Физическое и математическое моделирование ударно-волновых процессов, обеспечивающих интенсивное газодинамическое воздействие на фронт низового лесного пожара тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.05 ВАК РФ

На правах рукописи

Ануфриев Игорь Сергеевич

ФИЗИЧЕСКОЕ И МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ УДАРНО-ВОЛНОВЫХ ПРОЦЕССОВ, ОБЕСПЕЧИВАЮЩИХ ИНТЕНСИВНОЕ ГАЗОДИНАМИЧЕСКОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ НА ФРОНТ НИЗОВОГО ЛЕСНОГО ПОЖАРА

01.02.05 - «Механика жидкости, газа и плазмы» 03.00.16 - «Экология» (физико-математические науки)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

1 9 коя

Томск - 2009

003483939

Диссертация выполнена в учреждении Российской академии наук Институте теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения РАН и на кафедре физической и вычислительной механики государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования Томского государственного университета.

Научные руководители: доктор физико-математических наук

Шарыпов Олег Владимирович

доктор технических наук Голованов Александр Николаевич

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

Троицкий Олег Юрьевич

доктор физико-математических наук Крайнов Алексей Юрьевич

Ведущая организация: Учреждение Российской академии наук

Институт гидродинамики им. М.Л. Лаврентьева Сибирского отделения РАН

Защита состоится 4 декабря 2009 в 14 часов 30 минут на заседании диссертационного совета Д 212.267.13 при Томском государственном университете по адресу: 634050, г. Томск, пр. Ленина, 36.

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке Томского государственного университета по адресу: г. Томск, пр. Ленина, 34а.

Автореферат разослан «_»_2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета д.т.н. " I/ Ю.Ф.Христенко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. В настоящее время подробно исследованы фундаментальные закономерности процессов инициирования и распространения ударных волн (УВ) в химически инертных газовых средах, в том числе - в каналах различной формы. УВ широко используются при изучении физики неравновесных процессов. Все большее применение УВ находят в области решения прикладных задач. Одно из важных новых направлений практического применения УВ связано с их взаимодействием с процессами горения. В зависимости от конкретных условий УВ могут приводить, как к интенсификации горения (вплоть до перехода к детонационному режиму), так и к его подавлению (вплоть до прекращения). Последнее позволило разработать ударно-волновые методы борьбы с лесными пожарами [1], представляющими огромную опасность и наносящими значительный экономический ущерб.

Фронт, как верхового, так и низового лесного пожара имеет сложную структуру, включающую зону прогрева, сушки и пиролиза лесных горючих материалов (ЛГМ), горения газообразных продуктов пиролиза и догорания конденсированных продуктов. Разрушение структуры фронта пожара приводит к прекращению его распространения [1]. Наиболее уязвимой частью являются зоны пиролиза и смешения горючих продуктов пиролиза с кислородом: достаточно относительно небольшого воздействия на эту зону, чтобы произошел взрыв и пламенное горение прекратилось. Используя этот эффект, можно разрушить структуру фронта лесного пожара и прекратить его распространение. Данный подход представляет собой конкретное содержание новой концепции борьбы с лесными пожарами, предложенной в работе [1]. Недостаток информации о предельных концентрациях продуктов пиролиза, способных детонировать, ограничивает поиск эффективных научно-технических решений по использованию ударно-волнового метода пожаротушения. Поэтому исследование взаимодействия УВ с продуктами пиролиза ЛГМ различной концентрации является актуальной задачей.

Реализация ударно-волнового метода пожаротушения требует создания безопасных, надежных и компактных устройств, примеры которых известны [2]. В настоящее время актуальной является задача повышения эффективности подобных устройств. Одним из путей решения данной проблемы служит повышение интенсивности генерируемых УВ. Способ, предложенный в [3], предполагает использование ударной трубы с коническим конфузорным насадком. Реализация предложенного метода требует соответствующего научного обоснования. Этим обусловлена актуальность физического и математического моделирования процессов интенсификации УВ при распространении в сужающемся канале.

Объектом исследования в диссертационной работе является динамика УВ в каналах переменного сечения, заполненных инертными и горючими

газовыми смесями, эффекты газодинамического воздействия на распространение пламени.

Предметом исследования служат закономерности усиления УВ при распространении в смесях воздуха с продуктами пиролиза ЛГМ и при прохождении через конфузорную часть ударной трубы, а также факторы, определяющие эффективность ударно-волнового метода тушения низовых лесных пожаров.

Методы исследования. В диссертационной работе используются методы физического и численного моделирования, методы статистического анализа полученных данных. Методологической базой исследования служат работы [1, 5-14, 16-19].

Цели и задачи исследования. Целью диссертационной работы является изучение ударно-волновых процессов, обеспечивающих интенсивное газодинамическое воздействие на фронт низового лесного пожара, и научное обоснование повышения эффективности практического применения ударно-волнового метода пожаротушения. В соответствии с целью, решались следующие задачи:

1. Обзор современного состояния исследований по теме работы.

2. Разработка и создание экспериментальных установок для исследования динамики генерируемых УВ, для получения продуктов пиролиза ЛГМ и для газодинамического воздействия на фронт низового лесного пожара.

3. Проведение экспериментальных исследований по определению:

- оптимальных геометрических параметров конических конфузоров для повышения интенсивности УВ на выходе из ударной трубы;

- изменения интенсивности УВ при распространении в горючей газовой смеси с различной концентрацией продуктов пиролиза ЛГМ;

- эффективности воздействия УВ на фронт низового лесного пожара.

4. Математическое моделирование нестационарного процесса распространения У В в цилиндрической ударной трубе с коническими конфузорами, сравнительный анализ результатов расчетов с полученными экспериментальными данными.

5. Разработка и создание полезной модели устройства для локализации и тушения лесных пожаров.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработаны и созданы установки и стенды для экспериментального исследования динамики УВ и их воздействия на фронт низового лесного пожара (в лабораторных условиях).

2. Впервые в лабораторных условиях получены данные о влиянии концентрации продуктов пиролиза ЛГМ в воздухе на интенсивность УВ.

3. Найдены оптимальные геометрические параметры конических конфузоров, обеспечивающие максимальное увеличение давления во фронте УВ на выходе из ударной трубы.

4. В двумерной постановке выполнен численный расчет нестационарного течения газов в модели нового перспективного ударно-волнового устройства для борьбы с лесными пожарами.

5. С использованием созданной полезной модели ударно-волнового устройства для локализации и тушения лесных пожаров в полунатурных условиях показаны возможности эффективного тушения низовых лесных пожаров.

На защиту выносятся:

1. Разработанные установки и стенды для экспериментального исследования динамики УВ и газодинамического воздействия на фронт низового лесного пожара.

2. Результаты экспериментального определения влияния концентрации продуктов пиролиза ЛГМ в воздухе и геометрических характеристик конических конфузоров на параметры УВ в ударной трубе.

3. Математическая модель и результаты численного моделирования инициированного взрывом ударно-волнового течения газа в ударной трубе с коническим конфузором, позволяющие установить оптимальные параметры генератора УВ.

4. Обоснование способа тушения низовых лесных пожаров и созданная полезная модель устройства для локализации и тушения лесных пожаров, демонстрирующая эффективный и безопасный способ пожаротушения.

Достоверность. Достоверность результатов экспериментальных исследований обеспечена корректным применением измерительных методик и средств измерений, использованием различных способов инициирования УВ, статистической обработкой результатов измерений, их анализом и сравнением с известными экспериментальными и теоретическими данными, опубликованными в научной литературе. Достоверность результатов численного моделирования обеспечивается применением обоснованной математической модели, высокой точностью разностной аппроксимации, тестированием алгоритма на известных задачах, а также сопоставлением с полученными экспериментальными данными.

Практическая значимость полученных результатов определяется, в первую очередь, важностью представленного в работе научного обоснования повышения эффективности практического применения ударно-волнового метода пожаротушения, в том числе - с использованием созданного устройства для локализации и тушения лесных пожаров [15]. Данные результаты работы значимы для решения практических задач предотвращения негативных экономических и экологических последствий лесных пожаров. Полученные результаты также могут найти применение при решении новых научно-технических задач, направленных на совершенствование способов пожаротушения на основе ударно-волнового метода. Использование полученных результатов может быть рекомендовано Министерству по чрезвычайным ситуациям РФ, а также высшим учебным заведениям физико-

технического профиля (использование созданных стендов и установок учебном процессе для проведения лабораторных занятий со студентами при изучении ударно-волновых процессов).

