Характеристики теплового действия при горении и взрывах топливо-воздушных смесей. Критические условия зажигания промышленных топлив тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.17 ВАК РФ

И6 од

1 О КЙГ ^- РОССИЙСКИЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР , ¿ "КУРЧАТОВСКИЙ ИНСТИТУТ"

Институт Прикладной Химической Физики

На правах рукописи

КУЗНЕЦОВ Михаил Сергеевич

УДК 536.46

ХАРАКТЕРИСТИКИ ТЕПЛОВОГО ДЕЙСТВИЯ ПРИ ГОРЕНИИ И ВЗРЫВАХ ТОПЛИВО-ВОЗДУШНЫХ СМЕСЕЙ. КРИТИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ ЗАЖИГАНИЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ

ТОПЛИВ.

01.04.17 - химическая физика, в том числе физика горения и взрыва

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

МОСКВА-1996

Работа выполнена в Институте Прикладной Химической Физики Российского Научного Центра "Курчатовский Институт"

Научный руководитель: доктор физико-математических наук

Дорофеев С. Б.,

Институт Прикладной Химической Физики РНЦ "Курчатовский Институт"

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

Гремячкин В. М., Институт Проблем Механики Российской Академии Наук

кандидат физико-математических наук Крючков С. И.,

Институт Молекулярной Физики РНЦ "Курчатовский Институт"

Ведущая организация: Институт Химической Физики Российской Академии Наук.

Защита состоится "_"_1996 г. в_._на заседании

Специализированного совета по химической физике Д.034.04.05 при Российском Научном Центре "Курчатовский Институт" по адресу: 123182, Москва, пл. И. В. Курчатова, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке РНЦ "Курчатовский Институт".

Автореферат разослан /¿¿¿Я^ 1996 г.

Ученый секретарь Специализированного совета

доктор химических наук Серик В.Ф.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. При аварии на топливо-насыщенных эбъектах, как правило, происходит истечение топлива с образованием больших по площади разлитии и паровых облаков, горение и взрывы -соторых приводят к дополнительным разрушениям и многократному /величению масштабов аварии. В связи с этим первостепенное значение приобретают направления исследований, связанные с разработкой методов оценки полей поражающих факторов горения и ззрыва, а также с определением критериев возникновения и развития 1роцессов горения и взрыва.

Тепловое излучение является одним из основных факторов пора-кения при аварии. Исследования характеристик теплового излучения фоводились в основном для случаев стационарного горения жидкостей, а также неперемешанных с водухом топливных облаков. Наймете исследованы характеристики теплового действия при горении и [етонации гетерогенных и газовых топливо-воздушных смесей (TBC).

Развитие аварии на объектах, содержащих большие количества ■оплив, зависит от чувствительности материалов и конструкций к юражающим факторам горения и взрыва, которая может быть гредставлена в виде ДР-I (давление-импульс ударной волны) и q-t тепловой поток- время) диаграмм поражения. Для процессов горения >ти данные представлены, как правило, экспериментальными ависимостями критических (пороговых) значений теплового потока от ремени воздействия на объект и относятся, в основном, к зажиганию вердых горючих материалов - для жидких горючих аналогичные .анные отсутствуют.

Частным случаем развития аварии является развитие очага орения на поверхности жидкого топлива и переход к стационарному орению всей площади разлития. В связи с тем, что в литературе меются лишь отрывочные сведения об условиях зажигания и акономерностях перехода к стационарному горению жидкого топлива, атрудняются анализ последствий аварий и возможность рогнозирования динамики ее развития.

Цель работы заключалась в обосновании методик расчета и кспериментальном исследовании характеристик теплового действия ри горении и взрывах крупномасштабных облаков TBC, исследовании акономерностей излучения пламен углеводородных топлив, разработке экспериментальной проверке моделей зажигания жидких топлив епловым излучением горящего топлива.

Научная новизна.

1. Экспериментально исследованы излучательные характеристики ламен диспергированных моторных топлив. Разработана модель злучения оптически тонких пламен, позволяющая адекватно описать х тепловое действие на приемник излучения.

2. Экспериментально определены основные характеристики теплового действия при газовой детонации стехиометрической и переобогащенных пропано-воздушных смесей. Выявлено три характерных стадии тепловыделения: период инициирования, детонационный период, период догорания избытка пропана. Показано, что характеристики теплового излучения на стадии догорания определяются избытком пропана и занимают промежуточное положение по сравнению с аналогичными характеристиками тепловогс излучения при горении пропано-воздушных смесей и чистых паров пропана. По данным экспериментов получены масштабные зависимост характеристик теплового действия от массы пропана для стехиометрических и переобогащенных смесей.

3. На основании анализа литературных данных и результатов экспериментов предложена методика расчета характеристик теплового действия огненного шара для процессов горения и взрывов топливо-воздушных смесей, учитывающая все основные режимы взрывного превращения и горения, а также тип топлива и состав TBC.

. 4. Разработана модель зажигания поверхности жидкого топлива тепловым потоком открытого пламени. На примере дизельного топлив; показана высокая степень соответствия экспериментальных и расчетных характеристик, соответствующих критическим условиям зажигания.

5. Экспериментально определены критические условия существования локального очага горения на поверхности жидкого топлива. Основываясь на предложенной модели зажигания, определен область существования устойчивого очага горения на поверхности топлива. Показано, что результаты расчета хорошо согласуются с экспериментом.

