автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.02, диссертация на тему:Теория и методы повышения эффективности противопожарных систем на воздушном транспорте

На правах рукописи

ЦИПЕНКО Антон Владимирович

ТЕОРИЯ И МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОТИВОПОЖАРНЫХ СИСТЕМ НА ВОЗДУШНОМ ТРАНСПОРТЕ

Специальность 05.26.02 - Безопасность в чрезвычайных ситуациях (на воздушном транспорте).

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва - 2006

Работа выполнена в Научно-исследовательском институте низких температур при Московском государственном авиационном институте (НИИ НТ МАИ).

Научный консультант:

доктор физико-математических наук, профессор Ю.М.Давыдов, директор Института механики и экологии.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор А.И.Фролков, главный научный сотрудник НЦ-13 ФГУП ГосНИИ ГА

доктор технических наук, .В.Т.Калугин, профессор кафедры М-3 «Баллистика и аэродинамика» МГТУ им. Н.Э.Баумана.

доктор технических наук, И.В.Деревич, профессор кафедры «Термодинамика и теплопередача» МГУИЭ.

Ведущая организация:

ФГУП ВНИИ противопожарной обороны (ВНИИПО).

Защита состоится 7 июня 2006 г. в 15~ часов на заседании диссертационного совета Д.315.02.01 при Государственном научно-исследовательском институте гражданской авиации (ФГУП ГосНИИ ГА) по адресу 141426, Московская обл., Химкинский район, аэропорт Шереметьево, а/я 26, ГосНИИ ГА.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГосНИИ ГА и на сайте www.lnm.ru (раздел «Наши публикации»).

Автореферат разослан 5 мая 2006 г. Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Противопожарные системы на воздушном транспорте можно рассматривать с двух позиций: тушение пожаров на объектах воздушного транспорта (ВТ) и тушение пожаров с помощью воздушных судов (ВС). Специфичность этих систем проявляется, в частности, в создании специализированных аэродромных пожарных автомобилей. Другая черта, характерная для объектов транспорта, связана с тем, что необходимо обеспечить сохранение функций объектов во время пожара и минимизировать вторичный ущерб, то есть сохранить дорогие оборудование и информацию, защитив их не только от огня, но и от средств тушения.

Что касается пожаров на наземных объектах, то они обладают общей, причем не только для транспорта, особенностью - это большое скопление людей, материальных ценностей и горючих материалов (топливо, пластики и т.п.). Возгорание в местах большого скопления людей наилучшим образом ликвидируется мобильными автономными малогабаритными средствами тушения (например, огнетушителями), которые используются подготовленным обслуживающим персоналом, причем огнетушащие вещества должны быть безопасны для людей и не вызывать панику.

Что касается пожара при авиационном происшествии (АП), то на примере технологических карт тушения типовых пожаров (возгорание шасси, двигателя, пожар внутри салона, горение разлитого топлива) на крупном ВС видно, что общее во всех картах - это такой этап тушения, как охлаждение конструкций. Доля жидкости, расходуемой на этот этап, составляет десятки процентов от общего расхода тушащей жидкости.

Практически не решенная задача — тушение пожара в салоне ВС, когда складывается наиболее опасная для жизни пассажиров и экипажа и тактически сложная обстановка. Установлено, что каждый год из 1500 человек, погибших в АП, 270 погибают в результате удушения дымом или токсичными газами, под воздействием тепла, а также в процессе эвакуации.

Наконец есть ещё один опасный тип пожара в аэропорту - это пожар на (около) топливных емкостях. Здесь, как и при пожаре на месте АП, одна из основных задач — охлаждение конструкций.

Таким образом, из изложенного выше вытекает, что средства тушения должны:

- обеспечить сохранение функций объектов во время пожара и минимизировать вторичный ущерб;

- быть мобильными, по возможности автономными и малогабаритными;

- обеспечивать эффективное охлаждение конструкций;

- содержать безопасные для людей огнетушащие вещества.

Всем этим требованиям удовлетворяют системы, использующие диспергированную воду. Основное преимущество водяного тумана (рис. 1) с каплями менее 200 мкм состоит в большой скорости поглощения тепла из горючих газов и пламени. Второй эффект - оттеснения кислорода из зоны пламени. Третьим механизмом подавления огня является интенсивное поглощение теплового излучения.

Рис.1. Ранцевая (внизу слева) и вертолетная (вверху слева) двухфазные системы пожаротушения. Справа - снимок струи недалеко от среза разгонного сопла; каждая «звездочка» - отразившая свет вспышки капля.

Пожаротушение с помощью тонкораспыленной воды имеет ряд существенных преимуществ по сравнению с существующими системами:

- высокая эффективность тонкораспыленной воды, уменьшающая ее потребность для ликвидации загораний в 5 - 7 раз по сравнению традиционными системами, что, например, значительно повышает возможности противопожарных автомобилей быстрого реагирования;

- значительно уменьшаются ущерб от пожара и от последствий его тушения;

- полная экологическая безопасность средств пожаротушения.

Исследования также показывают, что максимальная теплоотдача с твердых поверхностей получается при охлаждении их тонкораспыленной водой, когда на поверхности нет сформировавшейся водяной пленки. В этом случае теплоотдача увеличивается в несколько раз, что позволяет соответственно сократить расход огнетушащего состава на охлаждение конструкций.

Можно с уверенностью сказать, что тонкораспыленная вода является в настоящее время наиболее перспективным огнетушащим веществом. Вместе с тем, несмотря на очевидные преимущества, применение тонкораспыленной воды до настоящего времени ограничивалось возможностями систем, способных доставить мелкодисперсный поток к месту возгорания.

Сопла оросителей подразделяются по способу распыления жидкости на струйные сопла высокого давления, сопла с разбиением жидкости за счет взаимодействия струй, сопла с разбиением жидкости за счет соударения струи жидкости с дефлекторами, а также газодинамические сопла (двухфазные сопла).

Из рассмотренных типов только двухфазные сопла могут дать максимально высокую скорость капель при одинаковом перепаде давления вдоль сопла. В такой системе для повышения скорости жидкости используется энергия газовой фазы, а в начальном сечении получаемой струи присутствует и газ, и жидкость. Такой способ увеличения скорости жидкости получил название газодинамического способа и имеет одно, но принципиальное преимущество перед способом повышения давления - это возможность получения высокоскоростных струй при низком начальном давлении фаз. Еще одним преимуществом двухфазных струй является принципиальная возможность управлять дисперсностью струи путем соответствующей организации процесса смешения фаз и профилирования сопла для разгона полученной газокапельной смеси.

Именно такой способ реализован в новых системах пожаротушения, разработанных НИИ НТ при МАИ и выпускаемых ООО «ТЕМПЕРО», в исследовании и совершенствовании которых принимал участие автор. Представление о таких потоках и установках дают фотографии, приведенные на рис.1. По своим возможностям такие установки универсальны и могут применяться с одинаково хорошей эффективностью для тушения твердых и жидких горючих веществ, электроустановок под напряжением, как на открытом пространстве, так и в

помещениях. Созданные установки пожаротушения с расходом воды 0.4-40 л/с, расположенные на наземных объектах ВТ, позволят значительно повысить эффективность тушения локальных возгораний без какого-либо вредного воздействия на людей.

Характерные особенности потоков в соплах таких установок:

- многофазность (дисперсность): через канал текут газ и жидкость, причем жидкость может быть большей частью в капельном виде;

- большая массовая доля жидкости (более 0.9), а объемная доля капель может составлять десятки процентов;

- капли достаточно мелкие и их очень много;

- параметры газа и жидкости не сильно отличаются от соответствующих нормальным условиям;

- нет интенсивного подвода или отвода тепла;

- поток динамически неравновесный, то есть на всем протяжении сопла скорости газа и жидкости могут существенно отличаться.

При создании систем пожаротушения было необходимо:

- спроектировать канал для разгона водовоздушной смеси;

- спрогнозировать характер (тип) и параметры потока, исходя из предполагаемых профиля канала и способа смешения газа и жидкости, причем необходимо получить распределение параметров вдоль радиуса у среза сопла, так как от этого зависят дисперсность и дальнобойность струи;

- выбрать способы совершенствования опытных установок.

Для решения этих задач необходимы понимание физических процессов, проходящих в потоке, и надежная математическая модель течения.

Что касается тушение пожаров с помощью ВС, то из анализа патентной документации по технологиям пожаротушения можно сделать вывод о том, что в настоящее время очень мало установок для тушения высотных пожаров, причем большинство — проекты, не доведенные до практического использования.

Характерные особенности пожара на высотном объекте следующие: - объект расположен в крупном населенном пункте, то есть весьма вероятно, что подъезд к нему по земле затруднен из-за автомобильных «пробок», особенностей застройки и т.п.;

- в зоне пожара (на горящем объекте) весьма вероятно нахождение людей;

- для тушения используется специальное оборудование и подготовленный персонал (это связано, в частности, с необходимостью обеспечить подачу тушащих веществ на большую высоту).

В свете вышесказанного достаточно очевидно, что наилучших результатов, в качестве средства быстрого реагирования, следует ожидать от сочетания «вертолет + диспергированная вода», что подтверждается и результатами патентного поиска.

От потока в установке вертолетного базирования (рис.1) следует ожидать тех же характерных особенностей, что и в упомянутых выше газокапельных системах НИИ НТ МАИ. Однако, в связи с большой стоимостью и трудностями экспериментального исследования, в этом случае острее стоит проблема построения адекватных феноменологической (физической) и математической моделей потока, предсказания его параметров на этапе проектирования, что необходимо для правильных конструктивных решений.

Состояние проблемы. При исследовании особенностей течения на первый план выходят задачи построения соответствующей физической модели (под физической моделью здесь понимается набор основных факторов, особенностей, условий, характеризующих поток, то есть то, что иногда называют феноменологическим описанием), учитывающей наиболее важные явления и процессы в потоке, и запись математической модели (ММ), позволяющей рассчитать параметры потока с достаточной точностью, поэтому сначала рассмотрим теоретические исследования многофазных течений в соплах.

Хорошо известны одномерные модели таких потоков. Но такие модели по своей сути не могут предсказать распределение параметров на выходе из канала, а эти данные необходимы для хорошего прогнозирования параметров струи.

Пространственные расчеты многофазных течений проводились в целом ряде работ для частиц и капель с учетом вращения, полидисперсности, столкновений, аэродинамического дробления. Однако в исследованных потоках была мала объемная доля капель, что позволяло авторам делать ряд упрощений при построении моделей или при проведении конкретных расчетов.

Потоки с пленкой теоретически исследовались в задачах теплообмена или моделирования работы аппаратов химического производства. Большой комплекс работ связан с безопасностью ядерных реакторов и других сооружений.

Но особенности сопловых течений (относительно большие градиенты параметров, динамическая неравновесность фаз) в этих задачах не учитываются или учитываются с серьезными упрощениями.

Таким образом, задача моделирования пространственного (двух- и трехмерного) газожидкостного соплового потока с учетом полидисперсности, столкновений, аэродинамического дробления, массообмена с пленкой, толщины пленки не рассматривалась применительно к потокам с высокой массовой долей капель.

Что касается экспериментальных исследований таких потоков, то большой комплекс работ был проведен в Харьковском и Московском авиационных институтах. Среди похожих есть работы по струйным аппаратам. Аналогичные исследования проводились и в других организациях. Однако в подавляющем большинстве исследований определяются только средние параметры потока. Вместе с тем эксперименты показывают, что существует проблема определения коэффициента сопротивления для фрагментов дискретной фазы (капель), что важен способ смешения газа и жидкости, что есть проблемы в описании взаимодействия газа и пленки. На практике это проявляется в многообразии конструкций для смешивания газа и жидкости и разгона смеси, при этом ответ на вопрос, насколько оптимальна данная конструкция, обычно отсутствует.

Таким образом, на сегодня нет однозначного ответа на вопрос о пригодности той или иной модели для расчета параметров динамически неравновесных газокапельных потоков при значительном содержании жидкости в соплах, соответственно нет и достаточных для понимания всех особенностей течения экспериментальных данных. Цель работы. Разработать физическую и математическую модели газокапельного потока в перспективных системах пожаротушения при большом содержании жидкости.

Задачи исследования. Для достижения поставленной цели необходимо:

- определить характерные параметры исследуемых потоков;

- сформулировать математическую модель газокапельного потока с учетом пленки, полидисперсности, столкновений, аэродинамического дробления капель;

- выбрать метод расчета параметров потока и пленки;

- провести численное исследование потока, выявить пространственные особенности;

- провести экспериментальное исследование пространственной структуры потока;

- на основании сопоставления результатов численных и натурных экспериментов показать способность модели отражать пространственные особенности потоков высокой концентрации.

Методы исследования. Для решения поставленных задач комплексно используются теоретические и экспериментальные методы исследования. При проведении экспериментов предпочтение отдано зондовым и оптическим методам. В качестве теоретического используется метод численного моделирования.

Существует множество способов моделирования многофазных течений. Ограничимся случаем, когда непрерывную фазу (газ) можно считать сплошной средой, что касается дискретной фазы (жидкости), то в настоящем исследовании был выбран подход взаимопроникающих континуумов (Х.А.Рахматулин), так как он требует минимальных ресурсов при численном моделировании.

Для решения системы уравнений математической модели был взят метод «крупных частиц». Это вызвано способностью метода рассчитывать все поле течения без выделения особенностей.

Что касается экспериментов, то в работе, для исследования детальной структуры потока (скорости газа и капель, дисперсный состав, термодинамические характеристики), использовались зонд-пробоотборник, зонд — измеритель полного давления (в отличие от потока газа или жидкости, где измеряется именно полное давление, в двухфазном потоке понимание показаний зонда как полного давления не всегда справедливо), зонд — измеритель статического давления, электрозонд, фото-, видео- и киносъемка. Также измерялись интегральные характеристики потока (расходы фаз, импульс струи).

Достоверность результатов исследования. Достоверность экспериментальных данных обеспечивается поверкой и тарировкой аппаратуры, визуальным контролем. Достоверность расчетных результатов обусловлена строгим применением теории математического моделирования и подтверждается тестовыми расчетами,

согласованностью с экспериментальными результатами и качественным прогнозом картины течения, подтвержденным экспериментами.

Научная новизна. Научная новизна диссертационной работы состоит в том, что:

- сформулирована ММ пространственного газокапельного соплового течения с учетом пленки, полидисперсности, столкновений и дробления капель при высоком (более 0.9) массовом содержании жидкости;

- впервые по такой модели проведено численное моделирование осесимметричного соплового газокапельного потока; результаты хорошо согласуются с экспериментом;

- получены новые экспериментальные данные о пространственной структуре потока; в частности, получены описание распределения и некоторые количественные данные о параметрах потока на входе в сопло, показано наличие зоны с малой концентрацией капель у стенки в расширяющейся части сопла в высококонцентрированном газокапельном потоке с пленкой.

Практическая значимость результатов исследования. Результаты численных экспериментов продемонстрировали возможность использования многожидкостной модели газокапельного потока для пространственных расчетов течений с большой долей дискретной фазы (жидкости) без ряда упрощающих предположений, при использовании которых теряется информация о некоторых особенностях течения (учитываются столкновения, аэродинамическое дробление капель, наличие пленки и массообмен с ней). Выявлены границы применения указанной модели, связанные с образованием в потоке зон, в которых объемная доля жидкости близка к 1.

Полученный комплекс экспериментальных данных позволяет использовать их для проверки других моделей высококонцентрированных газокапельных потоков.

Сравнение результатов численных экспериментов с результатами обработки данных зондовых измерений показало необходимость изменения как методики обработки экспериментальных данных, так и конструкции зонда. Предложена конструкция зонда, позволяющего одновременно измерять расходы фаз и полное давление газокапельного потока.

Созданная для ЭВМ программа расчета параметров газокапельного потока использовалась в ходе работ по созданию и совершенствованию газодинамических противопожарных систем различной мощности НИИ НТ МАИ и ООО «Темперо». В

частности, для РУПТ расчеты и эксперименты показали, что при изменении конструкции камеры смешения в широких пределах практически не меняется средний диаметр капель и дальнобойность струи. Предложена расчетно-экспериментальная методика анализа внутренней структуры потока и выбора направлений совершенствования опытной установки.

Экспериментальные методики использовались для исследования взаимодействия газокапельной струи с потоком от воздушного винта при создании системы пожаротушения вертолетного базирования.

Предлагаемая модель может также использоваться при моделировании работы систем нанесения противообледенительной жидкости, потоков в парогенераторах, газожидкостных эжекторах, химикотехнологических установках, устройствах резки металлов, бетона и т.п., а также в других устройствах, где гидродинамические процессы являются определяющими. На защиту выносятся:

- физическая модель потока, полученная на основании численных и натурных экспериментов;

- математическая модель пространственного газокапельного соплового течения с учетом пленки, полидисперсности, столкновений и дробления капель при высоком (более 10) массовом содержании жидкости;

- способ расчета потока, в котором необходимыми элементами являются учет области окружающего пространства у среза сопла, учет толщины пленки жидкости на стенке сопла и моделирование выхода пленки из сопла (в виде вдува со стенки в расчетную область);

- экспериментальные данные о пространственной структуре потока на входе и выходе из сопла;

- методика анализа результатов зондовых измерений параметров потока с большой долей капель;

- расчетно-экспериментальная методика анализа внутренней структуры течения и выбора направлений совершенствования сопловых устройств, предназначенных для получения высокоскоростных газокапельных потоков.

Представление результатов работы. Основные результаты исследований докладывались на XVII, XVIII, XIX и XX семинарах "Течения газа и плазмы в

соплах, струях и следах" (С.-Петербург, 1997, 2000, 2002, 2004), на III, IV и V международных (межд.) конференции (конф.) по неравновесным процессам в соплах и струях (NPNJ) в Москве (2000), С.-Петербурге (2002) и Самаре (2004), на II и III Межд. симпозиумах "Актуальные проблемы механики сплошных и сыпучих сред" (Москва, 1999, 2000), на IV Минском межд. форуме «Тепло-массообмен ММФ-2000» (Минск, 2000), на межд. научной конф. «Двигатели XXI века» (Москва, 2000), на конф. «Fluid-particle interaction-VI» (Италия, 2002), на V межд. научно-технической конференции (нтк) «ABIA-2003» (Киев, НАУ, 2003), на 5-ой межд. конф. «Природные пожары: распространение, тушение и экологические последствия» (Томск-Красноярск, 2003), на 4-ой межд. конф. по инженерным и компьютерным технологиям «ECT-IV» (Португалия, 2004), на 16-ом межд. симпозиуме по явлениям переноса «ISTP-16» (Прага, 2005), на 10-ой (Переяславль-Залесский, 1999) и 14-ой (Алушта, 2005) межд. конф. по вычислительной механике и современным прикладным програмным системам «ВМСППС», на научно-методической конф., посвященной 50-летию кафедры "Теории воздушно-реактивных двигателей" МАИ (Москва, 1995), на 3-ем (Москва, 1996) и 4-ом (С.-Петербург, 1998) межд. аэрозольных симпозиумах «IAS», на Межд. нтк "Современные научно-технические проблемы гражданской авиации" (Москва, 1996), на XV научно-практической конф. «Проблемы горения и тушения пожаров на рубеже веков» (Москва, 1999), на межд. нтк «Гражданская авиация на современном этапе развития науки, техники и общества» (Москва, 2003).

Публикации. Основные научные результаты работы опубликованы в 41 печатной работе, в том числе в 12 статьях. Структура работы:

Работа состоит из введения, семи глав, заключения, списка использованных источников из 247 наименований, списка условных обозначений и 28 приложений. В работе 130 рисунков, 12 таблиц. Объем работы составляет 342 страницы.

Диссертация написана в ходе выполнения фундаментальной НИР «Экспериментальное исследование и моделирование гетерогенных потоков в соплах и струях с высокой массовой долей капель или частиц», в которой автор являлся научным руководителем и ответственным исполнителем.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В 1-ой главе «Выбор параметров базового потока для экспериментального и численного исследования» определяются характерные параметры потока, который будет основным объектом исследования. По результатам численного моделирования и экспериментальным данным получены критерии компактности газокапельной струи, что важно для прогнозирования струй систем пожаротушения, получены массовые расходы, профиль канала, давление, средние скорости фаз так называемого «базового» потока.

Критерием компактности будет служить заданное минимальное значение объемной концентрации частиц (капель), что соответствует понятиям "прозрачность", "видность" струи и позволяет сравнивать теоретические и экспериментальные данные непосредственно по результатам фото- и видеосъемки. Анализ результатов расчетов позволяет сделать следующие выводы: - из принятых к рассмотрению критериев, характеризующих компактность газокапельной турбулентной струи, наиболее важными являются массовая загруженность потока дискретной фазой Ор/С8 (вр иС,- массовые расходы газа и капель) и относительный диаметр частиц ОрЛ1 (Эр - диаметр капли);

- получена интересная

Изменение объетойкснцаирзфИ изпея> едо/ъ <хм crpyi

Изменение асрости капель адол Цз.т* «мер*

—- \

ч \

■1 •S

\

IQ «И ZU

хя

---СРС9-1П

---—CpG9-U

Рис.2. Объемная доля и скорость капель вдоль оси струи в зависимости от ОрЮа.

