Помощь студентам в учебе
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ ВЗАИМОДЕЙСТВИИ ПАРОВ, КАПЕЛЬ И ПЛЕНОК ВОДЫ С ТЕРМИЧЕСКИ РАЗЛАГАЮЩИМСЯ ЛЕСНЫМ ГОРЮЧИМ МАТЕРИАЛОМ
|
ВВЕДЕНИЕ 4
ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПРИ ТЕРМИЧЕСКОМ РАЗЛОЖЕНИИ ЛЕСНЫХ ГОРЮЧИХ МАТЕРИАЛОВ В УСЛОВИЯХ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА
НИХ ВОДЯНОГО ПАРА, КАПЕЛЬ И ПЛЕНОК ВОДЫ 14
Выводы по первой главе 23
ГЛАВА 2. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛОПЕРЕНОСА В УСЛОВИЯХ ФАЗОВЫХ ПРЕВРАЩЕНИЙ И ХИМИЧЕСКОГО РЕАГИРОВАНИЯ ПРИ ВЗАМОДЕЙСТВИИ ВОДЯНОГО ПАРА, КАПЕЛЬ И ПЛЕНОК ВОДЫ С ТЕРМИЧЕСКИ РАЗЛАГАЮЩИМСЯ ЛЕСНЫМ ГОРЮЧИМ МАТЕРИАЛОМ 24
2.1 Экспериментальный стенд и методы исследований 24
2.2 Физические и математические модели термического разложения в
условиях интенсивных фазовых превращений 30
2.3 Методы численного решения 46
2.4 Алгоритм оценки достоверности результатов численного
моделирования 48
2.5 Решение тестовых задач 51
Выводы по второй главе 62
ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ И ЧИСЛЕННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В УСЛОВИЯХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ВОДЯНОГО ПАРА, КАПЕЛЬ И ПЛЕНОК ВОДЫ С
ТЕРМИЧЕСКИ РАЗЛАГАЮЩИМСЯ ЛЕСНЫМ ГОРЮЧИМ МАТЕРИАЛОМ 63
3.1 Результаты экспериментальных исследований условий и характеристик протекания процессов термического разложения типичных лесных горючих материалов при воздействии на них паров воды 63
3.2. Результаты теоретических исследований процесса подавления реакции пиролиза лесных горючих материалов при воздействии паров воды 65
3.3 Испарение пленки воды на поверхности лесного горючего материала при его термическом разложении 713.4 Прекращение реакции деструкции лесного горючего материала при испарении пленки воды с твердыми включениями на его
поверхности 77
3.5. Влияние группы капель воды на поверхности лесного горючего материала на интенсивность его термического разложения 84
3.6. Особенности испарения воды в порах лесного горючего материала
в процессе его деструкции 92
3.7. Рекомендации по использованию полученных результатов и дальнейшему развитию сформулированного в диссертации подхода 99
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 102
ЛИТЕРАТУРА 104
ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПРИ ТЕРМИЧЕСКОМ РАЗЛОЖЕНИИ ЛЕСНЫХ ГОРЮЧИХ МАТЕРИАЛОВ В УСЛОВИЯХ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА
НИХ ВОДЯНОГО ПАРА, КАПЕЛЬ И ПЛЕНОК ВОДЫ 14
Выводы по первой главе 23
ГЛАВА 2. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛОПЕРЕНОСА В УСЛОВИЯХ ФАЗОВЫХ ПРЕВРАЩЕНИЙ И ХИМИЧЕСКОГО РЕАГИРОВАНИЯ ПРИ ВЗАМОДЕЙСТВИИ ВОДЯНОГО ПАРА, КАПЕЛЬ И ПЛЕНОК ВОДЫ С ТЕРМИЧЕСКИ РАЗЛАГАЮЩИМСЯ ЛЕСНЫМ ГОРЮЧИМ МАТЕРИАЛОМ 24
2.1 Экспериментальный стенд и методы исследований 24
2.2 Физические и математические модели термического разложения в
условиях интенсивных фазовых превращений 30
2.3 Методы численного решения 46
2.4 Алгоритм оценки достоверности результатов численного
моделирования 48
2.5 Решение тестовых задач 51
Выводы по второй главе 62
ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ И ЧИСЛЕННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В УСЛОВИЯХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ВОДЯНОГО ПАРА, КАПЕЛЬ И ПЛЕНОК ВОДЫ С
ТЕРМИЧЕСКИ РАЗЛАГАЮЩИМСЯ ЛЕСНЫМ ГОРЮЧИМ МАТЕРИАЛОМ 63
3.1 Результаты экспериментальных исследований условий и характеристик протекания процессов термического разложения типичных лесных горючих материалов при воздействии на них паров воды 63
3.2. Результаты теоретических исследований процесса подавления реакции пиролиза лесных горючих материалов при воздействии паров воды 65
3.3 Испарение пленки воды на поверхности лесного горючего материала при его термическом разложении 713.4 Прекращение реакции деструкции лесного горючего материала при испарении пленки воды с твердыми включениями на его
поверхности 77
3.5. Влияние группы капель воды на поверхности лесного горючего материала на интенсивность его термического разложения 84
3.6. Особенности испарения воды в порах лесного горючего материала
в процессе его деструкции 92
3.7. Рекомендации по использованию полученных результатов и дальнейшему развитию сформулированного в диссертации подхода 99
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 102
ЛИТЕРАТУРА 104
Российская Федерация является лидером по площади, занятой лесами. Бореальная зона лесов РФ составляет 809 тысяч га [1], что составляет 20% общей площади лесов мира.