Практическая ценность. В диссертационной работе экспериментально исследованы излучательные характеристики и тепловое действие крупномасштабных облаков горящего топлива и топливо-воздушных смесей при различных скоростных режимах: горении и детонации. На основании полученных экспериментальных данных и проведенного анализа литературных данных предложена методика расчета полей теплового поражения при горении и взрывах топлив и топливо-воздушных смесей. Предлагаются простые модели, е рамках которых получено описание закономерностей теплового излучения пламен различной природы, определены критические условия зажигания промышленных топлив тепловым потоком открытого пламени. Полученные результаты расчетов согласуются с экспериментальными данными и могут использоваться при моделировании аварийных ситуаций, а также при создании систем безопасности на промышленных объектах.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на 3 Всесоюзной конференции по технике безопасности в химической промышленности (г. Северодонецк, 13-18 мая 1990 г.), на 14 Международном коллоквиуме по динамике взрывов и реагирующих систем (г. Коимбра, Португалия, 1-6-августа 1993 г.), на Международном семинаре по проблемам промышленной безопасности (IRIS, май 1993 г.), а также на семинарах в Институте Прикладной Химической Физики РНЦ.

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 9 работах.

На защиту выносятся:

-модель излучения оптически тонких пламен с неоднородным распределением интенсивности теплового излучения;

-результаты экспериментального определения излучательных харатеристик пламен диспергированных промышленных топлив;

-исследования характеристик теплового действия и закономерностей теплового излучения при газовой детонации пропано-воздушных смесей различного состава;

-результаты исследований излучательных характеристик и динамики тепловыделения при горении гетерогенных облаков промышленных топлив;

-методика расчета характеристик теплового действия при горении и взрывах чистых топлив и TBC, учитывающая тип топлива и режимы взрывного превращения;

-модель зажигания жидких топлив тепловым потоком открытого пламени;

-результаты экспериментального определения критических условий зажигания промышленных топлив тепловым излучением.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка цитируемой литературы (144 названия) и грех приложений, содержит 176 страниц машинописного гекста, 41 рисунок и 12 таблиц.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении отмечена актуальность темы,.сформулирована цель заботы, представлена общая структура диссертации, кратко изложены эезультаты исследования и положения, выносимые на защиту, токазаны научная новизна и практическая ценность проведенного исследования.

В первой главе представлен обзор литературы. Обзор литературы ;труктурно резделен на два параграфа. В первом параграфе обзора литературы рассмотрены экспериментальные данные по карактеристикам теплового действия огненных шаров различной трироды.

Вторая часть обзора посвящена анализу литературных данных по описанию процесса зажигания конденсированных горючих материалов тепловым потоком. Сформулированы основные задачи исследования.

Вторая глава посвящена исследованию основных характеристик теплового действия огненных шаров различной природы. Глава состот из четырех частей.

В первой части исследуются закономерности теплового излучения пламен горящего топлива. Пламена углеводородных топлив рассматривались как объемные источники теплового излучения. Полагалось, что излучение каждого элемента объема подчиняется законам излучения серых тел. Рассмотрена схема для расчета теплово1 нагрузки от сферического пламени радиусом й на расположенный на расстоянии Ь перпендикулярно оптической оси элемент поверхности приемника излучения ¿б. Данная схема соответствует взаимному расположению исследуемых пламен и поверхности чувствительного элемента датчиков теплового потока. В результате расчета для оптически тонких пламен получены кривые распределения излучательной способности е=д(г)/^0 по "видимой" поверхности (Рис. 1), где q(r) и - интенсивность излучения на поверхности сферы на расстоянии г от оптической оси и излучение абсолютно черного тела с

Рис. 1 Распределение излучательной способности по поверхности: (а) Ь=оо, к-1?=уаг; (Ь) Ь=уаг, к-Я=5.

Показано, что объемный характер излучения оптически тонких пламен приводит к неоднородному распределению интенсивности излучения по "видимой" поверхности сферического пламени. Неоднородность излучения увеличивается с уменьшением оптической толщины кИ и/или расстояния до приемника излучения. С ростом к-1? величина среднеинтегральной излучательной способности по всей поверхности 8 —И. Практически, при величине оптической толщины 1«

пламя является оптически толстым и излучает, как черное тело. 'Лз расчетов следует, что при величине безразмерного комплекса к-1?>2 максимальная мощность теплового потока соответствует внутренней температуре пламени.

Интегрированием по всему объему излучающей сферы получены зыражения для расчета интегральной излучательной способности е эптически тонкого сферического излучателя и для расчета тепловой нагрузки на вертикальный элемент поверхности приемника излучения на расстоянии Ь от сферы радиуса I?:

Я2 Я2 '

- 4O-l2

l-^r^-(l-exp(-2.k.R).(l + 2-k-R))j( (1)

где к - коэффициент экстинкции. Выражение (1) для интегральной излучательной способности е отличается от используемого обычно для модели излучения пламени, как серого тела: £=1-ехр(-к-хеч), где xeq -эквивалентная толщина излучающего слоя, в качестве которой для сферы использовалась величина радиуса R.

