автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.01, диссертация на тему:Исследование горения газа в инертной пористой среде в режиме высоких скоростей

УТБ О*

., с:"'-, , 11' ■ * •

МИНИСТЕРСТВО ВНУТРЕННИХ ДЕЛ РФ

ВЫСШАЯ ИНЖЕНЕРНАЯ ПОЖАРНО-ТЕХНИЧЕСКАЯ ШКОЛА

На правах рукописи

КОРЖАВИН АЛЕКСЕЙ АНАТОЛЬЕВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ ГОРЕНИЯ ГАЗА В ИНЕРТНОЙ ПОРИСТОЙ СРЕДЕ В РЕЖИМЕ ВЫСОКИХ СКОРОСТЕЙ

Специальность 05.26.01 "Охрана труда и пожарная безопасность"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МОСКВА - 1994

Работа выполнена в Институте химической кинетики и горения Сибирского Отделения Российской Акадеиии Наук.

Научный руководитель - доктор физико-математических наук,

с.н.с. Бабкин B.C.

I Официальные оппоненты - доктор технических наук,

|

\ профессор Баратов А.Н.

I I

- доктор физико-математических наук, ^С.Н.С. . Цыганов С.А.

Ведуцая организация - Всероссийский ордена "Знак Почета"

цаучио-исследовательский институт противопожарной обороны МВД РФ

Зацита состоится1994 Г°Д® •

. .. ~ ......... ...._______________... п Л С О »

часов на заседании специализированного совета Д 052.ОЗ.01 в Высшей инженерной поаарио-технической аколе МВД РФ по адресу: 129366, Москва, ул. Б.Галушкина, д.4,зал Совета.

С диссертацией моано ознакомиться в библиотеке ВИПТШ МВД РФ.

Аьтор^ерат разослан^'р^^^^/1994 года,

■ Отзыв на автореферат с заверенной подписью и печатью просим направить в ВИПТШ МВД РФ по указанному адресу.

Телефон для справок: 283-19-05.

Ученый секретарь специализированного совета кандидат технических наук,

стараий научный сотрудник Т.Г.Меркушкина

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность проблемы. Эксперименты, выполненные нами в начале 80-х годов по горении гомогенных газовых смесей в инертных пористых средах, показали, что в таких системах реализуются многочисленные стационарные и нестационарные процессы горения газов. Среди них был выделен новый стационарный режим - решим высокой скорости, интересный в научном аспекте и весьма перспективный для практического использования, прежде всего, в области пожаро-взрывобезопасности.

Цепь работы. Основной целью работы является физическое обоснование принципиально нового способа взрывозащи-ти закрытого оборудования на основе использования пористых сред - взрывозащиты без локализации пламени.

В диссертационной работе изложены исследования автора, направленные на развитие физических представлений о быстрых дозвуковых волнах горения газов в инертных пористых средах - режиме высоких скоростей (РВС), реализующем принцип взрывозащиты без локализации пламени: исследование возможности существования стационарного режима высоких скоростей; установление определяющих параметров и параметрических зависимостей скорости стационарной волны; исследование структуры, областей существования режима и природы пределов; установление механизма распространения; исследование термодинамических аспектов пламен, распространяющихся в условиях закрытого сосуда в РВС.

Научная новнзна. Научная новизна 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 - РВС, определены основные характеристики и параметрические зависимости волны горения а этом режиме, исследованы пределы распространения пламен, установлены механизмы распространения волн и срыва горения на пределах РВС;

выявлены принципиально новые нестационарные эффекты этого ревина горения.

Практическая ценность. Практическая ценность исследования заключается в том, что оно позволило сформулировать и научно обосновать новый принцип взрывоэациты закрытого оборудования - в.зрывоэациты без локализации пламени. Результаты исследований были использованы'в Кемеровском НПО "Карболит" при подбор« пористых материалов, использующихся в качестве инертных носителей серебряного катализатора в процессе производства формалина и обладающих эффективными взрывоэацитмыми свойствами, а такае в НПП "Звезда" (Московская обл., пос. Томилино) при разработке систем взрывозащиты серийных летательных аппаратов и транспортных средств.

Исследования проводились в соответствии с планами научно-исследовательских работ ИХКиГ 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 N0 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 N0 1011 от 1.07.91г) и отраслевых пррграмм.