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы представлены 2005-2009 гг. на 15 международных, всероссийских и региональных конференциях (см. список публикаций по теме диссертации), на научных семинарах: лаборатории радиационного теплообмена ИТ СО РАН 28.04.2009 г., отдела термодинамики веществ и излучений ИТ СО РАН 08.10.2009 г., кафедры физической и вычислительной механики ТГУ 15.10.2009 г.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, выводов и списка литературы из 96 наименований на русском и иностранных языках. Работа содержит 112 страниц текста, 44 рисунка и 7 таблиц.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах, приведенных в списке публикаций по теме диссертации, включающем 20 работ, в том числе 2 статьи в журналах, рекомендованных ВАК, 8 докладов в трудах международных конференций, патент РФ на полезную модель устройства для локализации и тушения лесных пожаров. Выполнение исследований было поддержано грантами РФФИ № 08-01-90703-мобст, № 09-08-09222-моб_з, № 07-08-00296-а.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы работы, формулируются цель и задачи исследования, приводятся научная новизна работы и практическая значимость результатов, положения, выносимые на защиту.

В разделе 1 дается краткий литературный обзор российских и зарубежных работ по теме исследования, в том числе - описывается классификация известных способов борьбы с лесными пожарами, приводится анализ процессов взаимодействия УВ с отражающими поверхностями, рассматриваются экспериментальные методы исследования ударно-волновых процессов в газовых средах и численные методы решения нелинейных систем уравнений газовой динамики. Результаты обзора подтверждают актуальность темы работы, обоснованность цели, задач и методов исследований.

Раздел 2 посвящен описанию экспериментальных установок, разработанных для создания и изучения сверхзвуковых и высокоэнтальпийных течений газа, для получения продуктов пиролиза ЛГМ, а также описанию измерительных методик и методов математической обработки результатов измерений.

Генерирование УВ осуществлялось двумя способами. В первом использовалась ударная труба с камерами высокого и низкого давления, разделенными мембраной (рисунок 1). Данная установка предназначена для исследования эффекта усиления УВ при распространении в смеси продуктов пиролиза ЛГМ с воздухом. Стехиометрическая смесь ацетилена с кислородом

при нормальном давлении подавалась в отсек I ударной трубы, инициирование осуществлялось с помощью высоковольтного (40 кВ) высокочастотного разряда через зазоры контактов. В результате резкого возрастания давления в отсеке I происходил разрыв мембраны, и в отсеке II, заполненном смесью воздуха с продуктами пиролиза ЛГМ заданной объемной концентрации, распространялась УВ. Продукты пиролиза ЛГМ получали с помощью газогенератора (рисунок 2) [4]. Способ получения продуктов пиролиза ЛГМ: исходный материал (древесина (опилки), хвоя кедра и сосны) помещался в кварцевую трубку и нагревался до температуры пиролиза Т= (600 + 650) К [1] с помощью регулятора напряжения в электронагревателе. Продукты пиролиза из газогенератора поступали в емкость известного объема, заполненного водой, вытесняя жидкость. Полученный объем продуктов пиролиза подавался при комнатной температуре в отсек II ударной трубы и перемешивался с воздухом (выходное отверстие ударной трубы было заглушено мембраной).

C2Hs+2¿02

Рисунок 1 - Принципиальная схема экспериментальной установки (ударной трубы): стальная цилиндрическая труба - 1, крышка-2, пробка из текстолита - 3, равномерно размещенные контакты с зазорами — 4, отверстия для крепления датчиков давления - 5, отверстия со штуцерами для подачи взрывчатой газовой смеси - 6, мембрана - 7, цифры в окружностях - номера измерительных точек, ПП ЛГМ - канал подачи продуктов пиролиза ЛГМ

1 2

5

Рисунок 2 - Схема газогенератора для получения продуктов пиролиза ЛГМ: корпус - 1, кварцевая трубка - 2, электронагреватель - 3, исходный материал - 4, пробки - 5, термопара - 6

Объемная концентрация продуктов пиролиза ЛГМ в смеси с воздухом (С) в отсеке II трубы варьировалась в пределах С = 0,05 0,70. В экспериментах с помощью пьезоэлектрических датчиков давления ЛХ-610 регистрировалось давление во фронте УВ в двух точках с известным расстоянием между ними (рисунок 1). Регистрация сигналов, поступающих с датчиков давления,

производилась при помощи цифрового запоминающего осциллографа Tektronix TDS-1002, полученные данные обрабатывались на компьютере.

Во втором способе генерирования УВ использовались продукты взрыва монтажных пороховых патронов шифра Д, диаметром 6,8 мм (данный источник инициирования УВ был выбран из соображений экономичности при дальнейшем практическом использовании в новом устройстве для борьбы с лесными пожарами). Схема установки показана на рисунке 3. Данная установка предназначена для исследования динамики УВ при их распространении в цилиндрической ударной трубе с коническим конфузором.

В экспериментах регистрировалось давление во фронте УВ, определялась скорость УВ. Был проведен полный двухфакторный эксперимент по влиянию геометрических характеристик конических конфузоров на перепад давления во фронте УВ. В экспериментах варьировались два фактора: угол раствора насадка <р (35° ^ 65°) и диаметр выходного отверстия d\ (0,01 ^ 0,02 м). Давление регистрировалось на стенке ударной трубы и на выходе из трубы. Скорость УВ определялась как отношение расстояния между датчиками давления к интервалу времени, в течение которого УВ проходит этот участок. Число Маха не превышало значения M = 3.

Рисунок 3 - Схема экспериментальной установки (ударной трубы): стальная цилиндрическая труба - 1, крышка - 2, механизм инициирования ударных волн - 3, конический насадок - 4, датчики давления - 5

При обработке результатов измерений применены методы теории планирования эксперимента. Суммарные погрешности определения концентрации продуктов пиролиза и давления не превышали: 5С < 4 %, 8р < 5 %. По результатам измерений (3^5 опытов) рассчитывались доверительные интервалы с доверительной вероятностью 0,95.

Раздел 3 посвящен экспериментальному исследованию в лабораторных условиях процессов интенсификации УВ при распространении в смеси воздуха с продуктами пиролиза ЛГМ, а также в химически инертной среде в ударной трубе с конфузором.

В п. 3.1 описаны основные параметры задачи, среди них: ра- давление во фронте УВ; скорость УВ; р.,- плотность среды; у-показатель

адиабаты газовой смеси; с/о - диаметр ударной трубы; / - длина насадка; с/; -диаметр выходного отверстия конфузора; угол раствора tg<"/> = 2//(г/0 -£/,).

Основным критерием подобия является число Маха, характеризующее отношение между скоростью течения среды и скоростью распространения в ней упругих деформаций М = /а.г .

В п. 3.2 представлены результаты исследования эффекта усиления УВ при ее распространении в смеси воздуха с продуктами пиролиза ЛГМ. На рисунке 4 представлены зависимости относительной интенсивности УВ от объемной концентрации продуктов пиролиза ЛГМ (Др = р - р0, где р и р0 -давление в заданной точке секции II ударной трубы при наличии продуктов пиролиза ЛГМ и без них, соответственно). Анализ полученных результатов показывает, что наличие продуктов пиролиза ЛГМ может приводить к существенному повышению параметров УВ (рисунок 4). При увеличении объемной концентрации продуктов пиролиза до 0,50 интенсивность УВ монотонно возрастает, при более высокой концентрации продуктов пиролиза наблюдается уменьшение данного эффекта. Судя по различию кривой 1 и кривой 2 на рисунке 4, эффект повышения относительной интенсивности УВ возрастает по мере ее распространения в трубе. Это свидетельствует о том, что основная причина усиления УВ связана с химическими реакциями и величина эффекта определяется соотношением продуктов пиролиза и окислителя. Полученные результаты качественно согласуются данными работ [1, 5-7], в которых на основе результатов натурных экспериментов и математического моделирования описан эффект усиления на (5^8)% интенсивности УВ при тушении лесных пожаров.

26 24 22 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2

' С, %

Рисунок 4 - Изменение относительного давления УВ в зависимости от объемной концентрации продуктов пиролиза в первой (кривая 2) и во второй (кривая 1) измерительных точках

В п. 3.3 приводятся результаты исследования динамики УВ, распространяющихся в ударной трубе с коническим конфузором. На рисунке 5 представлено давление во фронте УВ в ударной трубе и на выходе из нее при различных значениях угла раствора конфузора, с1\ = 0,02 м. В области конфузоров происходит значительное повышение давления в УВ, что можно объяснить маховским (нерегулярным) отражением скачков от стенок. В таблице

приведены значения относительного давления р21р\ (где р\ и р2 - давление во фронте ударной волны на выходе из трубы без конфузора и с конфузором, соответственно) при различных геометрических характеристиках конического конфузора (<р = 35° - 65°, с/, = 0,01 - 0,02 м).

Математическая обработка результатов измерений проводилась с применением теории планирования эксперимента. Для поиска оптимальных геометрических характеристик конфузора была выбрана математическая модель объекта исследования (уравнение регрессии) и проверена гипотеза об адекватности этой модели при доверительной вероятности 0,95. В результате решения оптимизационной задачи по повышению интенсивности УВ за счет отражения от конической поверхности конфузора показано, что наибольшая интенсивность УВ на выходе из ударной трубы достигается при следующих геометрических параметрах конфузора: <р= 55°, <1\ = 0,02 м.