В качестве источников теплового излучения в экспериментах использовались сферические пламена горящего диспергированного топлива. Формирование горящих облаков диспергированных топлив в настоящей работе производилось взрывным способом и механическим диспергированием с помощью форсунок. В экспериментах использовалось дизельное топливо. Тепловые характеристики облаков горящего топлива исследовались с помощью термопарных датчиков теплового потока и термовизионной установки со скоростью съемки 25 кадр/с. Размеры излучающей зоны измерялись по данным видео (50 кадр/с) и термовизионной съемки. При взрывном способе диспергирования топлива диаметр образующихся облаков горящего топлива изменялся от 0.5 до 20 м, при механическом - от 2 до 3 м.

В соответствии с предложенной моделью излучения оптически тонких пламен по экспериментальным кривым распределения интенсивности теплового излучения q(r) (Рис. 2) по данным термовидеосъемки для взрывного диспергирования определены излучательные характеристики горящего облака: к = 2.6±0.2 м-1; q0 - 115±4 кВт/м2 (соответствует температуре 1190 К). По зависимости интенсивности теплового излучения от размера огненного шара q(R) по данным датчиков теплового потока в соответствии с (1) получено: q0= 102 кВт/м2; к=2.6 м-1. Вследствие более полного сгорания при механическом диспергировании пламя турбулентного факела горящего топлива характеризуется более высокими, чем при взрывном диспергировании, значениями максимальной температуры Т= 1480-1530 К, которым соответствует величина мощности потока qD= 260-290 кВт/м2. При этом пламя характеризуется более высоким коэффициентом излучения к=2.6-2.8 м"1.

г, m r.m

a) b)

Рис. 2 Распределение интенсивности теплового излучения по поверхности горящего облака: а) взрывное диспергирование; Ь) механическое диспергирование. Точки - эксперимент; кривые - расчет.

Во второй части раздела представлены результаты экспериментов по исследованию характеристик теплового действия огненных шаров при газовой детонации пропано-воздушных смесей с концентрацией пропана 4-7% об. Смесь создавалась в полусферической герметичной полиэтиленовой оболочке (8=150 мкм) (Рис. 3). Радиус полусферы в основной серии экспериментов 4 м (V= 134 м3). Инициирование детонации в смеси производилось зарядом КВВ (гексоген или ТГ 40/60) в центре полусферы. Экспериментальная методика была опробована в серии предварительных экспериментов с радиусом полусферы 1 м (V=2.i м3).

Для измерения характеристик теплового излучения использовались термопарные датчики теплового потока и световые датчики с высоким временным разрешением. Средства оптической регистрации включали скоростные кинокамеры СКС-1М (до 2500 кадр/с), видеокамеры SONY и термовизионную камеру AGEMA. Комплекс аппаратуры для регистрации пдраметров ударной волны и теплового импульса включал в себя блок усилителей сигналов, поступающих с датчиков, многоканальный цифровой регистратор сигналов DL-2808 и компьютер HP "Integral PC".

Давление вблизи границы полусферы (~10 атм) и скорость распространения взрывной волны по смеси (1750 -ь 1820 м/с) свидетельствовали о детонационном режиме превращения во всех случаях. В результате анализа экспериментальных зависимостей интенсивности теплового излучения при детонации пропано-воздушной смеси от времени I(t) (Рис. 4) выявлено три характерных фазы

гепловыделения. Первая фаза длительностью ~1 мс соответствовала тепловыделению при взрыве инициирующего заряда ВВ. Собственно детонационному режиму взрывного превращения пропано-воздушной смеси соответствовал второй период тепловыделения, проявлявшийся в резком увеличении интенсивности теплового излучения. Максимум интенсивности теплового излучения (~2.5 мс от момента подрыва) соответствовал времени выхода взрывной волны на границу смеси. Длительность детонационного периода ~25 мс. В дальнейшем наблюдался пологий пик, соответствующий третьему периоду тепловыделения, - догорание на воздухе избыточного количества пропана (только для переобогащенных смесей).

л. ** >1.^ г

Рис. 3 Общий вид герметичной оболочки в экспериментах по детонации пропано-воздушных смесей.

I ШЯ

Рис. 4 Характерные фазы тепловыделения: 1-инициирование; П-детонационный период; III-догорание. 1-4%, 2-5%, 3-6%, 47% СзН8.

Полная энергия теплового излучения Е для полусферы при детонации пропано -воздушных смесей с ростом концентрации увеличивалась от 30 до 130 МДж. Установлено, что полная энергия излучения, выделившаяся в фазе детонации, для всех смесей оставалась практически постоянной (Ео«15 МДж). Изменялся лишь ее вклад в полную энергию излучения: от 42% для стехиометрической смеси до Ю-12%- для смеси с 7% об. пропана. В связи с этим сделано предположение, что характерные параметры теплового излучения для стехиометрических смесей должны определяться детонационной фазой, а для переобогащенных - фазой догорания.

Средняя мощность теплового потока в фазе детонации и < 25 мс) составляла 1000-1300 кВт/м2, что соответствовало температуре 2000 - 2200 К. Получены картина распределения тепловых полей, а также зависимости максимальной мощности теплового потока цтзх и температуры Ттах от времени. Максимальная мощность теплового

потока на поверхности в последетонационный период изменялась от 560 кВт/м2 до 150 - 200 кВт/м2. Для преобогащенных смесей (7% СзН§) на кривой тепловыделения наблюдался рост тепловыделения за счет догорания избытка пропана при перемешивании с воздухом при величине максимальной мощности теплового потока на уровне 100-150 кВт/м2.