Публикации и апробация работы. По теме диссертации опубликовано 11 работ, из них 2 - тезисы и 1 авторское свидетельство. Результаты диссертационных исследований докладывались на VI, IX Всесоюзных симпозиумах по горению и взрыву (Алма-Ата, 1980; Суздаль, 1989;) 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 Международном симпозиуме по горению (Сиэтл, СВА, 1988); на Советско-итальянском семинаре по горению (Новосибирск, 1988), на Обьединенном семинаре советской и итальянском 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), а также на семинарах в ИХКиГ СО РАН, ИГ им. М.А.Лаврентьева СО РАН.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит иэ введения, 5 глав, выводов, приложения и списка цитируемой литературы, включающего 85 наименований. Работа изложена на 143 страницах машинописного текста, включает 5 таблиц и 35 рисунков.

На защиту выносятся:

- совокупность результатов исследования горення газа в инертной пористой среде, рассматриваемая как физические основы нового способа вэрывозащиты - без локализации пламени. Работа включает следующие задачи:

-экспериментальное и теоретическое исследование скоростных характеристик процесса распространения пламени в пористой среде, выявление и обоснование механизма распространения пламени;

-экспериментальное исследование явлений;

-экспериментальное и теоретическое нединамических аспектов горения газов в с инертной пористой средой.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность и направленность исследований по теме диссертации, представлена сущность нового способа вэрывозащиты и его отличие от известных ранее способов. Сформулированы цель и задачи исследования, показана научная новизна и практическая ценность полученных результатов, приведены основные положения, выносимые на защиту. Изложена структура и объем работы.

В главе 1 проведен обзор литературы. Она состоит иэ 1вух тематически связанных частей: обзора фундаменталь-

окодопредельных

исследование тер-закрытых сосудах

них исследований и обзора работ по использованию пористых сред для взрывозащиты.

Возможность распространения газовых пламен в инертных пористых средах известна давно. Однако, работы в этом направлении были, как правило, связаны.с решением технических задач, носили несистематический характер, по которым трудно было составить единую картину процессов, происходящих в инертных пористых средах при горении газа. Недостаточность знаний фундаментальных свойств и особенностей распространения волны горения в пористых средах может привести к принятии необоснованных решений в различных областях приложений. Поэтому нани в 80-х годах было начато систематическое изучение процессов горенна в пористых средах, ииемцее целью посредством экспериментальных и теоретических исследований, на модельных и используемых в практике пористых средах, построение элементарной модели процесса распространения пламени в пористых средах, пригодной для практического использования в проблеме пожаровэрывобеэопасности.

Глава 2. ЯВЛЕНИЯ, НАБЛЮДАЕМЫЕ В ЗАКРЫТЫХ СОСУДАХ С ИНЕРТНОЙ ПОРИСТОЙ СРЕДОЙ ПРИ РАСПРОСТРАНЕНИИ ПЛАМЕНИ.

В этой главе описана методика проведения экспериментальных исследований и представлены результаты экспериментов в закрытых сосудах с пористой средой. Обоснован выбор экспериментальных сосудов, описаны процедуры опытов и методы регистрации исследуемых параметров, приведены характеристики используемых пористых сред.

Эксперименты, проведенные в сферической бомбе постоянного объема (БПО), показали принципиальную разницу между процессом распространения пламени в пустом сосуде н процессом сгорания газа в том же сосуде, но заполненном пористой средой. На рис. 1 приведены записи давления при зажигании электрической искрой в центре симметрии. Заполнение БПО пористой средой приводит к существенному изме-

нению характера процесса. Во-первых, максимум давления достигается за период времени в 5-10 раз меньший, чем в пустом сосуде. Во-вторых, величина максимального давления, развиваемого при сгорании значительно меньше, чем в пустом сосуде. И, в-третьих, в пористой среде наблюдается быстрый спад давления, обусловленный интенсивным охлаждением продуктов сгорания, интенсивность охлаждения падает с увеличением диаметра шара.

Рис.1 Динамика давления при сгорании сте-хиометрической смеси метан-воздух в БПО. Р1=0,7 МПа;

1 - без насадки;

2 - 12,7 мн;

3 - = 6,0 мм;

4 - а = 3,2 мм.

В широком диапазоне начальных давлений экспериментально показано, что максимальное давление, развиваемое в БПО с пористой средой при сгорании в РВС, всегда существенно ниже того давления, которое достигается при сгорании в пустой бомбе. Так, например, при заполнении сосуда шарами с диаметром 3,2 им относительное давление ^ не

превышает

даже

стехиометрических смесях

при

Я^=1,6 МПа. При увеличении диаметра шара эффективность пористой среды в понижении максимального давления падает.

Одной из выявленных принципиальных особенностей сгорания газа в пористой среде является непоЯНОТ* выгорания свежей смеси, особенно в околопредельной области параметров. Поэтому низкие давления взрыва в пористой среде могут быть связаны, в принципе, как с интенсивным охлаждением продуктов сгорания, так и, в некоторой мере, с не-

полним сгоранием свежей смеси.

