Теплоперенос при зажигании конденсированных веществ и эрозии конструкционных материалов при инерционном осаждении твердых горячих частиц тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.17 ВАК РФ

На правах рукописи

Таратушкина Галина Владимировна

ТЕПЛОПЕРЕНОС ПРИ ЗАЖИГАНИИ КОНДЕНСИРОВАННЫХ ВЕЩЕСТВ И ЭРОЗИИ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ ИНЕРЦИОННОМ ОСАЖДЕНИИ ТВЕРДЫХ ГОРЯЧИХ

ЧАСТИЦ

01.04.17 - химическая физика, в том числе физика горения и взрыва 01.04.14 - теплофизика и теоретическая теплотехника

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Томск 2004

Работа выполнена на механико-математическом факультете Томского государственного университета и в НИИ прикладной математики и механики при Томском госуниверситете

Научные руководители: доктор физико-математических наук,

профессор Кузнецов Г.В. кандидат физико-математических наук Мамонтов Г.Я.

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук Буркина P.C.

доктор физико-математических наук Смоляков В.К.

Ведущая организация:

ЦНИИ специального машиностроения (г. Хотьково, Московской обл.).

Защита диссертации состоится 28.12.04 на заседании диссертационного совета ДС 212.024.01. в 503 аудитории корпуса НИИ ПММ ТГУ.

С диссертацией можно ознакомится в научной библиотеке Томского государственного университета.

Автореферат разослан « 26 » ноября 2004 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Доктор физико-математических наук

Ищенко А.Н.

214 тг

3

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Многие высокотемпературные технологические процессы в различных технических системах (ракетная техника, теплоэнергетика, машиностроение, химическая промышленность, атомная энергетика), а также техногенные и природные процессы (например, взрывы, пожары) приводят к формированию гетерогенных потоков; содержащих нагретые до высоких температур твердые или I жидкие частицы конденсированной фазы. Взаимодействие высокотемпературных гетерогенных сред с материалами представляет собой самостоятельную крупную научную прЬблему, частью которой является задача ю взаимодействии нагретой Д01 высокой температуры («горячей») одиночной частицы с конденсированным веществом (КВ) При инерционном осаждении на поверхность. При всем многообразии реализаций таких процессов в природе! и технике наибольший интерес, скорее всего, представляют процессы зажигания конденсированного вещества I одиночной гррячей частицей и эрозии (износа) конструкционных материалов под действием одиночных частиц, выпадающих на поверхность конструкционных материалов из гетерогенного высокотемпературного потока при малых скоростях взаимодействия.

Задачи зажигания КВ возникают при создание различных энергетических установок специального!назначения, в которых в качестве источника энергии используются твердые, жидкие или гелеобразные топлива. От Эффективности систем воспламенения зависят как рабочие параметры* таких установок, так! и надежность их работы в целом. 'Прогнозирование же закономерностей реализации процессов зажигания топлив представляет самостоятельную задачу, решение которой только экспериментальным путем практически невозможно.

Проблема воспламенения является одной из актуальнейших в настоящее время в связи с пожароопасностью многих современных конструкционных ¡и строительных материалов. Ущерб, наносимый пожарами велик. Возникновение любого пожара является! следствием воспламенения горючего (пожароопасного) материала в условиях, которые очень часто на первый взгляд не являются достаточными для возникновения очага горения.1 Такими условиями, например, являются воздействия различных мелких частиц, Iнагретых до высоких температур, на горючие материалы.

Одиночные частицы достаточно малых размеров часто являются источниками возникновения процессов горения в самых различных условиях функционирования многих! технических систем в строительстве (например,1 сварка или| резка), в бьпу (замыкание в системе электропррводки, работа печного отопления и др.), в промышленности (работа абразивов).

Известны результаты теоретического и экспериментального исследования закономерностей зажигания конденсированных веществ дисперсным потоком (Гбльдшпегер У.И. с соавторами). Но в этих моделях воздействие дисперсного

РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ БИЬИЧОТЕКА

С Петербург >00 !зРК

потока моделировалось не одиночной частицей, а тонким слоем частиц, , выпадающих на поверхность.

По этим причинам' исследование закономерностей процессов зажигания I конденсированных веществ одиночными частицами является актуальной^ неизученной до настоящего времени задачей. 1

Изустно, что работа современных котельных агрегатов сопровождается I сложными, взаимосвязанными физическими и химическими процессами в I тракте дымовых газов. Эти процессы оказывают сильное влияние на работоспособность металла, из которого изготовлены узлы и детали котельного оборудования. Наибблее частое неполадки и повреждения происходят на водяных экономайзерах, топочных экранах, пароперегревателях. Износ поверхности ! труб экономайзеров принято считать следствием ударов частиц летучей золы о ) поверхность труб.

В То'же время детальный механизм эрозии металлов'в рассматриваемых ■ условиях работы котельного оборудования до настоящего времени не установлен однозначно] В! данной работе проведен теоретический анализ условий 1 реализации одного из возможных механизмов эрозии металла элементов конструкции тракта дымовых газов.:

Цель работы.

Численное моделирование процесса тепло переноса при зажигании конденсированного вещества нагретой до высоких температур одиночной частицей в рамках модели, учитывающей двумерцый теплоперенос в окрестности зоны контакта «частица - КВ». При теоретическом анализе закономерностей воспламенения горючих веацеств разогретыми до высоких температур частицами задачи исследования состояли в определении времен задержки воспламенения КВ и сравнении результатов, полученных с применением двумерной модели и традиционных моделей воспламенения исследуемого процесса.

При исследовании механизма эрозии (износа) конструкционных материалов задача состояла в теоретическом анализе полей температур и упругих напряжений в окрестности нагретой до высоких температур частицы летучей золы, выпавшей на поверхность металла или частицы углерода, выпавшей на поверхность теплозащитного материала.

Научная новизна. I

Впервые поставлена и решена задача о тегоюпереносе при зажигании конденсированного вещества одиночной нагретой до< высоких температур частицей в рамках 1Двумерной модели твердофазного воспламенения. В работе. выполнено численное моделирование процесса теплопереноса при воспламенении! и эрозии КВ твердой частицей. Численно исследованы основные закономерности зажигания КВ одиночной частицей и выделены три характерных > режима зажигания: относительно низких температур, высоких температур и промежуточный, для которого характерным является отличие от режимов за-

жигания КВ нагретым телом или газовым потоком по значениям времен! задержки воспламенения.

Проведен! анализ влияния на величину времени задержки воспламенения: размеров частицы, температуры частицы, наличия овисной пленки на поверхности частицы, формы частицы,, условий взаимодействия частицы и КВ (положение на поверхности КВ,!частичное внедрение, полное внедрение), растекание частицы по поверхности КВ, неидеальности контакта (наличие шеро-> ховатости).,

Проведен численный анализ возможности реализации процесса эрозии! конструкционных материалов горячими твердыми частицами в режиме инер-1 ционного осаждения с малыми скоростями движения.

Практическая ценность.

Полученные новые численные результаты по воспламенению конденсированного вещества одиночной нагретой до высоких температур частицей могут быть использованы с достаточно высокой степенью надежности для совершенствования моделей прогноза пожарной опасности, как ряда технологических процессов, так и условий изготовления, хранения и эксплуатации! различных изделий га горючих материалов.

Представленные результаты также являются основой для дальнейшего! развития теории взаимодействия капель расплавленных металлов с поверхнон стью в задачах о напылении упрочняющих и защитных покрытий, при анализе работоспособности котлов и парогенераторных установок, при решении задач тепловой защиты.

Достоверность полученных результатов.

Обоснованность и достоверность полученных результатов следует из. про- > веденных проверок используемых методов (проверка аппроксимации и сходимости решений), подтверждается сравнением с известными! экспериментальными I данными и результатами теоретических работ других, авторов.

Автор защищает:

1. Новую постановку задачи, новые результаты численного моделирования процесса зажигания конденсированного вещества нагретой до высоких температур одиночной частицей в рамках двумерной модели твердофазного воспламенения.

2. Результаты численного! анализа влияния на величину времени! задержки воспламенения конденсированного вещества размеров частицы, ее начальной температуры, наличие окисной пленки и шероховатостей.

3. Влияние на характеристики зажигания условий взаимодействия частицы и КВ1

4. Результаты теоретического анализа условий (реализации одного из возмож-, ных механизмов эрозии металла элементов конструкции тракта дымовых газов котельного оборудования и теплозащитных материалов.

¡Апробация работы:

Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на следующих конференциях: Международная конференция «Сопряженные задачи ¡механики, информатики и экологии», (Томск, 200}); Всероссийская научно-техническая конференция «Аэрокосмическая техника и высокие технологии» 1(Пермь, 2002); Международная научнОтпрактическая конференция «Третьи Окуневские чтения» (Санкг - Петербург,' 2002); Международная конференция «Сопряженные задачи механики, информатики и экологию} (Томск, 2002); 5-я .Международная конференция «Природные пожары: возникновение, распространение, тушение!и экологические последствия» (Красноярск, 2003); Меж-¡дународная конференция по ¡математике I и механике! (Томск, 2003); Международный семинар «Гидродинамика высоких плотностей энергии» (Новосибирск, 2003); МеЬкдунаррдная конференция «Сопряженные задачи меха-1никк, инфррматики и экологии» (Горно-Алтайск, 2004). |

Публикации. Основные результаты диссертации представлены в 16 работах, список которых представлен в конце автореферата.