Получены данные о динамике изменения размера светящейся области. Начальный участок R-t диаграммы роста границы светящейся области, вплоть до границы смеси (R < 4 м), соответствует распространению детонационной волны со скоростью 1750-1820 м/с (Рис. 5). Радиус области свечения достигает максимального значения (6.4-7.8 м) примерно к 40-й мс. Затем он либо монотонно уменьшается до нуля (для смесей с 4-^-5% об. пропана), либо после некоторого уменьшения начинает расти за счет догорания избыточного пропана (6 - 7% об.).

Рис. 5 Кинограмма развития Рис. 6 Размер огненного шара: о-детонационного процесса (метки Итах; »-средний радиус; пунктир -времени через I мс). расчет Rrшx по (2)-(3).

При детонации величина максимального размера зоны свечения Rm>x определяется динамикой расширения продуктов детонации. В работе рассчитан максимальный радиус светящейся области по величине адиабатического расширения продуктов взрыва (P-Vr=const): Rmax = R0-(P/P0)'/3r (2), где Р0 и R0 - начальные давление и размер "холодного" облака TBC. Эффективное давление взрыва Р при детонации рассчитано, исходя из удельной энергии взрыва смеси Q или скорости детонации D: Р =(y-l)p0Q = p0-D2/2-(y+l) (3), где р0-плотность топливо-воздушной смеси при начальных условиях; у -показатель адиабаты для продуктов взрыва. Выражая R0 через массу топлива М для стехиометрических пропано-воздушных смесей получены масштабные зависимости Rmax от массы топлива: Rmax=3.48-

М'/З- для полусферы и Rmax =2.77-М1/3-для сферы. Результаты расчета Rmax для стехиометрических и переобогащенных пропано-воздушных смесей находятся в хорошем соответствии с экспериментальными данными (Рис. 6).

Учитывая, что в данной работе энергия взрыва смеси оставалась постоянной, становится очевидной слабая зависимость Rmax от концентрации пропана. Учитывая сложный характер тепловыделения, определяемый совокупностью процессов собственно детонации и догорания избыточного количества пропана, показано, что в качестве характерного размера светящейся области для переобогащенных смесей более целесообразно использовать средний за время свечения радиус. Эксперименты свидетельствуют, что средний радиус зоны свечения увеличивался с ростом концентрации (Рис. 6).

В качестве характерного времени теплового излучения принималось время выделения 90% полной энергии излучения to.g. Для стехиометрических смесей экспериментально получена масштабная зависимость характерного времени тепловыделения вида:

Характерное время тепловыделения для переобогащенных смесей практически линейно зависит от состава смеси, что никоим образом не укладывается в рамки традиционных представлений о виде зависимости t(M). На основании полученных данных сделан вывод о том, что при детонации переобогащенных TBC зависимости основных характеристик теплового излучения от массы топлива в исходной смеси не могут быть описаны масштабными зависимостями, аналогичными для процессов горения. Интегральные характеристики теплового действия определяются соотношением доли полной энергии теплового излучения, выделившейся непосредственно при детонации и в процессе догорания избыточного топлива на воздухе. По данным экспериментов для переобогащенных пропано-воздущных смесей получены масштабные зависимости параметров теплового действия от массы пропана в смеси.

Исследованию излучательной способности и динамики облаков горящего диспергированного топлива посвящена третья часть данной главы. Количество топлива в облаке в серии маломасштабных экспериментов изменялось от 3 до 100 кг. Эксперименты проводились с промышленным дизельным топливом типа ДТЛ.

Создание гетерогенных облаков диспергированнного топлива обеспечивалось взрывом заряда конденсированного взрывчатого вещества (ТНТ) в толще топлива. Исследовался процесс дефлаграции :ильно переобогащенных топливных облаков (примерно в 10-20 раз зыше стехиометрической концентрации) со средней концентрацией орючего 1000-2000 г/м3. Зажигание производилось зарядом КВВ в дентре "холодного" облака,-Характерная картина формирования

огненного шара для случая дефлаграции по данным термовизионной съемки представлена на Рис. 7.

Рис. 8 Динамика изменения характеристик огненного шара я и И (горение 20кг дизтоплива).

Рис. 7 Динамика формирования огненного шара и картина распределения тепловых полей при горении 20 кг дизельного топлива.

Рис. 9 Зависимость полной энергии излучения огненного шара от времени.

Приводятся результаты исследования динамики изменения излучательной способности q и радиуса огненных шаров (Рис. 8). Вплоть до момента отрыва от поверхности земли интенсивность излучения остается примерно постоянной и соответствует внутренней температуре огненного шара 1100+1200 К. Динамика изменения размера огненного шара описывается зависимостью вида R(t)~t1//3. В экспериментах исследована проблема использования в качестве характерного времени огненного шара времени полного сгорания топлива (fuel burnout time - по общепринятой терминологии). Так, например, для огненного шара, образованного 20 кг дизтоплива разница времени полного сгорания топлива i*=2.8 с и другой характеристики огненного шара - времени отрыва от поверхности земли (liftoff time) tb=1.4 составила 100%. В связи с этим, в работе

тредлагается определять характерное время теплового действия огненного шара по зависимости полной энергии теплового излучения огненного шара Е от времени (Рис. 9). Данная величина одновременно учитывает изменение размера и интенсивности теплового излучения и ¡шляется, таким образом, интегральной характеристикой огненного лара. В результате характерное время огненного шара предложено определять, как удвоенное время полувыделения энергии t=2 -tj/2 = 1.5 с. В течение этого промежутка времени выделяется примерно 90% зсей энергии излучения, что очень важно знать при описании геплового действия огненного шара. По данным экспериментов это зремя ближе всего по величине к времени подъема (liftoff time).

