Влияние формы разогретой металлической частицы на характеристики процесса зажигания жидкого топлива

ПРОЦЕССЫ ГОРЕНИЯ

П. А. Стрижак

аспирантТомского политехнического университета

УДК 614.84:536.468

ВЛИЯНИЕ ФОРМЫ разогретой металлической частицы на характеристики процесса зажигания жидкого топлива

Исследованы процессы газофазного зажигания типичного жидкого топлива — керосина — разогретыми до высоких температур стальными частицами конечных размеров в форме цилиндрического диска и параллелепипеда. Установлены масштабы отклонений времен задержки воспламенения для источников нагрева различной формы. Найдены предельные значения параметров источников зажигания, при которых их конфигурация незначительно влияет на условия воспламенения в системе жидкое топливо - разогретая частица - окислитель. Ключевые слова: зажигание, металлическая частица, жидкое топливо, форма источника нагрева.

Введение

Настоящая работа является продолжением исследований [1-3], посвященных проблеме пожароопасности процессов взаимодействия типичных жидких топлив (керосина, бензина, дизельного топлива) с нагретыми до высоких температур (8002000 К) металлическими и неметаллическими частицами, образующимися при проведении огневых работ и в результате воздействия неконтролируемых техногенных факторов (например, пожаров, взрывов).

Ранее [1-3] теоретические исследования выполнялись на одиночных частицах в форме параллелепипедов малых размеров (0,5-5,0 мм). При этом решались плоские задачи, в которых не учитывались процессы тепломассопереноса по третьей координате. Такой подход обусловлен сложностью комплекса процессов тепломассопереноса с фазовыми превращениями (испарение горючей жидкости, кристаллизация материала металлической частицы) и химическими реакциями, протекающими в этой системе. Результаты [1-3] позволяют оценить пожароопасность исследуемых процессов и установить диапазоны изменения определяющих параметров для разогретых частиц в форме параллелепипеда с одним из размеров, существенно превышающим два остальных. Однако реальные “горячие” частицы, образующиеся, например, при сварке или резке металлов, существенно по своей форме отличаются от параллелепипедов. Представляет

интерес оценка влияния формы частицы на характеристики зажигания жидких топлив. Так как учесть все многообразие возможных форм таких частиц, встречающихся в реальных приложениях, практически невозможно, то целесообразно изучить влияние фактора формы на примере простых типичных конфигураций (например, диска).

Целью настоящей работы является численное решение задачи зажигания в системе жидкое топливо - разогретая частица - окислитель в цилиндрической и декартовой системах координат для установления масштабов влияния конфигурации источника нагрева на время задержки воспламенения горючей жидкости.

Постановка задачи

Реальную форму частиц, образующихся при проведении огневых работ и в результате воздействия неконтролируемых техногенных факторов, трудно описать математически, так как они имеют, как правило, конфигурации неправильных многогранников. Поэтому для анализа данного фактора рассматривались частицы в форме цилиндрического диска (см. рис. 1, а) и параллелепипеда (рис. 1, б) малых размеров (3-6 мм). Исследования выполнялись на примере керосина и стальных частиц, нагретых до температур 900-2000 К.

Физическая постановка решаемой задачи зажигания соответствует описанной в публикации [2]. Однако в отличие от работы [2] высота частицы

20

0869-7493 ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТЬ 2009 ТВМ19 №9

У‘ /

1 Уь

4 /

7Ь/ Уг/

о

*1*2

Рис. 1. Схема области решения задачи в цилиндрической (а) и декартовой (б) системах координат: 1 — парогазовая смесь; 2 — частица; 3 — жидкость; 4 — слой паров горючего

гск = г2 принималась больше, чем толщина пленки разлитой жидкости г1, в которую погружен источник зажигания радиусом гск = г1 (см. рис. 1, а). Кроме того, учитывались влажность и температура окружающего воздуха, а также варьировалась форма источника нагрева (диск, параллелепипед).

В связи с этим математическая постановка задачи в цилиндрической системе координат (см. рис. 1, а) имеет следующий вид (0 < ? < ):

г1 < г < г2, 0 < г < г1;

г1 < г < гь, г1 < г < г2;

0 < г < гь, г2 < г < ;

• уравнение неразрывности:

д 2у 1 ду д 2у

д2 2 г дг дг/

• уравнение движения парогазовой смеси:

дю дю дю д ( /ЛТ7Ч дю

И н из: + & ' дГ ) *

, (тЛ дю нд ( . . дю1 _ "Т1

+ у1(г)_ ^ + у1(т) ^1 + р* ~д~;

г дг ді \ ді ) ді

2

= ю;

уравнение энергии:

дТ дТ дТ д ( ,^ дТ

—1 + и—1 н у—- =— І а^Т)—-ді дг ді дг I дг

1 дТ1 н д ( {т, дТ1

а 1(Т ) _ + яЧ а1( Т) “яг дг ді І ді

Р1

уравнение диффузии паров горючего в воздухе:

дС^

ді

дг

дСа

1 дСя + Аз(Т)-- *

г дг

у -д ді

дг дг

° 13 (Т )^7

Аз

дС* 1

— н дг )

^о .