Структура и объем работы. Диссертация состоит: из ¡введения, четырех глав, заключения и списка литературы, включающего 87 наименований, содержит 162 рисунка, 11 таблиц всего 184 страницы.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

I Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сфррмулирована цель работы, показана новизна и практическая ценность по-шученных'результатов, представлены положения выносимые на защиту.

I Первая глава! посвящена анализу • современному состояния численных исследований процесса зажигания! конденсированного вещества одиночной I частицей, нагретой до высоких температур.

Описанные в юбзоре одномерные модели зажигания КВ потоком частиц I или же «гррячим» телом отражают лишь основные положения теории воспла-. менения. Эти модели не учитывают всех факторов реального процесса. Приближенный характер соответствующих задач*не1 позволяет достаточноIполно ! исследоваггь процесс воспламенения в системе «частица 4 КВ».

I Во второй главе представлены физическая и математическая' постановка задачи о воспламенении типичного' конденсированного вещества нагретой до 1 высоких температур одиночной частицей.

При! всем многообразии конфигураций наиболее часто встречаются частицы, похожие по форме на полусферу, сферу или цилиндр. Описание основных особенностей постановки задачи проводится на примере цилиндра малой I высоты.

Задача решалась в цилиндрической системе координат (для частицы и КВ), начало которой совпадает с точкой пересечения оси симметрии частицы и внешней границы частицы. Принята следующая схема процесса (рис.1).

Одиночная частица заданных размеров с температурой, равной температуре внешнего газового потока, выпадает на поверхность пластины КВ с заданной начальной температурой, намного меньшей температуры частицы. В пластине выделяется цилиндр, характерная высота ц радиус которого много больше соответственно высоты и радиального размера частицы. Предполагалось, что теплообмен между внешней высокотемпературной средой > и частицей (а также между средой и КВ) осуществляется за счет I механизмов

конвекции и излучения.

Приняты следующие основные допущения, не накладывающие существенных ограничений на общность постановки задачи.

1. Форма частицы после осаждения не изменяется.

2. Контакт между частицей и!КВ идеален.

3. Конденсированное вещество также не деформируется.

4. Теплофизические овойства материала частицы и КВ|не зависят от температуры.

5. Не учитывались возможные процессы выгорания КВ.

6. Рассматривалась твердофазная модель зажигания.

В такой! постановке задача сводится к решению системы нелинейных дифференциальных уравнений

Рис. 1. Схема-области решения задачи

' дТх , С.Р, —

О <г<Л,,

1 +

С2Р2

д]\ д1

дгТ. 1 —г + -дг г дг

А<г<Я + А,

д2Тг 1 дт,

д2Т

+ + (2*0 ехр(-£/Л7;),

ш

дг2

дг

+ Х.

д%

'

О)

(2)

О<г</?2,

Здесь Т- температура, с - удельная теплоемкость, р - плотность,1 X - коэффициент теплопроводности, I - время, г, 2 - цилиндрические координаты; А - высота, Кг - радиус частицы; Ш - высота, Я\ - радиус цилиндра, выделяемого в пластине КВ. Индексы 1 и 2 соответствуют КВ и частице, соответственно; Е - энергия активации; Я - универсальная газовая! постоянная; к0 -предэкспоненх; О - тепловой эффект реакции. При постановке задачи принято,

что оси симметрии частицы и выделяемого в пластине КВ Цилиндра | совпадают. .

Уравнение (1) описывает распространение! тепла в КВ, обусловленное ■ двумя процессами - теплопроводностью и тепловыделением в результате химической реакции.

Граничные и начальные условия для сформулированной задачи имеют

вид:

~Г'4)' <Г<^' 0<(<<,- (3)1

О(4);

&

-л, + О</<<,. (5)1

дг I

,Л(22<я+а ^ о</<^. (6);

7-1=Г2, 0<г<, 0<г«,. (7):

( йг 1 1 йг :

97У(г,0,0

& ■

ЗГ2(0,1г,0

^ ' ' -а(Г, -Т2) + глра(Т1 -Гг4), . 0<^< Л,-, 0</</;. (8);

се 1

-Я., ' "=(»,' 0<2<А, (9) дг!

_7-2)+£ о(Г4 -Г24), 0<2£А, 0</</,. (10).

дг

Т2{г,*,0)*Тг=Тч, 0 < г < Л2, 0<г<А, (11)

ГДг, г,0)1= Г0, ЮсгсЛ,, А < л ^ Я + А., (12)

где а с коэффициент теплоотдачи на всех открытых участках поверхности частицы и! КВ; а - постоянная Отефана-Больцмана; Тг - температура внешнего газового потока; Тч — температура частицы в начальный момент времени; Т0 - температура КВ в начальный момент времени; ещ, - приведенная степень черноты системы тел, между которыми происходит процесс лучистого теплообмена.

Система (1) - (12) решалась методом! конечных разностей. Для решения. разностных аналогов (дифференциальных уравнений в частных производных • использовался локально - одномерный метод: Одномерные разностные уравнения решались I методом прогонки с использованием неявной итерационной четырехточенной разностной схемьмПрименялась неравномерная разностная! сеягка, югущающаяся у границы раздела «частица - КВ». Сетка строилась таким oбpaзoмv чтобы обеспечить не менее 50 ¡узлов по каждой координате в частице.

eooT, К

Рис. 2. Время задержки воспламенения КВ нагретым телом: * - результаты работы Вилюнова В.Н.,--результаты на-

стоящей работы.

Для тестирования метода решения и алгоритма была выбрана одномерная задача о воспламенении КВ горячим телом. На рис. 2. приведены результаты сравнения значений временен задержки воспламенения КВ, рассчитанных с применением метода и алгоритма данной работы с представленными в монографии Вилюнова В.Н. «Теория зажигания конденсированных веществ» величинами /3. Видно хорошее соответствие значений ¿3.

Сравнение времен задержки воспламенения для одномерной задачи о воспламенении КВ дисперсным потоком, взятыми из работы Гольдшле-гера У.И., Барзыкина В.В., Мержанова А.Г. «О механизме и закономерностях зажигания конденсированных систем дисперсным потоком» (отмечено значком " * ") и времен задержки воспламенения в одномерной задачи о воспламенении КВ, потоком частиц (сплошная линия), полученных мной, приведено на рис. 3.

Анализируя полученные результаты (рис.3.) можно сделать вывод об их удовлетворительном совпадении.

В связи с отсутствием, как экспериментальных данных, так и результатов численного анализа подобных рассматриваемой задач, проводилось тестирование метода и алгоритма решения задачи на последовательности сгущающихся сеток. Численные исследования проводились при сеточных параметрах, дальнейшее уменьшение которых не приводило к заметным отклонениям в результатах вычислений. В таблице 1 приведены результаты такого анализа.

В третьей главе исследуются основные закономерности воспламенения КВ горячей частицей. В качестве критериев зажигания использовался критерий, связывающий величины тепловых потоков в зоне зажигания за счет теплопроводности от частицы и за счет тепловыделения в КВ, а так же условие подъема температуры КВ в зоне контакта «частица - КВ» до значений, превышающих температуру частицы в данный момент времени.

35 30 2,5 2.0 1Д 1,0 05 0.0

550 560 570 560 590 600 т , к

Рис. 3. Время задержки воспламенения КВ дисперсным потоком: * - результаты работы Гольдшлегера У.И. с соавторами, --расчет автора данной работы.

Таблица 1

Распределение температуры в КВ для различного числа узлов в момент воспламенения КВ на границе раздела «частица - КВ» при Тч=Тг= 800К и Л2 = 100л«см

г,, мкм

0 25 50 75 100 550 1000

200x200 676.89 655.24 660.38 593.79 459.57 303.90 303.90

300x300 675.72 654.48 659.46 592.99 458.65 303.56 303.56

400x400 675.07 654.11 658.98 592.56 458.29 303.26 303.26

В первом параграфе третьей главы на примере пороха «Н» и углеродистой частицы исследовано влияние размера частицы на параметры воспламенения (рис. 4). Было установлено, что увеличение радиуса частиц, приводит к снижению величины времени задержки ((3) при одинаковых температурах частиц.

На основании анализа и обобщения полученных результатов, выделены три характерных режима зажигания конденсированных веществ одиночной, нагретой до высоких температур частицей. Каждый их этих режимов соответствует своему диапазону изменения температур частицы. Границы раздела диапазонов зависят как от теплофизических характеристик и кинетических параметров, так и от температуры частицы и ее размеров:

1. Диапазон относительно низких температур Г<750К. Режим характеризуется практически адекватными временами задержки воспламенения как частицей, так и газовым потоком без частиц. В этом режиме частица практически не влияет на закономерности зажигания КВ.

2. Второй режим (диапазон относительно высоких температур 7>850К). Для этих диапазонов изменения Тч вычисленные значения г, незначительно отличаются от величин /3, полученных при граничных условиях первого рода на поверхности нагрева.

