Диссертация (Методика прогнозирования скорости распространения фронта пламени при сгорании газовоздушного облака в открытом пространстве), страница 8

При температуре стеноксосуда 612 К происходит незначительное повышение температуры смеси (линия 1).При температуре стенок сосуда 613 К смесь воспламеняется (линия 2). Расчѐтныеи экспериментальные значения хорошо согласуются.62Выводы1. Разработана математическая модель фототеплового воспламенения, учитывающая химическую кинетику и термодинамику процесса, позволяющая определять показатели пожаровзрывоопасности газовой смеси;2. Поведена апробация модели фототеплового воспламенения.

Показана удовлетворительная сходимость расчѐтных и экспериментальных значений;3. Если известен кинетический механизм реакции и физические параметры газовой смеси, то с достаточно хорошей точностью можно оценить еѐ пожаровзрывоопасность.63ГЛАВА 3 ИССЛЕДОВАНИЯ ПО ОПРЕДЕЛЕНИЮСКОРОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ФРОНТА ПЛАМЕНИВ ГАЗОВОЗДУШНЫХ СМЕСЯХПри расчѐте СРФП необходимо знать один из важнейших показателей пожаровзрывоопасности – нормальную скорость горения ГВС. В самом началевзрывного горения облака ГВС фронт пламени движется со средней скоростьюϑн∙ε.

За счѐт неустойчивости и искривления фронта пламени происходит его ускорение и переход горения из ламинарного режима в турбулентный. Для различныхГВС временной переход из ламинарного режима горения в турбулентный – разный и зависит от физико-химических свойств веществ. Также при расчѐтах параметров взрыва СРФП принимают постоянным значением.

В действительностиСРФП изменяется во времени.В настоящей главе будет рассмотрена зависимость изменения СРФП с течением времени, на примере горения пропановоздушной смеси в протяжѐнной трубе. И получено выражение для определения СРФП с учѐтом физико-химических игазодинамических свойств горючих газовых смесей.3.1 Определение параметров распространения пламенив пропановоздушной смесиСерия экспериментов направлена на исследование ускорения и замедленияпламени при взрывном горении газовоздушной смеси.В экспериментах использовалась пропановоздушная смесь стехиометрического состава (концентрация горючего 4,5 %(об.)).

Взрывы производились в протяженной камере длиной 4,12 м, имеющей квадратное сечение со стороной 0,16 м(рисунок 3.1).64Рисунок 3.1 – Схематичное изображение экспериментальной камерыБыли выполнены две серии экспериментов. В 1-й серии камера разделенана три части с помощью выдвижных панелей, торцы камеры открыты. С помощью мерного шприца пропан закачивался в центральную камеру объѐмомVц = 0,0205 м3, создавая смесь стехиометрического состава. После определѐнного времени, необходимого для выравнивания концентрации, осуществлялсяподжог смеси. Зажигание смеси производилось с помощью электрической искрыв разных точках (в центре – Т1, на границе смеси – Т2 и Т3) (рисунок 3.2).

В момент зажигания смеси выдвижные панели вынимались из камеры. В дальнейшемопыт при воспламенении смеси в точке Т1 будем называть эксперимент I, в точке Т2 – эксперимент II, а при воспламенении смеси в точке Т3 будем называтьэксперимент III.Рисунок 3.2 – Схема экспериментальной камеры, использовавшейсяпри проведении 1-й серии экспериментовВо 2-й серии экспериментов камера разделена на две части. Левый торецкамеры открыт, а правый закрыт. Пропан закачивался в правую часть камеры.При проведении экспериментов использовались камеры двух объѐмов: перваякамера объемом Vк1 = 0,00064 м3, вторая – Vк2 = 0,0128 м3. Зажигание смеси осуществлялось электрической искрой на границе газовой смеси в точке Т4.В момент зажигания смеси панель, разделяющая камеру, вынималась (рисунок653.3). В дальнейшем опыты при использовании камеры Vк1 будем называть эксперимент IV, а при использовании камеры Vк2 – эксперимент V.Рисунок 3.3 – Схема экспериментальной камеры,использовавшейся при 2-й серии экспериментовПроцесс распространения пламени фиксировался на скоростную камеру(240 кадров/с).

