Воздействие различных видов излучения на вещества всегда привлекало внимание исследователей. Яркое солнечное излучение нередко приводит к появлению локальных очагов пожаров. Прогнозирование и исследование процессов нагрева, а также возгорания особенно актуальны. В период высоких температур и малых осадков возникают многочисленные пожары в лесах и на торфяниках. Основная цель – спрогнозировать возможные возгорания и проследить, с какой скоростью они могут распространяться. Особенную опасность представляют тонкие плёнки горючих жидкостей, на прогрев и испарение которых расходуется небольшая доля энергии источника тепла. Также данные исследования полезны для развития промышленного производства, которое требует разработки и внедрения новых, более эффективных видов топлив и безопасных способов хранения, транспортировки и применения пожароопасных жидкостей, что стимулирует исследования механизма физико-химических процессов, протекающих при зажигании и горении.
Экспериментальное исследование таких процессов требует использования 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.
По этим причинам теоретическое исследование физико-химических процессов в жидких конденсированных веществах при воздействии концентрированных потоков светового излучения является актуальной, не решенной до настоящего времени задачей.
Рассмотрена математическая модель изменения фазового состояния и физико-химических превращений в системе «концентрированный поток светового излучения – жидкость – воздух» (Рис.1), которая подробно рассмотрена в работе [1].
Рис. 1. Схема области решения задачи: 1 – смесь паров жидкого топлива с воздухом; 2 – жидкость
Предполагается, что на поверхность жидкого конденсированного вещества непрерывно воздействует концентрированный поток светового излучения, имеющий радиус зоны действия r1. За счёт подводимой энергии поверхностные слои жидкости прогреваются. Начинается процесс испарения. Пары горючего диффундируют от поверхности жидкости в воздух и начинают с ним взаимодействовать. При этом увеличивается доля энергии, поглощаемой в газовой фазе при прохождении потока светового излучения. Вследствие этого формирующаяся парогазовая смесь разогревается, а интенсивность испарения горючей жидкости снижается. При достижении пороговых значений концентрации паров горючего в воздухе и температуры парогазовой смеси происходит зажигание. Интервал времени с момента начала воздействия потока светового излучения на жидкость до её воспламенения считается временем задержки зажигания td.
Рассмотрена осесимметричная задача, которая решена в цилиндрических координатах.
В качестве воспламеняемых жидких веществ рассмотрены типичные пожароопасные жидкости: керосин и бензин.
Условиями воспламенения для рассматриваемой газофазной модели являлись следующие:
1) тепло, выделяемое в результате химической реакции паров горючего с окислителем, больше тепла, передаваемого от источника зажигания жидкому веществу;
2) температура смеси паров горючего с окислителем превышает температуру воспламенения горючей жидкости.
Для решения системы дифференциальных уравнений с соответствующими начальными и граничными условиями использовался метод конечных разностей (МКР).
Проводилось численное решение следующих уравнений:
Уравнения энергии (для газовой фазы)
Рассмотренные уравнения в безразмерном виде решаются по одной и той же схеме. При использовании локально-одномерного метода и аппроксимации Самарского выполнялся переход к разностной форме дифференциального уравнения. Затем разностные уравнения сводились к трехдиагональному виду и решались методом прогонки. [2,3] Причем каждое из уравнений рассчитывалось в двух областях: в зоне и вне зоны действия излучения.
Численное решение проводилось c помощью среды разработки MicrosoftVisual C++, а графическое представление результатов с использованием пакета прикладных математических программ Scilab.
С помощью программной реализации построены контурные графики исследуемых величин, таким образом можно отследить как развивается процесс в визуальном представлении, что более наглядно. На Рис.2 представлены графики состояния массовой доли паров горючего вещества в парогазовой смеси в момент зажигания. Наибольших значений данная величина достигает в зоне действия излучения, что объясняется активным испарением горючего в этой области.
Рис. 2 Состояние массовой доли паров горючего вещества в парогазовой смеси в момент зажигания при радиусе зоны действия излучения r1=0,1м и мощности потока p=100Вт
Также для исследования
свойств рассматриваемого процесса были определены зависимости времён
задержки зажигания горючей жидкости от радиуса зоны действия
излучения r1,
мощности концентрированного потока светового излучения p
иначальной температуры жидкого топлива
.
Рис.3 иллюстрирует, что время задержки зажигания жидкого топлива сильно меняется при уменьшении радиуса зоны действия потока светового излучения в выбранном диапазоне. Это можно объяснить тем, что при меньшем радиусе зоны действияr1 большая часть тепла подводится к небольшой площадке на поверхности жидкости. Благодаря этому происходит ускорение процесса испарения, возрастает концентрация паров горючего над поверхностью жидкого конденсированного вещества. Чем меньше r1, тем быстрее температура парогазовой смеси и концентрации её компонентов достигают критических значений.
Рис.3 Зависимость безразмерного времени зажигания τd от радиуса зоны действия направленного светового излучения r1.
При уменьшении мощности концентрированного потока излучения от 200Вт до 40Вт время задержки зажигания увеличилось на 12,8%.
Это объясняется тем, что уменьшается количество тепла, которое подводится к воспламеняемой жидкости от источника зажигания. Так как плотность энергии концентрированного потока светового излучения максимальна на оси симметрии, на этом участке с понижением мощности значительно уменьшается доля теплоты, расходуемой на прогрев и испарение жидкости.
При варьировании начальной температуры жидкого топлива в пределах от 311К до 259К время задержки зажигания увеличивается на 14 %. Это свидетельствует о довольно значительном воздействии изменения начальной температуры жидкого конденсированного вещества на исследуемый процесс, поскольку от этого параметра рассматриваемой системы зависит скорость испарения горючего.
Полученные результаты позволяют сделать вывод о том, что оптимальные условия зажигания реализуются при минимальных значениях радиуса и максимально возможных плотностях потока излучения.
Результаты численного моделирования изменения фазового состояния и физико-химических превращений в системе «концентрированный поток светового излучения – жидкость – воздух» показывают возможность реализации процесса в достаточно широком диапазоне внешних условий и внутренних параметров системы, что подтверждает высокую потенциальную опасность возникновения пожаров при воздействии потока светового излучения на жидкое конденсированное вещество.
Литература:
Высокоморная, О.В. Численное решение плоской задачи зажигания жидкого конденсированного вещества потоком излучения / О.В. Высокоморная, Г.В. Кузнецов, П.А. Стрижак; НИ ТПУ. – Томск, 2010. – 18 с. – Деп. в ВИНИТИ 14.07.2010, № 439.
Патанкар С.В. Численное решение задач теплопроводности и конвективного теплообмена при течении в каналах. Москва: Изд-во МЭИ, 2003.
Самарский, А.А. Теория разностных схем / А.А. Самарский. – М.: Наука, 1983.– 616с.
Варшавский, Г.А. Горение капли жидкого топлива / Г.А. Варшавский. – В кн.: Теория горения порохов и взрывчатых веществ. – М.: Наука, 1982. – С. 87–107.