Рисунок 5 - Давление в УВ при различных значениях угла раствора конфузора: 1 - 35°; 2 - <р = 45°; 3 - ср = 55°; 4 - 65°

Таблица - Значения относительного давления при различных геометрических характеристиках конического конфузора

35° 45° 55° 65°

0,01 0,53 0,64 0,92 0,95

0,015 0,62 0,71 1,04 1,02

0,02 0,71 0,88 1,20 1,09

В п. 3.4 приведены результаты визуализации течения в с помощью теневой фотосъемки (Шлирен-метод). Фоторегистрация процессов осуществлялась при помощи высокоскоростной цифровой кинокамеры NAC HSSC512. На рисунке 6 представлены теневые фотографии, на которых изображена характерная газодинамическая картина течения, образующегося при выстреле монтажного порохового патрона в ударной трубе после выхода в

открытое пространство вблизи среза ударной трубы, полученные в последовательные моменты времени (частота 104 кадров/с, время выдержки 5-10 с). На снимках видно, что за фронтом УВ располагается область течения, имеющего периодическую ячеистую структуру. Данная структура формируется в ударной трубе с конфузором и сохраняется на некотором расстоянии после выхода в открытое пространство. Подобная картина течения представлена в [13].

1 см

Рисунок 6 - Шлирен-фотографии структуры течения при выходе УВ из ударной трубы в открытое пространство в последовательные моменты времени с интервалом 10 с

По положению фронта на кадрах и частоте съемки определена скорость УВ, составляющая 480 м/с в момент выхода УВ в открытое пространство, что удовлетворительно согласуется с результатами измерений с помощью пьезоэлектрических датчиков давления.

Раздел 4 посвящен математическому моделированию распространения УВ в цилиндрической трубе с сужением. Дана физическая постановка задачи: рассматривается течение, образующееся в длинной цилиндрической трубе с коническим сужением на выходе после срабатывания монтажного порохового патрона, находящегося в каморе, расположенной на входе в трубу. Задача сводится к расчету нестационарного истечения из цилиндрической трубы (гильзы), заполненной пороховыми газами под высоким давлением, через небольшой цилиндрический канал (ствол) в заполненную воздухом цилиндрическую камеру с коническим сужением на выходе.

Приведены основные допущения, использованные при построении математической модели: задача осесимметричная (течение в стволе и в гильзе одномерное, а в объеме ударной трубы - двумерное); предполагается, что порох в гильзе сгорает мгновенно; задача решается без учета молекулярных механизмов переноса; продукты сгорания пороха и воздух описываются в рамках модели политропного газа, показатели адиабаты их считаются известными и постоянными. Их смесь также есть совершенный газ, показатель адиабаты которого зависит от массовой концентрации компонент [16]:

у = \+^сМр+(\--с)МС11^сМ р1{уа-\) + {\-с)Ма/{уур-\)^ , где М1 - молярная

масса, ^-показатель адиабаты, с-массовая концентрация воздуха, индекс а отнесен к параметрам воздуха, индекс р - к параметрам пороховых газов (Уа= 1,41; УР= 1,27; М„ = 0,029 кг/моль; Мр = 0,03 кг/моль [11]).

На основе интегральных законов сохранения массы импульса и энергии [11] с учетом принятых допущений предложена математическая модель исследуемых процессов. Для камеры ударной трубы:

— Л урсЬсс1у + \ур (иф - ус!х) = О, 3/ 5 г

— \\ypudxdy + \y\_pu {и(}у - гсЬс) + pdy] = О,

— ¡¡ypvdxdy+ \y[pv(udy-vdx)-pdx~^ - ||pdxdy, д' 5 г 5

— \\yEdxdy + \у(Е + 2р){ш1)>-\Ж) = Ъ, д' 5 г

— \\ycdxdy + \ус^у-ус!х) = О, Е = р(2е + и2 д! 5 г

Для гильзы и ствола:

|рс& - pudt = 0, |риск -(/? + ри2 = О,

¡Ес1х-(Е + 2р^1 = 0, Е = р(2е + и2), е = р/р(у-\),

I

здесь Г-замкнутый контур, ограничивающий произвольную площадку £ в плоскости координат х, у; ось х совпадает с осью симметрии и направлена в сторону открытого торца камеры; I - время; р - давление; р - плотность смеси; и, V - проекции вектора скорости, Ь - замкнутый контур, ограничивающий произвольную площадку в плоскости переменных I, х\ Е - удвоенная полная энергия газа; е - удельная внутренняя энергия.

Температура в камере ударной трубы определялась на основе уравнения состояния для термически совершенного газа Т = рМ/рК,

М = {с/Ма + (1 - с)/Мр) , где Т— температура газа; Я - универсальная газовая

постоянная; М- молярная масса газовой смеси [11].

В качестве начальных условий в стволе и в камере задавались параметры невозмущенного воздуха при стандартных условиях, в гильзе они вычислялись по формулам [17]: р0 = т/О., Е0 = 2£)т/С1, р0 = Е(ур-1)/2 , где т - масса сгоревшего пороха (т = 0,38 г), 2-удельная теплота сгорания пороха (б = 2728,9 Дж/г), П - объем гильзы.

Граничные условия: на стенках камеры, гильзы и ствола ставилось условие непротекания, на выходе из камеры задавалось условие отсутствия обратного влияния на поток [18]: др/дх = др/дх = ди/дх = д\/дх = 0, теплоотдача в стенку не учитывалась.

Поставленная задача решалась численно с помощью метода Годунова (схема первого порядка точности). Область решения разбивалась расчетной сеткой на Л^ х Л^ ячеек, количество узлов сетки выбиралось из условия неизменности результатов при уменьшении шага, шаг по времени задавался в соответствии с критерием Куранта. Тестирование алгоритма осуществлялось с помощью задачи о течении идеального газа (у= 1,41) в радиально-коническом сопле, а также задачи обтекания равномерным сверхзвуковым потоком идеального газа (М = 5) тела типа конус, затупленный по сфере. Тесты подтвердили применимость метода для решения поставленной задачи.

При численном моделировании были заданы значения физических и геометрических параметров, соответствующие экспериментам на ударной трубе, получены распределения газодинамических параметров в ударной трубе с коническим конфузором = 400, А',. = 40). На рисунке 7 представлена визуализация распределения давления в различные моменты времени.

Р, 1СГ Пл 104

в)

Д)<

)

0,4

0,1

I

од

I

0,3

-1—*

о,4 г,м

Рисунок 7 - Распределение давления в ударной трубе в последовательные моменты времени: а) ( = 0,2-10~4 с; б) ( = 0,5-104 с; в) / = и-Ю"1 с; г) (= 5,9-10"4 с; д) г = 6,4-10"4 с

В результате выстрела монтажного порохового патрона на срезе ствола в начальный момент образуется почти полусферическая ударная волна (рисунок 7-а). После ее отражения от стенок ударной трубы возникает типичная сверхзвуковая неизобарическая струя в ограниченном пространстве (рисунок 7-б). Для данного типа течения характерно наличие в потоке сложной ударно-волновой структуры. Скачки периодически отражаются от стенок камеры (рисунок 7-в). Падение давления в гильзе в конечном итоге приводит к

исчезновению и вырождению струйного течения вблизи среза гильзы (рисунок 7-г). Интенсивность УВ со временем понижается, однако, при подходе ударно-волновой структуры к конической части (рисунок 7-д), реализуется маховское (нерегулярное) отражение скачков от стенок, что приводит к резкому повышению давления.

I I I I !

О 0,1 0,2 0,3 0,4 /, м

Рисунок 8 - Распределение числа Маха в потоке в последовательные моменты времени: а) / = 0,1-10'4 с; б) /= 1,1 ■ 10'4 с; в)г=1,8104 с; г) I = 2,8-Ю"4 с; д) г= 3,5-10"4 с

0 0,1 0,2 0,3 0,4 /, м

Рисунок 9 - Поле температуры в ударной трубе в последовательные моменты времени: а) I = О,МО"4 с; б) (= 0,6-10"4 с; в) I = 1,4-с; г) (= 2,8-10"4 с; д) (= 3,3-10"4 с

На рисунках 8 и 9 представлены распределения числа Маха и температуры в камере ударной трубы в последовательные моменты времени. Максимальная температура наблюдается в центре потока и в области конфузора. На выходе из ударной трубы температура газа достигает 1000 К.

Рисунок 10 - Давление на стенке канала при различных значениях угла раствора конфузора: 1 - ч>= 35°; 2 - <р= 45°; 3 - <р= 55

На рисунке 10 представлены результаты расчета давления на стенке канала при различных углах раствора конфузоров (с!1 = 0,02 м). Видно, что в области конфузоров происходит резкое увеличение давления. Результаты расчетов удовлетворительно согласуются с экспериментальными данными (рисунок 5). Наибольшее различие наблюдается в области конфузора. Это связано с тем, что датчик давления был расположен на срезе насадка, на его показания влияли процессы ослабления ударной волны при выходе в открытое пространство. Численные результаты не включают описания этих процессов и относятся только к течению в ограниченном пространстве ударной трубы с конфузором.