для практики (системы пожаротушения) оценка области отношений

массовых расходов капель и газа (Gp/Gg~30, рис.2), при которой

дальнобойность струи максимальна при

заданном давлении в ш магистралях.

Была проведена серия экспериментов (работа проводилась Воронецким A.B. и др.) по исследованию

дальнобойности газокапельных струй. Разброс точек вокруг аппроксимирующей экспериментальные данные кривой показывает, что наибольшая дальнобойность получается при Gp/Gg в диапазоне 30-40, что соответствует расчетному результату.

Анализ статистики пожаров и экспериментальных данных ВНИИ ПО МЧС России показал, что при тушении наиболее массовых возгораний темп подачи жидкости должен быть порядка 0.5 кг/(м2-с), дисперсность капель у очага пожара ~ 150 мкм, удаление оператора от очага до 5 м. Учитывая высокую эффективность мелкодисперсного тушения массовый расход жидкости принят 0.4 кг/с. Из-за ограничений, связанных с требованиями к ранцевым установкам пожаротушения, давление на входе в проектируемое сопло было принято равным 5 атм, а расход воздуха - 13 г/с. Для исследования был взят поток с этими параметрами («базовый» поток). Отметим, что мы оперируем размерными величинами, так как цель работы не в получении критериальных зависимостей, а в получении данных о структуре и параметрах соплового потока на основании численного и физического экспериментов, а также в проверке возможностей многожидкостной модели.

Для получения первого варианта профиля сопла использовалась одномерная монодисперсная модель двухфазного соплового течения с учетом скоростной и температурной неравновесности фаз и трения потока о стенки канала.

Схема камеры смешения

Воаду» Q Камер« смешоми*

' ЫпЫ

Р.и^ир 150 100

- Щ (м/с) 50 "

" " " 1/р (м/с) о — Р* 10 (атм) 0 100 2(тт) 200

радиус экспериментального сопла (мм)

Рис.3. Схема камеры смешения и полученные по одномерной модели параметры (Р - давление газа, 1)д, 11р - скорость газа и капель, 2 - расстояние вдоль сопла) и радиус К экспериментального сопла.

Далее рассматриваются осесимметричные сопла, это объясняется особенностями конструкции камеры смешения (рис.3), технологическими ограничениями и опытом, полученным в ходе предыдущих исследований. На рис.3 показаны профили сопел: рассчитанное по одномерной модели и изготовленное.

В результате этой части работы получены основные параметры так называемого «базового» потока, созданы сопла для экспериментального исследования на специальном стенде.

Во 2-ой главе «Математическая модель потока с учетом аэродинамического дробления капель, столкновений капель между собой и с пленкой. Метод расчета» приводится полная система уравнений ММ газокапельного потока в канале. Автором проведены оценки различных параметров потока, на основании чего в модели учитываются столкновения капель между собой и с пленкой, аэродинамическое дробление капель, теплообмен между каплями, газом и пленкой, действующие на каплю силы аэродинамического сопротивления и плавучести (Архимеда). Вязкость газа и жидкости учитывается только в процессе межфазного взаимодействия. Не учитываются сила тяжести, процессы внутри капли, теплообмен потока со стенкой канала, теплопроводность газа, излучение газа и частиц, фазовые переходы, выделение из воды растворенных в ней газов, турбулентность. Физические характеристики веществ полагаются постоянными. Справедливо уравнение состояния идеального газа.

Основные уравнения математической модели. Предполагается, что среда является многоскоростной и многотемпературной, то есть в каждой точке есть скорости и температуры как газа, так и капель; в характерном объеме капель достаточно много, чтобы рассматривать капли как сплошную среду (хаотическое движение капель не рассматривается). Все капли делятся на несколько групп с номерами 1 от 1 до N (деление проводится по диаметру на некоторый начальный момент, в процессе расчета скорость и диаметр капель каждой группы меняются во времени и пространстве). Взаимодействие между группами описано ниже.

Для некоторого объема, в котором поток характеризуется такими величинами, как скорость газа \УЕ (жирным шрифтом выделены векторы), давление Р8, температура Т8 и плотность газа рк, объемная концентрация газа а8, скорость капель \Ур, температура капель Тр, объемная концентрация капель ар, плотность вещества капель рр можно записать законы сохранения массы, импульса и энергии в интегральном виде. Уравнения сохранения массы".

8[ I (а8-р8 «1у)у]/а = А (а^-С^-п^з);, (1)

3[1(а„1-рр-с1у)у]/а =

= -I (сср ¡-Рр-(^р¡■n)ds)s +1 ([ЛМ5та,11 +ДМ|агве ¡=1,..(2)

ав + 1(аРХ,,.....N=1, (3)

где I — время, — интеграл по объему V, ограниченному поверхностью Б, I (...)з —

интеграл по поверхности 8, п - внешняя нормаль к поверхности Б, ДМ5тац ¡, ДМ]аг8е, — изменение массы за счет столкновения с более мелкими и более крупными каплями. Уравнение сохранения импульса для газа:

Э[ I = -1 (Р8-п-с1з)5 -! (а8-р8-(\Ув-п)-\Ув^з)5—

- £{ /(ар1-рр-[Ксопр!+РА|]^у)у}-,,1.....(4)

где Рсопр 1 — сила взаимодействия между каплями и газом, деленная на массу капли, РА| — сила Архимеда, деленная на массу капли, вызвана тем, что капля находится в переменном поле давления; Уравнение сохранения импульса для капель;

д[ I (ар грР-\У„ ¡ ¿уда = -] (ар гРр-О^р ¡-п)-\Ур+ (5)

+ I { [ар,Рр(Рсопр ¡+ГА ,)+(Д1;+ЦД1Я) при ¡=1,...,Ы

д[1 (о, гРрЛУр ¡^у)у]/с* = А (о, ¡-п)-\Ур ,.<Ь)5 + (6)

+ /{[ар!рр(ГсОпР,+РА0 + (Д11+Д1)/Мпе„^у}у, при Р|(<0 ¡=1,...,Ы где Д1|, Д1п, Д1 — изменение импульса капель в рассматриваемом объеме в результате столкновений, Р^ — коэффициент эффективности соударений. Уравнение сохранения энергии газа:

51 (а.-р.-Е.-^уа = -1 (Р8(\У8-п)^)3-1 К-р8'(\У8-п)-Е8-а3)з- (7)

- I ({ар ¡"Рр'Рр ¡+ар |'Рр"|[Рсопр+Га] ¡'^р .....N ,

Е-8 = ГУ(р!!"(к-1))+'\У82/2, (8)

к — показатель адиабаты, а (}Р ¡- тепловой поток между газом и каплями.

Также в работе принято, что температура капель меняется по закону: 3[ 1 (ар гРр'Срап'Тр ¡-ау)у]/Й =

= - ] (ар¡-Рр-Ср.п'Тр¡-(\УР,-п)ч1з)5+1 ([ар¡-Рр-Ор 1 +ДС?;]^у)„, ¡=1,.(9) где Сраг1 — теплоемкость вещества капли, АС), - теплообмен в результате столкновений капель. Т.о. в объеме V происходит осреднение температуры капель.

Для замыкания системы необходимы условия на границах. В качестве граничных условий, использовавшихся в большинстве случаев, были выбраны следующие: - на входе в сопло известны все параметры потока;

- на открытой границе расчетной области (в эту область входит, помимо объема, ограниченного стенками сопла, зона у среза сопла, что позволяет использовать в качестве граничных условий более достоверные данные о параметрах окружающей среды, а не какие-либо предположения о параметрах на срезе) известны параметры окружающей среды, для других величин используется экстраполяция изнутри расчетной области, так называемый снос параметров;

- на оси и на жесткой стенке для газа и капель ставится условие непротекания;

- при наличии пленки ставятся специальные условия (см. ниже).

За начальные данные, соответствующие моменту времени 10, чаще всего принимались параметры окружающей среды (атмосферные условия), а для капель задавались минимальные скорость (менее 0,1 м/с) и объемная концентрация (~ 10"6).

Основным объектом в экспериментальных исследованиях и в практических приложениях является поток в осесимметричном сопле, поэтому для численного моделирования удобна цилиндрическая система координат. Подача газа и жидкости в сопло организована с максимальной осевой симметрией, поэтому в ММ поток полагается осесимметричным.

Аэродинамическое сопротивление капель. Для коэффициента сопротивления сферы Сс1о в равномерном потоке газа существуют различные формулы, однако в рассматриваемом диапазоне параметров (Бр < 500 мкм, |и8-ир| <100 м/с) отличие этих формул невелико, поэтому в расчетах используется формула Клячко Л.С.

Для очень мелких капель используется поправка С«3Кп на разреженность газа.

Так как в потоке капля по форме не совпадает со сферой, то для коэффициента сопротивления требуется поправка на деформацию капли С\уе.

Также используются поправка на сжимаемость газа С<1ргем, так как в некоторых зонах или на некоторых режимах скорость газа может приближаться или даже превосходить скорость звука, и поправка на взаимовлияние капель Сар, так как известно, что присутствие других капель меняет силу сопротивления, причем эта поправка определяется неоднозначно. Автором был проведен выбор нужного значения поправки.

Модель пленки, текущей по стенке сопла. При высокой концентрации капель, если не принимать специальных мер, неизбежно выпадение части жидкости на стенку в виде пленки. В работе принято, что стенка сопла абсолютно смачиваемая и пленка

течет сплошным слоем до среза сопла. В связи с этим не рассматриваем модели и экспериментальные данные о взаимодействии капель с не смоченной поверхностью.

Предполагается использование экспериментальных данных о зависимости коэффициентов трения и теплообмена от средних характеристик пленки, поэтому рассматривается только одномерное течение пленки.

С течением времени на участке между двумя поперечными сечениями изменение массы пленки произойдет за счет втекания жидкости слева, вытекания справа, выпадения капель из потока, отражения части ударившихся о пленку капель и срыва капель с гребней поверхностных волн. Изменением объема жидкости за счет испарения, растворения или выделения газов пренебрегаем.

Импульс пленки меняется за счет притока-оттока массы с соответствующей скоростью, а также из-за перепада давления и сил трения (пренебрегаем массовыми силами, так как они значительно меньше сил трения и сопротивления). Предполагается, что сорванные газом капли имеют скорость пленки. Нормальные составляющие скорости отскочивших и сорванных капель не учитываются в уравнениях пленки, но их надо учитывать в уравнениях для капель. Также принято, что работа силы трения между пленкой и газом идет в газ, стенка теплоизолирована, работа сил трения не влияет на температуру пленки.

Основная проблема в такой модели пленки — определение коэффициентов трения, теплообмена, отражения капель и уноса жидкости газом. Исследования в этой области весьма обширны, но касаются, в основном, трубных течений или потоков на плоскости, поэтому требует проверки возможность использования этих результатов в рассматриваемых потоках. Такая проверка была сделана автором.

Для описания взаимодействия капель и пленки используется модель, применяемая в пакете FlowVision, дополненная данными о скорости выбитых из пленки капель. Автором проведено сравнение этой модели с моделью Шрайбера A.A. и др.

Для определению количества и параметров сорванных газом капель в расчетах использовалось соотношение, полученное экспериментально.

Описание модели столкновения капель. Экспериментально процессы столкновения капель исследовались достаточно широко, см., например, книгу Стернина JI.E. и Шрайбера A.A. (1994). В результате стало ясно, что при столкновении капли или сливаются, или отскакивают друг от друга, или образуется

несколько капель новых диаметров. Так как для моделирования потока в работе используется модель взаимопроникающих сред, то надо использовать соответствующие указанным сценариям столкновений экспериментальные зависимости, дающие средние характеристики множества похожих столкновений.

В ряде работ обращалось внимание на то, что в процессе столкновений возрастает скорость вращения капель, поэтому движение капель определяется не только силой аэродинамического сопротивления, но и вращением. Однако, в первом приближении, в работе вращение капель не учитывалось.

Рассматриваем только парные столкновения в некотором объеме газокапельного потока, когда друг с другом сталкиваются только две капли. Более крупную каплю условимся называть мишенью, мелкую — снарядом. Процесс столкновения можно представить следующим образом. За некоторый интервал времени при относительно малой скорости сближения часть снарядов полностью сливается с мишенями, а часть испытывает касательные столкновения, при которых снаряд теряет часть импульса (pf — коэффициент потери импульса). При относительно высокой скорости часть снарядов испытывает касательные столкновения с потерей импульса, а часть — выбивает из мишени несколько осколков и отскакивает сама. Осколки как бы отваливаются от мишени, которая за счет удара ускоряется. Отскочивший снаряд теряет при этом часть импульса. В данной схеме столкновений, с одной стороны, не учитываются во всей полноте данные о дисперсном составе осколков, с другой стороны, здесь нет неопределенности с импульсом снарядов, осколков и мишени.

Вероятность столкновения капель учитывается коэффициентом захвата eif<l. Исход столкновений, которые могут закончиться либо слиянием взаимодействующих капель, либо дроблением крупной капли, описывается коэффициентом эффективности соударений Fy, представляющим собой математическое ожидание отношения изменения объема крупной капли (мишени) группы i к суммарному объему столкнувшихся с ней в течение некоторого времени мелких капель j.

Коэффициенты pf, eif и Fif, входящие в выражения для определения параметров капель при их слиянии и дроблении, рассчитываются по эмпирическим формулам. Индекс f относится к крупной капле, а индекс i - к мелкой, т.е. Dpf > Dpi. Аэродинамическое дробление капель. Модель аэродинамического дробления капель строится в работе на основании анализа, проведенного в книге Стернина Л.Е.

и Шрайбера A.A., из которого видно, что капля дробится не мгновенно, а по истечении некоторого времени Тдр0бле„Ие после начала силового воздействия, причем при We < WeKpirr„4eCKoe капля не дробится. Если тдро6/1емнс < тмо6одв про6ег„ то капля дробится, в противном случае этого не происходит, при этом всё равно сохраняется некоторый произвол в выборе WeKplm(4<:CKOe. Фактически аэродинамическое дробление ограничивает максимальный диаметр капель.

Метод расчета. При численном способе определения характеристик потока интересующая нас область разбивается на части так называемой расчетной сеткой, для каждой ячейки которой справедливы уравнения ММ. В данную расчетную область входит, помимо объема, ограниченного стенками сопла, зона у среза сопла, что позволяет использовать в качестве граничных условий достоверные данные о параметрах окружающей среды. Для определения параметров потока в ячейках расчетной сетки в работе используется метод «крупных частиц», при этом принято, что параметры потока внутри каждой ячейки распределены равномерно.

Для удобства граница расчетной области проходит не по стенке канала, а по кривой, сглаживающей поверхность пленки. Пробные расчеты показали, что не имеет смысла подправлять сетку на каждом расчетном шаге, поэтому сначала расчет проводился практически до стационарного решения без поправки сетки; затем по полученной толщине пленки строилась подходящая гладкая кривая, исправлялась сетка, и расчет продолжался далее до стационарного решения; по вновь полученной толщине пленки строилась новая кривая и сравнивалась со старой: если отличие в толщине превышало заданную точность, то расчет продолжался. Моделирование выхода пленки из сопла. В зоне вытекания пленки из сопла полагается, что она мгновенно дробится на капли известного диаметра. Такой поток капель втекает извне в рассматриваемую расчетную область со скоростью пленки. В работе не ставилась задача точно смоделировать распад пленки, а было важно просто оценить явление, чтобы понять, насколько сильно пленка влияет на поток у среза сопла. Для максимального соответствия физической картине потока а,, (объемная концентрация) должно стремиться к 1, поэтому у кромки сопла образуется зона X, в которой ар превышает величину «плотной упаковки сфер», то есть модель потока не соответствует физической картине течения. В рамках используемой ММ это несоответствие, в первую очередь, проявляется в неверной силе сопротивления,

поэтому в зоне X использовались формулы, учитывающие уменьшение продольной и увеличение поперечной составляющих силы сопротивления капель.

В итоге в работе была сформулирована ММ газокапельного соплового потока с большой долей капель и с учетом пленки, аэродинамического дробления и столкновений капель.

В 3-ей главе «Выбор расчетной сетки. Анализ вариантов математической модели. Проведение тестовых расчетов» проводилась проверка возможностей модели на примере потока в экспериментальной установке и на экспериментальных данных о максимально близких к «базовому» потоках других исследователей.

В большинстве экспериментов с соплами (каналами переменного сечения), в которых течет газокапельный поток и велика массовая доля дискретной фазы (более 10), определяются только средние характеристики, а именно: расходы фаз, тяга, распределение давления вдоль стенки канала. По этим данным можно определить средние скорости газа и жидкости. Результаты моделирования двух экспериментов (Селиванов и др., 1975, ХАИ; Lemonnier Н. и Selmer-Olsen S., Int. J. Multiphase Flow, 1992), наиболее близких к базовому варианту данной работы (см. гл.1), показали неплохое соответствие расчета и эксперимента.

Для потока с базовыми характеристиками был получен максимальный объем экспериментальных данных в ходе создания ранцевой установки пожаротушения (РУПТ). Большая доля экспериментальных и расчетных результатов изложена в работах /2,3,9,15,23-28,36-38/. Важно то, что здесь были получены данные об изменении некоторых характеристик потока вдоль радиуса вблизи среза сопла.

Численное моделирование потока с базовыми характеристиками с использованием монодисперсного варианта модели гл.2 без учета пленки /3,14,20,22/ показало, что важно знать распределение параметров по радиусу на входе в сопло, от которого существенно зависят параметры на выходе. Общая картина течения приведена на рис.7 (нижняя половина рисунка). Четко проявилась необходимость учета пленки жидкости на стенке, так как в зоне, где ар—>1, расчет явно противоречит реальному характеру течения, и, кроме того, по данным экспериментов (рис.18), в пристенной области на выходе из сопла находится свыше 50% жидкости.

Автором были проведены расчеты по предлагаемой модели с использованием различных вариантов модели пленки и коэффициентов трения, при этом на входе в

сопло задавалось равномерное распределение параметров «базового потока». Учет пленки позволил избавиться от зоны с нереальной объемной долей капель (рис.7).

я- 7 им и'юлшши объемной доли капель при моделировании с учетом ¡пенки

изолинии объемной дачи капель при моделировании без учета пленки

Рис.7 Сравнение результатов расчетов с учетом (вверху) и без учета (внизу) пленки.

Цветовая шкала соответствует спектру белого света (радуга), красный цвет -максимальное значение величины, синий — минимальное.

Расчеты показали, что можно численно за приемлемое время получать параметры потока при большой концентрации капель. Сопоставление расчетных результатов с экспериментальными данными показывает, что есть хорошее совпадение по средним скоростям и по давлению вдоль сопла. В частности, модель «видит» такие явления, как «запирание сопла» и значительное перераспределение жидкости поперек канала. Это дает основание использовать вышеизложенную модель для анализа процессов внутри сопла. Приведенные в этой главе расчетные результаты ближе к экспериментальным данным, чем те, что получены по модели без учета пленки.

Данные проведенных расчетов позволили провести оценку характерных времен основных процессов, происходящих с каплей, при этом использовались формулы из работ А.Л.Стасенко и др., И.М.Васенина и др.

Оценка времени свободного пробега капель для базового варианта показывает, что нельзя пренебрегать столкновениями капель, если от расчета требуются приемлемые пространственные количественные характеристики потока. Из оценок времени теплообмена газ-капля следует, что реальный тепловой поток будет меньше расчетного, то есть капли будут остывать, а газ нагреваться медленнее, поэтому и скорости фаз будут меньше. Сопоставление времени пребывания капли в канале и характерных времен различных процессов показывает, что вполне оправдано пренебрежение излучением, испарением, тепловыми процессами внутри капли.

В итоге на этом этапе работы были определены задачи, решение которых составило суть дальнейших исследований:

- на основании численных экспериментов надо получить детальную картину течения в канале и выяснить влияние конструкции камеры смешения на поток;

- необходимо получить экспериментальные данные о структуре потока (распределении параметров потока по сечению) на входе в сопло и на выходе.

В 4-ой главе «Численное исследование газокапельного соплового течения и начального участка выходящей из сопла струи» рассказывается о проведенных автором численных экспериментах по исследованию структуры «базового» газокапельного потока.

Экспериментальная оценка параметров потока на входе в сопло.

В предыдущих расчетах и работах /3,14,20,22/ о распределении параметров фаз на входе в сопло можно было только догадываться из анализа конструкции камеры смешения, поэтому чаще всего полагалось, что все характеристики распределены равномерно поперек сопла. Однако для численного моделирования параметры потока на входе в сопло просто необходимы. Здесь надо знать:

- есть ли пленка на входе в сопло;

- как сильно поток отличается от равномерного.

С использованием модели «фиктивного газа» и тестовых частиц в работе были получены данные для температур газа и капель после камеры смешения /14/, которые показали, что на входе в сопло температуры воды и воздуха практически равны.