Процесс сгорания а маломерной сферической бомбе (№91,9 мм) с насадкой из шаров проходит нестационарно. В линейной системе большого размера наблмдаеиые явления существенно отличаются от описанных выше.

2

Опыты проводили ■ трубе сечением 48x48 им и длиной до 3 м. В качеств* пористых сред использовались стальные ■ары (СП) и пенополиуретан (ППУ). Горячей смесью были воздушные смеси метана и пропана. На рис. 2 показана динамика давления при горении газа в линейной системе с ■арами и ППУ. Резкое, но небольшое (3-4% от Р^) увеличение давления на начальной участке записи Р(Ь) обусловлено процессом формирования волны горения. После формирования волны горения давление изменяется по ходу процесса в обоих случаях практически линейно. В шарах оно падает, а в ППУ растет.

В сосудах малого размера, когда протяженность области формирования волны горения порядка характерного размера сосуда, как в экспериментах в сферической бомбе, процесс протекает нестационарно и это проявляется, прежде всего, в том, что максимальные давления, развиваемые при сгорании, зависят от размера сосуда (масштабный фактор).

! ч

Рис.2 Зависимость Р(Ь). , "

Стехиометрические смеси 1 *

< о

с воздухом пропана - 1

(Р1= 0,132 МПа, ППУ) и !

метана - 2 (Р. = 0,6 МПа, х

стальные шары Л »6 мм). >"£Ц>*

- - , ДВИ",1 - . .

Вопрос о влиянии масштабного фактора исследовался на трубах разной длины, заполненных различными пористыми

средами. Эксперименты показали, что прирост давления резко увеличивается при уменьаеиии длины трубы. При увеличении длины трубы прирост давления стремится к нулю в низкопористых средах и к некоторой конечной величине, опре-деляемоА-термодинамическимн свойствами, в высокопористых.

ГЛАВА 3. РАСПРОСТРАНЕНИЕ БЫСТРЫХ ДОЗВУКОВЫХ ГАЗОВЫХ ПЛАМЕН В ПОРИСТЫХ СРЕДАХ.

В этой главе изложены результаты экспериментального изучения зависимости скорости стационарного распространения пламени от начального давления и состава смеси для воздушных смесей метана и пропана в различных пористых средах: СВ, ППУ, пористом материале из фольги (ФПМ), засыпке из полиэтиленовых гранул (ПГ). Проведено также исследование зоны горения в низко- и высокопористых средах. На основе полученных экспериментальных данных предложен механизм распространения пламени. На его основе построена элементарная модель явления и проведено сравнение с экспериментом.

Для установления факта стационарности волны горения в РВС опыты проводились в открытой системе. Для этого к длинной реакционной трубе со стороны продуктов горения присоединяли ресивер большого объема с инертным газом. Свежий газ перед фронтом пламени покоился и пространственная скорость распространения равнялась скорости горения. Опыты показали, что процесс горения имеет устойчивый характер. Не было случая, чтобы пламя заметно ускорялось или замедлялось. Результаты измерений скорости пламени удовлетворительно воспроизводятся от опыта к опыту. Было установлено, что в различных пористых средах, горючих смесях в широком диапазоне начальных давлений движение волн действительно стационарно. Стационарны пламена и в больших закрытых системах. Поскольку скорости генерируемых потоков невелики (до 15% от скорости пламени), то в ряде случаев измерения скоростных и структурных характе-

ристих пламен проводили в линейных закрытых системах.

Исследованы зависимости стационарной скорости пламени в от нормальной скорости начального давления р^, ко-

эффициента избытка топлива типа пористой среды и размера пор е/.

Скорость пламени возрастает при увеличении давления и размера пор (рис.3).

Рис.3 Зависимость S{p.) для.,

1 I uv*

разных пористых сред и соста-i-v

ВОВ метано-воздушных смесей

1 - 9,5%, ФПМ, d » 4, 5 мм;

2 - 9,5%, ППУ, d » 2, 8 мм;

3 - 9,5%, СШ, d = 2, 2 мм;

4 - о, 8,5%'

4 - ■, 9,0%

5 - 9,5%

6 - 8,0% ■ СО, d=l 15 мм;

7 - 7,25%

8 - 7,0%

9 - в,8%

?'РГ ИПа!

Скорость распространения пламени в пористых средах очень чувствительна к изменению состава смеси. Зависимости имеют типичную для ламинарных и турбулентных пламен куполообразную форму, причем максимальные скорости реализуются в области богатых аропано-воздушных смесей и бедных метано- и водородо-воэдуаных сиесей.

