Содержание
Введение...................................................................4
Глава 1. Современное состояние проблемы исследования физико-химических процессов, протекающих в конденсированных веществах при воздействии концентрированных потоков светового излучения и в жидких топливах при
воздействии локальных источников энергии..................................16
Глава 2. Постановка задачи моделирования изменения фазового состояния и физико-химических превращений в жидких топливах при воздействии концентрированных потоков светового излучения.............................28
2.1 Физическая постановка...........................................28
2.2 Математическая модель...........................................30
2.3 Метод решения...................................................40
2.4 Решение уравнения энергии.......................................41
2.5 Решение уравнений теплопроводности..............................44
2.6 Решение уравнения диффузии......................................47
2.7 Решение уравнения Пуассона......................................50
2.8 Постановка граничных условий для уравнения вектора вихря скорости............................................................52
2.9 Решение уравнения завихренности.................................53
2.10 Оценка достоверности полученных результатов....................56
2.11 Алгоритм решения задачи........................................58
2.12 Решение тестовых задач.........................................60
2.12.1 Одномерный теплоперенос в плоской бесконечной пластине с фазовым переходом на границе (испарение материала)....................................................60
2.12.2 Задача теплопроводности для плоской бесконечной пластины с химической реакцией в материале (термическое разложение)......................................62
2.12.3 Задача теплопереноса в плоской бесконечной пластине с нелинейными граничными условиями (излучение на
з
границе)...............................................65
2.12.4 Двумерный теплоперенос в однородной пластине..........67
2.12.5 Движение жидкости в полости с подвижной верхней крышкой......................................................69
2.12.6 Естественная конвекция в замкнутой прямоугольной области.................................................... 73
Глава 3. Исследование физико-химических процессов, протекающих в жидких топливах при воздействии концентрированного потока светового
излучения................................................................77
3.1 Анализ влияния параметров потока светового излучения на условия реализации фазового перехода, физико-химических превращений
и характеристики зажигания......................................77
3.2Влияиие поглощения энергии излучения парогазовой смесью на условия реализации фазового перехода, физико-химических
превращений и характеристики зажигания..........................86
3.3 Анализ влияния параметров системы «концентрированный поток светового излучения - жидкость - воздух» на условия реализации фазового перехода, физико-химических превращений
и характеристики зажигания,..,..................................91
3.4Влияние распределения плотности энергии концентрированного потока светового излучения на условия реализации фазового перехода, физико-химических превращений и характеристики
зажигания..................................................... 95
3.5Решение задачи моделирования физико-химических процессов, протекающих в жидком топливе при воздействии концентрированного потока светового излучения в декартовой
системе координат...............................................97
Заключение.............................................................108
Литература.........................л....................................111
Введение
В условиях постоянного расширения областей использования процессов воспламенения, зажигания и горения непрерывно возникают всё более сложные и важные задачи об инициировании зажигания. В большинстве случаев изменение характерных параметров таких процессов в наибольшей степени зависит не от высокоскоростных химических реакций окисления, а от более длительных процессов гепломассопереноса, сопровождающихся, как правило, фазовыми переходами и физико-химическими превращениями [1]. Вследствие этог о исследования процессов горения и зажигания стали приобретать больше физическую, нежели химическую направленность. Именно поэтому основные положения общей теории зажигания конденсированных веществ [2] сформулированы на базе анализа группы моделей 'гепломассопереноса.
Известны [3] шесть механизмов подвода энергии при зажигании вещества: 1 - вынужденная конвекция, 2 — теплопроводность, 3 — излучение, 4 — диффузия поддающихся конденсации паров металлов или активных радикалов из пламени воспламенителя к поверхности топлива, 5 - фотохимическое поглощение, 6 - передача тепла нагретыми до высоких температур твердыми и жидкими частицами, которые * при попадании на* поверхность конденсированного вещества создают местные центры воспламенения.
В наибольшей степени изучены конвективный, кондуктивный и лучистый механизмы [2-4]. Механизм образования, локальных очагов воспламенения выпадающими на1 поверхность конденсированного вещества горячими частицами исследовался в работах [5-16]. Процесс зажигания конденсированных веществ под действием концентрированного потока оптического излучения исследовался в [2, 17—25].
Необходимость изучения процессов воздействия на горючие жидкости концентрированных потоков светового излучения обусловлена главным образом отсутствием в литературе сведений об основных закономерностях реализации этих процессов. Кроме того, развитие промышленного
производства требует разработки и внедрения новых, более эффективных видов топлив и безопасных способов хранения, транспортировки и применения пожароопасных жидкостей, что стимулирует исследования механизма физикохимических процессов, протекающих при зажигании и горении.