В разделе 5 представлены результаты экспериментального исследования воздействия УВ на фронт низового лесного пожара в лабораторных условиях.

В п. 5.1 приводится описание полезной модели устройства для локализации и тушения низовых лесных пожаров [15].

В п. 5.2 изложены результаты лабораторных экспериментов по воздействию УВ на фронт низового лесного пожара. Исследования проводились с помощью экспериментального комплекса (рисунок 11).

Рисунок 11 - Схема экспериментального комплекса для лабораторного моделирования тушения низового лесного пожара ударными волнами: огневой стенд для моделирования низовых лесных пожаров -1, основание-1, кювета-2, слой грунта-3; генератор УВ - II (схема показана на рисунке 3)

В качестве элементов ЛГМ на огневом стенде были использованы опавшая листва березы, осины, тополя, хвоя сосны, ели и кедра, а также тонкие веточки деревьев с небольшим включением травы. Относительное влагосодержание составляло 0,07-Ю, 13, что ниже критического значения, при котором возникают лесные пожары [1]. Методика проведения экспериментов заключалась в следующем. На огневом стенде на поверхности грунта выкладывались ЛГМ с плотностью укладки, соответствующей натурным условиям, толщина слоя ЛГМ (0,06-Ю,08) м. Генератор У В располагался на безопасном расстоянии 2 м от огневого стенда [19]. Высота пламени не превышала 0,5 м. Тушение моделируемого низового лесного пожара осуществлялось с помощью генератора УВ.

(а) (б)

Рисунок 12 - Фотографии огневого стенда: в момент горения ЛГМ (а) и после газодинамического воздействия на очаг горения (б)

На рисунке 12-а приведена фотография огневого стенда в момент горения ЛГМ. Проведенные полунатурные испытания показали, что использование конического конфузора с оптимальными геометрическими параметрами обеспечивает существенное повышение эффективности газодинамического воздействия на горение ЛГМ (рисунок 12-6). Один «выстрел» с использованием генератора УВ без конфузора с расстояния 1 м обеспечивал локальное прекращение горения ЛГМ на площади с радиусом (0,15^0,2) м. Использование конфузора оптимальной формы позволяло достичь такого же эффекта, но с расстояния 2 м, которое является минимальным по требованиям безопасности проведения работ по борьбе с лесными пожарами. Результаты экспериментов подтвердили эффективность и надежность предложенного способа тушения низовых лесных пожаров с помощью высокоскоростного потока.

В заключении сформулированы основные научные результаты и выводы, полученные в диссертационной работе:

1. Созданы оригинальные установки и стенды для экспериментального исследования динамики УВ и их воздействия на фронт низового лесного пожара (в лабораторных условиях).

2. На основе выполненного в лабораторных условиях исследования динамики УВ, распространяющихся в смеси воздуха с продуктами пиролиза ЛГМ различной концентрации, показана немонотонная зависимость повышения

давления в УВ от объемной концентрации продуктов пиролиза ЛГМ, на используемой установке получено максимальное повышение интенсивности УВ (на 25%) при протекании химических реакций в смеси с объемной концентрацией продуктов пиролиза ЛГМ С = 0,5.

3. В результате проведенного экспериментального исследования динамики УВ в ударной трубе с коническим конфузором проанализировано влияние геометрических параметров на интенсивность УВ, решена оптимизационная задача и найдены значения параметров, обеспечивающие максимальное повышение давления в УВ на выходе из ударной трубы за счет отражений от стенок конфузора.

4. В рамках математической модели осесимметричного нестационарного течения сжимаемого газа в ударной трубе с коническим конфузором выполнены численные расчеты распределений газодинамических параметров, проанализировано влияние геометрических факторов на параметры УВ, теоретически обоснован способ повышения эффективности ударно-волновых устройств для борьбы с лесными пожарами.

5. Проведенные лабораторные исследования по газодинамическому воздействию на очаг горения ЛГМ показали, что использование ударных труб с коническими конфузорами оптимальной формы позволяет значительно повысить эффективность и безопасность ударно-волновых устройств для борьбы с низовыми лесными пожарами.

6. На основе проведенных комплексных экспериментальных и теоретических исследований создана полезная модель ударно-волнового устройства для локализации и тушения лесных пожаров, показаны и обоснованы практические преимущества предложенной конструкции.

СПИСОК ЦИТИРУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Гришин А. М. Математическое моделирование лесных пожаров и новые способы борьбы с ними / А. М. Гришин. - Новосибирск : Наука, 1992. -408 с.

2. Пат. 2033826 Cl Россия, МКИ 6 А 62 С 3/02. Устройство дня локализации и тушения лесных пожаров. / А. М. Гришин, В. А. Антонов, Л. Ю. Наймушина, А. Н. Голованов, Ю. В. Кустов. - № 4852597; заявлено 20.07.90 ; опубл. 30.04.95, Бюл. № 12. -4 с.

3. Shock-wave effect on the fire / I. S. Anufriev [et.al.] // Proceedings. Seventh International Symposium on Hazards, Prevention and Mitigation of Industrial Explosions. St. Petersburg, Russia, July 7-11,2008. - St Petersburg, 2008. - Vol. 3. - P. 284-289.

4. Взаимодействие ударных волн с продуктами пиролиза лесных горючих материалов / А. М. Гришин, А. Н. Голованов, И. С. Ануфриев, А. М. Лоцман // Экологические системы и приборы. - 2005. -№7. - С. 38-40.

5. Ковалев 10. М. Математическое и физическое моделирование инициирования детонации в твердых взрывчатых веществах и распространение ударных волн в пологе леса при лесных пожарах : дис.... канд. физ.-мат. наук : 01.02.05 / Ю. М. Ковалев. - Томск, 1987. -195 с.

6. Гришин А. М. Экспериментальное и теоретическое исследование воздействия взрыва на фронт верхового лесного пожара / А. М. Гришин, Ю. М. Ковалев // ДАН СССР. - 1989. - Т. 308, № 5. - С. 1074-1078.

7. Гришин А. М. Об усилении ударных волн при взаимодействии с фронтом лесного пожара / А. М. Гришин, Ю. М. Ковалев // ДАН СССР. - 1990. - Т. 312, № 1.-С. 50-54.

8. Ляхов В. Н. Воздействие ударных волн и струй на элементы конструкций / В. Н. Ляхов, В. В. Подлубный, В. В. Титаренко. - М. : Машиностроение, 1989.

9. Ударные и детонационные волны. Методы исследования / И. Ф. Кобылкин [и др.]. - М.: Изд-во физ.-мат. лит., 2004. - 375 с.

10. Баум Ф. А. Физика взрыва / Ф. А. Баум, К. П. Станюкович, Б. И. Шехтер. - М.: Гос. изд-во физ.-мат. лит., 1959. - 800 с.

11. Хоменко Ю. П. Математическое моделирование внутрибаллистических процессов в ствольных системах / Ю. П. Хоменко, А. Н. Ищенко, В. 3. Касимов. - Новосибирск : Изд-во СО РАН, 1999. - 256 с.

12. Численное решение многомерных задач газовой динамики / С. К. Годунов [и др.]. - М.: Наука, 1976. - 400 с.

13. Альбом течений жидкости и газа : пер. с англ. / сост. М. Ван-Дайк. -М.: Мир, 1986.- 184 с., ил.

14. Абрамович Г. Н. Прикладная газовая динамика : учеб. руководство для втузов / Г. Н. Абрамович : в 2 ч. - 5-е изд., перераб. и доп. - М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лет., 1991. - Ч. 2. - 304 с.

15. Пат. 80755 Российская Федерация, МПК А 62 С 3/02. Устройство для локализации и тушения лесных пожаров / А. Н. Голованов, Ю. П. Панкратов, А. Ф. Цимбалюк, И. С. Ануфриев, А. М. Лоцман, А. А. Клочков ; заявитель Том. гос. ун-т ; пат. поверенный Ануфриев И. С. - № 2006143913/22 ; заявл. 11.12.2006 ; опубл. 27.02.2009, Бюл. № 6.

16. Козлов Е. А. Практическая газодинамика внутрикамерных процессов в твердотопливных ракетных двигателях / Е. А. Козлов, А. Б. Ворожцов, С. С. Бондарчук // Известия ВУЗов. Физика. - 1992. - № 8. - С. 104-113.

17. Горст А. Г. Пороха и взрывчатые вещества / А. Г. Горст. - М. : Машиностроение, 1972. - 208 с.

18. Ильгамов М. А. Неотражающие условия на границах расчетной области / М. А. Ильгамов, А. М. Гильманов. - М.: Физматлит, 2003. - 240 с.

19. Указания по обнаружению и тушению лесных пожаров. - М. : Гослесхоз СССР, 1976. - 110 с.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Взаимодействие ударных волн с продуктами пиролиза лесных горючих материалов / А. М. Гришин, А. Н. Голованов, И. С. Ануфриев, А. М. Лоцман, А. А. Колесников // Сопряженные задачи механики, информатики и экологии : материалы междунар. конф. - Томск, 2004. - С. 64-65.