Затем производилась раскадровка видео и с помощью математического аппарата строились зависимости изменения координаты фронта пламени отвремени, изменения скорости распространения пламени от времени, измененияскорости распространения пламени от координаты.3.2 Результаты экспериментальных исследованийНа снимках (рисунок 3.4) представлен процесс распространения фронтапламени при зажигании смеси в центре облака – точке Т1 в эксперименте I.

Послераскадровки видео были определены координаты фронта пламени для каждогомомента времени. Расстояние, пройденное пламенем, измеряли от места зажигания, точки Т1, до левого торца камеры.На рисунке 3.5 показаны экспериментальные координаты положения фронта пламени для различных моментов времени. Для определения скоростныххарактеристик фронта пламени полученную зависимость дифференцировали.Прямое дифференцирование экспериментальных точек приводит к значительнымпогрешностям. Поэтому предварительно проводили интерполяцию полиномом6-й степени, наиболее точно соответствующим экспериментальным значениям.И затем дифференцировали интерполяционную зависимость.6612345678Рисунок 3.4 – Кадры процесса распространения пламени в эксперименте I:1 – через 8,36 мс после воспламенения смеси; 2 – через 20,9 мс;3 – через 29,26 мс; 4 – через 41,8 мс; 5 – через 54,34 мс;6 – через 66,88 мс; 7 – через 75,24 мс; 8 – через 87,78 мсРисунок 3.5 – Изменениекоординаты положения фронтапламени пропановоздушнойсмеси с течением времени.Эксперимент I67На рисунке 3.6 представлено изменение скорости фронта пламени от времени и от расстояния.Рисунок 3.6 – Динамические параметры фронта пламени.

Эксперимент I:1 – зависимость скорости пламени от времени;2 – зависимость скорости пламени от координатыПо результатам проведенного эксперимента I можно сделать следующиевыводы. Учитывая, что степень расширения продуктов сгорания пропановоздушной смеси стехиометрического состава равна 8,06 раз, линейный размер облакапродуктов сгорания должен быть равен 0,8 ∙ 8,06 ≈ 6,4 м, а от места зажиганиясмеси пламя должно распространиться на 3,2 м. Эксперимент показал, что горение прекратилось на расстоянии 1,5 м от места зажигания смеси, а максимальноезначение скорости фронта пламени наблюдалось на расстоянии 1,0–1,2 м (см.

рисунок 3.6), что в 3 раза меньше. Максимальная скорость при этом составила25–30 м/с.На рисунке 3.7 представлен процесс распространения фронта пламени вэксперименте II, когда воспламенение смеси происходило на границе газовогооблака, в точке Т2.6812345678Рисунок 3.7 – Кадры процесса распространения пламени в эксперименте II:1 – через 4,18 мс после воспламенения смеси; 2 – через 33,44 мс; 3 – через 58,52 мс;4 – через 104,5 мс; 5 – через 146,3 мс; 6 – через 171,38 мс;7 – через 200,64 мс; 8 – через 238,26 мсНа рисунке 3.8 приведены экспериментальные координаты положения фронта пламени для различных моментов времени и интерполяционная зависимость,полином 6-й степени.Рисунок 3.8 – Изменениекоординаты положения фронтапламени пропановоздушной смесис течением времени.Эксперимент II.69На рисунке 3.9 показаны скоростные характеристики фронта пламени, полученные путѐм дифференцирования интерполяционной зависимости.Из приведенных данных следует, что при воспламенении смеси на границеоблака скорость распространения пламени как минимум в два раза меньше, чемпри ее центральном воспламенении.

В эксперименте I максимальная скоростьфронта пламени достигла 25–30 м/с, а в эксперименте II максимальная скоростьфронта пламени составила не более 12–14 м/с.Таким образом, можно утверждать, что при воспламенении смеси на границе облака скорость фронта пламени примерно в два раза меньше, чем при ее центральном зажигании.Рисунок 3.9 – Динамические параметры фронта пламени. Эксперимент II:1 – зависимость скорости пламени от времени;2 – зависимость скорости пламени от координатыРассмотрим результаты эксперимента III, когда источник расположен не вовзрывоопасном газовом облаке, точка Т3 (см. рисунок 3.2).

