СОДЕРЖАНИЕ
С.
ВВЕДЕНИЕ.......................................................4
ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ МЕХАНИЗМОВ ГАЗОФАЗНОГО И ТВЕРДОФАЗНОГО ЗАЖИГАНИЯ КОНДЕНСИРОВАННЫХ ВЕЩЕСТВ ИСТОЧНИКАМИ С
ОГРАНИЧЕННЫМ ТЕПЛОСОДЕРЖАНИЕМ................................. 15
Выводы по первой главе.....................................30
ГЛАВА 2. ПОСТАНОВКИ ЗАДАЧ ГАЗОФАЗНОГО ЗАЖИГАНИЯ ПОЛИМЕРНЫХ И ТВЕРДОФАЗНОГО ЗАЖИГАНИЯ ГЕТЕРОГЕННЫХ КОНДЕНСИРОВАННЫХ ВЕЩЕСТВ НАГРЕТОЙ ДО ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР ЧАСТИЦЕЙ. МЕТОДЫ РЕШЕНИЯ. ВЕРИФИКАЦИЯ МОДЕЛЕЙ........................................................33
2.1 Газофазное зажигание полимерного материала локальным источником энергии........................................33
2.2 Твердофазное зажигание структурно-неоднородного вещества локальным источником энергии..............................45
2.3 Методы решения.........................................50
2.4 Алгоритм решения.......................................54
2.5 Верификация моделей....................................56
2.5.1 Алгоритм оценки достоверности результатов численного моделирования........................................56
2.5.2 Решение тестовых задач.........................60
2.5.2.1 Одномерный теплоперенос в плоской бесконечной пластине с фазовым переходом на границе..........60
2.5.2.2 Одномерный теплоперенос в плоской бесконечной пластине с химической реакцией в материале 63
2.5.2.3 Двумерный теплоперенос в пластине с фазовым переходом на двух границах.......................65
-2-
2.5.2.4 Естественная конвекция в замкнутой прямоугольной области............................................67
Выводы по второй главе......................................71
ГЛАВА 3. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ГАЗОФАЗНОГО ЗАЖИГАНИЯ ПОЛИМЕРНОГО МАТЕРИАЛА ОДИНОЧНОЙ ГОРЯЧЕЙ ЧАСТИЦЕЙ........................................................73
3.1 Газофазное зажигание полимерного материала одиночной частицей, находящейся на его поверхности, в рамках диффузионной модели воспламенения...............................................73
3.2 Газофазное зажигание полимерного материала одиночной .частицей, находящейся на его поверхности, с учетом диффузии и-конвекции при-переносе газообразных продуктов пиролиза
в среде окислителя.......................................83
Выводы по третьей главе.....................................94
ГЛАВА 4. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТВЕРДОФАЗНОГО ЗАЖИГАНИЯ СТРУКТУРНО-НЕОДНОРОДНЫХ КОНДЕНСИРОВАННЫХ ВЕЩЕСТВ ОДИНОЧНОЙ ГОРЯЧЕЙ ЧАСТИЦЕЙ..............................96
4.1 Твердофазное зажигание гомогенизированного смесевого топлива одиночной частицей, находящейся на его поверхности..96
4.2 Твердофазное зажигание структурно-неоднородного смесевого топлива горячей частицей, находящейся на его поверхности...101
4.3 Твердофазное зажигание структурно-неоднородного.смесевого топлива при неидеальном контакте с локальным источником нагрева................................................... 110
Выводы по четвертой главе..................................114
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.....................................................115
ЛИТЕРАТУРА.....................................................117
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время достаточно широко распространены высокотемпературные технологические и техногенные процессы, приводящие к формированию гетерогенных систем, которые представляют собой, как правило, локальные источники энергии (разогретые металлические и неметаллические частицы малых размеров) [1]. Их взаимодействие с различными материалами представляет самостоятельную научную проблему, частью которой является задача о нагревании конденсированного вещества (КВ) горячей частицей. При этом среди многообразия процессов взаимодействия в природе и технике наибольший интерес, скорее всего, представляют процессы зажигания как высокоэнергетических, так непредназначенных для горения конденсированных веществ одиночной нагретой до высоких температур частицей, инерционно выпадающей на поверхность КВ [2].