Воздействие различных видов излучения на конденсированные вещества всегда привлекало- внимание исследователей. Судя по публикациям, наибольший интерес вызывало воздействие светового излучения (в том числе и лазерного) па вещества, находящиеся в твёрдом состоянии. По результатам экспериментальных и теоретических исследований большой группой учёных установлены основные закономерности физико-химических превращений, протекающих на поверхности и приповерхностных слоях различных веществ (прежде всего, горючих) при воздействии концентрированных потоков светового излучения (в основном лазерного). Наиболее значимые результаты в этой области получены И.Г. Досовским-[17], Е.В. Дугииовым и А.В'. Ханефтом-[18-20], В.П. Ципилёвым и В.В. Медведевым [21-23 ], В.М. Лисицыным, В.И. Олешко и В.И. Корепановым [24, 25]. Но- исследований изменения фазового состояния' и физико-химических превращений, протекающих при воздействии на жидкости концентрированных потоков светового излучения, практически не проводилось. Следует отметить, что физико-химические процессы, являющиеся следствием воздействия интенсивного светового излучения на жидкости и протекающие как в самой жидкости, так и вблизи её поверхности, характеризуются гораздо более сложными по сравнению с твёрдыми веществами- механизмами реализации. При этом все значимые физические и химические процессы протекают в областях с очень малыми характерными размерами, что значительно осложняет измерение основных характеристик процессов и анализ их изменений во времени.
Практическая значимость исследуемой в диссертации проблемы обусловлена следующим. Во всех развитых странах проводится большая профилактическая работа с целью повышения пожарной безопасности проведения технологических процессов, эксплуатации промышленных и
.-•6
бытовых зданий и сооружений. ^Благодаря этим мероприятиям удаётся своевременно зафиксировать и предотвратить переход многих возгораний в пожары. Однако, не смотря на проведение многочисленных противопожарных мероприятий, ежедневно в мире [26-29] происходят сотни небольших и десятки крупных пожаров и взрывов, которые становятся причиной', экологических катастроф, человеческих жертв и наносят материальный ущерб. Как известно [30], возгорания жидких топлив представляют большую пожарную* опасность. Это подтверждается частыми случаями возгораний нефти. Так, например, в мае 2009 года в Ростовской области возник пожар на нефтепроводе в результате утечки топлива, в августе того же года - на перекачивающей дожимной неф тяной станции в Ханты-Мансийском автономном округе. В мае 2008 года в Нигерии из-за повреждения нефтепровода при проведении дорожных работ произошла утечка нефти, а затем и взрыв, жертвами которого стали более 100 человек.
Наиболее остро проблема обеспечения пожарной безопасности стоит в тех отраслях промышленности, где используются большие объёмы жидких нефтепродуктов и других*, горючих материалов. К таким .отраслям можно отнести химическую, нефтехимическую, нефтеперерабатывающую промышленность,, энергетик}'.. Помимо прочих факторов риска, на предприятиях этого профиля обычно присутствует достаточное количество: различных потенциальных источников зажигания [30].
Пожары и взрывы на промышленных предприятиях могут возникнуть в результате утечки горючих жидкостей- из технологических трубопроводов и резервуаров, разгерметизации промышленных аппаратов. Широкая*, группа пожароопасных жидкостей характеризуются небольшой теплотой фазового перехода [30], поэтому образующиеся неконтролируемые объёмы, горючего относительно быстро испаряются. Пары горючего перемешиваются с окружающим воздухом, и формируется парогазовая смесь.
Если в ходе технологического процесса существует возможность непосредственного контакта пожароопасной жидкости с воздухом, то
7
вероятность возгорания увеличивается, поскольку в этом случае пожар или взрыв может- возникнуть внутри технологического аппарата, трубопровода, резервуара. В связи с этим особенно опасными являются аппараты и ёмкости, объёмы коюрых заняты горючей жидкостью не полностью - в пространстве над жидкостью есть взрывоопасная парогазовая смесь.
Кроме того, к числу потенциально пожароопасных относятся помещения, в которых наносят на поверхности лакокрасочные покрытия, а также цехи предприятий, где используют легковоспламеняющиеся растворители.
Вели в гаких условиях есть какой-либо источник энергии, химические реакции окисления в парогазовой смеси ускоряются, в результате чего может произойти пожар или взрыв [31, 32].
В настоящее время для обеспечения пожарной безопасности в основном применяются автоматические системы пожаротушения. Однако зачастую локальные очаги возгораний возникают там, где их появление не ожидается. Чтобы спрогнозировать возникновение такого возгорания, необходимо опираться на анализ закономерностей протекания процессов зажигания. На сегодняшний день известны некоторые результаты исследований по этой тематике [1, 2, 33]. Однако существуют факторы риска, которые почти не изучены.
В связи с постоянно развивающимися техникой и технологиями число установленных источников зажигания горючих жидкостей постоянно растёт. Но имеются такие источники зажигания, при первом рассмотрении которых крайне трудно прогнозировать вероятность воспламенения жидкостей. К числу
90 4е
таких источников зажигания относятся концентрированные потоки излучения различного происхождения.
Яркое солнечное излучение нередко приводит к появлению локальных очагов пожаров. Известно [34], что к фокусированию солнечного излучения может приводить отражение свега от небольших кусочков стекла, некоторых металлических поверхностей и ряда других предметов. Концентрированные
энергетические потоки представляют опасность неконтролируемого возгорания как твёрдых горючих веществ, так и типичных жидких топлив. Особенно
следует отметить тонкие плёнки горючих жидкостей, на про1рев и испарение
' ' ¥ '
которых расходуется небольшая доля энергии источника тепла [11] по сравнению с жидкостями в сосудах и резервуарах [12].