Определение характерного времени жизни огненного шара тозволяет дать простое феноменологическое описание теплового действия огненного шара с использованием трех основных (арактерных параметров t, Rraax и Е. Огненный шар может быть оассмотрен, как излучающая в течение времени t сфера радиуса Rmax. Эффективная мощность излучения на поверхности огненного шара

qeff = E/(4-*-R2max-t). (4)

Го есть, несмотря на то, что огненный шар является динамической структурой с переменными во времени размером и мощностью геплового излучения, предлагаемая постановка дает адекватное описание результирующего теплового эффекта. Справедливость такого юдхода для описания характеристик теплового действия огненных паров различной природы наилучшим образом иллюстрируют жсперименнтальные данные крупномасштабных экспериментов по -азовой детонации пропано-воздушных смесей, а. также данные по чорению и детонации гетерогенных облаков промышленных топлив [5-

Я

В четвертой части главы приводится анализ экспериментальных Ханных по характеристикам теплового действия огненных шаров и их сопоставление с данными литературных работ. Наибольшие отличия 1аблюдаются для времени горения. Так для КВВ, ракетных топлив [РТ), взрывов TBC, процессов типа BLEVE характерное время тропорционо М1/3. Для горения неперемешанных с воздухом горючих -;~М>/6. В последнем случае время горения определяется скоростью зовлечения воздуха в результате конвективного движения горячего ■аза: t~(R/g)1/'2~M1//®. Максимальные размеры огненного шара близки ' 1дя всех указанных случаев. Соответственно, мощность теплового «лучения для горения неперемешанных с воздухом облаков в «сколько раз меньше, чем в случае взрывов РТ ;i TBC.

Для дефлаграции гетерогенных облаков промышленных топлив экспериментальные зависимости времени теплового действия и полной энергии теплового излучения ог массы топлива находятся в хорошем :оответствии с аналогичными зависимостями для неперемешанных с

воздухом паровых облаков метана, пропана, LPG, для которых t ~ М1/6, Е ~М5/6.

Характеристики огненных шаров для взрывных режимов горения облаков моторных топлив, близки к параметрам огневых шаров при взрывах ракетных топлив, содержащих в своем составе окислитель. Отмечено, также, что близкие значения дает экстраполяция зависимостей для взрывов КВВ.

Отношение максимального размера к времени горения и представляет собой важный параметр, характеризующий скорость расширения облака при сгорании. Для горения неперемешанных с воздухом облаков, представленные результаты показывают увеличение скорости расширения с ростом массы топлива и~М' /6. Такое возрастание представляется невозможным для всех масс топлива. Максимально возможное значение и для процессов рассматриваемого типа можно оценить величиной 50 м/с. При больших скоростях расширения следует наблюдать развитие газодинамических эффектов, которые существенно влияют на процесс горения и приводят к изменению вида зависимостей времени и полной энергии излучения от массы топлива: t~Mly/3 и Е~М.

Основные результаты экспериментов и упоминаемых работ обобщены в виде масштабных зависимостей характеристик огненного шара от массы горючего М и сгруппированы по некоторым характерным признакам. Так например, в отдельные группы выделены конденсированные ВВ и ракетные топлива, взрывы и горение которых, в отличие от углеводородных горючих, могут происходить без участия кислорода воздуха. В свою очередь, углеводородные горючие можно разбить по группам в зависимости от способности к образованию паровых или гетерогенных облаков, или, условно, на жидкие и газообразные топлива. Такое разделение может быть проведено, например, по степени летучести вещества, оцениваемой по величине температуры кипения.

Важной характеристикой является соотношение окислителя (воздуха) и горючего в начальном составе облака. По этому признаку в первом приближении топливные облака разделены на топливо -воздушные смеси (концентрация воздуха в которых достаточна для распространения горения хотя бы в части объема облака) и неперемешанные с воздухом облака горючего. В соответствии с таким разделением различаются и режимы взаимодействия: 1) сгорание топливного облака в результате вовлечения в процесс горения окружающего воздуха; 2) горение (взрыв) TBC. Результаты проведенных экспериментов по детонации пропано-воздушных смесей свидетельствуют о том, что характеристики огненных шаров для переобогащенных смесей занимают промежуточное положение между двумя крайними случаями 1 и 2.

Отмечены важные особенности теплового действия огненных шаров для гетерогенных облаков жидких топлив, что позволило выделить их в отдельную группу. В таких системах, в отличие от паровых облаков, развитие процессов горения (взрыва) в объеме облака может происходить при концентрациях в несколько раз выше стехиометрической и выше верхнего концентрационного предела воспламенения для данного топлива. При взрывах таких облаков на протяжении всего времени наблюдается высокая интенсивность излучения 160+330 кВт/м2. Причем время процесса дополнительно увеличивается за счет догорания избыточного топлива. Догорание происходит с высокой скоростью за счет премешивания богатых топливом расширяющихся продуктов взрыва с окружающим воздухом.