Р1з(Т);

уравнение диффузии паров воды в воздухе:

"Су

ді

"Су

дг

дС

+ ^12(Т )-

1 д€^

аГ = "

г дг

• уравнение баланса:

С* + С№ + С0 = 1;

• уравнение теплопроводности для частицы:

0< г < гь 0< і <

дТ2 д ( дТ2

"ЗГ ~~дг (а2( ) ~дг

1 "Ті

г дг

"

а 2 (Т

№с&сг

іскр 2

• уравнение теплопроводности для жидкости:

г2 < г < г^ , 0 < і < і]

а з(Т) -

г дг

—(а3(Т) |.

"і { п ’ ді 1

Объемные доли компонентов парогазовой смеси вычислялись из их массовых концентраций С0, Ск, С& по выражениям:

С0/р„(Г) .

Ф11 =

Ф12 =

С0/Р11(Т) н Ск/р 12(Т) + С*/Р1з(Т)’

_______________Су/ Р12 (Т)____________,

Со/ Р11(Т) + Ск/ Р12 (Т) + Се/ Р1з( Т);

Ф11 +Ф12 +Ф 1з = 1

Теплофизические характеристики парогазовой смеси как гетерогенной системы, состоящей из паров горючего, паров воды и воздуха, рассчитывались по формулам:

х 1(Т) = X11(Т) Ф11 + X12 (Т) Ф12 + Х 1з (Т) Ф 1з ;

С 1( Т) = С 11(Т) Ф11 + С12 (Т) Ф12 + С 1з( Т) Ф 1з; Р1(Т) = Р11(Т) Ф11 + Р12 (Т) Ф12 + Р1з(Т) Ф 1з .

В приведенных выше формулах: і — время, с; (з) — время задержки воспламенения, с; г, і — координаты цилиндрической системы, м; г£, — разме-

ры области решения, м; у — функция тока, м2/с; ю — вектор вихря скорости, с-1; и, w — составляющие скорости паров горючего, м/с; V — кинематическая вязкость, м2/с; Р — коэффициент термического расширения, К-1; g — ускорение свободного падения, м/с2; Т —температура, К; а — температуропроводность, м2/с, а = Х/(Ср); р — плотность, кг/м3; С — удельная теплоемкость, Дж/(кг-К); X — теплопроводность, Вт/(м-К); Q0 — тепловой эффект реакции окисления паров горючего в воздухе, МДж/кг; Ж0 — массовая скорость окисления паров горючего в воздухе, кг/(м3-с); В — коэффициент диффузии, м2/с; С — массовая концентрация паров горючего в смеси; Ск — массовая концентрация паров воды в смеси; С0 — массовая концентрация окислителя в смеси; Qcг — тепловой эффект кристаллизации источника нагрева, кДж/кг; Жсг — массовая скорость кристаллизации источника нагрева, кг/(м2-с); индексы “1”, “2”, “3”, “11”, “12”, “13” соответствуют парогазовой смеси, частице, жидкости, воздуху, парам воды, парам горючего.

Начальные (I = 0) и граничные условия (0 < I < ) соответствуют модели [2].

Процесс смешения струи паров с воздухом описывается уравнениями (4) - (6). При соответствующих граничных условиях приток массы паров определяется формулой для скорости парообразования вида:

жг = А(Р‘ - р‘) ,

V2%ЯТп1Ы

где А — коэффициент аккомодации;

Р * — давление насыщения паров жидкого горючего вещества, Н/м2;

Р I — давление паров над поверхностью, Н/м2; Я — универсальная газовая постоянная,

Дж/(мольК);

Тп — температура поверхности жидкости, К;

М — молекулярная масса жидкого горючего вещества, кг/кмоль.

Для вычисления значений Ж0, Жсг использовались формулы, приведенные в работе [2].

Метод решения

Для решения поставленной задачи зажигания в цилиндрической (см. рис. 1, а) и декартовой (рис. 1, б) системах координат использовалась методика, изложенная в работе [з]. При этом достоверность полученных результатов определялась проверкой консервативности разностной схемы, алгоритм которой представлен в публикации [з].