3. И только при реализации третьего режим (с достаточно узким диапазоном изменения Тч), который является промежуточным между первым и вторым по величинам Тч, двумерный характер теплопереноса в системе «частица - КВ» играет существенную роль. Полученные для этого режима времена

760 780 800 820 840 860 880 900 920 940Т К

ч'

Рис.4. Время задержки воспламенения КВ для частиц различного радиуса 1 -R2 = 200мкм; 2 -Я2 = \50мкм ;3 -R2 = ЮОлнсм; 4 - Л2 = 50мкм.

г, мкм

Рис. 5. Распределение температуры в КВ при Тч =930К и Д2 = 100мкм

Рис.6. Положение характерных изотерм в момент воспламенения конденсированного вещества

задержки воспламенения существенно отличаются от аналогичных значений /3, соответствующих любым одномерным моделям теплопереноса.

На рис. 5 представлено распределение температуры на поверхности конденсированного вещества, а на рис. 6 положение характерных изотерм в момент воспламенения КВ.

Во втором параграфе третьей главы дан анализ влияния формы частицы на характеристики зажигания на примере пороха «Н» и алюминиевой частицы. В качестве модели частицы была выбрана полусфера (рис. 7), (а также куб и цилиндр разрезанный по оси симметрии). Уравнение теплопроводности для частицы записывалось в сферической системе координат с соответствующими краевыми и начальными условиями. Уравнение энергии для КВ записывалось в цилиндрической системе координат. Из рис. 8.

Vе 0 00160 0014000120.00100 0008. 0 00060,0004-

764 766т , К

Рис. 7 а, б Модель процесса взаимодействия одиночной частицы в форме полусферы с конденсированным веществом.

Рис. 8. Время задержки воспламенения КВ для частиц с характерным размером 100лоси: 1 - в форме куба; 2 - в форме цилиндра; 3 - в форме цилиндра, разрезанного по оси симметрии; 4 - в форме полусферы.

можно сделать вывод о том, что при одних и тех же теплофизических и кинетических характеристиках, результаты расчетов времен задержки воспламенения КВ одиночной частицей нагретой до высоких температур практи-

В третьем параграфе третьей главы представлены результаты решения задачи о влиянии окисной пленки на характеристики зажигания на примере пороха «Н» и алюминиевой частицы. При решении задачи предполагалось, что частица имеет форму цилиндра малой высоты (рис. 9). Установлено, что наличие пленки окисла алюминия, толщина которой составляет от 5% до 90% высоты частицы, приводит к некоторому снижению величины начальной температуры частицы, необходимой для начала воспламенения КВ. Для относительно высоких начальных температур частицы с окислом (Г, > 675я") время задержки воспламенения уменьшается с уменьшением толщины слоя окисла частицы.

При этом необходимо отметить, что идентичные времена задержки воспламенения соответствуют частицам с существенно разной толщиной окисной пленки и начальными температурами, отличающимися всего на 25-60 К С ростом размеров частиц, разность температур, соответствующая одинаковому времени задержки при разных долях окисной пленки, уменьшается. Поэтому, можно сделать вывод о том, что при анализе процессов воспламенения КВ частицами металлов наличие окисной пленки в любом положении можно не учитывать.

В четвертом параграфе третьей главы приведено решение задачи о зажигании сферической частицей малых размеров, окружающего ее по всей внешней поверхности КВ на примере пороха «Н» и алюминиевой частицы (рис. 10).

При сопоставление с данными численных исследований процесса зажигания КВ частицей, выпадающей на его поверхность, видно, что время задержки процесса воспламенения частицей, внедренной в объем КВ, существенно больше, чем величина гз при выпадении частицы на ее поверхность (рис. 11).

Данный результат можно объяснить тем, что при выпадении частицы на поверхность КВ (рис. 7), теплоотвод в КВ происходит с поверхности контакта, которая в обычных условиях не может превышать 50% от общей поверхности частицы. На других же ее гранях поддерживается начальная (или близкая к ней) температура за счет теплообмена с внешней высокотемпературной газовой средой. При внедрении частицы в КВ, остывание частицы происходит за счет теплоотвода в КВ со всей ее поверхности. В результате энергия частицы рассеивается по большой площади и соответственно растет время задержки

чески не зависят от формы частицы.

Рис. 9. Схема области решения задачи о влиянии окисной пленки на зажигание КВ

Рис. 10. Схема области решения для задачи с частицей внедренной в объем ТТ.

t i ООО«' 0008 0 007 0 00в< О 005 0,004 0,003 0 002 ООО) 0.000

760 780 800 820 840 860 880 900 J , К

Рис.11. Время задержки воспламенения КВ для частиц радиуса Л2 = 100л«см, находящихся 1 - на поверхности ТТ, 2 - в объеме КВ.

т, К 685 700 725 773 867

q, Вт/м2 12500 21000 42000 84000 210000

Л 0,0613 0,0683 0,0734 0,0808 0,1118

воспламенения по сравнению с первым вариантом, когда частица не внедрена в КВ полностью.

В пятом параграфе третьей главы приведены результаты решения задачи о теплопереносе в системе «частица окисла железа - древесина».

Особенность рассматриваемой задачи состоит в том, что зажигание и горение древесины являются газофазными реакциями. И для моделирования

процесса воспламенения Таблица 2 древесины в общем случае необходимо рассматривать совместно процессы тепло-массопереноса в газовой среде в малой окрестности частицы исходя из общих положений теории газофазного воспламенения. В этом случае задача существенно усложняется. Для ее упрощения использована модель зажигания древесины, разработанная Заболотным И.О. с соавторами, в основе которой лежит положение о том, что зажигание древесины реалии-зуется при достижении определенного значения степени термического разложения материала (таблица 2), величина которой определяется экспериментально в стандартных

t,c

700 720 740 760 780 800 Т, К

Рис 12 Время задержки воспламенения сосны для частиц радиуса 3 мм с различной толщиной окисной пленки:

1 - А = 0, 2- А2 = 0 15мм; 3 - h2 =1.5лш.

условиях по внешним воздействиям.

На рисунке 12 приведены типичные результаты численных исследований в виде зависимости времени задержки воспламенения сосны от начальной температуры частицы железа радиусом 3 мм с различной толщиной окисной пленки. Кривые построены до значений , при которых воспламенение является возможным. Можно сделать вывод, что наличие окисной пленки на поверхности частицы металла не оказывает значительного влияния на характеристики процесса зажигания сосны.

Полученные результаты показывают возможность моделирования процессов зажигания древесины одиночной нагретой до высоких температур частицей и создают определенные предпосылки для совершенствования моделей прогноза пожарной опасности как некоторых технологических процессов (например, сварочного), так и условий изготовления, хранения и эксплуатации различных изделий из древесных материалов.

В шестом параграфе третьей главы решена задача о зажигании пластины КВ одиночной частицей в форме цилиндра, частично внедренной в приповерхностный слой конденсированного вещества, на примере алюминиевой частицы и пороха «Н» (рис. 13).

Из рис. 14 хорошо видно, что увеличение глубины внедрения одиночной частицы в слой размягченного КВ приводит к увеличению времени задержки воспламенения при прочих неизменных параметрах. Кроме того, можно отметить, что предельные значения Тч, при которых еще возможно воспламенение, с ростом 5 также увеличиваются. Это объясняется тем, что чем больше заглубление частицы, тем больше площадь поверхности, с которой осуществляется теплоотвод от частицы в КВ и уменьшается величина плотности теплового потока в зону зажигания д. Соответственно, частица остывает все более интенсивно, ее теплосодержание уменьшается и снижается вероятность воспламенения КВ.

В седьмом параграфе третьей главы рассматривалось влияние растекания капли металла на процесс

Рис. 13. Схема области решения задачи о зажигании конденсированного вещества частицей, частично внедренной в КВ.

1.С о,(¡09

0,008

0 007

о.оое

0.005

0 004

0.003

0,002

0,001

0,000

760 760 600 820 840 860 680 900 Т , К

Рис 14. Время задержки воспламенения КВ для частиц радиуса /?2 = 100мкм , внедренных в КВ на глубину: 1 -5=0; 2 - 5 = 25 мкм; 3 - 5 = 50 мкм, 4 - 6 = 100 мкм , 5 - в объеме КВ

воспламенения КВ (в качестве КВ рассматривалась древесина).

Решение задачи о зажигании КВ одиночной частицей (рис 15) проводилось в рамках одномерной модели. На внешней границе частицы задавались граничные условия третьего рода, в которых учитывался теплообмен с внешней средой за счет конвекции и излучений. При этом процесс растекания частицы моделировался уменьшением высоты частицы с заданной скоростью V

Задача решалась в неподвижной системе координат, начало которой было связано с ненагреваемой поверхностью КВ. Размеры обрасти I (рис. 15) в процессе решения уменьшались в соответствии с величиной скорости растекания.

Полученные результаты позволяют сделать вывод о том, что время задержки воспламенения конденсированных веществ одиночной, нагретой до высоких температур частицей зависит от того, растекается ли частица по поверхности или нет.

Можно выделить четыре характерные диапазона изменения начальной температуры частицы, соответствующие различным (в некотором смысле) механизмам зажигания КВ.