Для уточнения физической модели потока и получения дополнительных данных, было проведено фотографирование потока на входе в сопло. Для этого водовоздушная смесь подавалась от камеры смешения в сопло через канал с прозрачными стенками. Анализ фотографий показал, что сколько-нибудь существенная пленка в канале отсутствует (толщина пленки соизмерима с размером дискретных включений потока). Можно оценить размер капель у стенки на входе в сопло: он составляет ~150 мкм. На рис. 8 показаны возможные профили продольных скоростей газа (и8) и капель (ир) и объемной концентрации капель Ор с учетом величины средней скорости на входе в сопло и слабой прозрачности потока непосредственно у стенок канала.

Расчет параметров соплового течения без учета процессов в камере смешения

В работе было проведено численное моделирование потока с использованием соответствующего эксперименту распределения параметров на входе в сопло (рис.9). 30 Ар* 100 20.

иё,20

ир 15 (м/с) ю 5 0

10 0

10 Я(мм)'

-ир (м/с)

-а— (м/с) --Ар

-оср= тах(оср)

Рис.8. Возможное распределение скорости газа (ид), капель (1!р) и объемной доли капель (Ар) по радиусу на входе в сопло

Рис. 9. Изолинии объемной доли капель. Верхняя кромка рисунка - ось сопла, ломаная линия на сером фоне внизу рисунка -стенка сопла.

Слабая зависимость дисперсности потока на выходе из сопла от дисперсности после камеры смешения.

На выходе из сопла исследовалась зависимость дисперсности потока от крупности капель на входе. Сравнение изолиний объемной доли капель при минимальном (250 мкм) и максимальном (1450 мкм) «базовых» диаметрах показало, что диаметр капель слабо влияет на характер распределения жидкости в потоке и на средние характеристики течения.

Однако если проанализировать изменения среднего и максимального диаметров капель, определенных в отдельных точках течения, то при малом «базовом» диаметре преобладает слияние капель. С ростом «базового» диаметра максимальный диаметр капель растет до определенного предела, т.е. в какой-то момент времени дробление начинает преобладать над слиянием и фронт дробления занимает практически все сечение сопла. Таким образом, верхняя граница диаметров капель определяется гидродинамикой потока.

Изменение давления вдоль радиуса струи у среза сопла и устойчивость пленки в длинном сопле.

Расчеты показывают, что в зоне повышенного содержания жидкости у среза должно быть повышенное по сравнению с окружающей средой давление (рис.10). Объяснить это можно тем, что срывающаяся с кромки сопла пленка дробится на протяжении нескольких сантиметров, а в зоне распада фрагментов пленки на капли

давление слегка повышается, так как газ тормозится в облаке капель из пленки. Поскольку распадающаяся пленка образует своеобразный экран, то давление газа в центральной части струи может отличаться от окружающего (атмосферного).

Характер изменения расхода жидкости в пленке (рис.11) показал, что, начиная с некоторого сечения в сужающейся части канала, масса жидкости меняется слабо, несмотря на постоянный рост скорости газа (до М = 0.9), то есть пленка весьма устойчива при дозвуковых скоростях газа и смачиваемой стенке.

-10

-5 0 эксперимент

200G_film 150 (г/с)

W film (m/s)

G film (g/s)

Рис.10. Изменение давления (вертикальная Рис.11. Изменение скорости (№_А1т) ось) вдоль радиуса (горизонтальная ось, и массового расхода жидкости в мм) у среза сопла по результатам расчета пленке (вШт) по результатам и эксперимента. расчетов.

Прогнозирование поведения жидкости на границе струи у среза сопла по результатам расчета

Из теории известно, что вытекающая из канала кольцевая пленка распадается в результате резонансных колебаний. Для определения периода этих колебаний (для трубы диаметром О оценка периода колебаний Т, при постоянной по сечению скорости звука а,,, есть Т/2=0/а:1В) и скорости пленки в работе использовалась методика Федотовского и др., учитывающая разность скоростей и объем фаз. Период Т использовался для определения поперечной скорости капель \VpXt) при моделировании колебаний пленки на выходе сопла. При использовании данных расчета частота (1/Т) составила ~ 3900 Гц. Видно (рис.17), что расстояние между гребнями увеличивается на начальном участке струи, то есть жидкость из пленки разгоняется.

О локальных экстремумах распределения жидкости вдоль радиуса у среза сопла.

Проведенные расчеты показали, что максимумы импульса и плотности орошения связаны с пленкой, при этом есть заметная неоднородность в ядре потока (рис. 12,18).

Однако существуют механизмы выравнивания параметров поперек потока в ядре: это поперечная диффузия капель из-за столкновений (в работе не рассматривается), а также колебания в камере смешения. Эти колебания связаны с тем, что направленные к оси струйки жидкости образуют сгустки (крупные фрагменты жидкости), которые не могут быть устойчивы в рассматриваемом потоке. Ниже проведена расчетная проверка влияния колебаний на параметры у среза сопла.

На рис.12 видно, что в расширяющейся части сопла у стенки, как и при малой доле капель (частиц), существует область, где концентрация капель значительно ниже, чем средняя по потоку. Существует эта зона при высокой массовой доле жидкости и относительно толстой пленке потому, что в расширяющейся части сопла резко падает интенсивность выпадения капель в пленку, а интенсивность уноса капель недостаточно высока.

Колебания потока в камере смешения

300 200 100

0

г (мм)-7

Рис.12. Изменение объемной доли капель

(вертикальная ось) вдоль радиуса струи у среза сопла.

5 -3 -1

В экспериментальной установке при исследовании потока с «базовыми» характеристиками использовалась камера (рис.2) с подачей воды через множество отверстий на стенках и подачей воздуха через кольцевое сопло. Для получения большей ясности о работе камеры было проведено численное моделирование.

Расчеты показали, что в камере реализуется периодический по времени процесс изменения параметров фаз (рис.13). Видно, что в выходном сечении максимум Ор смещен к стенке, причем положение максимума Ор периодически меняется. Такая структура подтверждается анализом фотографий потока в прозрачном канале между

камерой смешения и соплом.

0. 3

«г «

'' 7 "V 8

Рис.13. Последовательные стадии процесса смешения в камере (поток осесимметричный). Стрелкой показано основное направление потока. Заштрихованные области соответствуют ар > 0.4. Темная полоса внизу каждого прямоугольника - зона впрыска жидкости.

С учетом полученных данных о потоке на входе в работе было проведено численное моделирование соплового течения. Колебания в камере смешения задавались изменением по синусоидальному закону радиальной координаты максимума объемной доли капель относительно среднего на входе в сопло, а расходы

фаз полагались постоянными. Расчеты показали, что ниже по потоку возникают колебания расходов фаз (рис.14), в потоке формируются своеобразные аэрозольные «пробки», периодически выбиваемые из сопла и вызывающие колебания угла раскрытия струи. Колебания поднимают среднее давление вдоль канала (рис.15), снижая эффективность разгона капель и сглаживая параметры в ядре потока (рис.18).

Рис.14. Изолинии объемной доли капель (виден темный «язык» повышенной концентрации) и изменение массового расхода жидкости вдоль сопла (один из шагов расчета).

В рассматриваемых потоках, по данным численного моделирования:

1) верхняя граница диаметров капель определяется гидродинамикой потока, а не дисперсностью на входе;

2) пленка весьма устойчива при дозвуковых скоростях газа;

3) в зоне повышенного содержания жидкости у среза сопла повышенное, по сравнению с окружающей средой, давление;

4) в расширяющейся части сопла у стенки существует область, где объемная доля капель значительно ниже, чем средняя по потоку;

5) жидкость из распадающейся в результате резонансных колебаний пленки разгоняется на начальном участке струи;

6) параметры потока колеблются из-за особенностей смешения жидкости и газа.

Все вышеперечисленные свойства потока допускают, с одной стороны, прямую

или опосредованную экспериментальную проверку, с другой стороны, помогают выбирать направления совершенствования сопла и камеры смешения.

Проведенные расчеты показали, что для проверки модели, кроме расходов фаз, импульса потока на срезе сопла (тяга сопла) и изменения давления вдоль стенки канала, необходимо иметь данные о распределении и параметрах газа и жидкости поперек потока в канале и на начальном участке струи. Численные и экспериментальные исследования автора позволили получить такие данные о потоке.

Также расчеты показали, что для прогнозирования и объяснения поведения, компактности газокапельной струи необходимо рассматривать систему «камера смешения + сопло + начальный участок струи».

Следующей задачей стала экспериментальная проверка результатов расчетов и получение данных о пространственной структуре реального потока у среза сопла.

В 5-ой главе «Экспериментальная проверка результатов численного исследования газокапельного потока в канале и на начальном участке струи» приводятся данные проведенных автором и другими исследователями натурных экспериментов, подтверждающие численные результаты. В соответствии с целью работы эти данные, с одной стороны, позволяют получить описание внутренней структуры и выделить основные особенности взаимодействия фаз в газокапельном сопловом течении при значительном (более 10) массовом содержании жидкости, с другой стороны, показывают возможности многожидкостной модели в этой области. Дело в том, что полноценный физический эксперимент трудоемок и требует создания специальных средств измерения и обработки, поэтому в данной работе численный и физический эксперименты дополняют друг друга.

Сравнение расчетных и экспериментальных средних характеристик потока. Для

«базового» и близких к нему потоков на специально оборудованном стенде проводилось измерение средних характеристик, а именно: тяги сопла (импульса струи на срезе сопла), расходов воды и воздуха, температуры воды на входе и выходе из сопла, изменения давления вдоль стенки сопла. Сравнение расчетных и экспериментальных величин для «базового» потока приведено на рис.15 и в таблице. То, что расчетные величины больше экспериментальных, является следствием заниженных потерь на трение (в случае завышенного коэффициента аэродинамического сопротивления скорость газа была бы еще больше) и завышенного теплообмена между фазами. Справедливость этого пункта подтверждается экспериментами Нигматулина Р.И. (ТВТ, 1992), в которых отмечен рост сопротивления при пульсациях расхода. Выбор более точных коэффициентов качественно не меняет результатов, но требует достаточно сложной экспериментальной проверки, поэтому в данной работе эта проблема не рассматривалась.

Р (атм)

R (мм)

Таблица Суммарный импульс и средние скорости воды и воздуха на срезе сопла.

О 50 100 150 200 z (мм)

• Р - эксперимент /37/

- - - Р - результаты расчета без учета

_колебаний в камере смешения

Р - расчет с учетом колебаний в камере

_смешения

радиус сопла (мм)

Рис.15. Результаты измерения давления (Р) вдоль стенки сопла.

Wg (м/с) Wp (м/с) Тяга (Н)

Экспериментальное значение 110 57 24

Расчет, равномерное распределение фаз на входе в сопло 141 64.1 26.5

Расчет, распределение фаз на входе в сопло соответствует рис.9 126 65.5 27.5

Пленка у среза сопла. Для изучения пленки было проведено фотографирование струи у среза сопла в свете вспышек разной длительности. Типичные фотографии в свете вспышки 10"6 с см. рис.16, а в свете вспышки 4-10"4 с см. рис.17. Видно, что на границе потока при выходе из канала летит распадающаяся на фрагменты жидкая пленка. Это подтверждает полученный численно вывод об устойчивости пленки при дозвуковых скоростях воздуха на смачиваемой поверхности в рассматриваемых газокапельных потоках с высокой

концентрацией капель. Рис.16. Струя у среза сопла (сопло справа,

По трекам в работе определены вРемя вспышки 10 с).

скорость и угол разлета некоторых капель. Скорость находится в диапазоне от 4 до

34 м/с, угол — до 17.5°. Наблюдаемые капли образованы из пленки, поэтому можно

считать, что скорость пленки близка к максимальной скорости капель, то есть == 34

м/с (по расчету 33 м/с, см. рис.12).

На рис.17 хорошо видно волнистую границу струи. Симметричная картина

колебаний подтверждает достаточно хорошую осевую симметрию потока.

Расстояние между гребнями волн увеличивается по мере удаления от среза сопла, то

есть жидкость разгоняется, так как, с одной стороны, отсутствует трение пленки о

твердую стенку, с другой стороны, ориентированные по потоку фрагменты

29

(кластеры) жидкости имеют меньшую силу сопротивления, чем волны и получающиеся из пленки капли.

Рис.17.

Сопоставление полученной в численном эксперименте границы капельной струи с результатами фотосъемки.

Роль колебаний в распаде пленки, а, следовательно, в процессе смешения газокапельной струи с окружающим воздухом достаточно очевидна. По рис.17 видно, что колебания идут с нарастающей амплитудой, то есть имеет место резонанс. Следовательно, это собственные колебания выходящего из сопла потока. Очевидно, что скорость передачи колебаний связана со скоростью звука. По результатам эксперимента эквивалентная скорость звука на срезе сопла составила = 45 м/с, а частота, соответственно, 3916 Гц. Сопоставление расчета и эксперимента (рис.17) показывает хорошую точность прогноза колебаний, и подтверждает полученный численно вывод о том, что жидкость из распадающейся в результате резонансных колебаний пленки разгоняется на начальном участке струи.

Периодически меняется (от 0° до 9°) угол раскрытия струи (это угол между внешней границей пленки и осью симметрии сопла). Это подтверждает расчетные результаты о колебаниях параметров потока из-за особенностей процесса смешения жидкости и газа и связи колебания угла раскрытия струи с выносом аэрозольных «пробок» из сопла.

Зондовые измерения. Исследуемый поток оптически плотный, поэтому для получения параметров потока у среза были использованы: зонд I типа (пробоотборник), зонд И типа (измеритель статического давления), зонд III типа (измеритель полного давления набегающего потока), зонд IV типа (электрозонд).

Зонды I и III типов объединены в один трубчатый зонд, который работает в двух режимах - измерения массовой концентрации дисперсной фазы и измерения полного давления гетерогенной среды. На рис.18 показаны результаты зондовых измерений плотности орошения по данным /2,23,36,38/. Измерения проводились в сечении на расстоянии 1 диаметр от среза сопла. Сопоставление численных и

экспериментальных результатов показало высокую точность прогноза структуры струи и хорошее количественное совпадение расчетных и экспериментальных данных. Хотя подбором коэффициентов трения и параметров на входе в сопло можно добиться лучшего совпадения с экспериментальными данными, но, учитывая

возможную потерю

данные /36/

5000 4000 3000 2000 1000 0

■ □ 1 1

□ г а

■ с к

-2-ш* ■ 1_

-12 -7 -2

расчет без учета процессов в камере смешения

данные /2/

"расчет с учетом колебаний в камере смешения

зона, на которую приходится 50

3 8 г (мм^ масс0вого расхода воды

универсальности коэффициентов трения, в таком повышении

точности нет смысла.

Рис.18. Сравнение

плотности орошения

(вр/Б, вертикальная ось) вдоль радиуса

(горизонтальная ось) у среза сопла по расчетам и экспериментам.

Результаты численного моделирования показывают (рис. 12,18), что в расширяющейся части сопла, у стенки, существует область шириной ~ 2 мм, где мала объемная доля капель. На первый взгляд, это противоречит результатам зондовых измерений, поэтому была проведена проверка с использованием меньшего, чем зонд I типа, электрического зонда (IV типа). Зонд состоит из двух изолированных электродов, у которых проводимы только торцы. Если между торцами образуется жидкая перемычка, то цепь замыкается и сигнал на потенциометре максимальный. Чем меньше жидкости между электродами, тем меньше уровень сигнала. Эксперимент показал, что действительно существует узкая область, где жидкости практически нет (область 2 резкого падения напряжения и на рис.19). Также расчеты показывают, что в зоне повышенного содержания жидкости у среза должно быть повышенное по сравнению с окружающей средой давление. Для проверки были

выполнены специальные измерения зондом II типа — измерителем статического давления, которые показали правильность прогноза (рис.10).

Рис.19. Изменение напряжения II (вертикальная ось) при движении влажного зонда в поток на глубину - 5 мм. Горизонтальная сторона ячейки соответствует 0.5 с. 1 -1,$ сигнал из пленки, 2 - из зоны малой доли капель, 3 - из капельного ядра потока (границы зон - вертикальные сплошные линии).

0.5

Оценка дисперсности полученной струи. Для проверки результатов численного моделирования и понимания физических процессов, проходящих в потоке, необходимы данные о дисперсности выходящей из сопла газокапельной (водовоздушной) струи (данные о дисперсности необходимы и для оценки тушащих свойств струи). Вблизи сопла струя имеет столь высокую плотность, что здесь не удалось получить хорошие данные о дисперсности капель

Рис.20. Распределение капель по размерам в струе экспериментальной установки на удалении в 1 м от сопла. Горизонтальная оси - логарифмическая шкала диаметров капель в мкм; темная область -объемная доля, (правая шкала); кривая линия -, ю too юоо суммарный объем, (левая

Particle Diameter ftjm) ШКЭЛЭ). D32=165.4, Dd3=264.

Фотосъемка струи (рис.1) была проведена на удалении в 1 м от среза сопла в свете вспышки продолжительностью 10"6 с. Максимальный диаметр капель на снимках около 1 мм. Более точные измерения были выполнены на стенде НИИ НТ МАИ с помощью лазерно-оптической измерительной системы фирмы «Malvern» (рис.20).

Описание газокапельного соплового течения при значительном (более 10) массовом содержании жидкости. Проведенные эксперименты подтвердили результаты численного моделирования, полученные в п.4. Для достижения цели работы осталось сформулировать физическую модель (по другой терминологии «феноменологическое описание») газокапельного соплового потока с большой долей капель на основании полученных данных, а также показать, как результаты и инструменты исследования используются на практике.

Картину течения потока в установке можно представить следующим образом: на входе в сопло, в результате смешения воды и воздуха, формируется пульсирующее (имеются в виду прежде всего пульсации массового расхода жидкости) с невысокой частотой (порядка десятков Гц) дисперсное течение с минимумом (в среднем) жидкости на оси и пленкой малой (в среднем) толщины. Пульсации возникают из-за формирования в потоке крупных фрагментов жидкости, которые неустойчивы и разрушаются, загромождая сечение. В сужающейся части сопла значительная часть жидкости выпадает в пленку. Из-за частых ударов капель поверхность пленки 32

покрыта множеством волн, поэтому большинство соударений капель происходит фактически не при малых, а при больших углах, в результате чего отскакивает или выбивается незначительная доля капель. Общая масса сорванных капель в несколько раз меньше потока капель в пленку, поэтому, раз образовавшись, пленка течет до самого среза сопла.

Внутри канала, где концентрация капель сохраняется достаточно высокой, происходит интенсивное столкновение капель, поэтому достаточно быстро теряется информация о первоначальном распределении капель по размерам.

В расширяющейся части канала, как и в соплах с малой концентрацией частиц, у стенки формируется область с малым содержанием капель.

Вытекающая из сопла пленка образует своеобразный экран, поэтому давление в ядре струи может отличаться от атмосферного.

Анализ работы конструктивно похожих систем пожаротушения НИИ НТ МАИ с расходами воды 1, 5 и 10 кг/с показал, что в них реализуется похожее течение.

В 6-ой главе «Использование результатов исследования в научных и прикладных работах» в качестве примеров применения экспериментальных и теоретических результатов диссертации приведены расчетно-экспериментальная методика поиска оптимального режима работы газожидкостного сопла, а также проведен анализ результатов зондовых измерений, даны предложения по изменению конструкции зонда и методики обработки результатов измерений.

Способ поиска оптимального режима работы газокапельного сопла

Опыт расчетов и экспериментов позволил предложить в работе достаточно простую методику поиска оптимального режима работы газокапельного сопла. Из-за трудности моделирования процессов смешения жидкости и газа конструктивные решения чаще всего отрабатываются экспериментально. При таком подходе, если установка не дает поток с заданными характеристиками, трудно сказать, в чем кроется причина. То ли "плохое" сопло не разгоняет "хороший" поток капель, то ли наоборот, то ли неверно подобран режим работы, поэтому необходимо для конкретной конструкции найти оптимальный режим работы и сделать это с наименьшими затратами. Возможный способ решения этой задачи излагается ниже.

За идеальный (в смысле передачи энергии от газа к каплям) примем так называемый "равновесный" поток, в котором скорости и температуры капель и газа равны. Такой поток можно рассматривать как "фиктивный" газ. Для заданного сопла расход газа однозначно определяется при заданных параметрах жидкости на входе в сопло и полном давлении газа. Зависимость расхода газа от расхода жидкости можно

определить экспериментально. Такую же функцию можно построить теоретически для "равновесной" смеси (рис.21).

Рис.21. Расход воздуха

[вертикальная ось, г/(с-см2)] на единицу площади горла сопла относительно массовой доли воды (Эр/Сдав) для РУПТ.

Из анализа работы сопел различной конфигурации (см. п.З) и с различным способом смешения газа и жидкости перед соплом /7/ видно, что взаиморасположение экспериментальной и теоретической зависимостей расходов фаз характеризует распределение фаз поперек потока, а именно: при расположении на графике теоретической кривой выше экспериментальной поток достаточно однороден, различие зависимостей вызвано разницей скоростей фаз, при обратном расположении различие вызвано тем, что в потоке много пленки, или существуют зоны, в которых мало жидкости по сравнению со средним.