2. Экспериментальное исследование взаимодействия ударных волн с продуктами пиролиза лесных горючих материалов / А. М. Гришин, А. Н. Голованов, И. С. Ануфриев, А. М. Лоцман, А. А. Колесников // XIII Симпозиум по горению и взрыву : тез. докл. - Черноголовка, 2005. - С. 76-77.

3. Голованов А. Н. Экспериментальное исследование взаимодействия ударных волн с продуктами пиролиза лесных горючих материалов / А. Н. Голованов, И. С. Ануфриев, А. М. Лоцман // Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках : тр. XV школы-семинара молодых ученых и специалистов под руководством акад. РАН А. И. Леонтьева. -М„ 2005.-Т. 1,-С. 312-314.

4. Экспериментальное исследование генерации интенсивных ударных волн и новые способы борьбы с лесными пожарами / А. М. Гришин, А. Н. Голованов, И. С. Ануфриев, А. М. Лоцман // Лесные и степные пожары : возникновение, распространение, тушение и экологические последствия : материалы 6-ой междунар. конф. - Томск, 2005. - С. 33-34.

5. Взаимодействие ударных волн с продуктами пиролиза лесных горючих материалов пожарами / А. М. Гришин, А. Н. Голованов, И. С. Ануфриев, А. М. Лоцман // Экологические системы и приборы. - 2005. - № 7. - С. 38-40.

6. Ануфриев И. С. Экспериментальное исследование пересжатых ударных волн // Физика и химия наноматериалов : материалы междунар. школы-конф. молодых ученых. - Томск, 2005. - С. 292-295.

7. Ануфриев И. С. Экспериментальное исследование пересжатых ударных волн // VI Всерос. конф. молодых ученых по математ. моделированию и информационным технологиям (с участием иностранных ученых) : тез. докл. - Кемерово, 2005. - С. 29.

8. Взаимодействие ударных волн с элементами лесных горючих материалов / А. М. Гришин, А. Н. Голованов, И. С. Ануфриев, А. М. Лоцман // Междунар. конф. «Пятые Окуневские чтения» : тез. докл. / Балт. гос. техн. ун-т. -СПб., 2006.-С. 58-59.

9. Математическое и физическое моделирование ударных волн при прохождении через конфузорный участок ударной трубы / А. Н. Голованов, О. В. Шарыпов, А. Ф. Цимбалюк, И. С. Ануфриев, А. А. Клочков // Сопряженные задачи механики реагирующих сред, информатики и экологии: материалы междунар. конф. - Томск, 2007. - С. 39-40,228-229.

10. Математическое и физическое моделирование ударных волн при их прохождении через конфузорный участок ударной трубы / А. Н. Голованов, О. В. Шарыпов, А. Ф. Цимбалюк, И. С. Ануфриев, А. А. Клочков // Сопряженные задачи механики реагирующих сред, информатики и экологии : избр. докл. 7-ой междунар. науч. конф. - Томск, 2007. - С. 228-234.

11. Ануфриев И. С. Усиление ударных волн при прохождении через конфузорный участок ударной трубы / И. С. Ануфриев, А. А. Клочков // Студент и научно-технический прогресс : материалы ХЬУ междунар. науч. студенческой конф. - Новосибирск, 2007. - С. 19-20.

12. Ануфриев И. С. Математическое и физическое моделирование динамики ударных волн при их прохождении через конфузорный участок ударной трубы / И. С. Ануфриев, А. А. Клочков // Физика неравновесных процессов в энергетике и наноиндустрии : тез. докл. Всерос. школы-семинара молодых ученых. - Новосибирск, 2007. - С. 7-8.

13. Ануфриев И. С. Экспериментальное исследование динамики ударных волн при их прохождении через конфузорный участок ударной трубы // Математическое моделирование опасных природных явлений и катастроф : материалы 7-ой междунар. конф. - Томск, 2008. - С. 11-12.

14. Математическое моделирование процессов отражения ударных волн при их отражении от конической поверхности / И. С. Ануфриев, А. Н. Голованов, О. В. Шарыпов, А. Ф. Цимбалюк // Математическое моделирование опасных природных явлений и катастроф : материалы 7-ой междунар. конф. -Томск, 2008.-С. 12-13.

15. Shock-wave effect on the fire / I. S. Anufriev [et.al.] // Proceedings. Seventh International Symposium on Hazards, Prevention and Mitigation of Industrial Explosions. St. Petersburg, Russia, July 7-11,2008. - St. Petersburg, 2008. - Vol. 3. - P. 284-289.

16. Ануфриев И. С. О повышении эффективности средств тушения низовых лесных пожаров за счет применения методов ударно-волнового воздействия // Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики : тез. докл. X Всерос. школы-конф. молодых ученых. - Новосибирск, 2008.-С. 15-16.

17. Пат. 80755 Российская Федерация, МПК А 62 С 3/02. Устройство для локализации и тушения лесных пожаров / А. Н. Голованов, Ю. П. Панкратов, А. Ф. Цимбалюк, И. С. Ануфриев, А. М. Лоцман, А. А. Клочков ; заявитель Том. гос. ун-т ; пат. поверенный Воронин В. Н. - № 2006143913/22 ; заявл. 11.12.2006 ; опубл. 27.02.2009, Бюл. № 6.

18. О влиянии ударных волн на фронт низового лесного пожара / А. Н. Голованов, О. В. Шарыпов, А. Ф. Цимбалюк, И. С. Ануфриев // Сопряженные задачи механики реагирующих сред, информатики и экологии : материалы 8-й Всерос. конф. с участием зарубежных ученых. - Томск, 2009. - С. 32-34.

19. Shock-wave effect on the forest fire front / I. S. Anufriev [et.al.] // Abstracts of Sixth Mediterranean Combustion Symposium. - Porticcio-Ajaccio, Corsica-France, 2009. - P. 151.

20. Динамика ударных волн в осесимметричных каналах с конфузорами / И. С. Ануфриев, А. Н. Голованов, А. Ф. Цимбалюк, О. В. Шарыпов // Вестн. Новосиб. гос. ун-та. Сер.: Физика. - 2009. - Т.4, вып. 2. - С. 13-18.

Формат 60x84 ,/16. Объем 1,25 печати, л. (усл. л. 1,16) Тираж 100 экз. Заказ 2734. Отпечатано в Центре дизайна и печати ОАО СХК ЗАТО Северск, ул. Лесная, 7а/1, тел. (3823)54-71-78. e-mail: designcxk@seversk.tomsknet.ru

Ануфриев Игорь Сергеевич

ФИЗИЧЕСКОЕ И МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ УДАРНО-ВОЛНОВЫХ ПРОЦЕССОВ, ОБЕСПЕЧИВАЮЩИХ ИНТЕНСИВНОЕ ГАЗОДИНАМИЧЕСКОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ НА ФРОНТ НИЗОВОГО ЛЕСНОГО ПОЖАРА

ВВЕДЕНИЕ.

1 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ И ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1 Классификация способов борьбы с лесными пожарами.

1.2 Исследования процессов взаимодействия ударных волн с отражающими поверхностями.

1.3 Экспериментальные методы исследования ударных волн.

1.4 Математическое моделирование ударно-волновых процессов.

1.5 Объект исследования.

2 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ И МЕТОДИКИ.

2.1 Описание экспериментальных установок.

2.2 Методики измерения газодинамических параметров ударных волн

2.3 Методы математической обработки результатов измерений.

3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИКИ УДАРНЫХ ВОЛН.

3.1 Выбор определяющих параметров и критерии подобия.

3.2 Исследование динамики ударных волн в смесях продуктов пиролиза лесных горючих материалов с воздухом.

3.3 Исследование динамики ударных волн при их распространении в ударной трубе с коническим конфузором. Результаты экспериментов и их обработка.

3.4 Визуализация структуры течения.

4 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ УДАРНО-ВОЛНОВЫХ ПРОЦЕССОВ В ЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ ТРУБЕ С КОНИЧЕСКИМ СУЖЕНИЕМ.

4.1 Постановка задачи.

4.2 Численная процедура решения. Конечно разностная схема. Метод решения.

4.3 Тестирование алгоритма.

4.4 Результаты численных расчетов и их анализ.

5 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ГАЗОДИНАМИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ФРОНТ НИЗОВОГО ЛЕСНОГО ПОЖАРА.

5.1 Модель устройства для локализации'и тушения низовых лесных пожаров.

5.2-Результаты лабораторных экспериментов по газодинамическому воздействию на фронт низового лесного пожара.

ВЫВОДЫ.

В настоящее время в мире ежегодно регистрируется около 7 млн. пожаров, в огне которых погибают около 70 тыс. человек. Россия, как по количеству пожаров, так и по числу человеческих жертв занимает одно из первых мест в мире. Основную часть природных пожаров составляют пожары в лесах. Лесные пожары охватывают площади от нескольких сотен до нескольких миллионов гектаров в год и оказывают разрушительное воздействие на окружающую среду. Поэтому охрана леса от пожаров является важной и актуальной проблемой в последнее время.