В настоящее время охрана лесов от пожаров является весьма актуальной задачей всего мирового сообщества [2-7]. Созданы и успешно эксплуатируются системы дистанционного [8-11], в первую очередь космического мониторинга состояния лесов. В 2014 году на территории РФ зарегистрировано 16,9 тыс. лесных пожаров [8]. Относительно 2013 года [12, 13] число пожаров увеличилось на 6,9 тыс. и, даже несмотря на то, что данный показатель снизился относительно среднегодового значения за 5 лет на 4,96 тыс. возгораний, проблема лесных пожаров остается нерешенной [8].
Борьба с лесными пожарами предполагает решение трех основных задач: прогноз лесной пожарной опасности [14-18], прогноз распространения лесных пожаров [19-28] и непосредственно тушение пожаров [29-34].
Решение задачи тушения лесных пожаров сводится к определению объема воды, необходимого и достаточного для прекращения реакции термического разложения ЛГМ [2, 34].
На сегодняшний день получили известность такие системы тушения, как «водяной туман» [35], «тонкораспыленная вода» [36-40], «водяная завеса» [41]. Главным назначением данных систем является решение трех задач: снижение температуры в области горения (за счет поглощения энергии в результате фазового перехода), создание облака водяных паров для предотвращения поступления окислителя (воздуха) в зону горения, а также максимальное снижение концентрации горючего (непосредственно подавление реакции термического разложения за счет интенсивного снижения температуры в зоне пиролиза ЛГМ до значений ниже температуры начала термического разложения этого материала).
Авиация для борьбы с лесными пожарами применяется несколько десятилетий [29-32]. Несмотря на столь длительный период, к настоящему времени не разработан метод определения объема воды, необходимого и достаточного для прекращения реакции термического разложения ЛГМ. Отсутствие теоретических рекомендаций, в первую очередь, можно объяснить не изученными в полной мере закономерностями воздействия воды (паров, капель и пленок) на нагретый до высоких температур приповерхностный слой даже типичных ЛГМ (листья березы, хвоя сосны и ели).
Как правило [29-32], технология ликвидации пожаров включает локальный сброс воды из емкостей самолетов и вертолетов. Тушащая жидкость поступает в зону горения в виде «снарядов» массой до нескольких тонн. Локальный сброс тушащей жидкости, как правило, приводит к существенному заливанию ограниченных по характерным размерам участков лесных пожаров [30, 32]. Часто локальное воздействие не является гарантией ликвидации очага горения [2, 34], поскольку фронт пожара может обойти залитую водой малую площадь, на которой подавлен процесс термического разложения ЛГМ за счет избыточного поступления воды. Необходима разработка методических рекомендаций о тушении лесных пожаров водой, в частности установлении необходимых и достаточных объемов тушащей жидкости для прекращения реакции пиролиза ЛГМ по всей площади пожара.
Целью работы является экспериментальное и теоретическое определение условий и характеристик прекращения процесса термического разложения ЛГМ при взаимодействии с паром, каплями и пленками воды.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1. Экспериментальное исследование условий и характеристик протекания процессов термического разложения типичных ЛГМ при воздействии на них пароводяным облаком.
2. Разработка физических и математических моделей физико-химических процессов, протекающих при взаимодействии термически разлагающихся
ЛГМ с паром, каплями и пленками воды в системах «смесь продуктов сгорания и водяных паров - нагретый до высоких температур слой ЛГМ», «однородная пленка воды - ЛГМ», «вода в порах нагретого до высоких температур слоя ЛГМ - ЛГМ», «вода с твердыми включениями - ЛГМ», «группа капель воды - ЛГМ».
3. Разработка алгоритмов решения задач диссертации и оценки достоверности теоретических результатов.
4. Численное исследование влияния температуры паров воды и характерных толщин слоя лесного горючего материала на интенсивность термического разложения последнего.
