Пожар – стихийное бедствие, при котором возникает угроза жизни человека и которое приносит большой экономический вред. Для тушения пожаров необходимы эффективные технологии и пламегасители. В настоящее время известны и широко применяются эффективные пламегасители - фреоны, однако многие из них негативно влияют на озоновый слой атмосферы земли. С этой точки зрения фосфорорганические соединения (ФОС) являются перспективными кандидатами для замены фреонов. Понимание механизма действия пламегасителей на пламя на молекулярном уровне позволяет более целенаправленно осуществлять поиск новых эффективных озонобезопасных пламегасителей, поэтому изучение химии процессов в пламени является важной и актуальной проблемой. Наиболее современным подходом для верификации механизма реакций в пламенах является сопоставление экспериментальных данных по структуре пламен и скорости их распространения с результатами численного моделирования. Получение достоверных экспериментальных данных для этих целей также является сложной научно-технической задачей. Для обоснования метода зондовой молекулярно-пучковой масс-спектрометрии (МПМС), используемого для изучения структуры пламени, требуется проведение численных расчетов течения газа между поверхностью горелки и пробоотборником.

Для поиска состава эффективных смесевых пламегасителей применен подход, в котором на основании измерения минимальных гасящих концентраций смесей с различным соотношением компонентов рассчитывался “индекс взаимодействия”. Данный параметр отражает степень взаимного усиления действия пламегасителей в смеси, т.е величину синергетического эффекта, и позволяет найти оптимальный состав смеси по минимальному количеству экспериментальных измерений.

Для изучения распределения концентрации соединений при атмосферном давлении в диффузионном пламени СН₄/N₂ - О₂/N₂, стабилизированном на горелке со встречными потоками горючего и окислителя, впервые был применен метод зондовой МПМС с мягкой ионизацией электронным ударом, что позволило идентифицировать и измерить концентрации всех компонентов реагирующей смеси, включая H и OH. Ранее такие исследования проводились только микрозондовыми и оптическими методами, которые позволяют обнаружить в пламени ограниченный круг соединений.

Методом горелки со встречными потоками определено влияние добавки триметилфосфата на концентрационные пределы распространения метано-воздушной смеси. Оригинальность этого метода заключается в том, что в отличие от других методов (“бомбы” и “трубы”), он свободен от ошибок, связанных с влиянием стенок и источника зажигания пламени. Пламя на такой горелке существует в условиях, близких к адиабатическим, поэтому результаты измерений могут быть сопоставлены с данными численного моделирования.

Для обоснования метода зондовой молекулярно-пучковой масс-спектрометрии, используемого для измерения концентрации соединений в пламенах, проведено численное моделирование структуры газодинамического течения между поверхностью горелки и зондом с использованием полной системы уравнений Навье-Стокса и учетом теплового эффекта химических реакций в пламени. Такие расчеты проведены впервые.

Методом численно моделирования изучено влияние добавок ФОС на скорость распространения метано-, пропано- и водородо-кислородных пламен с различным соотношением горючее/окислитель при атмосферном и субатмосферном давлениях. Обнаружено, что при субатмосферных давлениях добавка ФОС промотирует водородо-кислородные пламена, в то время как при атмосферном давлении ингибирует водородо-кислородные и углеводородо-кислородные пламена. Анализ кинетического механизма химических реакций показал, что за оба явления ответственны реакции каталитической рекомбинации активных частиц пламени (Н и ОН) с конечными фосфорсодержащими продуктами горения ФОС в пламени. В случае низких давлений промотирующий эффект и его возрастание с ростом концентрации добавки ФОС связаны с ростом температуры в зоне химических реакций в пламени. С увеличением концентрации добавки растет как скорость реакции разветвления цепей Н+О₂=ОН+О, так и скорость реакции обрыва цепей, однако рост скорости реакции разветвления дает более ощутимый вклад, в результате чего скорость пламени увеличивается. В случае пламен при атмосферном давлении, когда температура в зоне реакций близка к адиабатически равновесной, введение добавки приводит к увеличению скорости гибели активных частиц пламени и, как следствие, к падению скорости распространения пламени с увеличением концентрации добавки. Результаты исследований важны с точки зрения детального понимания механизма ингибирования и промотирования пламен.

Изучена структура диффузионного пламени СН₄/N₂ - О₂/N₂ на противотоках, проведены измерения распределения концентраций стабильных веществ, таких как СН₄, О₂ и СО₂, с помощью микрозондовой и МПМС-методики. С помощью МПМС также получено распределение концентрации ОН в пламени. Сопоставление экспериментальных данных, полученных обоими методами, показали возможность применения МПМС для изучения структуры пламен такого типа. Полученные результаты важны для обоснования методики измерений структуры диффузионных пламен на противотоках с помощью МПМС.