Выдвинутое предположение позволяет достаточно просто выбрать режим работы и направление совершенствования установки. Оптимальный режим находится в окрестности точки пересечения теоретической и экспериментальной кривых. При расположении теоретической кривой выше экспериментальной основные усилия стоит направить на отработку профиля канала. В противном случае надо совершенствовать камеру смешения.

Изложенная выше методика использовалась при выборе оптимального режима работы сопла системы пожаротушения вертолетного базирования (рис.1) /13/.

В 7-ой главе «Использование результатов исследования на воздушном транспорте» показано место перспективных технологий и систем пожаротушения НИИ НТ МАИ и ООО «ТЕМПЕРО» в номенклатуре вооружений аварийно-спасательных служб аэропортов, приведены результаты анализа систем 34

" - РУПТ, Р=6 атм

- - РУПТ, Р=6 атм (равновесная смесь)

- РУПТ, Р=4 атм

- РУПТ, Р=4 атм

5 30 55 врЛ^ (равновесная смесь)

пожаротушения с применением летательных аппаратов (ЛА), показана необходимость создания ЛА с горизонтальной подачей тушащей жидкости, предложена расчетно-экспериментальная методика поиска оптимального режима работы газожидкостного сопла и дан пример использования её при создании системы пожаротушения вертолетного базирования, даны пояснения об особенностях работы ранцевой установки пожаротушения (РУПТ) НИИ НТ МАИ, проведена оценка параметров водяной завесы при возгорании в салоне воздушного судна.

Также известно, что, помимо тушения пожара при АП, часто на аварийно-спасательной службе аэропорта лежит обязанность тушения других видов пожаров. В этом случае применение средств тушения, использующих мелкодисперсную воду, гораздо безопаснее и эффективнее, чем штатных средств пожаротушения.

Еще одна область применения мелкодисперсных систем на воздушном транспорте связана с созданием аэродромных противопожарных автомобилей. Логика развития аэродромных пожарных автомобилей вызвала появление на них систем самозащиты от пожара, обычно это системы создания капельно-водяных завес. Рассматриваемые в диссертации подходы позволяют достоверно прогнозировать параметры таких завес на этапе проектирования.

Для тушения удаленных пожаров при АП и пожаров на высотных объектах совместно с ОАО «Камов» была создана установка пожаротушения большой мощности для пожарного вертолета Ка-32А. Установка осуществляет подачу струи мелкодисперсной жидкости в очаги пожара. Она основана на газодинамической технологии, хорошо зарекомендовавшей себя в ходе эксплуатации РУПТ.

В Заключении обобщен опыт использования и перспективы развития многожидкостной модели газокапельного потока с большой долей жидкости, сформулированы результаты работы.

Представленные результаты расчетов, выполненные автором, а также другие численные эксперименты позволяют заключить, что выбранный способ построения ММ вполне подходит для численного исследования и прогнозирования особенностей динамически неравновесных потоков с большой долей капель в каналах. При совпадении средних параметров потока на срезе сопла с результатами расчетов по одномерной модели четко проявились преимущества двумерного моделирования,

позволившие выявить и объяснить особенности как соплового потока, так и начального участка струи.

В модели используются экспериментальные зависимости для описания взаимодействия капель с газом, между собой и пленкой для получения тепловых потоков между фазами. Это требует своего рода «настройки» модели в случае, когда меняются вещества или характерные параметры потока.

Вместе с тем, при известных экспериментальных данных, созданная программа расчета может служить инструментом для проверки пригодности тех или иных локальных моделей (описание столкновений капель между собой и пленкой, унос жидкости с пленки, межфазное трение, теплообмен и так далее) для рассматриваемого класса течений. При таком подходе опыт расчетов дает направления совершенствования модели.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Полученные в работе новые экспериментальные данные о пространственной структуре потока позволили уточнить физическую модель течения, полнота этих данных, в комплексе с данными /29,211,240/, позволяет использовать их для проверки других моделей высококонцентрированных газокапельных потоков. В частности, определен характер и получены некоторые количественные данные об изменении по сечению параметров потока на входе в сопло, выявлена зона с малой концентрацией капель у стенки в расширяющейся части сопла, получены данные о колебаниях вытекающей из сопла пленки.

2. Разработана математическая модель пространственного газокапельного соплового течения с учетом пленки, полидисперсности, столкновений и дробления капель при высоком массовом содержании жидкости. Впервые по такой модели проведено численное моделирование осесимметричного соплового газокапельного потока; результаты хорошо согласуются с экспериментом, причем часть расчетных результатов нашла свое подтверждение в последующих контрольных опытах. Численный эксперимент позволил, с одной стороны, сделать выбор между моделями взаимодействия капель с пленкой, с другой стороны, сделать заключение о структуре поверхности пленки (развитая волновая) и о взаимодействии капель с пленкой (практически нет отскока). Расчеты с различными коэффициентами трения показали, что течение пленки везде можно считать турбулентным, несмотря на

36

невысокое число Рейнольдса, что объясняется искусственной турбулизацией за счет частых ударов капель.

3. Проведенное сопоставление с ранее проведенными расчетами и результатами других исследователей показывает, что в расчетную область необходимо включать область окружающего пространства у среза сопла, учитывать толщину пленки жидкости на стенке сопла и моделировать выхода пленки из сопла. В работе показано, что учет указанных параметров позволяет значительно приблизить граничные условия к реальным.

4. В работе предложен способ прогноза частоты колебаний пленки жидкости, выходящей из сопла. Этот прогноз необходим для оценки устойчивости струй тушащей жидкости. Показано, что заметные колебания с низкой частотой (десятки Гц) угла раскрытия струи и повышенное давление в сужающейся части сопла при повышении расхода воды неизбежно возникают в процессе взаимодействия фаз. Установлено, что частотные характеристики и степень повышения давления связаны со способом смешения газа и жидкости.

5. Выявлены границы применения рассматриваемой математической модели. Установлена их связь с образованием в потоке зон, в которых объемная доля жидкости близка к 1. Даны рекомендации для дальнейшего совершенствования модели, в частности рекомендуется учесть неравновесный теплообмен, также нужны дополнительные данные о взаимодействии капель между собой и пленкой, об уносе капель из пленки;

6. Проведенный анализ численных экспериментов и данных обработки зондовых измерений показал необходимость изменения как методики обработки экспериментальных данных, так и конструкции зонда. Предложена конструкция зонда для одновременного измерения расходов фаз и полного давления потока.

7. Для выбора оптимальных параметров газодисперсных противопожарных систем различной мощности разработана программа расчета параметров потока на ЭВМ, которая использовалась в ходе работ по созданию и совершенствованию систем пожаротушения НИИ НТ МАИ и ООО «Темперо» (РУПТ, система пожаротушения вертолетного базирования, модель системы создания водяной завесы в салоне ВС, газодисперсная система на базе мотоколяски «Кинешма» с расходом 1 л/с).

8. Предложена расчетно-экспериментальная методика анализа внутренней структуры течения и выбора направлений совершенствования сопловых устройств, предназначенных для получения высокоскоростных газокапельных потоков. Методика позволяет значительно сократить материальные и временные затраты при натурных испытаниях опытных образцов двухфазных систем пожаротушения. Показана работоспособность этой методики на примере выбора оптимальных параметров РУПТ и системы пожаротушения вертолетного базирования. С помощью комплексного подхода к исследованию, при котором расчетные и экспериментальные результаты дополняют друг друга, достигнута цель работы — разработаны физическая и математическая модели газокапельного потока в перспективных системах пожаротушения при большом содержании жидкости.

Автор выражает признательность И.А.Лепешинскому, Г.В.Моллесон, Ю.В.Зуеву, Ю.М.Давыдову, А.А.Шрайберу, А.Л.Стасенко, В.Н.Емельянову, Ю.М.Циркунову, В.Н.Ускову, И.Э.Иванову, И.А.Крюкову за консультации и поддержку автора в ходе работы. Хочу выразить признательность сотрудникам МАИ и НИИ НТ при МАИ, без участия которых не удалось бы провести экспериментальные исследования: Карпышеву A.B., Протасову А., Доркину Э.А., Комарову В.Д., Решетникову В.А., Воронецкому A.B., Яковлеву A.A., Тарасову О.В., Фирсову В.П., Душкину А.Л., Долотказину В.И., Матушкину В., Жданову А.Д. и др.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ Научные публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Ципенко A.B., Лепешинский И.А., Зуев Ю.В., О.К.Иванов O.K., Решетников В.А., Воронецкий A.B., Костюк В.В. Исследование процессов межфазного взаимодействия в многофазных турбулентных струях. // Математическое моделирование (ММ), М.,том 11, №4, 1999, с. 59-69.

2. Ципенко A.B., Лепешинский И.А., Воронецкий A.B., Зуев Ю.В., Онес В.И., Решетников В.А. Экспериментальные и теоретические исследования газокапельных струй с высокой концентрацией жидкости в газе. // ММ, 2001, том 13, №6, с. 124-127.

3. Ципенко A.B., Лепешинский И.А., Яковлев A.A., Молессон Г.В., Воронецкий A.B., Онес В.И. Численное и экспериментальное исследование газокапельного течения в сопле с большими концентрациями дисперсной фазы. // ММ, 2002, том 14, №7, с. 121-127.

4. Ципенко A.B. О дисперсности газокапельного потока с большой долей жидкости на выходе из сопла большой длины. // Теплофизика высоких температур, 2006, том 44, № 2.

5. Ципенко A.B. Численное исследование дальнобойности газожидкостных струй дисперсной системы пожаротушения. // Научный вестник МГТУ ГА, сер. Аэромеханика и прочность, № 15, 1999, с. 73-74.

6. Ципенко A.B. Экспериментальное исследование поведения струи с большим массовым содержанием капель в сносящем потоке. // Научный вестник МГТУ ГА, сер. Аэромеханика, прочность, ..., № 53, 2002, М., с. 94-97

7. Ципенко A.B. Поиск оптимального режима работы газокапельного сопла. // Научный вестник МГТУ ГА, сер. Аэромеханика, прочность, № 59, 2003, М., с. 66-68.

8. Ципенко A.B., Тарасов H.H., Монашев В.М. Экспериментальное исследование поля мгновенных скоростей за воздушным винтом. // Научный вестник МГТУ ГА, сер. Аэромеханика, прочность,... № 60, 2003, М., с. 129-133

9. Ципенко A.B. Отличие равновесной и неравновесной моделей газокапельного потока при большой концентрации капель. // Научный вестник МГТУ ГА, сер. Аэромеханика, прочность, № 72, 2004, М., с. 108-110.

Ю.Ципенко A.B. Выбор модели пленки для потока с большой долей капель в осесимметричном сопле. // Научный вестник МГТУ ГА, сер. Аэромеханика, прочность, № 81(1,1), 2005, М., с. 43-47

11 .Ципенко A.B. Исследование особенностей концентрированного газокапельного потока в сопле опытной установки путем численного и натурного экспериментов. // Вестник МАИ, 2005, т. 12, № 4.

12.Ципенко A.B. Определение причины колебаний угла раскрытия газокапельной струи со значительным содержанием жидкости. // Научный вестник МГТУ ГА, сер. Аэромеханика, прочность, М., 2006, № 97, с. 69-97.

Научные публикации в других изданиях

13.Ципенко A.B., Карпышев A.B. Оптимизация работы системы пожаротушения вертолетного базирования. / Материалы V межд. научно-технической конференции (нтк) «ABIA-2003», Киев, НАУ, 2003, т.2, с. 24207-24208.

14.Ципенко A.B., Карпышев A.B., Лепешинский И.А., Воронецкий A.B., Костюк В.В. Управление параметрами двухфазного потока в канале с большой массовой долей частиц. / Труды IV Минского межд. форума «Тепло-массообмен ММФ-2000», 2226.05.2000, HAH Беларуси, АНК «Институт тепло- и массо- обмена им. А.В.Лыкова», том 5 «Тепломассо-обмен в двухфазных системах», Минск, с. 509-512

15.Ципенко A.B. Экспериментальное исследование газокапельного потока с высоким относительным массовым расходом воды в сопле. / Течения газа и плазмы в соплах, струях и следах: Тезисы докладов XVIII Межд. семинара, 21-23.06.2000, СПб, 2000, с. 139.

16.Ципенко A.B. Математическая модель дисперсного неравновесного потока с большой долей жидкости в сопле с учетом пленки, столкновений и аэродинамического дробления капель. / М.: 2004, 46 е., деп. в ВИНИТИ 09.11.2004, № 1744-В2004.

17.Ципенко A.B. Об использовании различных моделей при расчете турбулентных двухфазных струй. /"Вопросы исследования летной эксплуатации воздушных судов в особых ситуациях". Межвузовский сб. научн. трудов, М.: МГТУ ГА, 1997, с.82-85.

18.Ципенко A.B., Лепешинский И.А., Иванов В.Э. Модификация модели турбулентности первого порядка для расчета двухфазной турбулентной струи. / "Вопросы повышения уровня летной эксплуатации и безопасности полетов воздушных судов", сборник научных трудов МГТУ ГА, Москва, 1996, с. 109-115

19.Ципенко A.B., Зуев Ю.В., Лепешинский И.А., Воронецкий A.B. Моделирование двухфазных струйных течений. Сравнение моделей. / Третий межд. аэрозольный симпозиум (IAS-3), Москва, 2-5 декабря 1996 г. Избранные труды, № 11, с. 28-36

20.Ципенко A.B., Лепешинский И.А., Моллесон Г.В., Яковлев A.A., Янышев С.С. Расчет двухфазного течения в сопле с большой концентрацией дискретной фаз. / Труды II Межд. симпозиума "Актуальные проблемы механики сплошных и сыпучих сред", Москва, Нац. академия прикладных наук, 1999, с.36

21.Ципенко A.B., Костюк В.В., Лепешинский И.А., Моллесон Г.В. Исследование параметров газокапельных струй, распространяющихся в зоне горения. / Проблемы горения и тушения пожаров на рубеже веков. Материалы XV научно-практической конференции, ч. 1, 1999, Москва, ВНИИ ПО, с. 266-268.

22.Ципенко A.B., Костюк В.В., Лепешинский И.А., Моллесон Г.В. Расчет сопел с большой массовой долей дискретной фазы методом "крупных частиц". / Тезисы докладов X юбилейной межд. конф. ВМСППС-1999, Переяславль-Залесский, 7-12 июня 1999 г., М., МГИУ, 1999, с. 65-66.

23.Ципенко A.B., Воронецкий A.B., Моллесон Г.В. Некоторые результаты численного и экспериментального исследования газокапельного потока с высоким содержанием жидкости. / Тезисы докладов NPNJ-2000, Истра-Москва, 3-7.06.2000, -М., МГИУ, 2000, с. 332-333.

24.Ципенко A.B. и др. Двухфазное течение в сопле при больших концентрациях дисперсной фазы. Численное и экспериментальное исследование./ Тезисы докладов NPNJ-2000, Истра-Москва, 3-7.06.2000, -М., МГИУ, 2000, с. 231-232

25.Ципенко A.B. и др. Методы экспериментальных исследований газокапельных струй с высокой массовой концентрацией жидкости в газе. / Тезисы докладов NPNJ-2000, Истра-Москва, 3-7.06.2000, -М„ МГИУ, 2000, с. 229-230.

26.Ципенко A.B. и др. Некоторые результаты экспериментального исследования струй с высокой массовой долей частиц, / "Течения газа и плазмы в соплах, струях и следах", тезисы докладов XVIII Межд. семинара 21-23.06.2000, СПб., 2000, с. 127

27.Ципенко A.B., Лепешинский И.А., Воронецкий A.B., Зуев Ю.В., Онес В.И., Решетников В.А. Экспериментальные исследования газокапельных струй с высокой массовой концентрацией жидкости в газе. / Межд. научная конф. «Двигатели XXI века», 5-7.12.2000, тезисы докладов, -М., ЦИАМ, 2000, с. 10-11.

28.Ципенко A.B., Лепешинский И.А., Воронецкий A.B., Молессон Г.В., Онес В.И., Яковлев A.A. Численное и экспериментальное исследование двухфазного течения в сопле при больших концентрациях дисперсной фазы. / Межд. научная конф. «Двигатели XXI века», 5-7.12.2000, тезисы докладов, -М., ЦИАМ, 2000, с. 11-12

29.Ципенко A.B. Численное исследование компактности двухфазных струй. / Тезисы докладов IV межд. конф. NPNJ-2002/ XIX Межд. семинара по струйным, отрывным и нестационарным течениям, 24-28.06.2002, СПб., -М., МАИ, 2002, с. 425-426.

30.Ципенко A.B., Костюк В.В., Лепешинский И.А., Воронецкий A.B., Моллесон Г.В., Яковлев A.A. Численное моделирование методом «крупных частиц» Давыдова двухфазных течений в соплах для газодинамической системы пожаротушения. / Труды III Межд. конгресса "Актуальные проблемы механики сплошных и сыпучих сред" (8-10 февраля 2000 г., Москва, ИМВС РАН), Москва, Нефть и газ, 2000 г., с.44

31.Ципенко A.B., Лепешинский И.А., Воронецкий A.B., Зуев Ю.В., Карпышев A.B. Моделирование водовоздушной струи в пространстве с резким изменением температуры. / Природные пожары: распространение, тушение и экологические последствия: Материалы 5-ой межд. конф..-Томск: Издательство Томского университета, 2003, с. 115-116.

32.Ципенко A.B., Карпышев A.B., Душкин А.Л., Доркин Э.А., Яковлев A.A. Ранцевая и вертолетная установки НИИ НТ МАИ, использующие газодисперсную

технологию пожаротушения. / Природные пожары: распространение, тушение и экологические последствия: Материалы 5-ой межд. конф.-Томск: Издательство Томского университета, 2003, с. 117

33.Ципенко А.В. и др. Экспериментальное исследование струи с большим массовым содержанием капель в сносящем потоке от винта. / Гражданская авиация на современном этапе развития науки, техники и общества. Тезисы докладов МНТК. -М.: МГТУ ГА, 2003, с.35

34.Ципенко А.В., Карпышев А.В., Яковлев А.А. Создание газожидкостных сопел с заданными параметрами. / Тезисы докладов XX межд. семинара по струйным, отрывным и нестационарным течениям, 1-3.07.2004, СПб., ИПЦ СПбГУТД, с. 158.

35.Ципенко А.В., Карпышев А.В. Применение модели взаимопроникающих континуумов при расчете газокапельных сопловых течений с большой долей жидкости. / Материалы XIV Межд. конф. по вычислительной механике и современным прикладным прграммным системам (ВМСППС-2005), Алушта, 25-31 мая 2005 г., - М.: Вузовская книга, 2005. с. 217-218

36.Tsipenko А.V., Karpyshev A.V., Yakovlev А.А. The Ceation of a Gas-Liquid Nozzle with Predictable Behaviour. / Proceedings of the Fourth International Conference on Engineering Computational Technology, Civil-Comp Press, paperback, 346 pp., 2004.

37.Tsipenko A.V., Karpyshev A.V. Considerable Liquid Proportion Gas-Drop Nozzle Flow Simulation by Euler-Euler Model. / Proceedings of the 6-th International Symposium on Transport Phenomena (ISTP-16) 29.08-01.09, 2005 Prague, Czech Republic, p. 191

38.Tsipenko A.V., Karpyshev A.V., Yakovlev A.A. The Ceation of a Gas-Liquid Nozzle with Predictable Behaviour. / Proceedings of ISTP-16 29.08-01.09, 2005 Prague, Czech Republic, p. 190

39.Tsipenko A.V., Karpyshev A.V. Numerical investigation for criteria of compactness for two-phase jets. / «Fluid-particle interaction-VI» conference, August 25-30, 2002, Barga, Italy, UEF, poster session.

40.Tsipenko A.V., Karpyshev A.V. An experimental investigation of heterogeneous jet with a large mass loading ratio in the propeller flow. / «Fluid-particle interaction-VI» conference, August 25-30, 2002, Barga, Italy, UEF, poster session

41.Tsipenko A.V., Kostyuk V.V., Lepeshinsky I.A., Zuev Yu.V., Chabanov V.A., Ivanov O.K, Reshetnikov V.A. Outcomes of experimental research gas-water unisothermal turbulent jet and numerical simulation of experiment. / «Fluid-particle interaction-VI» conference, August 25-30, 2002, Barga, Italy, UEF, poster session

Введение

Глава 1. Выбор параметров базового потока для экспериментального и численного исследования.

1.1. Определение соотношений массовых расходов фаз для максимально дальнобойной струи.

1.1.1. Исследование влияния числа Рейнольдса газовой фазы, скольжения дискретной фазы, относительного диаметра частиц и объемной загруженности потока частицами на компактность газокапельной струи.

1.1.2. Исследование влияния массовой загруженности потока частицами Gp/Gg на компактность газокапельной струи

1.2. Определение расходов воздуха, воды и мелкости капель. Проектирование сопла для разгона газокапельной смеси.

1.3. Прогнозирование режима течения.