В третьей главе приводится методика расчета характеристики теплового действия огненных шаров различной природы. На основании изложенных выше соображений, следующих из анализа результатов проведенных экспериментов и литературных данных, выделено пять наиболее характерных случаев образования огненных шаров: (1) горение неперемешанного с воздухом топлива; (2) горецие (взрыв) облака топливо-воздушной смеси; (3) ВЬЕУЕ (взрыв расширяющихся паров вскипающей жидкости); (4) горение (взрыв) смеси компонентов ракетного топлива; (5) взрыв конденсированного взрывчатого вещества (КВВ).

Определение характера процесса энерговыделения является первым шагом к расчету характеристик теплового действия огненного шара. В зависимости от скоростного режима процессов энерговыделения, типа горючего вещества, его агрегатного состояния, :оотношения окислителя и горючего наблюдаются существенные эазличия характеристик огненных шаров.

В данной методике предлагается следующая последовательность эасчета параметров теплового действия. (1) Определение основных (арактеристик огненного шара: размер и форма излучающей юверхности, продолжительность теплового действия; полная энергия "еплового излучения; эффективная мощность теплового потока на юверхности. (2) Расчет тепловой нагрузки на приемник излучения, сходящийся на известном расстоянии от теплового источника: расчет еометрического фактора для приемника излучения; определение [тмосферного коэффициента пропускания теплового излучения. (3) Определение категории теплового поражения на заданном расстоянии >т огненного шара либо расчет радиусов различных степеней ■еплового поражения для огненного шара с рассчитанными :арактеристиками! Пункты (2) и (3) данной методики изложены в Триложениях 2 и 3. Примеры конкретных расчетов для трех наиболее ипичных аварий приводятся в Приложении 1. В полном объеме [рименение данной методики рассмотрено на примере аварии на

продуктопроводе в районе г. Уфа (04.06.89). Произведена оценка сгоревшего топлива, рассчитаны основные характеристики теплового действия огненного шара и определены радиусы различных категорий поражения тепловым излучением.

В четвертой главе рассмотрен случай зажигания жидкого топлив; при воздействии на поверхность теплового потока открытого пламени Такая постановка задачи наилучшим образом соответствует реальным условиям, при которых происходит развитие процесса горения топлив на промышленных объектах при аварийных ситуациях. Критерием зажигания в рассматриваемой системе служит создание за время теплового воздействия внешнего источника условий для стационарног режима горения поверхности топлива: (1) прогрев поверхности конденсированного вещества до температуры газификации (в случае жидкого топлива - до температуры кипения Тк); (2) обеспечение достаточной глубины прогретого слоя, гакой, что поток тепла в толщ> топлива не превышает соответствующей величины при стационарном режиме горения я0х-

В работе принимается допущение о том, что перенос тепла от поверхности вглубь топлива определяется только теплопроводностью топлива. По данным предварительных экспериментов только 20% энергии теплового излучения с длиной волны 2-4 мкм поглощается на глубине большей глубины прогретого слоя, в связи с чем прозрачностью топлива для теплового излучения с длинной волны 2-4 мкм можно пренебречь. Для постоянной тепловой нагрузки q от внешнего источника для условий (1)-(2), решая уравнение теплопроводности, получены критические условия зажигания поверхности топлива тепловым потоком:

1>/ 1 ■■(5)и1>-^(6)

(Ч-Чг) Ч„т

где Л=я-р-ср-Х-ДТк2/4 - постоянная, учитывающая совокупность теплофизических свойств зажигаемого вещества. X, р, ср -коэффициент теплопроводности, плотность и теплоемкость топлива, АТК=ТК-Т0, Т0 - начальная температура топлива, q-qr - тепловой поток, затрачиваемый на создание прогретого слоя. В качестве верхней оценки на начальной стадии при зажигании топлива для величины qr может быть принято значение мощности теплового потока q0, затрачиваемого на нагрев и испарение топлива при стационарном горении жидкого топлива. Величина q0 определяется выражением: q0= р-и-(ср-ДТк+г)=я0х+Чог> (4), где и - линейная скорость выгорания топлива, г --удельная теплота испарения. После некоторых преобразований получены выражения для q-t-кpивoй диаграммы зажигания, которое удовлетворяет одновременно условиям зажигания

(5) и (6), а также, с учетом зависимости для энергии зажигания - выражение для <3^- кривой зажигания:

Ч=Чо+ (7)я(2=Якр+ (8)

V1 - (Ч-Чо)

где qоТ2. Область над кривой, описываемой уравнениями (7)-(8),

соответствует области зажигания. Предложенная модель позволяет сравнить различные виды топлив по чувствительности к тепловому импульсу, основываясь только на их теплофизических свойствах (Рис. 10).

