Зниження пожежної небезпеки піротехнічних нітратовмісних виробів під час їх застосування

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО УКРАЇНИ З ПИТАНЬ НАДЗВИЧАЙНИХ СИТУАЦІЙ ТА У СПРАВАХ ЗАХИСТУ НАСЕЛЕННЯ ВІД НАСЛІДКІВ

ЧОРНОБИЛЬСЬКОЇ КАТАСТРОФИ

УКРАЇНСЬКИЙ НАУКОВО-ДОСЛІДНИЙ ІНСТИТУТ ПОЖЕЖНОЇ БЕЗПЕКИ

УДК 614.841:536.46

ЗНИЖЕННЯ ПОЖЕЖНОЇ НЕБЕЗПЕКИ ПІРОТЕХНІЧНИХ

НІТРАТОВМІСНИХ ВИРОБІВ ПІД ЧАС ЇХ ЗАСТОСУВАННЯ

21.06.02 - пожежна безпека

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук

КИРИЧЕНКО ОКСАНА В'ЯЧЕСЛАВІВНА

Київ - 2008

АНОТАЦІЯ

Кириченко О. В. Зниження пожежної небезпеки піротехнічних нітратовмісних виробів під час їх застосування. - Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за фахом 21.06.02. - пожежна безпека. Український науково-дослідний інститут пожежної безпеки МНС України, Київ, 2008.

Робота присвячена розв'язанню науково-технічної задачі обґрунтування умов зниження пожежної небезпеки піротехнічних нітратовмісних виробів на основі ущільнених сумішей з порошків магнію та нітратів лужних та лужноземельних металів (ПНС) під час їх застосування, яке засноване на розроблених моделях і методах прогнозування критичних режимів зовнішніх термовпливів на металеві оболонки виробів, а також граничних, нестійких режимів горіння ПНС. Проведено теоретико-експериментальні дослідження термогазодинамічних процесів нагріву металевих оболонок виробів в стартових (без горіння ПНС) умовах застосування (підвищені швидкості надзвукового обдуву потоком повітря і вісесиметричного обертання) і визначено критичні режими застосування виробів, що призводять до їх руйнування і утворення високотемпературних металевих осколків. Розроблено моделі та методи розрахунку впливу технологічних чинників (співвідношення компонентів, їх дисперсності, природи окислювача) і зовнішніх умов (температури нагріву, зовнішнього тиску, надзвукового обдуву потоком повітря і вісесиметричного обертання) на основні характеристики (температуру і склад продуктів згоряння, швидкість і граничні режими горіння) процесу горіння ПНС, що дозволяють прогнозувати їх пожежонебезпечні властивості в штатних (при горінні ПНС) умовах застосування виробів. На базі розроблених математичних і експериментально-статистичних моделей, програмного забезпечення у вигляді чотирьох пакетів прикладних програм розроблені методичні рекомендації з обґрунтовування умов зниження пожежної небезпеки піротехнічних нітратовмісних виробів при їх застосуванні. Результати роботи знайшли практичне застосування при проектуванні і виготовленні піротехнічних виробів і спеціальних установок на промислових підприємствах України та за кордоном, а також при організації учбового процесу у ВНЗ України.

Ключові слова: пожежна небезпека, піротехнічний виріб, термогазодинамічний процес, процес горіння, математична і експериментально-статистична модель.

АННОТАЦИЯ

Кириченко О. В. Снижение пожарной опасности пиротехнических нитратосодержащих изделий при их применении. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 21.06.02. - пожарная безопасность. Украинский научно-исследовательский институт пожарной безопасности МЧС Украины, Киев, 2008.

Работа посвящена решению научно-технической задачи обоснования условий снижения пожарной опасности пиротехнических нитратосодержащих изделий на основе уплотненных смесей из порошков магния и нитратов щелочных и щелочноземельных металлов (ПНС) при их применении, которое основано на разработанных моделях и методах прогнозирования критических режимов внешних термовоздействий на металлические оболочки изделий, а также предельных, неустойчивых режимов горения ПНС. Проведены теоретико-экспериментальные исследования термогазодинамических процессов нагрева металлических оболочек изделий в стартовых (без горения ПНС) условиях применения (повышенные скорости сверхзвукового обдува потоком воздуха и осесимметричного вращения) и определены критические режимы применения изделий, приводящие к их разрушению и образованию высокотемпературных металлических осколков. Установлено, что режим обтекания наиболее существенно влияет на месторасположения зон разрушения на поверхности металлических оболочек изделий: при ламинарном режиме обтекания разрушение изделий наблюдается только в окрестности их передних критических точек, а в случае турбулентного - зоны разрушения находятся на расстояниях (0,38...0,42)L (L - длина оболочки) от передних критических точек. Проведенные экспериментальные исследования показали, что в условиях сверхзвукового обдува потоком воздуха количество разрушенных изделий может достигать 80 % при скоростях обдува до 1,510³ м/с и угловых скоростях вращения до 410³ рад/с. Разработаны модели и методы расчета влияния технологических факторов (соотношения компонентов, их дисперсности, природы окислителя) и внешних условий (температуры нагрева, внешнего давления, сверхзвукового обдува потоком воздуха и осесимметричного вращения) на основные характеристики (температуру и состав продуктов сгорания, скорость и предельные режимы горения) процесса горения ПНС, позволяющие прогнозировать их пожароопасные свойства в штатных (при горении ПНС) условиях применения изделий. Получена база экспериментальных данных и установлены закономерности влияния на концентрационные пределы горения ПНС повышенных температур нагрева (до 673 К), внешних давлений (до 310⁷ Па), скоростей обдува потоком воздуха (до 1,510³ м/с) и угловых скоростей осесимметричного вращения (до 410³ рад/с) для широкого диапазона изменения коэффициента избытка окислителя (0,09 2,61) и среднего размера частиц порошка металлического горючего (d_m = 74,5…305 мкм) и окислителя (d_N = 50… 220 мкм). На базе разработанных математических и экспериментально-статистических моделей, программного обеспечения в виде четырех пакетов прикладных программ разработаны методические рекомендации по обоснованию условий снижения пожарной опасности пиротехнических нитратосодержащих изделий при их применении. Практическое использование разработанных рекомендаций на промышленных предприятиях Украины и за рубежом в нормативных документах на проектирование и изготовление пиротехнических нитратосодержащих изделий и специальных установок позволило повысить их пожарную безопасности при запуске в 1,5…2 раза и практически исключить их разрушение в штатных условиях применения. Результаты работы нашли практическое применение в ВУЗах Украины при организации учебного процесса по фундаментальным и специальным дисциплинам.