1.4. Выводы по главе

Глава 2. Математическая модель потока с учетом аэродинамического дробления капель, столкновений капель между собой и с пленкой. Метод расчета

2.1. Основные уравнения модели

2.2. Сила аэродинамического сопротивления

2.3. Сила Архимеда (плавучести) или учет неравномерного давления в потоке на движение капель

2.4. Об учете ускоренного движения капли

2.5. Модель пленки, текущей по стенке сопла

2.5.1. Основные положения модели пленки

2.5.2. Условия на границе между пленкой и газом внутри сопла

2.6. Модель столкновения капель

2.6.1. Столкновение с мелкими каплями

2.6.1.1. Изменение скорости капель группы i при F,f>

2.6.1.2. Изменение скорости капель группы i при Fjf<

2.6.2. Столкновение с крупными каплями

2.6.2.1. Изменение скорости капель группы i при Fjf>

2.6.2.2. Изменение скорости капель группы i при Fjf<

2.6.3. Изменение массы, температуры и импульса группы капель в результате столкновений

2.6.4. Изменение диаметра в результате столкновений

2.6.5. Вычисление коэффициентов захвата ejf, эффективности соударений

Fjf и коэффициента уменьшения скорости отскочивших снарядов pf

2.6.6. Доказательство выполнения законов сохранения массы, импульса и энергии в модели столкновений

2.7. Учет аэродинамического дробления капель

2.8. Метод расчета

2.8.1. Метод расчета - метод «крупных частиц»

2.8.2. Изменение расчетной сетки с учетом толщины пленки

2.8.3. Моделирование выхода пленки из сопла

2.9. Выводы по главе

Глава 3. Выбор расчетной сетки. Анализ вариантов математической модели. Проведение тестовых расчетов.

3.1. Определение размеров расчетной сетки

3.2. Роль поправки к коэффициенту аэродинамического сопротивления капель, учитывающей близость соседних частиц (стесненность потока)

3.3. Влияние учета силы Архимеда (градиента давления на капле) на результаты расчетов.

3.4. Моделирование экспериментов - иллюстрация особенностей предложенной модели

3.5. Выбор коэффициентов трения пленки

3.6. Изменение результатов численного моделирования потока при учете аэродинамического дробления капель

3.7. Изменение результатов численного моделирования потока при учете столкновений и аэродинамического дробления капель

3.8. Выводы по главе

Глава 4. Численное исследование газокапельного соплового течения и начального участка выходящей из сопла струи

4.1. Экспериментальная оценка параметров потока на входе в сопло.

4.2. Расчет параметров соплового течения без учета процессов в камере смешения

4.2.1. Слабая зависимость дисперсности потока на выходе из сопла от дисперсности после камеры смешения

4.2.2. Изменение давления вдоль радиуса струи у среза сопла

4.2.3. Устойчивость пленки в длинном сопле

4.2.4. Прогнозирование поведения жидкости на границе струи у среза сопла по результатам численного эксперимента

4.2.5. О локальных экстремумах распределения жидкости вдоль радиуса у среза сопла.

4.2.6. Выявление зоны с малым содержанием жидкости у стенки на срезе сопла. '

4.3. Расчет потока в камере смешения

4.4. Расчет потока с учетом процессов в камере смешения

4.5. Выводы по главе

Глава 5. Экспериментальная проверка результатов численного исследования газокапельного потока в канале и на начальном участке струи

5.1. Сравнение расчетных и экспериментальных средних характеристик потока

5.2. Пленка у среза сопла

5.3. Зондовые измерения

5.3.1. Описание методики измерений зондами I и III типов

5.3.2. Результаты, полученные с помощью зондов I и III типов

5.3.3. Результаты, полученные с помощью зонда IV типа

5.3.4. Результаты, полученные с помощью зонда II типа

5.3.5. Определение скорости капель по результатам зондовых измерений

5.4. Оценка дисперсности полученной струи 180 5.6. Выводы по главе 5. Физическая (феноменологическая) модель газокапельного соплового течения при значительном (более 10) массовом содержании жидкости

Глава 6. Методы совершенствования дисперсных газокапельных систем пожаротушения и средств измерения в двухфазных потоках

6.1. Методика поиска оптимального режима работы газокапельного сопла

6.2. Анализ зондовых измерений 189 6.2.1. О совпадении расчетных и измеренных величин 189 6.2.2.0 методике обработки результатов 193 6.2.3. Численное моделирование обтекания зонда новой конструкции для измерения параметров двухфазного потока со значительным содержанием жидкости

Глава 7. Использование результатов исследования на воздушном транспорте

7.1. Ранцевая установка пожаротушения НИИ НТ МАИ

7.1.1. Общее описание установки

7.1.2. Пояснения о работе ранцевой установки пожаротушения НИИ НТ МАИ

7.2. Установка пожаротушения большой мощности для пожарного 208 вертолета Ка-32А

7.2.1. Анализ систем пожаротушения с использованием летательных 208 аппаратов

7.2.2. Описание установки пожаротушения большой мощности для пожарного вертолета Ка-32А.

7.2.3. Выбор оптимального режима работы сопла системы пожаротушения вертолетного базирования

7.3. Оценка параметров водяной завесы при возгорании в салоне воздушного судна

7.4. Выводы по главе 7. Место перспективных технологий и систем пожаротушения НИИ НТ МАИ и ООО «ТЕМПЕРО» в номенклатуре вооружений аварийно-спасательных служб аэропортов 223 Заключение. Опыт использования и перспективы развития многожидкостной модели газокапельного потока с большой долей жидкости 226 Условные обозначения 230 Список использованных источников 236 Приложения

Актуальность темы. Основное практическое направление работы -противопожарные системы на воздушном транспорте. Рассмотрим эти системы с двух позиций: тушение пожаров на объектах воздушного транспорта и тушение пожаров с помощью воздушных судов.

Пожары на объектах воздушного транспорта.

В структуру воздушного транспорта входят:

- воздушные суда;

- аэропорты;

- управленческие структуры (департамент, авиакомпании и т.д.);

- органы управления воздушным движением;

- навигационные объекты.

С точки зрения пожароопасности только первый элемент специфичен воздушному транспорту, что отражается в создании специализированных аэродромных пожарных автомобилей. Другая черта, характерная для объектов транспорта и некоторых других отраслей (например, энергетики), связана с тем, что необходимо обеспечить сохранение функций объектов во время пожара и минимизировать вторичный ущерб, то есть максимально сохранить дорогие оборудование и информацию, защитив их не только от огня, но и от средств тушения.

Что касается пожаров на наземных объектах, то они обладают общей, причем не только для транспорта, особенностью - это большое скопление людей, материальных ценностей и горючих материалов (топливо, пластики и т.п.). Большинство потенциальных пожаров - пожары твердых горючих веществ и/или легковоспламеняющихся и горючих жидкостей (классы А и В).

Возгорание в местах большого скопления людей наилучшим образом ликвидируется мобильными автономными малогабаритными средствами тушения (например, огнетушителями), которые используются подготовленным обслуживающим персоналом, причем огнетушащие вещества должны быть безопасны для людей и не вызывать панику.

Что касается пожара при авиационном происшествии (АП), то на примере технологических карт тушения типовых пожаров (возгорание шасси, двигателя, пожар внутри салона, горение разлитого топлива) на крупном воздушном судне (см. Приложение 28) видно, что общее во всех картах - это такой этап тушения, как охлаждение конструкций. Доля жидкости, расходуемой на этот этап, составляет десятки процентов от общего расхода тушащей жидкости.

Практически не решенная задача - тушение пожара в салоне воздушного судна, когда складывается наиболее опасная для жизни пассажиров и экипажа и тактически сложная обстановка. Причем возникший пожар создает значительные трудности при эвакуации. Эти трудности заключаются в том, что при пожаре в салонах воздушных судов нагрев изолирующей внутренней обшивки вызывает выделение токсичных веществ и происходит воспламенение материалов отделки интерьера салонов. Это приводит к задымлению, повышению давления газообразных продуктов сгорания в фюзеляже, что препятствует открытию дверей и аварийных люков. Время сохранения жизненных условий в самолете в этих случаях оценивается в 2—3 мин. Трудности эвакуации создает и наземный послеаварийный пожар, т.к. его пламя охватывает наружную обшивку дверей и аварийных люков, что также приводит к их заклиниванию. Кроме того, при интенсивном нагреве фюзеляжа, может быть превышен предел огнестойкости его конструкции, и тогда условия

Т 1 пребывания в нем пассажиров значительно ухудшаются /146/. Установлено ,

1 Список использованных источников дан в алфавитном порядке по фамилиям первых авторов, исключение составляют работы автора данной диссертации.

2 Здесь и далее используются материалы работы /72/. что каждый год из 1500 человек, погибших в АП, 270 погибают в результате удушения дымом или токсичными газами, под воздействием тепла, а также в процессе эвакуации3.

Наконец есть ещё один опасный тип пожара в аэропорту - это пожар на (около) топливных емкостях. Здесь, как и при пожаре на месте АП, одна из основных задач - охлаждение конструкций.

Таким образом, из изложенного выше вытекает ряд требований к средствам тушения:

- они должны обеспечить сохранение функций объектов во время пожара и минимизировать вторичный ущерб;

- они должны быть мобильными, по возможности автономными и малогабаритными;

- они должны обеспечивать эффективное охлаждение конструкций;

- огнетушащие вещества должны быть безопасны для людей.

Всем этим требованиям удовлетворяют системы, использующие диспергированную воду4.

Основное преимущество водяного тумана (рис. 1) с каплями менее 200 мкм состоит в большой скорости поглощения тепла из горючих газов и пламени. Суммарная поверхность капельного объема, отнесенная к массе всех капель, увеличивается обратно пропорционально радиусу капель, поэтому, кроме увеличения скорости испарения, увеличивается суммарная площадь испарения мелких капель и общий уровень потерь тепла при пожаре.

Второй эффект - оттеснения кислорода из зоны пламени. При быстром испарении водяной пар замещает воздух в зоне горения, что пропорционально уменьшает скорость горения материала и интенсивность тепловыделения.

3 После спасения людей стоит задача спасения бортовых устройств регистрации (БУР), в которых заключена информация, существенным образом влияющая на результаты расследования АП. А основным фактором, уничтожающим информацию БУР, также является пожар /119,120/.

4 Ниже использованы материалы с сайта ООО «Темперо» (www.tempero.ru) и /131,154/.

Третьим механизмом подавления огня является поглощение теплового излучения. Эксперименты показали, что тепловой поток в области длин волн 16 мкм от стандартных очагов возгорания снижается более чем в 4 раза на расстоянии 1,7 м от них при наличии в помещении водяного тумана.

Рис.3. Снимок струи ранцевой установки пожаротушени (РУПТ) НИИ НТ МАИ недалеко от среза разгонного сопла; каждая «звездочка» - отразившая свет вспышки капля. Расстояние от верхней границы снимка до нижней около 30 мм.

Пожаротушение с помощью тонкораспыленной воды имеет ряд существенных преимуществ по сравнению с существующими системами:

- высокая эффективность тонкораспыленной воды, уменьшающая ее потребность для ликвидации загораний в 5 - 7 раз по сравнению традиционными стволами и существующими системами, что, например, значительно повышает возможности противопожарных автомобилей быстрого реагирования;

- значительно уменьшаются ущерб от пожара и от последствий его тушения;

- полная экологическая безопасность средств пожаротушения;

- снижение эксплуатационных расходов по сравнению с порошковыми, аэрозольными, газовыми системами.

Также исследования показывают /104/, что максимальная теплоотдача с твердых поверхностей получается при охлаждении их тонкораспыленной водой, когда на поверхности нет сформировавшейся водяной пленки. В этом случае теплоотдача увеличивается в несколько раз, что позволяет соответственно сократить расход огнетушащего состава на охлаждение конструкций.

Несмотря на понимание преимуществ мелкодисперсных систем, очевидное уже в 50-х годах XX века, до недавнего времени превалировало мнение о преимуществах применения воды с размером капель более 400 мкм в стандартных стволах и автоматических системах пожаротушения. Действительно, "грубые" струи воды способны достичь очага пожара, проникнуть в его ядро и потушить возгорание, однако при этом большое количество воды (до 60%) стекает ниже уровня пожара и на горение не воздействует. Смачивание и охлаждение твердых горючих материалов достигается легче при использовании капель размером более 400 мкм, но для этого требуется большее количество воды.

Использование установок пожаротушения с тонкораспыленной водой в качестве огнетушащего вещества началось в областях, ранее не имевших установок противопожарной защиты. Так, фирмы «Airbus» и «Boeing» установили в салонах и технических отсеках самолетов спринклерную автоматическую систему пожаротушения тонкораспыленной водой с ограничением времени до 7 минут. Для защиты пассажирских кают и машинного отделения морского парома "Звезда Скандинавии" фирмой "Marioff' создана и установлена централизованная спринклерная система пожаротушения с использованием "водяного тумана", по зарубежной терминологии - "Hi-fog". Для защиты комплекса зданий армейской базы Великобритании, в том числе вычислительного центра и складов дорогостоящего оборудования, используются автоматические спринклерные оросители 727 FC; помимо централизованных установок, используются модульные установки автоматического пожаротушения для помещений, где находятся люди и ценное оборудование. Фирма "Marioff1 чаще всего для этого использует тонкораспыленную воду, полученную при смешении воды с газом (воздухом) и последующим выпуском этой смеси через разгонные сопла. С середины восьмидесятых годов на британском подводном флоте противопожарная защита осуществляется с помощью установок с тонкораспыленной водой дисперсностью до 400 мкм. Кроме закрытых помещений, установки пожаротушения с использованием тонкораспыленной воды применяются на открытых площадках. Так, австрийская фирма "Aquasys" с успехом испытала спринклерную систему для тушения трансформаторов 12000 KVA, установленных на открытом воздухе.

Перечисленные примеры являются только малой частью применения установок пожаротушения с тонкораспыленной водой, причем область их использования непрерывно расширяется. Самой главной угрозой для жизни людей и утраты материальных ценностей является быстрое и неконтролируемое распространение огня и дыма. В момент так называемого пробоя слой дыма оказывает поджигающее воздействие, и шансы для распространения пожара в другие осеки очень высоки. Вода тонкого распыления охлаждает дымовые газы и сильно ослабляет мощность теплового излучения. В связи с этим представляется весьма интересным направлением стратегия поддержания контроля над пожаром. Это предотвратит распространение и не позволит вовлечь в пожар еще не воспламененные сгораемые предметы и, тем самым, окончательно защитит объект от большого пожара. Отметим, что такая стратегия является прерогативой только при использовании воды тонкого распыления и не может быть применена для других огнетушащих веществ. Можно с уверенностью сказать, что тонкораспыленная вода является в настоящее время наиболее перспективным огнетушащим веществом.

Вместе с тем, несмотря на очевидные преимущества, применение тонкораспыленной воды до настоящего времени ограничивалось отсутствием систем, способных доставить мелкодисперсный поток к месту возгорания.

Эффективность установок, генерирующих мелкодисперсную воду, зависит от четырех основных факторов: размера капель, объемной концентрации в очаге пожара, от кинетической энергии капель, от геометрических и тепловых характеристик очага пожара. По научно-технической литературе и патентной информации стран Западной Европы, Северной Америки, России и Японии был проведен достаточно полный анализ технологий генерирования мелкодисперсных струй жидкости с учетом перечисленных факторов /102/.

Сопла оросителей подразделяются по способу распыления жидкости на струйные сопла высокого давления, сопла с разбиением жидкости за счет взаимодействия струй, сопла с разбиением жидкости за счет соударения струи жидкости с дефлекторами, а также газодинамические сопла (двухфазные сопла).

Сопла для распыления жидкости под действием высокого давления создают высокоскоростные струи огнетушащей жидкости в каналах сравнительно небольшого диаметра. В таких соплах обычно применяют завихрители, установленные перед отверстиями и служащие для дополнительного разбиения струи жидкости. Рабочее давление в системах обычно составляет от 0,5 до 28 МПа. Сопла данного типа могут быть приведены в действие по отдельности или объединены в дренчерную систему пожаротушения. В соплах может применяться нагретая жидкость для дополнительного образования пара в потоке. Средний размер 90% образующихся капель составляет 150 мкм и менее. Использование для получения струи пожаротушащих жидкостей насоса либо вытеснение каким-либо газом ограничивает возможности современных средств пожаротушения из-за весогабаритных и энергетических параметров системы. В частности, для получения скорости жидкой струи, равной 100 м/с, требуется давление порядка 50 атм. Насос, коммуникации и другие агрегаты для получения таких давлений усложняются и приобретают неприемлемые вес и габариты.

Сопла с дефлекторами действуют за счет соударения струи жидкости, обладающей средней скоростью, с дефлектором, который разбивает струю жидкости на мелкие капли. Входное отверстие сопла через трубопровод подключается к источнику огнетушащей жидкости. Напротив выходного отверстия сопла устанавливается дефлектор. Размеры капель, генерируемых с помощью сопел данного типа, варьируются в более широком диапазоне по сравнению с соплами других типов. Более 90% капель в распыляемом потоке имеют размер менее 600 мкм. Рабочее давление в соплах с дефлекторами обычно составляет от 0,7 до 1,72 МПа. Сопла могут включаться в работу по отдельности, небольшими группами или все одновременно. Сопла с дефлекторами могут использоваться в спринклерных и дренчерных системах.

Сопла для распыления потока жидкости за счет взаимодействия струй жидкости. С помощью сопел данного типа образуются несколько пар тонких струй, соударяющихся одна с другой под острыми углами, вследствие чего происходит разбиение струй на мелкие капли. Рабочее давление в соплах данного типа составляет обычно от 0,3 до 0,7 МПа. Полученные капли обладают низкой энергией. Использование подобного типа сопел эффективно в ручных стволах для тушения нелетучих легковоспламеняющихся жидких веществ за счет охлаждения и разбавления легковоспламеняющегося вещества огнетушащей жидкостью.

Сопла для распыления жидкости посредством газодинамического механизма ускорения. В этих соплах, которые также называются двухфазными соплами, происходит разбиение струи жидкости потоком сжатого газа и смешение капель жидкости с потоком газа в камере смешения. В соплах данного типа используют жидкость под давлением около 0,5 МПа.

Из рассмотренных типов только двухфазные сопла могут дать максимально высокую скорость капель при одинаковом перепаде давления вдоль сопла. В такой системе для повышения скорости жидкости используется энергия газовой фазы. В начальном сечении получаемой струи присутствует и газ и жидкость, причем концентрация и распределение жидкой фазы определяется требованиями, предъявляемыми к струе в каждом конкретном случае. Такой способ увеличения скорости жидкости получил название газодинамического способа и имеет одно, но принципиальное преимущество перед способом повышения давления - это возможность получения высокоскоростных струй при низком начальном давлении фаз. Еще одним преимуществом двухфазных струй является принципиальная возможность управлять дисперсностью струи путем соответствующей организации процесса смешения фаз и профилирования сопла для разгона полученной газокапельной смеси.

Именно такой способ реализован в новых системах пожаротушения /106/, разработанных НИИ НТ при МАИ и выпускаемых ООО «ТЕМПЕРО»5, в исследовании и совершенствовании которых принимал участие автор. Представление о таких потоках и установках дают фотографии, приведенные на рис.2,3. Проведённый патентный поиск показал, что в настоящее время пожарные системы на основе газодинамической технологии не имеют аналогов ни в России, ни за рубежом.

5 Подробнее см. сайт tempero.ru

По своим возможностям такие установки универсальны и могут применяться с одинаково хорошей эффективностью для тушения твердых и жидких горючих веществ, электроустановок под напряжением, как на открытом пространстве, так и в помещениях (см. также Приложение 27). По сравнению с известными импортными и российскими системами они, помимо преимуществ от использования тонкораспыленной воды, имеют следующие положительные особенности:

- использование небольших давлений жидкости (не более 10-15 атм.) для достижения необходимой дальности и дисперсности, что позволило уменьшить массу и габариты средств пожаротушения, а, следовательно, и эксплуатационные расходы;

- значительно большую дальность подачи дисперсной огнетушащей. жидкости, в том числе чистой воды или воды с добавками, что расширяет тактические возможности и безопасность;

- высокую скорость струи, позволяющую, помимо охлаждения поверхности горения, сбивать пламя;

- большую протяженность прямого участка струи (в отличие от гидрантов и других водяных систем), что позволяет увеличить эффективность воздействия на очаги, расположенные в помещениях, через проемы;

- возможность работать как в импульсном, так и непрерывном режимах;

- слабая отдача;

- мобильность, автономность и универсальность позволяют существенно уменьшить время до начала тушения.

Созданные установки пожаротушения с расходом воды 0.4-40 л/с, расположенные на наземных объектах воздушного транспорта, позволят значительно повысить эффективность тушения локальных возгораний без какого-либо вредного воздействия на людей.

Рис.2. Газодисперсная система пожаротушения НИИ НТ МАИ на мотоколяске «Кинешма».

Рис.3. Газодисперсная ранцевая система пожаротушения НИИ НТ МАИ.