Первый - температура частицы ниже температуры плавления металла. Частица находится в твердом состоянии и с ростом Тч падает время задержки воспламенения.

Второй - относительно узкий по величине Тч диапазон, в котором Тч > Т111 и процесс воспламенения КВ реализуется в условиях растекания частицы (капли) по поверхности КВ. При этом, в связи с достаточно большими скоростями растекания, увеличение значений Тч приводит к тому, что с увеличением начальной температуры частицы, растет 1г.

Третий - температура частицы настолько велика, что она при растекании до кристаллизации не успевает прогреть КВ на глубину достаточную для воспламенения.

При очень больших значениях Тч теплосодержание частицы становится достаточным (за счет высоких Тч) для достижения условий зажигания при большой скорости растекания и этот процесс реализуется с очень малыми значениями и. В этом режиме очень высоких температур даже малой толщины частицы достаточно, чтобы она выполнила роль местного источника зажигания.

£

о

1 б

Рис. 15. Область решения задачи: а) геометрическая интерпретация реального процесса растекания капли; б) принятая геометрическая схема процесса.

0,14 0,12 0,10 0,08 0,06 0,04 0,02 0,00 -0,02

\

1,2,3

Рис. 16. Зависимость /3 от Тч при высоте частицы А = 3 мм для разных скоростей растекания 1- у = 0.333л</с; 2- у = 1л(/с; 3- у = 1.667м/с.

а.

900

1100 1200 1300Т.К

На рис. 16 приведены зависимости t3 от Тч для частицы с А = 3 лш при различных скоростях растекания. Видно, что, как и следовало ожидать, увеличение V приводит не только к некоторому незначительному снижению /3, но также и к существенному увеличению предельных значений Тч, при которых еще возможно воспламенение.

В восьмом параграфе третьей главы на примере пороха «Н» и алюминиевой частицы решалась задача о влияние неидеальности контакта на время задержки воспламенения КВ частицей. Неидеальность контакта моделировалась так, как это показано на рис. 17. В области 3 находится воздух при атмосферном давлении и температуре Тг.

Задача в такой постановке сводится к решению системы трех уравнений теплопроводности для частицы, зазора и конденсированного вещества с соответствующими начальными и граничными условия-ми (такими же как в основной постановке).

Особенность данной задачи состоит в изменяющихся скачком тепло-физических характеристиках материалов и воздуха на границах раздела областей 1,2, 3.

В результате численных исследований установлено, что с ростом площади зазора увеличивается время задержки воспламенения, а величина Тч, при котором еще возможно воспламенение, уменьшается при прочих неизменных условиях.

На рис. 18 представлено распределение температуры на поверхности конденсированного вещества, а на рис. 19 положение характерных изотерм в момент воспламенения КВ.

Рис. 17. Схема области решения задачи с неидеальным контактом между частицей и КВ.

•у»

Рис. 18. Распределение температуры в КВ при Г,; = 800АГ и

= ЮОАнои, доля шероховатости частицы т-0.5 (Л3 = 50мкм)

2, МКМ

20В 40.0

60Ю < во о 100.0

Рис. 19. Положение харак-< терных изотерм в момент I воспламенения конденсированного вещества.

В первом I параграфе четвертой главы I представлены результаты! теоретического ■ исследования процесса теплопереноса ! при выпадении на поверхность элементов конструкции газового тракта паровых котлов частиц летучей золы и результаты численного анализа уровня термических напряжений возникающих в тонком приповерхностном слое металла в малой окрестности! частицы золы.

Задача, сводится к решению1 системы I нелинейных дифференциальных уравнений:

дТ, , (д?Т. 1 ВТ, д%

с. р. —!- = Х, —-*- +--!■ + <—г1

Ш I дг2 г дг дгг

д]\ Ы

■М

дгТ2 \ дТ2 \ д2Т^ 2 + г дг

дг1

дг1

0^г<Л2„ 0<2< А

(13)

(14)

При постановке задачи принято, что оси ¡симметрии частицы и выделяемого в пластине металла цилиндра совпадают. Граничные и ¡начальные условия для сформулированной задачи адекватны (3)-(12).

Значения тангенциальных о, и радиальных аг термических напряжений в приповерхностном! слое металла рассчитывались по приближенным вираже-

1ниям, полученным для условий воздействия на поверхность пластины теплового источника заданной интенсивности радиусом Яг. ОгЦ(2£Р(7^:Г0ХЛ2/Г)3<]/3(1 + Ц), г>Я2 (15)

о^^Г-ТЬХ^/^^ЗО-р), гЖ2 (16)

аг =стт=-[(2£Р(Г-То)]/3(1-ц), г4Яг (17)

Задача решена методом конечных разностей.

На рис. 20 приведены типичные результаты расчетов в виде зависимости температуры зоны контакта Тк =7(0,А,/) на оси симметрии от времени для частиц золы разного диаметра.

I На рис. 21. и рис. 22 приведены типичные распределения по г радиальных <зг и тангенциальных напряжений <тх в сечении г = Л . Видно, что в тонком приповерхностном слое! стали, например трубной доски воздухонагревателя, возможно возникновение радиальных и окружных термических напряжений, сопоставимых по величине с пределом прочности стали при соответствующей температуре. Радиальные и окружные напряжения могут приводить к I возникновению сетки

7'г, К 560

550

540

530

520

510

500

I 0.00 0,02 0.04 Нов 0,08 0,10/, С

Рис. 20. Зависимости температуры зоны контакта Тк =7Т(0>А,0 на оси симметрии от времени для частиц золы разного диаметра, при Г0=500 К: 1 -1- Я2=200 мкм; 2 - /?2=150 мкм; 3-Я2=и00мкм; 4-Лз=50мкм; 5 - граничные условия 3-го рода.

МПа ' *

! -10" -20 -30: , -40 !-50 ■-6С>: I -70 |-80-

2

3 1 ,

4 |

0,0000 9,0002 0,0004 г. и

Рис 21. Радиальные термические напряжения оГ, для стали при Яг = 200ьикл<, где 1 , Тй ='700К; 2 -Т0 = 600А"?3 -То=500К; 4-Т0 =400 К;

-10

г20

-эо:

-40-50; -60: -70 -80

0,0000 0,0002 0,0004 г, ы

' Рис 22. Тангенциальные термические напряжения: стт, для стали,

при /?2 = 200 мкм, где 1 -Т0 =!700К;2- Т0 =600А";3-То=500К;4-*То=400К-,

трещин (или одиночных (трещин) ориентированных I по радиальной 1и окружной координате1 в малой области выпадения частиц золы. Вероятность реализации такого механизма ррозии металлов элементов котельного оборудования достаточно велика, потому что для типичных режимов работы разность температур дымовых газов |(и' соответственно частиц летучей золц) и поверх-» ности элементов газового тракта составляет несколько сот градусов.!

Во I втором параграфе четвертой главы решалась задана о возникновеч ! нии условий разрушения теплозащитных материалов (ТЗМ)1 под действием | выпадающих на их поверхность частиц 1 конденсированной фазы. На I рис. 23 приведены распределение во бремени температуры в зоне контакта частицы' и ТЗМ на оси симметрии частицы. Видно, что осаждение частиц ¡на поверхнот ста ТЗМ приводит к резкому подъему ' Тк от начального значения до некоторого максимального значения в зависимости от размеров I частицы. Установленные I закономерности в целом соответствуют установленным в предыдущем разделе, только масштабы изменения Т* в близких условиях отли* чаются существенно.

На рис. 241 и рис. 25 ¡приведены типичные распределения по г радиальных ог и тангенциальных напряжений о* в сечении г к.

0,00 0,02 0,04 0.06 0.08 0,101, с

Рис. 23. Зависимости температуры зоны контакта ТК =Т{0,к,1) ,на оси симметрии от времени для1 частицоолы

разного диаметра, при (7Ь=<500 К: 1 - Л2=200 мкм; 2 - Л2=150 мкм; 3 -/?2= 100 мкм; 4 - Я2=60 мкм;

О,. МПа 20 0--га

-ва м

-100- I 2 -120 2 -140

0.0000 I 00002 0,0004 пи

Рмс 24. Радиальные термические напряжения стг, для стеклопластика прр Я2 = 200мкм,, где I - Т0 = 700/6, 2 -Т0 =600/С;3- То ^500АГ;4-Т0 = 400 К!

а. МПа

20п

о

да

-40 -80 -80 -100 -120-140

0,0000 0 0002 0 0004 г и

Рис 25. Тангенциальные термические напряжения ат, для стеклопластика,

при Л2 = 200 мкм, где 1 -То=ШКа-То^600К; 3-Т0 - 500 А-} 41 Уо 400'/¡Г;

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

]. Впервые поставлена и решена задача о зажигании конденсированного I вещества одиночной нагретой до высоких температур частицей в рамках двумерной модели твердофазного воспламенения.

2. Численно исследованы основные закономерности зажигания КВ одиночной частицей м выделены три характерных режима зажигания: относительно низких температур, высоких температур и промежуточный, для которого I характерным является отличие от режимов зажигания КВ нагретым телом или I газовым потоком! по значениям времен задержки воспламенения.

3. В результате численных исследований установлено, что при анализе процесса воспламенения КВ важное значение приобретает исследование динамики температурного поля в зоне зажигания.

