1. Общая формулировка научной проблемы и ее актуальность.
Нестационарные процессы фильтрационного горения газа.
Фильтрационное горение газа (ФГГ) в режиме низких скоростей (РНС) обладает рядом свойств, привлекательных с точки зрения практики, что обеспечивает повышенный интерес исследователей и инженеров к этому классу процессов горения. В реальных горелочных устройствах ФГГ часто протекает в условиях переменных параметров системы: скорости фильтрации (реверс-процесс, цилиндрические горелки), характеристик пористой среды (горение, стабилизированное на границе сред). Кроме того, процессы в реальных горелочных устройствах, как правило, включают такие нестационарные стадии, как зажигание и гашение волн ФГГ. В связи с этим большое значение приобретает исследование нестационарных процессов ФГГ.2. Конкретная решаемая в работе задача и ее значение.
Изучение закономерностей прогорания пористых огнепреградителей.
Огнепреградителями называют устройства, предназначенные для предотвращения проникновения пламени в технологическое оборудование во взрывоопасных производствах. Огнепреграждающий элемент огнепреградителя представляет собой слой пористой среды с определенными характеристиками. Он не препятствует течению газа, но в случае аварийного воспламенения газа за огнепреградителем предотвращает проскок пламени в защищаемый объем. Действие пористых огнепреградителей основано на концепции критического диаметра каналов, являющейся следствием теории пределов распространения пламени. Физической причиной гашения пламени в каналах с диаметром, меньшим критического, является снижение температуры пламени за счет теплопотерь в стенки канала.Промышленные огнепреградители, как правило, эксплуатируются в условиях постоянного потока горючего газа. В этих условиях часто наблюдается проникновение пламени через огнепреградитель, несмотря на то, что эффективный диаметр каналов огнепреградителя меньше критического. Это явление называют “прогоранием” огнепреградителя. Прогорание связывают с установлением на выходной (по потоку) поверхности огнепреградителя факела пламени, возникшего в результате аварийного воспламенения газовой смеси за огнепреградителем. Стабилизированный факел пламени теплопроводностью и излучением прогревает пористый огнепреградительный элемент. Это ухудшает теплоотводящие свойства огнепреградительного элемента и, как следствие, приводит к потере им гасящих свойств. Данный цикл работ посвящен исследованию закономерностей процесса прогорания и поиску путей повышения огнестойкости огнепреградителей.
3. Используемые подходы, новизна и оригинальность.
Основным идейно-методическим подходом к решению поставленной задачи является применение к анализу процесса прогорания огнепреградителей идеологии фильтрационного горения газа (ФГГ). До недавнего времени прогорание огнепреградителей анализировалось как процесс прогрева огнепреградительного элемента факелом пламени, стабилизированным на выходной границе пористого огнепреградительного элемента, с последующим проскоком пламени по каналам прогретой пористой среды. Развитие представлений о ФГГ позволило откорректировать представления о природе процесса прогорания. Стало ясно, что прогорание – это распространение волны ФГГ в режиме низких скоростей. Принципиальное отличие подхода, предложенного в настоящем цикле работ, от используемого ранее, состоит в том, что распространение пламени через пористую среду в процессе прогорания предполагается не в режиме обычного пламени по предварительно прогретой пористой среде, а в режиме самоподдерживающейся волны ФГГ, представляющей собой не только тепловую волну в пористой среде, но и связанную с ней волну экзотермического химического превращения в газе.
4. Полученные результаты и их значимость.
Фундаментальное значение: данный цикл работ дает существенный вклад в развитие представлений о нестационарных процессах ФГГ. В частности, впервые рассмотрен вопрос о зажигании волны ФГГ пламенем, стабилизированным на поверхности пористой среды.
- Экспериментально и теоретически показано, что процесс прогорания состоит из двух стадий – нестационарной стадии формирования волны горения в пористом блоке огнереградителя и стадии квазистационарного распространения по нему; характерные времена двух стадий соизмеримы. Огнестойкость огнепреградителя определяется суммой времен формирования и распространения.
- Формирование волны горения в огнепреградителе, так же, как и распространение по нему, возможно в ограниченном диапазоне скоростей газа; за счет стадии формирования параметрическая область прогорания огнепреградителя может быть существенно сужена.
