ОГЛАВЛЕНИЕ
Стр.
Список условных обозначений и индексов 4
ВВЕДЕНИЕ 6
Глава 1. ОБЗОР СХЕМ И МЕТОДИК ПРОГНОЗИРОВАНИЯ СОЗДАНИЯ ПОДЪЕМНОЙ СИЛЫ ГАЗОГЕНЕРАТОРАМИ В МАЛОГАБАРИТНЫХ УСТРОЙСТВАХ 12
1.1 Подъемные устройства с заполнением балластных емкостей веществами малой плотности 12
1.2. Схемы жестких понтонов для подъема среднегабаритных объектов 15
1.3. Схемы мягких понтонов для подъема объектов из-под воды 21
1.4. Устройства для выполнения подводно-технических работ на основе 34
1.5. Методы прогнозирования характеристик зажигания, горения унитарных твердых топлив и функционирования устройств на их основе 35
1.6. Выводы по главе 1 37
Глава 2. ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОТЫ СИСТЕМ ЗАПУСКА ОТКРЫТЫХ ГАЗОГЕНЕРАТОРОВ.... 40
2.1. Обобщённая методика зажигания унитарного твердого топлива под водой плоской спиралью накаливания ... 40
2.2. Анализ реализуемости схемы эстафетного запуска подводных открытых газогенераторов по газодинамической схеме 50
2.3. Исследование возможности многократного прерывания горения и последующего зажигания унитарного твердого топлива под водой 54
2.4. Исследование подводного горения унитарного твердого топлива в поле центробежных сил 59
Глава 3. ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВСПЛЫТИЯ ПОДЪЕМНЫХ УСТРОЙСТВ С ГРУЗОМ НА ОСНОВЕ ОТКРЫТЫХ ГАЗОГЕНЕРАТОРОВ 76
3.1. Физико-математическое моделирование всплытия малогабаритного подъемного устройства с грузом .... 76
3.2. Расчет аналитическим методом температуры контакта воды с продуктами сгорания 88
3.3. Пример расчета подъема второй ступени ракетоносителя «Скаут» 91
2
3.4. Анализ влияния размеров эластичной оболочки на всплытие подъемного устройства с грузом 98
3.5. Упрощении учета развертывания эластичной оболочки подъемного устройства 100
3.6. Анализ влияния отрывного сопротивления на начальную стадию всплытия подъемного устройства с грузом 105
3.7. Возможность обеспечения регулируемой продувки балластной цистерны понтона открытым газогенератором 107
Глава 4. РАСШИРЕНИЕ ОБЛАСТЕЙ ПРИМЕНЕНИЯ УСТРОЙСТВ НА ОСНОВЕ УНИТАРНЫХ ТВЕРДЫХ ТОПЛИВ ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ АВАРИЙНО-СПАСАТЕЛЬНЫХ ОПЕРАЦИЙ И ПОДВОДНО- ТЕХНИЧЕСКИХ РАБОТ 113
4.1. Повышение эффективности тушения интенсивных пожаров в помещениях при порционной подаче жидкости ИЗ
4.2. Интенсификация теплового воздействия на промышленные стоки открытым газогенератором на основе унитарного твердого топлива 124
4.3. Повышение эффективности проведения подводнотехнических работ использованием устройств на основе открытых газогенераторов 127
4.4. Снижение отрицательного воздействия на окружающую среду процесса подводного демонтажа конструкций взрывчатыми веществами 130
4.5. Анализ работы устройства, предназначенного для аварийного всплытия водолаза 134
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 140
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 142
з
СПИСОК ОСНОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ И СОКРАЩЕНИЙ
Размерные переменные
г - радиус, м;
И - глубина погружения;
Т-температура, К;
I7- площадь поверхности теплообмена, м2;
П11 - масса ПЛЗГ, кг;
С - массовый расход, кг/с; р - плотность, кг/м3; g - ускорение силы тяжести, м/с2; р - давление, МПа;
ср-удельная массовая теплоемкость при постоянном давлении, Дж/(кг-К); X - теплопроводность, Вт/(м-К); а - температуропроводность, м2/с;
Q - тепловой поток, Вт;
Ир - мощность нагревателя, Вт;
а - коэффициент теплоотдачи, Вт/(м К);
к, — коэффициент теплопередачи, Вт/(м2*К);
д- плотность теплового потока, Вт/м2;
ор - площадь поперечного сечения проводника, мм2;
- объемная мощность источника теплоты, Вт/м3; и - электрическое напряжение на нагревателе, В;
/—силатока, проходящего в проводнике, А;
р0 - удельное электрическое сопротивление проводника, Ом*мм2/м;
Яр - электрическое сопротивление нагревателя, Ом;
Ят- термическое (тепловое) сопротивление, м2-К/Вт; с - степень черноты;
о0 - постоянная Стефана-Больцмана, Вт/(м2-К4); а - допустимое напряжение для исследуемого топлива
Безразмерные переменные и числа подобия
ц - координаты; 0 - температура; (7/ - средний размер перегрузки (отношение центробежной силы к силе тяжести);
В\ = а 10IX- число Био;
Бо = ах //02- число Фурье;
1>гб = Vь'срь *РА “ число Прандтля;
вг = ^ • 53 {гр - Т„ )/{у2'Тт ) - число Грасгоффа;
Ыи = а-/0 /Хс— число Нуссельта.