В последнее время всё более широкое применение как в лабораторных исследованиях, так и в промышленности (например, для обработки и резки металлов) получает лазерная техника. Как известно, лазерное излучение характеризуется высокой концентрацией энергии в малом объёме, что позволяет сделать предположение о высокой пожарной опасности такого вида излучения. Кроме того, лазер применяется для удалённого инициирования горючих и взрывчатых веществ, однако закономерности воздействия пучка лазера на жидкое топливо остаются неисследованными:
Анализ механизмов воспламенения конденсированных веществ [2]
‘■О
показывает, что основную роль при создании условий для зажигания играют процессы изменения фазового состояния и физико-химических превращений в зоне воздействия пучка излучения на пожароопасную жидкость.
Закономерности протекания физико-химических процессов при воздействии различных источников излучения на твёрдые конденсированные вещества достаточно полно исследовались в работах [17-25, 35]. Но аналогичные процессы, протекающие при воздействии концентрированного потока светового излучения на жидкое конденсированное вещество, пракгически не изучены.
В то же время теоретическому и экспериментальному исследованию процессов зажигания жидких конденсированных веществ уделяется не так
У
много внимания. Это, очевидно, связано с сложностью газофазных моделей воспламенения горючих жидкостей по сравнению с твёрдофазными, традиционно используемыми для теоретического исследования процессов воспламенения твёрдых конденсированных веществ [36]. В частности, сложность механизма зажигания жидкостей при воздействии на них
9
концентрированного потока светового излучения обусловлена совместным протеканием взаимосвязанных процессов различной физической природы: испарением жидкости, теплопроводностью, диффузией и конвекцией паров
горючего в среде окислителя, поглощением энергии излучения в газовой фазе,
*1
химической реакцией окисления. Следует отметить, что воспламенение жидкостей протекает при взаимном влиянии тепловых, химических и гидродинамических процессов [1]. Скорости процессов воспламенения определяются интенсивностью гепломассопереноса в газовой области над поверхностью жидкости, теплопроводностью жидкого конденсированного вещества, кинетикой процессов испарения и воспламенения жидкости, площадью зоны действия и мощностью излучения, коэффициентом поглощения излучения парогазовой смеси и рядом других факторов [1, 36].
Для изучения основных закономерностей процессов горения жидких топлив выполнялись теоретические и экспериментальные исследования горения капель этих топлив [1, 37-44]. Особое внимание при изучении
ч
процессов воспламенения и горения капель жидкостей уделялось кинетическому моделированию. Менее детально рассматривались процессы тепломассопереноса. Однако для правильного понимания и объяснения основных закономерностей зажигания и горения капель жидкостей необходим тщательный анализ совокупности физико-химических процессов, отдельных механизмов, стадий и всего исследуемого процесса в целом. В результате этого анализа, очевидно, станет возможным наиболее полное описание механизмов зажигания и горения капель жидких топлив. На основе результатов теоретического анализа этих процессов можно установить закономерности протекания физико-химических процессов в жидких топливах при воздействии на них концентрированных потоков свегового излучения.
Кроме высокой пожароопасности актуальность проблемы зажигания жидких топлив сфокусированным потоком излучения также объясняется необходимостью разработки новых способов зажигания топлив, находящихся в жидком агрегатном состоянии, в различных энергетических установках,
10
технических устройствах, двигателях различного назначения [37]. Основным показателем эффективности применения этих способов является минимизация времени задержки зажигания топлива.
Для решения этой проблемы можно использовать результаты работ, в которых предприняты попытки разработки технологии зажигания газовой и парогазовой смесей накаленными телами. Исследовались процессы зажигания предварительно перемешанных природного и «городского» газов с воздухом металлическими нагретыми телами различной конфигурации [37]. Считалось, что состав смеси остаётся неизменным. Однако на практике при воспламенении жидкостей процессы диффузии, конвекции и смешения паров горючего с окислителем в окружающем воздухе протекают параллельно и продолжаются с момента начала нагревания жидкости до её полного выгорания.
Вследствие отсутствия как экспериментальных, так и теоретических данных об основных закономерностях протекания физико-химических процессов при воздействии на пожароопасные жидкости концентрированных потоков светового излучения возникают трудности с определением необходимых условий их хранения при возможном образовании в
; •,!к'
непосредственной' близости. реальных источников воспламенения (концентрированных потоков излучения).
Экспериментальное исследование таких процессов требует использовалия высокоточной'измерительной техники, больших затрат ресурсов и времени. В ряде случаев такие исследования вообще невозможны вследствие малых значений размеров зон воспламенения и времён задержки зажигания. При исследовании процессов воспламенения необходимо рассматривать области малых размеров с большим градиентом температур, концентраций горючего и окислителя [2].
По этим причинам теоретическое исследование физико-химических процессов в жидких конденсированных веществах при воздействии
,Ы*
концентрированных потоков светового излучения является акгуальной, не решенной до настоящего времени задачей.
- Київ+380960830922