Результаты и обсуждение

Численные исследования выполнялись при следующих значениях характеристик взаимодействующих веществ [4-8]: Т0 = з00 К, Тск = 1500 К, Токг = з08 К, Су0 = 0, = 4з,8 МДж/кг, Е = 19з,7

кДж/моль,к0 = 7-107с 1, Тсг = 1400 К, Qcг = 205 кДж/кг, гск = 2 мм, 2ск = 1,5 мм, і1 = 1 мм, гь = 10 мм, 2Ь = 20мм. Здесь Т0 — начальная температура горючей жидкости; Тск — начальная температура частицы; Токг — начальная температура воздуха; Су0 — начальная массовая концентрация паров воды в воздухе; Е — энергия активации; к0 — предэкспоненциальный множитель; Тсг — температура плавления материала источника нагрева. Теплофизические характеристики керосина, его паров, воздуха, паров воды, стальной частицы в зависимости от температуры приведены в работах [5-7].

Результаты исследований процессов зажигания твердых конденсированных веществ нагретыми до высоких температур металлическими частицами в форме параллелепипеда, цилиндрического диска и полусферы [8] показали, что характеристики исследуемых процессов практически не зависят от конфигурации источника нагрева. Однако этот вывод сделан для частиц с энергетическим запасом, изменяющимся в достаточно узком диапазоне. Также не установлены предельные значения размеров и тем-

Время задержки воспламенения в системе стальная частица - керосин - воздух в зависимости от размеров и формы источника зажигания при Тск = 1273 К

Диск

гсИ , мм з з з з 2,5 2 1,5 1

гсЬ, мм з 2,5 2 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5

к,с 0,072 0,078 0,087 0,101 0,122 0,149 0,18з 0,2з4

Параллелепипед

кск, мм з з з з 2,5 2 1,5 1

с, мм з 2,5 2 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5

,с 0,066 0,07з 0,082 0,096 0,118 0,145 0,179 0,2з1

Примечание. гск = г1, (см. рис. 1, а); ксь = х1, 1с^ = у2 (см. рис. 1, б ).

Рис. 2. Зависимость времени задержки воспламенения от начальной температуры частицы Тск (-диск размерами гсЬ = 2 мм, 2ск =1,5 мм;---------параллелепипед размера-

ми НсИ = 2 мм, /сЛ =1,5 мм)

ператур нагретых частиц, при которых этот параметр оказывает существенное влияние на характеристики процесса зажигания, в частности на значения времени задержки воспламенения .

Для решения такой задачи в рассматриваемой системе жидкое топливо - разогретая частица -окислитель (см. рис. 1) выполнены исследования масштабов влияния формы источника зажигания (диск и параллелепипед) на (см. таблицу). Из таблицы можно сделать вывод о том, что при адекватных условиях теплообмена, близких площадях контакта жидкости и частицы значения времени задержки воспламенения для источников нагрева в форме параллелепипеда и цилиндрического диска отличаются менее чем на 10 %. Полученный результат показывает, что тепломассоперенос по третьей координате оказывает несущественное влияние на и для анализа исследуемого процесса зажигания при источниках нагрева в форме параллелепипеда малых размеров можно использовать двумерные модели [1-з].

Из таблицы видно, что максимальные отклонения для частиц в форме параллелепипеда и диска достигают 10 % с увеличением размеров источника зажигания до гск = іск = 0,00з м. Это обусловлено повышением роли размеров частицы при формировании ее энергетического запаса. При уменьшении размеров определяющее значение в теплосодержании частицы имеет ее температура.

Известно [9], что при одинаковых определяющих размерах и адекватных условиях теплообмена скорость изменения температуры во времени максимальна для шара и минимальна для параллелепипеда. Это обусловлено тем, что определяющее в процессах охлаждения и нагревания отношение

площади поверхности тела к его объему принимает наибольшее значение для шара. Для тел в форме параллелепипеда это отношение меньше, чем для цилиндра и шара. В случае больших частиц (гск = = > 0,00з м) этот фактор проявляется более от-

четливо и форму источника нагрева в рассматриваемой системе (см. рис. 1) следует учитывать. Однако при гск = < 0,002 ми Тск > 1з00 К влиянием фор-

мы частицы на можно пренебречь (см. таблицу).

Ранее [1-з] установлено, что главным параметром источника зажигания, определяющим инерционность процесса зажигания, является его начальная температура Тск. На рис. 2 представлена зависимость времени задержки воспламенения от начальной температуры источника зажигания в форме диска и параллелепипеда. Видно, что при ТсН > 1з00 К кривые для частиц различной конфигурации приближаются, а отклонения составляют менее 1 %. Однако при понижении ТсН кривые расходятся, отклонения составляют более 15 %. Можно сделать вывод о том, что в области относительно низких температур частиц (Тск < 1000 К) конфигурация источника зажигания играет заметную роль. При этом наименьшие значения наблюдаются при зажигании жидкого горючего вещества частицами в форме параллелепипеда. Можно предположить, что наибольшие значения будут соответствовать частицам в форме шара.