Ключевые слова: пожарная опасность, пиротехническое изделие, термогазодинамический процесс, процесс горения, математическая и экспериментально-статистическая модель.

Kirichenko O. V. Lowering of fire danger of pyrotechnical nitrate-containing items at their application. - Manuscript.

Dissertation on competition of scientific degree of candidate of sciences (engineering) by the specialty 21.06.02. - fire safety. The Ukrainian fire safety research institute of the MOE of Ukraine, Kiev, 2008.

The work is dedicated to solution of an important scientific and technical problem concerned with substantiation of conditions for lowering of fire danger of pyrotechnical items containing alkaline and alkaline-land metals (PNI) at their application. This substantiation is based on developed models and methods for prognostication of critical regimes of external thermal influences on metallic covering of items as well as boundary unstable burning regimes of PNI. Theoretical and experimental researches of thermal gas dynamic processes of heating of metallic covering of items under initial application conditions (without PNI burning) have been performed. They are characterized with elevated speed of supersonic blower with air stream and axis-symmetrical rotation. Critical regimes of application of items leading to their destruction and formation of high temperature metallic fragments have been determined. Models and methods for calculation of influence of technological factors (ratio of components, their dispersion, and nature of the oxidant) as well as external conditions (heating temperature, external pressure, supersonic air blow with air stream, and axis-symmetrical rotation) upon the main characteristics (temperature and composition of burning products, speed and boundary deflagration regimes) of burning processes of PNI have been developed. They allow predicting of their fire danger properties under state conditions of application of items (at PNI burning). Methodical recommendations for substantiation of conditions for lowering of fire danger of pyrotechnical nitrate containing items at their application have been developed on the basis of developed mathematical and experimental and statistical models as well as software having the appearance of for batches of applied programs. Results of the work found practical application at designing and manufacturing of pyrotechnical items and special installations at industrial Ukrainian plants and abroad as well as at organization of educational process at higher educational institutions in Ukraine.

Keywords: fire danger, pyrotechnic item, thermal and gas dynamic process, burning process, mathematical and experimental-statistical model.

Дисертація є рукописом.

Робота виконана в Черкаській академії пожежної безпеки ім. Героїв Чорнобиля МНС України.

Науковий керівник: доктор фізико-математичних наук, професор Акіньшин Валерій Дмитрович, Академія пожежної безпеки ім. Героїв Чорнобиля, професор кафедриприкладної математики та обчислювальної техніки

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Круковський Павло Григорович, Інститут технічної теплофізики Національної академії наук України, завідувач відділу моделювання процесів тепломасообміну

доктор технічних наук, професор Бєліков Анатолій Серафімович, Придніпровська державна академія будівництва і архітектури (м. Дніпропетровськ), професор кафедри безпеки життєдіяльності

Захист відбудеться 7 травня_2008 р. о 14 годині, на засіданні спеціалізованої вченої ради К 26.720.01 Українського науково-дослідного інституту пожежної безпеки МНС України за адресою: 01011, м. Київ, вул. Рибальська, 18.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Українського науково-дослідного інституту пожежної безпеки МНС України за адресою: 01011, м. Київ, вул. Рибальська, 18.