4
Сокращения
ТГГ - твердотопливный газогенератор;
ОГ - открытый газогенератор;
УТТ - унитарное твердое топливо;
СН - спираль накаливания;
ПУ - подъемное устройство;
ГТЛЗГ - подвижный локализатор зоны горения; ВВ - взрывчатое вещество;
УВ - ударная волна.
5
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность работы.
При эксплуатации разнообразной морской техники возникают нештатные режимы, которые, нередко приводят к потере плавучести и их затоплению [1]. Нередко возникают потребности спасения экипажа затонувшей подводной лодки, или подъема имеющих важную информацию приборных отсеков морского вооружения, корпусов ракет-носителей [2]. Обеспечение экстренного всплытия водолазных колоколов [3], забор проб с морского дна, расчистка судоходного участка на море или реке, а также предотвращения нежелательных экологических последствий от аварий на подводных участках нефте - и газопроводов, стимулирует создание средств для выполнения подобных операций.
При проведении подводно-технических и аварийно-спасательных работ используются разнообразные средства на основе твердотопливных газогенераторов (ТГГ). Освоение Мирового океана, разработка морских нефтяных и газовых месторождений, углубление акваторий портов, расширение технологических возможностей аппаратов по термогазохимическому воздействию на жидкости делает актуальным исследования по совершенствованию подобных устройств и методической базы по их созданию.
В настоящее время разработка и совершенствование устройств на основе унитарного твердого топлива (УТТ) для работы в жидкой среде интенсивно ведутся в России, США, Франции и ряде других стран. Известны методики и экспериментальные результаты по функционированию твердотопливных газогенераторов в жидкой среде, опубликованные в работах сотрудников ИХФ, Московского химико-технологического университета, Ижевского, Казанского и Пермского государственных технических университетов и др.
6
Однако во всех вышеперечисленных организациях рассматривались ТГГ с прочным металлическим или пластмассовым корпусами и с герметичными схемами запуска.
В настоящей диссертации исследуются бескорпусные ТГГ, называемые ниже открытыми газогенераторами (ОГ), с разгруженными от гидростатического давления элементами, запуск их производится непосредственно в водной среде, за счет барботажа через которую охлаждаются продукты сгорания. В результате уменьшается пассивный вес и стоимость открытых газогенераторов.
Экспериментальный метод решения возникающих новых задач является трудоемким. Поэтому комплексный анализ таких процессов на основе вычислительного эксперимента представляется актуальной задачей как в экономическом отношении, так и в плане безопасной эксплуатации устройств.
Расширяющиеся масштабы морской добычи нефти, полезных ископаемых, большая протяженность и насыщенность судоходных зон, многочисленные океанологические исследования, все эти обстоятельства свидетельствуют об актуальности создания подъёмных устройств с газоген ераторам и.
Целыо диссертационной работы является физико-математическое моделирование горения унитарных твердых топлив и гидродинамических процессов при работе устройств погруженных в жидкость.
Положения, выносимые на защиту диссертационной работы:
1. Обобщённая модель зажигания УТТ под водой плоской спиралью накаливания путем учета зависимости удельного электрического сопротивления от температуры.
2. Результаты экспериментальных испытаний влияния перегрузки на скорость горения УТТ.
3. Результаты лабораторных испытаний подводного ОГ с многократным запуском и остановкой.
7
4. Обобщённая методика создания регулируемой подъемной силы и всплытия понтона с грузом.