В таблице 1 приводятся критические характеристики зажигания наиболее распространенных типов промышленных топлив. Наибольшие значения энергии теплового импульса требуются для зажигания тяжелых промышленных топлив: дизтоплива, мазута и машинного масла,- давление паров которых при нормальных условиях ниже ' нижнего концентрационного предела воспламенения данного вида топлива. Для таких топлив на практике часто реализуется очаговый режим воспламенения. В таком случае тепловым источником может стать возникший от внешнего источника очаг горения на поверхности топлива.

Таблица 1 Критические параметры зажигания промышленных топлив

Тип топлива 1 кДж2/ м4/с Ркр> кДж/ м2 Чо> кВт/м2 с

Керосин Т-1 3360 180 26.5 1.18

Дизтопливо ДТЛ 6870 467 28.0 3.40

Масло И-12 17100 1440 27.1 11.9

Мазут 19800 1530 25.3 12.5

Рассмотрена схема взаимодействия очага горения с -оризонтальной поверхностью зажигаемого топлива. С достаточной точностью форму пламени в начальный период зажигания можно :читать полусферической. Критический размер локального очага -орення, обеспечивающего устойчивый переход к стационарному -орению, в настоящей работе определяется, исходя из условия 1ревышения теплового потока от пламени на площади, занятой очагом, зеличины критического потока: ч(г) ^ q0, где г - расстояние от центра )чага горения до облучаемого элемента на горизонтальной поверхности топлива. Значение q(г) для полусферического теплового источника эадиусом II определяется интегрированием интенсивности излучения го всей поверхности пламени.

На Рис. 11 приводятся результаты расчета распределения »еличины тепловой нагрузки на поверхности дизтоплива в зависимости

от расстояния от центра первичного очага горения при следующих

"2 - для

значениях: к=2.6 т1; q0 =28 кВт/м2 (Табл. 1), q=73 кВт/м'

пламени горящего дизтоплива. Пунктирная линия, соответствующая критической для дизтоплива величине мощности теплового потока

= 28 кВт/м2, отсекает на кривых q(r) значения, соответствующие участку поверхности топлива, на котором выполняются условия стационарного горения топлива ^(г) > д0). Наиболее простой вид имеет решение для точки поверхности в центре очага горения (г = 0):

я-ч.

(9)

Приближенно НКр=с1о/ (к-я). Полученные значения критического размера очага горения соответствуют неограниченному времени теплового воздействия на поверхность топлива. В соответствии с уравнением (9) расчетное значение критического размера очага горения для дизтоплива 1}Кр=0.186 м.

Рис. 10 (З-ц кривые зажигания Рис. 11 Распределение тепловой различных промышленных топлив. нагрузки на поверхности

дизтоплива.

В главе приводятся основные результаты и описание физического эксперимента по определению условий зажигания промышленных топлив открытым пламенем и проверке справедливости положений предложенной модели зажигания. Экспериментально исследовались условия зажигания тяжелого дизельного топлива типа ДТЛ. Эксперименты проведены для двух крайних случаев, когда размер внешнего теплового источника много больше критического и размер источника одного порядка величины с критическим радиусом очага горения.

В первом случае схема проведения экспериментов по зажиганию жидкого топлива состоит из поддона с топливом и теплового источника, в качестве которого использовали факел диспергированног горящего топлива. Диаметр горящего факела 2-3 м. Величина теплово! нагрузки на поверхности топлива от факела изменялась за счет

размера и расстояния поверхности факела от облучаемой поверхности. Площадь поверхности топлива б м2, глубина слоя топлива 50-60 мм. Регистрация процесса воспламенения жидкого топлива и динамики развития процесса горения производилась с помощью видео- и термовизионной съемки, параметры теплового потока определялись тепловыми датчиками ТПИ-2М и по данным термовизионной съемки. В экспериментах регистрировалось время от начала теплового воздействия до появления на поверхности устойчивого очага горения.

Образование очага горения происходит непосредственно у поверхности топлива, в области, где создается достаточная для воспламенения концентрация паров. Экспериментально получена зависимость времени теплового воздействия до момента воспламенения дизтоплива от мощности теплового излучения открытого пламени (Рис. 12). Зависимость имеет вид гиперболы с асимптотами и qKp и практически совпадает с расчетной кривой, описываемой уравнением (7).

Исследование процесса воспламенения поверхности жидкого топлива тепловым излучением открытого пламени для случая, когда размер источника воспламенения близок к критическому, проводили на экспериментальном стенде, аналогичном.описанному выше. В качестве тепловых источников использовались пиротехнические составы (РТС) грех типов, излучательные характеристики которых были определены экспериментально. Регистрация процесса зажигания проводилась

Рис. 12 диаграмма зажигания Рис. 13 Кривая зажигания дизельного топлива тепловым дизельного топлива локальным

излучением открытого пламени: о тепловым источником. Сплошные ■ экспериментальные точки точки соответствуют случаям

зажигания.

Экспериментально получена кривая зажигания поверхности дизельного топлива локальным тепловым источником (Рис. 13). Кривая имеет вид гиперболы, как и для q-t-диaгpaммы зажигания, с асимптотами 00 и 10, соответствующими критическим диаметру и времени воспламенения поверхности дизтоплива тепловым источником

D(t) =D0 + -JL=

Критический диаметр очага горения для дизгоплива D0 по экспериментальным данным составляет 30-35 см. Полученное значение находится в удовлетворительном соответствии с расчетом по уравнению (9). Минимальное время, необходимое для зажигания поверхности топлива локальным очагом воспламенения t0=1.7 сек примерно равно критическому времени воспламенения, определенному в предыдущей серии экспериментов по зажиганию неограниченным тепловым источником.