Автореферат розісланий 5 квітня_ 2008 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради к. т. н., с. н. с. Антонов А. В.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. В теперішній час в народному господарстві та військовій техніці України все більшого застосування набувають піротехнічні нітратовмісні вироби спеціального призначення (освітлювальні та трасуючі засоби, піротехнічні ІЧ-випромінювачі, пристрої ракетно-космічної техніки тощо) для отримання світлових, кольорово-полум'яних, теплових, звукових, реактивних та ін. ефектів, які споряджаються зразками подвійних ущільнених сумішей з порошків магнію та нітратів калію, стронцію й барію (піротехнічні нітратовмісні системи (ПНС)). Умови їх застосування, що постійно жорсткішають (підвищені температури нагріву, зовнішні тиски, надзвуковий обдув потоком повітря і вісесиметричне обертання) сприяють руйнуванню виробів як при запуску виробів (стартові умови), коли зразки ПНС піддаються істотним термовпливам унаслідок нагріву металевих оболонок виробів, так і в умовах їх штатного спрацьовування. Руйнування виробів супроводжуються проявом різних чинників пожежі (полум'я або високотемпературний струмінь продуктів згоряння, дисперговані продукти (осколки металевих оболонок, розжарені частини зразків ПНС, іскри тощо). Ці чинники призводять до руйнування об'єктів, людських жертв та наносять значні матеріальні збитки. Статистичні дані по Україні за 2000 - 2007 р.р. свідчать про те, що сталося 723 пожежі та вибухи від передчасного спрацьовування піротехнічних виробів, якими спричинено руйнування різних об'єктів, знищення матеріальних цінностей (прямі збитки склали 5,8 млн. грн., бічні збитки - 10,7 млн. грн.), загинуло 13 чол., травмовано 58. Наведені приклади вказують на те, що не вирішено ряд питань забезпечення пожежовибухобезпеки на об'єктах з наявністю піротехнічних виробів, а також під час їх застосування. Головна причина такого стану полягає у тому, що нормативна база вимог пожежної безпеки неповною мірою забезпечує контроль якості таких виробів під час їх застосування, недостатньо уваги приділяється науковим дослідженням процесів нагріву металевих оболонок виробів, а також процесів горіння зразків ПНС у згаданих умовах їх застосування. Проведення теоретичних та експериментальних досліджень термогазодинамічних процесів на поверхні піротехнічних нітратовмісних виробів, а також фізико-хімічних процесів горіння ПНС, що дозволяють прогнозувати критичні режими застосування виробів як в стартових, так й у штатних умовах є актуальною науково-технічною задачею, розв'язання якої сприятиме зниженню пожежної небезпеки нітратовмісних виробів в умовах їх застосування.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційні дослідження проводилися відповідно до Державної програми забезпечення пожежної безпеки на період до 2010 року, затвердженої Постановою Кабінету міністрів України від 01. 07. 2002 р. № 870 в частині “вдосконалення методичної і експериментальної бази для проведення випробувань речовин, матеріалів на пожежну небезпеку”, а також в рамках державних науково-дослідних тем: “Теоретичні основи гетерофазних і процесів електрохімії в газових і рідких середовищах, моделювання технологій ресурсо- і енергозбереження” (2000 - 2002 р. р., номер державної реєстрації 0100U004426); “Тепломасоперенос в газах і газових сумішах” (2004 - 2006 р. р., номер державної реєстрації 0104U009885).

Мета роботи - обґрунтування умов зниження пожежної небезпеки піротехнічних нітратовмісних виробів під час їх застосування.

Завдання досліджень. Для виконання поставленої мети необхідно було розв'язати такі завдання:

- провести аналіз існуючих теоретичних і експериментальних досліджень з впливу різних зовнішніх чинників на процеси горіння піротехнічних нітратовмісних систем та виявити можливі шляхи зниження пожежної небезпеки піротехнічних нітратовмісних виробів під час їх застосування;

- провести теоретичні дослідження: розподілів температури по товщині металевих оболонок піротехнічних нітратовмісних виробів в умовах надзвукового обдуву потоком повітря і вісесиметричного обертання; залежностей рівноважної температури і складу продуктів згоряння ПНС від співвідношення компонентів в системі і зовнішнього тиску; швидкостей та концентраційних меж горіння ПНС залежно від технологічних параметрів (співвідношення компонентів, їх дисперсності, природи окислювача) і зовнішніх умов (температури нагріву, зовнішнього тиску); розробити спеціалізований програмний комплекс у вигляді пакетів прикладних програм, орієнтованих на ПЕОМ класу IBM, для створення в режимі діалогу і реального часу керованої бази даних з зовнішніх термовпливів на металеві оболонки виробів, температуру і склад продуктів згоряння ПНС, швидкість і концентраційні межі їх горіння в умовах застосування виробів;

- провести експериментальні дослідження: з визначення ділянок на поверхні виробів, споряджених зразками ПНС, в яких відбувається передчасне запалювання і вибухове горіння зразків ПНС, а також руйнування оболонок залежно від різних режимів зовнішніх термовпливів; із знаходження залежностей швидкостей та концентраційних меж горіння ПНС від підвищених температур нагріву (до 673 К), зовнішніх тисків (до 3.10⁷ Па), швидкостей обдуву потоком повітря (до 1,5•10і м/с) і кутових швидкостей вісесиметричного обертання (до 4•10і рад/с), впливу на них дисперсності компонентів і природи окислювача;

- розробити методичні рекомендації, які дозволяють на базі розроблених математичних та експериментально-статистичних моделей, а також спеціалізованого програмного комплексу у вигляді пакетів прикладних програм, обґрунтовувати умови зниження пожежної небезпеки піротехнічних нітратовмісних виробів під час їх застосування.

Об'єкт дослідження - піротехнічні нітратовмісні вироби.