Также необходимо отметить, что температурные поля, изотермы, расположение зоны воспламенения в рассматриваемой системе взаимодействующих веществ (см. рис. 1) для частиц в форме как диска, так и параллелепипеда, хорошо согласуются с результатами работ [1-з].

Выводы

Результаты выполненных численных исследований показали, что форма одиночной частицы не всегда оказывает существенное влияние на характеристики процесса зажигания в системе жидкое топливо -разогретая частица - окислитель (см. рис. 1). В определенных диапазонах изменения основных параметров источника зажигания Тск, гск, хск этим фактором можно пренебречь и использовать в дальнейших исследованиях менее трудоемкие при реализации вычислений модели [1-з].

***

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант № 06-08-00366-а).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Kuznetsov, G. V. Heat and mass transfer at the ignition of a liquid substance by a single “hot” particle / G. V. Kuznetsov, P. A. Strizhak// Journal of Engineering Thermophysics. — 2008. — №3. — P. 244-252.

2. Кузнецов, Г. В. Влияние фазового состояния частиц металлов на условия зажигания пожароопасных жидкостей / Г. В. Кузнецов, П. А. Стрижак// Пожаровзрывобезопасность. — 2008.

— Т. 17, № 4. — С. 17-21.

3. Кузнецов, Г. В. Зажигание накаленной одиночной частицей жидких углеводородных топлив / Г. В. Кузнецов, П. А. Стрижак// Известия Томского политехнического университета. — 2008.

— №4. — С. 5-9.

4. Щетинков, Е. С. Физика горения газов / Е. С. Щетинков. — М.: Наука, 1965. — 739 с.

5. Корольченко, А. Я. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов и средства их тушения : справочник : в 2 ч. / Под ред. А. Я. Корольченко, Д. А. Корольченко. — М.: Пожнаука, 2004. —

Ч.1.— 713 с.

6. Варгафтик, Н. Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей / Н. Б. Вар-гафтик. — М.: Старс, 2006. — 720 с.

7. Теплотехнический справочник: в 2т. / Под ред. В. Н. Юренева, П. Д. Лебедева. — М.: Энергия,

1975. — Т. 1. — 743 с. ; Т. 2. — 896 с.

8. Таратушкина, Г. В. Теплоперенос при зажигании конденсированных веществ и эрозии конструкционных материалов при инерционном осаждении твердых "горячих" частиц : дис. ... канд. техн. наук / Г. В. Таратушкина. — Томск, 2004. — 184 с.

9. Теория тепло- и массопереноса / Под ред. А. В. Лыкова, Ю.А. Михайлова.— Л.: Госэнергоиздат,

1963. — 536 с.

Материал поступил в редакцию 27.04.09. © Кузнецов Г. В., Стрижак П. А., 2009 г. (e-mail: pavel-strizhak@yandex.ru).

В феврале 2009 г. Академией Государственной противопожарной службы МЧС России издано учебное пособие

"Эвакуация и поведение людей при пожарах"

Авторы —

доктор технических наук, профессор Холщевников В. В. и кандидат технических наук, Р/70 Самошин Д. А.

Эта книга — первое за последние 40 лет учебное пособие, в котором систематически изложены современные данные об эвакуации людей при возникновении чрезвычайной ситуации. В учебном пособии рассмотрены основные факторы, влияющие на поведение людей при пожарах, и характерные действия человека при получении сообщения о пожаре. Приведены параметры, характеризующие людской поток, психофизиологические закономерности связи между параметрами и кинематические закономерности их изменения при движении людского потока во время эвакуации. Дано математическое описание основных расчетных случаев движения и приведены примеры расчета. Рассмотрены требования пожарной безопасности к эвакуационным путям и выходам, нормированию их размеров и обеспечению беспрепятственной и своевременной эвакуации людей.

Учебное пособие соответствует Государственному образовательному стандарту "Безопасность жизнедеятельности" и примерной учебной программе курса "Пожарная безопасность в строительстве". Пособие предназначено для слушателей и студентов пожарно-технических, строительных и архитектурных высших и средних специальных учебных заведений, а также может быть полезно специалистам проектных и научно-исследовательских организаций, нормативных и экспертных органов. Учебное пособие будет интересно широкому кругу специалистов, поскольку в нем приведены результаты почти 80-летней истории исследования людских потоков и эвакуации людей как в нашей стране, так и за рубежом.

ЭВАКУАЦИЯ II ПОВЕДЕНИЕЛЮДЕЙ

II г и поллглх

24

ISSN 0869-7493 ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТЬ 2009 ТОМ 18 №6