5. Методики интерпретации визуальных данных процесса горения УТТ в жидкой среде при перегрузках и функционирования малогабаритного подъемного устройства.
6. Анализ эффективности модернизированных устройств на основе ОГ для проведения подводно-технических и аварийно-спасательных работ.
Научная новизна работы:
1. Установлено что при зажигании УТТ спиралью накаливания в жидкой среде для металлов, у которых температурный коэффициент сопротивления близок или меньше, чем у нихрома можно не учитывать его влияние.
2. Экспериментально доказана возможность многократного запуска и остановки ОГ иод водой.
3. Расчетным путем установлено, что в математической модели наполнения эластичных оболочек сферической формы охлажденными продуктами сгорания из ОГ допустимо не учитывать инерционные свойства жидкости.
4. Вычислительным экспериментом подтверждена возможность регулируемого всплытия понтона с грузом.
5. Экспериментально установлено, что при увеличении положительной
перегрузки в диапазоне (1 255) ^ скорость горения УТТ возрастает
в (1 ...2,5) раза.
Практическая значимость работы:
1. Разработанная обобщенная методика прогнозирования характеристик устройства с регулируемой подъемной силой может
8
быть использована в организациях, занимающихся проектированием и эксплуатацией понтонов.
2. Предложено устройство для пожаротушения с импульсной подачей жидкости, позволяющее снизить расход воды.
3. Установки с визуализацией процесса многократного включения и остановки ОГ, всплытия эластичного понтона с грузом могут использоваться в учебных курсах по теории внутрикамерных процессов и гидромеханике.
Результаты исследований по теме диссертации получены при проведении работ по грантам РФФИ (проект № 09-03-00054-а, проект №>05-08-18120-а).
Достоверность научных результатов и выводов подтверждается экспериментальными результатами, аналитическими расчетами, сопоставлением расчетных данных с опытными и апробированными результатами научных исследований других ученых.
Апробация работы
Результаты диссертационной работа докладывались и обсуждались на Всероссийских научных конференциях «Фундаментальные и прикладные проблемы современной механики» (Томск, 2002, 2004,2006, 2008, 2011), Международной молодежной научной школе «Энергия и человек» (Томск, 2011), Всероссийской молодежной научной конференции «Актуальные проблемы современной механики сплошных сред» (Томск, 2010), XVI Всероссийской научно-технической конференции «Энергетика: экология, надежность, безопасность» (Томск, 2011), II Всероссийской научно-практической конференции «Теплофизическис основы энергетических технологий» (Томск, 2011), II Всероссийской молодежной научной конференции «Современные проблемы математики и механики» (Томск, 2011), Всероссийской молодежной научной конференции «Химическая физика и актуальные проблемы энергетики» (Томск, 2012),
9
Всероссийской молодежной научной конференции «Горение твердого топлива» (Томск 2012), на XXIII семинаре по струйным, отрывным и нестационарным течениям (с международным участием) (Томск, 2012).
Публикации
По материалам диссертации опубликована 21 работа, в том числе 5 статей в журналах, рекомендованных ВАК для публикации научных результатов диссертаций на соискание ученых степеней кандидатов и докторов наук: «Химическая физика и мезоскопия», «Известия ВУЗов. Физика» и «Пожарная безопасность». Соискатель является соавтором 3 патентов РФ на изобретение.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка используемой литературы из 147 наименований, изложена на 156 страницах машинописного текста, содержит 49 рисунков, 8 таблиц.
Соискатель выражает искреннюю благодарность научным руководителям: д. т. н. В.Д. Барсукову и д. ф-м. н. С.В.Голдасву многолетнее общение с которыми дало много полезного в организации теоретических и экспериментальных исследований но горению УТТ в водной среде, сотрудникам отдела газовой динамики и физики взрыва НИИ ПММ Национального исследовательского Томского государственного университета: д. ф-м. п., профессору В.А. Архипову,
д.т.н., профессору Е.А. Козлову, д. ф-м. н. И.К. Жаровой, к.т.н.
Н.П. Миньковой; декану физико-технического факультета профессору
Э.Р. Шрагеру, профессорам кафедры математической физики P.C. Буркиной, А. В. Крайнову за обсуждение математических постановок задач и анализ результатов по химической физике и гидромеханике; инженеру лаборатории теплофизики и горения С.Н. Поленчуку за помощь в проведении визуальных экспериментов.