Предмет дослідження - процеси виникнення, розвитку та припинення горіння, а також фактори, які впливають на пожежну небезпеку піротехнічних нітратовмісних виробів.

Методи досліджень - для рішення задач аерогазодинаміки, теплопровідності, термічного розкладання окислювачів і горіння частинок металевого пального використовувалися чисельно-аналітичні методи і спеціально розроблені пакети прикладних програм; експериментальні вимірювання швидкості і концентраційних меж горіння піротехнічних нітратних систем здійснювалися безконтактними методами з використанням фотодіодів на стандартному метрологічно атестованому обладнанні; дослідження структури газового потоку здійснювалися шлірен-фотографічними методами з використанням приладу Теплера; процеси горіння піротехнічних нітратовмісних систем досліджувалися методами кінозйомки і мікрокінозйомки; оброблення результатів експериментальних досліджень проводили з використанням методів математичної статистики.

Обгрунтованість і достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій підтверджується використанням загально прийнятих моделей термогазодинамічних процесів, теплопровідності, процесів горіння; задовільною збіжністю експериментальних і розрахункових даних; використанням стандартизованого метрологічно атестованого обладнання та повірених засобів вимірювальної техніки, а також апробацією і практичним впровадженням отриманих результатів.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в наступному:

1. Вперше встановлена залежність місця розташування зон руйнування на поверхні піротехнічних нітратовмісних виробів від режиму і швидкості обдуву потоком повітря. піротехнічний нітратовмісний температура згоряння

2. Вперше встановлені наступні діапазони зміни температури продуктів згоряння ПНС в залежності від зміни співвідношення компонентів (б = 0,1…3,0) і зовнішнього тиску (Р = 10⁴…3.10⁷ Па): для б = 0,01…1,0 - Т = 720-850...3980-4350 К; для б = 1,01…3,0 - Т = 3980-4350...700-800 К.

3. Вперше теоретично обґрунтовані та експериментально підтверджені закономірності процесу горіння ПНС в умовах підвищених температур нагріву, зовнішніх тисків, надзвукового обдуву потоком повітря і вісесиметричного обертання.

Практичне значення отриманих результатів. Розроблені “Методичні рекомендації з обґрунтування умов зниження пожежної небезпеки піротехнічних нітратовмісних виробів під час їх застосування” знайшли практичне використання на ряді вітчизняних підприємств (НДІВЦ пріоритетних технологій оптичної техніки (м. Київ), ДПНВК “Фотоприлад” (м. Черкаси), Черкаському державному заводі “Хімреактив”), а також на підприємстві ДУП МосНВО “Радон” (м. Москва, Росія). Використання цих рекомендацій у нормативних документах на проектування та виготовлення піротехнічних нітратовмісних виробів та спеціальних установок дозволило скоротити терміни їх розроблення, а також підвищити пожежну безпеку при їх запуску та практично виключити передчасне руйнування виробів в штатних умовах їх застосування. Окрім цього, основні результати дисертації (результати експериментальних досліджень і експериментально-статистичні моделі із впливу технологічних параметрів ПНС на процеси їх горіння в умовах застосування виробів на їх основі; математичні моделі і спеціалізований програмний комплекс у вигляді 4 пакетів прикладних програм для розрахунку основних характеристик термовпливів надзвукового потоку повітря і вісесиметричного обертання на металеві оболонки виробів, а також процесу горіння ПНС в умовах підвищених температур нагріву, зовнішніх тисків, швидкостей обдуву потоком повітря і обертання) використовуються в учбовому процесі під час лекцій, проведенні лабораторних та практичних занять, виконанні курсових та дипломних проектів з дисциплін: “Пожежна профілактика в технологічних процесах”, “Теорія розвитку та припинення горіння” (Черкаська академія пожежної безпеки ім. Героїв Чорнобиля); “Теплофізика і молекулярна фізика”, “Теоретичні основи теплотехніки”, “Технічна термодинаміка”, “Технологія неорганічних речовин” (Черкаський державний технологічний університет).

Особистий внесок здобувача полягає у визначенні мети і завданні досліджень; аналізуванні літературних джерел; проведенні теоретичних та експериментальних досліджень з впливу параметрів зовнішніх дій (температури, тиску, швидкості обдуву потоком повітря і кутової швидкості обертання) на межі горіння піротехнічних нітратних ситем; розробленні методів розрахунку основних характеристик (температури і складу продуктів згоряння, швидкості і меж горіння) процесу горіння піротехнічних нітратовмісних систем в умовах підвищених температур нагріву і зовнішніх тисків; оцінюванні результатів випробувань; аналізуванні отриманих результатів досліджень; розробленні спеціалізованого програмного забезпечення у вигляді 4 пакетів прикладних програм; розробленні рекомендацій, що дозволяють обґрунтовувати умови зниження пожежної небезпеки виробів під час їх застосування.