Известно, что на ранних стадиях исследований процессов воспламенения и горения веществ, находящихся в различных агрегатных состояниях, основное внимание, как правило, уделялось их преобразованию в результате химических реакций окисления [3]. С расширением областей использования процессов воспламенения и горения в промышленности и технике исследования стали носить больше физический, чем химический характер. Вероятно, это связано с тем, что в большинстве случаев характеристики воспламенения и горения, например, длительность периода индукции, скорость распространения пламени, в значительной степени определяются более длительными физическими процессами тепломассопереноса, а не высокоскоростными химическими реакциями окисления [4]. Необходимость исследования процессов зажигания различных материалов типичными локальными источниками энергии - одиночными горячими частицами малых размеров объясняется рядом причин, наиболее
значимыми из которых являются применение этих процессов в военной и космической отраслях промышленности [5|, высокая взрыво- и пожароопасность их протекания в различных условиях [6], а также ограниченность информации о механизмах взаимодействия и основных закономерностях процессов такого воспламенения. В- соответствии с этим можно выделить несколько важнейших направлений- развития науки и техники в-Российской Федерации (указ Президента РФ №'899 от 7 июля 2011г.), в которых задача зажигания является значимой:
1. Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика.
2. Безопасность и противодействие терроризму.
3. Перспективные виды вооружения, военной и специальной техники.
4. Транспортные ^космические системы.
Кроме того-следует, отметить критические.-технологии1, федерального' уровня, получившие высокий рейтинг по показателям состояния:
1. Энергосберегающие системы, транспортировки, распределения, и использования энергии.
2. Военные и промышленные технологии для создания перспективных видов вооружения, военной и специальной техники.
3. Технологии, предупреждения и ликвидации чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера.
Следует отметить, что: в соответствии, с приведенными положениями, в современной* теории горения конденсированных веществ* можно- условно-выделить два направления:
1. Исследование взаимодействия: высокоэнергетических веществ (например, твердые смесевые топлива) с локальными источниками энергии для минимизации, времени задержки зажигания в двигательной установке, а также повышенияэффективности источника инициирования горения.
2. Изучение взаимодействия веществ непредназначенных для горения (например, полимерные материалы) с источниками ограниченной
энергоемкости с целью научного обоснования оценки основных пожароопасных характеристик, а таюке разработки методов снижения пожароопасности и горючести веществ.
В соответствии с первым направлением можно отметить специальные системы [7, 8], которые охватывают большую группу устройств,
используемых для зажигания смесевых твердых топлив (СТТ). Экспериментальное исследование процессов воспламенения при работе такого устройства является достаточно сложной задачей, метрологическое обеспечение которой во многих случаях практически невозможно. Соответственно существуют трудности экспериментального определения оптимальных условий зажигания твердых топлив. Например, невозможно измерение температуры источника воспламенения или твердого топлива в окрестности подвода энергии в момент зажигания. Поэтому математическое моделирование исследуемых процессов, возможно, является одним из эффективных способов построения моделей, достоверно описывающих процессы зажигания топлив, одиночными нагретыми до высоких температур металлическими частицами.
В тоже время, проблема воспламенения является одной из актуальнейших по причине пожарной опасности многих современных конструкционных и строительных материалов, в частности полимеров. Ежедневно в стране и в мире [6, 9-11] происходят сотни небольших и десятки крупных пожаров на промышленных предприятиях, в жилых и общественных зданиях. Ущерб, наносимый пожарами настолько велик, что эта проблема решается силами большого числа специалистов пожарного дела. Установлено, что до 80 % пожаров возникает из-за воздействия малокалорийных источников нагрева [12]. Ыа первый взгляд они не представляют серьёзной пожарной опасности. Однако на практике довольно часто источниками локальных очагов пожаров выступают углеродистые частицы, образующиеся при горении костров, работе печного отопления, а
также металлические частицы, формирующиеся при резке, сварке, шлифовании металлов, заточке инструментов и других технологических процессах [13]. В связи с этим возникает необходимость исследования взаимодействия веществ непредназначенных для горения, но пожароопасных (полимерные материалы) с источниками ограниченной энергоемкости.