5. Определение необходимых и достаточных толщин пленок жидкости на поверхности интенсивно пиролизующегося материала для его охлаждения до температур, при которых прекращается реакция термического разложения.
6. Численное исследование влияния пленки воды (с включениями в виде элементов ЛГМ) на поверхности термически разлагающегося материала на условия прекращения реакции его пиролиза.
7. Анализ влияния глубины проникновения воды в поры ЛГМ на интенсивность подавления реакции его термического разложения.
8. Численное исследование влияния расстояния между каплями жидкости на поверхности ЛГМ на условия его термической деструкции.
9. Определение необходимых и достаточных условий прекращения термического разложения ЛГМ при взаимодействии с пленками и каплями воды, водяным паром и пароводяным облаком.
10. Разработка рекомендаций по использованию результатов исследований при тушении лесных пожаров.
Научная новизна работы. Впервые проведены экспериментальные исследования физико-химических процессов в условиях взаимодействия интенсивно пиролизующегося ЛГМ с пароводяным облаком. Поставлена и решена группа задач математического моделирования физико-химических процессов, протекающих в условиях термического разложения типичных ЛГМ при воздействии пара, капель и пленок воды. Разработаны физические и математические модели теплопереноса для систем: «смесь продуктов сгорания и водяных паров - нагретый до высоких температур ЛГМ», «однородная пленка воды - ЛГМ», «вода с твердыми включениями - ЛГМ», «группа капель воды - ЛГМ», «вода в порах нагретого до высоких температур слоя ЛГМ - ЛГМ». Задачи не имеют аналогов по постановке, алгоритму решения и полученным результатам.
Практическая значимость. Разработаны физические и математические модели, алгоритмы численного решения задач теплопереноса в условиях физико-химических превращений, протекающих при взаимодействии термически разлагающегося ЛГМ с паром, каплями и пленками воды. Полученные аппроксимационные выражения для основных характеристик исследуемых процессов могут быть использованы при определении необходимых и достаточных объемов тушащей жидкости для подавления пиролиза типичных ЛГМ. Результаты исследований условий и характеристик прекращения деструкции ЛГМ при заполнении водой его приповерхностного слоя позволяют разработать технологии подавления реакции термического разложения последнего в течение относительно небольших времен (нескольких минут). Установленные (численно и экспериментально) условия и значения характеристик процессов подавления реакции термического разложения позволяют в несколько раз снизить времена ликвидации лесных пожаров. Сформулированные в тексте рукописи рекомендации могут служить основой повышения эффективности существующих и развития новых технологий пожаротушения.
Достоверность результатов численных исследований. Проведены экспериментальные исследования физико-химических процессов в условиях взаимодействия пиролизующегося ЛГМ с пароводяным облаком. Установлена удовлетворительная корреляция интегральных характеристик процесса, полученных в выполненных экспериментах, с результатами теоретических исследований. Оценка достоверности результатов выполненных теоретических исследований проводилась также проверкой консервативности используемых разностных схем (разработаны соответствующие алгоритмы).
Связь работы с научными программами и грантами. Исследования выполнены при поддержке гранта Российского научного фонда (№ 14-39-00003), Президента РФ (проекты № МК-620.2012.8, МД-2806.2015.8), Российского фонда фундаментальных исследований (проекты № 12-08-33002, 14-08-00057) и Национального исследовательского Томского политехнического университета (проект № ВИУ_ЭНИН_94_2014). Основные положения диссертации используются в Национальном исследовательском Томском политехническом университете при подготовке магистров техники и технологии по направлениям «Теплоэнергетика» и «Машиностроение», а также кандидатов наук по специальностям «01.04.17 - Химическая физика, горение и взрыв, физика экстремальных состояний вещества», «01.04.14 - Теплофизика и теоретическая теплотехника».
Тематика исследований соответствует приоритетному направлению развития науки и техники в Российской Федерации (указ Президента РФ № 899 от 7 июня 2011 г.) «Безопасность и противодействие терроризму», а также критическим технологиям «предупреждения и ликвидации чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера».
Научные положения и основные результаты, выносимые на защиту:
1. Реакция деструкции в слое типичного ЛГМ прекращается в течение 6¬13 минут (в зависимости от условий охлаждения) при воздействии пароводяным облаком с температурой ниже 340 К.
2. Подавление реакции термического разложения обеспечивается при толщинах пленки воды 0,03-0,09 мм на поверхности ЛГМ.
3. Условия подавления реакции пиролиза ЛГМ обеспечиваются даже при достаточно высоких температурах внешней парогазовой среды, если расстояние между каплями жидкости (на поверхности термически разлагающегося материала) менее 0,02 м.