Апробація результатів досліджень. Основні положення, наукові і практичні результати роботи докладалися на міжнародних науково-практичних конференціях: VIII Міжнародній конференції “Гідроаеродинаміка в інженерній практиці” (м. Київ, НТУУ “КПІ”, 2003 р.); Міжнародній науково-практичній конференції “Комплексне використання сировини, енерго- та ресурсозберігаючі технології у виробництві неорганічних речовин” (м. Черкаси, ЧДТУ, 2004 р.); Міжнародній науково-практичній конференції “Пожежна та техногенна безпека” (м. Черкаси, ЧАПБ ім. Героїв Чорнобиля, 2005 р.); ХII Міжнародній конференції “Гідроаеромеханіка в інженерній практиці” (м. Луганськ, СНУ ім. В. Даля, 2007 р.); VIII Міжнародній науково-практичній конференції “Пожежна безпека - 2007” (м. Черкаси, ЧАПБ ім. Героїв Чорнобиля, 2007 р.).

Публікації. За результатами досліджень опубліковано 15 робіт, з них 2 монографії, 10 статей у виданнях, що внесені до переліку ВАК України та 3 тези доповідей на міжнародних науково-технічних конференціях.

Структура і обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, п'яти розділів, загальних висновків, списку використаних літературних джерел з 176 найменувань, містить 147 сторінок основного тексту, 55 рисунків і 2 додатки на 63 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У ВСТУПІ обґрунтовано вибір і актуальність теми дослідження, сформульована ціль роботи, задачі досліджень, визначена наукова новизна, особистий внесок здобувача і практичне значення роботи.

В ПЕРШОМУ РОЗДІЛІ викладені результати аналізу літературних джерел, пов'язаних з пожежонебезпечними властивостями подвійних піротехнічних систем (ПС) метал + нітрати лужних і лужноземельних металів, до класу яких належать розглядувані ПНС, в умовах їх застосування, що постійно посилюються (підвищені температури нагріву (Т₀, К), зовнішні тиски (Р, Па), швидкості надзвукового обдуву потоком повітря (, м/с) та кутові швидкості вісесиметричного обертання (щ, рад/с), які залежать від режимів горіння ПС в цих умовах (стійке горіння, припинення горіння або самоприскорення горіння, що переходить у вибух). Проаналізовані експериментальні і теоретичні дані із впливу на швидкість і граничні режими горіння вказаних ПС різних технологічних чинників (коефіцієнта надлишку окислювача (б), дисперсності компонентів (d_m і d_ok, мкм), природи металевого пального і окислювача) та параметрів зовнішніх умов (Т₀, Р, V, щ). Встановлено, що швидкість і граничні режими горіння, а також пов'язані з ними пожежонебезпечні властивості найбільш вивчені для системи магній + нітрат натрію. Що стосується розглядуваних ПНС, то в даний час відсутні наступні важливі експериментальні і теоретичні дослідження швидкості і граничних режимів їх горіння, які дозволили б створити керовану базу даних з прогнозування пожежонебезпечних властивостей цих систем в умовах застосування: експериментальні дані про вплив на залежність u(б) та концентраційні межі горіння технологічних параметрів d_m і d_ok, а також зовнішніх параметрів Т₀, Р, V і щ прийнятні для практики методи розрахунку (відносна похибка не більше 10...15 %) основних характеристик процесу горіння ПНС (швидкості і концентраційних меж горіння) залежно від різних технологічних параметрів і зовнішніх умов. Відсутність вказаних відомостей про процес горіння ПНС робить неможливим створення в даний час розробку методичних рекомендацій із зниження пожежної небезпеки виробів у вказаних умовах їх застосування. Тому дана робота присвячена розробці обґрунтувань умов зниження пожежної небезпеки виробів в цих умовах на базі створених і використаних математичних та експериментально-статистичних моделей термогазодинамічних і фізико-хімічних процесів, програмного забезпечення у вигляді пакетів прикладних програм, а також отриманих експериментальних даних з основних характеристик горіння ПНС.

В ДРУГОМУ РОЗДІЛІ представлений комплекс розроблених математичних моделей термовпливу надзвукового потоку повітря на поверхню металевих оболонок виробів на основі ПНС, які враховують температурну залежність теплофізичних властивостей матеріалу і дозволяють розраховувати вплив зовнішніх умов (швидкості обдуву потоком повітря, режиму обтікання (ламінарний, турбулентний) та часу впливу потоку (t, с)) на тепловий потік з прикордонного шару (q_w, Вт/м²) у виріб, а також знаходити розподіли температури по товщині оболонок. При моделюванні використовували нестаціонарні, нелінійні рівняння теплопровідності для знаходження профілю температур по товщині оболонок, а також відомі емпіричні залежності для теплового потоку з прикордонного шару в оболонку (Re - критерій Рейнольдса, який характеризує режим обтікання; x - координата уздовж поверхні оболонки). В результаті проведених розрахунків встановлено, що для дослідженого діапазону зміниV = 0…1,510³ м/с існують критичні значення V, Re^* и t^* (Re < Re^* - ламінарний режим, Re > Re^* - турбулентний режим), при перевищенні яких спостерігається передчасне саморозігрівання зразків ПНС в результаті екзотермічного процесу окислення металевого пального в газоподібних продуктах термічного розкладання окислювачів, що призводить до осередкового запалювання зразків і процесу їх горіння в замкнутому об'ємі з подальшим руйнуванням оболонок виробів і викидом в навколишнє середовище високотемпературних продуктів згорання. При цьому результати розрахунків місць розташувань небезпечних ділянок на поверхнях оболонок виробів, що піддаються інтенсивним перегрівам і руйнуванням в стартових умовах застосування повністю відповідають отриманим експериментальним даним.

