Численное исследование зажигания слоя лесного горючего материала сфокусированным потоком солнечного излучения

Полная исследовательская публикация _____________________________________ Барановский Н.В.

Размещено на http://www.allbest.ru/

60 _____________ http://butlerov.com/ _______________ ©--Butlerov Communications. 2011. Vol.26. No.11. P.53-60.

Тематический раздел: Компьютерное моделирование. Полная исследовательская публикация

Подраздел: Физико-химия высоких температур. Регистрационный код публикации: 11-26-11-53

г. Казань. Республика Татарстан. Россия. __________ ©--Бутлеровские сообщения. 2011. Т.26. №11. ________ 53

Численное исследование зажигания слоя лесного горючего материала сфокусированным потоком солнечного излучения

Барановский Николай Викторович

Кафедра теоретической и промышленной теплотехники. Национальный исследовательский Томский политехнический университет

Теоретически установлены условия зажигания слоя лесного горючего материала сфокусированным потоком солнечного излучения. Сценарий моделирования соответствует возникновению очага лесного пожара в результате воздействия на слой лесного горючего материала (ЛГМ) сфокусированного потока солнечного излучения. Рассмотрена плоская постановка задачи в декартовой системе координат. Проведены сценарные расчеты при разных интенсивностях излучения.

Возникновение очага пожара может происходить по природным и антропогенным причинам [1]. Так, например, согласно исследованиям [2] в сильно задымленном (следовательно, наэлектрилизованном [3]) воздухе происходят самовозгорания растительности от электрических разрядов между землей и концами ветвей хвойных деревьев, а также между землей и острием травостоя. Катастрофические погодные условия (например, высокие температуры) могут приводить к образованию горючих терпено-воздушных смесей [4, 5], которые при определенных условиях могут воспламеняться [6].

Еще одним распространенным фактором природного происхождения являются грозовые разряды класса облако-земля [7, 8]. Среди антропогенных причин наиболее часто в статистике фиксируются небрежное обращение с огнем, автомобильные и железные дороги [9].

Однако существуют неочевидные причины возгораний ЛГМ, которые занимают промежуточное положение между природными и антропогенными факторами. Речь идет о воспла-менении ЛГМ в результате действия сфокусированного потока солнечного излучения [10]. В качестве концентратора энергии могут выступать стеклянные емкости и их осколки [11], крупные капли смолы хвойных деревьев.

Представляет интерес моделирование процессов воспламенения в таких условиях, когда осуществляется передача тепла и диффузия по второй координате.

Цель исследования - численное моделирование условий зажигания слоя ЛГМ в результате воздействия сфокусированного потока солнечного излучения. зажигание лесной горючий солнечный

Экспериментальная часть. Основные допущения: Рассматривается сценарий катастрофической пожарной опасности, когда влага в ЛГМ отсутствует. События 2010 года показали, что разработка таких моделей имеет высокий уровень актуальности. Исследование проведено на основе осесимметричной постановки.

При моделировании процессов прогрева и термического разложения ЛГМ предполагалось, что в нем не происходят возможные процессы усадки или вспучивания [12], а также какие-либо термо-механические процессы [13], сопровождающиеся диспергированием. Для типичных ЛГМ (например, хвои) характерны очень высокие значения начальной (исходной) пористости, что практически исключает возможность деформации слоя прогретого и разлагающегося материала (вспучивание или усадку). Такие процессы характерны, например, для разлагающихся при нагреве до высоких температур теплозащитных материалов [12, 13].

При постановке задачи также предполагалось, что перенос горючего (газообразных продуктов пиролиза) в слое воздуха над поверхностью ЛГМ осуществляется только за счет диффузии. В отличие от условий зажигания горючих жидкостей локальными источниками [14, 15], когда определяющей является конвекция, и для решения задач тепломассопереноса в газовой смеси над поверхностью нагрева и испарения горючего необходимо учитывать процессы естественной или смешанной конвекции [16, 17], интенсивность вдува горючих продуктов пиролиза ЛГМ в зону реакции в 100 и более раз меньше массовых расходов паров горючих жидкостей при их воспламенении [14, 15].

Принята следующая схема процесса. На подстилающей поверхности расположен слой ЛГМ, на малом участке которого фокусируется поток солнечного излучения. Процессы, происходящие в фокусирующем элементе, не моделируются, так как не опубликовано ни теоретических, ни экспериментальных результатов исследования прохождения солнечного излучения через стеклянные объекты и смолистые образования в реальной геометрии. Слой ЛГМ нагревается и термически разлагается с образованием газообразных и твердых продуктов пиролиза.

