Исследование режимов горения в термически тонкой системе "жидкое топливо на металлической подложке" тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.17 ВАК РФ

Введение.

Глава 1. Распространение пламени над поверхностью конденсированных топлив (обзор литературы).

1.1. Общие положения.

1.2. Распространение пламени над поверхностью горючих материалов.

1.2.1. Модель Дж. Н. де Риса (J.N.de Ris).

1.2.2. Модель Р.Ф. Мак Алеви и Р.С. Маги (R.F. McAlevy, R.S. Magee).

1.2.3. Модель В.А. Сиригано (W.A Sirigano).

1.2.4. Модель А Фернандес-Пелло и Ф.А. Вильямса (A. Fernandes-Pello and F.A. Williams).

1.2.5. Модель C.C. Рыбанина.

1.3. Экспериментальные работы.

1.4. Распространение пламени над поверхностью горючих жидкостей.

1.5. Спиновые явления.

4.2.3. Обсуждение.83

Глава 5. Колебательные режимы.89

5.1. Режим горения с продольными пульсациями фронта пламени.89

5.2. Режим с поперечными хаотическими пульсациями фронта пламени.92

5.3. Режим с регулярными поперечными пульсациями фронта пламени.93

5.4. Спиновый режим.96

5.4.1. Спиновый режим горения на полом цилиндре.97

5.4.2. Спиновый режим горения на полосе фольги.98

5.5. Обсуждение.101

Выводы.107

Литература.109

Введение.

Распространение пламени по поверхности горючего материала, находящегося в окислительной среде - один из наиболее часто встречаемых процессов горения. Пламя способно распространяться по поверхности деревянных, металлических изделий, по горючим жидкостям, тканям, пластмассам и другим материалам. Распространение пламени по поверхности топлива является сложным физико-химическим процессом. Газофазная реакция сопровождается рядом осложняющих факторов - пиролизом горючего, образованием конденсированных продуктов, гетерогенными реакциями, фазовыми переходами и др., которые трудно учесть в простых моделях.

Данная проблема важна для изучения, как с практической, так и с теоретической точки зрения. Во-первых, необходимы знания характеристик и свойств распространения пламени и переходных процессов, (воспламенение, гашение) по поверхностям конструкций, способных гореть и негорючих конструкций, с нанесенным на них материалом, которые могут воспламениться (краска, полимерные покрытия, разлитые жидкости) в целях предотвращения и тушения пожаров. Во-вторых, в настоящее время не создана простая, работающая в широком диапазоне параметров модель распространения пламени над поверхностью горючих материалов. Кроме того, имеется много разногласий по поводу механизмов распространения пламени, в частности, не ясна роль процессов теплопередачи по твердой фазе. Нет ясных представлений о процессах пиролиза таких веществ, как бумага, полимеры и др. Теоретические исследования и проведение численных расчетов осложнены тем, что задача не является одномерной. Вследствие этого необходимо было выбрать более простой объект исследования для изучения процесса и построения модели. Таким объектом является система «пленка жидкого топлива на тонкой металлической подложке».

Целью настоящего исследования является:

• определение количественных и качественных характеристик распространения пламен над поверхностью жидкости, нанесенных на тонкую металлическую подложку;

• определение основного механизма передачи тепла из зоны горения в предпламенную зону;

• построение математической модели явления на основе выводов о механизме распространения пламени;

• сравнение данных, полученных экспериментальным путем и с помощью расчетов.

В настоящей работе исследовалось распространение пламени по поверхности слоевой системы, состоящей из пленки жидкого топлива, нанесенного на тонкую металлическую подложку. В качестве подложки использовались металлические фольги из меди, алюминия, молибдена, стали, толщиной от 30 до 120 мкм, в качестве топлив - ряд нормальных алканов от н-октана до н-октадекана и спирты. Производились визуальные наблюдения, измерения скорости распространения пламени, температурного профиля подложки, фото- и видео-съемка процесса, изучение теневой картины.

Автор выносит на защиту

• результаты экспериментальных исследований распространения пламени в термически тонкой системе «пленка жидкого топлива на тонкой металлической подложке»;

• механизм распространения пламени в низкоскоростном режиме; 6

• математическую модель процесса для низкоскоростного режима.

Заключение.

В результате исследований были выявлены основные режимы распространения диффузионного пламени над пленками жидкого топлива на тонкой металлической подложке. Построена математическая модель распространения пламени для режима низких скоростей. Исследованы околопредельные явления. Обнаружено существование колебательных режимов вблизи пределов распространения пламени.

