авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 |

Тепломассоперенос при зажигании пожароопасных жидкостей одиночной нагретой до высоких температур частицей

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Стрижак Павел Александрович

ТЕПЛОМАССОПЕРЕНОС ПРИ ЗАЖИГАНИИ ПОЖАРООПАСНЫХ ЖИДКОСТЕЙ ОДИНОЧНОЙ НАГРЕТОЙ ДО ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР ЧАСТИЦЕЙ

01.04.14 – теплофизика и теоретическая теплотехника

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата

физико–математических наук

Томск – 2008

Работа выполнена на кафедре «Атомные и тепловые электрические станции» Теплоэнергетического факультета Томского политехнического университета

Научный руководитель: доктор физико-

математических наук,

профессор Кузнецов

Гений Владимирович

Официальные оппоненты: доктор физико-

математических наук

Смоляков Виктор Кузьмич

доктор физико-

математических наук

Крайнов Алексей Юрьевич

Ведущая организация: ЦНИИ специального машиностроения,

Московская область.

Защита состоится «23» сентября 2008 г. в 1430 в ауд. 228 10 уч. корпуса ТПУ на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций ДС 212.025.01 при Томском политехническом университете.

С диссертацией можно ознакомиться в Научно-технической библиотеке Томского политехнического университета.

Автореферат разослан «25» июня 2008 г.

Ученый секретарь совета ДС 212.025.01

кандидат физико-математических

наук, доцент О.Ю. Долматов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Несмотря на большую профилактическую работу, направленную на повышение пожарной безопасности промышленных предприятий, жилых зданий и сооружений, ежедневно в мире происходят сотни небольших и десятки крупных пожаров. В большинстве случаев наибольшую пожароопасность представляют возгорания жидких нефтепродуктов. Проблема безопасного хранения и использования пожароопасных жидкостей является особо острой для теплоэнергетики, химической, нефтехимической и ряда других отраслей промышленности. Нередко из–за разгерметизации аппаратов, трубопроводов, резервуаров с горючими жидкостями происходят аварии технологического оборудования. Образующиеся при этом неконтролируемые объёмы жидких нефтепродуктов испаряются, пары горючего перемешиваются с газами окислителя в окружающем воздухе. При наличии источника зажигания различной физической природы химические реакции окисления паров горючего в окружающем воздухе ускоряются, следствием этого может стать пожар или взрыв.

К числу таких источников зажигания относятся одиночные нагретые до высоких температур частицы, образующиеся в ходе технологических процессов на производстве и неконтролируемых техногенных и природных процессов (например, пожары и взрывы). На первый взгляд эти частицы не представляют серьёзной пожароопасности. Однако на практике источниками локальных очагов пожаров очень часто выступают «искры» от костров, частицы металла, образующиеся при резке, сварке, шлифовании металлов, заточке инструментов и других технологических процессах.



В связи с этим возникает необходимость исследования закономерностей процессов взаимодействия жидких горючих веществ с нагретыми до высоких температур частицами малых размеров. Экспериментальное изучение этих процессов крайне сложно и достаточно трудно реализуемо на практике.

По этим причинам теоретическое исследование основных закономерностей процессов тепло – и массопереноса при зажигании пожароопасных жидкостей одиночной нагретой до высоких температур частицей является актуальной, не решенной до настоящего времени, задачей.

Цель диссертационной работы.

Численное исследование закономерностей процессов тепло – и массопереноса при газофазном зажигании жидких горючих веществ одиночной нагретой до высоких температур частицей малых размеров в рамках математической модели, учитывающей двумерный теплоперенос, испарение жидкости, диффузию и конвекцию паров горючего в среде окислителя, кристаллизацию источника зажигания, кинетику процессов испарения и воспламенения жидкостей.

При теоретическом анализе процессов тепло – и массопереноса при зажигании жидкостей одиночными частицами задачи исследования состояли в определении численных значений времён задержки воспламенения, влияния на них начальной температуры, размеров и теплофизических характеристик источника зажигания, теплофизических и термохимических характеристик воспламеняемой жидкости, кристаллизации источника зажигания, паровой прослойки между частицей и поверхностью жидкости, частичного погружения источника зажигания в жидкость, в установлении механизма зажигания паров жидкого топлива одиночной разогретой частицей при отсутствии непосредственного контакта между частицей и жидким топливом.

Научная новизна работы.

Впервые поставлена и решена задача газофазного зажигания жидкого горючего вещества одиночной нагретой до высоких температур частицей малых размеров в рамках двумерной модели, учитывающей теплоперенос, диффузию, конвекцию, испарение, кинетику процессов испарения и воспламенения. Задача не имеет аналогов по постановке, методу решения и полученным результатам.

В работе выполнено численное моделирование процессов тепло – и массопереноса при воспламенении широко распространенных жидких топлив (бензин, керосин, дизельное топливо) горячими углеродистыми и металлическими (сталь, алюминий) частицами. Теоретический анализ установил влияние ряда факторов на процесс воспламенения жидкого горючего вещества, таких как размеры, начальная температура и теплофизические характеристики частицы, теплофизические и термохимические характеристики жидкого вещества, процесс кристаллизации источника зажигания, наличие паровой прослойки между частицей и жидкостью, положение частицы (частичное погружение в жидкость, нахождение на поверхности жидкости).

Практическая значимость работы.

Созданные математические модели и методы численного решения задач зажигания могут быть использованы для оценки пожарной опасности процессов взаимодействия типичных жидких топлив с одиночными горячими частицами различной физической природы. Полученные результаты исследований создают объективные предпосылки для прогнозирования возникновения и объяснения механизмов локальных очагов пожаров на практике. Представленные в работе численные значения характеристик зажигания служат дополнительной основной для построения и апробации моделей воспламенения жидких конденсированных веществ.

Достоверность полученных результатов.

Достоверность полученных результатов и выводов подтверждается результатами тестирования выбранных методов и разработанного алгоритма на решении менее сложных задач тепломассообмена и гидродинамики, а также проверкой консервативности разностной схемы.

Защищаемые положения.

  1. Постановка задачи, численные результаты исследования основных закономерностей процесса газофазного зажигания жидкого горючего вещества одиночной нагретой до высоких температур частицей малых размеров в рамках модели, учитывающей двумерный теплоперенос, кристаллизацию частицы, диффузию, конвекцию, испарение, кинетику процессов испарения и воспламенения жидкостей.
  2. Результаты численного исследования влияния ряда факторов (начальная температура, размеры, теплофизические характеристики материала частицы, теплофизические и термохимические характеристики жидкого вещества, кристаллизация частицы, формирование парового зазора между частицей и жидкостью, частичное погружение частицы в жидкость) на основные закономерности процессов тепло – и массопереноса при зажигании жидких топлив одиночными частицами.
  3. Результаты численного моделирования процесса зажигания интенсивно испаряющегося жидкого топлива одиночной частицей при отсутствии непосредственного контакта между ними.
  4. Результаты численного моделирования процесса зажигания смеси окислителя с парами жидкого топлива, поступающими в окружающий воздух, с поверхности участка ткани, содержащей фиксированную объёмную долю компонентов жидкости.

Личный вклад автора.

Состоит в постановке задачи газофазного зажигания жидкого горючего вещества одиночной нагретой до высоких температур частицей, выборе методов и разработке алгоритма её решения, проведения теоретических исследований влияния различных факторов на характеристики процессов зажигания горючих жидкостей, обработке и анализе полученных результатов, формулировке основных выводов диссертационной работы.

Апробация работы.

Основные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на конференции молодых ученых в рамках IX международной конференции «Средства и системы автоматизации» (Томск, 2007), на XIII Всероссийской научно–технической конференции «Энергетика: экология, надёжность, безопасность» (Томск, 2007), на международной научно–технической конференции «Современные техника и технологии – 2008» (Томск, 2008), на V международной конференции студентов и молодых ученых «Перспективы развития фундаментальных наук» (Томск, 2008).

Публикации.

Основные результаты диссертации представлены в 9 работах, список которых приведен в конце автореферата.

Структура и объём работы.

Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы, включающего 92 наименования, содержит 38 рисунков, 36 таблиц, 165 страниц.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулирована цель и основные решаемые задачи, отражена практическая значимость и новизна полученных численных результатов, представлены защищаемые автором положения.

Первая глава отражает современное состояние теоретического и экспериментального исследования процессов зажигания пожароопасных жидкостей. В ней рассмотрены результаты немногочисленных работ по зажиганию и горению капель жидких топлив, газовых смесей, диффузионному горению жидкостей, которые отражают основные положения теории воспламенения и горения жидкостей и разъясняют отдельные механизмы этих процессов. Установлено отсутствие результатов теоретического и экспериментального исследования процессов тепло – и массопереноса при зажигании жидких горючих веществ одиночными горячими частицами малых размеров.

Во второй главе представлена постановка задачи о зажигании пожароопасной жидкости одиночной нагретой до высоких температур частицей. Приведено описание используемых численных методов и алгоритма решения задачи. Для оценки достоверности получаемых результатов при решении системы дифференциальных уравнений, описывающих исследуемый процесс, приведен алгоритм проверки консервативности разностной схемы.

Рассматривалась следующая последовательность стадий исследуемого процесса. Частица, нагретая до температуры, существенно превышающей температуру жидкого горючего вещества, выпадает на его поверхность (рис. 1, а).

а б

Рис. 1. Схема области решения задачи в начальный момент времени (t=0) (a) и при 0<t<tз (б): 1) воздух, 2) частица, 3) жидкое горючее вещество, 4) слой паров горючего, 5) парогазовая смесь

За счет тепла, передаваемого от частицы в жидкость, последняя нагревается и происходит её испарение. Между частицей и жидкостью образуется паровая прослойка (рис. 1, б), характерные размеры которой зависят от теплофизических характеристик, размеров и начальной температуры источника зажигания. В зависимости от материала частицы она может погружаться частично (рис. 1, б) или полностью в жидкое вещество, либо удерживаться на его поверхности. В результате интенсивного испарения жидкости пары горючего удаляются от её поверхности, диффундируют в воздух, окружающий частицу, и перемешиваются с ним. При достижении значений концентрации горючего в воздухе и температуры парогазовой смеси, достаточных для её зажигания, происходит воспламенение.





Рассматривалась осесимметричная задача (рис. 1), которая решена в безразмерном виде в декартовой системе координат. В качестве источника воспламенения приняты одиночные частицы различной физической природы в форме параллелепипеда малых размеров (Hч=(0,54)10–3 м, Lч=(0,52)10–3 м). В жидком веществе и воздухе выделены области, существенно превышающие размеры частицы (L=2010–3 м, H=1010–3 м).

Численный анализ исследуемого процесса выполнен при следующих допущениях:

1. В результате испарения горючего образуется одно вещество с известными характеристиками.

2. Теплофизические характеристики материала частицы и жидкости не зависят от температуры.

3. Не учитываются возможные процессы выгорания горючей жидкости и кристаллизации источника зажигания.

Факторы, обозначенные в выше перечисленных допущениях, отдельно исследованы, в результате чего сделан вывод о правомерности принятых допущений.

В качестве условий воспламенения для рассматриваемой газофазной модели приняты:

1. Тепло, выделяемое в результате химической реакции паров горючего с окислителем, больше тепла, передаваемого от частицы жидкому горючему веществу.

2. Температура смеси паров горючего и окислителя превышает начальную температуру частицы.

Система нестационарных дифференциальных уравнений, соответствующая сформулированной физической постановке задачи, имеет следующий вид:

, ; , ; , ; ,

, (1)

, (2)

, (3)

; (4)

,

; (5)

, ; ,

. (6)

Здесь T – температура; T0 – начальная температура воздуха и жидкости; Tч – начальная температура частицы; T – разность температур (T=Tч–T0); Сг – концентрация паров жидкого горючего вещества (0<Сг<1); – безразмерная температура; – безразмерный аналог вектора вихря; – безразмерный аналог функции тока; X и Y – безразмерные составляющие координат декартовой системы координат, соответствующие x и y; U и V – безразмерные составляющие скорости паров горючего в проекции на ось x и y соответственно; C – удельная теплоёмкость; Qо – тепловой эффект реакции окисления паров горючего; Wо – массовая скорость окисления паров горючего; V0 – масштаб скорости конвекции паров горючего вблизи поверхности жидкости; t0 – масштаб времени; tз – время задержки воспламенения; – безразмерное время; Sh, Re, Gr, Pr, Sc, Fo – число Струхаля, Рейнольдса, Грасгофа, Прандтля, Шмидта, Фурье соответственно; индексы «1», «2», «3», «4», «5» соответствуют воздуху, частице, горючей жидкости, парам горючего вещества, смеси паров жидкого топлива с воздухом (рис. 1).

Уравнения (1)–(4) описывают процессы тепло – и массопереноса в газовой фазе. Уравнения (5), (6) описывают теплоперенос в частице и жидкости соответственно.

Начальные условия (рис. 1, а) (=0):

, ; (7)

, ; (8)

, ;

, , , , . (9)

Граничные условия (рис. 1, б) ():

на границах «частица – пары горючего» (,; , ), «частица – парогазовая смесь» (, ; , ) граничные условия IV рода для уравнения энергии и уравнений теплопроводности, условие равенства нулю градиента соответствующих функций – для уравнения диффузии, движения, Пуассона; на границах «жидкость – пары горючего» (, ; , ), «парогазовая смесь – жидкость» (, ) для уравнения энергии заданы граничные условия IV рода с учетом испарения жидкости, для уравнений диффузии, движения, Пуассона заданы граничные условия второго рода; на оси симметрии и границах (, , ; , ; , ) для всех уравнений задано условие равенства нулю градиента соответствующих функций.

Для решения системы уравнений (1)–(6) использован метод конечных разностей. Разностные аналоги дифференциальных уравнений решены локально одномерным методом. Система одномерных разностных уравнений решена методом прогонки с использованием неявной четырехточечной разностной схемы. Для решения нелинейных одномерных уравнений применен метод итераций.

Из–за отсутствия экспериментальных данных оценка достоверности полученных в ходе вычислений результатов проводилась проверкой консервативности разностной схемы. На каждом шаге по времени вычислялась точность выполнения закона сохранения энергии в выделенной области решения. При численном моделировании исследуемых процессов установлены зависимости точности вычислений от шага по времени t и координатам hx=hy. Установлено, что погрешность вычислений уменьшается с увеличением числа узлов пространственной сетки и уменьшением t. Численный анализ показал, что точность вычислений в большей степени определяется выбором шага по времени и в меньшей степени от шагов по координатам.



Pages:   || 2 |
 

Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.