К сожалению, имеющихся в настоящее время способов и устройств, результативных при тушении лесных пожаров, недостаточно. Поэтому разработка и создание научно-обоснованных подходов по борьбе с лесными пожарами продолжают развиваться и вызывать как научный, так и практический интересы.

Необходимо отметить, что методы математического моделирования и механики сплошных сред успешно применяются для изучения проблем охраны окружающей среды.

Согласно [1], лесным пожаром называется явление неуправляемого многостадийного горения в открытом пространстве, на покрытой лесом площади, в рамках которого имеют место взаимосвязанные процессы конвективного и радиационного переноса энергии, нагревания, сушки и пиролиза лесных горючих материалов (ЛГМ),- а также горение газообразных и догорание конденсированных продуктов пиролиза JITM.

Под пиролизом JITM, в соответствии с общим определением [2], понимается расщепление при высокой температуре сложных органических соединений, из которых состоят JITM, на более простые. В качестве более простых веществ получаются конденсированный продукт — коксик, состоящий из почти чистого углерода, и газообразные горючие и негорючие продукты СН4, Н2, СО, и Н20.

Экспериментальные и теоретические исследования [1] показали, что фронт как верхового, так и низового лесных пожаров имеет сложную структуру, включающую в себя зону прогрева, сушки и пиролиза ЛГМ, горения газообразных продуктов пиролиза и догорания конденсированных продуктов. Процессы горения лимитируются притоком кислорода и газообразных горючих продуктов пиролиза, т.е. носят диффузионный характер. Если разрушить структуру фронта пожара, то, как показали эксперименты [1], распространение его прекращается. Наиболее уязвимой его частью являются зоны пиролиза и смешения горючих продуктов пиролиза с кислородом. Действительно, в этой части фронта находится взрывоопасная смесь, поэтому достаточно относительно небольшого воздействия на эту зону, чтобы произошел взрыв и пламенное горение прекратилось. Именно благодаря эффекту взрыва горючей смеси в зоне пиролиза фронта лесного пожара можно разрушить структуру фронта и прекратить его распространение. Такой подход представляет собой конкретное содержание новой концепции борьбы с лесными пожарами, предложенной автором работы [1]. Суть ее состоит в использовании относительно малых энергетических воздействий на наиболее уязвимую часть фронта лесного пожара — зону пиролиза, для реализации условий его потухания.

Это явление впервые было обнаружено экспериментально при тушении лесных пожаров в сосновых молодняках шнуровыми зарядами типа IDKB-20 и ЭШ-1П, и доказано теоретически в работах [1, 3-5]. Однако, недостаток информации о предельных концентрациях продуктов пиролиза, способных детонировать, ограничивает поиск эффективных научно-технических решений- по использованию ударно-волнового метода пожаротушения на практике. Поэтому исследование взаимодействия УВ с продуктами пиролиза различных концентраций, полученных из древесины, хвои кедра и сосны при температуре пиролиза, является актуальной задачей.

Реализация ударно-волнового метода пожаротушения требует создания безопасных, надежных и компактных устройств, примеры которых известны [6]. В настоящее время актуальной является задача повышения эффективности подобных устройств. Одним из путей решения данной проблемы служит повышение интенсивности генерируемых УВ. Способ, предложенный в [7], предполагает использование ударной трубы с коническим конфузорным насадком. Реализация предложенного метода требует соответствующего научного обоснования. Этим обусловлена актуальность физического и математического моделирования процессов интенсификации УВ при распространении в сужающемся канале.

Целью диссертационной работы является изучение ударно-волновых процессов, обеспечивающих интенсивное газодинамическое воздействие на фронт низового лесного пожара, и научное обоснование повышения эффективности практического применения ударно-волнового метода пожаротушения.

Для достижения намеченной цели были поставлены следующие задачи:

1. Обзор современного состояния исследований по теме работы.

2. Разработка и создание экспериментальных установок для исследования динамики генерируемых УВ, для получения продуктов пиролиза ЛГМ и для газодинамического воздействия на фронт низового лесного пожара.

3. Проведение экспериментальных исследований по определению: оптимальных геометрических параметров конических конфузоров для повышения интенсивности УВ на выходе из ударной трубы; изменения интенсивности УВ при распространении в горючей газовой смеси с различной концентрацией продуктов пиролиза ЛГМ; эффективности воздействия УВ на фронт низового лесного пожара.

4. Математическое моделирование нестационарного процесса распространения УВ в цилиндрической ударной трубе с коническими конфузорами, сравнительный анализ результатов расчетов с полученными экспериментальными данными.

5. Разработка и создание полезной модели устройства для локализации и тушения лесных пожаров.

Научная новизна исследования заключается в следующем:

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработаны и созданы установки и стенды для экспериментального исследования динамики УВ и их воздействия на фронт низового лесного пожара (в лабораторных условиях).

2. Впервые в лабораторных условиях получены данные о влиянии концентрации продуктов пиролиза JITM в воздухе на интенсивность УВ.

3. Найдены оптимальные геометрические параметры конических конфузоров, обеспечивающие максимальное увеличение давления во фронте УВ на выходе из ударной трубы.

4. В двумерной постановке выполнен численный расчет нестационарного течения газов в модели нового перспективного ударно-волнового устройства для борьбы с лесными пожарами.

5. С использованием созданной полезной модели ударно-волнового устройства для локализации и тушения лесных пожаров в полунатурных условиях показаны возможности эффективного тушения низовых лесных пожаров.

На защиту выносятся:

1. Разработанные установки и стенды для экспериментального исследования динамики УВ и газодинамического воздействия на фронт низового лесного пожара.

2. Результаты* экспериментального определения, влияния концентрации продуктов пиролиза ЛГМ" в воздухе* и геометрических характеристик конических конфузоров на параметры УВ в ударной трубе.

3. Математическая модель и результаты численного моделирования инициированного взрывом ударно-волнового течения газа в ударной трубе с коническим конфузором, позволяющие установить оптимальные параметры генератора УВ.

4. Обоснование способа тушения низовых лесных пожаров и созданная полезная модель устройства для локализации и тушения лесных пожаров, демонстрирующая эффективный и безопасный способ пожаротушения.

Практическая значимость полученных результатов определяется, в первую очередь, важностью представленного в работе научного обоснования повышения эффективности практического применения ударно-волнового метода пожаротушения, в том числе — с использованием созданного устройства для локализации и тушения лесных пожаров [8]. Данные результаты работы значимы для решения практических задач предотвращения негативных экономических и экологических последствий лесных пожаров. Полученные результаты также могут найти применение при решении новых научно-технических задач, направленных на совершенствование способов пожаротушения на основе ударно-волнового метода. Использование полученных результатов может быть рекомендовано Министерству по чрезвычайным; ситуациям РФ, а также высшим учебным заведениям физико-технического профиля (использование созданных стендов и установок учебном процессе для проведения лабораторных занятий со студентами при изучении ударно-волновых процессов).

Достоверность результатов экспериментальных исследований обеспечена корректным применением измерительных методик и средств измерений, использованием различных способов инициирования. УВ, статистической обработкой результатов измерений, их анализом и сравнением с известными экспериментальными и теоретическими данными, опубликованными в научной литературе. Достоверность» результатов численного4 моделирования обеспечивается^ применением обоснованной математической модели, высокой: точностью разнрстной аппроксимации,, тестированием алгоритма на известных задачах, а также сопоставлением с полученными экспериментальными данными.

Теоретическая и практическая значимость, а также перспективность работы получили признание в России и за рубежом как имеющие важное значение в соответствующей области знаний и подтверждены финансовой поддержкой в гранте РФФИ № 08-01-90703-мобст «Научная работа российского молодого ученого инженера Института теплофизики им.С.С.Кутателадзе СО РАН Ануфриева Игоря Сергеевича в ГОУВПО «Томском государственном университете»», 2008 г., в гранте РФФИ № 07-08-00296-а «Влияние винтовой структуры вихревого потока на тепломассообмен и горение», 2007-2009 гг., а также в гранте РФФИ № 09-08-09222-мобз «Участие в Шестом средиземноморском симпозиуме по горению», 2009 г.