Экспериментальные исследования зоны горения в линейной системе показали, что схематично ее структуру моано представить в виде скачка средней температуры в газе и плавного небольшого по величине подъема температуры в пористой среде. Передний фронт скачка обусловлен тепловыделением в химической реакции, протекающей в турбулентном пламени, задний - завершением химической реакции и охлаждением газа пористой средой.

Экспериментально определены время турбулентного горения (время существования химической реакции) и длительность температурного скачка (время существования тепловой волны) Протяженность зоны горения определялась как произведение среднего времени свечения и средней стационарной скорости распространения пламени Я, Ь-вЬ^. Оказалось, что эта величина составляет 3-5 см. Это много больше характерной толщины фронта ламинарного пламени ("0,1 мм). Из экспериментов следовало также, что Это обусловлено тем, что время тепловой релаксации ^ на

порядок меньше £;.. Так, для стехиометрической метано-

-2 -2

воздушной смеси при р^ 0,2-1,5 МПа, Ь10 -5-10 с при длине зоны горения 3-5 см. Время тепловой релаксации в этих условиях (стальные шары, <1 - 6 мм) не превышает 10 с. Таким образом, протяженность тепловой зоны горения определяется не тепловой релаксацией, а химической реакцией, протекающей в условиях турбулентного пламени.

Прямые измерения протяженности тепловой зоны были проведены в ППУ. Эксперименты проводились на линейной установке. Труба полностью заполнялась ППУ. Измерение температуры проводилось термосопротивлением, представляющим собой вольфрам-рениевую проволоку иНе(20) диаметром 15 микрон. Оказалось, что для условий эксперимента £=4-5 см, то есть такого же порядка, как и в рассмотренных выше шаровых засыпках. Термосопротивление помещалось в различные участки трубы. Показано, что протяженность зоны не зависит от координаты фронта пламени. Вне тепловой зоны температура газа и пористой среды одинаковы. Для стехпо-метрических смесей метан-воздух и начальном давлении 0,16 МПа, ППУ после прохождения волны горения нагревается в среднем на 50-80°С.

Физическая модель процесса распространения пламени. Опыт показывает, что в пористых средах пламена ускоряются также, как и в шероховатых трубах или трубах с периодическими объемными препятствиями - спиралями, сетками и т.д.

С другой стороны, существование быстрых дозвуковых стационарных планен ■ пористых средах свидетельствует о наличии наряду с ускоряющими тормозящих факторов, стабилизирующих скорость распространения.

Действительно, в процессе ускорения возрастают скорости газовых потоков ■ зоне горения и, следовательно, интенсифицируется теплообмен как в газе, так и на границе фаз. Монно предположить, что, если характерное время тепловой релаксации станет меньше времени химического превращения, то произойдет гашение пламени. Поскольку в турбулентном потоке существует спектр пульсационных скоростей, то гааенню подвергнутся прежде всего те участки пламени, которые движутся с максимальными скоростями и определяют общую .скорость распространения пламени (гипотеза Я.Б.Зельдовича). Таким образом, скорость распространения пламени стабилизируется на уровне максимальных пульсаций, допустимых условиями гашения пламени и не может превышать некоторого значения, ограниченного условием гашения химической реакции в результате межфазного теплообмена. Условие локального гашения формулируется нами как равенство характерных времен химической реакции и тепловой релаксации с учетом зависимости скорости охлаждения от скорости движения газа относительно пористой среды. Это условие, по существу, выражает идею конвективного предела в узком канале - зависимость критических параметров от скорости

движения газа. Б результате получена формула для скорости -3/2 з

пламени Яе = 0,6*2 Ре , где число Рейнольдса'построено по разности скоростей 5 - число Пекле - по нормальной

скорости 5ц, 2 - число Зельдовича.

Полученная феноменологическая модель процесса позволяет вычислить скорости волны, обобщить экспериментальные данные по скорости единой зависимостью (рис.4) и дать удовлетворительную интерпретацию основных наблюдаемых в опыте закономерностей явления, в частности, высокую чувствительность 5 к изменениям нормальной скорости и размера

Re >

порового канала (5 * 5 ).

Вблизи пределов РВС вырождается: уменьшаются скорости газовых потоков, горение происходит а отдельных каналах, значительная часть свежего газа остается не сгоревшей. Однако протяженность зоны горения сохраняется достаточно большой. При горении стехиометрическоЛ метано-воздушной смеси в засып-как из стальных а&ров (р = 0,16 МПа, с/в = 6 мм) зона горения вблизи предела составляет 3-4 см.