4. Методика и результаты экспериментальных исследований закономерностей физико-химических процессов, протекающих в условиях взаимодействия термически разлагающегося ЛГМ с пароводяным облаком.
5. Физические и математические модели процессов, протекающих при термическом разложении ЛГМ, отличающиеся от известных учетом влияния на процесс пиролиза паров, капель и пленок воды.
6. Результаты численных исследований влияния группы факторов (температура парогазовой среды, толщина пленки жидкости на поверхности термически разлагающегося ЛГМ, толщина «буферного слоя» (воды с твердыми включениями), расстояние между каплями жидкости, достигших поверхности ЛГМ) на основные характеристики процессов, протекающих при термической деструкции лесных горючих материалов.
Личный вклад автора состоит в проведении экспериментальных исследований, постановке задач взаимодействия интенсивно пиролизующегося ЛГМ с пароводяным облаком, каплями и пленками воды, выборе методов и разработке алгоритмов решения задач, установлении основных закономерностей протекания физико-химических процессов, обработке и анализе полученных результатов, разработке рекомендаций по повышению эффективности существующих и развитию новых технологий пожаротушения, формулировании выводов и заключений диссертационной работы.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационных исследований докладывались и обсуждались на следующих конференциях:
1. IV Всероссийская научно-практическая международным участием «Теплофизические основы энергетических технологий», г. Томск, 2013 г.
2. Международная конференция «VIII Окуневские чтения», г. Санкт- Петербург, 2013 г.
3. I Международный молодежный форум «Интеллектуальные энергосистемы», г. Томск, 2013 г.
4. III Межотраслевая научно-практическая конференция молодых ученых и специалистов в области проектирования предприятий горно¬металлургического комплекса, энерго- и ресурсосбережения и защиты окружающей природной среды, г. Харьков, 2014 г.
5. XX юбилейная Международная научная конференция студентов и молодых ученых «Современные техника и технологии» СТТ-2014», г. Томск, 2014 г.
6. «Девятая международная научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Энергия-2014»», г. Иваново, 2014 г.
7. «Всероссийская конференция «XXXI Сибирский теплофизический семинар», посвященный 100-летию со дня рождения академика С.С. Кутателадзе»», г. Новосибирск, 2014 г.
8. «Шестая Российская национальная конференция по теплообмену (РНКТ-6)», г. Москва, 2014 г.
9. V Всероссийская научная конференция с международным участием «Теплофизические основы энергетических технологий», г. Томск, 2014 г.
10. ХХ Школа-семинар молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках», г. Звенигород, 2015 г.
11. XIII Международный саммит по лесным пожарам и 4 конференция «Человеческий фактор в лесных пожарах» (13th International Wildland Fire Safety Summit and 4th Human Dimensions of Wildland Fire) (США, 2015).
Публикации. Основные положения и результаты диссертационных исследований опубликованы в 21 печатной работе, в том числе 10 - в журналах из списка, рекомендованного ВАК РФ: «Химическая физика и мезоскопия», «Пожарная безопасность», «Пожаровзрывобезопасность», «Проблемы безопасности и чрезвычайных ситуаций», «Пожары и чрезвычайные ситуации: предотвращение, ликвидация». Опубликовано 6 работ в журналах, индексируемых базами данных «Scopus» и «Web of Science»: «Journal of Engineering Physics and Thermophysics», «Applied Mechanics and Materials», «Advanced Materials Research», «European Physical Journal Web of Conferences». Получены 4 свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, основных результатов и выводов, списка литературы. Диссертация изложена на 124 страницах машинописного текста, содержит 38 рисунков, 4 таблицы. Библиография включает 164 наименования.
Краткое содержание работы.
Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулирована цель и задачи исследований, отражена практическая значимость и научная новизна полученных результатов.
В первой главе проанализировано современное состояние теоретических и экспериментальных исследований физико-химических процессов, протекающих в условиях термического разложения ЛГМ. Показано, что отсутствуют результаты исследований комплекса основных условий и закономерностей физико-химических процессов при взаимодействии интенсивно пиролизующегося ЛГМ с водяным паром, каплями и пленками воды.
Во второй главе представлена разработанная методика экспериментальных исследований основных характеристик процесса подавления реакции термического разложения ЛГМ при взаимодействии с пароводяным облаком. Приведены постановки задач нестационарного теплопереноса, позволяющие выполнять численные исследования физико-химических процессов, протекающих в процессе прекращения реакции термического разложения ЛГМ при воздействии водяного пара, пароводяного облака, капель и пленок воды. Описаны используемые методы решения нестационарных дифференциальных уравнений в частных производных. Представлены алгоритмы решения задач и проверки консервативности разностной схемы. Приведены результаты численного решения тестовых задач для верификации разработанного алгоритма и выбранных методов решения основной задачи.