10
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность и практическая значимость выбранного направления исследований. Сформулированы и обоснованы цели и задачи исследований, новизна полученных результатов, выносимых на защиту.
В первой главе на основе анализа литературных данных выбраны пути решения поставленных задач.
Во второй главе приводится обобщённая методика зажигания унитарного твердого топлива иод водой плоской спиралью накаливания с учетом зависимости электрического сопротивления от температуры. Анализируется возможность запуска ОГ с помощью газодинамической схемы. Приводится описание ОГ, позволяющего обеспечить многократный запуск ОГ и его остановку. Представлена методика обработки опытных данных по горению УТТ в воде, на которую действуют центробежные силы.
В третьей главе приводятся результаты физико-математического моделирования всплытия подъемного устройства с грузом на основе ОГ с учетом влияния формы эластичной оболочки, отрывного сопротивления и возможности дискретной продувки понтона ОГ.
В четвертой главе рассматриваются возможности расширения областей применения устройств на основе УТТ
В заключении приведены основные результаты диссертационной работы.
11
ГЛАВА 1. ОБЗОР СХЕМ И МЕТОДИК ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ В ЖИДКИХ СРЕДАХ УСТРОЙСТВ НА ОСНОВЕ УНИТАРНЫХ ТВЕРДЫХ ТОПЛИВ
Комплекс работ, когорые необходимо проделать, чтобы поднять затонувший объект, весьма обширен: определение координат его
местонахождения и анализ состояния, выбор средств подъема и последующее поддержание на плаву доставленного на поверхность объекта.
Среди известных методов подъема наиболее распространенным является способ, основанный на использовании закона Архимеда [4]. Применение многочисленных схем, реализующих его, позволяет осуществлять подъем в квазистатическом режиме, что снижает опасность разрушения поднимаемого объекта, разрыва средств остроики и т.д. Однако при этом приходится считаться с необходимостью преодоления сил присоса объекта к грунту, которые могут оказаться сравнимыми с весом поднимаемого объекта.
1.1. Подъемные устройства с заполнением балластных емкостей веществами малой плотности
В многочисленных модификациях этого метода используются различные твердые или жидкие вещества, образующие в конечном положении структуры, плотность которых меньше, чем у воды.
Чтобы иметь лучшее представление о возможностях и недостатках этого метода приведем описание нескольких технических решений.
Так, в работе [5] предложено применить пластиковую пену, которая накачивается в полость затонувшего объекта, вытесняя при этом воду. Для предотвращения реакции между морской водой и пеной, компоненты пены, состоящие из различных смол, и газорасширяющие агенты
12
нагнетаются в полость объекта нагретыми и под давлением. Остывающая пена образует вакуумные включения. Степень вакуумизации зависит от величины разрежения, температуры газа и плотности пластиковой пены. После всплытия затонувшего объекта и его надежного крепления, пена уничтожается механически или сжигается.
В статье [6] описана процедура создания подъемной силы, когда помещение затонувшего судна заполняется полистереновыми шариками диаметром 10 мм, которые при разбухании от воды образуют пористую массу объемом, в 50 раз превышающим первоначальный.
В устройстве для подъема затонувших судов [7] в качестве материала, создающего подъемную силу, предполагается использовать бруски или брикеты из материала с плотностью от 0,1 до 0,2 г/см3, которые подаются в затопленные отсеки по системе труб.
Предметом патента [8] является аппарат для наполнения сферических элементов плавучести воздухом и последующей их подачи в затонувшее судно. Сферы выполнены из пластмассы с наружным диаметром 279 мм и толщиной стенок 4 мм, которые создают подъемною силу в 11,3 кге, при собственном весе - 0,9 кгс. В ходе всплытия судна давление в элементе автоматически сбрасывается.
В патенте [9] описано средство плавучести, представляющее аппарат, выполненный в виде металлического жесткого каркаса, внутри которого размещаются в сетках эластичные оболочки из нейлона, покрытого синтетической резиной. Оболочки заполнены селикатно-стеклянными шариками (целосферами) из золы, получаемой как попутный продукт при сжигании пульверизированного угля. Объемная плотность этих пузырьков при радиусе - 50 мк равна 0,25 ... 0,35 г/см3. Микропузырьки могут использоваться без связующего, или заливаться парафином, либо поступать в виде синтактической пены на основе термопластической смолы.
Предложенный в работе [10] элемент плавучести представляет собой
усовершенствованный вариант схемы [8], который предназначен для
13
- Київ+380960830922