Характерные особенности потоков в соплах таких установок:

- многофазность (дисперсность): через канал текут газ и жидкость, причем жидкость может быть большей частью в капельном виде;

- массовая доля жидкости более 10, объемная доля капель может составлять десятки процентов;

- капли достаточно мелкие, их очень много;

- параметры газа и жидкости не сильно отличаются от соответствующих нормальным условиям;

- нет интенсивного подвода или отвода тепла;

- поток динамически неравновесный, то есть на всем протяжении сопла скорости газа и жидкости могут существенно отличаться.

При создании систем пожаротушения необходимо было решить следующие важные проблемы:

- спроектировать канал для разгона водовоздушной смеси;

- спрогнозировать характер (тип) и параметры потока, исходя из предполагаемых профиля канала и способа смешения газа и жидкости, причем необходимо получить распределение параметров вдоль радиуса у среза сопла, так как от этого зависят дисперсность и дальнобойность струи;

- выбрать способы совершенствования опытных установок.

Следует отметить, что в начале, исследования практически ничего не было известно о структуре и распределении параметров потока во входном сечении сопла, о пленке жидкости внутри и на выходе из сопла.

Для решения этих задач необходимы понимание физических процессов, проходящих в потоке, и надежная математическая модель течения.

Тушение пожаров с помощью летательных аппаратов (JIA).

Воздушные суда являются очень дорогим средством тушения, поэтому они используются в случаях, когда:

- территориально удаленный от пожарных расчетов и/или тушащих веществ пожар грозит уничтожить большие материальные ценности (например, пожар в заповедниках и т.п.);

- нет других средств обеспечения безопасности людей (например, лесной пожар вблизи населенных пунктов);

- в прилегающих к пожару районах нельзя находиться людям (например, пожар на складах боеприпасов);

- средства тушения наземных пожарных расчетов не обеспечивают эффективного тушения или затруднено их развертывание (крупные городские пожары).

В мировой практике в этих случаях тушение пожаров осуществляют с помощью самолетов и вертолетов, оборудованных специальными сливными устройствами или имеющими приспособления для сбрасывания контейнеров, заполненных огнетушащими веществами (ОВ). В одних случаях это первая атака самолетов и вертолетов на возникшие пожары с целью их сдерживания до подхода основных сил наземного пожаротушения, в других случаях - тушение с воздуха для оказания помощи наземным командам.

Применение данных установок началось, по существу, с создания надежных и эффективных JIA, то есть с начала прошлого столетия. Сперва ЛА применялись лишь как транспортные средства, однако сравнительно быстро в США, Канаде, Франции и Российской федерации стало разрабатываться специальное противопожарное оборудование.

В настоящее время установились три подхода к созданию установок пожаротушения с применением летательных аппаратов:

- Первый подход заключается в разработке специальных пожарных ЛА, предназначенных непосредственно для тушения лесных пожаров. Примерами могут служить пожарные самолеты CL-215 Canader, АТ-802. Такие ЛА обладают наибольшей эффективностью, но и наибольшей стоимостью.

- Второй подход состоит в использовании морально устаревших аппаратов военной, транспортной или сельскохозяйственной авиации, на которые после их доработки устанавливают стационарные установки. Данный подход является наиболее дешевым.

- Третий подход заключается в использовании существующих ЛА, для которых ведется разработка различных устройств распределения ОВ, обычно съемных или подвесных. При этом пожарный вариант JIA может быть легко преобразован в транспортный или пассажирский. Примерами служат пожарные самолеты С-130 Hercules с системой MAFFS и Ил-76П.

В ООО «Артпром Н» был проведен анализ основных тенденций развития технологий пожаротушения с использованием JIA /101/. Выявление основных направлений развития проводилось на основе патентной документации за период с 1991 до 2002 года ведущих промышленно развитых стран мира и других стран, в которых в последние годы шло интенсивное развитие технологии пожаротушения. Принятые во внимание при проведении исследования источники информации включают в себя патентную документацию Российской Федерации, США, Канады, Японии, Великобритании, ФРГ и Франции, европейские заявки, а также международные заявки, поданные в соответствии с Договором о патентной кооперации. Поиск по патентной информации проводился в официальных электронных базах данных патентных ведомств отобранных стран и в электронной базе данных Всемирной Организации Интеллектуальной Собственности.

Из анализа патентной документации можно сделать вывод о том, что в настоящее время установок для тушения высотных пожаров очень мало, причем подавляющее большинство - проекты, не доведенные до практического использования.

К характерным особенностям пожара на высотном объекте можно отнести следующие:

- объект расположен в крупном населенном пункте, то есть весьма вероятно, что подъезд к нему по земле затруднен из-за автомобильных «пробок», особенностей застройки и т.п.;

- в зоне пожара (на горящем объекте) весьма вероятно нахождение людей;

- для тушения используется специальное оборудование и подготовленный персонал (это связано, в частности, с необходимостью обеспечить подачу тушащих веществ на большую высоту).

В свете вышесказанного достаточно очевидно, что наилучших результатов, в качестве средства быстрого реагирования, следует ожидать от сочетания «вертолет + диспергированная вода», что подтверждается и результатами патентного поиска.

От потока в установке вертолетного базирования (рис.4) следует ожидать тех же характерных особенностей, что и в упомянутых выше газокапельных системах РЖИ НТ МАИ. Однако, в связи с большой стоимостью и трудностями экспериментального исследования, в этом случае острее стоит проблема построения адекватных феноменологической (физической) и математической моделей потока, предсказания его параметров на этапе проектирования, что необходимо для правильных конструктивных решений.

Рис. 4. Газодисперсная система пожаротушения НИИ НТ МАИ на вертолете Ка-32А.

Состояние проблемы. При выборе цели и основных задач исследования ограничимся анализом состояния дел в изучении максимально похожих потоков, то есть подробно не рассматриваем исследования газокапельных течений в трубах, потоков с твердыми частицами, низкоконцентрированных потоков, когда объемной долей частиц или капель можно пренебречь, псевдоожиженных и сыпучих слоёв /35/6, пузырьковых /12,26,37/ и пенных течений /134,220/, суспензий и т.п. Также не касаемся потоков с химическими реакциями /141,247/ и фазовыми переходами, в частности, вскипающих потоков в соплах (см., например, /51/), когда на вход подается жидкость, может быть, с пузырьками газа, а на выходе из сопла получается газокапельный поток7. Подробно не рассматриваем и работы по газовым, жидкостным /24/, газожидкостным струям и струям с частицами, исследования которых ведутся достаточно широко. Это связано, с одной стороны, с тем, что существенно отличаются граничные условия, с другой стороны, достижения в этой области нашли свое применение в работах по течениям в каналах. Полезная информация, полученная исследователями в указанных выше направлениях, используется по необходимости, о чем даются соответствующие ссылки и комментарии в тексте. Не претендуя на полноту изложения, обратим внимание читателя на такие работы, как /19,35,46,52,77,97,98,152,202,207/, где также имеется достаточно подробная библиография по исследованиям, ведущимся в упомянутых выше направлениях.

Так как, прежде всего, необходимо прогнозировать особенности течения, то на первый план выходят задачи построения соответствующей физической модели8, учитывающей наиболее важные явления и процессы в потоке, и запись математической модели, позволяющей получить (рассчитать) параметры потока с достаточной точностью, поэтому рассмотрим прежде теоретические исследования многофазных течений в соплах.

Хорошо известны одномерные модели таких потоков /7,13,16,127/. Они развиваются для достаточно сложных течений с учетом фазовых переходов,

6 Приводимые ссылки - всего лишь примеры работ в соответствующих направлениях, а не подробная библиография.

7 Несмотря на похожие участки течения, при моделировании таких потоков необходимо решать задачу о распаде объема жидкости на капли, что требует чрезвычайно больших ресурсов и выходит за рамки данной работы.

Под физической моделью здесь понимается набор основных факторов, особенностей, условий, характеризующих поток (силы, типы энергетического обмена, типы массообмена и т.д.), то есть то, что иногда называют феноменологическим описанием (см. /73/). химических реакций /141/ и т.д. Но такие модели по своей сути не могут предсказать распределение параметров на выходе из канала, а эти данные необходимы для хорошего прогнозирования параметров струи.

Пространственные расчеты многофазных течений проводились в целом ряде работ, например /21,42,67,71,88,129,130,139,140,246/ для частиц и капель с учетом вращения, полидисперсности, столкновений, аэродинамического дробления. Однако в исследованных потоках была мала объемная доля капель, что позволяло авторам делать ряд упрощающих предположений при построении моделей или при проведении конкретных расчетов.

Потоки с пленкой теоретически исследовались применительно к задачам теплообмена или моделирования работы аппаратов химического производства. Об этих моделях можно составить представление, например, по /23,50,64,153/ и по приведенной в них библиографии. Большой комплекс работ связан с исследованиями безопасности ядерных реакторов и других сооружений /77,210/. Понимая, что список далеко не полный, отметим лишь несколько публикаций, близких к работе автора диссертации: /3,8,74/.

Но особенности сопловых течений (относительно большие градиенты параметров, динамическая неравновесность) в этих задачах не учитываются или учитываются с серьезными упрощениями. Только в некоторых работах /58,76,77/ решалась задача моделирования движения частиц в плотной упаковке.

Таким образом, задача моделирования пространственного (двух- и трехмерного) газожидкостного соплового потока с учетом полидисперсности, столкновений, аэродинамического дробления, массообмена с пленкой, толщины пленки не рассматривалась применительно к потокам с высокой массовой долей капель9.

9 В обзоре Зайчика Л.И., Першукова В.А. /52/ сказано: «Численное моделирование высококонцентрированных дисперсных сред представляет собой исключительно сложную задачу, так как такие течения, вследствие их гидродинамической неустойчивости, как правило нестационарны даже при стационарных граничных условиях».

Что касается экспериментальных исследований таких потоков, то большой комплекс работ был проведен в Харьковском (см. сборники ХАИ «Вопросы газотермодинамики энергоустановок») и Московском авиационных институтах /16,17,29,156,211,213/. Среди похожих есть работы по струйным аппаратам /204/. Аналогичные исследования проводились и в других организациях, смотри, например, /6,7,59,60,96/. Состояние дел в изучении менее концентрированных (массовая доля жидкости не превосходит 5) потоков можно понять, например, по /214/. Однако в подавляющем большинстве исследований, определяются только средние (интегральные) параметры потока, то есть о распределении газа и капель поперек входа и выхода сопла можно только догадываться. В работах /30,182/ определялись некоторые параметры течения на срезе сопла, однако методика измерений в столь плотных потоках только развивается, поэтому часть результатов требует проверки. Информация о характере течения в соплах также носит только качественный характер, например, практически ничего не известно о пленке10. Вместе с тем эксперименты ясно показывают, что существует проблема определения коэффициента сопротивления для фрагментов дискретной фазы (капель) /48,57/, что важен способ смешения газа и жидкости /65,224/, что есть проблемы в описании взаимодействия газа и пленки (см. обзорные работы /50,229/). На практике это проявляется в многообразии конструкций для смешивания газа и жидкости и разгона полученной смеси (см., например, /108114,223/, при этом ответ на вопрос, насколько оптимальна данная конструкция11, обычно отсутствует.

Таким образом, на сегодня нет однозначного ответа на вопрос о пригодности той или иной модели для расчета параметров динамически неравновесных газокапельных потоков при значительном содержании

10 При разработке двухфазных систем пожаротушения НИИ НТ МАИ сначала полагалось, что пленка вообще отсутствует.

11 По любому критерию оптимальности. жидкости в соплах, соответственно нет и достаточных для понимания всех особенностей течения экспериментальных данных.

Цель работы. Разработать физическую и математическую модели газокапельного потока в перспективных системах пожаротушения при большом содержании жидкости.

Задачи исследования. Для достижения поставленной цели необходимо:

- определить характерные параметры исследуемых потоков;

- сформулировать математическую модель газокапельного потока с учетом пленки, полидисперсности, столкновений, аэродинамического дробления капель;

- выбрать метод расчета параметров потока и пленки;

- провести численное исследование потока, выявить пространственные особенности;

- провести экспериментальное исследование пространственной структуры потока;

- на основании сопоставления результатов численных и натурных экспериментов показать способность модели отражать пространственные особенности потоков высокой концентрации;

- показать возможности предлагаемых теоретических подходов при решении практических задач.

Методы исследования. Для решения поставленных задач комплексно используются теоретические и экспериментальные методы исследования. При проведении экспериментов предпочтение отдано зондовым и оптическим методам. В качестве теоретического используется метод численного моделирования.

Анализ, проведенный в работах /130,140/, позволяет выделить несколько способов моделирования многофазных течений.

Не будем касаться потоков разреженного газа и сразу ограничимся случаем, когда непрерывную фазу (газ) можно считать сплошной средой, что касается дискретной фазы (жидкости), то здесь чаще всего используются следующие подходы:

- изучается поведение отдельных капель (фрагментов);

- смесь газа с каплями рассматривается как некий «фиктивный газ»;

- множество капель заменяется сплошной средой со специальными свойствами.

С результатами, получаемыми с использованием первого подхода, можно ознакомиться в /116/. Но достаточно очевидно, что в нашем случае первый подход не приемлем при моделировании, так как в расчете практически невозможно отследить все траектории с учетом столкновений и дробления капель, а ведь ещё надо накопить достаточно информации для статистической обработки результатов.

Второй подход применяется для оценки общих (интегральных) характеристик потока. Примеры его использования можно найти в /139/. Однако в случае сильно неравновесного взаимодействия газа и жидкости или при значительных искривлениях линий тока (траекторий) при таком подходе весьма проблематично учесть все особенности течения (например, свободные от капель зоны), то есть велика погрешность в определении локальных характеристик течения и могут теряться интересные физические эффекты. Также существует проблема определения вязкости, теплоемкости и других характеристик смеси при этом подходе. К этому подходу примыкает интересный метод функционала плотности /47/, однако он требует очень мелкой расчетной сетки для разрешения всех границ фаз и множества вариантов расчетов для накопления статистической информации, то есть необозримо много машинного времени в нашем случае.

Третий подход выглядит предпочтительнее, и в этом направлении достигнуты значительные успехи.

Множество капель можно представить по-разному. Способ, каким это делается, прежде всего зависит от агрегатного состояния дискретной фазы жидкая, твердая) . Возможно описание с использованием модели

Х.А.Рахматулина /93,125/, когда частицы считаются неким «газом», взаимодействующим со сплошной фазой и не создающим давления. Можно воспользоваться и способом, применяемым в молекулярно-кинетической теории газов, когда поведение ансамбля частиц характеризуется аналогами температуры и давления в газе, могут вводится также вязкость для «газа» частиц и т.п. Для капель этот способ использовался, например, в работах

15,155/. В книге Л.Е.Стернина и А.А.Шрайбера /140/ приведена с пояснениями достаточно полная и прозрачная классификация возможных способов описания

11 ансамбля капель, основанная на задаче Д.Джиллеспи .

Задача Д.Джиллеспи. Для простейшей разреженной системы, содержащей в начальный момент две группы капель (крупные и мелкие), можно определить среднее количество ударов dv для некоторой крупной капли за время dt. Возможны три варианта толкования величины dv, которым соответствуют три подхода: а) кинетический14 (квазистохастический, дискретный) - dv есть доля крупных капель, которые за время dt претерпевают по одному столкновению с малыми каплями;

12 Возможно также, что в каплях содержатся твердые включения, что твердые частицы имеют жидкую оболочку и так далее, см., например, /140/. В работе такие ситуации не рассматриваются.

3 Задача Д.Джиллеспи. Рассматривается простейшая разреженная система объемом V, содержащая в начальный момент две группы капель: количеством N с массой М, радиусом R, скоростью W, количеством п с массой ш, радиусом г, скоростью w, причем m « М, N«n. Капли одной группы между собой не взаимодействуют. Каждое столкновение между каплями Миш приводит к полному слиянию, в результате чего масса крупных капель шо возрастает, но общее число их не увеличивается. Мелких капель m настолько много, что можно считать их число постоянным. Очевидно, за время dt произвольная капля М с вероятностью Э(т,М) столкнется с теми каплями т, центры которых находятся в цилиндре с площадью основания S=Tr(R+r)2 и образующей L=dt-(W+w). Если ввести константу взаимодействия K(m,M)= S-(W+w)-3(m,M)/V, то величина dv = K'trdt есть среднее количество ударов для некоторой крупной капли за время dt.

14 Этот подход применяется, например, в /27/ и восходит к работам М.Смолуховского. б) стохастический15 - dv есть вероятность объединения какой-либо малой капли с крупной за время dt; в) непрерывный (приближение непрерывного роста) - dv есть количество мелких капель, которые каждая крупная капля присоединяет за время dt.

В настоящем исследовании был выбран последний подход, как наименее энергоемкий при численном моделировании. У этого подхода можно отметить следующий недостаток: погрешность в определении функции распределения капель по размерам возрастает с уменьшением разницы в размере сталкивающихся капель. Как будет показано в ходе работы, этот недостаток не играет большой роли на фоне допущений при численном решении и скудных экспериментальных данных о дисперсном составе капель.

Для решения системы уравнений математической модели был взят метод «крупных частиц» /11,87/. Это вызвано способностью метода рассчитывать все поле течения без выделения особенностей и удобством программирования при последовательном усложнении модели.

С экспериментальными исследованиями концентрированных газожидкостных потоков в соплах дело обстоит так же, как с моделированием, то есть, несмотря на довольно большой объем специальной литературы, в основном имеются данные об интегральных характеристиках потоков: средняя скорость, средний диаметр капель, давление вдоль стенки канала и т.п. Это связано с тем, что, с одной стороны, до последнего времени таких данных хватало для решения практических задач, с другой стороны, высокая плотность потока капель требует специальных методов измерения.

Обычно для исследования детальной структуры потока (скорости газа и капель, дисперсный состав, термодинамические характеристики) используются оптические и зондовые методы, первоначально разработанные для однородных сред. Применение этих методов для дисперсных потоков потребовало создания специальных методик /19,84/. Сейчас такие методы достаточно хорошо развиты

15 Этот подход связан с громоздкими вычислениями, пример его использования можно найти в /140/ и в приведенной там библиографии. для потоков с малой объемной концентрацией частиц или капель. В нашем случае оптическая плотность настолько высока, что среди дистанционных методов остаются только весьма специфические, например, применение ионизирующего излучения /107,222/. Зондовые методы натыкаются на такие проблемы, как сильная деформация течения вниз по потоку от носика зонда, невозможность обеспечить изокинетический отбор проб в некоторых зонах потока/30/.

Что касается пленки, то её успешно исследуют с помощью зондов-пробоотборников, зондов - измерителей полного давления16, электрозондов, ультразвука, электрохимическими методами и так далее (см., например, /89,122,217,244,245/). Эти способы натыкаются на определенные проблемы, если граница пленки нечеткая, что весьма вероятно в нашем случае. В работе автор ограничился использованием электрозонда.

В связи с вышесказанным имеет смысл использование косвенных методов экспериментального исследования, когда вывод о детальной структуре потока делается на основании применения некоторых гипотез к результатам измерений. В частности, можно сравнивать результаты измерений с результатами детального численного моделирования при различных комбинациях параметров.

Также использовались результаты зондовых измерений плотности орошения и полного давления у среза сопла, проведенных А.В.Воронецким /29,30/ и А.А.Яковлевым /211/, фотоснимки, данные с электрозонда и интегральные характеристики потока, полученные автором.

Достоверность результатов исследования. Достоверность экспериментальных данных обеспечивается поверкой и тарировкой аппаратуры, а также использованием визуальных методов исследования. Достоверность расчетных результатов обусловлена строгим применением

16 В отличие от однофазного (газ или жидкость) потока, где измеряется именно полное давление, в двухфазном потоке понимание показаний зонда как полного давления не столь очевидно /84/. теории математического моделирования и подтверждается тестовыми расчетами, согласованностью с экспериментальными результатами и качественным прогнозом картины течения, подтвержденным специальными экспериментами.

Научная новизна. Научная новизна диссертационной работы состоит в том, что:

- сформулирована математическая модель пространственного газокапельного соплового течения с учетом пленки, полидисперсности, столкновений и дробления капель при высоком (около 30) массовом содержании жидкости;

- впервые по такой модели проведено численное моделирование осесимметричного соплового газокапельного потока; результаты хорошо согласуются с экспериментом, причем часть расчетных результатов нашла свое подтверждение в последующих контрольных опытах;

- получены новые экспериментальные данные о пространственной структуре потока; в частности, получены описание распределения и некоторые количественные данные о параметрах потока на входе в сопло, показано наличие зоны с малой концентрацией капель у стенки в расширяющейся части сопла в высококонцентрированном газокапельном потоке с пленкой.

Практическая значимость результатов исследования. Результаты численных экспериментов продемонстрировали возможность использования многожидкостной модели газокапельного потока для пространственных расчетов течений с большой долей дискретной фазы (жидкости) без ряда упрощающих предположений, при использовании которых теряется информация о некоторых особенностях течения (учитываются столкновения, аэродинамическое дробление капель, наличие пленки и массообмен с ней).