В третьей главе представлены результаты экспериментальных исследований (с применением высокоскоростных регистрирующих видеокамер и панорамных оптических методов) основных макроскопических закономерностей физико-химических процессов, протекающих при воздействии паров воды на термически разлагающийся ЛГМ. Выполнен теоретический анализ закономерностей и условий протекания основных физико-химических процессов при воздействии на ЛГМ воды (паров, капель и пленок). Установлено влияние группы факторов на процессы, протекающие в условиях взаимодействия паров, капель и пленок воды с ЛГМ, нагретым до высоких температур. Выделен интервал времени, в течение которого необходимо удерживать паровое облако с низкой температурой над термически разлагающимся ЛГМ для прекращения пиролиза последнего. Установлено влияние толщины пленки жидкости на скорость подавления процесса термического разложения ЛГМ, а также влияние на его термическую деструкцию «буферного слоя» (воды с твердыми включениями) на поверхности последнего. Определены условия прекращения распространения термического разложения ЛГМ при воздействии капель жидкости на его поверхность с различным расстоянием между ними. Получены соответствующие аппроксимационные выражения для интегральных характеристик исследуемых процессов. Разработаны рекомендации по использованию полученных результатов и дальнейшему развитию сформулированного в диссертации подхода.
В заключении подведены основные итоги экспериментальных и теоретических исследований, а также сформулированы соответствующие выводы.
В настоящее время охрана лесов от пожаров является весьма актуальной задачей всего мирового сообщества [2-7]. Созданы и успешно эксплуатируются системы дистанционного [8-11], в первую очередь космического мониторинга состояния лесов. В 2014 году на территории РФ зарегистрировано 16,9 тыс. лесных пожаров [8]. Относительно 2013 года [12, 13] число пожаров увеличилось на 6,9 тыс. и, даже несмотря на то, что данный показатель снизился относительно среднегодового значения за 5 лет на 4,96 тыс. возгораний, проблема лесных пожаров остается нерешенной [8].
Борьба с лесными пожарами предполагает решение трех основных задач: прогноз лесной пожарной опасности [14-18], прогноз распространения лесных пожаров [19-28] и непосредственно тушение пожаров [29-34].
Решение задачи тушения лесных пожаров сводится к определению объема воды, необходимого и достаточного для прекращения реакции термического разложения ЛГМ [2, 34].
На сегодняшний день получили известность такие системы тушения, как «водяной туман» [35], «тонкораспыленная вода» [36-40], «водяная завеса» [41]. Главным назначением данных систем является решение трех задач: снижение температуры в области горения (за счет поглощения энергии в результате фазового перехода), создание облака водяных паров для предотвращения поступления окислителя (воздуха) в зону горения, а также максимальное снижение концентрации горючего (непосредственно подавление реакции термического разложения за счет интенсивного снижения температуры в зоне пиролиза ЛГМ до значений ниже температуры начала термического разложения этого материала).
Авиация для борьбы с лесными пожарами применяется несколько десятилетий [29-32]. Несмотря на столь длительный период, к настоящему времени не разработан метод определения объема воды, необходимого и достаточного для прекращения реакции термического разложения ЛГМ. Отсутствие теоретических рекомендаций, в первую очередь, можно объяснить не изученными в полной мере закономерностями воздействия воды (паров, капель и пленок) на нагретый до высоких температур приповерхностный слой даже типичных ЛГМ (листья березы, хвоя сосны и ели).
Как правило [29-32], технология ликвидации пожаров включает локальный сброс воды из емкостей самолетов и вертолетов. Тушащая жидкость поступает в зону горения в виде «снарядов» массой до нескольких тонн. Локальный сброс тушащей жидкости, как правило, приводит к существенному заливанию ограниченных по характерным размерам участков лесных пожаров [30, 32]. Часто локальное воздействие не является гарантией ликвидации очага горения [2, 34], поскольку фронт пожара может обойти залитую водой малую площадь, на которой подавлен процесс термического разложения ЛГМ за счет избыточного поступления воды. Необходима разработка методических рекомендаций о тушении лесных пожаров водой, в частности установлении необходимых и достаточных объемов тушащей жидкости для прекращения реакции пиролиза ЛГМ по всей площади пожара.
Целью работы является экспериментальное и теоретическое определение условий и характеристик прекращения процесса термического разложения ЛГМ при взаимодействии с паром, каплями и пленками воды.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1. Экспериментальное исследование условий и характеристик протекания процессов термического разложения типичных ЛГМ при воздействии на них пароводяным облаком.
