and Explosion Physics Journal. 1991. V. 27. P. 17-24.

14. Lautenberger C.H., Fernando-Pello C. A model for the oxidative pyrolysis of wood // Combustion and Flame. 2009. V. 156. P. 1503-1513.

15. Барановский Н.В., Гоман П.Н. Сравнительный анализ численного моделирования и экспериментальных данных по зажиганию лесных горючих материалов лучистым тепловым потоком // Фундаментальные исследования. Физико-математические науки. 2013. № 10. С. 747-751.

16. Жданова А.О. Определение характерных времен прекращения реакции термического разложения типичных лесных горючих материалов при воздействии «водяного снаряда» // Материалы I Междунар. молодежного форума «Интеллектуальные энергосистемы». Томск : Изд-во ТПУ, 2013. Т. 1. С. 295-298.

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

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

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

20. Корольченко А.Я., Корольченко Д.А. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов и средства их тушения: справочник. М. : Пожнаука, 2004. Ч. 1. 713 с.

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

22. Пасконов В.М., Полежаев В.И., Чудов Л.А. Численное моделирование процессов тепло- и массообмена. М. : Наука, 1984. 277 с.

23. Муратова Т.М., Лабунцов Д.А. Кинетический анализ процессов испарения и конденсации // Теплофизика высоких температур. 1969. Т. 7, № 5. С. 959-967.

24. Роуч П.Дж. Вычислительная гидродинамика. М. : Мир. 1980. 616 с.

25. Самарский А.А. Теория разностных схем. М. : Наука, 1983. 616 с.

26. Коздоба Л.А. Методы решения нелинейных задач теплопроводности. М. : Наука, 1975. 227 с.

27. Глушков Д.О., Кузнецов Г.В., Стрижак П.А. Влияние формы локального источника энергии на условия зажигания структурно-неоднородного твердого конденсированного вещества // Химическая физика и мезоскопия. 2012. Т. 14, № 3. С. 334-341.

28. Глушков Д.О., Захаревич А.В., Стрижак П.А. Зажигание жидкого конденсированного вещества погружающимся источником ограниченной энергоемкости // Химическая физика и мезоскопия. 2012. Т. 14, № 4. C. 483-498.

29. Глушков Д.О., Кузнецов Г.В., Стрижак П.А. Численное исследование процесса зажигания металлизированного конденсированного вещества внедренным в приповерхностный слой источником // Химическая физика. 2013. Т. 32, № 5. С. 55-61.

THERMAL DECOMPOSITION REACTION SUPPRESSION OF COMBUSTIBLE WOOD BY THE "WATER SLUG" WAKE

Zhdanova A.O., Kuznetsov G.V., Strizhak P.A.

National Research Tomsk Polytechnic University, Tomsk, Russia

SUMMARY. The numerical analysis has been made of complex interrelated heat and mass transfer processes, chemical reactions and phase transformations under the thermal decomposition reaction suppression of typical combustible wood (leaves of birch, pine and spruce needles) by the "water slug" wake (a large set of droplets). The influence has been determined of heat and mass transfer processes in mixture of water vapors and gaseous thermal decomposition products above the combustible wood on the conditions of chemical reaction termination in it. Characteristic times have been calculated of the thermal decomposition reaction suppression of typical combustible wood at typical temperatures in "water slug" wake and the thickness of warmed material layers.

KEY WORDS: thermal decomposition, combustible wood, "water slug" wake, heat and mass transfer, time of reaction suppression.

Жданова Алёна Олеговна, аспирант НИ ТПУ, тел. 8(3822^ 701-777, доп. 1957, e-mail: zhdanovaao@tpu.ru

Кузнецов Гений Владимирович, доктор физико-математических наук, профессор НИ ТПУ, тел. 8(3822^ 563-613, е-mail: ef@tpu.ru

Стрижак Павел Александрович, доктор физико-математических наук НИ ТПУ, профессор кафедры автоматизации теплоэнергетических процессов Энергетического института ТПУ, тел. 8 (3822^ 701-777, доп. 1910, е-mail: pavelspa@tpu.ru