4. Проведен анализ влияния на величину времени задержки воспламенения:

1) размеров частицы;

2) температуры частицы;

3) окисной Пленки на поверхности частицы;

4) формы частицы;

5) условий взаимодействия частицы. и КВ (положение на поверхности !

КВ, частичное внедрение, полное внедрение);

6) растекания частицы по поверхности КВ;

7) неидеальности контакта (наличие шероховатости).

5. Полученные результаты показывают, что механизм! зажигания КВ Ьди-ночной частицей существенно отличается от механизмов зажигания нагретым телом или газовым потоком >

6. Установлено, что время задержки воспламенения КВ существенно зависит от глубины внедрения частицы и не зависит ют формьп частицы. При I этом наилучшие ¡условия зажигания реализуются при положении частицы на I поверхности КВ.1

7. Установлено, что процесс растекания частицы, находящейся в расплавленном состоянии, влияет на время задержки воспламенения.

8. Показано, что наличие крупномасштабной шероховатости на поверхности КВ или частицы приводит к некоторому увеличение величины / при прочих адекватных параметрах процесса.:

9. В результате численного моделирования полей температур и термических напряжений в малой окрестности нагретой до высоких температур ¡частицы, осажденной на поверхности конструкционного или теплозащитного материалов, установлена возможность реализации механизма эрозии конструкционного и теплозащитного материалов, обусловленного растрескиванием I поверхности материала под действием термических напряжений.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1 Кузнецов Г.В., Нестерова ELC., Таратушкина Г.В. О выборе специальных' разностных схем для решения краевых задач с локально возмущенными начальными ¡условиями. // Сопряженные задачи механики, информатики и экологии: Материалы международной конференции. Томск: Изд-во ТГУ. 2000. cj 139-140.

2. Гаращенко А.И., Жарова И.К., Кузнецов Г.В., Рудзинский В.П., Таратушкина Г.В.0 модификации методов решения нелинейных задач тепломас-сопереноса в условиях высоких градиентов температур. //' А^рокосмическая техника и высокие технологии - 2002. Материалы всероссийской I научно-технической конференции. Пермь: Изд-во Ш ГУ.' 2002. а 77.

3. Кузнецов Г.В., Мамонтов Г.Я., Таратушкина Г.В1. Воспламенение nopoxoei нагретой до высоких температур частицей. // Материалы докладов международной' научно-практической конференции «Третьи Окуневские чтения», Изд-во БГТУ, 2002. т.2, с. 114-115.

4. Кузнецов Г.В., Мамонтов Г.Я., Таратушкина Г.В. Воспламенение лесных; горючих материалов нагретыми до высоких температур частицами.// Сопряженные задачи механики, информатики и экологии: Материалы международной конференции. Томск: №д-во ТГУ: 2002. Cj 110-111.

5. Кузнецов Г.В., Мамонтов Г.Я., Таратушкина Г1В. Зажигание древесины нагретыми до высоких температур частицами.// Природные пожары: возникновение,'распространение, тушение и экологические последствия. Материалы 5-й международной конференции. Томск: Изд-во ТГУ. 2003.'с. 131-132.

6. Кузнецов Г.В., Таратушкина Г.В. Зажигание конденсированного вещества! частицей окисла металла НИИ ПММ при ТГУ.'- Томск, 2003 .L 17с. Деп bi ВИНИТИ! 09.06.0S, №М23-В2003.

7. Кузнецов Г.В.; Таратушкина Г.В. Чйсленное моделирование зажигания' твердого топлива внедренной в его объем частицей. НИИ ПММ При ТГУ,-Тбмск, 2003.-21с. Деп в ВИНИТИ 16.09.03, №1691-В2003.

8. Кузнецов Г.В., Мамонтов Г1Я., Таратушкина ПВ. О механизме зажигания' конденсированных веществ нагретой до* высоких температур частицей. //' Международная конференция по математике и механике: Тезисы докладов. 2003. С. 152.'

9. Кузнецов Г.В., TäpaTyniKHHa Г.В. Моделиррвание зажигания пожароопасных материалов нагретой до высоких температур частицей. // Пожаров-, зрывобезопасность. 2003. №6. С. 14-20.

10. Кузнецов Г.В., Мамонтов Г.Я., Таратушкина Г.В. Численное моделирование воспламенения конденсированных веществ каплей расплавленного! металла // Международный семинар: Гидродинамика высоких плотностей i энергии^ Труды. Новосибирск. 2004. С384-395.

11. Кузнецов Г.В., Мамонтов Г.Я., Таратушкина Г!В. Численное моделирование зажигания конденсированного вещества нагретой до высоких температур частицей. // Фйзика горения и взрыва. 2004. Т. 40 . № 1. С. 78-85.

12. Таратушкина Г.В. Численное моделирование воспламенения конденсированного вещества частицей в условиях неидеального теплового контакта. НИИ ПММ при ТГУ.- Томск,-16с. Деп в ВИНИТИ 14.01.04, №66-В2004.

13. Кузнецов Г.В., Мамонтов Г.Я., Таратушкина 1Г.В. Зажигание конденсированного вещества1 частицей. // Химическая физика- 2004.' Т. 23. №3. С. 67-72.

14. Кузнецов Г.В., Мамонтов Г.Я., Таратушкина Г!В. Моделирование зажигания конденсированных веществ «горячей» частицей. // Химическая физика. 2004. Т. 23. №5. С. 62-67.

15. Кузнецов 1Г.В., Мамонтов Г.Я., Таратушкина Г.В1 Об одном из возможных механизмов износа металла котельного оборудования.// Сопряженные задачи механики, информатики и экологии: Материалы > международной конференции- Томск: Изд-во ТГУ. 2004 с. 137-138.

116. Кузнецов Г.В., Таратушкина Г.В. О механизме локальной эрозии элементов газового [тракта котлов частицами летучей золы.// Известия ТПУ. 20041 №5. с 106-110.

Отпечатано на участке оперативной полиграфии Редакционно-издательского отдела 11 У Лицензия ПД №00208 от 20 декабря 1999 г.

Заказ № ^-/Уот "^5" 2004 г. Тираж 100 экз.

РНБ Русский фонд

2006-4 6428

/

(

ВВЕДЕНИЕ

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКОГО

МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛОПЕРЕНОСА ПРИ

ЗАЖИГАНИИ КОНДЕНСИРОВАННЫХ ВЕЩЕСТВ НАГРЕТОЙ ДО

ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР ЧАСТИЦЕЙ

2. ОБЩАЯ ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ТЕПЛОПЕРЕНОСА ПРИ

ВОСПЛАМЕНЕНИИ КОНДЕНСИРОВАННОГО ВЕЩЕСТВА И

МЕТОД РЕШЕНИЯ

2.1. Физическая постановка

2.2. Математическая постановка

2.3. Метод решения

2.4. Тестирование поставленной задачи

3. ЗАЖИГАНИЕ КОНДЕНСИРОВАННОГО ВЕЩЕСТВА ЧАСТИЦЕЙ,

НАГРЕТОЙ ДО ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР

3.1. Зажигание конденсированного вещества одиночной частицей, выпавшей на поверхность конденсированного вещества

3.2. Влияние формы частицы на величину t

3.3. Влияние окисной пленки частицы на время задержки воспламенения конденсированного вещества

3.4. Воспламенение конденсированного вещества частицей в форме сферы, полностью внедренной в конденсированное вещество

3.5. Зажигание пожароопасных материалов нагретой до высоких температур частицей

3.6. Зажигание конденсированного вещества частицей, частично внедренной в конденсированном веществе

3.7. Влияние процесса растекания частицы на характеристики зажигания

3.8. Влияние неидеальности контакта на время задержки воспламенения конденсированного вещества частицей

4. ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ВОЗМОЖНОСТИ РЕАЛИЗАЦИИ ОДНОГО ИЗ МЕХАНИЗМОВ ЭРОЗИИ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ ИНЕРЦИОННОМ ОСАЖДЕНИИ ТВЕРДЫХ

ГОРЯЧИХ ЧАСТИЦ

4.1.0 механизме локальной эрозии элементов газового тракта котлов частицами летучей золы

4.2. О механизме локальной эрозии теплозащитных материалов при выпадении на их поверхность нагретых до высоких температур частиц

Многие высокотемпературные технологические процессы в различных технических системах (ракетная техника, теплоэнергетика, машиностроение, химическая промышленность, атомная энергетика), а также техногенные и природные процессы (например, взрывы, пожары) приводят к формированию гетерогенных потоков, содержащих нагретые до высоких температур твердые или жидкие частицы конденсированной фазы [1-3]. Взаимодействие высокотемпературных гетерогенных сред с материалами представляет собой самостоятельную крупную научную проблему, частью которой является задача о взаимодействии нагретой до высокой температуры («горячей») одиночной частицы с конденсированным веществом (KB) при инерционном осаждении на поверхность. При всем многообразии реализаций таких процессов в природе и технике наибольший интерес, скорее всего, представляют процессы зажигания конденсированного вещества одиночной горячей частицей и эрозии (износа) конструкционных материалов под действием одиночных частиц, выпадающих на поверхность конструкционных материалов из гетерогенного высокотемпературного потока при малых скоростях взаимодействия.