2. Разработка физических и математических моделей физико-химических процессов, протекающих при взаимодействии термически разлагающихся
ЛГМ с паром, каплями и пленками воды в системах «смесь продуктов сгорания и водяных паров - нагретый до высоких температур слой ЛГМ», «однородная пленка воды - ЛГМ», «вода в порах нагретого до высоких температур слоя ЛГМ - ЛГМ», «вода с твердыми включениями - ЛГМ», «группа капель воды - ЛГМ».
3. Разработка алгоритмов решения задач диссертации и оценки достоверности теоретических результатов.
4. Численное исследование влияния температуры паров воды и характерных толщин слоя лесного горючего материала на интенсивность термического разложения последнего.
5. Определение необходимых и достаточных толщин пленок жидкости на поверхности интенсивно пиролизующегося материала для его охлаждения до температур, при которых прекращается реакция термического разложения.
6. Численное исследование влияния пленки воды (с включениями в виде элементов ЛГМ) на поверхности термически разлагающегося материала на условия прекращения реакции его пиролиза.
7. Анализ влияния глубины проникновения воды в поры ЛГМ на интенсивность подавления реакции его термического разложения.
8. Численное исследование влияния расстояния между каплями жидкости на поверхности ЛГМ на условия его термической деструкции.
9. Определение необходимых и достаточных условий прекращения термического разложения ЛГМ при взаимодействии с пленками и каплями воды, водяным паром и пароводяным облаком.
10. Разработка рекомендаций по использованию результатов исследований при тушении лесных пожаров.
Научная новизна работы. Впервые проведены экспериментальные исследования физико-химических процессов в условиях взаимодействия интенсивно пиролизующегося ЛГМ с пароводяным облаком. Поставлена и решена группа задач математического моделирования физико-химических процессов, протекающих в условиях термического разложения типичных ЛГМ при воздействии пара, капель и пленок воды. Разработаны физические и математические модели теплопереноса для систем: «смесь продуктов сгорания и водяных паров - нагретый до высоких температур ЛГМ», «однородная пленка воды - ЛГМ», «вода с твердыми включениями - ЛГМ», «группа капель воды - ЛГМ», «вода в порах нагретого до высоких температур слоя ЛГМ - ЛГМ». Задачи не имеют аналогов по постановке, алгоритму решения и полученным результатам.
Практическая значимость. Разработаны физические и математические модели, алгоритмы численного решения задач теплопереноса в условиях физико-химических превращений, протекающих при взаимодействии термически разлагающегося ЛГМ с паром, каплями и пленками воды. Полученные аппроксимационные выражения для основных характеристик исследуемых процессов могут быть использованы при определении необходимых и достаточных объемов тушащей жидкости для подавления пиролиза типичных ЛГМ. Результаты исследований условий и характеристик прекращения деструкции ЛГМ при заполнении водой его приповерхностного слоя позволяют разработать технологии подавления реакции термического разложения последнего в течение относительно небольших времен (нескольких минут). Установленные (численно и экспериментально) условия и значения характеристик процессов подавления реакции термического разложения позволяют в несколько раз снизить времена ликвидации лесных пожаров. Сформулированные в тексте рукописи рекомендации могут служить основой повышения эффективности существующих и развития новых технологий пожаротушения.
Достоверность результатов численных исследований. Проведены экспериментальные исследования физико-химических процессов в условиях взаимодействия пиролизующегося ЛГМ с пароводяным облаком. Установлена удовлетворительная корреляция интегральных характеристик процесса, полученных в выполненных экспериментах, с результатами теоретических исследований. Оценка достоверности результатов выполненных теоретических исследований проводилась также проверкой консервативности используемых разностных схем (разработаны соответствующие алгоритмы).
Связь работы с научными программами и грантами. Исследования выполнены при поддержке гранта Российского научного фонда (№ 14-39-00003), Президента РФ (проекты № МК-620.2012.8, МД-2806.2015.8), Российского фонда фундаментальных исследований (проекты № 12-08-33002, 14-08-00057) и Национального исследовательского Томского политехнического университета (проект № ВИУ_ЭНИН_94_2014). Основные положения диссертации используются в Национальном исследовательском Томском политехническом университете при подготовке магистров техники и технологии по направлениям «Теплоэнергетика» и «Машиностроение», а также кандидатов наук по специальностям «01.04.17 - Химическая физика, горение и взрыв, физика экстремальных состояний вещества», «01.04.14 - Теплофизика и теоретическая теплотехника».
Тематика исследований соответствует приоритетному направлению развития науки и техники в Российской Федерации (указ Президента РФ № 899 от 7 июня 2011 г.) «Безопасность и противодействие терроризму», а также критическим технологиям «предупреждения и ликвидации чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера».