Состав газовой смеси в области над ЛГМ принимается трехкомпонентным (горючее - моно-оксид углерода, окислитель - кислород, инертные компоненты). Газообразные продукты пиролиза диффундируют в область газовой смеси. При определенных температуре и концентрациях реагирующих газов происходит зажигание смеси. Приняты следующие критерии зажигания:

Ш теплоприход от химической реакции превышает тепловой поток от нагретой поверхности в область газовой смеси;

Ш температура в газовой смеси достигает критического значения.

На рис. 1 представлена геометрия области решения. Символами Г обозначены границы области решения и различных слоев.

Рис. 1. Геометрия области решения

Процесс воспламенения слоя ЛГМ сфокусированным потоком солнечного излучения описывается системой двумерных нестационарных нелинейных уравнений теплопроводности и диффузии (1)-(2), (6), (9) с соответствующими начальными и граничными условиями.

Численная реализация проведена с использованием локально-одномерного конечно-разностного метода [18]. Разностные аналоги одномерных уравнений теплопроводности и диффузии решены методом прогонки в сочетании с методом простой итерации [19]. Алгоритм программы был протестирован на различных задачах теплопроводности.

Уравнение энергии для слоя ЛГМ:

, (1)

Уравнение энергии для газовой смеси:

, (2)

Граничные условия для уравнений (1)-(2):

Г0 , (3.1)

Г1 , , (3.2)

Г2 , (3.3)

Г3.1 , (3.4)

Г3.2 , (3.5)

Г4.1 , (3.6)

Г4.2 , (3.7)

Начальные условия для уравнений (1)-(2):

, I = 1, 2 (4)

Кинетическое уравнение и начальное условие:

, , (5)

Уравнение диффузии для окислителя:

, (6)

Граничные условия для уравнения (6):

Г1 , (7.1)

Г2 , (7.2)

Г4.1 , (7.3)

Г4.2 , (7.4)

Начальные условия для уравнения (6):

, (8)

Уравнение диффузии для горючих компонент пиролиза:

, (9)

Граничные условия для уравнения (9):

Г1 , (10.1)

Г2 , (10.2)

Г4.1 , (10.3)

Г4.2 , (10.4)

Начальные условия для уравнения (9):

(11)

Уравнение баланса массы:

, (12)

Начальные условия для уравнения (12):

, (13)

Выражение для массовой скорости реакции R5 [20]:

, (14)

, (15)

где Ti,i, ci, i - температура, плотность, теплоемкость, теплопроводность (1 - слоя ЛГМ,

2 - воздуха); Сi, Mi - концентрация и молярная масса (4 - окислителя, 5 - горючего газа,

6 - инертных компонентов воздуха); qp - тепловой эффект реакции пиролиза ЛГМ;

k1 - предэкспонент реакции пиролиза ЛГМ; E1 - энергия активации реакции пиролиза ЛГМ; R - универсальная газовая постоянная; - объемная доля сухого органического вещества ЛГМ; q5 - тепловой эффект реакции окисления оксида углерода; 5 - доля теплоты поглощенная слоем ЛГМ; R5 - массовая скорость реакции окисления оксида углерода;

1 - коэффициент теплопередачи; 2 - коэффициент теплоотдачи; k5 - предэкспонент реакции окисления оксида углерода; E5 - энергия активации реакции окисления оксида углерода; D - коэффициент диффузии, Y5 - поток массы горючих продуктов пиролиза,

xi - вспомогательная переменная; qs - поток сфокусированного солнечного излучения.

x, z - пространственные координаты. t - временная координата. Индексы es, ea,

н - соответствуют параметрам окружающей среды в почве, воздухе и в начальный момент времени.

При численном моделировании использованы следующие исходные данные: 1 = 500 кг/м3; 2 = 0.1 кг/м3; c1 = 1400 Дж/(кгК); c2 = 1200 Дж/(кгК); 1 = 0.102 Вт/(мК); 2 = 0.1 Вт/(мК); qp = 1000 Дж/кг; k1 = 3.63104; E1/R = 9400 К; 1н = 1; q5 = 107 Дж/кг; k5 = 31013 с-1; E5/R = 11500 К; 5 = 0.3; 1 = 20 Вт/(м2К); 2 = 80 Вт/(м2К); D = 10-6; M4 = 0.032; M5 = 0.028; M6 = 0.044.

Результаты и их обсуждение. В результате моделирования теоретически установлен нижний предел потока сфокусированного солнечного излучения, при котором возможно воспламенение слоя ЛГМ.