В настоящее время широкую известность получили результаты теоретических и экспериментальных исследований зажигания КВ потоками горячих газов и массивными нагретыми телами, а не локальными источниками нагрева. Гак, например, в экспериментах У.И. Гольдшлегера, В.В. Барзыкина, А.Г. Мержанова [2, 14-17] исследовалось зажигание широко распространенных КВ (нитроклетчатка и поливинил нитрат) гетерогенным потоком (горячие газы с мелкодисперсными металлическими частицами). По результатам этих экспериментов был сделан вывод о возможности математического моделирования процесса зажигания КВ с использованием модели энергоемкой пластины с постоянной температурой. Результаты теоретических исследований B.C. Бермана [18] в полной мере подтвердили предположения авторов [2, 14-17]. Процессы остывания локальных
источников нагрева (мелкодисперсных металлических частиц) в гетерогенном газовом потоке были незначительны вследствие высокой температуры газов [2, 14-18].
Но очевидно, что для одиночной «горячей» частицы малых размеров процесс остывания является определяющим в условиях зажигания и, как следствие, невозможно использовать модель энергоемкой пластины с постоянной температурой. Появилась необходимость в адекватных реальной практике постановках задач и моделях индукционного режима зажигания твердых конденсированных веществ локальными источниками энергии. Такие модели были разработаны [19-24]. Они имеют сравнительно простое математическое описание при учете ограниченной группы физикохимических процессов (теплоперенос в твердой фазе, окисление). На
основании анализа и обобщения [24] полученных результатов выделены три характерных режима зажигания твердых КВ одиночной нагретой до высоких температур частицей. При сопоставлении результатов численного моделирования [24] с аналогичными экспериментальными данными У.И. Гольдшлегера [2, 14-17] установлено хорошее соответствие времен задержки зажигания при изменении начальной температуры источника нагрева в выбранном диапазоне. Впоследствии в этих моделях было учтено выгорание конденсированного вещества [25, 26]. Но до настоящего не предпринимались, попытки учета при создании моделей зажигания КВ структурной неоднородности последних, хотя известны экспериментальные данные, иллюстрирующие влияния гетерогенной структуры металлизированных твердых топлив на характеристики их зажигания одиночными частицами [106, 110].
Следует отмстить цикл работ, посвященных изучению зажигания жидких легковоспламеняющихся и горючих веществ. Авторами [27-59] предложен принципиально новый подход к теоретическому анализу тепломассопереноса при зажигании- конденсированных веществ и парогазовых смесей источниками ограниченной энергоемкости, отличающийся от известных учетом полного комплекса взаимосвязанных процессов- тепломассопереноса, фазовых превращений, химического реагирования, гидродинамических процессов, а также применением новых алгоритмов численного моделирования.
В тоже время теоретическому и экспериментальному исследованию процессов зажигания полимерных материалов (ПМ) уделено мало внимания. Известные модели зажигания [12, 61-65] в газовой фазе являются одномерными (окислителем является окружающая газовая среда, а источником горючего - продукты газификации твердого полимера):
Ограниченность информации о зажигании полимеров, очевидно, связана с существенной сложностью газофазных моделей воспламенения по
сравнению с твердофазными, традиционно используемыми для теоретического исследования процессов воспламенения твердых конденсированных веществ. В частности, сложность механизма воспламенения ПМ при их взаимодействии с одиночными нагретыми до высоких температур частицами объективно обусловлена совместным протеканием взаимосвязанных процессов различной физической природы: деструкция вещества, теплопроводность, диффузия и конвекция образовавшихся горючих газообразных продуктов термического разложения [61].
По этой причине исследование закономерностей процессов зажигания ПМ одиночными частицами является актуальной, не изученной до настоящего времени задачей.