Существенная 'неполнота выгорания, наблюдаемая в экспериментах, также объясняется предложенным механизмом распространения пламени. Она является

следствием локального гажения пламени из-за интенсивного межфазного теплообмена.

Глава 4. ПРЕДЕЛЬНЫЕ ЯВЛЕНИЯ ПРИ РАСПРОСТРАНЕНИИ ПЛАМЕНИ В ПОРИСТОЙ СРЕДЕ.

В четвертой главе описаны явления вблизи предела распространения пламени в пористой среде. Обнаружены: существенная неполнота выгорания при распространении пламени во всем объеме сосуда, зависимость числа Пекле на пределе от коэффициентов молекулярного переноса и переход с изучаемого в настоящей работе РВС на другой высокоскоростной режим - режим звуковых скоростей (РЗС).

В пористой среде с первоначально неподвижным горючим газом могут, в принципе, реализоваться различные стационарные режимы горения газов: режим низких скоростей

Ре »

Рис.4 Обобщенная зависимость Re(Pe) для метано-воздушных пламен.

(РНС), РВС | РЗС, реани низкоскоростной детонации (НСД), нормальной детонации с потерями тепла и импульса (НД). Каждый из упомянутых режимов имеет свои собственные границы существования по концентрации, давлению, температуре и другим параметрам. Границы существования означают или предел распространения пламени, где происходит гашение, или границу перехода от одного стационарного режима к другому. Механизмы пределов и переходов для всех режимов недостаточно изучены в деталях. Это отражает отсутствие ясности в понимании самих механизмов распространения волны горения в пористых средах. По этой причине в данной главе кроме основной проблемы предела и границы перехода для РВС, объектом исследования являются также вопросы, касающиеся механизмов распространения стационарной волны горения в режимах РВС и РЭС, полноты выгорания свежей смеси в РВС. Уделено также внимание влиянию коэффициентов молекулярного переноса на характеристики пламен в пористых средах.

Пределы распространения. Область РВС ограничена по скорости волны горения снизу пределом, на котором происходит срыв горения при Pe*=conet. (А.И.Розловский и др., 1963), а сверху - переходом РВС на другие стационарные режимы.

Установлено, что область РВС в плоскости (р.,Ф) имеет

* 1

вид полуострова с мысовой точкой р . , сдвинутой в метали л

но- и водородо-воэдушных смесях в бедную, а в пропано-воздушных смесях в богатую области (рис.5). На пределах скорость пламени S* порядка величины нормальной скорости (S /SJ1 2-6), тогда как вдали от них величина S*/Su достигает значений 20 и более. Максимальные значения S* и

S /S имеют сдвиги относительно положения S в тех же

" . и, «ах t

направлениях, что и сдвиги Во всех опытах Ре = 20-

80, однако в этом диапазоне при обогащении смеси топливом л

Ре возрастает в метановых и водородных и уменьшается в пропановых смесях. Можно рассматривать концентрационные

сдвиги экспериментальных величин различных характеристик горения - Ра^п> ^ и т.д. как индикатор на влияние коэффициентов молекулярного переноса (эффект числа Льюиса). Это явление моано объяснить на основе гипотезы селективной диффузии, учитывающей различие в коэффициентах диффузии топлива В, и окислителя О (Б.Льюис и Г.Эльбе, Г ох

1968). В условиях деформированных фронтов из-за различия в и 0ох наиболее мобильный реагент обогащает зону химической реакции в лидирующей точке пламени, вызывая локальное увеличение когда соответствующе!! возросшей концентрации этого реагента соответствует более высокая

51 и наоборот. Полагая на основании характера зависимости

* ф

Ре от типа топлива, что зависимость Ре от состава смеси

имеет упомянутую природу, и вводя соответствующие коррекции фи Б^ по известным формулам (В.Р.Кузнецов, В.А.Сабельников, 1986), было получено ожидаемое постоянство числа Пекле на пределе. Этот результат имеет общий характер: при аналогичной обработке данных по гашению ламинарных пламен в одиночных каналах также получено постоянство числа Пекле.

Рис.5 Пределы распространения воздушных пламен в пористых средах для различных горючих газов.

