Волны газофазного горения в гетерогенных системах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

ии^иБ7832

На правах рукописи

Коржавин Алексей Анатольевич

ВОЛНЫ ГАЗОФАЗНОГО ГОРЕНИЯ В ГЕТЕРОГЕННЫХ СИСТЕМАХ

Специальности 01 04 14-Теплофизика и теоретическая теплотехника, 01 04 17 - Химическая физика, в т ч физика горения и взрыва

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Барнаул 2006

003067832

Работа выполнена в Институте химической кинетики и горения СО РАН и в Алтайском государственном техническом унверситете имени И И Ползунова

Научные консультанты

доктор физико-математических наук,

профессор Бабкин Вячеслав Степанович

доктор технических наук,

профессор Сеначин Павел Кондратьевич

Официальные оппоненты:

докюр технических наук,

профессор Третьяков Павел Константинович

доктор фюико-магематических наук,

профессор Васильев Анатолий Александрович

доктор технических наук,

профессор Максимов Юрий Михайлович

Ведущая организация- Институт теплофизики им С С Кутателэдзе СО РАН (г Новосибирск)

Защита состоится « 26 » января 2007 г в 12 часов на заседании Диссертационного совета Д 212 004 03 в Алтайском государственном техническом университете им И И Ползунова по адресу 656038, г Барнаул, пр Ленина, 46, АлтГТУ E-mail D21200403@mail ru. тел/факс Г36521260516

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке АлтГТУ

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью Вашего учреждения, просим направлять по указанному адресу на имя ученого секретаря Диссертационного совета

Автореферат разослан « 25 » декабря 2006 г

Ученый секретарь Диссертационного совета Д 212 004 03, к т и, доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА. РАБОТЫ

Актуальность работы Процессы горения в гетерогенных горючих системах находят широкое применение в топливно-энергетических установках химическом производстве и на транспорте

Изучение волн газофазного горения в гетерогенных системах является фундаментальной проблемой, имеюшеи важное значение для теории процессов горения и практическое применение дтя оптимизации и обеспечения пожаров-зрывобезопасности энергетических установок, агрегатов и технологических процессов Примерами таких волн I орения являются, например, волны горения в пористои среде, газофазные пламена, распространяющиеся над конденсированным топливом и др

Основной целью работы является развитие существующих представлений о процессах газофазного горения в гетерогенных системах и решение ряда фундаментальных и практических задач на основе экспериментальных исследований этих процессов

Научная новизна представляемой работы

• Впервые проведено комплексное экспериментальное и теоретическое изучение быстрых дозвуковых волн горения газов в инертных пористых средах и установлена возможность существования стационарного режима - режима высокой скорости горения Определены основные характеристики и параметрические зависимости волны горения в этом режиме, исследованы пределы распространения пламени. Установлены механизмы распространения волн и срыва горения на пределах Выявлены 11|лищпй>,а,шпС

эффекты этого режима горения

• Предложен механизм распространения пламени в режиме звуковых скоростей Изучены пределы распространения пламени в пористых средах Показано, что известный критерий постоянства числа Пекле на пределе распространения пламени в узких каналах и пористых средах не точен Предложен более точный критерий

• Обнаружен и исследован новый испарительно-диффузионный низкоскоростной режим распространения тамени в пористых средах с пленкой топтива

• Предложена для изучения новая гетерогенная система - пленка топлива на металлической подложке Выявлены и исследованы различные режимы распространения пламени в этой системе вкпючая ранее неизвестные

Практическая ценность исследования заключается в том, что оно позволило сформулировать и научно обосновать новый принцип взрывозащиты закрытого оборудования - пассивное снижение среднеобъемной температуры продуктов взрыва и создать инженерную методику расчета параметров системы взрывозащиты закрытого оборудования

Апробация работы. Результаты диссертационных исследований докладывались на VI IX XI Всесоюзных симпозиумах по горению и взрыву (Алма-Ата. 1980 Суздаль, 1989 Черно! оловка ИХФ РАН, 1996) на III Международной школе по взрывам пылей в промыштенности (Турава По 1ьша, 1982) на I

Всесоюзном симпозиуме по макроскопической кинетике и химической газодинамике (Атма-Ата 1984) на 22 и 27 Международных симпозиумах но горению на Советско-итальянском семинаре по горению (Новосибирск 1988) на Объединенном семинаре советской и итальянской секции Института горения (Пиза, Италия 1990), на Межинститутском семинаре по горению (Мос<ва, 1991 Новосибирск 1992) на Объединенном семинаре российской и японской секций Института горения (Москва, 1993) на международных конференциях по горению посвященных памяти Я Ь Зельдовича (Zel'dovich memorial) в 1994 и 2004 гг, на 1 - 4 международных семинарах по пожаро- и взрывоопасности веществ и материатов (1995, 1997, 2000 2003) 15 - 18 международные ко шо-квиумах по динамике взрывов и реагирующих систем (ICDERS 1995, 1997 1999, 2001), международном Симпозиуме Chemistry of Flame Front" (1997), 'Горение и плазмохимия" (2003) международной конференции "Advances in Experimentation & Computation of Detonations" (1998), International Symposium "Actual Problems of Physical Hydroaerodynamics", (1999), III International school-seminar "Modern problems of combustion and its applications" (1999), 16-th International Symposium on Combustion Processes, Kazimierz Dolny, Poland,

(1999), международной конференции "Сопряженные задачи меканики и экологии" (Томск 1998,2002,2004) Всероссийском семинаре Динамика многофазных сред" (2000) 23th World Hydrogen Energy Conference Beijing, China,

(2000), 5th International Seminar on Flame Structure, No\osibirsk, 2005, на семинарах в ИХКиГ СО РАИ и ИГ им M А Лаврентьева СО РАН (1980-2006)

Публикации По теме диссертац"1! опуб1И"оча"ьт 50 печатных работ в том числе 40 статей и получено авторское свидетельство

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения шести глав, заключения и списка литературы Всего 322 страницы, в том чисче работа содержит 298 страниц машинописного текста с 18 таблицами и 104 рисунками, а также библиографию, включающую 234 источника

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дан краткий обзор современного состояния рассматриваемых проблем Обоснована актуальность работы сформулированы цель и задачи исследования

1 ГАЗОФАЗНОЕ ГОРЕНИЕ В ПОРИСТЫХ СРЕДАХ

Рассмотрены явления, наблюдаемых при распространении ппамени в инертной пористои среде Описывается методика проведения экспериментальных исследовании Выделяются режимы горения изучению которых посвящены последующие главы работы Это режимы реализуемые в инертнои пористой среде высоких скоростей (глава 2) звуковых скоростей (глава 3) истри-тельпо-диффузионный низкоскоростной (глава 4) режимы распростраш ния пламени в термически тонкой системе - ппенка топлива на металтической подложке (пава 5) а также некоторые прикшные аспекты трения 1азов в закрытых сосудах и пористых средах (паза 6)

Большая часть зксиеримснгачьных данных была получена в двух видах экспериментальных сосудов в составной трубе длиной до 3 м внутренним сечением 48\48 мм и сферической бомбе постоянного объема (БПО) радиусом 9,15 см (объемом 3 О В широком диапазоне начальных давлений экспериментально показано, что максимальное давление, развиваемое в БПО с пористой средой при сгорании всегда существенно ниже того давления которое достигается при сгорании в пустой бомбе Например в засыпке шарами с диаметром 3,2 мм относительное давчение р„/ро не превышает 3 даже для наиболее жесткого режима при р„-1,6 МПа. При увеличении диамегра шара эффективность пористой среды в понижении максимального давчепия падает Одна из возможных причин понижения эффективности обусловлена очевидно, тем что с увеличением диамегра шара падаег удельная поверхность и, соответственно скорость охлаждения продуктов сгорания

Одной из важных особенности сгорания газа в пористой среде является неполнота выгорания Была исследована зависимость степени выгорания т] от начального давления, для различных геометрий сосудов и различных пористых сред Оказалось, что для распространения тамепи в пористых средах характерны довольно низкие стенени выгорания, особенно в околопредельной области начальных давлений Неполнота вьнорания обусловлена, в основном, гашением пламени поверхностью пористой среды Сделан вывод о том, что низкие дав пения взрыва в пористои среде связаны как с интенсивным охлаждением продуктов сгорания, так и с неполным сгоранием свежей смеси

Процесс сготния в сферической бомбе с насадкой из шаров проходит нестационарно Поэтому в линейной системе большого размера (в трубе) наблюдаемые явления существенно оттичаются от наблюдаемых в сферическом сосуде В качествъ иористых сред использовались стальные шары и открытоя-чеисгый пенополиуретан (ППУ) с пористостью с-О 98 и характерным размером пор с1 = 2 8 мм Горючей смесью были воздушные смеси метана, пропана, а также водорода Пламя инициировалось электрической искрой С помощью датчиков давления, фотоумножителей фотодиодов и термопар определяли давление в процессе, скорость распространения пламени

В линейной системе реализовывался режим высоких скоростей (характерные скорости 0,1-10 м/с) Распространение пламени в этом случае сопровождается резким 1.о ьебольшим (3-4% от р0) увеличением дав тения на начальном участке записи р(0 и обусловлено процессом формирования волны горения Посте формирования и начального прироста давление изменяется по ход\ процесса практически линейно, как в случае засыпкой стальными шарами. так и в Г1ПУ в шарах оно падает а в ППУ растет

На фоне общего повышения или понижения давления наблюдаются колебания давления с частотами 20-300 Гц и амплитудой до 2% от р0 Скорость распространения возмущений давления, оцененная для ППУ по временному сдвигу отдельных пульсаций на известной дчнне оказалась равной 200 м/с Поскочьк\ процесс трения иде[ с существенно меньшими скоростями (1-10 м/с) чавчение по всему сосуду успевает выравниваться то есть процесс горения происходит квазиизобарически

В этой же линейной системе был реализован режим звуковых скоростей (РЗС) (100-1000 м/с) Режим занимает промежуточное положение между де-флаграниеи и детонацией Действигетьно структура вотпы РЗС включает волну сжатия характеризующуюся главным подъемом давления Поэтому можно говорить о сверхзвуковом горении, те о детонации С другой стороны, скорость вотны относи 1слыю низка и ее интенсивность (степень сжатия газа) недостаточна для самовоспламенения горючей смеси с короткой задержкой воспламенения В табт 1 приведены некоторые Экспериментальные данные по скорости распространения волны горения водородно-воздушных смесей в РВС и РЗС приведены в табт 1

Таблица 1

Экспериментальные данные по скорости распространения волны горения водородно-воздушных смесей в РВС и РЗС в ППУ

Содержание водорода %, об Начальное давление, МПа Скорость пламени м/с Re Режим горения

15 0 093 23 2,7 1С2 РВС

20 0 080 62 4 4 102 РВС

25 0 080 744 5 5 10" РЗС

30 0 120 977 9 8 104 РЗС

35 0 054 510 2 1 10" РЗС

46 0 080 527 2,7 104 РЗС

50 0 122 833 6,2 104 РЗС

Научный ин^рес к проблем распространения вот 1 гсрсчиг с ш'ерчч.Р' пористых средах, смоченных топливом, обусловлен особенностью механизма распространения таких волн, включающего взаимосвязь процессов химического превращения со смесеобразованием С практической точки зрения проблема интересна, в частности, возможностью превращения инертной пористой среды во взрывоопасную при контролируемом или случайном смачивании ее горючей жидкостью Опыты проводились в закрытой стальной вертикальной трубе заполненной пористой средой смоченной п-октаном

Опыты показали, что в описанной системе пламя после некоторого стартовой) периода распространяется стационарно Среднеквадратичное отклонение в величине скорости от среднего значения находится в пределах 6-10% При термодипадшческом равновесии каждому начальному давлению соответствует определенный состав газовой фазы отвечающий парциальному давлению пара жидкости при данной температуре В эгих экспериментах поддерживалась температура термодинамической системы 27°С, а варьировалось начальное давление в системе Оказалось, что в рассматриваемой системе реачи-зукмея два различных режима горения режим РВС и неизвестный ранее низкоскоростной режим Этот режим горения реализуется не только за пределом РВС но и за пределом распространения пламени в свободном простра! стве Скорость пламени на 1-2 порядка ниже чем в РВС и составляет 4-10 см/с Зависимость скорости распространения от начального давления в этом режиме имеет тенденцию понижения скорости при увеличении начального давления

О

Из того факта, что обсуждаемый режим реализуется в области параметров исктючшощих образование горючей газовой смеси в равновесных условиях спедует что необходимая для горения смесь образуется в процессе самою горения В этом его принципиачьное ог шчнс от обычных режимов фильтрационного горения газов, в которых горючая смесь заранее подготовлена

В сосудах малою размера, когда протяженность обзасти формирования волны горения порядка его характерного размера, как в экспериментах наБПО процесс протекает нестационарно, и эго проявляется прежде всего, в том что давления развиваемые при сгорании зависят от размера сосуда В экспериментах с ППУ прирост давления возрастает при уменьшении длины трубы, и увеличении начального давления

2 РЕЖИМЫ ВЫСОКИХ СКОРОСТЕЙ

При изучении зависимостей скорости распространения пламени в пористых средах от различных параметров, оказалось чго координата фронта пламени чинейно зависит от времени Стационарность имеет место дчя всех изученных условий в диапазоне начальных давлении ог 0,05 МПа до 2,0 МПа в различных пористых средах (засыпки из металлических, фарфоровых и полиэтиленовых шаров различных характерных размеров, ППУ, фольга), дтя различных горючих смесей (метан-воздух пропан-воздух, пропан-кислород-азот, бутан-воздух, СО-воздух, водород-воздух, водород-кислород-азот, октан-воздух, этиловыи спирт-воздух) Опыты показали, что процесс горения имеет

^СС'"""!."" ^"Р— ГТе" Н" пт'яаа и"ТТ\?ЛС.Т гтТТЯМа ЧЯМРТИГ» VPK■nnаrШfчГ ИГШ

замедлялось на базе до 3 м Результаты измерении скорости пламени удовлетворительно воспроизводятся от опыта к опыту Это позволяет сделать вывод о стационарности этого режима распространения пламени в пористой среде Стационарный режим отраничен с одной стороны пределом распространения пламени в пористой среде, а с другой - переходом на новые высокоскоростные режимы режим звуковых скоростей и различные детонационные режимы 50

40

о 30

СО 2 0

1 0

00

I

р0, МТа

Во всех экспериментах скорость распространения тамени в ПС растет с ростом начального давления независимо от того, меняется ли давление во

)1

02

03

р

/ о, ■

л

с> V ■

1 ■ ■ '

04

Рис 1 Зависимость скорости распространения пламени 5 в ППУ от начального давленияр0 для стехиометрических смесей пропан-воздух (1) и метан-воздух (2)

05

время процесса (растет в высокопористых средах или падает в низкопористых) или остается постоянным как в специальных опытах с подключенным ресивером для поддержания постоянного давления Такая зависимость скорости распространения от начального дав тения с учетом того что нормальная скорость ламинарного пламени падает с ростом давления, однозначно указывает на турбулентный характер распространения пламени в пористых средах Скорость пламени много выше нормальной скорости ламинарного пламени Зависимость скорости от начального давления тем сильнее чем больше характерный размер элемента пористой среды Из рис 1 видно, что скорость зависит также от горючей смеси Несмотря на близость нормальных скоростей стехиомегричесагх смесей метана и пропана с воздухом они имеют различные зависимости скорости распространения ог давления - в пропано-воздушных смесях скорость распространения пламени в ППУ выше

Скорость распространения пламени в пористых средах 5 очень чувствительна к изменению состава смеси Например, в пористой среде, образованной засыпкой шариками диаметром 6 мм, при начальном давлении смеси 0,6 МПа изменение состава метано-воздушнои смеси всего на 0,1% метана приводит к изменению 5 на 12 см/с если это бедные смеси и на 14 см/с если это богатые смеси, при этом нормальная скорость меняется на величину не более 1 см/с Для засыпки шарами диаметром 3 2 мм при том же давлении чувствительность к составу смеси меньше, однако, она расгет с ростом начального давления и при давлении 2,0 МПа равна 10-12 см/с на 0,1% изменения состава смеси Характерной особенностью зависимости ии)1иып расирострапс;;;^ пла-'с с состава смеси является сдвиг максимума скорости распространения 5 относительно стсхиометрического состава в область бедных составов для метгно--воздушных и водородо-воздушных пламен и богатых составов для пропсно-воздушных пламен