- Время входа пламени в пористый блок и время распространения по нему являются немонотонными, имеющими минимум, функциями скорости газа.
- Время входа пламени в огнепреграждающий элемент можно менять в широком диапазоне за счет тонких прослоек, с параметрами, отличными от параметров основного пористого блока.
- Наличие теплового контакта огнепреграждающего элемента с корпусом огнепреградителя, прогреваемым продуктами сгорания, увеличивает время входа при малых скоростях газа и уменьшает – при больших.
- Численный анализ процесса прогорания пористых огнепреградителей показал, что огнестойкость канальных пламегасящих элементов определяется стадией входа пламени в пористую среду, а насыпных – стадией распространения пламени по пористому элементу.
- С целью повышения огнестойкости пламегасящий элемент канального огнепреградителя целесообразно изготавливать из высокотеплопроводных материалов.
- Пламегасящий элемент в виде монолитного перфорированного блока позволяет в наилучшей степени оптимизировать защитные свойства огнепреградителей.
Прикладное значение: впервые проанализированы и научно обоснованы пути повышения огнестойкости огнепреградителей.5. Уровень полученных результатов в сравнении с мировым.
Работы поддерживались грантами:
РФФИ 07-08-00123 и Комплексного интеграционного гранта СО РАН и НАНУ (проект №60, 2009)
Результаты работ докладывались на международных и российских научных конференциях:
1. Международная конференция “Сопряженные задачи механики реагирующих сред, информатики и экологии”. 25-27 июня 2007 г. Томск, устный.
2. IX Всероссийская конференция “Современные методы математического моделирования природных и антропогенных катастроф.” Барнаул, 17-22 сентября 2007 г., устный.
3. ICMAR. International Conference on the Methods of Aerophysical Research. June 30 – July 6, 2008, устный
4. 7th International conference “Mathematical modeling of dangerous natural phenomena and catastrophcs”. Tomsk, 2008, устный. 5. II Всероссийская научно-практическая конференция с международным участием, г. Барнаул, 1-4 октября 2008 г., устный.6. Вклад авторского коллектива.
Вклад сотрудников Института определяющий.
Список прилагаемых статей.
- Какуткина Н.А., Коржавин А.А., Намятов И.Г., Рычков А.Д. Закономерности распространения пламени через насадку коммуникационных огнепреградителей. Физика горения и взрыва. Т. 43, № 4, С. 23-38. 2007.
- Какуткина Н.А., Коржавин А.А., Рычков А.Д. , Закономерности прогорания пористых огнепреградителей с канальныи пламегасящим элементом, Физика горения и взрыва. Т. 45, № 3, С. 35-43. 2009.
- Какуткина Н.А., Коржавин А.А., Намятов И.Г., Рычков А.Д. Экспериментальное и теоретическое исследование процесса прогорания засыпных огнепреградителей. Пожарная безопасность. 2006, № 5, с. 59-72.
- Какуткина Н.А., Коржавин А.А., Рычков П.К., Сеначин П.К. Особенности прогорания засыпных и канальных огнепреградителей. Ползуновский вестник. №4. 2007. С. 33-38.
- Kakutkina N.A., Korzhavin A.A., Rychkov A.D. Peculiarities of burning-through of grain and channel types of porous flame-arresters. In: International Conference on the Methods of Aerophysical Research: /Ed. V.M. Fomin. Novosibirsk. 2008. ISBN 978-5-98901-040-0. (CD-version). P. 1-8.
- Какуткина Н.А., Коржавин А.А., Рычков А.Д. Математическое моделирование работы пористых огнепреградителей в режиме прогорания. Вычислительные технологии. Т. 13. 2008. С. 212-219.
- Какуткина Н.А., Коржавин А.А., Рычков А.Д., Сеначин П.К. Пути повышения огнестойкости пористых огнепреградителей. В: Энергетические, экологические и технологические проблемы экономики (ЭЭТПЭ-2008) // Материалы II Всероссийской научно-практической конференции с международным участием / Под ред. Д.Д. Матиевского, П.К. Сеначина / Алт. гос. техн. ун-т им. И.И. Ползунова, г. Барнаул, 1-4 октября 2008 г. – Барнаул: ОАО “Алтайский дом печати”, 2008. С. 286-290.