Установлено существование трех стационарных режимов распространения пламени.

• Низкоскоростной, наблюдается, в основном, при распространении пламени сверху вниз. Основным механизмом передачи тепла является теплопроводность по подложке.

• Конвективный режим, реализуется при распространении пламени снизу вверх, теплопередача осуществляется за счет свободной конвекции горячих продуктов в поле тяжести.

• Высокоскоростной режим существует при температуре внешней среды выше температуры воспламенения паров топлива. В этом случае пламя распространяется по предварительно перемешанной смеси паров топлива с воздухом по механизму распространения ламинарного пламени.

Полученные экспериментальные результаты позволили сформулировать физическую модель процесса для низкоскоростного режима и на ее основе построить математическую модель. Было проведено сопоставление экспериментальных и расчетных данных

1. Williams F.A. Mechanisms of fire spread. - 16-th Symposium (1.t.) on Combustion, 1977, pp. 1281-1294.

2. Кондратьев B.H., Никитин E.E. Кинетика и механизм газофазных реакций. -М.: Наука, 1974, 558 с.

3. Зельдович Я.Б., Баренблатт Г.И., Либрович В.Б., Махвиладзе Г.М. Математическая теория горения и взрыва. М.: Наука, 1980, 558 с.

4. De Ris J. Spread of a laminar diffusion flame. 12-th Symposium (Int.) on Combustion, 1969, p. 241-252.

5. Fernandez-Pello A., Williams F.A. Laminar flame spread over PMMA surfaces. -15 Symposium (Int.) on Combustion, 1975, pp. 217-231.

6. Fernandez-Pello A., Williams F.A. A theory of laminar flame spread over flat surfaces of solid combustibles. Combustion and Flame, 1977, v. 28, pp. 251277.

7. Kashivagi T. A study of flame spread over a porous material under external radiation fluxes. 15 Symposium (Int.) on Combustion, 1975, pp. 255-265.

8. Tarifa C.S., Torralbo A.M. Flame propagation alone the interface between a gas and a reacting medium. 11 Symposium (Int.) on Combustion, 1967, pp. 533544.

9. Albini F.A. A Physical model for firespread in brush. 11 Symposium (Int.) on Combustion, 1967, pp. 553-560.

10. Fernandez-Pello A., Williams F.A. Experimental techniques in the study of laminar flame spread over solid combustibles. Combustion Sci. Tech., 1976, 14, pp. 155-167.

11. Thomas P.H. The size of flames from natural fires. 9 Symposium (Int.) on Combustion, 1963, pp. 844-859.

12. Kosdon F.J., Williams F.A., Buman C. Combustion of vertical cellulosic cylinders in air. 12 Symposium (Int.) on Combustion, 1969, pp. 253-264.

13. Orloff L., de Ris J., Markstein G.H. Upward turbulent fire spread and burning of fuel surface. 15 Symposium (Int.) on Combustion, 1975, pp. 183-192.

14. McAlevy R.F., Magee R.S. The mechanism of flame spreading over the surface of igniting condensed-phase materials. 12-th Symposium (Int.) on Combustion, 1969, p. 241-252.

15. Sirigano W.A. A critical discussion of theories of flame spread across solid and liquid fuels. Combust. Sci. Technol., 1972, v. 6, pp. 95-105.

16. Feng C.C., Sirigano W.A. Further calculations based upon a theory of flame spread across solid fuels. Combust. Flame, 1977, v. 29, pp. 247-263.

17. Рыбанин С.С., Соболев С.Л. Распространение волны горения при гетерогенной реакции. Черноголовка, 1981, препринт, 12 с.

18. Rybanin S.S. The dependence of the flame spread rate over solid fuel on damkohler number and heat loss. 26 Symposium (Int.) on Combustion, 1996, pp. 1487-1493.

19. Rybanin S.S. The structure and spread limits of a diffusion flame over thin solid fuel. 27 Symposium (Int.) on Combustion, 1998, pp. 2791-2796.

20. Sibulkin М., Ketelhut W., Feldman S. Effect of orientation and external flow velocity on flame spreading over thermally thin paper strips. Combustion Science and Technology, 1974, v. 9, pp. 75-77.

21. Crescitelli S., Pota F., Santo G., Tufano V. Influence of solid phase thermal properties on flame spread over polymers. Combustion Science and Technology, 1981, v. 27, pp. 75-78.