Задачи зажигания возникают при создании различных энергетических установок специального назначения [1,4], в которых в качестве источника энергии используются твердые, жидкие или гелеобразные топлива. От эффективности систем воспламенения зависят как рабочие параметры, таких установок, так и надежность их работы в целом. Прогнозирование же закономерностей реализации процессов зажигания топлив представляет самостоятельную задачу, решение которой только экспериментальным путем практически невозможно. Основным инструментом анализа закономерностей процессов зажигания различных конденсированных систем является в настоящее время математическое моделирование с использованием аппарата, разработанного в основном достаточно давно и представленного в [5] наиболее полно.

Следует отметить, что эффективными считаются устройства, обеспечивающие минимальные значения времен задержки воспламенения t3. Поэтому одной из задач теории воспламенения является расчет значений t3, исходя из условий работы конкретной системы, и создание условий для минимизации этой величины.

С другой стороны, проблема воспламенения является одной из актуальнейших в настоящее время в связи с пожароопасностью многих современных конструкционных и строительных материалов. Ущерб, наносимый пожарами настолько велик [6], что эта проблема решается силами большого числа специалистов пожарного дела. Возникновение же любого пожара является следствием воспламенения горючего (пожароопасного) материала в условиях, которые очень часто (на первый взгляд) не являются достаточными для возникновения очага горения. Такими условиями, например, являются воздействия различных мелких частиц, нагретых до высоких температур, на горючие материалы.

Известно [7], что воспламенитель может передавать энергию к поверхности конденсированного вещества (KB) за счет реализации нескольких основных механизмов теплопередачи, к которым относится: 1 -вынужденная конвекция, 2 - теплопроводность, 3 - излучение, 4 - диффузия поддающихся конденсации паров металлов или активных радикалов из пламени воспламенителя к поверхности топлива, 5 - фотохимическое поглощение, 6 - передача тепла нагретыми до высоких температур твердыми и жидкими частицами, которые при попадании на поверхность KB создают местные центры воспламенения.

В наименьшей степени из перечисленных механизмов теплопередачи на практике реализуются фотохимический и диффузионный. В наибольшей степени изучены конвективный, кондуктивный и лучистый механизмы [5-8]. Механизм образования локальных очагов воспламенения выпадающими на поверхность KB "горячими" одиночными частицами исследован намного меньше других. Причина, возможно, заключается в трудностях как экспериментального, так и теоретического изучения этого механизма, связанных с малыми размерами частиц и, соответственно, малыми размерами очагов воспламенения.

Одной из специальных систем воспламенения являются устройства для зажигания твердых топлив (ТТ), использующие в качестве источника тепла электрическую энергию [9-13]. Экспериментальное исследование процессов тепломассопереноса при работе такого устройства, обеспечивающего оптимальные условия зажигания ТТ, является достаточно сложной задачей, метрологическое обеспечение которой во многих случаях практически невозможно. Например, невозможно измерение температуры частиц -источников воспламенения или твердого топлива в окрестности этих частиц в момент воспламенения. Поэтому математическое моделирование процессов переноса энергии при протекании исследуемых процессов является возможно одним из эффективных способов построения моделей, достоверно описывающих процессы зажигания топлив, внедренными в их объем и нагретыми до высоких температур каплями расплавленного металла или твердыми частицами.

В тоже время, одиночные частицы достаточно малых размеров часто являются источниками возникновения процессов горения не только в специальных системах воспламенения [1], но и источниками возгорания в самых различных условиях функционирования многих технических систем в строительстве (например, сварка или резка), в быту (замыкание в системе электропроводки, работа печного отопления и др.), в промышленности (работа абразивов) [14-17].

Нагретые до высоких температур частицы окислов металлов часто могут быть причиной возникновения пожара на промышленных и гражданских объектах. Одним из наиболее пожароопасных материалов является древесина [18]. Источниками зажигания часто являются также твердые частицы продуктов сгорания различных веществ, сохраняющие при взаимодействии с пожароопасным материалом высокую температуру. В настоящее время отсутствуют экспериментальные данные об основных закономерностях зажигания горючих материалов одиночными частицами с высокой температурой.

Особенность такой задачи состоит и в том, что в реальных условиях частицы металлов в высокотемпературной химически активной среде окисляются с образованием на поверхности пленки окисла. Теплофизические характеристики окислов металлов, как правило, отличаются от аналогичных характеристик металлов [19]. Поэтому скорости процессов теплообмена между частицей и древесиной (или KB) могут достаточно значительно отличаться от таких же скоростей при взаимодействии с древесиной (или KB) частицы, покрытой окисной пленкой. При этом наличие даже тонкого слоя окисла приводит к тому, что частица имеет твердую оболочку [8] в момент выпадения на поверхность древесины (или KB) и при малых скоростях движения не деформируется при выпадении.

Известны результаты теоретического и экспериментального исследования закономерностей зажигания конденсированных веществ дисперсным потоком [20, 21]. Но в моделях [20, 21] воздействие дисперсного потока моделировалось не одиночной частицей, а тонким слоем частиц, выпадающих на поверхность. При этом в экспериментах [21] по зажиганию дисперсный поток моделировался тонкой металлической фольгой на поверхности образцов. Такая модель развита в том числе и на случай, когда частицы проникают в тонкий, прогретый до высоких температур, приповерхностный, размягченный (или расплавленный) слой веществ [2022]. Модель охватывает достаточно большой круг задач зажигания, но не учитывает особенности процесса зажигания конденсированных веществ одиночной частицей, нагретой до высоких температур. В то же время установлено [23], что закономерности зажигания KB одиночной частицей в определенном диапазоне изменения параметров достаточно существенно отличаются от закономерностей зажигания этого же KB потоком частиц. Эти отличия наиболее значительны в режимах, когда начальная температура частицы Тч больше температуры несущего газового потока (или внешней среды, из которой частица выпадает на поверхность KB) Тг. При этом очевидно, что чем глубже частица внедрена в размягченный приповерхностный слой KB, тем интенсивнее происходит ее теплообмен со способным гореть веществом. Частицы, способные стать локальными источниками (или центрами) воспламенения, могут иметь разную форму (многогранники, сферы, капли и др.) и находится в твердом или жидком (расплавленном или размягченном) состоянии. Состояние расплава характерно для капель жидкого металла. Частицы полимерных материалов (например, термопластов) могут находиться в размягченном состоянии [24], которое соответствует определенному диапазону температур от температуры начала размягчения до температуры начала термического разложения [24].

По этим причинам исследование закономерностей процессов зажигания конденсированных веществ одиночными частицами является актуальной, не изученной до настоящего времени задачей.

В связи с тем, что экспериментальное исследование таких процессов с измерением температуры в зоне контакта практически невозможно из-за относительно малых времен задержки воспламенения и малых размеров очага воспламенения, основным инструментом исследования закономерностей протекания таких процессов является математическое моделирование.

Известно, что работа современных котельных агрегатов сопровождается сложными, взаимосвязанными физическими и химическими процессами в тракте дымовых газов [2]. Эти процессы оказывают сильное влияние на работоспособность металла, из которого изготовлены узлы и детали котельного оборудования [2, 3]. Наиболее часто неполадки и повреждения происходят на водяных экономайзерах, топочных экранах, пароперегревателях [3]. Износ поверхности труб экономайзеров принято считать [3] следствием ударов частиц летучей золы о поверхность труб. Для снижения масштабов эрозии металла труб вводятся ограничения на скорости движения дымовых газов. Но при малых скоростях дымовых газов возникают золовые заносы, вызывающие рост сопротивления и ухудшение теплообмена [2,3].

В то же время детальный механизм эрозии металлов в рассматриваемых условиях работы котельного оборудования до настоящего времени не установлен однозначно. В данной работе проведен теоретический анализ условий реализации одного из возможных механизмов эрозии металла элементов конструкции тракта дымовых газов.

Рассматривается механизм эрозии металла, являющийся следствием не ударов частиц летучей золы, движущихся с большой скоростью под определенными углами атаки по отношению к поверхности доски, а следствием инерционного осаждения таких частиц с малой скоростью на поверхность элементов газового тракта. Частицы золы всегда имеют существенно более высокую температуру, чем, теплообменная поверхность, которая охлаждается за счёт отвода тепла из приповерхностных «горячих» слоёв металла в глубинные слои, имеющие всегда относительно низкую температуру. При попадании частиц, нагретых до температур на несколько сотен градусов выше, чем поверхность, на которую частица осаждается, в тонком приповерхностном слое металла возникают термические напряжения, обусловленные градиентами температуры вблизи поверхности нагрева. Эти напряжения возникают в малой окрестности частицы и не приводили бы к значительным деформациям металла, если бы случаи осаждения частиц были единичны. В реальных же условиях при любых скоростях движения дымовых газов выпадения частиц происходят непрерывно. Затем зола может уноситься потоком или оставаться на поверхности элемента газового тракта. При этом одиночный случай осаждения частицы в определенных условиях может приводить лишь к возникновению одиночных локальных микротрещин, но частые последовательные повторения влекут за собой разрушение металла в результате его малоцикловой усталости.