Горение в режиме звуковых скоростей. В РВС процесс

сгорания проходит изобарически. Иная ситуация возникает

2

при скоростях порядка скорости звука - 10 м/с. В этом случае процесс химического превращения протекает при повышенных давлениях и температурах. Были проведены исследования РЗС в пористой среде ПГ во всей области горючих смесей водорода с воздухом при различных начальных давлениях. Выбор этих параметров позволил изучить характер зависимости и конфигурации областей существования как РВС, так и РЗС. Рис. в показывает, что зависимость S(<t), как и в РВС, имеет куполообразный вид с максимумом, смещенным относительно S а область более низких значений

иаах

*. Переход с РВС на РЗС по параметру ♦ происходит скачкообразно, как и по давлении (Г.А.Лямин, A.liflMMi, 1987).

Рис■6. Зависимость Б(Ф) для водородо-воэдуаных пламен. Пористая среда-ПГ, начальное давление! 1 - 0,1; 2 - 0,2; 3 -0,3; 4 - 0,5 МПа. 5 -поношение максимума нормальной скорости.

Механизм распространения. Существенная особенность РЗС - образование барической волны в результате динамического меафазного взаимодействия. Процесс горения идет не при начальных давлениях и температурах, как в РВС, а при более высоких значениях этих параметров, что обуславливает высокие скорости распространения. В свою очередь, чем выше скорость распространения, тем круче профиль барической волны и выве параметры состояния своего газа во фронте химической реакции. В этих условиях появляются новые элементы в механизме распространения волны горения

Re

а РЗС. Действительно, обработка экспериментальных данных по скоростям распространения приводит к зависимости где * = 1, тогда как в РВС к = 3 (рис. 7). По имеющимся литературным данным низким значениям к = 1,5-2 отвечают условия газодинамического гааения пламени в свободных турбулентных пламенах. Поэтому в качестве рабочей гипотезы можно предположить, что в отличие от РВС, в РЗС аэродинамическое гашение химической реакции в наиболее быстрых пульсациях более вероятно, чем гашение, обусловленное теплообменом с пористой средой. Более вероятно и реини-циированне реакции в зоне горения при смешении свежей смеси и продуктов сгорання. Ударные индукционные механизмы передачи

реакции, включающие самовоспламенение свежей смеси с короткими задержками в условиях РЗС невозможны.

ГЛАВА 5. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ГОРЕНИЯ ГАЗА В ЗАКРЫТОМ СОСУДЕ С ПОРИСТОП СРЕДОЙ.

Пятая глава посвящена термодинамическим аспектам горения газа в закрытом сосуде с пористой средой. На основании построенной модели получены оценки конечного давления взрыва - наиболее важной характеристики взрывозаци-ты. Получены оценки температуры пористой среды, что важно при выборе материала пористой среды по условиям термостойкости .

50 200 10q

Ре

Рис.7 Обобщенная зависимость Re(Pe) для во-дородо-воэдушных пламен. Сплоиная и пунктирная линии относятся к РЗС и РВС.

| В данной главе предложена термодинамическая модель

I процесса сгорания газа в закрытом сосуде с пористой сре-' дой. Получено уравнение процесса сжатия газа в пористой ! среде в модельном предположении о равенстве теиператур газа и твердой фазы. Из законов сохранения массы, импульса и энергии на разрыве получено соотношение для фронта ! пламени. Проведен расчет параметров состояния продуктов

I

| сгорания и свежего газа в процессе горения. Получено хорошее согласие с экспериментом. 1 На основании проведенных оценок характерных времен -

горения в сосуде (1 с), охлаждения продуктов (10 с), химического превращения во фронте ламинарного пламени ' -4

(10 с) - предложена физическая модель процесса сгорания. | В закрытой системе с недеформируемой изотропной пористой средой, в которой находится гомогенная горючая смесь, инициируется и распространяется симметричное газофазное пламя. В процессе горения газовая и твердая фазы быстро обмениваются теплом, так что температуры фаз одинаковы всюду, за исключением пренебрежимо тонкой зоны пламени. Трение газа на границах фаз и теплопотери в. стенки сосуда пренебрежимо малы. Зона пламени представляет газодинамический разрыв. Термодинамические свойства фаз постоянны. Так как процесс существенно дозвуковой, то кинетические и термодинамические аспекты горения рассматривались раздельно. Это позволило найти условия на гидродинамическом разрыве и состояние системы перед и за фронтом пламени.

Условия на разрыве для массы, импульса и энергии с учетом охлаждения газа и соответствующего нагрева пористой среды дали следующее соотношение на фронте пламени:

г 1 _ ,. а а ^ о ЬГ и Ь ...

Е - 1 = » вьГ ец ♦-- . (п

Г ¿пь

Здесь с^с^и-еПЛс^С], Е^(Ть/Рь)/(Т^и), вгТ/Т^ °=P/Pi, л— ■/ ш ^» 1=ср/су' Т " температу-

ра, Т^ температура гомогенного газового пламенн при постоянном давлении, р - плотность газа, V - объем, а - масса, Ц - молекулярная масса, с -пористость, с - теплоемкость. Индексы обозначают: и,Ь,/* - область свежего газа, продуктов горения, фронт пламени; ¡,с - начальное и конечное (завершение горения) состояние системы; 8 - твердую фазу.