Научные положения и основные результаты, выносимые на защиту:
1. Реакция деструкции в слое типичного ЛГМ прекращается в течение 6¬13 минут (в зависимости от условий охлаждения) при воздействии пароводяным облаком с температурой ниже 340 К.
2. Подавление реакции термического разложения обеспечивается при толщинах пленки воды 0,03-0,09 мм на поверхности ЛГМ.
3. Условия подавления реакции пиролиза ЛГМ обеспечиваются даже при достаточно высоких температурах внешней парогазовой среды, если расстояние между каплями жидкости (на поверхности термически разлагающегося материала) менее 0,02 м.
4. Методика и результаты экспериментальных исследований закономерностей физико-химических процессов, протекающих в условиях взаимодействия термически разлагающегося ЛГМ с пароводяным облаком.
5. Физические и математические модели процессов, протекающих при термическом разложении ЛГМ, отличающиеся от известных учетом влияния на процесс пиролиза паров, капель и пленок воды.
6. Результаты численных исследований влияния группы факторов (температура парогазовой среды, толщина пленки жидкости на поверхности термически разлагающегося ЛГМ, толщина «буферного слоя» (воды с твердыми включениями), расстояние между каплями жидкости, достигших поверхности ЛГМ) на основные характеристики процессов, протекающих при термической деструкции лесных горючих материалов.
Личный вклад автора состоит в проведении экспериментальных исследований, постановке задач взаимодействия интенсивно пиролизующегося ЛГМ с пароводяным облаком, каплями и пленками воды, выборе методов и разработке алгоритмов решения задач, установлении основных закономерностей протекания физико-химических процессов, обработке и анализе полученных результатов, разработке рекомендаций по повышению эффективности существующих и развитию новых технологий пожаротушения, формулировании выводов и заключений диссертационной работы.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационных исследований докладывались и обсуждались на следующих конференциях:
1. IV Всероссийская научно-практическая международным участием «Теплофизические основы энергетических технологий», г. Томск, 2013 г.
2. Международная конференция «VIII Окуневские чтения», г. Санкт- Петербург, 2013 г.
3. I Международный молодежный форум «Интеллектуальные энергосистемы», г. Томск, 2013 г.
4. III Межотраслевая научно-практическая конференция молодых ученых и специалистов в области проектирования предприятий горно¬металлургического комплекса, энерго- и ресурсосбережения и защиты окружающей природной среды, г. Харьков, 2014 г.
5. XX юбилейная Международная научная конференция студентов и молодых ученых «Современные техника и технологии» СТТ-2014», г. Томск, 2014 г.
6. «Девятая международная научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Энергия-2014»», г. Иваново, 2014 г.
7. «Всероссийская конференция «XXXI Сибирский теплофизический семинар», посвященный 100-летию со дня рождения академика С.С. Кутателадзе»», г. Новосибирск, 2014 г.
8. «Шестая Российская национальная конференция по теплообмену (РНКТ-6)», г. Москва, 2014 г.
9. V Всероссийская научная конференция с международным участием «Теплофизические основы энергетических технологий», г. Томск, 2014 г.
10. ХХ Школа-семинар молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках», г. Звенигород, 2015 г.
11. XIII Международный саммит по лесным пожарам и 4 конференция «Человеческий фактор в лесных пожарах» (13th International Wildland Fire Safety Summit and 4th Human Dimensions of Wildland Fire) (США, 2015).
Публикации. Основные положения и результаты диссертационных исследований опубликованы в 21 печатной работе, в том числе 10 - в журналах из списка, рекомендованного ВАК РФ: «Химическая физика и мезоскопия», «Пожарная безопасность», «Пожаровзрывобезопасность», «Проблемы безопасности и чрезвычайных ситуаций», «Пожары и чрезвычайные ситуации: предотвращение, ликвидация». Опубликовано 6 работ в журналах, индексируемых базами данных «Scopus» и «Web of Science»: «Journal of Engineering Physics and Thermophysics», «Applied Mechanics and Materials», «Advanced Materials Research», «European Physical Journal Web of Conferences». Получены 4 свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, основных результатов и выводов, списка литературы. Диссертация изложена на 124 страницах машинописного текста, содержит 38 рисунков, 4 таблицы. Библиография включает 164 наименования.
Краткое содержание работы.
Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулирована цель и задачи исследований, отражена практическая значимость и научная новизна полученных результатов.
В первой главе проанализировано современное состояние теоретических и экспериментальных исследований физико-химических процессов, протекающих в условиях термического разложения ЛГМ. Показано, что отсутствуют результаты исследований комплекса основных условий и закономерностей физико-химических процессов при взаимодействии интенсивно пиролизующегося ЛГМ с водяным паром, каплями и пленками воды.
