научная статья по теме ЗАЖИГАНИЕ ПОЛИМЕРНОГО МАТЕРИАЛА ОДИНОЧНЫМИ ГОРЯЧИМИ МЕТАЛЛИЧЕСКИМИ И НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИМИ ЧАСТИЦАМИ ПРИ ДИФФУЗИОННО-КОНВЕКТИВНОМ ТЕПЛОМАССОПЕРЕНОСЕ В СРЕДЕ ОКИСЛИТЕЛЯ Химия

Текст научной статьи на тему «ЗАЖИГАНИЕ ПОЛИМЕРНОГО МАТЕРИАЛА ОДИНОЧНЫМИ ГОРЯЧИМИ МЕТАЛЛИЧЕСКИМИ И НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИМИ ЧАСТИЦАМИ ПРИ ДИФФУЗИОННО-КОНВЕКТИВНОМ ТЕПЛОМАССОПЕРЕНОСЕ В СРЕДЕ ОКИСЛИТЕЛЯ»

ХИМИЧЕСКАЯ ФИЗИКА, 2014, том 33, № 9, с. 26-33

ГОРЕНИЕ, ВЗРЫВ И УДАРНЫЕ ВОЛНЫ

УДК 536.468

ЗАЖИГАНИЕ ПОЛИМЕРНОГО МАТЕРИАЛА ОДИНОЧНЫМИ ГОРЯЧИМИ МЕТАЛЛИЧЕСКИМИ И НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИМИ ЧАСТИЦАМИ ПРИ ДИФФУЗИОННО-КОНВЕКТИВНОМ ТЕПЛОМАССОПЕРЕНОСЕ В СРЕДЕ ОКИСЛИТЕЛЯ © 2014 г. Д. О. Глушков*, Г. В. Кузнецов, П. А. Стрижак

Национальный исследовательский Томский политехнический университет *Е-таП: dmitriyog@tpu.ru Поступила в редакцию 03.05.2013

Разработана математическая модель газофазного зажигания типичного полимерного материала одиночной горячей частицей, имеющей форму параллелепипеда, учитывающая сопряженные физико-химические процессы (кондуктивный теплоперенос и термическую деструкцию в конденсированной фазе, диффузионно-конвективный тепломассоперенос и окисление в газовой фазе). В результате численных исследований определены зависимости основной интегральной характеристики процесса — времени задержки зажигания полимера от начальной температуры источника ограниченной энергоемкости. Установлены режимы зажигания, характеризующиеся изменением положения зоны локализации ведущей реакции окисления в газовой фазе.

Ключевые слова: зажигание, диффузионно-конвективный тепломассоперенос, полимерный материал, локальный источник энергии, моделирование.

Б01: 10.7868/80207401X14090052

ВВЕДЕНИЕ

К настоящему времени разработаны математические модели, достаточно хорошо описывающие процессы тепломассопереноса и химического реагирования при локальном нагреве жидких (бензин, керосин, мазут, дизельное топливо) [1— 6] и твердых (нитроклетчатка, баллиститные и смесевые топлива) [7—11] высокоэнергетических веществ, используемых в специальных и энергетических установках, а также широко распространенных в природе лесных горючих материалов (древесина, опад лиственных и хвойных пород деревьев) [12—14]. Процессы экзотермического реагирования при локальном нагреве характерны и для материалов, не предназначенных для горения и используемых в качестве объектов исследований [1—14] (например, полимеры).

Снижение горючести, предотвращение возгораний и последующего интенсивного горения полимерных материалов (ПМ) были предметом исследований в работах [15—17]. Как правило [18], в качестве источников возникновения пожаров выступают одиночные разогретые до высоких температур частицы различного физического происхождения. Численно и экспериментально установлено [1—14, 19, 20], что металлические и неметаллические горячие частицы способны

инициировать возгорание конденсированных веществ. Поэтому целесообразны более детальные представления о закономерностях физико-химических процессов в течение индукционного периода при локальном нагреве широко распространенных ПМ источниками ограниченного теплосодержания.

Цель данной работы — численное моделирование процесса зажигания полимерного материала одиночными нагретыми до высоких температур металлическими и неметаллическими частицами в рамках модели, учитывающей химическое реагирование и диффузионно-конвективный массо-перенос газообразных продуктов пиролиза в среде окислителя.