Из соотношения (1) было получено условие повышения давления в закрытом сосуде при горении с уменьшением числа молей.

с *)№»( Е .-1 )/( 1-у)*102. ( 2 )

о I

Одна из особенностей фронтального горения газа в закрытом сосуде - неоднородное состояние продуктов горения, являющееся следствием динамического повышения давления (Махе-эффект). Однако при выполнении условия (2) в сосуде на момент завершения горения устанавливается распределение температуры, обратное Махе-эффекту.

Действительно, сравним температуру на начальной и конечной йf}fe стадиях горения. В начале процесса горения ^^ и из (1) следует:

1 ьfl о ь{1 В конце процесса ^ и из (1) следует:

Е .= ив., *с (в., - 1) в., /(то ).

1 Ьгс о Ьге Ь{е ие

Видно, что если о >1, то в. . >в.,.. Эти оценки получены ие Ьге ЬГ1

в предположении о неизменности локальной температуры системы в процессе сжатия, которое обосновано ниже.

Для расчета полного распределения температуры необходимо было записать законы сжатия газа в пористой среде и связать текущее давление с распределением температуры.

Особенность процесса сжатия газа в пористой среде состоит в том, что при этом нагревается не только газ, но и пористая среда, количество которой, приходящейся на моль газа, уменьаается по ходу процесса. Учет этого обс-

тоятельства привел к уравнению скатил газа в пористой среде:

(3)

У У— 1

о

где *=р/р^ - относительное давление газа. Значение константы определяется из начальных условий. Ноано видеть, что для реальных пористых сред (с^-20-2000) процесс саа-тия практически изотериический.

Связь между текуцим давлением и распределением температуры найдена из условия сохранения массы газа в сосуде и в относительных величинах имеет вид: и,

«<иь>

I?'

с!и

И в(и) о и

1-й,

0

-1

(4 )

Совместное реаение уравнений (1) и (4) с учетом уравнения состояния свежего газа и отсутствия прогрева пористой среды, обусловленного процессом сжатия (3), при начальных условиях к=1, позволило рассчитать зависи-

мость текущего давления от координаты фронта пламени и распределение температуры. Результаты расчета и сравнение с экспериментом представлены на рис. 8.

Рис.8. Распределение температуры ^ на момент завершения горения и зависимость давления я от относительной координаты фронта пламени - г/1>. Смесь метан-воздух, стехиометрия, р^=0,16 МПа, 7^=295К. Точки - эксперимент, кривые - расчет.

Эксперименты проводились на линейной установке. Пористая среда - терморетикулированный пенополиуретан, полностью заполняла трубу. С помощью тонкого проволочного

термосопротивления измерялась равновесная температура газа и пористой среды на различных расстояниях от точки эашигания.

Нэ экспериментальных записей температуры следует, что температура системы в области свежего газа практически не увеличивается в процессе сжатия. В области продуктов горения температура также не возрастает в процессе: в зоне горения происходит прирост температуры и далее, в ходе процесса, она остается постоянной.

Расчет и эксперимент показывают, что'в продуктах горения устанавливается градиент температуры противоположный Махе-эффекту, Интересно, что при низких значениях с ,

о

соответствующих физически нереальным пористым средам, возможна реализация обычного Махе-эффекта. Расчет с использованием уравнения (3) показывает, что для типичного значения Е^=8 граница реализации эффекта соответствует со=0,15.

Таким образом, можно сделать вывод, что при горении газа в закрытом сосуде с пористой средой с повышением давления по ходу процесса, в сосуде устанавливается распределение температуры, обратное Махе-эффекту. При горении с понижением давления распределение становится аналогичным обычному Махе-эффекту, но природа этого явления иная, чем в пустом сосуде. Его интерпретация следует из приведенных выже соотношений.

ВЫВОДЫ.

1. Обнаружен и исследован дозвуковой стационарный режим распространения пламени в инертной пористой среде - режим высокой скорости (РВС). Установлены определяющие параметры режима. Исследованы скоростные и структурные характеристики пламени, пределы и механизм распространения.

а) Показано, что горение в РВС носит турбулентный характер, определяемый газодинамическим межфаэным взаимодействием и высокотемпературной химической

реакцией. Волна горения представляет собой турбулентную область с сильными температурными и концентрационными градиентами в газовой фазе, большой разностью температур фаз. Ее протяженность существенно больше толщины ламинарного плаиени.