Основные результаты исследований, представленных в диссертации, апробированы на 15 международных, всероссийских и региональных конференциях, в том числе Международной конференции «Сопряженные задачи механики, информатики и экологии» (Горно-Алтайск, 2004), XIII Симпозиуме по горению и взрыву (Черноголовка, 2005), XV Школе-семинаре молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках» (Калуга, 2005), Международной конференции «Лесные и степные пожары: возникновение, распространение, тушение и экологические последствия» (Иркутск, 2005), Международной школе-конференции молодых ученых «Физика и химия наноматериалов» (Томск, 2005), VI Всероссийской конференции молодых ученых по математическому моделированию и информационным технологиям (Кемерово, 2005), Международной конференции «Пятые Окуневские чтения» (Санкт-Петербург, 2006); XLV Международной*научной студенческой.конференции «Студент и научно-технический прогресс» (Новосибирск, 2007), Международной конференции «Сопряженные задачи механики реагирующих сред, . информатики и экологии» (Томск, 2007), Всероссийской школе-семинаре молодых ученых «Физика неравновесных процессов в энергетике и наноиндустрии» (Новосибирск, 2007), Международной конференции «Математическое моделирование опасных природных явлений и катастроф» (Томск, 2008), VII International Symposium on Hazards, Prevention and Mitigation of Industrial Explosions (Санкт-Петербург, 2008), X Всероссийской школе-конференции молодых ученых «Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики» (Новосибирск, 2008), 8-ой Всероссийской конференции с участием зарубежных ученых "Сопряженные задачи механики реагирующих сред, информатики и экологии" (Томск, 2009), Sixth Mediterranean Combustion Symposium (Портиччо-Аяччо, Корсика, Франция, 2009), а также на научных семинарах: лаборатории радиационного теплообмена ИТ СО РАН 28.04.2009 г., отдела термодинамики веществ и излучений ИТ СО РАН 08.10.2009 г., кафедры физической и вычислительной механики ТГУ 15.10.2009 г.

Основные результаты диссертации опубликованы в 20 работах, в том числе в двух статьях в журналах, рекомендованных ВАК, восьми докладах в трудах международных конференций, патенте РФ на полезную модель устройства для локализации и тушения лесных пожаров.

Работа выполнена в ИТ СО РАН и на кафедре физической и вычислительной механики механико-математического факультета Томского государственного университета.

Диссертация состоит из введения, пяти разделов, выводов и списка использованной литературы из 96 наименований на русском и иностранных языках. Работа содержит 112 страниц текста, 44 рисунка и 7 таблиц.

выводы

1. Созданы оригинальные установки и стенды для экспериментального исследования динамики УВ и их воздействия на фронт низового лесного пожара (в лабораторных условиях).

2. На основе выполненного в лабораторных условиях исследования динамики УВ, распространяющихся в смеси воздуха с продуктами пиролиза JITM различной концентрации, показана немонотонная зависимость повышения давления в УВ от объемной концентрации продуктов пиролиза ЛГМ, на используемой установке получено максимальное повышение интенсивности УВ (на 25%) при протекании химических реакций в смеси с объемной концентрацией продуктов пиролиза ЛГМ С = 0,5.

3. В результате проведенного экспериментального исследования динамики УВ в ударной трубе с коническим конфузором проанализировано влияние геометрических параметров на интенсивность УВ, решена оптимизационная задача и найдены значения параметров, обеспечивающие максимальное повышение давления в УВ на выходе из ударной трубы за счет отражений от стенок конфузора.

4. В рамках математической модели осесимметричного нестационарного течения сжимаемого газа в ударной трубе с коническим конфузором выполнены численные расчеты распределений газодинамических параметров, проанализировано влияние геометрических факторов на параметры УВ, теоретически обоснован способ повышения эффективности ударно-волновых устройств для борьбы с лесными пожарами.

5. Проведенные лабораторные исследования по. газодинамическому воздействию на очаг горения ЛГМ показали, что использование ударных труб с коническими конфузорами оптимальной формы позволяет значительно повысить эффективность и безопасность ударно-волновых устройств для борьбы с низовыми лесными пожарами.

6. На основе проведенных комплексных экспериментальных и теоретических исследований создана полезная модель ударно-волнового устройства для локализации и тушения лесных пожаров, показаны и обоснованы практические преимущества предложенной конструкции.

1. Гришин А. М. Математическое моделирование лесных пожаров и новые способы борьбы с ними / А. М. Гришин. Новосибирск : Наука, 1992. - 408 с.

2. Бусев А. И. Определения, понятия, термины в химии / А. И. Бусев, И. П. Ефимов. М.: Просвещение, 1977. - 224 с.

3. Гришин А. М. Физика лесных пожаров / А. М. Гришин. Томск : Изд-во Томского ун-та, 1994. — 218 с.

4. Гришин А. М. Экспериментальное и теоретическое исследование воздействия взрыва на фронт верхового лесного пожара / А. М. Гришин, Ю. М. Ковалев // ДАН СССР. 1989. - Т. 308, № 5. - С. 1074-1078.

5. Гришин А. М. Об усилении ударных волн при взаимодействии с фронтом лесного пожара / А. М. Гришин, Ю. М. Ковалев // ДАН СССР. -1990. Т. 312, № 1. - С. 50-54.

6. Пат. 2033826 CI Россия, МКИ 6 А 62 С 3/02. Устройство для локализации и тушения лесных пожаров. / А. М. Гришин, В. А. Антонов, Л. Ю. Наймушина, А. Н. Голованов, Ю. В. Кустов. № 4852597; заявлено 20.07.90 ; опубл. 30.04.95, Бюл. № 12.-4 с.

7. Shock-wave effect on the fire / I. S. Anufriev et.al. // Proceedings. Seventh International Symposium on Hazards, Prevention and Mitigation of Industrial Explosions. St Petersburg, Russia, July 7-11, 2008. St. Petersburg, 2008. - Vol. 3. - P. 284-289.

8. Указания по обнаружению и тушению лесных пожаров. — М. : Гослесхоз СССР, 1976. 110 с.

9. Софронов М. А. Огонь в лесу / М. А. Софронов. Новосибирск : Наука, 1981.-128 с.

10. Способ тушения пожара на открытой площади / Р. П. Козлов и др. // Открытия. Изобрет. 1983. - № 8.

11. Гейман JI. М. Взрыв / Л. М. Гейман. М. : Наука, 1978. - 182 с.

12. Арцыбашев Е. С. Основные задачи лесной пирологии // Лесные пожары и борьба с ними. Л. : ЛенНИИЛХ, 1986. - С. 3-12.

13. Валендик Э. Н. Крупные лесные пожары / Э. Н. Валендик, П. М. Матвеев, М. А. Софронов. М: : Наука, 1979. - 198 с.

14. Орлов О. К. Эластичные шнуровые заряды для борьбы с лесными пожарами / О. К. Орлов, Ю. В. Кустов // Лесные пожары и борьба с ними. -Л. : ЛенНИИЛХ, 1986. С. 102-107.

15. Черный Г. Г. Газовая динамика: учебник для университетов и втузов / Г. Г. Черный. М. : Наука, 1988. - 424 с.

16. Баум Ф. А. Физика взрыва / Ф. А. Баум, К. П. Станюкович, Б. И. Шехтер. — М. : Гос. изд-во физ.-мат. лит., 1959. 800 с.

17. Courant R. Supersonic Flow and Shock Waves / R. Courant, K. Friedrichs. New York : Interscience, 1948. - 426 p.

18. Прикладная газовая динамика / С. А. Христианович и др.. 1948. — 149 с.

19. Ляхов В. Н. Воздействие ударных волн и струй на элементы конструкций / В. Н. Ляхов, В. В. Подлубный, В. В. Титаренко. — М. : Машиностроение, 1989.

20. An album of fluid Motion / Assembled by Milton Van Dyke. Stanford (USA): Parabolic Press, 1982. - 182 p.

21. Экспериментальное исследование маховского отражения слабых ударных волн / Г. А. Макаревич и и др. // Журн. техн. физики. — 1984. Т. 54, №3.-С. 625-628.

22. Семенов А. Н. Экспериментальное изучение особенностей маховского отражения в ударной трубе / А. Н. Семенов, М. П. Сыщикова, М. К. Березкина // Журн. техн. физики. 1970. - Т. 15, № 5. - С. 1033-1043.

23. Семенов А. Н. Свойства маховского отражения при взаимодействии ударных волн с неподвижным клином / А. Н. Семенов, М. П. Сыщикова // ФГВ. 1975. - Т. 11, № 4. - С.596-608.

24. Ударные и детонационные волны. Методы исследования / И. Ф. Кобылкин и др.. -М.: Изд-во физ.-мат. лит., 2004. — 375 с.

25. Дубовик А. С. Фотографическая регистрация быстропротекающих процессов / А. С. Дубовик. М. : Наука, 1984. - 320 с.

26. Зельдович Я. Б: Физика ударных волн и высокотемпературных гидродинамических явлений / Я. Б. Зельдович, Ю: Л. Райзер : 2-е изд. — М. : Наука, 1976.

27. Ударно-волновые явления в конденсированных средах / Г. И. Капель и др. М. : Янус-К, 1996. - 408 с.

28. Мальцев В. М. Методы исследования процессов горения и детонации / В. М. Мальцев, В. М. Зайцев. М. : Наука, 1969. — 301 с.

29. Саламандра Г. Д. Фотографические методы исследования быстропротекающих процессов / Г. Д. Саламандра. — М. : Наука, 1974.