Данный эксперимент вкакой-то степени моделирует дрейф облака. В эксперименте газовое облако воспламенялось через некоторое время после удаления перегородок. Источник зажигания постоянно работал. После удаления перегородок газовое облако за счѐт70диффузии перемещалось к источнику зажигания и воспламенялось. Рассмотренный сценарий взрывной аварии является типичным случаем. Отличие начальныхусловий эксперимента III от начальных условий эксперимента II заключается втом, что в эксперименте II происходит воспламенение пропановоздушной смесистехиометрического состава, а в эксперименте III в результате диффузии газовойсмеси в сторону источника зажигания (точка Т3) происходит воспламенениеобедненной смеси.На рисунке 3.10 представлен процесс распространения фронта пламени припроведении эксперимента III.

Зажигание смеси осуществляется постоянно искрящим источником, находящимся в точке Т3, которая расположена вне облака.12345678Рисунок 3.10 – Кадры процесса распространения пламени в эксперименте III:1 – момент воспламенения смеси; 2 – через 54,34 мс после воспламенения смеси;3 – через 96,14 мс; 4 – через 133,76 мс; 5 – через 175,56 мс;6 – через 213,18 мс; 7 – через 254,98 мс; 8 – через 292,60 мс71На рисунке 3.11 приведены координаты положения фронта пламени с течением времени и полиномная зависимость 8-й степени, которая наиболее точноописывает экспериментальные значения.На рисунке 3.12 показаны скоростные характеристики фронта пламени, полученные дифференцированием полиномной зависимости, описывающей положение фронта пламени во времени.

Из приведѐнных данных видно, что максимальная скорость фронта пламени не превышает 5 м/с.Рисунок 3.11 – Изменение координаты положения фронта пламенипропановоздушной смеси с течением времени. Эксперимент IIIРисунок 3.12 – Динамические параметры фронта пламени. Эксперимент III:1 – зависимость скорости пламени от времени;2 – зависимость скорости пламени от координаты72Таким образом, можно предположить, что дрейф газового облака и воспламенение на его границе приводит к дефлаграционному взрыву, при котором скорость распространения пламени не ускоряется.

А скорость распространения пламени приблизительно равняется Uн ε = 0,45∙8,06 ≈ 3,63 м/с. В этом случае можноговорить об огневом шторме, который сопровождается только скоротечными тепловыми нагрузками.Рассмотрим вторую серию экспериментов. На рисунке 3.13 представленпроцесс распространения пламени, когда взрывоопасная газовая смесь находиласьв правой части камеры, а левый торец трубы открыт. Зажигание смеси осуществлялось в точке Т4.

В эксперименте IV объѐм газовой смеси (объѐм камеры) составлял Vк1 = 0,00064 м3, а линейная протяженность 0,25 м. Соответственно приполном сгорании смеси линейный размер продуктов взрыва должен равнятьсяRПЛ = 0,25∙8,06 ≈ 2 м.12345678Рисунок 3.13 – Кадры процесса распространения пламени в эксперименте IV:1 – момент воспламенения смеси; 2 – через 37,62 мс после воспламенениясмеси; 3 – через 58,52 мс; 4 – через 79,42 мс; 5 – через 91,96 мс;6 – через 112,86 мс; 7 – через 133,76 мс; 8 – через 154,66 мс73На рисунке 3.14 показаны координаты положения фронта пламени на различные моменты времени и интерполяционная зависимость, представляющая собой полином 6-й степени.Рисунок 3.14 – Изменениекоординаты положения фронта пламени пропановоздушной смеси с течением времени.Эксперимент IV.На рисунке 3.15 приведены скоростные характеристики фронта пламени,полученные из интерполяционного соотношения, описывающего положениефронта пламени в зависимости от времени.Из анализа рисунка 3.15 можно сделать следующие выводы.