Выявлены границы применения указанной модели, связанные с образованием в потоке зон, в которых объемная доля жидкости близка к 1.

Полученный комплекс экспериментальных данных позволяет использовать их для проверки других моделей высококонцентрированных газокапельных потоков.

Сравнение результатов численных экспериментов с результатами обработки данных зондовых измерений показало необходимость изменения как методики обработки экспериментальных данных, так и конструкции зонда. Предложена конструкция зонда, позволяющего одновременно измерять расходы фаз и полное давление газокапельного потока.

Созданная для ЭВМ программа расчета параметров газокапельного потока использовалась в ходе работ по созданию и совершенствованию газодинамических противопожарных систем различной мощности. В частности, для РУПТ НИИ НТ МАИ расчеты показали, что:

- конструкция камеры смешения вызывает пульсации расхода;

- в случае ухода от номинального режима в горле сопла возможно возникновение пенного режима течения;

- при импульсном режиме тушения пожара сокращается время работы ранцевой установки;

- давление на оси струи ниже давления окружающего воздуха, а на границе - выше, что объясняет устойчивость струи;

- при изменении конструкции камеры смешения в широких пределах практически не меняется средний диаметр капель и дальнобойность струи.

Предложена расчетно-экспериментальная методика анализа внутренней структуры потока и выбора направлений совершенствования опытной установки /187/, генерирующей газокапельный поток. Эта методика использовалась для выбора давления и расходов фаз в системе пожаротушения вертолетного базирования.

Экспериментальные методики использовались для исследования взаимодействия газокапельной струи с потоком от воздушного винта /186,188/ при создании системы пожаротушения вертолетного базирования.

Расчетные методики и программа расчета двухфазной турбулентной струи использовались для прогнозирования дальнобойности систем пожаротушения НИИ НТ МАИ и ООО «Темперо».

Блок программы для расчета трехмерного газового потока использовался при моделировании работы двигателя АЛ-31ФП на высотно-климатическом стенде У-ЮМ ЦИАМ им. П.И.Баранова.

Предлагаемая модель использовалась для оценки возможностей и параметров установки, создающей водяную завесу в салоне воздушного судна или туннеле.

Предлагаемая модель подойдет для моделирования потоков в парогенераторах, газожидкостных эжекторах /108/, химико-технологических установках, устройствах резки металлов /1/, бетона /90/ и т.п., а также в других устройствах, где гидродинамические процессы являются определяющими.

В трехмерном варианте возможно рассчитывать параметры противопожарных струй, причем не только мелкодисперсных, от установки (ствола, монитора) до очага пожара (зоны повышенной температуры).

Представление результатов работы. Основные результаты исследований докладывались на XVII /163,164/, XVIII /173,181/, XIX /183,184/ и XX /198/ семинарах "Течения газа и плазмы в соплах, струях и следах" («Военмех» и С.-Петербургский государственный университет, С.-Петербург, 1997, 2000, 2002, 2004 гг.), на III /174-177/, IV и V /199/ международных конференции по неравновесным процессам в соплах и струях (NPNJ) в Москве (2000 г.), С.-Петербурге (2002 г.) и Самаре (2004 г.), на II и III Международных симпозиумах "Актуальные проблемы механики сплошных и сыпучих сред" (Москва, Национальная академия прикладных наук, 1999 и 2000 г.) /167,172/, на IV Минском международном форуме «Тепло-массообмен ММФ-2000» (Минск,

2000) /180/, на Международной научной конференции «Двигатели XXI века» (Москва, ЦИАМ им. П.И.Баранова, 2000) /178,179/, на конференции «Fluid-particle interaction-VI» (Италия, 2002) /237-239/, на V международной научно-технической конференции (нтк) «АВ1А-2003» (Киев, НАУ, 2003) /194/, на 5-ой международной конференции «Природные пожары: распространение, тушение и экологические последствия» (Томск-Красноярск, 2003) /195,196/, на 4-ой международной конференции по инженерным компьютерным технологиям «ЕСТ-IV» (Португалия, 2004) /240/, на 16-ом международном симпозиуме по явлениям переноса «ISTP-16» (Чешская республика, 2005) /241,242/, на 10-ой (Переславль-Залесский, 1998) /169/ и 14-ой международной конференции по вычислительной мезханике и современным прикладным програмным системам «ВМСППС» (Украина, 2005) /200/, на научно-методической конференции, посвященной 50-летию кафедры "Теории воздушно-реактивных двигателей" Московского государственного авиационного института (Москва, 1995) /160/, на 3-ем и 4-ом международных аэрозольных симпозиумах (IAS, Москва, 1996, С.-Петербург, 1998) /161,166/, на Международной нтк "Современные научно-технические проблемы гражданской авиации" (МГТУГА, Москва, 1996) /162/, на XV научно-практической конференции «Проблемы горения и тушения пожаров на рубеже веков» (Москва, 1999) /168/, на международной нтк «Гражданская авиация на современном этапе развития науки, техники и общества» (Москва, 2003) /197/.

Публикации. Основные научные результаты работы опубликованы в 41 печатной работе, в том числе в 12 статьях.

На защиту выносятся:

- физическая модель потока, полученная на основании численных и натурных экспериментов;

- математическая модель пространственного газокапельного соплового течения с учетом пленки, полидисперсности, столкновений и дробления капель при высоком (около 30) массовом содержании жидкости;

- способ расчета потока, в котором необходимыми элементами являются учет области окружающего пространства у среза сопла, учет толщины пленки жидкости на стенке сопла и моделирование выхода пленки из сопла (в виде вдува со стенки в расчетную область);

- экспериментальные данные о пространственной структуре потока на входе и выходе из сопла;

- методика анализа зондовых измерений параметров потока с большой долей капель;

- расчетно-экспериментальная методика анализа внутренней структуры течения и выбора направлений совершенствования сопловых устройств, предназначенных для получения высокоскоростных газокапельных потоков.

Структура работы. Работа состоит из введения, семи глав, заключения, списка использованных источников, включающего 247 наименований, списка условных обозначений и 28 приложений. Работа содержит 130 рисунков, 12 таблиц. Номера рисунков, таблиц и формул состоят из номера главы и текущего номера внутри главы, например, (1.13) - формула 13 из главы 1. Список использованных источников дан в алфавитном порядке по фамилиям первых авторов, исключение составляют лишь работы автора данной диссертации. Объем работы составляет 342 страницы.

1. Абалтусов В.Е., Кузнецов Г.В., Немова Т.Н. Механизм высокотемпературного разрушения металлов под действием гетерогенной струи с высокой концентрацией частиц / Теплофизика высоких температур (ТВТ), 1999, том 37, № 3, с. 438-444.

2. Абрамович Г.Н., Бузов А.А., Зуев Ю.В., Лепешинский И.А., Эпштейн В.И. Исследование конденсации пара в паровоздушной струе. // Изв. АН СССР. Сер. «Механика жидкости и газа» (МЖГ), 1976, № 3, с. 142-144.

3. Алхимов А.П., Клинков С.В., Косарев В.Ф., Папырин А.Н. Газодинамическое напыление. Исследование плоской сверхзвуковой двухфазной струи. // Прикладная механика и техническая физика (ПМТФ), 1997, т. 38, №2, с. 176-183.

4. Бажанов В.И., Зуев Ю.В., Лепешинский И.А. Измерение локальных параметров двухфазного потока зондовым методом. // Турбулентные двухфазные течения. 4.II. Таллин: АН ЭССР, 1979. - С. 202 - 208.

5. Баратов А.Н., Иванов Е.Н. Пожаротушение на предприятиях химической и нефтеперерабатывающей промышленности. М., «Химия», 1979, изд-е 2-е, перераб., -368 с.

6. Барилович В.А., Смирнов Ю.А. Численный метод расчета одномерного двухфазного потока в каналах переменного сечения: Учебное пособие. С.Петербург, гос. тех. ун-т, СПб., 1997,149 с.

7. Баталов А.К. Почему иногда молчит «черный ящик»? / Красная звезда, 14,02.91.36(20423).

8. Борщевский Ю.Т., Федоткин И.М., Колодин A.M. Двухфазные турбулентные струйные течения. // Киев: Техшка, 1972.- 146с.

9. Буевич Ю.А. Гидродинамическая модель дисперсного потока. // Изв. РАН, сер. МЖГ, 1994, № 1, с. 79-87.

10. Бузов А.А., Лепешинский И.А. Расчет двухфазного течения в сопле при наличии пленки. // Вопросы газотермодинамики энергоустановок. Вып. 4. -Тематический сборник научных трудов, ХАИ, Харьков, 1977, с.55-66.

11. Бухаров А.В., Мелков П.Е. Экспериментальные исследования гидродинамики обтекания цепочки монодисперсных капель. / Материалы Третьего международного аэрозольного симпозиума, Москва, 2-5 декабря 1996 г, с. 14.

12. Вараксин А.Ю. Турбулентные течения газа с твердыми частицами. -М.: Физматлит, 2003. -192 с.

13. Варгафтик Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. -М.: Физматгиз, 1963, 708 с.

14. Васенин И.М., Архипов В.А., Бутов В.Г., Глазунов А.А., Трофимов В.Ф. Газовая динамика двухфазных течений в соплах. Томск, издательство Томского университета, 1986. 264 с.

15. Веларде М.Г., Шкадов В.Я., Шкадова В.П. Устойчивость стекающей пленки жидкости с неравновесным адсорбированным подслоем растворимого поверхностно-активного вещества. // Изв. РАН, сер. МЖГ, 2003, № 5, с. 20-30.

16. Взаимодействие жидких струй с атмосферой. / Обзоры ЦАГИ, № 684, 1998, 95 с.

17. Волков К. Н., Емельянов В. Н. Приближенный метод расчета турбулентного двухфазного течения в канале с проницаемыми стенками // Инженерно-физический журнал (ИФЖ), 1999, том 72, № 5, с. 907-914.

18. Волков П.К. Динамика жидкости с пузырьками газа. // Изв. РАН, сер. МЖГ, 1996, №3, с. 75-88.

19. Волощук В.М. Кинетическая теория коагуляции. Л.: Гидрометеоиздат, 1984, 284 с.

20. Воронецкий А.В. Экспериментальное исследование дальнобойности газожидкостных струй дисперсной системы пожаротушения. // Научный вестник МГТУ ГА, серия Аэромеханика и прочность, № 15,1999, с. 71-72.

21. Воронецкий А.В. Экспериментальные и теоретические исследования двухфазных газокапельных течений в соплах и струях с высокой массовой концентрацией жидкости в газе. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук, М., МАИ, 2000.

22. Воронецкий А.В. Методология проведения зондовых измерений в высококонцентрированных газодисперсных потоках и обработка их результатов. // Компрессорная техника и пневматика, -М.: 2003, № 1, с.33-36.

23. Воронин В.В., Капанкин Е.Н., Рыбаков В.И. О взаимодействии жидких капель с твердой поверхностью. / Труды ЦАГИ, вып. 2330,1986, с. 3-19.

24. Вьель Б., Гельфанд Б.Е., Гекальп И., Шаво К. Критерии безударного дробления капель солитонообразными газодинамическими импульсами при высоком давлении. //Изв. РАН, сер. МЖГ, 2001, № 4, с. 106-112.

25. Гиршфельдер Дж., Кертисс Ч., Берд Р. Молекулярная теория газов и жидкостей. М.: Изд-во иностр. лит., 1961.-930 с.

26. Глазунов А.А., Рычков А.Д. Исследование неравновесных двухфазных течений в осесимметричных соплах Лаваля.// Изв. АН СССР, сер. МЖГ, 1977, №6, с. 86-91.

27. Гольдштик М.А. Процессы переноса в зернистом слое. Новосибирск, ИТФ, 1984.- 164 с.

28. Гольдштик М.А., Штерн В.Н., Яворский Н.И. Вязкие течения с парадоксальными свойствами. / Новосибирск, Наука, Сибирское отделение, 1989, 336 с.

29. Горбенко Г. А., Фролов С. Д. Экспериментальное исследование водовоздушных сопел с пузырьковой структурой потока. // Вопросы газотермодинамики энергоустановок. Тематический сборник научных трудов. Вып. 4, Харьков, 1977, ХАИ, с. 124-130.

30. ГОСТ 8.207-76 // Прямые измерения с многократными наблюдениями. Методы обработки результатов наблюдений. Основные положения. Введ. 01.01.77. - М.: 1986. - 10 с. - (Система стандартов по информ., библ. и изд. делу).

31. Губайдулинн Д.А. Сферические и цилиндрические волны малой амплитуды в полидисперсных туманах с фазовыми превращениями. // Изв. РАН, сер. МЖГ, 2003, №5, с. 85-94.

32. Давыдов Ю.М., Косолапов Е.А. Численное моделирование двухфазных течений в соплах методом крупных частиц. -М.: Изд. Нац. акад. прикл. наук, 1998, -86 с.

33. Дейч М.Е., Филиппов Г.А. Газодинамика двухфазных сред. -М.: Энергия, 1968.-423с.

34. Дейч М.Е., Филиппов Г.А. Газодинамика двухфазных сред. -М.: Энергоиздат, 1981.-472 с.

35. Дейч М.Е., Циклаури Г.В., Данилов B.C., Селезнев Л.И. Адиабатные двухфазные течения. М.: Атомиздат, 1973,448 с.

36. Деревич И.В. Турбулентный массоперенос при течении газокапельного потока в трубах с учетом коагуляции и осаждения капель. // ТВТ, 1997, т. 35, №6, с. 926-931.

37. Динариев О.Ю. Описание многокомпонентной смеси методом функционала плотности при наличии поверхностных фаз. // Прикладная математика и механика (ПММ), 2001, т. 65, вып. 3, с. 486-494.

38. Дритов Г.В., Тишин А.П. Расчет неравновесного течения газа с частицами конденсата в сопле Лаваля. //Изв. АН СССР, сер. МЖГ, 1969, № 5, с. 36-42.

39. Живица В.И. Устройство для ввода жидкого аммиака в охладители с термопрессором. // Холодильная техника. -2003, № 1, с. 10-12.

40. Зайчик Л.И., Першуков В.А. Проблемы моделирования газодисперсных турбулентных течений с горением или фазовыми переходами (обзор). // Известия РАН, сер. МЖГ, 1996, № 5, с. 3-19.

41. Иваненко Н.И., Селиванов В.Г., Фролов С.Д. К оценке силового взаимодействия фаз в газожидкостных соплах. // Вопросы газотермодинамики энергоустановок. Тематический сборник научных трудов. Вып. 3, Харьков, 1976, ХАИ, с. 57-62.

42. Иванов А.С., Козлов В.В., Садин Д.В. Нестационарное истечение двухфазной дисперсной среды из цилиндрического канала конечных размеров в атмосферу. // Известия РАН, серия «Механика жидкости и газа», 1996, №3, с. 60-66.

43. Иванов Е.Н. Противопожарное водоснабжение. М., Стройиздат, 1986, 315 с.

44. Иванов Е.Н. Расчет и проектирование систем противопожарной защиты. 2-е изд., М., Химия, 1990,379 с.

45. Ильгамов М.А., Гильманов А.Н. Неотражающие условия на границах расчетной области. -М.: Физматлит, 2003,240 с.

46. Калиниченко В.А. Кинематические характеристики двухфазного потока в прямоугольном канале. // Изв. РАН, сер. МЖГ, 2004, № 4, с. 112-118.

47. Карлсон Д.Дж., Хогланд Р.Ф. Сопротивление и теплопередача в соплах ракетных двигателей. // Ракетная техника и космонавтика, 1964, т. 2, № 11, с. 104-109.

48. Карпилова О.И., Сисоев Г.М., Шкадов В.Я. К задаче о неустойчивости стекающей пленки жидкости с растворенным поверхностно-активным веществом. //Изв. РАН, сер. МЖГ, 2001, № 6, с. 31-41.

49. Карпышев А.В. Влияние конструкции камеры смешения на работу водовоздушного сопла при большой доле жидкости. // ТВТ, 2006, том 44, № 2.

50. Картушинский А.И., Мульги А.С., Фришман Ф.А., Хусаинов М.Т. Математическое моделирование особенности распределения мелкодисперсной примеси в турбулентном течении труба-струя. // Изв. РАН, сер. МЖГ, 1998, № 2, с. 76-86.

51. Кисаров А.Ф., Липанов A.M. Расчет параметров двухфазного течения в осесимметричном сопле Лаваля с учетом коагуляции и дробления частиц. // Известия АН СССР, сер. МЖГ, 1975, № 4, с. 42-46.

52. Клячко Л.С. Уравнения движения пылевых частиц в пылеприемных устройствах. // Отопление и вентиляция. -1934, № 4, с. 27-29.

53. Ковальногов Н.Н. Теплообмен двухфазного потока со стенкой сопла в условиях капельного уноса жидкости с поверхности конденсированной пленки. // Авиационная техника, №3, Казань, КАИ, 1982, с.37-42.

54. Копченов В.И., Крайко А.Н., Ткаленко Р.А. Решение прямой задачи сопла Лаваля для течения смеси газа с однородными частицами. / «Специальные вопросы гидромеханики и газовой динамики двухфазных сред». Сборник статей, Томск: ТГУ, 1971, с. 67-68.

55. Кофман В.Д., Железняков Ю.Д., Афанасьева Л.А., Чудненко Б.Н. Пути повышения выживаемости при авиационных происшествиях. // Проблемы безопасности полетов, 2001, № 1, с. 3-24.

56. Кутателадзе С.С. Основы теории теплообмена. -Москва: Атомиздат, 1979, 415 с.

57. Кутушев А.Г., Рудаков Д. А. Численное исследование параметров воздушных УВ при разлете расширяющегося слоя порошкообразной среды. // Физика горения и взрыва. 1992. -т. 28, № 6. - с. 105-112.

58. Кутушев А.Г. Экранирование ударных волн слоями парогазокапельной смеси. // Прикладная механика и теоретическая физика (ПМТФ), 1993, № 4, с. 38-46.

59. Кухто A.M., Федотов А.П., Абрамов B.C. Тепломассообмен потока капель в горячем воздухе.//Пожаротушение, 1986.

60. Лапин Ю.В., Стрелец М.Х. Внутренние течения газовых смесей. М.: Наука. Гл.ред.физ.-мат.лит., 1989.-368 с.

61. Левин В.В. Физико-химическая гидродинамика. -М., Физматгиз, 1959, -542 с.

62. Лепешинский И.А. Теоретическое исследование потока в сопле с двухфазным рабочим телом. // ТВТ, № 3,1974.

63. Лепешинский И.А., Барановский С.И., Тихонов Б.А., Эпштейн В.И. Исследование структуры двухфазного потока в плоском сопле. // Вопросы газотермодинамики энергоустановок. Вып. 1. Тематический сборник научных трудов, ХАИ, Харьков, 1974, с.48-54.

64. Лепешинский И.А., Зуев Ю.В., Бажанов В.И. Зондовый метод измерения параметров фаз двухфазного двухкомпонентного потока // Газотермодинамика многофазных потоков в энергоустановках. Харьков: ХАИ, 1978, вып.1,с. 123-128.

65. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. М.: Наука, 1973, -847 с.

66. Мартинсон Л.К., Смирнов Е.В. Квантовая теория. Том 5 курса системы открытого образования «Физика в техническом университете». МГТУ им. Н.Э.Баумана, кафедра физики. http://fn.bmstu.ru/phys^ib/physbook/tom5/abouttext.htm (04.08.2004).

67. Математическая энциклопедия, т. 3, с. 126-130.

68. Матэ Р., Алемани А., Тибо Ж.-П. Двухмерная модель высокоскоростного двухфазного течения / Магнитная гидродинамика, 1994, том 30, № 4, с. 594605.

69. Михатулин Д.С., Полежаев Ю.В., Репин И.В. Гетерогенные потоки: газодинамика, теплообмен, эрозия. / Препринт ИВТ АН СССР, № 2-402, М.: 1997, 87 с.

70. Модин В.И. Обоснование оптимальных требований к параметрам и режимам применения вертолетных сливных устройств при тушении лесных пожаров. Дис. на соискание ученой степени к.т.н., С-Пб, 2000.

71. Нигматулин Р.И. Основы механики гетерогенных сред. М.: Наука. Гл.ред. физ.-мат.лит., 1978. - 336 с.

72. Нигматулин Р.И. Динамика многофазных сред. М.: Наука, 4.1,1987, -464 е., Ч.И, -360 с.

73. Нигматулин Р.И. Исследование газожидкостных потоков в горизонтальной трубе при наличии пульсаций расхода. // ТВТ, М.: Наука, 1992, т. 30, № 4, с. 768-772.

74. Осипцов А.Н., Шапиро Е.Г. Обтекание поверхности аэродисперсным потоком с образованием жидкой пленки из осаждающихся частиц. // Изв. АН СССР, сер. МЖГ, 1989, № 4, с. 85-92.

75. Основы горения углеводородных топлив / Под ред. Л.Н.Хитрина и В.А.Попова. М.: Изд. иностр. литер., 1960. - 664 с.