Представлені термодинамічні розрахунки температури (Т_г, К) і складу продуктів згорання ПНС. Встановлено, що для всіх систем температура має максимум , що знаходиться в діапазоні б = 0,9…1,15 (поблизу стехіометричного складу систем б = 1,0), на значення якого робить істотний вплив зовнішній тиск (зміна тиску від Р = 10⁵ Па до Р = 310⁷ Па призводить до збільшення в діапазоні 3980…4350 К; при цьому якісний і кількісний склад продуктів згоряння систем істотно залежить від б та Р.. Показано, що методи термодинамічних розрахунків дозволяють на стадії проектування піротехнічних виробів на основі ПНС прогнозувати (відносна похибка 10...15 %) діапазони зміни температури продуктів згоряння ПНС в залежності від співвідношення компонентів і зовнішнього тиску.

На базі проведеного аналізу експериментальних даних і чисельних оцінок основних параметрів фізико-хімічних процесів, характерних для горіння ПНС, вдосконалений механізм горіння піротехнічних систем типу метал + окислювач, що розкладається в к-фазе, в частині врахування агломерації частинок металу на поверхні горіння, де вони повністю згорають. Розроблена математична модель процесу горіння газонепроникних ПНС, що враховує, на відміну від існуючих моделей, тепловиділення на поверхні горіння від частинок металу, що згоряють на ній. Згідно цієї моделі, розповсюдження фронту реакцій горіння в к-фазі початкової системи описується наступною системою рівнянь:

,

< < 0, > 0, (1)

, (2)

, при , (3)

, , (4)

, (5)

де с_c, c_c, л_c - густина (кг/м³), питома теплоємність (Дж/кгК) и коефіцієнт теплопровідності (Вт/мК) системи; о_N, H_N- відносний масовий вміст і теплота реакції розкладання окислювача (Дж/кг); ц - ступінь розкладання окислювача в межах к-фази; T(x) - розподіл температури уздовж напряму розповсюдження фронту горіння (К); K, Е - передекспоненціальний множник і енергія активації (Дж/моль); R - газова стала; m, n - емпірічні константи; T_n _ температура поверхні горіння; q_n, q_k - теплові потоки від частинок металу, що згорають на поверхні горіння та в газовій фазі (зоні полум'я) відповідно (Вт/м²). Найістотнішою відмінністю приведеної системи рівнянь (1) - (5) від аналогічної, наприклад, для добре вивченої системи Mg + NaNO₃, є наявність q_n,, що дає можливість разом з швидкістю горіння u також розраховувати концентраційні межі б_ВПГ та б_НПГ, чого не можна було зробити в попередніх теоріях, оскільки величина q_k значно менша q_n і набагато слабкіше залежить від б. З використанням відомих в теорії горіння перетворень система (1) - (5) була зведена к більш простій системі алгебраїчних і трансцендентних рівнянь для розрахунку швидкості горіння. Зіставлення результатів розрахунків з експериментальними даними і існуючим розрахунковим методом (рис. 1, 2) показало, що розроблена математична модель і програмне забезпечення у вигляді пакетів прикладних програм на практиці можуть бути використані як більш точні інженерні методи (відносна похибка знижена до 10...15 % замість 40...50 % - у існуючого методу) для прогнозування режимів розвитку горіння ПНС і їх згасання в штатних умовах застосування виробів.

В ТРЕТЬОМУ РОЗДІЛІ приводяться основні характеристики зразків ПНС, які виготовлялися за технологією, прийнятою в піротехнічному виробництві. При вивченні впливу дисперсності порошків металевого пального і окислювачів на процес горіння ПНС використовували результати ситового аналізу, оброблені по стандартній методиці у вигляді середньої крупності (d_м - для порошків магнію, d_N - для порошків окислювачів).В дослідженнях використовувалися магнієві порошки марок МПФ - 1 - МПФ - 4 з d_м = 74,5… 305 мкм та порошки окислювачів з d_N = 50…220 мкм. Зразки ПНС одержували методом пресування з коефіцієнтом ущільнення = 0,96…0,98 (с_c - досягнута густина зразка,с_max - максимально можлива густина зразка), тобто зразки ПНС, що використовуються, мали практично гранично допустимі значення K_y. При дослідженні залежностей швидкості та меж горіння ПНС пресування сумішей порошків їх компонентів здійснювалося у металеві оболонки діаметром 2·10^-2…3·10^-2 м і завтовшки 8·10^-4…2·10^-3 м. Приведений комплекс з трьох стандартизованих випробувальних установок, який був використаний для моделювання як стартових умов застосування виробів на основі ПНС, так і умов їх штатного застосування: підвищені зовнішні тиски (до Р = 3·10⁷ Па) та температури нагріву (до Т₀ = 700 К); підвищені швидкості обдуву потоком повітря (до V = 1,5·10³ м/с) та кутові швидкості вісесиметричного обертання (до щ = 4·10³ рад/с). Цей комплекс установок дозволяє одержувати дані про передчасне запалювання і стабільне горіння зразків ПНС, а також нестійкі режими горіння, що призводять до загасання або локального вибухового розвитку у вказаних умовах і, тим самим, передбачати можливі пожежонебезпечні ситуації, що виникають в реальних умовах застосування виробів. В результаті проведених випробувань виробів в умовах надзвукового обдуву потоком повітря і вісесиметричного обертання було встановлено, що у разі ламінарного режиму обтікання руйнування оболонок спостерігається в околиці їх передніх критичних точок, а у разі турбулентного режиму обтікання область руйнування зміщується від їх передніх критичних точок (L_kp = 0) уздовж поверхні до L_kp = (0,38…0,42)L (L- довжина вироба). В дослідженнях використовувалися також відомі методи фізичного аналізу (методи вимірювання швидкості і концентраційних меж горіння, методи мікрозйомки процесу горіння, шлірен-фотографічні методи), сучасні методи математичного і експериментально-статистичного моделювання, чисельно-аналітичні методи рішення задач аерогазодинаміки, нелінійної теплопровідності і термостійкості (інтегральні перетворення Фур'є, методи рішення трансцендентних рівнянь, обчислення інтегралів і ін.), а також методи математичної обробки експериментальних даних (регресії, інтерполяції). Всі розрахунки по моделях проводилися з використанням розроблених пакетів прикладних програм.