б) Установлен механизм распространения плаиени, включающий процесс кондуктивно-конвективного теплообмена, химическую реакции и процесс - газодинамического мевфаэного взаимодействия. Скорость пламени определяется максимальными пульсациями газового потока и локальным гашением химической реакции в наиболее быстрых пульсациях.

в) Показано, что область существования реаима имеет два типа пределов - предел с гашением плаиени и предел с переходом на решим звуковых скоростей. На пределе гашения число Пекле не постоянно, а зависит от соотношения коэффициентов молекулярного переноса топлива и окислителя. Вблизи предела гашения обнаружено существенно* недогорание смеси.

2. Исследованы нестационарные процессы распространения плаиени в закрытых сосудах с пористой средой: динамика давления, распределение параметров состояния свежей смеси и продуктов сгорания. .

а) Показано, что в закрытых сосудах с пористой средой реализуется два ренина горения: установившийся и неустановившийся.

б) В неустановившемся режиме динамика давления и величина максимального давления сильно зависят от размеров сосуда и характерного размера элемента

. пористой среды.

в) В установившемся режиме скорость горения и динамика давления определяются термокинетическими свойствами горючего газа« структурными и теплофизическими свойствами пористой среды.

3. На основе систематических исследований режима высоких скоростей научно обоснован новый способ взрыаозащнты закрытых объемов - взрывозащита без локализации пламени.

Личное участие автора.

Автор принимал непосредственное участие в планировании и проведении экспериментальных, теоретических и научно-прикладных исследований.

Содержание диссертации отражено в следующих работах:

1. Бабкин B.C., Бунев В.А., Кораавин A.A. Распространение пламени в пористых инертных средах.// 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. О зоне пламени при горении газа в инертной пористой среде/ Кораавин A.A., Бунев В.А., Абдуллин Р.Х., Бабкин B.C.,// Физика горения и взрыва. - 1982. - Т.18, N 6. - С. 20-23.

3. A.c. 1088267 (СССР). Способ приготовления взрывчатых парогазовых смесей / Бабкин B.C., Вьюн A.B., Кораавин A.A., Анциферов В.Н., Храмцок В.Д., Овчинникова В.И., Птырхунов H.A.// Открытия. Изобретения. - 1994. - N 14.

4. Кораавин A.A., Бунев В.А., Бабкин B.C. Горение газа в сыпучих средах// III Int. school on explosibility of industrial dusts. Papers. Turawa, 1982. - P. 107-116.

5. Горенке газа в закрытом сосуде с инертном пористой средой/ Бабкин B.C., Бунев В.А., Коржааин A.A. Ii др.-. // Тезисы докладов 1 Всесоюзного симпозиума по макроскопической кинетике и химической газодинамике. - Черноголовка: ИХФ АН СССР, 1984. - Т. 1, Ч. 2, - С. 72.

6. Горение газа в закрытом сосуде с инертной высоко-пористои средой/ Бабкин B.C., Бунев В.А., Кораавин A.A. и др. //Физика горения и взрыва.-1985.-Т.21, N 5.-С. 17-22.

7. Babkin V.S., Korzhavin A.A., Bunev V.A. Propagation of prefixed gaseous explosion flames in porous media.// 22-nd Syap. (Int.) on Combustion: Abstracts.-Seattle: The Combustion Institute» 1988.- P.303.

8. Korshavin A.A., Babkin V.S., Bunev V.A. The mechanism of propagation and quenching of gaseous flames in porous media. // Joint M*ating of the Soviet and Italian Sections of the Combustlop Intsitute. Italy, Pisa: Tacchi Editore, 1990, N 7.T, - P. 1-4.

9. Babkin V.S., Korshavin A.A., Bunev V.A. Propagation of premixed explosion flames in porous media.// Combustion and Flame. - 1991. - Vol. 87, N 2. - P. 182-190.

10. Regimes of gaa combustion in porous media and conditions of their existence/ Korrhavin A.A., Bunev V.A. , Babkin V.S. and others// Proceedings of the Russian-Japanese Seminar on Combustlon.-H.: The Russian Section of the Combustion Institute, 1993. - P. 97-99.

11. Коряаамн А.А.,Бунев В.A., Бабкин B.C. Распределение температуры s продуктах фронтального горения газа в закрытой сосуда с пористо« средой// Доклады Академии Наук. - 1994. -Т. 334, К 2. - С. 184-186.

Соискатель

А.А.Коржавин

ЪаНЧо? ТЦр^ОО ЬЧР Tia