Волну горения можно представить как зону вдоль трубы, расположенную между двумя плоскостями На первой плоскости начинается химическое превращение первых молей исходной смеси а на второй оно заканчивается для последних молей Зона движется вдоль трубы со стационарной скоростью распространения пламени для данных условии Наряду с волной горения можно ввести понятие тепловая волна, включающее собственно вочну горения и зону охлаждения продуктов сгорания Передняя граница этой зоны совпадает с передней границей волны горения Экспериментально показано что задняя -ра-пица тепловой волны совпадает с границей волны горения Таким образом протяженность тепловой волны определяется не охлаждением газа а химической реакцией, протекающей в турбулентном пламени Характерное время охлаждения газа в порах на порядок меньше длительности существования химической реакции

Опыт показывает что в пористых средах пламена ускоряются и достигают больших скоростей также эффективно, как в шероховатых трубах или -рубах с периодическими объемными препятствиями - спиралями сетками и тд Ускорение п таметти вызывает ускорение газового потока что в свою очередь ведет к ускорению пламени Благодаря этому птамепа медленно торящие р

о

падких трубач способны разогнаться до сверхзвуковых скоростей в шероховатых С другой стороны, существование быстрых дозвуковых стационарных пламен в пористых средах свидетепьствует о наличии наряду с ускоряющими тормозящих факторов, стабилизирующих скорость распроегранения Природа наиболее вероятного стабилизирующего фактора связана с локальным гашением химическом реакции обусловленным интенсивным межфазным теплообменом в зоне турбулентного пламени Можно предположить, что если характерное время тепловой регаксации станет меньше времени химического превращения то произойдет гашение пламени Поскольку в турбулентном потоке существует спектр пульсационных скоростей то гашению подвергнутся, прежде всего, те участки пламени которые движутся с максимальными скоростями и определяют общую скорость распространения пламени Таким образом, сформулировано правите отбора скорости скорость распространения пламени стабилизируется на уровне максимальных пульсаций, допустимых условиями кондуктивного гашения пламени

Феноменологическая модечь этого процесса позволила получить выражение для скорости пламени Re, = 0,6Jö1/2Pe', где Rex=vde/v, de - эквивалентный диаметр порового канала, v - кинематическая вязкость, число Пекле Pe=S„dJicпостроено по нормальной скорости пламени S„ Под Rev следует понимать число Рейпольдса, построенное по разности скоростей v - S - S„ Эта формула выражает идею конвективного предела - зависимость предела распространения пламени от скорости движения потока v

ьолизи пределов надает скириыь (jaCfip^TpCuiC..,.;* тла: пая часть свежей смеси остается несгоревшей Предположив что недогорание смеси обусловлено гашением поверхностью пористой среды, получена формула для ее оценки, удовлетворительно согласующаяся с экспериментом 1-П=Ре*/Ре, здесь Ре* - значение числа Пекле на пределе распространения пламени, Ре - значение при текущих параметрах

Как при распространении так и при гашении пламени на пределе распространения большое влияние оказывают коэффициенты молекулярного переноса Различие в коэффициентах диффузии наибо!ее подвижного компонента горючей смеси и ее температуропроводности приводит к непостоянству числа Пекле на пределе и расслоению зависимостей Re(Pe) для скорости распространения пламени в пористых средах

На рис 2 приведены типичные зависимости числа Пекле на пределе от состава смеси В условиях турбулентного горения наиболее подвижный компонент обогащает зону химической реакции в ведущей точке пламени Используя введенное С К Лоу эффективное число Лыоиса для горючей смеси удаюсь обобщить помученные нами и другими авторами предельные ус ювия гашения пламени в пористых средах и узких каналах Предложен и экспериментально обоснован новый критерии предела распространения пламени в пористой среде и узких каналах Pe\/Leetf=l (рис 3)

Постоянство числа Пекле на преде ie дает гакже подход основанный на приб шженной оценке изменения состава смеси в вед'щей точке пламени

вс шлствие селективной диффузии Число Пекле на пределе распространения пламени вычисленное с учел ом эффектов селективном диффузии имеет ,.на-чение 48 со среднеквадратичным отклонением 8 7% Зависимости Яе(Ре) построенные с учетом изменения состава смеси в ведущих точках етанов5тся едиными для различных начальных составов горючей смеси 120

$ 60 40 20

I

/ -- --

V «2

Рис 2 Зависимость критического числа Ре от коэффициента избытка горючего в ППУ й=0,28 см

1 - водородо-воздушные смеси диапазон давлений 0,042-0 12 МПа,

2 - пропано-воздушные смеси, 0,09-0,2 МПа

2 5

2 0

1 5

1 0

0 5

0 0

Л

' а

И [в]

[8]

1 2

3

4

5

6

7

8

9

10

05

1-е„

2 0

2 5

Рис 3 Корреляция нормированного числа Пекле Рек с эффективным числом Льюиса 1ев[ Штриховая линия -результат классической теории

Исследовалась динамика сгорания I аза в закрытых сосудах с пористой средой В зависимости от соотношения характерных размеров сосуда и зоны горения могут реализовываться либо стационарный (в открытой системе) либо квазисгациочарный режим в сосуде большою характерного размера, либо нестационарные режимы Были рассмотрены термодинамические аспекты за мчи о динамике горения газа в закрытом сосуде при наличии в нем инертной по ристои среды Предложена следующая физическая модель процесса распространения пламени В закрытой сислеме с недеформируемой пористои средой одинаковой пористости, в которой находится гомогенная юрючая смесь инициируется и распространяется гтмя Сгорание газа происходит "послойно" В процессе горения в зоне пламени газовая и твердая фазы быстро обмениваются теплом, так что температура фаз одинакова всюду за исключением пренебре-

лимо тонкой зоны химического превращения Кондукгивный теплообмен между "слоями" отсутствует Массообмена и трения газа на границах фаз не происходит Теплопотери в стенки сосуда пренебрежимо малы Зона пламени представляет разрыв устовия па котором требуют допотаитетьного определения Термодинамические характеристики фаз постоянны

Рассмотрен процесс сгорания с повышением давления В процессе сгорания газа в закрытом сосуде с отдельным элементарным молем смеси происходит следующее по мере роста давления в сосуде в области свежей смеси он нагревается совместно с пористой средой, в которой находится Термодинамическое состояние всех молей свежей смеси одинаково Затем моль исходной смеси попадает в зону пламени, где большая часть его химической энергии переходит в тепловую и нагревает пористую среду Нагрев пористои среды зависит от того при каком текущем давлении и в каком месте сосуда произошло сгорание После выхода из зоны пламени моль продолжает сжиматься по мере дальнейшего распространения волны горения Но, в отличие от моля свежей смеси, в процессе сжатия он будет перемещаться по пористой среде, имеющей распределение температуры, то есть в области продуктов сгорания будет осуществляться конвективный перенос тепла между "слоями" пористои среды

В соответствии с предложенной физической моделью получена замкнутая система уравнений, позволяющая рассчшывать все термодинамические переменные системы при горении в зависимости от доли сгоревшего газа для широкого класса пористых сред Сравнение полученных экспериментальных данных с проведенными расчетами показало их хорошее согласие Получена оценка максимальной температуры, развиваемой при горении в пористой среде Показано, что в широком диапазоне значений относительной теплоемкости пористой среды распределение температуры в сосуде имеет вид, обратный известному ранее распределению - "Махе-эффекту" Получены уравнения процесса сжатия газа в изотропной пористой среде Показано, что в неравномерно прогретой пористой среде давление газа будет расти по мере выравнивания градиента температуры Получена оценка величины этого эффекта

При горении газа в закрытых сосудах с пористой средой наблюдаются также эффекты нестационарности, которые можно отнести к двум характерным группам К первой относятся эффекты, обусловленные формированием квазистационарной волны горения после зажигания и ее затухания вблизи стенок сосуда Эффекты связаны с начальными и граничными условиями Пространственным масштабом этих процессов является ширина зоны пламени в стационарной волне По этой причине они наиболее ярко проявляются в сосудах малых размеров (сопоставимых с зоной горения) и выражаются в развитии повышенных уровней максима 1ьно1 о давления и выгорания и в зависимости величины максимального давления от формы сосуда В основе этих нестационарных эффектов лежит температурная неравновесность являющаяся следствием взаимодействия двух основных э шменгарных процессов горения и охлаждения

На рис 4 приведены типичные записи давления при горении газа в закрытых системах с ПС в установившемся и неустановившемся режимах Зависимости р(Ц имею! сложный вид что является следствием взаимодействия многих этементарных процессов сопровождающих процесс горения

А 71111 б

1 \ 1

2 ле

Рис 4 Типичные зависимости давления от времени при сгорании газа в закрытой трубе с ПС

э) л-е<1,

1 - 9,5% СН*+воздух, шары 6-0,22 см, ра= 1,0 МПа, з=19 см

2 - 20%Н2+воздух, ППУ ро=0,06 МПа, а=144 см б) я-„>1,

9,5% СН4+воздух, ППУ, ро=0,18 МПа, 1 - а =19 см 2-8 =226 см

В этой связи целесообразно ввести определения характерных значений текущего давления р„, - максимальное значение давления, достигаемое в процессе, ре - текущее давление в системе в момент завершения горения, адиабатическое равновесное давление р^ давление которое устанавливается после выравнивания температуры по сосуду, и, наконец равновесное давление р^ которое устанавливается при равновесии с температурой окружающей срсды Некоторые из этих уровней динамического давления отмечены на рис 6 (здесь Щп—рт/ро Щ~Ра!ро гдер„ - начальное давление)

Из рис 4 виз но что в установившихся режимах динамика давления может иметь "возрастающий" (см рис 4, б, кривая 2) или "спадающий" (см рис 4 а кривая 2) характер В обоих случаях в начале процесса наблюдается резкое но небольшое увеличение давления которое обусловлено формированием зоны горения Посте этого давление изменяется по ходу процесса практически линеино Максимальное значение ж„, достигается либо в начале либо в конце процесса В нестационарных неустановившихся режимах тг„, существенно выше чем в установившихся В обоих режимах п„, меньше чем максимальное давление в "пустом" сосуде След\ет отметить что в нестационарных режимах в отличие от кватистанионарных нет прямой связи величины максимальною дав гения и тептоемкости ПС И! рис 4 также видно что в вьгеокопо-

ристой среде (ППУ) в квазистационарном режиме динамика дав юния (рост игш падение) по ходу процесса зависит от изменения чис 11 молей

Экспериментально и теоретически исследован практически важный квазистационарный режим распространения пламени в закрытом сосуде В этом режиме конечное относительное давление в сосуде не зависит от его геометрии определяется начальными параметрами системы и близко к термодинамически равновесному ж€Ч в исследованном диапазоне экспериментальных параметров его величина составляет 0,85-2 Величина тс1Ч определяется относите тьным тепловым эффектом химической реакции Q, по формуле = \'Jva [l + Q/'{\ + с0)], где vjvlt - относительное изменение числа молей

газа в сосуде после сгорания смеси, ca^[c,ps(\-s)l'yfv,lci) - относительная теплоемкость пористой среды

При квазистационарном распространении пламени в закрытом сосуде сравнительно большого размера (S/a «1, где S- характерный размер зоны горения, а - характерный размер сосуда) конечное давление зависит не только от относительной теплоемкости ПС, но и от геометрии сосуда Экспериментально и теоретически показано, что nmsireq(\+\>5/а), где v- характеризует симметрию сосуда 2 3 для плоского, цилмшрического и сферического случая соответственно)

Дана интерпретация и количественное описание явлению повышенных давлений в малых закрытых сосудах Прирост давления в системе кт-1 определяется отношением характерных времен горения te~a/S„ и охлаждения продуктов горения tc~d'hc x=tjtc~a!(d)?е) Здесь й - характерный размер noponoi и пространства Прирост относительного давления экспоненциально зависит от относительного характерного времени сгорания т, я"т-1~2 10"°621

Ко второй группе эффектов нестационарности относятся эффекты, обусловленные динамическим изменением параметров состояния реагирующего газа и соответствующей потерей устойчивости стационарными пламенами Они выражаются в переходах с одного из известных стационарных режимов на другой или в переходах с гашением плах1ени В зависимости от характера динамики процесса ориентация переходов может быть противоположной в одном случае переход происходит с увеличением скорости, в другом - с уменьшением скорости сгорания газа Природа переходов определяется механизмами распространения волн в сопредельных режимах

3 РЕЖИМ ЗВУКОВЫХ СКОРОСТЕЙ

Режим звуковых скоростей ближайший сверху по скорости пламени к режимам высоких скоростей При р?спространении пламени в условиях закрытого сосуда с пористой средои возможны взаимные переходы между ними Этот режим относят по ряду признаков к детонационным режимам Скорость пламени в нем самая низкая из всех детонационных режимов

Под термином "режим звуковых скоростей" (РЗС) подразумевается режим горения газа в среде с потерями тепла и импульса (пористые среды трубы

переменного сечения загроможденные пространства и др ) при котором в зоне горения формируется вотна давления Термин РЗС объединяет гакие явтения как низкоскоростная "детонация" в ПС (D-400-800 м/с) стационарное распространение волн гореггия в трубах с периодическими препятствиями со скоростями несколько сот метров в секунду - chockmg regime, режим быстрого гере-ния в инертной ПС с плавным подъемом давления в волгге стационарное распространение волны горения в линеинои многокамерной системе сообщающихся сосудов (D~ 150-450 м/с)

Цечью эти главы являе1ся изложение наших экспериментальных результатов по изучению смежных режимов РВС и РЗС представлений о механизме распространения пламени в РЗС исследование влияния чисел Льюиса на скорость и пределы волны горения в ПС

Таблица 2

Экспериментальные данные по скоростям водородо-воздушного пламени в ППУ

Со, % Ро, мла S, м/с с„, % Ро, МПа S, м/с С с, % Ро, МПа S, м/С

15 0 083 24 30 0 050 274 40 0 060 439

15 0 093 2 9 30 0 050 44 40 0 080 829

15 0 124 43 30 0 055 647 40 0 100 911

15 0 140 5 5 30 0 060 820 40 0 150 10-4

20 0 050 25 30 0 070 809 46 0 080 11 4

20 0 060 35 30 0 074 818 46 0 080 527

20 0 071 45 30 0 080 854 46 0 080 359

20 0 080 6 2 30 0 090 860 46 0 085 599

20 20 0 085 0 090 420 30 0 102 933 46 0 090 721

469 30 0 120 97/ 4Ь U 1UU OJ5

20 0 100 559 30 0 150 1015 46 0 122 924

20 0120 651 35 0 052 416 46 0 150 962

20 0 150 711 35 0 054 510 50 0 098 533

25 0 060 406 35 0 055 639 50 0 100 559

25 0 070 669 35 0 055 374 50 0 110 718

25 0 080 744 35 0 060 760 50 0 122 833

25 0 100 811 35 0 075 839 50 0 150 936

25 0 150 893 35 0 080 885

35 0 101 933

35 0 150 1038

В табл 2 приведены первичные экспериментальные данные по скорссти распространения волны горения водородно-воздушных смесей в РЗС и РВС В качестве пористой среды использовался ППУ В РЗС параметрические зависимости качественно такие же как в РВС т е скорость волны горения растет при увеличении 51,, р„, й (табл 2) Это дает основание анализировать РЗС в тех же безразмерных параметрах как и РВС то есть - Ие и Ре

Невозможность индукционного воспламенения смеси является доста! очным аргументом считать механизм передачи реакции в волне РЗС кондукл ив-но-конвективным Учитывая высокую интенсивность турбументности в РЗС можно предположить что в этом случае гашение пламени в контролирующих скорость максимальных пульсациях происходит не по конду ктиг.но-конвективному механизму ^етопотерь в стенки поровых каналов а в резуль-

тате гидроишачического гашения в свободном пространстве пор Согласно современным представлениям при Ке/>300 гидродинамическое гашение начинается при Ка>1,5 где Ка=0 \51(и ^^Ке,'"3 Ке/=г*7, V и' - среднеквадратичная турбулентная скорость Ь - лагранжев масштаб турбулентности Полагая и =£\\ Ь=с1с, где у=5-5„ скорость свежего газа в поре относительно твердой фазы г - степень турбулентности (для труб £^0,05) с/,. - характерный размер поры, условие гашения пламен Ка=1,5 можно записать в виде

Ие = 4,5/г (Ре/Рг)4'3

Экспериментальные зависимости удовлетворяют соотношению Не~Ре4/3 однако коэффициент пропорциональности различен для разных составов смеси Для обобщения экспериментальных данных было использовано четыре подхода

Первый - это использование экспериментальных данных по пределу распространения для конкретной смеси в данной пористой среде Для учета кривизны, растяжения фронта, эффектов селективной диффузии предлагается следующее уравнение в безразмерной форме Ре=Ре0(1-Ма Ка), где Ре и Ре0 - числа Пекле, построенные на 5„ и 5„0 соответственно, Ма -и8 - число Маркштей-на, Ка=«(5/5„о - число Карловича, 8=к!5,л - толщина фронта пламени Попытка корректировки значения числа Пекле для корректировки расслоения зависимостей Ие(Ре) ярко выраженного в водородо-воздушных смесях приводит к существенному уменьшению расслоения кривых Ие(Ре) по составу Однако бо-

-"»1 пт чч г-1 •пчптлл I л «тчтлпптт I п еЛ т »лг»л ГТТ ЧПП'Г»1|» |ЛИ/ ТАЛ.