76. Отчет о НИР «Газодинамическая технология очистки поверхностей», научный руководитель И.А.Лепешинский, ответственный исполнитель Ю.В.Зуев, НИИ НТ при МАИ, Москва, 1997.

77. Отчет НИР «Анализ тенденций развития пожарнотехнического оборудования летательного аппарата». / ООО "Артпром Н", 2003, х. д. № 1/041 от 1 апреля 2003 г.

78. Отчет НИР МАИ "Разработка систем пожаротушения различной мощности, основанных на газодинамической технологии". / М., МАИ, договор № 40/2001 от 20 июля 2001 г.

79. Отчет о НИР МАИ.1.31.02Ф. Изучение особенностей процессов теплообмена в условиях пожаротушения тонкораспыленной водой в авиационной технике. Москва, МАИ, НИЦ НТ МАИ, 2004, -185 с.

80. Палатник И.Б. Пылеуловители с трубами-коагуляторами Вентури. Алма-Ата: Наука, 1981,207 с.1

81. Патент 2141640 Россия, МПК6 G01N9/24. Способ измерения параметров газожидкостного потока., Кратиров В.А., Гареев М.М., N 98114456/28.

82. Патент 2137948 Россия, МПК6 F04F5/02. Водоструйный газожидкостный эжектор . Назаров В. В., Заскин Л. П., Александров А. В., Котов В. Л. (RU) АООТ Ленингр. мет. з-д. N 97108800/06; Заявл. 27.5.97; Опубл. 20.9.99, Бюл. N26.

83. Патент 2000-210599, В05В 7/04, B01F 3/04, B01F 5/20, Gas-Liquid Mixing Sprayer. Natsu Hisashi, Nakanishi Koji (Japan), № 11-016750, date of filing 26.01.1999, date of publ. 02.08.2000.

84. Патент 06-285180, А62С 31/12, Foam-Extinguishing Facility and Foam Mixing Device. Nakamura Masayuki (Japan), № 05-074859, date of filing 31.03.1993, date of publ. 11.10.1994.

85. Патент US2002079384, B05B7/04, F04F5/46, Liquid-Gas Ejector with an Improved Liquid Nozzle and Variants. Popov Serguei (US), № US20010037091 20011022, date of publ. 27.06.2002.

86. Патент US5520331, A62C31/02, B05B7/04, Liquid Atomizing Nozzle. Wolfe Joseph (US), № US 19940308335 19940919, date of publ. 28.05.1996.

87. Патент EP0388033, B05B7/04, Spray Nozzle for Fire Control. Papavergos Panayiotis George (GB), № EP19900301936 19900222, date of publ. 19.09.1990.

88. Патент DE 295 10 976.9, A62C31/03, Kombiniertes Mehrstoffstrahlrohr. Richter J. und Kollegen (Germany), date of publ. 31.08.1995.

89. Пирс Б.Э. Радиационный теплообмен внутри твердотопливного двигателя. // Ракетная техника и космонавтика, 1978, № 8, с. 147-151.

90. Пирумов У.Г., Росляков Г.С. Газовая динамика сопел. -М.: Наука, Главная редакция физико-математической литературы, 1998. -368 с.

91. Подвысоцкий A.M., Баштовой А.И. Массоперенос при взаимодействии капель со смоченной твердой поверхностью. // Промышленная теплотехника, 2002, т. 24, № 5, с. 16-18.

92. Пожарная тактика. / Кимстач И.Ф., Девлишев П.П., Евтюшкин Н.М. М.: Стройиздат, 1984,590 с.

93. Попов Ю.В. Перспективы развития бортовых устройств регистрации. / Специальная техника, 2005, № 2, с. 36-43.

94. Попов Ю.В. Перспективы развития бортовых устройств регистрации. / Проблемы безопасности полетов, 1994, №3, с. 14-18.121. «Проблемы безопасности полетов», № 2, 1972, и № 9, 1976, бюллетень ВИНИТИ АН СССР.

95. Проблемы теплофизики и физической гидродинамики. Новосибирск, «Наука», Сибирское отделение, 1974, -348 с.

96. Распиливание жидкостей / Ю.Ф.Дитякин, Л.А.Клячко и др. М.: Машиностроение, 1977. - 207 с.

97. Раушенбах Б.В., Белый С.А., Беспалов И.В., Бородачев В.Я., Волынский М.С., Прудников А.Г. Физические основы рабочего процесса в камерах сгорания ВРД. -М.: Машиностроение, 1964.

98. Рахматулин Х.А. Основы газодинамики взаимопроникающих движений сжимаемых сред. // ПММ, 1956, т. 20, № 2, с. 184-195.

99. Рогов В.П. Размеры факела разбрызгивания капель воды при ударе. / Научные труды Дальневосточного государственного технического рыбохозяйственного ун-та, 1999, № 12, с.54-59.

100. Рогов Б.В., Соколова И.А. Обзор моделей вязких внутренних течений. // Математическое моделирование, 2002, том 14, № 1, с. 41-72.

101. Романов К.В., Чумаченко А.В. Аппроксимация зависимости коэффициента захвата для сферы от числа Рейнольдса и Стокса // Физика аэродисперсных систем. Киев, 1977 - Вып. 15. - С. 3 - 5.

102. Рудяк В. Я. и др. Устойчивость струйных течений двухфазной жидкости / Теплофизика и аэромеханика, 1998, том 5, № 1, с. 59-66.

103. Рычков А.Д. Математическое моделирование газодинамических процессов в каналах и соплах. Новосибирск: Наука, Сибирское отделение, 1988.-222 с.

104. Санторо (Santoro) М. Технология пожаротушения «water mist». // АВОК, №6,2004, с. 38-43.

105. Селиванов В.Г., Сопленко К.И., Фролов С.Д. О течении газожидкостной среды в соплах заданной геометрии. // Вопросы газотермодинамики энергоустановок. Тематический сборник научных трудов. Вып. 2, Харьков, 1975, ХАИ, с. 19-27.

106. Сенковенко С.А., Стасенко А.Л. Релаксационные процессы в сверхзвуковых струях газа. -М.: Энергоиздат, 1985, 120 с.

107. Ситенков В. Т. Теория и расчет двухфазных систем / Нефтегаз. технол. 2003, N 3, прил., с. 54-59.

108. Сметанин С.В., Шрагер Г.Р., Якутенок В.А. Численное исследование слияния капель вязкой жидкости. //Изв. РАН, сер. ЖГ, 2000, № 6, с. 27-33.

109. Справочник химика-энергетика. -М.; Л.: Госэнергоиздат, 1958-1960, т.1-2.

110. Сребнюк С.М., Черный И.М. К учету влияния концентрации на инерционное взаимодействие компонент в двухфазной смеси. // Вопросы газотермодинамики энергоустановок. Тематический сборник научных трудов. Вып. 3, Харьков, 1976, ХАИ, с. 81-92.

111. Стасенко А.Л. Модели динамики и тепломассообмена шаровых частиц в газодисперсных и парокапельных потоках. // Труды ЦАГИ, вып. 2220, 1984, с. 24-46.

112. Стернин Л.Е. Основы газодинамики двухфазных течений в соплах. -М.: Машиностроение, 1974.-212 с.

113. Стернин Л.Е., Шрайбер А.А. Многофазные течения газа с частицами. -М., Машиностроение, 1994. -320 с.

114. Стрельцов В.Ю. Численное моделирование течений реагирующих газокапельных смесей. Диссертация на соискание ученой степени к.ф.-м.н., Москва, МАИ, 1997,131 с.

115. Теплицкий Ю.С. Подобие процессов переноса в неоднородных псевдоожиженных слоях. // ИФЖ, том 66, № 1,1994, с. 38-45.

116. Теплопередача в двухфазном потоке. / Под редакцией Д.Баттерворса и Г.Хьюитта: Перевод с англ. М.: Энергия, 1980, -328 с.

117. Термодинамические и теплофизические свойства продуктов сгорания. Т.1: Методы расчета / Под ред. В.П.Глушко. М: АН СССР, ВИНИТИ, 1971. -266 с.

118. Тохунц Р. Д., Яковлев В. С. Некоторые вопросы обеспечения эвакуации пассажиров из воздушных судов при авиационных происшествиях. // Проблемы безопасности полетов, 1977, №12, с. 38-44.

119. Уоллис Г. Одномерные двухфазные течения. -М.: «Мир», 1970,440 с.

120. Федоров В. К. Особенности тушения пожара внутри пассажирских салонов при проведении спасательной операции. // Проблемы безопасности полетов, 1977, №5, с. 103-111.

121. Федотовский B.C., Прохоров Ю.П., Верещагина Т.Н. Скорость звука в дисперсных средах с эллипсоидальными включениями. / Труды международной конференции «Теплофизика-98», Обнинск, 26-29 мая 1998, с.224-237.

122. Фукс Н.А. Механика аэрозолей. М.: Изд-во АН СССР, 1955. - 352 с.

123. Химическая гидродинамика: справочное пособие / А.М.Кутепов, А.Д.Полянин, З.Д.Запрянов, А.В.Вязьмин, Д.А.Казенин-М.: Бюро Квантум, 1996. -336 с.

124. Холпанов Л.П., Запорожец Е.П., Зиберт Т.К., Кащицкий Ю.А. Математическое моделирование нелинейных термогидрогазодинамических процессов в многокомпонентных струйных течениях. М.: Наука, 1998. -320 с.

125. Цариченко С.Г. Состояние вопроса использования тонкораспыленной воды при тушении пожаров, «Алгоритм безопасности», № 2, 2003, с. 14-16

126. Цибаров В.А. Кинетический метод в теории газовзвесей. СПб.: издательство СПб. университета, 1997, -192 с.

127. Ципенко А.В. Исследование турбулентных характеристик двухфазных струйных течений. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук, М., МАИ, 1996.

128. Ципенко А.В. Об использовании различных моделей при расчете турбулентных двухфазных струй. /"Вопросы исследования летной эксплуатации воздушных судов в особых ситуациях". Межвузовский сборник научных трудов, М.: МГТУ ГА, 1997, с.82-85.

129. Ципенко А.В., Зуев Ю.В., Лепешинский И.А., Воронецкий А.В. Моделирование двухфазных струйных течений. Сравнение моделей. / Третий международный аэрозольный симпозиум (IAS-3), Москва, 2-5 декабря 1996 г. Избранные труды, № 11, с. 28-36

130. Ципенко А.В. Численное исследование дальнобойности газожидкостных струй дисперсной системы пожаротушения. // Научный вестник МГТУ ГА, сер. Аэромеханика и прочность, № 15, 1999, с. 73-74.

131. Ципенко А.В. Экспериментальное исследование поведения струи с большим массовым содержанием капель в сносящем потоке. // Научный вестник МГТУ ГА, сер. Аэромеханика, прочность, поддержание летной годности ВС, № 53,2002, М., с. 94-97

132. Ципенко А.В. Поиск оптимального режима работы газокапельного сопла. // Научный вестник МГТУ ГА, сер. Аэромеханика, прочность, № 59, 2003, М., с. 66-68.

133. Ципенко А.В., Тарасов Н.Н., Монашев В.М. Экспериментальное исследование поля мгновенных скоростей за воздушным винтом. // Научный вестник МГТУ ГА, сер. Аэромеханика, прочность, поддержание летной годности ВС № 60,2003, М., с. 129-133.

134. Ципенко А.В. Математическая модель дисперсного неравновесного потока с большой долей жидкости в сопле с учетом пленки, столкновений и аэродинамического дробления капель. / М.: 2004, 46 е., деп. в ВИНИТИ 09.11.2004, № 1744-В2004.

135. Ципенко А.В. Отличие равновесной и неравновесной моделей газокапельного потока при большой концентрации капель. // Научный вестник МГТУ ГА, сер. Аэромеханика, прочность, № 72,2004, М., с. 108-110.

136. Ципенко А.В. Выбор модели пленки для потока с большой долей капель в осесимметричном сопле. // Научный вестник МГТУ ГА, сер. Аэромеханика, прочность, № 81 (1,1), 2005, М., с. 43-47

137. Ципенко А.В. Исследование особенностей концентрированного газокапельного потока в сопле опытной установки путем численного и натурного экспериментов. // Вестник МАИ, 2005, т. 12, № 4.

138. Ципенко А.В. О дисперсности газокапельного потока с большой долей жидкости на выходе из сопла большой длины. // ТВТ, 2006, том 44, № 2.

139. Ципенко А.В., Карпышев А.В. Оптимизация работы системы пожаротушения вертолетного базирования. / Материалы V международной научно-технической конференции «АВ1А-2003», Киев, НАУ, 2003, т.2, с. 24207-24208.

140. Ципенко А.В., Карпышев А.В., Яковлев А.А. Создание газожидкостных сопел с заданными параметрами. / Тезисы докладов XX международного семинара по струйным, отрывным и нестационарным течениям, 1-3 июля2004, Санкт-Петербург, ИПЦ СПбГУТД, 288 с, с. 158.

141. Ципенко А.В. Определение причины колебаний угла раскрытия газокапельной струи со значительным содержанием жидкости. // Научный вестник МГТУ ГА, сер. Аэромеханика, прочность, М., 2006, № 97, с. 69-71.

142. Циркунов Ю.М. Моделирование течений примеси в задачах двухфазной аэродинамики. Эффекты пограничного слоя. // Моделирование в механике. Новосибирск, ИТПМ СО РАН, 1993, т. 7, № 2, с. 151-193.

143. Шаманов Н.П., Дядик А.Н., Лабинский А.Ю. Двухфазные струйные аппараты. Л.: Судостроение, 1989,240 с.

144. Шец Д.А., Падхая А. Проникновение и разрушение струи жидкости в дозвуковом воздушном потоке. // Ракетная техника и космонавтика, 1977, т. 15, № 10. (Schetz J.A., Padhye A -AIAA, 1977, vol.15, pp. 1390-1395.)

145. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. -М.: Издательство иностранной литературы, 1956, 528 с.

146. Шрайбер А.А., Гавин Л.Б., Наумов В.А., Яценко В.П. Турбулентные течения газовзвеси. Киев: Наукова думка, 1987. -240 с.

147. Шрайбер А.А., Милютин В.Н., Яценко В.П. Гидромеханика двухкомпонентных потоков с твердым полидисперсным веществом. Киев: Наук. Думка, 1980. - 252 с.

148. Шургальский Э.Ф., Еникеев И.Х. Численное моделирование осаждения капель в каналах сложной формы / ИФЖ, 1999, том 72, № 3, с. 473-481.

149. Юдов Ю.В. Особенности моделирования гидродинамики расслоенного и дисперсно-кольцевого режимов течения двухфазного потока в расчетном коде КОРСАР. // Теплоэнергетика, М.: № 11,2002, с.30-35.

150. Яковлев А.А. Численное и экспериментальное исследование течения в сопле двухфазного газокапельного потока с высокой массовой концентрацией жидкости в газе. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук, М., МАИ, 2004.

151. Яворский Б.М., Детлаф А.А. Справочник по физике. -М.: Наука, 1968, 940 с.

152. Янышев С.С. Исследование распространения двухфазной высококонцентрированной струи в дозвуковом сносящем потоке. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук, М., МАИ, 2003.

153. Azzopardi B.J. Drops in Annular Two-Phase Flow. // Int. J. Multiphase Flow, vol. 23, Suppl., pp. 1-53, 1977.

154. Azzopardi B.J., Memory S.B., Smith P. Experimental study of annular flow in a venturi. In Multiphase Flow Proc. of the 4th Int. Conf., Nice, 1989, BHRA, Cranfield, Beds, pp. 199-214.

155. Batchelor O.K. Sedimentation in a Dilute Dispersion of Spheres. // J. Fluid Mech., 1972, v. 52, N 2, pp. 245-268.

156. Civil Aviation Authority. Chief Scientist's Division, London, May, 1972, 220 p.

157. Drake R.V. Discussion. // Trans. ASME J. Heat Transfer, 1961, v. 83, pp. 170172.

158. Elgibaly Ahmed A. M., Nashawi Ibrahim S. Critical two-phase flow through wellhead chokes of Middle-East oil wells nsitu. (Критический двухфазный поток через штуцеры на нефтяных скважинах Ближнего и Среднего Востока.) 1997. 21, N4, с. 395-427.

159. Gueyffier D., Zaleski S. Formation de digitations lors de l'impact d'une goutte sur un film liquide (Формирование пальцеобразных структур при соударении капли с жидкой пленкой.) / С. г. Acad. sci. Ser. 2. Fasc. b. 1998. 326, N 12, с. 839-844.

160. Hewitt G.F., Roberts D.N. Stadies of two-phase flow patterns by simultaneous X-ray and flash photography. UKAEA, rep. N AERE-M2159,1969.

161. Hays Lance Gregory. Two phase nozzle equipped with flow divider (Двухфазный сопловой аппарат с разделением потоков.) Пат. 5682759 США, МПК6 F 25 D 9/00. N 607827; Заявл. 27.2.96; Опубл. 4.11.97; НПК 62-402. US

162. Lemonnier H., Selmer-Olsen S. Experimental investigation and physical modelling of two-phase two-component flow in a converging-diverging nozzle. /Int. J. Multiphase Flow, vol. 18, № 1, pp. 1-20,1992.

163. Liepmann D., Mitchell P. Spray generation from curved surfaces (Образование капельной струи при срыве потока с искривленной поверхностью.)/ 19th Int. Congr. Theor. and Appl. Mech., Kyoto, Aug. 25-31, 1996: Abstr. Kyoto. 1996, c. 779.

164. Lozano A., Garcia-Olivares A., Dopazo C. The instability growth leading to a liquid sheet breakup (Распад пленки жидкости под действием неустойчивости.) / Phys. Fluids. 1998.10, N9, с. 2188-2197.

165. Martindale W.R., Smith R.V. Separated two-phase flow in a nozzle. // Int. J. Multiphase Flow, 1982, 8, pp. 217-226.

166. Mols D., Oliemans V.A. A Turbulent Diffusion Model for Particle Dispersion and Deposition in Horizontal Tube Flow. // Int. J. Multiphase Flow, vol. 24, No. l,pp. 55-75,1998.

167. Nigmatulin R.I., Nigmatulin B.I., Khodzhaev Ya.D., Kroshilin V.E. Entrainment and Deposition Rates in a Dispersed-Film Flow. (Скорости уноса и осаждения капель в дисперсно-пленочном потоке.) // Int. J. Multiphase Flow, 1996, v.22, N 1, pp. 19-30.

168. Nishihara H., Mishima K., Hibiki Т., Kureta M. Prediction of annular-mist flow based on the three fluid model (Прогноз дисперсно-кольцевого течения, основанный на трехжидкостной модели.) / Kurri Progr. Rept, 1993. Osaka. 1994, с. 106-107.

169. Nobari M.R.H. and Tryggvasson G. Numerical Simulation of Three-Dimensional Drop Collisions. // AIAA J., vol. 34, No 4,1996, pp. 750-755. Article based on AIAA Paper 94-0835.

170. Schicht H.H. Flow patterns for an adiabatic two-phase flow of water and air within a horizontal tube. / Verfahrenstechnik 3(4), pp. 153-161, 1969.

171. Schmehl R., Rosskamp H., Willmann M., Witting S. CFD Analysis of Spray Propagation and Evaporation Including Wall Film Formation and Spray/Film Interaction. // Int. J. of Heat and Fluid Flow, vol. 20, pp. 520-529,1999.

172. Stanton D.W., Ruthland C.J. Multi-Dimensional Modelling of Thin Liquid Films and Spray-Wall Interactions Resulting From Impinging Sprays. // Int. J. of Heat and Mass Transfer, vol. 41, pp. 3037-3054,1998.

173. Tsipenko A.V., Karpyshev A.V. Numerical investigation for criteria of compactness for two-phase jets. / «Fluid-particle interaction-VI» conference, august 25-30,2002, Barga, Italy, UEF, poster session.

174. Tsipenko A.V., Karpyshev A.V. An experimental investigation of heterogeneous jet with a large mass loading ratio in the propeller flow. / «Fluid-particle interaction-VI» conference, august 25-30, 2002, Barga, Italy, UEF, poster session

175. Wells J.W. and Wells W.D. Value of Surviva bility and Recovera bility of Flight Data Recorders. // Processing of the 11-th Symposium «Aircraft Integrated Data Systems», September 22-24,1981 at PFVLR in Koln-Povz.

176. Williams L.R., Dykhno L.A., Hanratty TJ. Droplet flux distributions and entrainment in horizontal gas-liquid flows (Распределение потока капель и унос в горизонтальных газожидкостных течениях.) / Int. J. Multiphase Flow, 1996, v. 22, N 1, pp. 1-18.

177. Wu Q., Ishii M. Sensitivity study on double-sensor conductivity probe for the measurement of interfacial area concentratio in bubble flow. // Int. J. Multiphase Flow, 1999, vol. 25, pp. 155-173.

178. Zhang D. Z., Prosperetti A. Averaged equations for inviscid disperse two-phase flow (Осредненные уравнения для невязкого дисперсного двухфазного потока.) / J. Fluid Mech., 1994.267, pp. 185-219.