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

Рассматривалась система "частица-полимерный материал—воздух" (рис. 1). В качестве локальных источников энергии приняты одиночные, нагретые до высоких температур металлические (сталь, алюминий) и неметаллические (керамика, углерод) частицы, имеющие форму параллелепипеда, с характерными размерами Хр и Ур. Предполагалось, что источник ограниченного теплосодержания в начальный момент времени

(т = 0) находится на поверхности типичного полимерного материала — полиметилметакрилата (ПММА). В результате прогрева приповерхностного слоя ПМ (0 < т < т^) за счет тепла, аккумулированного горячей частицей, ускоряются процессы термического разложения горючего материала. Путем диффузионно-конвективного массопере-носа газообразные продукты пиролиза перемешиваются с окислителем — воздухом. Прогрев газовой смеси происходит при ее движении вдоль боковых граней (рис. 1) источника энергии (X = Хъ У1< У < У2). При достижении достаточных для воспламенения значений концентраций горючих компонентов и температуры газовой смеси происходит зажигание.

При учете специфики локального неодномерного подвода энергии к конденсированному веществу приняты соответствующие классическим [21] следующие критерии зажигания:

1) энергия, выделяемая в результате химической реакции окисления горючего, больше теплоты, расходуемой разогретой частицей на прогрев полимера и формирующейся газовой смеси;

2) температура смеси воздуха и газообразных продуктов пиролиза ПМ в зоне реакции окисления превышает начальную температуру источника энергии.

Численное исследование процесса зажигания выполнено при допущениях, не накладывающих существенных ограничений на общность постановки задачи:

1. Не учитывается возможное выгорание ПМ. Оценка масштабности этого процесса проведена авторами работ [4, 8]. Установлено, что при локальном нагреве в течение достаточно малых времен (менее 0.5 с) процесс выгорания приповерхностного слоя вещества несущественно влияет на интегральные характеристики зажигания.

2. В результате термического разложения ПМ образуется одно вещество с известными кинетическими и теплофизическими характеристиками. Предполагается реализация одной "эффективной" реакции, в которой участвует одно способное к химическому реагированию вещество.

3. Константы (предэкспоненциальный множитель и энергия активации) реакций термического разложения ПМ и окисления газовой смеси постоянны (не зависят от температуры).

МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ И МЕТОД РЕШЕНИЯ

Сопряженная задача, описывающая взаимосвязанные процессы теплопереноса и термического разложения в конденсированной фазе, а также тепломассопереноса и окисления в газовой фазе, представлена системой нелинейных, нестационарных дифференциальных уравнений в без-

Рис. 1. Схема области решения задачи зажигания при 0 < т < т^: 1 — газовая смесь, 2 — горячая частица, 3 — полимерный материал.

размерных переменных, соответствующих основным положениям общей теории тепломассопере-носа в химической кинетике [22] и смешанной конвекции [23, 24].

Для газовой смеси (Х1 < X < Х£, У1 < У < У2; 0 < X < Х£,У2 < У < У£) уравнение неразрывности —

д 2х¥ . д 2х¥ _ 0.

2 + 2 ^ ; дХ2 дУ2

уравнение движения —

А. + и + V — = -1-БИ 5т дХ дУ Яе

уравнение энергии —

д 2д | д 2о

дХ2 дУ2

1 д©1 + и + V д®1

БИ дт 1

дХ

{д 201 +д2®1Л дХ2 дУ2

ЯеРг

уравнение диффузии — 1 дс,_ + и дС дХ

дУ + Бг1.

(1)

+ (2) дХ

(3)

БИ дт 1

I + и^И + =

,дс£

дУ

Яе Бс

дХ2 дУ2

V

- БГ2.

/

уравнение баланса —

Сг + С0 = 1.

(4)

(5)

Уравнение теплопроводности для горячей частицы (0 < X < Xi, Yi < Y < Y2) -

д&2 _д!®2 + д2е2

F02 дт дх2 dY2

(6)

Уравнение энергии для ПМ (0 < X < XL, 0 < Y<

< Yx) -

1 d©3 d 2©3 д2©3

Fo, дт dX2

dY2

- Sr3.