Целью данной работы является численное моделирование процессов теплопереноса при зажигании и эрозии конденсированного вещества нагретой до высоких температур одиночной частицей в рамках модели, учитывающей двумерный теплоперенос в окрестности зоны контакта «частица - КВ». При теоретическом анализе закономерностей воспламенения горючих веществ разогретыми до высоких температур частицами задачи исследования состояли в определении времен задержки воспламенения KB и сравнении результатов, полученных с применением двумерной модели и традиционных моделей воспламенения [5, 7, 8].

При исследовании механизма эрозии (износа) конструкционных материалов задача состояла в теоретическом анализе полей температур и упругих напряжений в окрестности нагретой до высоких температур частицы летучей золы, выпавшей на поверхность металла или частицы углерода, выпавшей на поверхность теплозащитного материала.

В работе выполнено численное моделирование процесса теплопереноса при воспламенении и эрозии KB твердой частицей. Исследовано влияние ряда факторов на характеристики процесса воспламенения в рассматриваемых условиях: двумерности процесса теплопереноса в системе «частица - КВ»; размеров частицы; формы частицы; наличия окисной пленки; пространственного характера тепломассопереноса в малой окрестности частицы, находящейся в массиве КВ; типа КВ; неидеальность контакта; растекания частицы; углубления частицы в массив КВ.

Проведен численный анализ возможности реализации процесса эрозии конструкционных материалов горячими твердыми частицами в режиме инерционного осаждения с малыми скоростями движения.

Основные результаты и выводы полученные при выполнении данной диссертационной работы заключаются в следующем:

1. Впервые поставлена и решена задача о теплопереносе при зажигании конденсированного вещества одиночной нагретой до высоких температур частицей в рамках двумерной модели твердофазного воспламенения.

2. Численно исследованы основные закономерности теплопереноса при зажигании КВ одиночной частицей и выделены три характерных режима зажигания: относительно низких температур, относительно высоких температур и промежуточный, для которого характерным является отличие от режимов зажигания КВ нагретым телом или газовым потоком по значениям времен задержки воспламенения.

3. В результате численных исследований установлено, что при анализе процесса воспламенения КВ важное значение приобретает исследование динамики температурного поля в зоне зажигания.

4. Проведен анализ влияния на величину времени задержки воспламенения:

1) размеров частицы;

2) температуры частицы;

3) окисной пленки на поверхности частицы;

4) формы частицы;

5) условий взаимодействия частицы и КВ (положение на поверхности КВ, частичное внедрение, полное внедрение);

6) растекания частицы по поверхности КВ;

7) неидеальности контакта (наличие шероховатости).

5. Полученные результаты показывают, что механизм зажигания КВ одиночной частицей существенно отличается от механизмов зажигания нагретым телом или газовым потоком в определенном диапазоне изменения параметров.

6. Установлено, что время задержки воспламенения КВ существенно зависит от глубины внедрения частицы и не зависит от формы частицы. При этом наилучшие условия зажигания реализуются при положении частицы на поверхности КВ.

7. Установлено, что процесс растекания частицы, находящейся в расплавленном состоянии, влияет на время задержки воспламенения.

8. Показано, что наличие крупномасштабной шероховатости на поверхности КВ или частицы приводит к некоторому увеличению величины t3 при прочих адекватных параметрах процесса.

9. В результате численного моделирования полей температур и термических напряжений в малой окрестности нагретой до высоких температур частицы, осажденной на поверхности конструкционного или теплозащитного материалов, установлена возможность реализации механизма эрозии конструкционного материала, обусловленного растрескиванием поверхности материала под действием термических напряжений.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Ерохин Б.Т., Теория внутрикамерных процессов и проектирование РДТТ. М.: Машиностроение. 1991. -560 с.

2. Баранов П.А. Предупреждение аварий паровых котлов. М: Энергоатомиздат, 1991.

3. Надежность теплоэнергетического оборудования ТЭС и АЭС.// Г.П. Гладышев, Р.З. Аминов, В.З. Гуревич и др.; Под ред. А.И. Андрющенко. М.: Высшая школа, 1991.

4. Буркина Р.С. Асимптотическое исследование теплового воспламенения и горения высокоэнергетических топлив. Диссертация доктора физ.-мат. наук. Томск. 2001.

5. Вилюнов В.Н. Теория зажигания конденсированных веществ. Новосибирск: Наука. Сибирское отделение. 1984.

6. Дьяконов В.В. Вернуть статистике достоверность // Пожарное дело. 1988. № ю. С. 18-23.

7. Мак-Алеви Р.Ф., Кауан П.Л., Саммерфилд М. Механизм воспламенения смесевых твердых топлив горячими газами // Исследование ракетных двигателей на твердом топливе: Сб. Статей. М.: Издательство иностранной литературы. 1963. С. 397-415.

8. Мальцев В.М., Мальцев М.Н., Кашпоров Л.Я. Основные характеристики горения. М.: Химия. 1977.

9. Кувшинов В.М., Сергеев В.В., Дубнер М.И. Работы в области внутренней баллистики отечественных мелкокалиберных средств вооружения // Боеприпасы. № 5-6. 1995. С. 22-26.

10. Буркин В.В., Синяев С.В., Христенко Ю.Ф. Устройство для зажигания топлив: П. № 2166181 //М. 2001.

11. Zharovtzev V.V., Sinyaev S.V. and Fomenko V.V. // Account of Interior Ballistics Parameters of the Launch by Slurri/Liguid Propelland with ETC-Ignition // IEEE Transactions on Magnetics. 2001. vol. 37, p.p. 216-218.

12. Н.Романенков И.Г., Левитес Ф.А. Огнезащита строительных конструкций. М.: Стройиздат. 1991.

13. Кошмаров Ю.А. Башкирцев М.П., Светашов И.Т. , Сидорук В.И. Пожарная профилактика систем отопления и вентиляции. ВИПТШ МВД СССР. -М: 1981. С.158.

14. Бартелеми Б. Крюппа Ж. Огнестойкость строительных конструкций / пер. с фран. -М.: Стройиздат. 1985.

15. Способы и средства огнезащиты древесины: Руководство. М. ВНИИПО. 1985.

16. Рекомендации по применению защитных покрытий для деревянных конструкций / ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко. 14. 1983.

17. Теплопроводность твердых тел: Справочник (под ред. А.С. Охотина), М.: Энергоатомиздат, 1984.

18. Гольдшлегер У.И., Барзыкин В.В., Мержанов А.Г. О механизме и закономерностях зажигания конденсированных систем дисперсным потоком // Физика горения и взрыва. 1971. Т. 7. № 3. С. 318-332.

19. Барзыкин В.В., Гольдшлегер У.И., Мержанов А.Г. Зажигание конденсированных веществ дисперсным потоком // Доклады АН СССР, 1970, т. 191, № 1, с. 111-114.

20. Гольдшлегер У.И., Прибыткова К.В., Барзыкин В.В. Зажигание конденсированных ВВ накаленным телом конечных размеров // Физика горения и взрыва. 1973. Т. 9. № 1. С. 119-132.

21. Кузнецов Г.В., Таратушкина Г.В. Зажигание конденсированного вещества частицей окисла металла. НИИ ПММ при ТГУ.- Томск, 2003.-17с. Деп в ВИНИТИ09.06.03, №1123-В2003.

22. Термоустойчивость пластиков конструкционного назначения / Под ред. Е.Б. Тростянской. М.: Химия. 1980. 240 с.

23. Гришин A.M., Долгов А.А., Зима В.П., Крючков Д.А., Рейно В.В., Субботин А.Н., Цвык Р.Ш. Исследование зажигания слоя лесных горючих материалов // Физика горения и взрыва. 1998. Т. 34. № 6. С. 14-22.

24. Аверсон А.Э, Барзыкин В.В., Мержанов А.Г. К тепловой теории зажигания конденсированных веществ // Доклады АН СССР, 1966, т. 169, № 1, с. 158-161.

25. Гольдшлегер У.И., Барзыкин В.В., Розенбанд В.И. О некоторых закономерностях зажигания конденсированных веществ дисперсным потоком // Физика горения и взрыва. 1971. Т. 7. № 1. С. 61-64.

26. Sammerfield М. а.о. Aeronautical Eng. Report. № 661. Princeton Universitu. 1963.

27. Лисицкий В.И. К вопросу об экспериментальной проверке тепловой теории зажигания // Физика горения и взрыва. 1970. Т. 6. № 2. С. 230233.

28. Семенов Н.Н. К теории процессов горения.// Журнал русского физико-химического общества. Физика. 1928. т. 60. №3, с.241-250.

29. Вилюнов В.Н. Сидонский О.Б. К вопросу о зажигании конденсированных систем лучистой энергией // Физика горения и взрыва. 1965. Т. 1. № 4. С. 39-43.

30. Аверсон А.Э., Барзыкин В.В., Мержанов А.Г. Закономерности зажигания конденсированных взрывчатых систем при идеальном теплообмене на поверхности с учетом выгорания. // Инженерно -физический журнал. 1965. т.9, № 2, с. 245-260.

31. Зельдович Я.Б. К теории зажигания // Доклады АН СССР, 1963, т. 150, № 2, с. 283-285.

32. Вилюнов Н.В. К тепловой теории зажигания // Физика горения и взрыва. 1966. Т. 2. № 2. С. 77-82.

33. Зельдович Я.Б., Баренблатт Г.И., Либрович В.Б., Махвиладзе Г.М. Математическая теория горения и взрыва. М.:Наука. 1980. 478 с.

34. Аверсон А.Э., Барзыкин В.В., Мержанов А.Г. Приближенный метод решения задач тепловой теории зажигания // Доклады АН СССР, 1968, т. 178, № 1, с. 131-134.

35. П1тейнберг А.С., Улыбин В.Б., Барзыкин В.В., Мержанов А.Г. О зажигании конденсированных веществ в условиях постоянства температуры на поверхности // Инженерно физический журнал. 1966. т. 10, № 4, с. 482-486.

36. Лыков А.В. Теория теплопроводности. М., 1952.

37. Волков Е.Б., Сырицын Т.А., Мазинг Г.Ю. Статиика и динамика ракетных двигательных установок. М.: Машиностроение. 1978.

38. Субботин А.Н. Теоретическое исследование воспламенения конденсированных веществ проволочкой, нагреваемой электрическим током // Тепло- и массообмен в инертных и реагирующих средах. Томск: Изд-во ТГУ, 1977. с. 116-126.

39. Гришин A.M. Математическое моделирование некоторых нестационарных аэротермохимических явлений. Томск. Изд. ТГУ, 1973. 282 с.

40. Гришин A.M., Субботин А.Н. О сопряженном теплообмене между нагретыми инертными частицами и реакционной средой. // Тепло- и массоперенос. Т. 10. ч. 1. Минск: Изд. ИТМО АН БССР. 1973. с. 548552.

41. Гришин A.M., Фомин В.М. Сопряженные и нестационарные задачи механики реагирующих сред. Новосибирск: Наука. 1984. 320 с.

42. Алексеев Б.В., Гришин A.M. Введение в аэротермохимию. Изд. Саратовского университета. 1978. 420 с.

43. Алексеев Б.В., Гришин A.M. Физическая газодинамика реагирующих сред. М.: Высш. шк. 1985. 464 с.

44. Лоскутов Г.С., Сандрыкина Т.С. Сопряженная задача кондуктивного теплообмена между нагретой частицей и реакционной средой. // Математическое моделирование аэротермохимических явлений. М.: изд-во ВЦ АН СССР. 1974. с. 147-155.

45. Кунаков Г.А., Чулков А.З. Характеристики продуктов сгорания металлосодержащих топлив. В сб. Ракетные топлива. М.: Мир. 1975. С. 74-96.

46. Бакиров Ф.Т., Захаров В.М., Полещук И.З. и др. Образование и выгорание сажи при сжигании углеводородов. М.: Машиностроение. 1989.51 .Самарский А.А. Теория разностных схем. М.: Наука. 1983.

47. Коздоба Л.А. Методы решения нелинейных задач теплопроводности. М: Наука, 1975, -227 с.

48. Тихонов Н.А., Кальнер В.Д., Гласко В.Б., Математическое моделирование технологических процессов и методы обратных задач в машиностроении. М.: Машиностроение, 1990. -264 с.

49. Нестерова Е.С. Математическое моделирование теплопереноса в окрестности зоны контакта частицы с поверхностью после осаждениячастицы из высокотемпературного газового потока. Диссертация кандидата физ.-мат. наук. Томск. 2001.

50. Яненко Н.Н. Метод дробных шагов решения многомерных задач математической физики. Новосибирск: Изд-во НГУ, 1966, 225 с.

51. Кудинов В.В. Плазменные покрытия. М.: Наука. 1977.58.3аболотный А.Е., Заболотная М.И., Заболотная Ю.А., Тимошин В.Н.

52. Определение зон безопасности применения твердотопливных генераторов пожаротушащих аэрозолей // Вопросы специального машиностроения. 1995. вып. 7-8. С. 15-22.

53. Физические величины: Справочник / Бабичев А.П., Бабушкина Н.А., Братковский A.M. и др., под ред. Григорьева И.С., Михайлова Е.З. М.: Энергоатомиздат. 1991. 1232 с.

54. Бабук В.А., Васильев В.А., Романов О.А. и др. Физико-хомическое превращение капель А1 AI2O3 в активном газовом потоке // Физика горения и взрыва. 1993. т. 29. № 3. с. 129-133.

55. Глотов О.Г. Конденсированные продукты горения алюминиевых топлив. II. Эволюция частиц при удалении от поверхности горения // Физика горения и взрыва. 2000. т. 36. № 4. с. 66-78.

56. Кузнецов Г.В., Мамонтов Г.Я., Таратушкина Г.В. Воспламенение порохов нагретой до высоких температур частицей. // Материалы докладов международной научно-практической конференции «Третьи Окуневские чтения», Изд-во БГТУ, 2002. т.2, с. 114-115.

57. Кузнецов Г.В., Мамонтов Г.Я., Таратушкина Г.В. Воспламенение лесных горючих материалов нагретыми до высоких температур частицами. // Сопряженные задачи механики, информатики и экологии:

58. Материалы международной конференции. Томск: Изд-во ТГУ. 2002. с. 110-111.

59. Кузнецов Г.В., Таратушкина Г.В. Численное моделирование зажигания твердого топлива внедренной в его объем частицей. НИИ ПММ при ТГУ.- Томск, 2003.-21с. Деп в ВИНИТИ 16.09.03, №1б91-В2003.

60. Кузнецов Г.В., Мамонтов Г.Я., Таратушкина Г.В. О механизме зажигания конденсированных веществ нагретой до высоких температур частицей. // Международная конференция по математике и механике: Тезисы докладов. 2003. С. 152.

61. Кузнецов Г.В., Мамонтов Г.Я., Таратушкина Г.В. Численное моделирование воспламенения конденсированных веществ каплей расплавленного металла // Международный семинар: Гидродинамика высоких плотностей энергии. Труды. Новосибирск. 2004. С.384-395.

62. Седов. Л.И. Механика сплошной среды. М.: Наука. Т. 1. 1973. 536 с.

63. Гусаченко Л.К., Зарко В.Е., Зырянов В.Я., Бобрышев В.П.

64. Моделирование процессов горения твердых топлив. Новосибирск: Наука, 1985.

65. Кузнецов Г.В., Таратушкина Г.В. Моделирование зажигания пожароопасных материалов нагретой до высоких температур частицей. //Пожаровзрывобезопасность. 2003. №6. С. 14-20.

66. Кузнецов Г.В., Мамонтов Г.Я., Таратушкина Г.В. Численное ^ моделирование зажигания конденсированного вещества нагретой довысоких температур частицей. // Физика горения и взрыва. 2004. Т. 40 . № 1.С. 78-85.

67. Кузнецов Г.В., Мамонтов Г.Я., Таратушкина Г.В. Зажигание конденсированного вещества частицей. // Химическая физика. 2004. Т. 23. №3. С. 67-72.

68. Кузнецов Г.В., Мамонтов Г.Я., Таратушкина Г.В. Моделирование зажигания конденсированных веществ «горячей» частицей. // Химическая физика. 2004. Т. 23. № 5. С. 62-67.

69. Marscher W.D. Thermal Versas Mechanical Effects in High Speed/ Wear 'Ф 79. 1982. p. 129.

70. Бусройд P. Течение газа со взвешенными частицами. М.: Мир. 1975.

71. Теплопроводность твердых тел: Справочник под ред. А.С. Охотина. -М.: Энергоатомиздат. 1984.

72. Физические величины: Справочник / А.П. Бабичев, П.А. Бабушкина, A.M. Братковский и др. Под ред. И.С. Григорьева, Е.З. Мейлихова. -М.: Энергоатомиздат, 1991.

73. Жангаскин К.К., Когай Г.Н. Численный анализ эрозионного уноса при поперечном обтекании цилиндра газообразным потоком //• Теплоэнергетика, 1999, - № 4, - С. 57-59.

74. Мэнсон С. Температурные напряжения и малоцикловая усталость. М.: Машиностроение, 1974.

75. Полежаев Ю.В., Юрьевич Ф.Б. Тепловая защита. М.:Энергия, 1976.

76. Панкратов Б.М. Полежаев Ю.В., Рудько А.К. Взаимодействие материалов с газовыми потоками. Под ред. д.т.н. B.C. Зуева. М.: Машиностроение, 1975.

77. Назаров Г.И., Сушкин В.В. Теплостойкие пластмассы: Справочник. М.: Машиностроение, 1980.

78. Таратушкина Г.В. Численное моделирование воспламенения конденсированного вещества частицей в условиях неидеального теплового контакта. НИИ ПММ при ТГУ,- Томск. -16с. Деп в ВИНИТИ 14.01.04, №66-В2004.

79. Кузнецов Г.В., Мамонтов Г.Я., Таратушкина Г.В. Об одном из возможных механизмов износа металла котельного оборудования.// Сопряженные задачи механики, информатики и экологии: Материалы международной конференции. Томск: Изд-во ТГУ. 2004 с. 137-138.

80. Кузнецов Г.В., Таратушкина Г.В. О механизме локальной эрозии элементов газового тракта котлов частицами летучей золы.// Известия ТПУ. 2004. №5. с106-110.