В табл. 1 представлены результаты численного определения времен задержки воспламенения.

Также представлены известные экспериментальные данные [21]. Минимальная величина потока сфокусированного солнечного излучения составила 15 кВт/м2. То есть 10-кратное превышение величины потока естественного природного солнечного излучения [22] может привести к возникновению лесного пожара.

Среднее отклонение результатов численного моделирования от экспериментальных данных составило менее 40%. Проведены аналогичные численные исследования по определению времен задержки воспламенения ЛГМ с использованием одномерной модели тепломассопереноса при прочих равных условиях.

Установлено, что имеет место увеличение времен задержки зажигания в диапазоне 15-35 кВт/м2 по сравнению с одномерной постановкой. Это говорит о более адекватном моделировании процесса зажигания в плоской постановке. При величинах потока сфокусированного солнечного излучения равных или превышающих 40 кВт/м2 отличия времен задержки воспламенения по одномерной и двумерной постановкам составляет сотые доли секунды.

Также следует отметить, что различия в величине времени задержки воспламенения, определенного теоретически и в эксперименте [21] уменьшается с увеличением потока сфокусированного солнечного излучения. Этот факт обусловлен, вероятно тем, что в условиях воздействия относительно высоких тепловых потоков различия в структурных и физических характеристиках слоя ЛГМ нивелируются интенсификацией теплофизических и физико-химических процессов. Полученные значения tign можно считать удовлетворительными с точки зрения соответствия теоретических результатов экспериментальным данным.

Табл. 1. Времена задержки воспламенения слоя ЛГМ лучистым тепловым потоком

Рис. 2. Распределение температуры в системе “слой ЛГМ-газовая смесь” в момент зажигания при qs = 15000 Вт/м2

Следует отметить, что экспериментальные значения времен задержки воспламенения во всем диапазоне изменения qs превышают теоретические. Это очевидно обусловлено наличием влаги в ЛГМ или отличием в плотности укладки слоя в экспериментах [21].

Типичное распределение температуры в плоскости Oxz в системе “слой ЛГМ-газовая смесь” в момент зажигания представлено на рис. 2.

Пик на температурной поверхности соответствует месту локализации химической реакции окисления монооксида углерода до диоксида углерода. Критерии зажигания выполняются в центре участка воздействия сфокусированного солнечного излучения. На краях полосы и в некоторой ее окрестности также наблюдается ускорение химической реакции. Однако тепловыделения на этих участках недостаточно для воспламенения.

Рис. 3. Распределение объемной долисухого органического вещества в момент зажигания при qs = 15000 Вт/м2

Рис. 4. Распределение горючих компонентов газовой фазы в момент зажигания при qs = 15000 Вт/м2

На рис. 3 представлено распределение объемной доли сухого органического вещества в плоскости Oxz в момент зажигания. Практически полное разложение ЛГМ наблюдается в области воздействия потока сфокусированного солнечного излучения. Однако и за участком воздействия также наблюдается частичное разложение ЛГМ. На рис. 4-6 представлены распределения концентраций компонент газовой смеси в момент зажигания.

Рис. 5. Распределение окислителя газовой фазы в момент зажигания при qs = 15000 Вт/м2

Рис. 6. Распределение инертных компонентов газовой фазы в момент зажигания при qs = 15000 Вт/м2

В отличии от одномерной постановки в плоском случае наблюдается диффузия монооксида углерода в горизонтальном направлении, что приводит к незначительному снижению концентрации в центре участка воздействия лучистого теплового потока.

Как следствие, незначительно увеличивается время задержки воспламенения (позднее достигается необходимая для зажигания концентрация горючего). Происходит диффузия монооксида углерода за пределы границы зоны воздействия и, как следствие, дополнительный разогрев смеси в этой области. Однако критерии зажигания здесь не выполняются.

Численное исследование двумерной постановки показало небольшие различия в определении времен задержки воспламенения от одномерной модели. Это позволяет сделать вывод о возможности использования одномерной модели в системах прогноза лесной пожарной опасности (как при модернизации существующих, так и при разработке новых).

Выводы

1. На основе анализа данных натурных наблюдений сформулированы физическая и математическая модели воспламенения слоя лесного горючего материала в результате воздействия сфокусированного потока солнечного излучения.

2. Установлены условия и времена задержки воспламенения слоя лесного горючего материала сфокусированным потоком солнечного излучения.

3. Показано, что различия результатов, полученных по одномерной и двумерной постановкам, незначительно. Одномерная модель может быть применена в системах прогноза лесной пожарной опасности.