В ЧЕТВЕРТОМУ РОЗДІЛІ представлені результати експериментальних досліджень залежностей концентраційних меж горіння ПНС від підвищених температур нагріву (Т₀ = 293…673 К), зовнішніх тисків (Р = 10⁵…310⁷ Па), швидкостей обдуву потоком повітря (V = 0…1,510³ м/с) і кутових швидкостей вісесиметричного обертання (щ = 0…410³ рад/с), а також впливу на них технологічних параметрів (б = 0,09…2,61; d_м = 74,5…305 мкм; d_N = 50…220 мкм). Було встановлено, що для розглядуваних ПНС (рис. 3 - 5) крива u(б) має екстремальний характер: швидкість горіння змінюється від до свого максимального значення u_max (при б = ) та далі до свого мінімального значення ; причому < < . При цьому для б < швидкість горіння зменшується приблизно однаково для всіх ПНС, а при б > швидкість горіння найбільш сильно убуває для системи Mg + Ва(NO₃)₂, найбільш слабо - для системи Mg + Sr(NO₃)₂. Зміна d_м, d_N , Т₀ та Р практично не відображається на характері убування швидкості горіння як зліва, так і справа від , а призводить лише до убування швидкості горіння при збільшенні d_м і d_N та до її зростання при збільшенні Т₀ та Р. Отримано також, що із збільшенням d_м величини та помітно змінюються для всіх ПНС (наприклад, для системи Mg + KNO₃ величина зменшується у 1,9 разу, зростає у 1,4 разу; для системи Mg + Sr(NO₃)₂ - зменшується у 1,7 разу, збільшується у 1,2 разу; для системи Mg + Ba(NO₃)₂ - зменшується у 1,2 разу, збільшується у 1,1 разу), а величина практично не змінюється. Збільшення d_N для розглядуваних ПНС практично не відображається на величинах , та (зміна їх величин відбувається не більше, ніж в 1,05...1,16 разу). Найістотніше зменшення величин та для всіх ПНС викликає збільшення температури нагріву Т₀ та зовнішнього тиску Р: збільшення Т₀ призводить до зменшення у 1,7 разу (для Mg + KNO₃), у 1,5 разу (для Mg + Sr(NO₃)₂) та у 1,4 разу (для Mg + Ва(NO₃)₂), - у 1,9 разу (для Mg + KNO₃), в 1,7 разу (для Mg + Sr(NO₃)₂) та у 1,6 разу (для Mg + Ва(NO₃)₂); збільшення Р призводить до зменшення у 2,9 разу (для Mg + KNO₃), у 2,6 разу (для Mg + Sr(NO₃)₂) та у 2,2 разу (для Mg + Ва(NO₃)₂), - у 2,8 разу (для Mg + KNO₃), у 2,4 разу (для Mg + Sr(NO₃)₂) та у 2,2 разу (для Mg + Ва(NO₃)₂). Також як і у випадку d_м, зміна d_N практично не впливає на . Встановлено, що збільшення V та щ практично не впливає на характер залежності u(б), а тільки викликає збільшення швидкості горіння ПНС: наприклад, u_max для системи Mg + KNO₃ збільшується у 1,8…2,1 разу; для системи Mg + Sr(NO₃)₂ - у 1,7…1,9 разу; для системи Mg + Ba(NO₃)₂ - у 1,6…1,8 разу. Показано, що із збільшенням V та щ відбувається зменшення величин б_ВПГ, та б_НПГ: для системи Mg + KNO₃ величина б_ВПГ зменшується у 1,2…1,9 разу, - у 1,15…2,1 разу, б_ВПГ - у 1,05…1,07 разу; для системи Mg + Sr(NO₃)₂ величина б_ВПГ зменшується у 1,3…1,7 разу, - у 1,2…1,3 разу, б_НПГ - у 1,1…1,16 разу; для системи Mg + Ba(NO₃)₂ величина б_ВПГ зменшується у 1,26…1,3 разу, - у 1,2…1,4 разу, б_НПГ - у 1,09…1,14 разу.