В заключении сформулированы основные результаты и выводы:

1. Экспериментально исследованы излучательные характеристики пламен диспергированных горящих моторных топлив. Разработана модель излучения оптически тонких пламен, позволяющая адекватно описать их тепловое действие на приемник излучения.

2. Экспериментально определены основные характеристики теплового действия при газовой детонации стехиометрической и переобогащенных пропано-воздушных смесей. Выявлено три характерных стадии тепловыделения: период инициирования, детонационный период, период догорания избытка пропана. Показано, что характеристики теплового излучения на стадии догорания определяются избытком пропана и занимают промежуточное положение по сравнению с аналогичными характеристиками теплового излучения при горении пропано-воздушных смесей и чистых паров пропана. По данным экспериментов получены масштабные зависимости параметров теплового действия от массы пропана для стехиометрических и переобогащенных смесей.

3. На основании анализа литературных данных и результатов экспериментов предложена методика расчета характеристик теплового действия огненного шара для процессов горения и взрывов топливо-воздушных смесей, учитывающая все основные режимы взрывного превращения и горения, а также тип топлива и состав топливо-воздушной смеси.

4. Разработана модель зажигания поверхности жидкого топлива тепловым потоком открытого пламени. На примере дизельного топлива показана высокая степень соответствия экспериментальных и расчетных характеристик, соответствующих критическим условиям зажигания.

5. Экспериментально определены критические условия существования локального очага горения на поверхности жидкого топлива. Основываясь на предложенной модели зажигания, определена область существования устойчивого очага горения на поверхности топлива. Показано, что результаты расчета хорошо согласуются с экспериментом.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих

работах:

1. Дорофеев С. Б., Ефименко А. А., Кочурко А. С., Кузнецов М. С. Условия зажигания промышленных топлив под действием теплового потока пламени. - В сб. научи, трудов ИАЭ им. И.В. Курчатова, -М.: изд. ИАЭ, 1990, с. 147-150.

2. Dorofeev S. В., Matsukov D. I., Sidorov V. P., Efimenko A. A., Kochurko A. S., Kuznetsov M. S., Pereverzev A. K., Avenian V. A., Chaivanov В. B. Experimental investigation of thermal effect from burning fuel-rich clouds. Preprint SR&DOIR, IRIS-91/3, M., 1991. 12 c.

3. Дорофеев С. Б., Мацуков Д. И., Сидоров В. П., Ефименко А. А., Кочурко А. С., Кузнецов М. С., Переверзев А. К., Авенян В. А., Чайванов Б. Б. Экспериментальное исследование характеристик теплового действия переобогащенных облаков горящего топлива. Препринт ОНИР ИРИС, ИРИС-91/4, М., 1991. 13 с.

4. Dorofeev S. В., Efimenko A. A., Kochurko A. S., Kuznetsov М. S. Industrial fuel ignition conditions by flame radiation. J. Loss Prev. Process Ind., 1993, vol. 6, No 3, pp. 159-163.

5. Дорофеев С. Б., Сидоров В. П., Двойнишников А. Е., Кузнецов

М. С., Алексеев В. И. Экспериментальные исследования параметров воздушных ударных волн и теплового излучения при детонации переобогащенных пропано-воздушных смесей. Препринт ИАЭ-5617/13, М.: из-во РНЦ "Курчатовский Институт", 1993. 32с.

6. Dorofeev S. В., Sidorov V. P., Kuznetsov М. S., Alekseev V. I., Dvoinishnikov А. Е., Efimenko A. A. Heat radiation from gaseous detonation. Proceedings of 14th International Colloquium on Dynamics of Explosions and Reactive Systems. 1-6 August, 1993, University of Coimbra-Portugal, ed. by University of Coimbra, 1993, vol. 2, pp. D1.16.1-D1.16.10.

7. Dorofeev S. В., Sidorov V. P., Dvoinishnikov A. E., Alekseev V. I., Kuznetsov M. S. Experimental study of air blast parameters from fuel rich mixtures detonation. Proceedings of 14th International Colloquium on Dynamics of Explosions and Reactive Systems. 1-6 August, 1993, University of Coimbra-Portugal, ed. by University of Coimbra, 1993, vol. 2, pp. E1.4.1-E1.4.9.

8. Dorofeev S. В., Sidorov V. P., Efimenko A. A., Kochurko A. S., Kuznetsov M. S., Chaivanov В. В., Matsukov D. I., Pereverzev A. K., Avenian V. A. Experimental investigation of thermal effect from burning fuel-rich clouds. Proceedings of 14th International Colloquium on Dynamics of Explosions and Reactive Systems. 1-6 August, 1993, University of Coimbra-Portugal, ed. by University of Coimbra, 1993, \ vol. 2, pp. El.13.1-E1.13.10.

9. Dorofeev S. В., Sido'rov V. P., Efimenko A. A., Kochurko A. S., Kuznetsov M. S., Chaivanov В. В., Matsukov D. I., Pereverzev A. K. Avenian V. A. Fireballs from deflagration and detonation of heterogeneous fuel-rich clouds. Fire Safety Journal, 1996. - в печати.