Во второй главе представлена разработанная методика экспериментальных исследований основных характеристик процесса подавления реакции термического разложения ЛГМ при взаимодействии с пароводяным облаком. Приведены постановки задач нестационарного теплопереноса, позволяющие выполнять численные исследования физико-химических процессов, протекающих в процессе прекращения реакции термического разложения ЛГМ при воздействии водяного пара, пароводяного облака, капель и пленок воды. Описаны используемые методы решения нестационарных дифференциальных уравнений в частных производных. Представлены алгоритмы решения задач и проверки консервативности разностной схемы. Приведены результаты численного решения тестовых задач для верификации разработанного алгоритма и выбранных методов решения основной задачи.
В третьей главе представлены результаты экспериментальных исследований (с применением высокоскоростных регистрирующих видеокамер и панорамных оптических методов) основных макроскопических закономерностей физико-химических процессов, протекающих при воздействии паров воды на термически разлагающийся ЛГМ. Выполнен теоретический анализ закономерностей и условий протекания основных физико-химических процессов при воздействии на ЛГМ воды (паров, капель и пленок). Установлено влияние группы факторов на процессы, протекающие в условиях взаимодействия паров, капель и пленок воды с ЛГМ, нагретым до высоких температур. Выделен интервал времени, в течение которого необходимо удерживать паровое облако с низкой температурой над термически разлагающимся ЛГМ для прекращения пиролиза последнего. Установлено влияние толщины пленки жидкости на скорость подавления процесса термического разложения ЛГМ, а также влияние на его термическую деструкцию «буферного слоя» (воды с твердыми включениями) на поверхности последнего. Определены условия прекращения распространения термического разложения ЛГМ при воздействии капель жидкости на его поверхность с различным расстоянием между ними. Получены соответствующие аппроксимационные выражения для интегральных характеристик исследуемых процессов. Разработаны рекомендации по использованию полученных результатов и дальнейшему развитию сформулированного в диссертации подхода.
В заключении подведены основные итоги экспериментальных и теоретических исследований, а также сформулированы соответствующие выводы.
1. Разработана методика экспериментальных исследований условий и характеристик протекания процессов термического разложения типичных ЛГМ в условиях воздействия на последние пароводяного облака.
2. Впервые разработана группа физических и математических моделей процессов, протекающих при прекращении деструкции ЛГМ, отличающихся от известных учетом влияния на процесс термического разложения капель, пленок и паров воды.
3. Установлены температуры в «следе водяного снаряда», достаточные для прекращения реакции термического разложения ЛГМ. Выделены условия, при которых реакция деструкции в слое типичного ЛГМ прекращается, например, при температурах в «следе снаряда» ниже 340 К и периодов времени сохранения этого следа td=6-13 минут.
4. Установлены толщины пленок воды на поверхности ЛГМ (Le=0,03-0,09мм), обеспечивающие подавление реакции термического разложения ЛГМ.
5. Проанализированы условия прекращения реакции пиролиза ЛГМ при проникновении воды в поры приповерхностного слоя термически разлагающегося ЛГМ. Рекомендовано специальное распыление жидкости (30
7. Сформулированы аппроксимационные выражения td=f(Tm), td=f(Lf), Le=^f(Lf), t^fL^), td=f(Hw)для прогностического моделирования рассматриваемых процессов при различных условиях теплообмена на поверхности термически разлагающегося ЛГМ.
8. Разработаны рекомендации по использованию результатов исследований и сформулированного подхода на практике.
2. Впервые разработана группа физических и математических моделей процессов, протекающих при прекращении деструкции ЛГМ, отличающихся от известных учетом влияния на процесс термического разложения капель, пленок и паров воды.
3. Установлены температуры в «следе водяного снаряда», достаточные для прекращения реакции термического разложения ЛГМ. Выделены условия, при которых реакция деструкции в слое типичного ЛГМ прекращается, например, при температурах в «следе снаряда» ниже 340 К и периодов времени сохранения этого следа td=6-13 минут.
4. Установлены толщины пленок воды на поверхности ЛГМ (Le=0,03-0,09мм), обеспечивающие подавление реакции термического разложения ЛГМ.
5. Проанализированы условия прекращения реакции пиролиза ЛГМ при проникновении воды в поры приповерхностного слоя термически разлагающегося ЛГМ. Рекомендовано специальное распыление жидкости (30
7. Сформулированы аппроксимационные выражения td=f(Tm), td=f(Lf), Le=^f(Lf), t^fL^), td=f(Hw)для прогностического моделирования рассматриваемых процессов при различных условиях теплообмена на поверхности термически разлагающегося ЛГМ.
8. Разработаны рекомендации по использованию результатов исследований и сформулированного подхода на практике.