Целью работы является численное исследование макроскопических закономерностей газофазного зажигания термопластичных полимерных материалов и твердофазного зажигания структурно-неоднородных металлизированных смесевых топлив одиночной нагретой до высоких температур частицей малых размеров в рамках математических моделей, учитывающих двумерный теплоперенос, термическое разложение полимера, диффузию и конвекцию газообразных продуктов пиролиза в среде окислителя, кинетику процессов пиролиза и воспламенения ПМ.
Задачи исследования при зажигании конденсированных веществ одиночными частицами* состояли в установлении зависимостей основного параметра воспламенения - времени задержки зажигания КВ от начальной температуры, размеров и теплофизических характеристик частицы.
Из числа наиболее важных задач исследований следует выделить необходимость установления положения зоны локализации ведущей экзотермической реакции относительно поверхностей вещества и частицы для случаев различных режимов зажигания полимера и гетерогенного топлива.
Научная новизна работы. Впервые поставлены и решены задачи газофазного зажигания полимерного материала и твердофазного зажигания структурно-неоднородного металлизированного смесевого топлива одиночной нагретой до высоких температур частицей малых размеров в рамках моделей, учитывающих теплоперенос, диффузию, конвекцию, пиролиз, кинетику процессов газификации и воспламенения. Сформулированы системы нелинейных нестационарных дифференциальных уравнений в частных производных с соответствующими начальными и граничными условиями. При постановке задачи зажигания ПМ впервые учтено совместное протекание группы процессов: нагрев и термическое разложение вещества, диффузионно-конвективный перенос газообразных продуктов пиролиза в среде окислителя. При постановке задачи зажигания СТТ впервые учтена гетерогенная структура вещества и возможное влияние газового зазора на границе «частица - СТТ». Решенные задачи не имеют аналогов по постановке, методу решения и полученным результатам.
Выявлены масштабы влияния на времена задержки зажигания КВ значимых параметров, определяющих теплосодержание локального источника ограниченной энергоемкости, в частности - начальной температуры, размеров и теплофизических характеристик частицы.
Установлено, что при совместном влиянии конвекции и диффузии интенсивность химической реакции окисления газообразных продуктов пиролиза ПМ характеризуется в большей степени переносом тепла вместе с горючими газами за счет конвекции.
Показано, что усреднение по объему СТТ теплофизических характеристик всех компонентов топлива приводит к значительному возрастанию по сравнению с известными экспериментальными данными времени задержки зажигания и предельной температуры зажигания вещества при прочих равных условиях.
-10-
Практическая значимость. Разработанные математические модели в сочетании с адаптированными к новым задачам зажигания методами численного решения могут быть использованы для оценки пожарной опасности процессов взаимодействия типичных полимерных материалов с одиночными горячими частицами, а также оптимизации технологий зажигания смесевых твердых топлив локальными источниками энергии в специальных энергетических системах. Результаты исследований создают объективные предпосылки для прогнозирования последствий и объяснения* механизмов пожароопасного взаимодействия полимерных материалов с источниками ограниченной энергоемкости.
Получены 2 свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ.
Связь работы с научными программами и грантами.
Исследования проведены при поддержке гранта Президента Российской Федерации (МК-330.2010:8) и федеральной целевой программы «Научные И' научно-педагогические кадры, инновационной России» на 2009-2013 г. (госконтракт №П2225).
Степень достоверности полученных результатов.
Оценка достоверности результатов численных исследований проводилась сравнением с известными экспериментальными данными и-проверкой консервативности разностной схемы. Тестирование выбранных численных методов и разработанных алгоритмов* решения систем нелинейных нестационарных дифференциальных уравнений в частных производных выполнено на менее сложных нестационарных, нелинейных задачах теплопроводности, конвективного тепло - и массообмена.
Защищаемые положения:
1. Математическая модель процесса газофазного зажигания полимерного материала источником с ограниченным теплосодержанием, отличающаяся, от известных описанием комплекса совместно протекающих процессов: двумерного теплопереноса в системе «полимерный материал -
-11-
- Київ+380960830922