На основе полной системы нестационарных уравнений Навье-Стокса, дополненной источниковыми членами в уравнениях энергии и диффузии, разработана методика расчета газодинамического течения около диагностического зонда, помещенного в волну горения, с учетом теплового эффекта химических реакций. Проведено численное исследование внешнего газодинамического течения около зонда конкретной геометрии, введённого в метано-воздушное пламя, стабилизированное на плоской горелке при атмосферном давлении. Получены поля течения около зонда (поля линий тока, изотерм), осевые и радиальные профили параметров потока. На основе полученной газодинамической структуры течения рассчитано распределение концентраций некоторых компонентов пламени (CH₄, CO₂, H₂O и O₂). Проведено сравнение экспериментальных результатов, полученных с помощью МПМС, с результатами расчета невозмущенного пламени с помощью программы PREMIX, а также с результатами моделирования возмущенного пламени. Эти результаты позволяют обосновать успешно применяемый в настоящее время подход к верификации химического механизма, в котором экспериментально измеренный профиль температуры в возмущенном пламени вблизи зонда используется для моделирования профилей концентраций. Хотя этот подход широко распространен и дает хорошие результаты, до этого он не был строго обоснован.

5. Уровень полученных результатов в сравнении с мировым.

Уровень проводимых авторами исследований не уступает мировому. Полученные результаты были представлены на международных конференциях и симпозиумах:

1. 31-ый Международный симпозиум по горению, 2006, (Гейдельберг, Германия); (1 стендовый)
2. Международная ежегодная техническая рабочая конференция по замене галонов, 2006 (Альбукерк, штат Нью-Мехико, США); (1 устный доклад)
3. 5-ый Международный семинар по структуре пламен, 2005, (Новосибирск); (1 устный доклад)
4. 19-ая Семинар-Школа Бельгийской секции Института горения, Монс, Бельгия, 2006 г. (1 устный доклад)

Список прилагаемых статей:

1. Д.А. Князьков, О.П. Коробейничев, А.Г. Шмаков .“Изучение структуры диффузионного пламени CH₄/N₂ - O₂/N₂ на встречных потоках с помощью молекулярно-пучковой и микрозондовой масс-спектрометрии” // Физика горения и взрыва. 2006. Т.42. №4. С. 26-33.
2. А.Г. Шмаков, О П Коробейничев, В М Шварцберг, С А Якимов, Д.А Князьков, В Ф Комаров, Г.В. Сакович, “Исследование фосфорорганических, фторорганических, металлсодержащих соединений и твердотопливных газогенерирующих составов с добавками фосфорсодержащих соединений в качестве эффективных пламегасителей” // Физика горения и взрыва. 2006. Т.42. №6. СС.64-73
3. Т.А.Большова, О.П.Коробейничев, “Промотирование и ингибирование водородо-кислородного пламени добавками триметилфосфата” // Физика горения и взрыва 2006, T. 42, N 5 С. 3-13.
4. П. А. Сковородко, А. Г. Терещенко, О. П. Коробейничев, Д. А. Князьков, А. Г. Шмаков, “Исследование возмущений, вносимых в пламя пробоотборным зондом. I - возмущения газодинамической структуры течения” // Химическая физика, 2006, т.25, №10, СС.23-32
5. П. А. Сковородко, А. Г. Терещенко, О. П. Коробейничев, Д. А. Князьков, А. Г. Шмаков, “Исследование возмущений, вносимых в пламя пробоотборным зондом. II - возмущения распределения концентраций компонентов” // Химическая физика, 2006, т.25, №10, СС.33-41.
6. A.G. Tereshchenko, P.A. Skovorodko, O.P. Korobeinichev, D.A. Knyazkov, A.G. Shmakov, “Gas Dynamic and Thermal Perturbation of Flame by Probe”, Proceedings of 5th INTERNATIONAL SEMINAR ON FLAME STRUCTURE, (Editor: O.P. Korobeinichev), Novosibirsk, Russia, July 11-14, 2005, p.1-26. (CD version), 2005.
7. Shmakov A.G., Korobeinichev O.P., Knyazkov D.A., Shvartsberg V.M., Yakimov S.A., Baratov A.N., Kopylov S.N., Zhiganov D.B., Larin I.K., “Study of Effect of Organophosphrous Compounds on Propagation Limits and Extinction Conditions of Hydrocarbon Flames” // Proceeding of Halon Options Technical Working Conference (HOTWC-2006), (R.G. Gann edt.), pp.1-13., NIST SP 984-4, National Institute of Standarts and Technology, Gaithersburg, MD, USA, (CD version), 2006. http://www.bfrl.nist.gov/866/HOTWC/HOTWC2006/pubs/R0601274.pdf
8. Коробейничев О.П., Шварцберг В.М., Якимов С.А., Копылов С.Н., Баратов А.Н., Жиганов Д.Б., “ Экспериментальное исследование огнетушащей эффективности фосфорорганических соединений и смесей на их основе ”//, Пожарная безопасность, №6, сс.36-41, 2005
9. Rybitskaya I.V., Shmakov A.G., Korobeinichev O.P., “Inhibition effect of OPC in hydrogen- and hydrocarbon-air flames”, 19th Journ?es d'Etudes of the Belgian section of the Combustion Institute, pp.1-2, Mons, Belgium, May 31st- June 1st, 2006, http://19jeci2006.fpms.ac.be/Abstracts_PDF/Rybitskaya_Abstract_19JECI2006.pdf