22. Ito A., Kashiwagi T. Temperature measurements in PMMA during downward flame spread in air using holographic interferometry. 21 Symposium (Int.) on Combustion, 1986, pp. 67-74.

23. Ito A., Kashiwagi T. Characterization of flame spread over PMMA using holographic interferometry sample orientation effects. Combustion and Flame, 1988, v. 71, pp. 189-204.

24. Sirigano W.A., Glassman I. Flame spreading above liquid fuels: surface-tension-driven flows. Combustion Science and Technology, 1970, v. 1, pp. 307-312.

25. Ito A., Konishi Т., et al. The measurements of transient 2-d profiles of velocity and fuel concentration over liquids. Proceedings of the ASME Heat Transfer Division, ASME 1997, vol. 2, pp. 141-148.1.l

26. Tashtoush G., Narumi A., Ito A., Saito K., Cremers C. Simulations of the heat transfer mechanism of flame spread over liquids. Proceeding of the 1998 Technical Meeting of the Central States Section of the Combustion Institute, pp. 196-200.

27. Щелкик К.И., Трошин Я.К. Газодинамика горения. М.:Изд-во АН СССР, 19636 255 с.

28. Мержанов А.Г., Филоненко А.К., Боровинская И.П. Новые явления при горении конденсированных систем. Доклады АН СССР, 1973, т. 208, №4, сс. 892-894.

29. Филоненко А.К., Вершинников В.И. Закономерности спинового горения титана в азоте. ФГВ, 1975, т. 11,№3,сс. 353-362.

30. Филоненко А.К. Спиновое горение титана при пониженном давлении. -ФГВ, 1991, т. 27, №6, сс. 41-45.

31. Mukasyan A.S., Vadchenko S.G., Khomenko I.O. Combustion modes in the titanium-nitrogen system at low nitrogen pressure. Combustion and Flame, 1997, v. Ill, pp. 65-72.

32. Новожилов Б.В. К теории поверхностного спинового горения. Доклады АН СССР, 1992, т. 326, №3, сс. 485-488.

33. Wichman I.S. Theory of opposed-flow flame spread. Prog. Energy Combust. Sci. 1992, v. 18, pp 553-593.

34. Таблицы физических величин: Справочник. Под ред. Кикоина И.К. М.: Атомиздат, 1976, 1006 с.

35. А.А.Коржавин, В.А.Бунев, И.Г.Намятов, В.С.Бабкин. Распространение пламени над пленкой жидкого топлива на металлических подложках. -Физика горения и взрыва. 2000. Т. 36, N 3. С. 25-30.

36. A.A.Korzhavin, Y.A.Bunev, S.S.Minaev, I.G.Namyatov, V.S.Babkin. Flame Spread over Thermally Thin Layer System "Metallic Substrate Fuel Film" - 18th International Colloquium on the Dynamics of Explosions and Reactive

37. Systems, Seattle, Washington, USA, 29-03 August 2001. http//www.engr. washington.edu/~uw-epp/icders/abstracts/133.htm.

38. Варгафтик Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. М.: Наука, 1972, 720 с.

39. Драйздел Д. Введение в динамику пожаров./Пер. с англ. К.Г.Бромштейна; Под ред. Ю.А.Кошмарова, В.Е.Макарова. М.: Стройиздат, 1990.

40. Дерягин Б.В., Чураев Н.В. Смачивающие пленки. М.: Наука, 1984, 399 с.

41. Weinberg F.J. Heat-recirculating burners: principles and some recent developments. Combust. Sci. Technol., 1996, v. 121, pp 3-22.

42. Nakeno Т., Sato K. An excess enthalpy theory. Combust. Sci. Technol., 1979, v.20, pp 73-84.

43. Бабкин B.C., Лаевский Ю.М. Фильтрационное горение газов. Физика горения и взрыва, 1987, т.23, № 5, сс. 49-57.

44. И.Г.Намятов, С.С.Минаев, В.С.Бабкин, В.А.Бунев, А.А.Коржавин. Диффузионное горение пленки жидкого топлива на металлической подложке.// Физика горения и взрыва. 2000. -Т. 36, No 5. С. 12-21.

45. Кутателадзе С.С. Теплопередача и гидродинамической сопротивление: Справочное пособие. М.: Энергоатомиздат, 1990, 366 с.

46. А.А.Коржавин, В.А.Бунев, И.Г.Намятов, В.С.Бабкин. Спиновый режим газофазного горения конденсированного топлива. Доклады РАН. 2000. - Т. 375, N3. с. 355-357.