(7)

Числа подобия и безразмерные комплексы [24] -

Sh =

V t

Re =

VmX,

XL

Fo = Мж

Pr = VPC,

X

Sc = V, D

pCxL'

Sri =

Sr3 =

QiWiXL PiCiATVm

Q3W3 xL A TX 3 '

Sr2 =

XlWi, P fVm

Граничные условия (0 < т < та) следующие: на границе "полимерный материал—газовая смесь" (У = У1, Х1 < Х< Хх) принимались граничные условия ГУ-го рода для уравнений энергии с учетом термического разложения ПМ, для уравнения неразрывности, движения и диффузии задавались граничные условия ГГ-го рода с учетом вдува газообразных продуктов пиролиза; на всех гранях частицы задавались граничные условия ГУ-го рода для уравнений энергии и теплопроводности; на границах (X = 0, X = Хь, 0 < У< Ух; У = 0, У = Уь, 0 < < Х< Хх) для всех уравнений принималось условие равенства нулю градиентов соответствующих функций.

При переходе к безразмерным переменным использованы следующие соотношения [23, 24]:

т = —, X = —, У = У, и = —, V =

Хт ут

© =

Xl T - T0

yL

Здесь приняты следующие обозначения: т — безразмерное время; та — безразмерное время задержки зажигания; X, У — безразмерные координаты декартовой системы; Хх, Ух — характерные размеры области решения; Хр, Ур — размеры источника нагрева (Хр = Х1, Ур = У2 — У1); Т — безразмерный аналог функции тока; ^ — безразмерный аналог вектора вихря скорости; и, V — безразмерные составляющие скорости воздуха в проекции на оси Х, У; © — безразмерная температура; С — безразмерная концентрация горючего в газовой смеси; С0 — безразмерная концентрация окислителя в газовой смеси; Б — коэффициент диффузии, м2/с; — число Струхаля; Яе — число Рейнольдса; Рг — число Прандтля; 8е — число Шмидта; Fo — число Фурье; X — теплопроводность, Вт/(м • К); р — плотность, кг/м3; С — удельная теплоемкость, Дж/(кг • К); V — коэффициент кинематической вязкости, м2/с; в — коэффициент термического расширения, К-1; g — ускорение свободного падения, м/с2; — тепловой эффект реакции окисления газовой смеси, Дж/кг; Ж1 — массовая скорость реакции окисления газовой смеси, кг/(м3 • с); О, — тепловой эффект реакции термического разложения ПМ, Дж/кг; Ж3 — массовая скорость реакции термического разложения ПМ, кг/(м3 • с); индексы "1", "2" и "3" соответствуют смеси воздуха с газообразными продуктами пиролиза вещества, горячей частице и полимерному материалу.

Начальные условия (т = 0) следующие: © = ©0 при 0 < Х< Хь, 0 < У< У1; © = ©р при 0 < Х< Х1, У1 < < У< У2; © = ©0, С\ = 0, Т = 0, ^ = 0 при Х1 < Х< Хх, У1 < У< У2; 0 < Х< Хх, У2 < У< Ух.

AT ¥в|

,i/2

Q = ^,

Vn = (gPATXL Г, V m = VmXL,

Ю„

®m

V

' m

Xl

AT = Tm - T0.

где t — время, с; tm — масштаб времени (tm = 1 с) x, y — координаты декартовой системы, м xL, yL — размеры области решения (xL=yL = 0.01 м) u, v — составляющие скорости газовой смеси в проекции на оси x, y, м/с; Vm — масштаб скорости конвекции, м/с; T — температура, К; T0 — начальная температура воздуха и ПМ, К; Tm — масштаб температуры (Tm = 1000 К); у — функция тока, м2/с; ym — масштаб функции тока, м2/с; ю — вихрь скорости, с—1; wm — масштаб вихря скорости, с—1.

Функция тока у и вектор вихря скорости ю заданы следующим образом:

ду dy dv du u , v =---, Ю = rot yV =---'

dy 3x dX dy

Массовая скорость окисления газовой смеси вычислялась по выражению [22]

Wi = pikCC exp [- RT

,0 „ _1 где ki — предэкспоненциальный множител

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком