Прогнозирование зажигания жидкого топлива под воздействием потоков светового излучения

Воздействие различных видов излучения на вещества всегда привлекало внимание исследователей. Яркое солнечное излучение нередко приводит к появлению локальных очагов пожаров. Прогнозирование и исследование процессов нагрева, а также возгорания особенно актуальны. В период высоких температур и малых осадков возникают многочисленные пожары в лесах и на торфяниках. Основная цель – спрогнозировать возможные возгорания и проследить, с какой скоростью они могут распространяться. Особенную опасность представляют тонкие плёнки горючих жидкостей, на прогрев и испарение которых расходуется небольшая доля энергии источника тепла. Также данные исследования полезны для развития промышленного производства, которое требует разработки и внедрения новых, более эффективных видов топлив и безопасных способов хранения, транспортировки и применения пожароопасных жидкостей, что стимулирует исследования механизма физико-химических процессов, протекающих при зажигании и горении.

Экспериментальное исследование таких процессов требует использования высокоточной измерительной техники, больших затрат ресурсов и времени. В ряде случаев такие исследования вообще невозможны вследствие малых значений размеров зон воспламенения и времён задержки зажигания.

По этим причинам теоретическое исследование физико-химических процессов в жидких конденсированных веществах при воздействии концентрированных потоков светового излучения является актуальной, не решенной до настоящего времени задачей.

Рассмотрена математическая модель изменения фазового состояния и физико-химических превращений в системе «концентрированный поток светового излучения – жидкость – воздух» (Рис.1), которая подробно рассмотрена в работе [1].

Рис. 1. Схема области решения задачи: 1 – смесь паров жидкого топлива с воздухом; 2 – жидкость

Предполагается, что на поверхность жидкого конденсированного вещества непрерывно воздействует концентрированный поток светового излучения, имеющий радиус зоны действия r₁. За счёт подводимой энергии поверхностные слои жидкости прогреваются. Начинается процесс испарения. Пары горючего диффундируют от поверхности жидкости в воздух и начинают с ним взаимодействовать. При этом увеличивается доля энергии, поглощаемой в газовой фазе при прохождении потока светового излучения. Вследствие этого формирующаяся парогазовая смесь разогревается, а интенсивность испарения горючей жидкости снижается. При достижении пороговых значений концентрации паров горючего в воздухе и температуры парогазовой смеси происходит зажигание. Интервал времени с момента начала воздействия потока светового излучения на жидкость до её воспламенения считается временем задержки зажигания t_d.

Рассмотрена осесимметричная задача, которая решена в цилиндрических координатах.

В качестве воспламеняемых жидких веществ рассмотрены типичные пожароопасные жидкости: керосин и бензин.

Условиями воспламенения для рассматриваемой газофазной модели являлись следующие:

1) тепло, выделяемое в результате химической реакции паров горючего с окислителем, больше тепла, передаваемого от источника зажигания жидкому веществу;

2) температура смеси паров горючего с окислителем превышает температуру воспламенения горючей жидкости.

Для решения системы дифференциальных уравнений с соответствующими начальными и граничными условиями использовался метод конечных разностей (МКР).

Проводилось численное решение следующих уравнений:

• Уравнения энергии (для газовой фазы)

• Уравнения теплопроводности (для жидкой фазы)

• Уравнение диффузии

• Уравнение Пуассона

• Уравнение завихрённости

Рассмотренные уравнения в безразмерном виде решаются по одной и той же схеме. При использовании локально-одномерного метода и аппроксимации Самарского выполнялся переход к разностной форме дифференциального уравнения. Затем разностные уравнения сводились к трехдиагональному виду и решались методом прогонки. [2,3] Причем каждое из уравнений рассчитывалось в двух областях: в зоне и вне зоны действия излучения.

Численное решение проводилось c помощью среды разработки MicrosoftVisual C++, а графическое представление результатов с использованием пакета прикладных математических программ Scilab.

С помощью программной реализации построены контурные графики исследуемых величин, таким образом можно отследить как развивается процесс в визуальном представлении, что более наглядно. На Рис.2 представлены графики состояния массовой доли паров горючего вещества в парогазовой смеси в момент зажигания. Наибольших значений данная величина достигает в зоне действия излучения, что объясняется активным испарением горючего в этой области.

Рис. 2 Состояние массовой доли паров горючего вещества в парогазовой смеси в момент зажигания при радиусе зоны действия излучения r₁=0,1м и мощности потока p=100Вт

Также для исследования свойств рассматриваемого процесса были определены зависимости времён задержки зажигания горючей жидкости от радиуса зоны действия излучения r₁, мощности концентрированного потока светового излучения p иначальной температуры жидкого топлива .

Рис.3 иллюстрирует, что время задержки зажигания жидкого топлива сильно меняется при уменьшении радиуса зоны действия потока светового излучения в выбранном диапазоне. Это можно объяснить тем, что при меньшем радиусе зоны действияr₁ большая часть тепла подводится к небольшой площадке на поверхности жидкости. Благодаря этому происходит ускорение процесса испарения, возрастает концентрация паров горючего над поверхностью жидкого конденсированного вещества. Чем меньше r₁, тем быстрее температура парогазовой смеси и концентрации её компонентов достигают критических значений.

Рис.3 Зависимость безразмерного времени зажигания τ_d от радиуса зоны действия направленного светового излучения r₁.

При уменьшении мощности концентрированного потока излучения от 200Вт до 40Вт время задержки зажигания увеличилось на 12,8%.

Это объясняется тем, что уменьшается количество тепла, которое подводится к воспламеняемой жидкости от источника зажигания. Так как плотность энергии концентрированного потока светового излучения максимальна на оси симметрии, на этом участке с понижением мощности значительно уменьшается доля теплоты, расходуемой на прогрев и испарение жидкости.

При варьировании начальной температуры жидкого топлива в пределах от 311К до 259К время задержки зажигания увеличивается на 14 %. Это свидетельствует о довольно значительном воздействии изменения начальной температуры жидкого конденсированного вещества на исследуемый процесс, поскольку от этого параметра рассматриваемой системы зависит скорость испарения горючего.

Полученные результаты позволяют сделать вывод о том, что оптимальные условия зажигания реализуются при минимальных значениях радиуса и максимально возможных плотностях потока излучения.

Результаты численного моделирования изменения фазового состояния и физико-химических превращений в системе «концентрированный поток светового излучения – жидкость – воздух» показывают возможность реализации процесса в достаточно широком диапазоне внешних условий и внутренних параметров системы, что подтверждает высокую потенциальную опасность возникновения пожаров при воздействии потока светового излучения на жидкое конденсированное вещество.

Литература:

1. Высокоморная, О.В. Численное решение плоской задачи зажигания жидкого конденсированного вещества потоком излучения / О.В. Высокоморная, Г.В. Кузнецов, П.А. Стрижак; НИ ТПУ. – Томск, 2010. – 18 с. – Деп. в ВИНИТИ 14.07.2010, № 439.

2. Патанкар С.В. Численное решение задач теплопроводности и конвективного теплообмена при течении в каналах. Москва: Изд-во МЭИ, 2003.

3. Самарский, А.А. Теория разностных схем / А.А. Самарский. – М.: Наука, 1983.– 616с.

4. Варшавский, Г.А. Горение капли жидкого топлива / Г.А. Варшавский. – В кн.: Теория горения порохов и взрывчатых веществ. – М.: Наука, 1982. – С. 87–107.