30. Сысоев Н. Н. Применение импульсной интерферометрии к исследованию отражения ударных волн / Н. Н. Сысоев, Ф. В. Шугаев // Высокоскоростная фотография и метрология быстропротекающих процессов : тез.докл. М., 1981. - 124 с.

31. Сысоев Н. Н. Распространение и отражение ударных волн в газах / Н. Н. Сысоев. М. : Физ. Фак. МГУ, 2001. - 128 с.

32. Уртьев П. А. Диагностика ударно-волновых процессов // Химическая физика. 1993. - № 5.

33. Соловьев В. С. Методология экспериментальных явлений взрыва и удара / В. С. Соловьев. М. : МВТУ им. Н.Э. Баумана, 1984.

34. Кулагин С. В. Аппаратура для научной фоторегистрации и киносъемки / С. В: Кулагин. М. : Машиностроение, 1980.

35. Соловьев В. С. Электрические методы исследования быстропротекающих процессов / В. С. Соловьев. М. : МВТУ им. Н.Э. Баумана, 1984.

36. Глушак Б. JI. Исследование прочности материалов при динамических нагрузках / Б. JI. Глушак, В. Ф. Куропатенко, С. А. Новиков. -Новосибирск : Наука, 1992. — 295 е./

37. Степанов Г. В. Упругопластическое деформирование и разрушение материалов при импульсном нагружении / Г. В. Степанов. — Киев : Наукова думка; 1991.

38. Компанеец А. С. Ударные волны / А. С. Компанеец. М. : Физматгиз, 1963. - 92 с.

39. Абрамович Г. Н. Прикладная газовая динамика : учеб. руководство для втузов / Г. Н. Абрамович : в 2 ч. — 5-е изд., перераб. и доп. — М. : Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1991. Ч. 2. - 304 с.

40. Mac-Cormack R. W. The effect of viscosity in hypervelocity impact cratering // AIAA Paper. 1969. - № 69. - P. 354.

41. Численное решение многомерных задач газовой динамики / С. К. Годунов и др.. М. : Наука, 1976. - 400 с.

42. Исследование гиперзвуковых течений ; под ред. Ф. Р. Риддела. — М., 1965.

43. Масленников В. Г. Двухдиафрагменная ударная труба Физико-технического института / В. Г. Масленников, В. А. Сахаров. // Журн. техн. физики. Т. 67, № 11. - С. 88-95.

44. Соболев Н. Н. Спектроскопическое исследование газов в ударных трубах в США // Успехи физ. наук. 1962. - Т. LXXVII, вып. 3.

45. Shock-tube study of the autoignition of n-heptane/toluene/air mixtures at intermediate temperatures and high pressures / J. Herzler et.al. // Combustion and Flame. 2007. -№ 149. - P. 25-31.

46. Взаимодействие ударных волн с продуктами пиролиза лесных горючих материалов / А. М. Гришин, А. Н. Голованов, И. С. Ануфриев, А. М. Лоцман // Экологические системы и приборы. — 2005. № 7. - С. 38-40.

47. Приборы и средства автоматизации. Приборы для измерения и регулирования давления, перепада давления, расхода жидкостей и газов. Каталог ИНФОРМ ПРИБОР. М., 1989. - 386 с.

48. А. с. 317928 СССР. Пьезоэлектрический датчик давления / Г. Н. Сунцов. Опубл. в Б. И., - 1971. - № 31.

49. Гавриленко Т. П. Пьезодатчики давления / Т. П. Гавриленко, Ю. А. Николаев // ФГВ. 1982. - № 3. - С. 127-129.

50. Пинаев А. В. Измерение давления за фронтом детонации в гетерогенной системе газ-пленка // ФГВ. 1983.-№1.-С. 105-111.

51. Правила техники безопасности при электромонтажных и наладочных работах. М. : Энергия, 1973.

52. Математическое и физическое моделирование ударных волн при их прохождении через конфузорный участок ударной трубы / А. Н. Голованов,

53. О. В. Шарыпов, А. Ф. Цимбалюк, И. С. Ануфриев, А. А. Клочков // Сопряженные задачи механики реагирующих сред, информатики и экологии : избр. докл. 7-й междунар. науч. конф. Томск, 2007. - С. 228-234.

54. Худсон Д. Статистика для физиков / Д. Худсон. — М. : Мир, 1970. — 296 с.

55. Математическая теория планирования эксперимента : под. ред. С. М. Ермакова. М. : Наука, 1983. - 391 с.

56. Фиалко М. Б. Лекции по планированию эксперимента / М. Б. Фиалко, В. Н. Кумок. Томск : Изд-во Томского ун-та, 1977. - 132 с.

57. Бондарь А. Г. Планирование эксперимента в химической технологии / А. Г. Бондарь, Г. А. Статюха. — Киев : Вища школа, 1976. 183 с.

58. Планирование экспериментов в исследовании технологических процессов / К. Хартман и др.. М. : Мир, 1977. — 552 с.

59. Шенк Г. Теория инженерного эксперимента / Г. Шенк. — М. : Мир, 1972.-382 с.

60. Седов Л. И. Методы подобия и размерности в механике / Л. И. Седов. М. : Наука, 1972. - 440 с.

61. Гухман А. А. Введение в теорию подобия / А. А. Гухман. — М. : Высшая школа, 1963. 225 с.

62. Гухман А. А. Применение теории подобия к исследованию процессов тепломассообмена / А. А. Гухман. — М. : Высшая школа, 1967. — 304 с.

63. Лойцянский Л. Г. Механика жидкости и газа / Л. Г. Лойцянский. — М. : Наука, 1987. 840 с.

64. Bridgman P. W. Dimensional analysis / P. W. Bridgman. New Haven : Yale University Press, 1932.

65. Алексеев Б. В. Курс лекций по аэротермохимии / Б. В. Алексеев, А. М. Гришин. — Томск : Изд-во Томского ун-та, 1979. 330 с.

66. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя / Г. Шлихтинг. — М : Наука, 1974.-711 с.

67. Васильев JI. А. Теневые методы / JI. А. Васильев. М., 1968.

68. Козлов Е. А. Практическая газодинамика внутрикамерных процессов в твердотопливных ракетных двигателях / Е. А. Козлов, А. Б. Ворожцов, С. С. Бондарчук // Известия ВУЗов. Физика. 1992. - № 8. - С. 104-113.

69. Хоменко Ю. П. Математическое моделирование внутрибаллистических процессов в ствольных системах / Ю. П. Хоменко, А. Н. Ищенко, В. 3. Касимов. Новосибирск : Изд-во СО РАН, 1999. - 256 с.

70. Горст А. Г. Пороха и взрывчатые вещества / А. Г. Горст. М. : Машиностроение, 1972.-208 с.

71. Ильгамов М. А. Неотражающие условия на границах расчетной области / М. А. Ильгамов, А. М. Гильманов. М. : Физматлит, 2003. - 240 с.

72. Матвеев С. К. Некоторые аспекты применения метода Годунова к решению задач нестационарной газовой динамики // Вестник ЛГУ. — 1976. — № 13.-С. 98-100.

73. Халимов С. Б. Численное исследование до- и трансзвуковых течений идеального газа в каналах сложной формы : дис. . канд. физ.-мат. наук / С. Б.- Халимов. — Томск, 1988. — 185 с.

74. Крайко А. Н. К численному построению фронтов ударных волн / А. Н.' Крайко, В. Е. Макаров, Н. И. Тилляева // ЖВМ и МФ: 1989. - Т. 20:- № 6.-С. 716-723.

75. Любимов А. Н. Течения газа около тупых тел / А. Н. Любимов, В. В. Русанов. М. : Наука, 1970. - 287 с.

76. Ануфриев И. С. Экспериментальное исследование пересжатых ударных волн // Физика и химия наноматериалов : материалы междунар. школы-конф. молодых ученых. — Томск, 2005. — С. 292-295.

77. Ануфриев И. С. Экспериментальное исследование пересжатых ударных волн // VI Всерос. конф. молодых ученых по математ. моделированию и информационным технологиям (с участием иностранных ученых) : тез. докл. — Кемерово, 2005. — С. 29.

78. Взаимодействие ударных волн с элементами лесных горючих материалов / А. М. Гришин, А. Н. Голованов, И. С. Ануфриев, А. М. Лоцман //г

79. Ануфриев И. С. Усиление ударных волн при прохождении через конфузорный участок ударной трубы / И. С. Ануфриев, А. А. Клочков // Студент и научно-технический прогресс : материалы XLV междунар. науч. студенческой конф. Новосибирск, 2007. — С. 19-20.

80. Shock-wave effect on the forest fire front / I. S. Anufriev et.al. // Abstracts of Sixth Mediterranean Combustion Symposium. — Porticcio-Ajaccio, Corsica-France, 2009. P. 151.

81. Динамика ударных волн в осесимметричных каналах с конфузорами / И. С. Ануфриев, А. Н. Голованов, А. Ф. Цимбалюк, О. В. Шарыпов // Вестн. Новосиб. гос. ун-та. Сер. : Физика. 2009. - Т.4, вып. 2. — С. 13-18.