Литература

[1] Кузнецов Г.В., Барановский Н.В. Прогноз возникновения лесных пожаров и их экологических последствий. Новосибирск: Изд-во СО РАН. 2009. 301с.

[2] Телицын Г.П. Лесные пожары, их предупреждение и тушение в Хабаровском крае. Хабаровск: Хаб. кн. изд-во. 1988. 96с.

[3] Соколова Г.В., Коган Р.М., Глаголев В.А. Пожарная опасность территории Среднего Приамурья: оценка, прогноз, параметры мониторинга. Хабаровск: ДВО РАН. 2009. 265с.

[4] Франк В.В. Лесные пожары и состояние атмосферы. Возникновение лесных пожаров. М.: Наука. 1964. С.83-102.

[5] Столярчук Л.В. Атмосферная неустойчивость и опасность возникновения лесных пожаров. Лесные пожары и борьба с ними. Л.: ЛенНИИЛХ. 1986. С.12-18.

[6] Гришин А.М. Математическое моделирование лесных пожаров и новые способы борьбы с ними. Новосибирск: Наука. 1992. 408с.

[7] Кузнецов Г.В., Барановский Н.В. Математическое моделирование зажигания дерева хвойной породы наземным грозовым разрядом. Пожаровзрывобезопасность. 2008. T.17. №3. С.41-45.

[8] Кузнецов Г.В., Барановский Н.В. Пространственная постановка и численное исследование задачи о зажигании лиственного дерева наземным грозовым разрядом. Бутлеровские сообщения. 2011. Т.24. №1. С.122-132.

[9] Янко И.В. Пирологическая оценка территории Томской области. Дисс. … канд. геог. наук. Томск: Томский государственный педагогический университет. 2005. 174с.

[10] Барановский Н.В., Кузнецов Г.В. Конкретизация неустановленных причин в детерминированно-вероятностной модели прогноза лесной пожарной опасности. Пожаровзрывобезопасность. 2011. Т.20. №6. С.24-27.

[11] Об утверждении Правил пожарной безопасности в лесах: постановление Правительства РФ от 30 июня 2007 г. № 417. Пожарная безопасность. 2007. №4.

[12] Страхов В.А., Гаращенко А.Н., Кузнецов Г.В., Рудзинский В.П. Математическое моделирование теплофизических и термохимических процессов при горении вспучивающихся огнезащитных покрытий. Физика горения и взрыва. 2001. Т.37. №2. С.178-186.

[13] Кузнецов Г.В. Механизм высокотемпературного разрушения стеклопластика в газовых потоках при высоких давлениях. Теплофизика высоких температур. 1998. Т.36. №1. С.74-78.

[14] Кузнецов Г.В., Стрижак П.А. Зажигание накаленной одиночной частицей жидких углеводородных топлив. Известия ТПУ. 2008. Т.312. №4. С.5-9.

[15] Кузнецов Г.В., Стрижак П.А. Нагретые до высоких температур частицы металла как источники локальных возгораний жидких веществ. Пожарная безопасность. 2008. №4. С.72-76.

[16] Кузнецов Г.В., Шеремет М.А. Сопряженный теплоперенос в замкнутой области с локально сосредоточенным источником энергии. Инженерно-физический журнал. 2006. Т.79. №1. С.56

[17] Kuznetsov G.V., Sheremet M.A. Conjugate natural convection with radiation in an enclosure. International Journal of Heat and Mass Transfer. 2009. Vol.52. No.9-10. P.2215-2223.

[18] Самарский А.А., Вабищевич П.Н. Аддитивные схемы для задач математической физики. М.: Наука. 2001. 320c.

[19] Самарский А.А. Теория разностных схем. М.: Наука. 1983. С.33-36.

[20] Гришин А.М., Шипулина О.В. Математическое моделирование распространения вершинных лесных пожаров в однородных лесных массивах и вдоль просек. Физика горения и взрыва. 2002. Т.38. №6. С.17-29.

[21] Касперов Г.И., Гоман П.Н. Исследование пожароопасных свойств лесных горючих материалов сосновых насаждений. Труды БГТУ. Сер. II, Лесная и деревообрабатывающая промышленность. 2010. Вып.XVIII. С.337-340.

[22] Научно-прикладной справочник по климату СССР. Серия 3. Многолетние данные. Части 1-6. Вып.20. (Томская, Новосибирская, Кемеровская области и Алтайский край). Санкт-Петербург: Гидрометеоиздат. 1993. 718c.

Размещено на Allbest.ru