ретические, так и экспериментальные данные Предполагается, что в рассматриваемом диапазоне Ре функция (1-Ма Ка) остается постоянной для данной юрючей смеси и конкретной пористой среды 1огда можно записать Рес = Ре„(Ре^/Рс^) = РеД1 - Ма Ка)", где индекс * означает величины на пределе распространения пламени, а индекс с — скорректированное значение Далее, для расчета Рес можно принять в качестве Реэ - экспериментально определяемые значения для данных ПС и ф, а Рсс =65 (универсальное среднее значение д зя большого массива экспериментальных данных) Рес=Рео(65/Ре0 ) Оказалось, что предложенный метод весьма эффективно уменьшает расслоение кривых Ие(Ре) по составу, особенно в области РВС Важно то обстоятельство что согласно физической модели стабилизации пламени в РВС корректируются локальные скорости пламен в критических (предельных) условиях их существования

Второй подход - использование обобщенной зависимости нормированного значения числа Пекле на пределе от состава дтя различных пористых сред и топлнв Проводчтся нормировка значения числа Пекзе, вычисленного по начальным значениям параметров на значения нормированного числа Пекле присущее данному составу смеси Суть второго подхода заключается в том что используется обобщающая большой массив экспериментальных данных зависимость нормированного значения числа Пекле на пределе от состава для раз шчных пористых сред и тогпив Го есть в этом подходе Рсс=Ре0/Ре-ч(а)у)

где ú)\ модифицированный коэффициент избытка топлива, характеризующий состав смеси Применительно к пределу распространения пламени в порисюи

среде такая нормировка обеспечивает выполнение условия Рес = const.

Третий подход — нормировка числа Пекле построенного rio начальным параметрам назначения эффективною числа Льюиса для данной смеси Этот подход полуэмпирический - используются экспериментально-расчетные данные Причем экспериментальные данные не по пределу распространения пламени, как в первых двух подходах, а по динамике распространения ламинарного пламени в закрытом объеме Из обработки данных по динамике ci opa шя смеси при различных составах получаются экспериментально-расчетные зависимости эффективного числа Льюиса от состава Рес-~Ре0/ЬееЯ/^, где LecfI{ф) эффективное число Льюиса, зависящее от состава смеси Применительно к пределу распространения пламени в пористой среде такая нормировка также обеспечивает выполнение условия Рес =consí

10е О)

ее 105

104

W

102

101

I ; v^V' ! :

0 о 15% д 20% V 25% л Qfio/. • 35% » 40% * 46% т 50% Л ¿г

/ V

„О и о к/ 2

л

101

102

Pe/Le,

103101

102

Ре(Л

103

Рис 5 Обработка экспериментальных данных согласно третьему и четвертому подходам

Четвертый подход - теоретический, для обобщения используются априори известные коэффициенты диффузии компонентов горючей смеси Этот подход был использован в гл 2 при обобщении данных по распространению про-пано-воздушных пламен обогащенных азотом и кислородом На основе гипотезы о селективной диффузии можно предположить, что в выпуклых в сторэну свежей смеси пламенах из-за разницы в коэффициентах диффузии топпива и окислителя, легкий наиболее подвижный реагент обогащает зону химической реакции в окрестности лидирующей точки Это приводит к токальному увеличению норматыюи скорости пламени в случае когда он яв шется лимитир.тощим реагентом и уменьшению нормальной скорости когда он находится в исходной смеси в избытке

Общим в этих подходах является переход ог чиста Пекте основанного па нормальной скорости плоского неискаженного пламени к числу Пекле построенному по модифицированной нормальной скорости с учетом чисел Льюиса Кривизна пламени на пределе предполагается постоянной

Далее представлена аналогичная обработка собственных и литературных экспериментальных данных с использованием только двух подходов - эффективного числа Льюиса и учета селективной диффузии На рис 5 приведена аналогичная обработка данных по распространению водородо-воздушного пламени в ППУ Видно, что подход на основе селективной диффузии хорошо обобщает данные по режиму звуковых скоростей и несколько хуже по режиму РВС На рис 6 представлена обработка своих и имеющихся литературных данных по распространению пламени в пористых средах, каналах с препятствиями и многокамерных систем с использованием двух подходов - эффективного числа Льюиса и учета селективной диффузии слева зависимость Ке(Ре/ЬееЯ), а справа Ке(Ре(^0) Видно, что обобщение данных на основе эффективного числа Льюиса приблизило массив данных по бедной 15% водородо-воздушной смеси к линии РВС При этом данные, полученные п метких шарах, целиком попадают на линию РВС

Рис 6 Обработка экспериментальных данных Слева с использованием эффективного числа Льюиса, справа с учетом эффектов селективной диффузии Горение водородо-воздушных смесей в пористых средах из стальных шаров различного диаметра при различных начальных давлениях и составах смеси, содержание водорода, диаметр шара и диапазон начальных давлений 1 -15%, с!ш=2,5 мм (0,20-0,40 МПа), 2 -15%, 5 мм (0,130,40 МПа), 3 -15%, 11,5 мм (0 045-0,40 МПа), 4 - 20%, 5 мм (0,10-0,40 МПа), 5 - 29,6%, 11,5 мм (0,03-0,33 МПа), 6 - 29,6%, 2,5 мм (0,08-0,40 МПа), 7 -50%, 5 мм (0,075-0,35 МПа;, 8 - 50%, 2,5 мм (0,18-0 40 МПа), 9 - 29,6% 12,7, 31,7 мм (0,1 МПа), по данным [101] (1-8), [92] (9) Горение водородо-воздушных смесей в каналах с препятствиями (0,1 МПа) характерный размер 17,5, 22 мм (10), 35 мм (13), 117 мм (14) Горение пропано-воздушных смесей в многокамерной системе характерный размер 24 мм, концентрация пропана 3-6,5%, давление 0,2 МПа (11), концентрация пропана 4% давление 0,02-0,4 МПа (12)

Обобщение данных на основе гипотезы селективной диффузии существенно улучшило схолимость точек для всех экспериментальных условий вдоль линии для РЗС Массив данных по бедной 15% водородо-воздушной смеси немного сдвинутся вправо часть точек попала на линию РЗС Расслоение точек в области РВС и переходной области не увеличилось

Таким образом рисунки 5 и 6 (правые) па большом массиве экспериментальных данных, в различных системах (высокопористые и низкопористые среды, каналы с препятствиями, многокамерные системы), для различных газовых смесей (водородо- и пропано-воздушные) демонстрируют непротиворечивость эксперименту двух гипотез о механизме распространения пламени в РЗС и о влиянии селективной диффузии на распространение пламени в РЗС и РВС Согласно современным представлениям, чувствительность отклика пламени (изменение нормальной скорости) на величину воздействия стрэч-эффекта является функцией параметров, характеризующих идеальное одномерное нерастянутое, адиабатическое пламя Этими параметрами являкнея нормальная скорость, толщина пламени, которые прямо определяются из уравнений распространения пламени, число Зельдовича, и, следовательно энергия активации глобальной реакции, адиабатическая температура и число Льюиса Число Льюиса является параметром глобальной кинетики и как таковое должно извлекаться из отклика пламени на сгрэч В предположении слабой кривизны пламени длина Маркштейна также характеризует чувствительное 1ь отклика пламени к вариации величины стрэча, поэтому эти числа функционально связаны и выражанлем илни ч^-рез л(/> 1

Первые три подхода к обобщению данных по пределу и распространению пламени в РВС, основанные на числах Маркштейна и Льюиса дают б шз-кие результаты и адекватно описывают явления, по-видимому, как вследствие относительно низкой кривизны пламен даже в каналах вблизи критического диаметра (кривизна«Мс!с«5,/к), так и вследствие относительно низкои степени турбулентности, как на пределе (скорость пламени порядка нормальной скорости) так и вдали от предела в этом режиме по сравнению с РЗС

В режиме звуковых скоростей степень турбулизации значительно вы це, следовательно характерные размеры турбулентных молей меньше, кривизна пламен и характерные скорости растяжения выше В этих условиях, по-видимому, изменяегся как функциональная связь между числами Маркштейна и Льюиса так и их влияние на нормальную скорость п имени Однако, пред-потагая универсальность структуры пламени в предельных условиях (гидродинамического гашения) можно ожидать однообразною проявления эффектов селективной диффузии в различных системах Действительно модификация нормальной скорости посредством учета селективной диффузии позволит обобщить большой массив экспериментальных данных Причем параметры в формулах для состава смеси и следовательно для вычисления нормальной скорости оказались одни и те же для всех систем Это еще раз указывает на универсальность сгрумуры п имени на пределе

и о

4 РЕЖИМЫ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ПЛАМЕНИ В СИСТЕМЕ ГАЗ-ЖИДКОСТЬ-ПОРИСТ АЯ СРЕДА

Рассмотрены особенности реализации режима высоких скоростей при наличии жидкости на поверхности пористои среды Экспериментально иссле-довалисъ две жидкости с не очень высоким давлением паров при комнатной температуре Это вода - инертная жидкость с инертными парами и этиловый спирт Спирт имеет близкие к воде характеристики по давлению паров и является горючим В условиях эксперимента давление его паров создаст близкую к стехиометрической гомогенную горючую смесь

Эксперименты с водой проводились на 5% пропано-воздушной смеси при атмосферном давлении Масса воды на поверхности ППУ составляла 10 кг/'м3 или порядка 1% от свободного объема трубы Парциальное давление паров воды при температуре окружающей среды 20°С около 0,002 МПа Оказалось, что вода снижает, как скорость распространения пламени (с 2,2 до 1,7 м/с), так и максимальное давление взрыва (с 0,015 до 0.009 МПа) для сухой и смоченной систем, соответственно Снижение максимального прироста давления обусловлено увеличением теплоемкости системы за счет дополнительной теплоемкости воды в жидкой фазе на поверхности Г1ПУ Снижение скорости пламени, удовлетворительно объясняется снижением среднего гидравличе-сюго диаметра й перового пространства за счет воды на поверхности и разбавлением газовой смеси парами воды

Нары этилового спирта с воздухом создавали юрючую газовую фазу при начальных условиях по температуре и давлению Опыты проводили при температуре 22,0°С и 22,8°С Соответственно равновесная концентрация паров этилового спирта была 6,7% и 7,0% Скорость распространения пламени в этих у словиях оказалась равной 1,2 м/с, что значительно ниже скорости пропапо-воздушных смесей в сухом ППУ (2,2 м/с) и даже смоченном водой (1,7 м/с) Прирост давления, однако, выше, чем в пропано-воздушных смесях 0 022 МПа при /-22 0°С и 0 024 МПа при (=22 8°С

Таким образом скорость распространения пламени в режиме высоких скоростей в трехфазных пористых средах того же порядка, что и в двухфазных порядка 1 м/с Величина конечного давления в трехфазной системе может быть ниже чем в двухфазной, а может быть и выше Конечная температура, а следовательно и давления зависят от теплоты испарения теплоемкости и массы жидкости

Стационарный испарительно-диффузиочный низкоскоростной режим горения реализуется в области начальных параметров исключающих образование горючей газовой смеси в равновесных условиях Так как необходимая для горения смесь образ)ется в процессе самого горения г результате испарения жидкости и смешения паров топ шва с окислителем то можно ожидать что на процесс горения оказывают существенное влияние теплофизические характеристики ПС и топлива

Опьпы проводи 1И в закрытой лермоиатированной вертикальной квадратной трубе длиной до 2 м шюлненнон ПС смоченной н-октаном Вкачест-

ве ПС использовались пористый материал из алюминиевой фотьги (ФПМ) толщиной 51 или 77 мкм с одинаковой структурой но различной плотностью (25 4 и 37 8 ю/м"*) Обьемная теплоемкость одной была 22 9 кДж/(\^К) а другой - 34 4 кДж/(м'К) ППУ с объемной плотностью 22 кг/м', засыпка из стальных полированных шаров диаметром 8 мм с плотностью 4700 кг/м3 В качестве топлива использовался н-октан Инициирование горения производилось нм-пульсно нагреваемой нихромовои спиралью, смоченной н-октаном

Среднеквадратичное отклонение в величине скорости от среднею значения находится в пределах 6- 10% Стационарность наблюдается на фоне небольшого роста давления по мере распространения фронта горения от точки инициирования до конца трубы и имеет место во всем диапазоне существования процесса от одного предела распространения до другого при данной начальной температуре

р , МПа

о

Рис 7 Распространение пламени в фольговой пористой среде, смоченной н-октаном 1 - зависимость концентрации топлива (правая ось ординат) от начального давления, 7"0=27°С 2 - зависимость скорости распространения пламени (левая ось ординат) от начального давления, светлые символы - плотность пористой среды 25,4 кг/м3, темные символы - 37,8 кг/м3 3 - стехиометрическая смесь Области реализации режимов 4 - ламинарного пламени в свободном пространстве, 5 - режим высокой скорости, б - испарительно-циффузионный режим

На рис 7 приведена зависимость скорости распространения пламени 5 от нача ¡ьнего давления р( При термодинамическом равновесии каждому начальному давлению соответствует определенный состав газовой фазы отвечающий парциальному давлению пара жилкости при чанной температуре г)то1 состав

1А

смеси рассчитанный лля н-октана также приведен на рисунке Линия 1 представляет собой гиперболу с=р/Т„)'р„ соответствующую линии насыщенных паров в координатах концентрация паров (с, правая ось ординал) - начальное давление паровоздушной смеси (р^ ось абсцисс) На рис 7 отмечены пределы распространения пламени н-октана с воздухом в свободном пространстве (диапазон давлении и концентраций 4) и в режиме высоких скоростей (диапазон 5), соответствующие данным экспериментальным условиям Из рисунка видно что в рассматриваемой системе реализуются два принципиально разных режима горения режим высокой скорости в области р0~0 08-0,17 МПа (1 25%<с<2,65%) и испарительно-диффузионный низкоскоростной режим в области рё= 0 17-0,55 МПа (0 38%<с<1 25%) В области РВС зависимость скорости пламени от состава смеси имеет типичный для этого режима куполообразный вид с характерным сдвигом 5„„„ в сторону богатых смесей Низкоскоростной режим горения реализуется не только за пределом РВС (с<1,25%) но и за пределом распространения пламени в свободном пространстве (с<0,9%) Переход от одного режима к другому при изменении р0 происходит непрерывно Скорость пламени в ИДНСР на 1 - 2 порядка ниже чем в РВС, и имеет величину 3-10 см/с

Исследование влияния теплоемкости на скорость проводились на двух-пористых средах одинаковой структуры - ФПМ Оказалось, что при одной и той же геометрии ПС. но при разных объемных теплоемкостях скоростные характеристики процесса горения практически не отличаются ни в области

■ > Т ~ 1 1 - т Т Т /'41 ' \ _ г~ - . ........... — --------.. _______ .. _

1 11П « ии I XI ПД11Ы / ! и I и и ши^иш» миишыи »ч*

начальных температур и давлеггий Скорость не зависит от объемной теплоемкости (при изменении в 1,5 раза) в диапазоне Г0=18-39°С и р0=0,07-0,7 МПа

Однако область распространения пламени в условиях ИДНСР уменьшается с увеличением теплоемкости при одной и той же структуре ПС Область распространения пламени в РВС при тех же условиях не изменяется Если увеличить объемную теплоемкость па два порядка (стальные шары), то область ИДНСР исчезает Оценки показывают, что при температуре пламени Т/,^2000 К Г„=300 К р0=0,1 МПа прирост температуры на поверхности ПС из стальных шаров менее 1 К Поэтому элементы ПС не успевают прогреваться в зоне п гамени, такой незначительный прогрев пленки н-октана не даст концентрации паров топлива, необходимой для распространения волны горения

Влияние теплопроводности ПС на скорость распространения пламени в испари те льно-диффузиошгом режиме исследовалось в пористых средах с близкими объемными теплоемкостями и пористостью но на три порядка отличающимися коэффициентами теплопроводности материалов ППУ и ФПМ Экспериментально показано что это различие в пределах экспериментального разброса не сказывается на скорости распространения пламени

Таким образом, в инертных ПС смоченных топливом, реализуются два принципиально разных режима горения режим высоких скоростей и испари-гстьно-диффу знойный низкоскоростной режим

5 РЕЖИМЫ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ПЛАМЕНИ НАД ПЛЕНКЙ ТОПЛИВА НА ПОДЛОЖКЕ

Рассмотрено распространение пламени над пленкой топлива на пол юж-ке Эта система представляет самостоятельный интерес а также является модельной для изучения распространения пламени в пористых средах, смоченных топливом При экспериментальном изучении процесса горения широко варьировать теплофизические свойства пористых сред затруднительно Поэтому с целью расширения методологических возможностей и в частности, раздельного изучения влияния теплофизических свойств системы и реакнионьой способности топлив была выбрана новая модельная система "пленка жидкого топлива на металлической подложке Эта система также является моделы-ой для изучения процесса распространения пламени над поверхностью горючих материалов (дерево, пластик и т п ) Выявлены режимы распространения пламени в системе 'пленка жидкого топлива на металлической подложкеизу че-ны параметрические зависимости скорости распространения пламени

Опыты проводились на воздухе при атмосферном давлении и, в большинстве случаев, при комнатной температуре на образцах подложки представляющих собой полосы фольги постоянной ширины и толщины Полоса металлической фольги закреплялась вертикально или ее положение фиксиэо-валась под определенными углами относительно вектора силы тяжееги На подложку наносилась пленка топлива либо с одной, либо с двух сторон Зажигание ппоичволилось открытым пламенем или электрической спиралью В качестве подложек использовались фольги из меди, алюминия, ниобия, молибдена. латуни, железа, толщиной /г(=7~120 мкм, различной ширины 1-350 мм и длины 0,3 -6м Коэффициент температуропроводности металлов изменялся в пределах ч;—0,2—1,1 см2/с

В экспериментах в качестве топлив использовался ряд нормальных алка-нов (С„Н2п+2) октан (п=8), нонан (п=9), декан (п=Ю) ундекан (п=11), додекан (п=12) тридекан (п=13) гексадекан (п=16) октадекан (п= 18) спирты этанол н-бутанол и другие горючие жидкости При комнатной и более низкой температуре почти все эти вещества являются жидкостями тибо твердыми веществами при температуре окружающей среды ниже точки птавления Т„, Например, тридекан Т„~ - 5 37°С, гексадекан 7"„,=18 8°С октадекан Т„=28 2°С Коэффициенты температуропроводности жидких топлив см'/с

Толщина пленки топлива определялась по массе жидкости нанесенной на фольгу известной площади с точностью 10% Характерные величины толщины пленки 5-12 мкм Для сравнения - толщина пленки топлива на поверхности ПС в условиях ИДНСР порядка 10 мкм, при толщине фольги порядка 50 1км и толщине нити ППУ порядка 200 мкм

В термически тонкой системе из-за быстрого теплообмена между слоями опреде тяющую роль игра ют эффективные теплофизические параметры и параметры компонентов системы Температуропроводность системы опреде л? ет-ся гак к, ={ЛГЬГ ь !рГИг + где / - коэффициент теплолро-

водности с - удельная теплоемкость р - плотность индексы / и 5 относятся соогвекгвенно к житкому топливу и твердой подложке

На рис 8 представлены зависимости скорости распространения пламени от угла наклона плоскости фольги к юризошу для различных топлив Опыты проводились на полосе медной фольги толщиной 45 мкм и шириной 40 мм Пламя ундекана распространяется во всем циапазоне углов Таким образом, в диапазоне «=0-90° пламя движется вверх по верхней стороне фольги со скоростью которая возрастает при увеличении у[ла а В области сг=90°-180° скорость пламени, движущегося вверх по нижней стороне фольги уменьшается при увеличении а Во всем диапазоне углов длина светящегося пламени несколько флуктуирует но средняя величина длины остается постоянной при данном а Тенденции ускорения или замедления пламени отсутствуют Эти факты позволяют отнести режим горения к квазистационарньш Пламена более тяжелых топлив распространяются не во всем диапазоне а Пламя додекана не распространяется в диапазоне значений 233°<о<300°, то есть в некоторой части диапазона сверху вниз Пламена тридекана не распространяются даже и в некоторой части диапазона снизу-вверх а<7,5° и сг> 170° Пламена гексодекана не распространяются в еще большем диапазоне Ж16,5° и «>164°

360

Рис 8 Зависимость скорости пламени предельных углеводородов оаспоостоаняющихся с одной стороны подложки от а 1- ундекан, 2 - додекан, 3 -тридекан, 4 - гексодекан Схема распространения пламени представлена на диаграмме в верхнем правом углу рисунка Пламя не распространяется в диапазоне значений а для додекана 233°<а<300°, для тридекана а<7,5° и а>170°, для гексодекана а<16,5° и а>164°

Таким образом как по величине скорости, так и по пределам распространения пламени можно выделить два предельных случая распространения пламени по вертикальной полосе фольги Первый случаи - распространение пламени снизу-вверх ему соответствует режим свободно-конвективного распространения В этом режиме горят даже тяжелые топлива Второму преде По-иому случаю - распространению пламени сверху вниз соответствует режим низкой скорости Из рис 8 видно чю в лом случае скорость слабо зависш от величины а

При распространении пламени снизу вверх тамя представляет собой вытянутый вверх шлейф между которым и подложкой находится испаряющаяся пленка топлива Высота этого шлейфа (пламени) зависит ог вида тогли-ва, ширины и толщины подложки В процессе распространения пламени его высота и форма постоянно флуктуируют, что обусловлено свобохно-конвективным характером движения горячего газа Величина стандарт! ого отклонения скорости пламени <т„ для изученных топлив зависит от угла наклона подложки а и, соответственно, от диапазона значений скоростей пламени Максимальные значения а, =0,17-0,27 наблюдаются при значениях ог=40°-85° При а<40° и а>85° величины <т„ уменьшаются до 0,08-0,18

Оценим количество тепла 2, необходимого на нагрев до температуры Г, (равной тон температуре, при которой вбтизи поверхности образуются пары топлива стехиометрическои концентрации) и испарение единицы плошали пленки в системе фольга-пленка О=с5р5/?/Г1-Г0)+с/р/гД/,,-Г0)+/г/'/^д, здесь первый члстг отвечает за нагрев фольги, второй - нагрев пленки, а третий за ее испарение Оценки показывают, что даже для самой тонкой фольги (22,5 мкм) первый член составляет 66%, второй 10%, а третии 24% Зависимость комптек-са от ширины подложки, полученная из экспериментальных данных по методу наименьших квадратов соответствует уравнению и£)=24,23м'° Из этого уравнения следует, что скорость обратно пропорциональна О и растет с ширинои подложки приблизительно как корень кубический Так как наибольший вклад в О вносят первые два члена правой части уравнения, то можно сказать, что для данного материала скорость пламени обратно пропорциональна теплоемкости системы с^И^+с^р/^и разности температур (Тг-Т0) Обрабо1ка данных по скорости рис 11 при а=90° по методу наименьших квадратов также дает зависимость ы~(Т,-Г0)'1 При м'=сопзт, и~2'1~{Тг-Т0у1

Известно, что над открытой поверхностью горючей жидкости пламя может распространяться со скоростью порядка нормальной скорости пламени в гомогенной газовой смеси паров этой жидкости с воздухом Это происходит при температурах выше температуры 'вспышки . т е выше нижнего температурного предела Этот режим наблюдался в наших экспериментах с пленкой этанола на верхней стороне горизонтально расположенной медной фольги толщиной 60 мкм Скорость распространения пламени в этом случае ~70 (м/с Поскольку этот режим по механизму распространения аналогичен ламинарному пламени, его можно назвать высокоскоростным кондуктивным Он аиало-1 ичен режиму высоких скоростей в пористой среде

Из рис 8 видно, что скорость пламени в диапазоне 200-360° практически не зависит от угла наклона фольги Для разных топлив и фольг скорость пламени находится в диапазоне 1 5 -5 см/с В этом случае реализуется иизкоско-ростой режим Скорость пламени сохраняется постоянной (с точностью до 2%) на образцах длиной до 6 м Это означает, что структура волны горения поедставляет собой неизменную во времени совокупность фазовых темгера-турных концентрационных и других профилей

Рис 9 Качественная структура волны горения а) вид сбоку, Ь) вид спереди 1 - фронт пламени, 2 - кромка пламени, 3, 4, 5 - клин топлива, валик, "пальцы" топлива,

6 - пленка топлива,

7 - металлическая подложка

а Ь

В структуре пламени можно выделить следующие характерные элементы (рис 9) фронт пламени (1) с кромкой (2), клинообразный участок жидкости (3), "валик" жидкого топлива перед кромкой пламени (4), "пальцы" топлива перед валиком жидкости (5) Кромка пламени - ровная прямая линия, перпен-ттч1^угттлт»а_сг 1м гтяпппп^ттьиым ь-пяом полгтожки ТТерел кпомкой пламени

имеется некоторое утолщение пленки жидкости - "валик" (3) длиной 10-15 мм Перед валиком располагается зона течения с неровной передней кромкой в виде "пальцев" длинои ~50 мм и ширинои ~5-7 мм (5) За кромкой пламени, под зоной свечения, находится клинообразный участок жидкости (3) длиной 110 мм

Для этого режима исследовались параметрические зависимости скорости пламени от толщины подложки для одностороннего и двухстороннего пламен, от начальной температуры ширины подложки Скорость пламени уменьшается при увеличении толщины подложки Этот результат качественно согласуется с данными по распространению снизу вверх

Аппроксимация полученных данных методом наименьших квадратов дает зависимость а-й/0 45 Видно что эта зависимость значительно слабее, чем при распространении пламени снизу-вверх Оказалось что в отличие от

свободно-конвективного режима скорость пламени для подложек ширинои более 20 мм не зависит от ширины а для меньших значении она растел

Исследовалась зависимость скорости пламени от начальной температуры Тц для различных предельных углеводородов С увеличением Т0 скорость пламени увеличивается С понижением Ти достигаются условия при которых горение невозможно наблюдается предел по Г0 Зависимость скорости распространения пламени от разности (Т,-Т0) имеет вид и=9 48(7", Т0) 0 ,2 Она оказалась значите гьно более слабой чем в свободно-конвективном режиме где показатель равен -1 Различие зависимостей указывает на то что механизм

распространения тамени в низкоскоростном режиме иной чем в свободно-конвективном режиме Несомненно, что и в том и другом механизме распространения пламени важную ропь шрает нагрев системы до температуры Г, и испарение топлива В области высоких значений Г,-Т0, вклад в величину (2 затрат на испарение ниже, а в области малых значений Ту-Т0, важную роль может играть значение давления паров при начальной температуре их диффузия от поверхности в окружающее пространство, затраты тепла на испарение Поэтому в этой области зависимость скорости от Т„-Т0 более слабая, п>-0,5

Записи температурного профиля в подложке, свечения из зоны пламени, снимки оптической неоднородности теневым методом свидетельствуют о наличии достаточно протяженной (около 20 мм) зоны подогрева в фольге Обработка экспериментальных данных по Г-профилю показывает, что в зоне подогрева температура подложки следует уравнению Т-Т0 ={Т, —Т0)ехр(11х/к,) Здесь Т- - температура, выше которой прямолинейность в координатах ^(Т-Тв)-х нарушается Эта точка является точкой перегиба в экспериментальной зависимости (Т-Т0) от (х) Величина г., определяемая из эксперимента по этому уравнению хорошо согласуется с рассчитанной Это означает, что продольная передача тепла по котщенсированной фазе - доминирующий тепловой процесс перед фронтом пламени Продольная передача тепла по газу, а также затраты тепла на испарение топлива пренебрежимо малы Линейный участок не деформируется нри изменении угла наклона а в широких пределах

Ппоцесс распространения пламени в режиме низкой скорости осуществляется следующим образом Тепло из зоны горения по подложке передастся вперед Подложка подогревает жидкое топливо Над жидкостью образуются пары топлива с парциальным давлением, соответствующим температуре жидкости и подложки Парциальное давление паров растет по мере приближения к кромке пламени У кромки пламени температура конденсированной фазы такова, что возможно образование стехиометрическои смеси с воздухом За кромкой пламени температура подложки продолжает расти, увеличивая скорость испарения жидкости Наконец, на некотором расстояггии от кромки при температурах ниже температуры кипения достигается полное испарение топлива

Рассмотрено одномерное распределение температуры в термически тонкой системе подложка-топливо при распространении пламени Структуру полны горения представлена состоящей из двух зон Начало координат в точке с температурой Г, В системе отсчета связанной с движущимся пламенем, газ и подложка со слоем топлива набегают на пламя с постоянной скоростью и вдоль оси х Слева от начала координат в первой зоне нет пламени а справа, во второй зоне находится пламя Уравнение распространения тепла в такой системе имеет вид

с1Т сР~Т

ос

< V

Здесь Т- температура системы па линии с координатой г Т, Г: - температура окружающей среды на соответствующей стороне подтожки «-коэффициент конвективного теплообмена В зоне перед пламенем счшаем что I/=Т2=Т0 где Т0 - температура окружающей среды В зоне за кромкой пламени для одностороннего пламени ТрТь где 7/, температура пламени а Т7= 70 то еегь пламя с одной стороны подложки нагревается продуктами сгорания а с другой стороны охлаждается окружающей средой Для двухстороннею пламени 1 ,=Т2-ТЬ Тогда для предпламенной зоны решение имеет вид

Т(х) = Т0+(Т% -Т0)ехр(Л,х) Для зоны нагрева продуктами сгорания решение имеет вид

Т(Х):

Ть+То

-2 Т

-ехр(л х)

2 2

Из равенства потоков тепла на границе зон, получено уравнение для скорости пламени и, из колорого следует формула для скорости распространения пламени в термически лонкой системе

+ Т —1Т

и -

Т-Тп

ЪРА+С/Р/Ь/

Можно показать, что зависимость скорости от толщины подложки имеет максимум

Рис 10 Корреляция измеренной скорости иех и ее вычисленных значений ис 1 - Мо, 2 - ЫЬ, 3 -'сталь, 4 - А1, 5 - Си Светлые символы топливо -н-бутанол, темные - н-ундекан

На рис 10 приведена обработка первичных данных Для каждой точки значения откладываемые по оси абсцисс вычислялись по приведенной выше формуле а по оси ординат откладывались экспериментальные значения скорости Видно что точки удовтегворпте 'ыю группируются вблизи прямой и1Х=ис для подложек различной температуропроводности толщины дтя различных

топлив Несколько хуже распота! аются точки относящиеся к подложке из вещества с низкой температуропроводностью - ниобия

Предполагая что механизм распространения тамени в фотьговой пористо» среде тот же что и на одиночной полосе фольги проведена обработка экспериментальных данных также, как на рис 10 Оказалось, что точки удовлетворительно группирутотся вблизи прямой иа=ис Таким образом, можно сделать вывод, что предположение о том, что механизм распространения пламени в пористой среде тот же, что и на подложке в свободном пространстве не противоречит эксперименту

Если па поверхностях подложки находятся различные топлива то в зависимости от их физико-химических свойств возможны различные режимы и скорости распространения пламени Распространение двухстороннего пламени можно представить как движение некоторого модельного комплекса, состоящего из пяти зон В первой и пятой зонах тепловой поток направлен от конденсированной фазы в газовую, это теплопотери В зонах 2 и 3 (область первого пламени) происходит основное химическое превращение в ведущем пламени, зоны 3, 4 - это область ведомого пламени Эта структура пламени весьма устойчива Следует отметить характерный сдвш в расположении кромок ведущего и ведомого пламеп АЛ Сдвиг также как и скорость и остаются постоянными, как в течение одного опыта, так и от опыта к опыту для дайной пары топлив Максимальным значениям ЛЬ отвечают наиболее удаленные по п пары тонлив в гомологическом ряду алканов

Оонаружен ряд нссюциииорптл р^/лЬтоо, тс ест:. с уи^сн-"'"

разного рода колебаний При этом скорость распространения пламени в среднем постоянна, но механизм распространения, отличается от механизмов, рассмотренных выше Наблюдалось четыре колебательных режима, соответствующие двум видам колебательных процессов при распространении пламени над подложкой - поперечным и продольным пульсации фронта пламени Это -следующие режимы горения с поперечными хаотическими пульсациями с регулярными поперечными пульсациями спиновое горение и режим горения с продольными пульсациями пламени

Большое число стационарных и колебательных режимов должно свидетельствовать о многообразии механизмов распространения пламени Однако наряду с принципиальными различиями и специфическими особенностями эти режимы имеют некоторые общие закономерности Прежде всего можно отметить. что принципиально отличаются механизмы распространения в высокоскоростном (ВР) и низкоскоростном стационарных режимах горения (НР) Механизм распространения пламени в ВР близок к механизму распространения ламинарных пламен, т е включает кондуктивно-диффузионные газофазные процессы передачи химической реакции Поэтому скорость распространения порядка величины нормальной 5„ или видимой ¿"^„Е, скорости пламени Механизм распространения пламени в НР связан с передачей тепла по метал-шческои подтожке Вс юдегпие этою скорость пламени мата порядка 1 см/с

Механизм распространения очагов горения во всех колебательных режимах один и тот же а именно ВР Разница возникает в схемах инициирования

¿2 3

колебательных режимов и способах создания горючей смеси над подтожкой Поскольку во всех случаях колебагсп.ных режимов стационарный НР невозможен. то необходимы пули повышения реакционной способности В колебательных режимах горения это достигается использованием тепла продуктов ранее аоревшего топлива при горении на последующих иадиях с длительной задержкой те рекуперация лепла

6 ПРИКЛАДНЫЕ АСПЕКТЫ ГОРЕНИЯ ГАЗА В ЗАКРЫТЫХ СОСУДАХ

Рассмотрены некоторые прикладные аспекты горения в закрытых сосудах Проведенные исследования позволили сформулировать новый способ взрывозащиты закрытого оборудования - пассивное снижение средней температуры продуктов взрыва

Для расчета конечного давления проводилась оценка равновесной температуры после горения в трехфазной системе, сравнение с экспериментом В этой серии экспериментов по измерению температуры и конечного давления в качестве горючей жидкости использовался н-октан В качестве пористой среды - 11ПУ Измерялись текущее давление и температура Варьировалось начальное давление т аза в системе (воздух + пары н-октана)

Уравнение теплового баланса для этой системы имеет вид

Рг,„ К с-а,1р, ЯТ0 )

Г1-игР1(Т0)/ЯТ0р1 МгРгО\) РгР/ТпУ

)-/и/Р](ТЛК1,р, ЯТе ЯТ0 }

Здесь Ооб - тепловой эффект единицы объема смеси при начальной температуре и стандартном давлении рс,„, индексы я, Ь /относятся к твердой фазе, жидком1» и газообразному топливу Это уравнение позволяет найти конечную температуру Те Оценки членов в нем показывают, что для условий экспериментов зависимость температуры от начального давления в этой области начальных давлений воздуха будет близка к линеинои

В табл 3 представлены экспериментально измеренные значения температуры и теоретически рассчитанные значения конечного давления и температуры Видно, что теоретические и экспериментальные значения температуры близки Однако измеренные значения конечною давления значительно отличаются от значении рассчитанных теоретически Во всех экспериментах относительное конечное давление бт I то 1 27-1 28 что значительно ниже рассчитанного Кроме того не наблюдалось тенденции роста этого давления с ростом начального давления, как это типично при распространении пламени в закрытом сосуде с высокопористой средой в режиме высоких скоростей

г

Таблица 3

Сравнение эксперимен га и расчетов по температуре и давлению

Ро МПа 0 184 0 204 0 224 0 244

г„ °с 22,5 22 6 23 2 23,5

Те-Т0 эксп 65 73 79 86

Те-Го, теор 69,5 76,5 83,5 90,5

р/1с), Ю'Па 0,41 0 52 0,58 0 72

^ см/с 9,5 6,1 5,5 4,7

птеор 1,53 1,62 1 67 1.77

Увеличение измеренной температуры с ростом давления свидетельствует об эффективном, стехиометрическо II сгорании топлива, испаряющегося с поверхности пористой среды Оценки сделаны в предположении полного выгорания, и отсутствии теплопотерь Предположение об отсутствии теплопотерь справедливо при измерении температуры Показания сняты непосредственно после прохождения волной горения термодатчика Однако это предположение совершенно несправедливо для термодинамической системы в целом В данном испарительно-диффузионном режиме волна горения распространяется на 1-2 порядка медленнее, чем в режиме высоких скоростей Поэтому большие теплопотери снижают конечное давление На рис 11 приведена типичная осциллограмма давления при распространении пламени в испарительно-диффузионном низкоскоростном режиме Вначале, после зажигания, по мере раенроецмненил вшшш шртни д^олс^пс растет, гс сереет;. роста дарения

Рис 11 Зависимость текущего давления и пройденного пламенем расстояния от времени Пористая среда ФПМ о =37 8 кг/м3 + октан 15 кг/м3 Начальные давление 0 26 МПа температура 24 2°С

По мере распространения птамени увеличивается площадь контакта про-I ретои пористой среды и хо юднои стенки трубы скорость ох ижления нарас-

тасг а скорость теплоприхода ввиду постоянства скорости волны горения остается постоянной Точками на осциллограмме отмечены моменты прохода пламенем фотодиодов Характерный изтом в конце записи давления означает окончание процесса горения По спаду давления видно, что скорость охлаждения достаточно высока В этих условиях, естественно система не может развить предсказываемые теоретически давления

Расчет конечною давления в такой трехфазной системе имеет смысл сравнивать с экспериментом при распространении пламени в РВС Эксперимент проводился в этой же ПС при начальном давлении 745 мм рт ст и начальной температуре 20,1°С (соответствует стехиомефнческому составу) В этом случае скорость пламени почти на порядок выше и поэтому теплопотери за время процесса были значительно ниже Дав 1ение в системе постоянно растет прирост давления за время процесса горения 0 026 МПа, расчет с учетом испарения топлива изменения числа молей в 1азовой фазе из-за химической реакции и частичной конденсации воды из продуктов сгорания дает прирост О 029 МПа, согласие удовлетворительное

Изменение числа молей в газовой фазе может быть обусловлено не только уравнением химической реакции но также и наличием жидкой фазы до или после сгорания Рассмотрена задача о конечном давлении при возможности конденсации воды из продуктов сюрания Какая часть воды сконденсируется, и будет ли это происходить в конкретных условиях, зависит от соотношения между величиной парциального давления паров воды в продуктах реакции, то рг-тц о! упяпнения реакции и равновесного давления ггаров воды при конечной температуре системы Если равновесное давление паров при Те выше парциального давления в продуктах, то конденсации не будет и конечное давление определяется по уравнению теплового баланса, причем величина тепловою эффекта в уравнении должна быть низшей В противном случае часть воды сконденсируется, и давление паров воды станет равновесным, при этом допол-

Рис 12 Зависимость парциального давления паров воды в продуктах сгорания от начального давления стехиометрической метано-воздушной смеси при равновесном значении температуры в пористых средах 1 - ППУ, 2 - стальные шары, а также значение равновесного давления паров в этих условиях, 3 - ППУ, 4 -СШ

На рис 12 представлена зависимость парциального тавления паров воды в продуктах сгорания от начального 'давления стехиочетрнческои метано-

нительно выделится теплота конденсации

во ¡душной смеси при равновесном значении температуры в различных ПС В пизкопористой среде или в высокопористой среде при низких начальных давлениях 7УТЯ«1 кривые 1 2 близки и линейны С повышением начального давления смеси это отношение растет быстрее в высокопористой среде В низкопористой среде рост слабее - кривая 2 Кривые 3 и 4 - это значения равновесного давления паров водырщ(Т,^ в каждой из систем

Таким образом, видно, что для ППУ во всем диапазоне начальных давлений парциальное давление воды всегда ниже равновесного Это означает, что конечное давление всегда будет выше начального Для низкопористой среды из стальных шаров выделяются три области До точки А равновесное давление выше парциального и значит конечное давление будет выше начального Это обусловлено тем, что при низких начальных давлениях будет, естественно, и низким парциальное давление воды в продуктах ниже равновесного При давлениях правее точки А с ростом начального давления разность между парциальным и равновесным давлениями сначала растет, что обусловлено почти линейным ростом парциального давления с ростом начального, при относительно слабом увеличении равновесного давления, так как температура растет достаточно слабо (отклонение от линейности кривой 2) В этой области происходит конденсация части воды и конечное давление внутри этой области ниже начального Но затем с увеличением начального давления и ростом равновесной температуры равновесное давление паров экспоненциально растет, разность становиться меньше и в некоторой точке В разность меняет знак Видно, что для низкопористои среды ли диет ш «с 1 с* при ичСпо ал:..

давлениях

Для ответа на вопрос возможно ли горение в высокопористой среде с понижением давления и переход через точку В в области умеренных давлений была построена зависимость равновесного давления паров воды от конечной температуры системы Оказалось, что для сгехиометрических смесей метан-воздух и пропан-воздух парциальные давления лежат ниже кривой насыщенных паров Следовательно в этих системах при любых начальных давлениях и обусловленных ими, разогревах вода не будет конденсироваться Конечное давление будет выше начального, тепловой эффект - низший Оказалось, что для с1ехиометрической и бедной 15% смесей водорода с воздухом существует область начальных давлений (А-В), в которой парциальное давление выше равновесного, и в которой будет происходить конденсация паров воды, конечное давление может быть ниже начального На рис 4 представлена динамика сгорания смеси в такой водородной системе

Эффективность защиты технологических помещений от аварийного роста давления в здания и аппаратах с помощью легкосбрасываемых конструкций и разрывных мембран зависит от правильности расчета проходных сечений Ото в свою очередь, зависит от правильности оценки повышения давления при сгорании какого-либо количества вещества В литературе как правило рассматриваются случаи сгорания гаю- и пьпевоздушных смесей и недостаточно исследованы случаи загорания энергетических материалов

Эксперименты проводились в гер\тетичном сферическом сосуде объемом Г=1 14 м! с образцами пироксилинового пороха Образцы помещались на дно сосуда в специальном контейнере с теплоизолирующими стенками и открытым для выхода продуклов сгорания верхом Зажигание осуществлялось нагревом нихромовой спирали Использовались образцы с массой т=30 и 60 г Регистрировалось текущее давление Перед опытом сосуд с образцом вакууммиро-вался и заполнялся газом до давления 0,1 МПа Использовались газы аргон, азот, водород воздух пропан Полученные результаты представлены в табл 4

Таблица 4

Сводка экспериментальных данных по горению пороха в различных атмосферах

Газ Аргон Азот Водород Воздух Пропан

У 1,67 1,40 1,40 1,40 1,13

т, г 30 30 30 60 30 60

Ар, МПа 0,025 0,016 0,014 0,028 0,060 0,014

Здесь Др - прирост давления в сосуде при сгорании образца. у~сус, - отношение теплоемкостей используемого в сосуде газа при постоянном давлении и постоянном обьеме Видно, что прирост давления пропорционален массе сгоревшего вещества (данные по водороду) и существенно зависит от ^окружающего газа При ^=1,4 для атмосфер азота и водорода приросты давления близки, а для воздуха значительно выше

Экс:гр' "г'гталы.ь'е зпаче1*"0 по^т'ше"1**1 "яппрпня к возл'ухр ппслстав-лены средним значением Разброс данных находился в пределах 3% Визуально при горении в воздушной атмосфере наблюдается значительно больший объем светящихся продуктов горения, чем во всех остальных атмосферах

В основу оценок величины повышения давления в сосуде положена следующая физическая модель процесса сгорания пороха После зажитапия в точке процесс быстро распространяется на всю свободную поверхность образца и далее горение распространяется вглубь образца Оттекающие пролукгы горения пороха с ур~ 1 2 совершают работу адиабатического сжатия газа окружающей атмосферы Рассмотрены два етучая Первый - продукты горения не смешиваются с окружающим газом Второй - продукты интенсивно перемешиваются с окружающим тазом Кроме предположения об адиабатичности, в соответствии с условием о малости заряда в единице объема (массы пороха в сосуде) предполагается что в случае смешения число мотеи перемешанных газов значительно больше числа мочей пороховых газов

В соответствии с этими подходами записан ряд балансных соотношении для внутренней энергии газа и пороха и получены формулы для прироста давления

В отсутствии смешения имеем 1 — /¡У? {ур ~

Во втором с ту чае то есть при полном смешении пороховых газов с газом окружающей атмосферы уравнение баланса энергии примет вид

nt -1 = {у-l)E(,im/(J!?0J/ ) Из этих уравнений видно что при одинаковых комплексах Edlm/(p(ll/) характеризующих свойства пороха и условия сжигания они дают различные оценки повышения давления При у>ур первое уравнение дает заниженные оценки, по сравнению со вторым уравнением и наоборот Полученные оценки быти уточнены для условий эксперимента с учетом неполного смешения газов (смешивалась доля к атмосферных газов)

WW') = к - 0/(/ -[l - (1 - ] [V(r„, - 0-Vir - 0]

Для значения ^=0,3 получено совпадение экспериментальных и расчетных данных для значения Еси~1,8 106 Дж/ki для атмосфер аргона, азота и пропана. для атмосферы водорода расчет завышает значения Ар Это объясняется тем, что для атмосфер аргона, азота, воздуха и пропана условия смешения пороховых газов с атмосферными газами аналогичны Наряду с вынужденным потоком оттекающих пороховых газов в этих атмосферах возможны свободно-конвективные потоки, обусловленные разностью плолностей горячих продуктов сгорания и холодных атмосферных газов Отклонение в величине Ар для воздуха объяснется химическои реакцией догорания В атмосфере водорода плотность горячих газов выше, чем у водорода и поэтому условия смешения хуже из-за отсутствия свободной конвекции Поэтому при равном тепловыделении повышение давления в атмосфере водорода ниже, чем в других более плотных атмосферах с тем же значением у Можно предположить, что в усло-rwítv митпгпяяитяпии из-за отсутствия свободной конвекции повышение давления лакже будет ниже для всех атмосфер с у>ур и наоборот выше при у<ур Аналогичных результатов можно ожидать в частных случаях сгорания со сниженными возможностями смешения пороховых и атмосферных газов

Проведен обзор существующих методов и способов взрывозащиты закрытых объемов Научно обоснован новый способ взрывозащиты закрытых объемов - посредством пассивного снижения среднеобъемной температуры продуктов взрыва использующий обнаруженные явления стационарного распространения пламени в пористой среде в режиме высокой скорости и снижение средней температуры в защищаемом объеме без гашения пламени и массообчена с внешней средой

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

Основные результаты работы состоят в следующем

1 Обнаружено новое явление - неполнота выгорания свежей смеси вдали от предела распространения пламени в пористой среде Дано объяснение этому явлению

Выявлены два типа динамики взрыва в закрытом сосуде с инертной пористой средой Первый тип - взрыв в "большом" сосуде Это квазистационарный процесс Волна горения распространяется с постоянной скоростью В процессе распространения волны происходит рост или падение давления в сосуде Второй тип - взрыв в "малом" сосуде Это нестационарный быстропротекэющий (по сравнению с ламинарным горением и первым типом динамики) процесс с отно-

сительно высокими максимальными развиваемыми давлениями, зависящими ка.; от характерного размера элемента пористой среды, так и от размера сосуда

Ввиду принципиальной научной важности и прикладного значения стационарного режима распространения волны горения были выявлены определяющие параметры скорости распространения и изучены ее зависимости от них Предложен механизм распространения волны горения Выявлены определяющее параметры для величины конечного давления и получены зависимости давления от них

2 Предложен и экспериментально и теоретически обоснован механизм распространения пламени в режиме высоких скоростей

Предложен и экспериментально обоснован новый критерий предела распространения пламени в пористой среде Ре/1е0ц=сопв1

Показана перспективность подхода к описанию предела и скорости распространения пламени в пористой среде на основе учета эффектов селективной диффузии

Экспериментально и теоретически исследован практически важный квазистационарный режим распространения пламени в закрытом сосуде

Дана интерпретация и количественное описание явления повышенных конечных давлений при сгорании в малых закрытых сосудах

3 Экспериментально исследованы зависимости скорости распространения водородо-воздушного пламени в пористых средах в режиме звуковых скоростей от состава и начального давления смеси

Предложен и обоснован механизм распространения пламени в режиме ззуковых скоростей

Исследовано влияние чисел Льюиса и эффектов селективной диффузии ид ряг-ппогтпянрнир ппямрн в оежимр звуковых скоростей Показано, что предложенный метод учета эффектов селективной диффузии позволяет обобщить данные по скоростям распространения пламен в РЗС

Экспериментально найдена конфигурация области существования режимов РВС и РЗС в параметрической плоскости концентрация топлива - начальное давление смеси для различных пористых сред

Зафиксированы спонтанные переходы между режимами РВС и РЗС в процессе распространения пламени

Дана интерпретация нестационарным явлениям, реализующимся в малых сосудах и на начальных стадиях распространения пламени в больших сосудах

4 Изучены закономерности распространения дозвуковых пламен в закрытых системах с инертными пористыми средами, смоченными топливом

Показано, что в этих системах наряду с режимом высоких скоростей может реализоваться новый стационарный режим горения с газофазной химической реакцией - испарительно-диффузионный режим

Скорость пламени в этом режиме составляет 3-10 см/с Он реализуется в условиях, в которых отсутствует заранее подготовленная горючая газовая смесь, она образуется в процессе самого горения В механизме распространения пламени кроме химической реакции важную роль играют такие элементарные процессы, как испарение жидкого топлива с поверхности пористой среды, смешение паров с окислителем, прогрев пористой среды

В механизме распространения пламени определяющую роль, кроме параметров топлива, играют теплофизические и структурные свойства пористой среды

Проанализировано влияние фазовых переходов газ-жидкость на величину конечного давления в условиях закрытого сосуда

5 Установлены стационарные режимы распространения волны горения в термически тонкой системе жидкое топливо - металлическая подложка

Изучены параметрические зависимости скорости волны Развита физическая модель распространения волн горения над пленкой топлива на металлической подложке

Обнаружены спиновый и другие колебательные режимы распространения волн горения

6 Научно обоснован новый способ взрывозащиты закрытых объемов -пассивное снижение средней температуры продуктов взрыва, использующий обнаруженное явление стационарного распространения пламени в пористой среде в режиме высокой скорости

Использование результатов Результаты исследований были использованы в НПП "Звезда" (Московская обл , пос Томилино) при разработке систем взрывозащиты серийных летательных аппаратов и транспортных средств

Основные результаты диссертационного исследования представлены в следующих работах

1 Коржавин А А Распространение пламени в пористых инертных средах /ВС Бабкин, В А Бунев, А А Коржавин // Химическая физика процессов горения и взрыва Горение газов и натуральных топлив Материалы 6 Всесоюзного симпозиума по горению и взрыву -Черноголовка ИХФ АН СССР, 1980 - С 87-89

2 KorzhavmAA Propagation of pn;mixed explosion flames in porous media / VS Babkm, A A Korzhavin, V A Bun1/Combust Flame -1991 - Vol 87, N2 -P 182-190

3 Коржавин А А О зоне пламени при i орении газа в инертной пористои среде /, А А Коржавин, В А Бунев, РХ Абдуллин, ВС Бабкин, II Физика горения и взрыва -1982 -Т 18, №6-С 20-23

4 Коржавин А А Ас 1088267 (СССР) Способ пригоговтения взрывчатых парогазовых смесей / Бабкин В С , Вьюн А В , Коржавин А А , Анциферов В Н , Храмцов В Д , Овчинникова В И , Штырхунов И А//Открытия Изобретения - 1994 -N14

5 Коржавин А А Горение газа в сыпучих средах/ Коржавин А А , Бунев В А Бабкин В С///Я/иг school on explosibility of industrial dust4 Papers Turawa, 1982 -c 107116

6 Коржавин А А Горение газа в закрытом сосуде с инертной высокопористой средой/ Бабкин В С , Бунев В А, Коржавин А А, Клименко А С Зубков В И Григорьев В М // Физика горения и взрыва -1985 -Т 21, jY^ 5 -С 17-22

7 KorzhavmAA Propagation of premixed gaseous explosion flames in porous media /Babkin V S Korzhavm A A , Bunev V A // 22-ndSymp (Int) on Combustion Abstracts -Seattle The Combustion Institute, 1988 - P 303

8 Korzhavin A A The mechanism of propagation and quenching of gaseous flames in porous media/ korzhavin A A , Babkin V S Buncv V A // Joint Meeting of the Soviet and Itahen Sections of the Combustion Intsitute Italy, Pisa Tacchi Editore 1990 N77 -P 1-4

9 Korzhavin A A Regimes of gas combustion in porous media and conditions of their existence/ korzhavin A A Bunev VA, Babkin V S and others l/Pioceedings of the Russian-Japanese Seminar on Combustion -M The Russian Section of the Combustion Institute, 1993 - P 97-99

10 Коржавин А А Распределение температуры в продуктах фронтального горения гзтп в закрытом сосуде с пористой средой/ Коржавин А А Бунев В А , Бабкин В С ИДоклады Ihademm Наук - 1994 -Т 334 N2 -С 184-186

11 Коржавин А А Бунев В Л , Бабкин В С О смиестовлши режима низ! оскоростмого распространения пламени в инертной пористой среде смоченной уртсводоротпым топ-тивом // Доклады Академии На) к -1994 -Т 337 N3 -С 342-344

12 korzhavm А Л Diffusion Г1агтк Propagation in Inert Porous Medium Wetted with Fuel' Kor7havin Л A, Bunev V A, Babkin V S /•' in Combustion, Detonation Shock Waves, Fd '"rolov S M vol 2 Proceeding!, of the Zel'dovith Memorial Intern Conference on Combustion -Moscow IChPh, 1994 -p 198-200

13 Korzhavm A A Explosion Flames in Closed Vessels with Porous Media/ Kor/havin A A , Bunev V \ , Babkin V S //Conference Proceedings of 15-th International Colloquium on the Dynamics of Explosions and Reactive Systems University of Colorado at Boulder, USA, 1995 p 352-355

14 Коржавин А А Эффекты нестационарности при горении газа в закрытых сосудах с инертной пористой средой / Коржавин А А Бунев В А , Ьабкнн ВС// Химическая фишка процессов горения и взрыва XI Симпозиум по горению и взрыву т I, ч 2, с 172174 - Черноготовка ИХФ РАН, 1996

15 Коржавин А А Распространение волны горения в инертных пористых средах, смоченных топливом / Коржавин А А Бунев В А Бабкин В С //Химическая физика процессов горения и взрыва XI Симпозиум по горению и взрыву т1,ч 2 с 174-176 - Черноголовка ИХФ РАН, 1996

16 Коржавин А Л Нестационарные эффекты при горении газа в закрытых сосудах с инертной пористой средой/ Коржавин А А , Bvhcb В А , Бабкин В С //Физика горения и взрыва 1997 -T33.N1 С 24-32

17 Корлсавин А А Распространение пламени в пористых средах, смоченных топливом/ Коржавин А А , Бунев В А, Бабкин В С //Физика горения и взрыва 1997 - Т 33, N 3 С 76-85

18 Korzhivin Л A Dvnamics of Gas Combustion in Closed Systems with an Inert Porous Medium / Korzhavm A A, Bunev V A , Babkin V S //Combust Пате 1997 Vol 109 -P 507-520

19 Korzhavm A A Peculiarities of Nonsteady Gas Combustion in Closed Vessels with Inert Porous Medium/ Korzhavm A A , Bunev V A , Babkm V S //Conference Proceedings of 16-th International Colloquium on the Dynamics of Explosions and Reactne Systems University of Mining and Metallurgy, AGH, Cracov, Poland, 1997 p 209-211

20 Korzhavm A A I lame Spread over L lquid Fuel Films on Metallic Substrates/ Korzhavm A A, Bunev V A Gordienko D M , Babkm V S // m book of abstracts of International Symposium "Chemistry of Flame Front", Combustion Problems Institute and Al-Farabi Kazak State National University Almaty, Kazakstan October 6-9 1997, p 45-47

21 Коржавин А А Поведение пламен, распространяющихся по пленкам жидкости па метал тческих подложках/ Коржавин А А , Бунев В Л , Гордиенко Д М , Бабкин В С П Физика горения и взрыва 1998 -T34,N3 С 15-38

22 korzhav in A A I stimation of Pressure Rise in Closed Vessels upon Powder Combustion/ korzhavm A 4 , Pleslov A A Babkin V S // Proceedings of The Second International Seminar "Fne-and-Explosion Hazard of Substances and I eiiting of Deflagiations" Ed V Molkov.All-Russian Research Institute for Tire Protection Moscow, Russia, 1998, pp 742-748

23 korzhavm A A Flame spread over fuel films on metallic substrates / korzhavm A A, Bunev V A Gordienko D M Babkin V S 1127-th Symp (Int) on Combustion Abstracts ot Work-in-Progress Poster Presentation The Combustion Institute 1998 -P 491

24 Корж шин А А Новый подход к нробтемс распространения птамеии по поверхности топчива'Бабкин В С Б\невВА Коржавин А А Минаев С С // Материа /ы международной конференции 'Сопряженные задачи механики и экотоггш ' Томск 1998 с 23-24

25 korzhavin A A On one regime of low velocity detonation/ Korzhavin A A , Bunev V A , Babkin V S , Lawes M Bradley D 11 Advances in Experimentation A Computation of Detonations Book of abstracts ENAS Publishers Москва 1998 С 53-54

26 Korzhavin A A On the slowest Gas detonationin Ineit Porous Media/ Korzhavin A A Bunev V A , Babkin V S , Lawes M , Bradley D // in book of abstracts of International Symposium "Actual Problems of Physical Hydroaerodynamtcs" Institute ot T'lermophysics, Novosibirsk, 1999, part I, P 58

27 Korzhavin A A On one regime of low velocity detonation m porous media/ Korzhavin A A , Bunev V A , Babkin V S , Lawes M , Bradley D // Gaseous and Heterogeneous Detonations Science to applications, Edited by G D Roy, S M Frolov, К К Kailasanath, N N Smirnov, Moscow FNAS Publishers Moscow 1999, p 255-267

28 Korzhavin A A Filtration gas combustion sonic velocity regime/ Korzhavin A A Bunev V A , Babkm V S , Lawes M , Bradley D // III InternationaI school-seminar "Modern problems of combustion and its applications", Минск, Белоруссия, 1999, p 4-7

29 korzhavin A A On some regimes of explosion flame propagation in inert porous media/ Korzhavin A A , Bunev V A , Babkin V S , Lawes M , Bradley D l/16-th International Symposium on Combustion Processes, Kazimierz Dolny, Poland, 1-5 August 1999, p 52-53

30 Korzhavin A A Flame propagation in vessels with inert porous medium wetted with fuel/ Korzhavin A A , Bunev V A , Babkin V S //17-th International Colloquium on the Dynamics of Explosions and Reactive Systems, Heidelberg, Germany, 25-30 July 1999 http //reaflou ivy um-heide!berg de/;icders99/program/pariers/051-100/057 pdf,

31 Коржавин А А Колебательные режимы горения пленки жидкого топлива на термически тонкой металлической подложке/Коржавин А А, БуневВА, НамятовИГ, Бабкин В С , Минаев С С //в сб трудов Всероссийского семинара "Динамит многофазных сред ", под ред В М Фомина и А В Федорова, изд СО РАН, Новосибирск, 2000, с 56-60

32 Коржавин А А Распространение пламени над пленник ладиш ши «.о» д.а ...^талл ческих подложках / Коржавин А А , Бунев В А , Намятов И Г Бабкин В С //Физика горения и взрыва 2000 -Т 36, N3 С 25-30

33 Коржавин А А Диффузионное юрснис пленки жидкого топлива на металлической подложке/ КоржавинАА, БуневВА, НамятовИГ, Бабкин В С //Физика горения и взрыва 2000 -Т 36, No 5 С 12-21

34 Korzhavin A A Nonstationary phenomena of of gas combustion in closed vessels with an inert porous medium/ Korzhavin A A , Bunev V A , Babkin V S , Bradley D //Russian Journal ofEngmeenngThermophysics 2000 -Vol 10, No 1 p 25-40

35 Korzhavin A A Prospects of Using Porous Media for Explosion Protection of Systems Employing Hydrogen/ Korzhavin AA, Bunev V A, Babkm VS, Wierzbal, KarimGA// Pioceedmgs of the 21th World Hydiogen Energy? Conference, Beijing, China, June 12-15, 2000 vol 2, p 1055-1059

36 Коржавин А А Спиновый режим газофазного горения конденсированного топлива/ Коржавин А А , Бунев В А , Намятов И Г , Бабкин В С //Доклады РАН 2000 - Т 375, N 3 с 355-357

37 Korzhavin A A Combustion regimes of liquid fuel film on thermally thin metallic substrate/ korzhavin A A Bunev V A Namyatov I G , Mmaev S S , Babkm VS //in Fue and Explosion Hazaid, Proceedings of the Third International Seminar on Fire and Explosion Hazaids Eds Derek Bradley Dougal Drysdale Georgy Makhviladze Centre for Research in Fire and Explosion Studies, University of Central Lancashire Preston United Kingdom 2001, p 379-388

38 korzhavin A A Flame Spread over Thermally Thin Laver Svstem "Metallic Substrate -Fuel Film / korzhavin A A , Bunev V A Mmaev S S NamjatovlG Babkin V S//18-г/г Intei national Colloquium on the Dynamics of Explosions and Reactne Systems Seattle, Wash-

's о с

ington, USA, 29-03 August 2001 http//www engr Washington edu/~uw-epp/icders/abstracts /133 htm, Published July 2001, Univeisity of Washington, Ed CD-ROM format ISBN//097111740-08

39 Коржавин А А Горение газа в закрытом сосуде с инертной пористой средой/ Коржа-вин А А , Бунев В А , Бабкин В С l/Fopemie и ипазмомшия 2003 -Т 1,№1стр 1-15

40 Коржавин А А Взаимодействие цвух диффузионных птамен распространяющихся вдоль металлической подложки смоченной различными топлмвами/ Коржавин А А, Намято в И Г , Буиев В А , Бабкин В С //Физика горения и взрыва 2003 - Т 39, N б С 28-37

41 Коржавин А А Влияние чисел Льюиса на гашение гомогенных ламинарных пламен в узких каналах/ Коржсшип А А , Бунев В А , Бабкин В С , Брэдли Д // II Междунарооный симпозиум «Горгпиа и ппазмохимия», 2003 г, КазНУ им аль-Фарабн, Алма-Ата, Казахстан, с 160-163

42 KorzhavinAA Spieadmg of diffusion flames over theimally thm foil stnp wetted with diffeient fuels/ Koizhavm A A , Namyatov I G , Bunev V A , Babkm V S // Proceedings of the European Combustion Meeting ECM-2003', vol 1, No 117, p 1-5, The French Section of the Combustion Institute, CD ROM, Orleans, France (2003)

43 Коржавин А А Эффекты чисел Льюиса на пределах распространения i азовых пламен в пористых средах/ Коржавин А А , Бунев В А , Бабкин В С , Намятов ИГ// Международная конференция по математике и механике, Тезисы докладов//Томский государственный университет, Томск, с 148 (2003)

44 Koizhavm A A Influence of phlegmatization on flame propagation in poious media/ Korzhavin A A , Bunev V A , Babkm V S , Klimenko AS// Proceedings of the European Combustion Meeting 'ECM-2003', vol 1, No 107, p 1-5, The Trench Section of the Combustion Institute, CD ROM, Oileans, Fiance (2003)

45 Koizhavm A A Pioblcms of Porous Flame Arresters Effec's of Lews Numbers/ ВяЪ-kin V S , Koizhavm A A , Bunev V A, BiadleyD HH-th International Symposium Loss Prevention and Safety Promotion in the Piocess Industries", Paper Full lexts Section D, (HJPasman, JSkarka, FBabmec Eds), pp 4395-4400 PCIIE-Peti oChemEng, Praha, 2004, (ISBN 80-02-01574-6)

46 Korzhavin AA Inert porous media as effective tool for explosion proof of closed technological equipment/ Korzhavin AA, Klimenko A S , Babkm V SЛ Proceedings of the 4"' International Seminal on Fire and Explosion Hazards, 8-12 September 2003, Londonderry, Edited by D Bradley, D Drysdale, V Molkov, ISBN 1 85923 186 1, Umveisities Press, Northern Ireland, UK, pp 893-904,2004

47 Korzhavin A A Lewis number effects m gas combustion in nanow channels and porous media/ KorzhavinAA, Bunev V A , Babkm V S , BiadleyD //Progress in combustion and detonation (Eds Borisov A, Frolov S , ICuhl A ), 58-59, Torus press Ltd, 2004

48 Коржавин А А Эффекты селективной диффузии при распространении и гашении пламени в пористой среде/ Коржавин А А, Бунев В А, Бабкин В С, Клименко А С /¡Физика горения и взрыва 2005 -Т 41, №4 С 50-59

49 KorzhavinAA Flame Piopagation m Closed Vessels with Ineit Poious Medium Wetted with Liquid/Koizhavm A A , Senachm P К , Babkm VS //Book of abstracts of the i"' International Seminar on Flame Structure Institute of Chemical Kinetics & Combustion SB RAS, Novosibirsk, 2005, p 120

50 Korzhavm A A Dynamics of Explosion of Hydiogen-Atr Mixture m a Closed Vessel with a Porous Medium/ Korzhavin A A , Bunev V A , Babkin V S // Book of abstracts of the 5"' International Seminar on Flame Structine Institute of Chemical Kinetics & Combustion SB RAS, Novosibirsk, 2005, p 78

Of

Подписано в печать 25_ 12 2006 Формат 60x84 1/16 Печать - ризография Услпл 2,0 Учиздл 1,5 Тираж 120 экз Заказ '!5С /2006

Издательство Алтайского государственного технического университета им И И Ползунова, 656038, г Барнаул, пр-т Ленина, 46 Лицензии ЛР № 020822 от 21 09 98, ПЛД № 28-35 от 15 07 97 Отпечатано в ЦОП АлтГТУ, 656038, г Барнаул, пр-т Ленина, 46

ВВЕДЕНИЕ.

1 ГАЗОФАЗНОЕ ГОРЕНИЕ В ПОРИСТЫХ СРЕДАХ.

1.1 Методика проведения экспериментов.,.

1.1.1 Выбор экспериментальных сосудов.

1.1.2 Используемые газовые смеси.

1.1.3 Характеристики используемых пористых сред.

1.1.4 Методы регистрации.

1.2 Эксперименты в сферическом сосуде.

1.3 Эксперименты в линейной системе.

1.3.1 Режим высокой скорости.

1.3.2 Режим звуковых скоростей.

1.3.3 Испарительно-диффузионный низкоскоростной режим.

1.4 Влияние масштабного фактора на некоторые характеристики горения.

1.5 Влияние жидкой фазы на поверхности пористой среды на некоторые характеристики горения.

1.6 Выводы по главе.

2 РЕЖИМЫ ВЫСОКИХ СКОРОСТЕЙ.

2.1 Стационарный режим высоких скоростей.

2.1.1 Стационарность распространения волны горения.

2.1.2 Влияние начального давления на скорость распространения пламени в пористых средах.

2.1.3 Влияние состава смеси на скорость распространения пламени в пористых средах.

2.1.4 О зоне пламени при горении в пористой среде.

2.1.5 Механизм распространения пламени в режиме высоких скоростей.

2.1.6 Пределы распространения пламени в режиме высоких скоростей.

2.2 Нестационарные режимы высоких скоростей.

2.2.1 Квазистационарный режим высоких скоростей.

2.2.2 Неустановившийся режим.

2.3 Выводы по главе.

3 РЕЖИМ ЗВУКОВЫХ СКОРОСТЕЙ.

3.1 Обзор работ по режиму.

3.2 Некоторые экспериментальные данные по скоростям распространения волн горения в режиме звуковых скоростей.

3.3 Механизм распространения волн горения в режиме звуковых скоростей.

3.3.1 Эффекты чисел Льюиса.

3.4 Граница перехода от РВС к РЗС.

3.4.1 Переходы между режимами.

3.4.2 Эффекты нестационарности и переходы между режимами.

3.5 Выводы по главе.

4 РЕЖИМЫ РАСПРОСТРАНЕНИЯ В ТРЕХФАЗНОЙ СИСТЕМЕ

ГАЗ-ЖИДКОСТЬ-ПОРИСТАЯ СРЕДА.

4.1 Стационарный режим высоких скоростей.

4.1.1 Распространение пламени в системе горючий газ - инертная жидкость - пористая среда.

4.1.2 Распространение пламени в системе горючий газ - жидкое топливо - пористая среда.

4.2 Стационарный испарительно-диффузионный низкоскоростной режим.

4.2.1 Зависимость скорости распространения пламени от начального давления при Т0-const.

4.2.2 Пределы режимов.

4.2.3 Влияние теплоемкости пористой среды на характеристики режима распространения пламени.

4.2.4 Влияние теплопроводностипористой среды на скорость пламени.

4.3 Влияние фазовых переходов газ-жидкость на величину конечного давления.

4.3.1 Физическая модель процесса.

4.3.2 Влияние испарения на величину конечного давления.

4.4 Выводы по главе.

5 РЕЖИМЫ РАСПРОСТРАНЕНИЕ ПЛАМЕНИ НАД

ПЛЕНКОЙ ТОПЛИВА НА ПОДЛОЖКЕ.

5.1 Явления, наблюдаемые при распространении пламени в системе пленка жидкого топлива на металлической подложке.

5.1.1 Методика проведения экспериментов.

5.2 Стационарные режимы распространения пламени.

5.2.1 Свободно-конвективный режим.

5.2.2 Низкоскоростной режим.

5.2.3 Двойные пламена.

5.3 Нестационарные режимы распространения пламени.

5.3.1 Режим горения с продольными пульсациями фронта пламени.

5.3.2 Режим с поперечными хаотическими колебаниями фронта пламени.

5.3.3 Режим с регулярными поперечными колебаниями фронта пламени.

5.3.4 Спиновый режим.

Описание распространения волн газофазного горения как предварительно перемешанной смеси газообразных топлива и окислителя, так и диффузионного горения в гетерогенных системах, то есть в системах, включающих конденсированную фазу, представляет собой фундаментальную проблему, решение которой имеет значение в области теории горения и практическое значение в различных областях, в том числе в области пожаровзрывобезопасности. Примерами таких волн горения являются, например, волны горения в пористой среде, газофазные пламена, распространяющиеся над конденсированным топливом. Процесс распространения волн горения предварительно перемешанной смеси в простейшем ламинарном случае характеризуется нормальной скоростью распространения пламени £„ и толщиной фронта пламени 8 (под которой обычно понимается тепловая толщина 5-к/8и, где к - температуропроводность смеси). Эти величины характеризуют масштабы скорости и длины. Проблема газофазного горения в гетерогенных системах предполагает наличие, по крайней мере, еще одного масштаба длины, помимо размера сосуда, характеризующего конденсированную фазу. Ярким примером гетерогенной системы является пористая среда, состоящая из твердого каркаса и заполняющего ее поры газа. Характерным размером в этом случае может быть характерный размер поры. Характеристикой пористой среды также может быть характерное время теплообмена с другой фазой или некоторый линейный масштаб, характеризующий твердую фазу. Новая постановка проблемы распространения волны горения возникает при соизмеримости этого масштаба с каким-либо масштабом, характеризующим ламинарное пламя. Взаимодействие фаз может проявляться в следующих видах: тепловое взаимодействие, массообмен, аэродинамическое взаимодействие, обмен импульсом.

Как влияет обмен теплом, массой и импульсом на скорость и другие характеристики волны горения (размер зоны горения, полнота выгорания, коэффициент расширения), какие режимы горения реализуются в этих условиях? Данная работа является в некоторой мере ответом на эти вопросы.

Специфика процесса горения газов в пористых средах, отличающая его от известных процессов, например, горения гомогенных газовых смесей или горения конденсированных веществ, состоит в наличии разнообразного взаимодействия между газом и пористой средой. Очевидно, что тип и характер взаимодействия газа с пористой средой зависит от параметров газа и пористой среды. Поэтому в отличие от гомогенного газового горения, где процесс горения определяется главным образом термодинамическими (давление, температура, теплопроводность, тепловой эффект реакции), кинетическими (нормальная скорость пламени) и гидродинамическими (турбулентность) параметрами, горение газов в пористой среде дополнительно должно определяться характеристиками пористой среды (материалом пористой среды, структурой, удельной поверхностью, пористостью, проницаемостью и др.). Горение газов в пористых средах - новая область в теории горения. В последние годы появились работы в этом направлении и они показывают, что процесс богат физически по числу и взаимодействию элементарных процессов: химических, теплофизических, гидродинамических.

В настоящее время известно пять отдельных явно выраженных стационарных режимов распространения волны горения газов в инертных пористых средах: режим низких скоростей (РНС) с характерными скоростями волн горения и = 10"4 м/с [1-7]; режим высоких скоростей (РВС) с 5 -°0,1 л

10°м/с [8-10]; режим звуковых скоростей (РЗС) с 5=10 м/с [11-13]; режим низкоскоростной детонации (РИД) с £> =°800-1500 м/с и нормальной детонации с потерями тепла и импульса (НД) с £)-"1500-2500 м/с [14]. Эти режимы различаются не только диапазонами реализуемых скоростей волн горения, но и другими особенностями, включая механизмы переноса химической реакции в волне горения.

Среди названных режимов, особый интерес представляют смежные режимы высоких и звуковых скоростей. В данной работе не рассматриваются сверхзвуковые режимы низкоскоростной детонации и детонации с потерями тепла и импульса. Не рассматривается также и режим низких скоростей.

Многопараметричность задачи диктует необходимость методической направленности работы: от простого к сложному. Поэтому важен выбор газовых систем и их составов, выбор в качестве пористых сред материалов с простой геометрией пор, с известными теплофизическими характеристиками, постановка опытов с пламенами простых геометрических форм (плоские и сферические). При этом выбор пористых сред и газовых систем максимально приближен к конкретным потребностям практики.

Вышеизложенное в значительной мере определило направление исследований автора и содержание диссертации. Основной целью работы является развитие существующих представлений о процессах газофазного горения в гетерогенных системах, а также экспериментальное исследование этих процессов с целью решения ряда фундаментальных и практических задач.

Для достижения поставленной цели решались следующие основные задачи.

Проведение систематических экспериментальных исследований с целью обнаружения новых явлений при взрыве газа в закрытых сосудах с инертной пористой средой.

Проведение систематических экспериментальных исследований режима высоких скоростей с целью выявления механизма распространения пламени и количественного описания зависимости скорости распространения пламени от определяющих параметров. Выявление особенностей динамики сгорания в закрытых сосудах с инертной пористой средой.

На основе систематических экспериментальных исследований и имеющихся литературных экспериментальных данных по зависимостям скорости распространения пламени от определяющих параметров в режиме звуковых скоростей выявить механизм распространения пламени и дать количественное описание этих зависимостей.

Проведение систематических экспериментальных исследований с целью выявления влияния различий в коэффициентах диффузии горючего и окислителя на скорость и пределы распространения пламени в режимах высоких и звуковых скоростей.

Проведение систематических экспериментальных исследований испарительно-диффузионного низкоскоростного режима и режимов распространения пламени над пленкой жидкого топлива на термически тонкой подложке.

Работа состоит из шести глав, пять из которых посвящены изучению различных режимов горения, а в шестой главе обсуждается применение полученных результатов к проблеме защиты технологических процессов и оборудования от взрыва.

Первая глава посвящена обзору явлений, наблюдаемых при распространении пламени в инертной пористой среде. Описывается методика проведения экспериментальных исследований, и выделяются режимы горения, изучению которых посвящены последующие пять глав. Это режимы: высоких скоростей (глава 2), звуковых скоростей (глава 3), испарительно-диффузионный низкоскоростной (глава 4), реализуемые в инертной пористой среде и режимы распространения пламени в термически тонкой системе пленка топлива на металлической подложке (глава 5). В главе 6 рассмотрены некоторые прикладные аспекты горения в закрытых сосудах.

Во второй главе представлены результаты изучения режима высоких скоростей горения в пористой среде, имеющего важное значение для горения в условиях закрытого сосуда. В этом режиме распространение пламени в закрытом сосуде происходит квазиизобарически. Давление изменяется с течением времени, а изменением давления по пространству можно пренебречь по сравнению со средним давлением в сосуде. Этот режим реализуется при существенно дозвуковых скоростях распространения пламени и важен в прикладном аспекте. Здесь представлены результаты экспериментального изучения зоны горения и зависимостей скорости распространения пламени в пористой среде от различных параметров. На основании этого предлагается механизм распространения пламени, позволяющий прогнозировать скорость распространения пламени по известным характеристикам газа и пористой среды. Знание скорости распространения позволяет оценивать характерное время взрыва и сравнивать его с характерным временем охлаждения газа пористой средой, то есть оценивать эффективность взрывозащитных свойств пористой среды.

Третья глава посвящена изучению режима звуковых скоростей. Этот режим ближайший сверху по скорости пламени к режиму высоких скоростей. При распространении пламени в условиях закрытого сосуда с пористой средой возможны взаимные переходы между ними. Этот режим относят по ряду признаков к детонационным режимам. Скорость пламени в нем самая низкая из всех детонационных режимов.

Четвертая глава посвящена изучению режимов распространения пламени в системе газ-жидкость-пористая среда и, в частности, нового стационарного испарительно-дуффузионного низкоскоростного режима распространения пламени в закрытом сосуде с инертной пористой средой, на поверхности которой находится пленка жидкого топлива. Рассмотрены переходы в смежный режим высокой скорости и выход на предел распространения.

Пятая глава посвящена изучению распространения пламени над пленкой топлива на подложке. Эта система представляет самостоятельный интерес, а также, в ряде аспектов, является модельной для изучения распространения пламени в пористых средах, смоченных топливом.

В шестой главе рассмотрены некоторые прикладные аспекты горения в закрытых сосудах, позволяющие сформулировать новый способ взрывозащиты закрытого оборудования - пассивное снижение средней температуры продуктов взрыва.

Научная новизна представляемой работы заключается в том, что впервые проведено комплексное экспериментальное и теоретическое изучение быстрых дозвуковых волн горения газов в инертных пористых средах, в результате которого установлена возможность существования стационарного режима - режима высокой скорости, определены основные характеристики и параметрические зависимости волны горения в этом режиме, исследованы пределы распространения пламен, установлены механизмы распространения волн и срыва горения на пределах режима; выявлены принципиально новые нестационарные эффекты этого режима горения. Предложен механизм распространения пламени в режиме звуковых скоростей. Изучены пределы распространения пламени в пористых средах. Показано, что известный критерий постоянства числа Пекле на пределе распространения пламени в узких каналах и пористых средах не точен, предложен более точный критерий. Обнаружен и исследован новый испарительно-диффузионный низкоскоростной режим распространения пламени в пористых средах с пленкой топлива. Предложена для изучения новая система пленка топлива на металлической подложке, выявлены и исследованы различные режимы распространения пламени в такой системе, в том числе неизвестные ранее.

На защиту выносится совокупность результатов исследования волн газофазного горения в гетерогенных системах, рассматриваемая как физическое обоснование нового способа взрывозащиты - пассивное снижение среднеобъемной температуры продуктов взрыва.

Практическая значимость исследования заключается в том, что оно позволило сформулировать и научно обосновать новый принцип взрывозащиты закрытого оборудования - пассивное снижение среднеобъемной температуры продуктов взрыва.

Результаты исследований были использованы в НПП "Звезда" (Московская обл., пос. Томилино) при разработке систем взрывозащиты серийных летательных аппаратов и транспортных средств.

Достоверность и обоснованность научных положений определяется теоретическим анализом и обобщением достоверных результатов из международных научных журналов и по всем рассматриваемым вопросам и задачам. Проведением широких экспериментальных исследований для ряда рассматриваемых задач и использованием достоверных результатов других авторов для обобщения совокупного экспериментального материала. Выполнении работы при участии коллектива квалифицированных специалистов из ИХКГ СО РАН и являющейся обобщением почти 25 летней целенаправленной научной деятельности автора.

Апробация работы. Результаты диссертационных исследований докладывались на VI, IX, XI Всесоюзных симпозиумах по горению и взрыву (Алма-Ата, 1980; Суздаль, 1989; Черноголовка: ИХФ РАН, 1996) на III Международной школе по взрывам пылей в промышленности (Турава, Польша, 1982), на I Всесоюзном симпозиуме по макроскопической кинетике и химической газодинамике (Алма-Ата, 1984), на 22 и 27 Международных симпозиумах по горению, на Советско-итальянском семинаре по горению (Новосибирск, 1988), на Объединенном семинаре советской и итальянской секции Института горения (Пиза, Италия, 1990), на Межинститутском семинаре по горению (Москва, 1991, Новосибирск, 1992), на Объединенном семинаре российской и японской секций Института горения (Москва, 1993), на международных конференциях по горению посвященных памяти Я.Б.Зельдовича (Zel'dovich memorial) в 1994 и 2004 гг., на 1 - 4 международных семинарах по пожаро и взрывоопасное™ веществ и материалов (1995, 1997, 2000, 2003), 15 - 18 международных коллоквиумах по динамике взрывов и реагирующих систем (1995, 1997, 1999, 2001), международном Симпозиуме Chemistry of Flame Front" (1997), "Горение и плазмохимия" (2003), международной конференции "Advances in Experimentation & Computation of Detonations" (1998), International Symposium "Actual Problems of Physical Hydroaerodynamics", (1999), III International school-seminar "Modern problems of combustion and its applications" (1999), 16-th International Symposium on Combustion Processes, Kazimierz Dolny, Poland, (1999), международной конференции "Сопряженные задачи механики и экологии" (Томск, 1998, 2002, 2004), Всероссийском семинаре "Динамика многофазных сред" (2000), 23th World Hydrogen Energy Conference, Beijing, China, (2000), 5th International Seminar on Flame Structure, Novosibirsk, 2005, а также на семинарах в ИХКиГ СО РАН, ИГ им. М.А.Лаврентьева СО РАН.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 58 печатных работ, в том числе 40 статей, получено авторское свидетельство [8, 9, 15-70].

Работа выполнена в Институте химической кинетики и горения СО РАН и в Алтайском государственном техническом университете им. И.И.Ползунова. Исследования проводились в соответствии с планами научно-исследовательских работ ИХКГ СО РАН, а также в рамках общесоюзной научно-технологической программы 0.74.08 по безопасности работ в народном хозяйстве (пост. Президиума ВЦСПС, ГКНТ, Госплана СССР No 14/529/269 от 22.12.80 г., задание 12 на 1981-1985 г., задание 07 на 1986-1990 г.); государственной научно-технической программы "Безопасность" (пост. ГКНТ No 1011 от 1.07.91 г) и отраслевых программ. Работа поддерживалась грантами РФФИ 96-03-32967, 98-03-32308, 00-03-32417, 03-03-32357, INTAS 96-1173. Научными консультантами работы являются главный научный сотрудник ИХКГ СО РАН, д.ф.м.-н., профессор Бабкин B.C. и профессор Алтайского государственного технического университета им. И.И.Ползунова Сеначин П.К.

Результаты исследования были использованы при разработке систем взрывозащиты летательных аппаратов и транспортных средств.

Личное участие автора. Автору принадлежат основные идеи в постановке экспериментальных и теоретических задач настоящей работы. Ряд экспериментальных исследований выполнен непосредственно автором, в других он принимал непосредственное участие в планировании и обсуждении результатов. Основные математические модели, теоретические исследования и аналитические решения разработаны и получены лично автором или при его непосредственном участии.

Автор выражает благодарность и признательность своим консультантам В.С.Бабкину и П.К.Сеначину, коллегам и соавторам из ИХКГ СО РАН В.А.Буневу, И.Г.Намятову, С.С.Минаеву, А.А.Плеслову, В.В.Замащикову, Н.А.Какуткиной, а также А.С.Клименко, В.И.Зубкову и В.М.Григорьеву из НПП «Звезда» за помощь и полезные обсуждения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ Основные результаты работы состоят в следующем:

1. Обнаружено новое явление - неполнота выгорания свежей смеси вдали от предела распространения пламени в пористой среде. Дано объяснение этому явлению.

Выявлены два типа динамики взрыва в закрытом сосуде с инертной пористой средой. Первый тип - взрыв в "большом" сосуде. Это квазистационарный процесс. Волна горения распространяется с постоянной скоростью. В процессе распространения волны происходит рост или падение давления в сосуде. Второй тип - взрыв в "малом" сосуде. Это нестационарный быстропротекающий (по сравнению с ламинарным горением и первым типом динамики) процесс с относительно высокими максимальными развиваемыми давлениями, зависящими как от характерного размера элемента пористой среды, так и от размера сосуда.

Ввиду принципиальной научной важности и прикладного значения стационарного режима распространения волны горения были выявлены определяющие параметры скорости распространения и изучены ее зависимости от них. Предложен механизм распространения волны горения. Выявлены определяющие параметры для величины конечного давления и получены зависимости давления от них.

2. Предложен и экспериментально и теоретически обоснован механизм распространения пламени в режиме высоких скоростей.

Предложен и экспериментально обоснован новый критерий предела распространения пламени в пористой среде Ре/Ьее/=сопб1.

Показана перспективность подхода к описанию предела и скорости распространения пламени в пористой среде на основе учета эффектов селективной диффузии.

Экспериментально и теоретически исследован практически важный квазистационарный режим распространения пламени в закрытом сосуде.

Дана интерпретация и количественное описание явления повышенных конечных давлений при сгорании в малых закрытых сосудах.

3. Экспериментально исследованы зависимости скорости распространения водородо-воздушного пламени в пористых средах в режиме звуковых скоростей от состава и начального давления смеси.

Предложен и обоснован механизм распространения пламени в режиме звуковых скоростей.

Исследовано влияние чисел Льюиса и эффектов селективной диффузии на распространение пламен в режиме звуковых скоростей. Показано, что предложенный метод учета эффектов селективной диффузии позволяет обобщить данные по скоростям распространения пламен в РЗС.

Экспериментально найдена конфигурация области существования режимов РВС и РЗС в параметрической плоскости концентрация топлива - начальное давление смеси для различных пористых сред.

Зафиксированы спонтанные переходы между режимами РВС и РЗС в процессе распространения пламени.

Дана интерпретация нестационарным явлениям, реализующимся в малых сосудах и на начальных стадиях распространения пламени в больших сосудах.

4. Изучены закономерности распространения дозвуковых пламен в закрытых системах с инертными пористыми средами, смоченными топливом.

Показано, что в этих системах наряду с режимом высоких скоростей может реализоваться новый стационарный режим горения с газофазной химической реакцией - испарительно-диффузионный режим.

Скорость пламени в этом режиме составляет 3-ИО см/с. Он реализуется в условиях, в которых отсутствует заранее подготовленная горючая газовая смесь, она образуется в процессе самого горения. В механизме распространения пламени кроме химической реакции важную роль играют такие элементарные процессы, как испарение жидкого топлива с поверхности пористой среды, смешение паров с окислителем, прогрев пористой среды.

В механизме распространения пламени определяющую роль, кроме параметров топлива, играют теплофизические и структурные свойства пористой среды.

Проанализировано влияние фазовых переходов газ-жидкость на величину конечного давления в условиях закрытого сосуда

5. Установлены стационарные режимы распространения волны горения в термически тонкой системе жидкое топливо - металлическая подложка.

Изучены параметрические зависимости скорости волны.

Развита физическая модель распространения волн горения над пленкой топлива на металлической подложке.

Обнаружены спиновый и другие колебательные режимы распространения волн горения.

6. Научно обоснован новый способ взрывозащиты закрытых объемов -пассивное снижение средней температуры продуктов взрыва, использующий обнаруженное явление стационарного распространения пламени в пористой среде в режиме высокой скорости.

1. Бабкин B.C., Лаевский Ю.М. Фильтрационное горение газов. Физика горения и взрыва, 1987, т.23, No.5, с.27-44.

2. Лаевский Ю.М., Бабкин B.C. Фильтрационное горение газов. Сб. "Распространение тепловых волн в гетерогенных средах." Отв.ред. Ю.Ш. Матрос, Наука Сиб. отделение, Новосибирск 1988, с. 108-145.

3. Babkin V.S. Filtration combustion of gases. Present state of affairs and prospects. Pure and Applied Chemistry, 1993, Vol.65, No.2, pp.335-344.

4. Добрего K.B., Жданок C.A. Физика фильтрационного горения газов. Минск, 2002, Национальная Академия наук Беларуси, Институт тепломассообмена им. Лыкова А.В. 203 с.

5. Футько С.И., Жданок С.А. Химия фильтрационного горения газов. -Минск.: Беларуская Навука, 2004. 320 С.

6. Zamashchikov V.V. An investigation of gas combustion in a narrow tube. Combust. Sci. and Tech. 2001, vol. 166, pp. 1-14.

7. Замащиков В.В. Некоторые закономерности распространения газового пламени в узких трубках //Физика горения и взрыва, 2004, т. 40, № 5, 53-61.

8. Babkin V.S., Korzhavin А.А., Bunev V.A. Propagation of premixed explosion flames in porous medmJ/Combust. Flame. 1991. - Vol. 87, N 2. - P. 182-190.

9. Kirill V.Dobrego, Serguey A.Zhdanok, Eduard I.Khanevich. Analytical and experimental investigation of the transition from low-velocity to high-velocity regime of filtration combustion. Experimental Thermal and Fluid Science, No. 21, pp. 9-16(2000).

10. И. Попов O.E., Когарко C.M., Фотеенков В.А. О быстром горении газовой смеси в средах с высокой пористостью.// Доклады Академии Наук СССР. -1974. -Т. 219, N3.-С. 592-595.

11. Мамонтов Г.М., Митрофанов В.В., Субботин В.А. Режимы детонации газовой смеси в жесткой пористой среде//Детонация: Материалы 6 Всесоюзного симпозиума по горению и взрыву. Черноголовка: ИХФ АН СССР, 1980.-С. 106-110.

12. Лямин Г.А., Пинаев А.В. О режимах сгорания газов в инертной пористой среде//Физика горения и взрыва. 1986. - Т. 22, N 5,- С. 64-70.

13. Пинаев А.В. О режимах сгорания и критерии распространения пламени в загроможденном пространств el/Физика горения и взрыва.- 1994.-Т. 30, N 4.-С.52-60.

14. О зоне пламени при горении газа в инертной пористой среде/ Коржавин А.А., Бунев В.А., Абдуллин Р.Х., Бабкин В .С.,//Физика горения и взрыва. 1982. - Т.18, № 6.- С. 20-23.

15. А.с. 1088267 (СССР). Способ приготовления взрывчатых парогазовых смесей / Бабкин B.C., Вьюн А.В., Коржавин А.А., Анциферов В.Н., Храмцов В.Д., Овчинникова В.И., Штырхунов И.А.// Открытия. Изобретения. 1994. - N 14.

16. Коржавин А.А., Бунев В.А., Бабкин B.C. Горение газа в сыпучих средах// III Int. school on explosibility of industrial dusts. Papers. Turawa, 1982. c. 107116.

17. Горение газа в закрытом сосуде с инертной высокопористой средой/ Бабкин B.C., Бунев В. А., Коржавин А. А. и др. II Физика горения и взрыва-1985.-Т.21, № 5.-С. 17-22.

18. Babkin V.S., Korzhavin А.А., Bunev V.A. Propagation of premixed gaseous explosion flames in porous media J 122-nd Symp. (Int.) on Combustion: Abstracts.-Seattle: The Combustion Institute, 1988.- P.303.

19. Korzhavin A.A., Babkin V.S., Bunev V.A. The mechanism of propagation and quenching of gaseous flames in porous media J I Joint Meeting of the Soviet and Italien Sections of the Combustion Intsitute. Italy, Pisa: Tacchi Editore, 1990, N 7.7,-P. 1-4.

20. Коржавин A.A., Бунев B.A., Бабкин B.C. Распределение температуры в продуктах фронтального горения газа в закрытом сосуде с пористой средой//Доклады Академии Наук. 1994. -Т. 334, N 2. - С. 184-186.

21. Коржавин А.А., Бунев В.А., Бабкин B.C. О существовании режима низкоскоростного распространения пламени в инертной пористой среде, смоченной углеводородным топшъом//Доклады Академии Наук. 1994. -Т. 337, N3.-С. 342-344.

22. Коржавин А.А., Бунев В.А., Бабкин B.C. Распространение волны горения в инертных пористых средах, смоченных топливом .//Химическая физика процессов горения и взрыва. XI Симпозиум по горению и взрыву, т. 1, ч. 2, с. 174-176. Черноголовка: ИХФ РАН, 1996.

23. Коржавин А.А., Бунев В.А., Бабкин B.C. Нестационарные эффекты при горении газа в закрытых сосудах с инертной пористой средойIIФизика горения и взрыва. 1997. Т.ЗЗ, N 1. С. 24-32.

24. Коржавин А.А., Бунев В.А., Бабкин B.C. Распространение пламени в пористых средах, смоченных топливомIIФизика горения и взрыва. 1997. -Т.ЗЗ, N3. С. 76-85.

25. Korzhavin А.А, Bunev V.A., Babkin V.S. Dinamics of Gas Combustion in Closed Systems with an Inert Porous Medium./'ICombust. Flame. 1997. Vol. 109. -P. 507-520.

26. Коржавин А.А., Бунев B.A., Гордиенко Д.М., Бабкин B.C. Поведение пламен, распространяющихся по пленкам жидкости на металлических подложках//Фгтка горения и взрыва. 1998. Т.34, N 3. С. 15-18.

27. Korzhavin A.A., Bunev V.A., Gordienko D.M., Babkin V.S. Flame spread over fuel films on metallic substrates 1127-th Symp. (Int.) on Combustion: Abstracts of Work-in-Progress Poster Presentation,: The Combustion Institute, 1998,- P. 491.

28. Бабкин B.C., Бунев B.A., Коржавин A.A., Минаев C.C. Новый подход к проблеме распространения пламени по поверхности топлива. Материалы международной конференции "Сопряженные задачи механики и экологии", Томск, 1998, с. 23-24.

29. Korzhavin А.А., Bunev V.A., Babkin V.S., Lawes M., Bradley D. On one regime of low velocity dQiomhon!/Advances in Experimentation & Computation of Detonations, Book of abstracts. ENAS Publishers, Москва 1998, С. 53-54.

30. Korzhavin A.A., Bunev V.A., Babkin V.S., Lawes M., Bradley D. Filtration gas combustion: sonic velocity regime, III International school-seminar "Modern problems of combustion and its applications", Минск, Белоруссия, Август 2025, 1999, p. 4-7.

31. Korzhavin A.A., Bunev V.A., Babkin V.S., Lawes M., Bradley D. On some regimes of explosion flame propagation in inert porous media, 16-th International Symposium on Combustion Processes, Kazimierz Dolny, Poland, 1-5 August 1999, p.52-53.

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

33. Намятов И.Г., Минаев С.С., Бабкин B.C., Бунев В.А., Коржавин А.А. Диффузионное горение пленки жидкого топлива на металлической подложкеЛФизика горения и взрыва. 2000. -Т. 36, No 5. С. 12-21.

34. Korzhavin A.A., Bunev V.A., Babkin V.S., Bradley D. Nonstationary phenomena of of gas combustion in closed vessels with an inert porous medium J I Russian Journal of Engineering Thermophysics. 2000. -Vol. 10, No 1. p. 25-40.

35. Коржавин A.A., Бунев B.A., Намятов И.Г., Бабкин B.C. Спиновый режим газофазного горения конденсированного топлива. IIДоклады РАН. 2000. -Т. 375, N3. с. 355-357.

36. Коржавин А.А., Бунев В.А., Бабкин B.C. Горение газа в закрытом сосуде с инертной пористой средой. IIГорение и плазмохимия. 2003. Т. 1, № 1.стр. 1-15.

37. Коржавин А.А., Намятов И.Г., Бунев В.А., Бабкин B.C. Взаимодействие двух диффузионных пламен распространяющихся вдоль металлической подложки смоченной различными топливами.//Физика горения и взрыва. 2003.-Т. 39, N6. С. 28-37.

38. Коржавин А.А., Бунев В.А., Бабкин B.C., Брэдли Д. Влияние чисел Льюиса на гашение гомогенных ламинарных пламен в узких каналах. II Международный симпозиум «Горение и плазмохимия», 2003 г., КазНУ им. аль-Фараби, Алма-Ата, Казахстан, с. 160-163.

39. Korzhavin A.A., Namyatov I.G., Bunev V.A., Babkin V.S. Spreading of diffusion flames over thermally thin foil strip wetted with different fuels, European Combustion Meeting 'ECM-2003', Orleans, France, Book of Abstracts, p. 114.

40. Korzhavin A.A., Bunev V.A., Babkin V.S., Klimenko A.S. Influence of phlegmatization on flame propagation in porous media. European Combustion Meeting 'ECM-2003', Orleans, France, Book of Abstracts, p. 193. (2003).

41. Korzhavin A.A., Bunev V.A., Babkin V.S., Bradley D. Lewis number effects in gas combustion in narrow channels and porous media11 Progress in combustion and detonation (Eds Borisov A., Frolov S., Kuhl A.), 58-59, Torus press Ltd, 2004.

42. Коржавин А. А. Инертные пористые среды как инструмент взрывозащиты от взрывов водородо-воздушных смесей. Сопряженные задачи механики, информатики и экологии. Материалы международной конференции. Томск, Изд-во Том. ун-та, с. 126-127 (2004).

43. Коржавин А.А., Бунев В.А., Бабкин B.C., Клименко А.С. Эффекты селективной диффузии при распространении и гашении пламени в пористой среде IIФизика горения и взрыва. 2005. Т. 41, № 4. С. 50-59.