В П'ЯТОМУ РОЗДІЛІ представлені наступні експериментально-статистичні моделі, які дозволяють розраховувати вплив технологічних чинників (б, d_m, d_N) та зовнішніх параметрів (V, щ) на швидкість і концентраційні межі горіння ПНС (відносна похибка 2...7 %):

,

,

, (6)

,

, (7)

,

, (8)

,

,

, (9)

,

, (10)

,

, (11)

,

,

, (12)

де a_ij, b_ij, c_ij, d_ij, e_ij, f_ij, g_ij, h_ij, k_ij, l_ij, m_ij, n_ij, p_ij, q_ij, r_ij, s_ij, t_ij (i, j= ) - емпіричні константи. Результати розрахунків за формулами (6) - (12) дозволяють створити керовану базу даних з прогнозування пожежонебезпечних властивостей ПНС в штатних умовах застосування. Проведені теоретико-експериментальні дослідження і розроблені на їх основі математичні і експериментально-статистичні моделі, а також програмне забезпечення дозволили розробити “Методичні рекомендації з обґрунтування умов зниження пожежної небезпеки піротехнічних нітратовмісних виробів під час їх застосування”, які знайшли практичне використання на ряді підприємств України та за кордоном. Основні результати дисертації (експериментальні дані, математичні та експериментально-статистичні моделі, пакети прикладних програм) також використовуються у ВНЗ України при організації учбового процесу.

ВИСНОВКИ

Дисертаційну роботу присвячено розв'язанню науково-технічної задачі обґрунтування умов зниження пожежної небезпеки піротехнічних нітратовмісних виробів під час їх застосування шляхом визначення параметрів зовнішніх впливів (підвищені температури нагріву, зовнішні тиски, надзвуковий обдув потоком повітря і вісесиметричне обертання) на критичні режими експлуатації таких виробів в стартових умовах, а також критичні режими горіння в умовах їх штатного застосування.

Основні наукові і практичні результати дисертаційної роботи :

1. За літературними джерелами проаналізовані теоретичні і експериментальні дослідження з впливу різних зовнішніх чинників на процеси горіння піротехнічних нітратовмісних систем і виявлено можливі шляхи зниження пожежної небезпеки, які полягають в визначенні параметрів зовнішніх впливів (підвищені температури нагріву, зовнішні тиски, надзвуковий обдув потоком повітря і вісесиметричне обертання) на критичні режими експлуатації виробів в стартових умовах, а також критичні режими в умовах штатного застосування виробів.

2. Розроблені і упроваджені в практику стендових випробувань нестаціонарні, нелінійні

математичні моделі термовпливів надзвукового потоку повітря на поверхню металевих оболонок виробів, які дозволяють розраховувати тепловий потік з прикордонного шару, температуру в зонах максимальної зовнішньої теплової дії і визначати критичні діапазони зміни їх параметрів (швидкості обдуву потоком повітря, часу дії і режиму обтікання (ламінарний, турбулентний)) з відносною похибкою 8...12 %, при яких спостерігається осередкове запалювання і вибухове горіння зразків ПНС з подальшим руйнуванням виробів і викидом в навколишнє середовище пожежонебезпечних фрагментів їх конструкцій.

3. Розроблені і упроваджені в практику проектування виробів квазістаціонарні, нелінійні математичні моделі і методи розрахунку основних характеристик різних режимів горіння ПНС, що дозволяють з відносною похибкою 10...15 % прогнозувати вплив технологічних параметрів (співвідношення компонентів, їх дисперсності і природи окислювача) і зовнішніх чинників (температури нагріву, зовнішнього тиску) на температуру і склад продуктів згоряння, швидкість стабільного розвитку горіння і його концентраційні межі, в області яких процес горіння стає нестійким (затухаючим або вибуховим).

4. Експериментальними випробуваннями встановлено, що при збільшенні швидкості обдуву потоком повітря кількість виробів, які руйнуються, збільшується і може досягати 80 % приV = 1,210³…1,510³ м/с; при цьому встановлено, що режим обтікання найбільш істотно впливає на місця розташування зон руйнування на поверхні металевих оболонок виробів: при ламінарному режимі обтікання руйнування виробів спостерігається тільки в околиці їх передніх критичних точок, а у разі турбулентного - зони руйнування знаходяться на відстанях (0,38…0,42)L(L - довжина вироба) від передніх критичних точок.

5. Отримані експериментальні дані по швидкості та концентраційним межам горіння ПНС в

умовах підвищених температур нагріву (Т₀ = 293…673 К) і зовнішніх тисків (Р = 10⁵…310⁷ Па), швидкостей обдуву потоком повітря (V = 0…1,510³ м/с) і кутових швидкостей вісесиметричного обертання (щ = 0…410³ рад/с) для широкого діапазону зміни коефіцієнта надлишку окислювача (0,09 б 2,61) і дисперсності компонентів (d_m = 74,5…305 мкм, d_N = 50…220 мкм); встановлено, що залежність u(б) незалежно від Т₀, Р, V та щ має екстремальний характер і змінюється від до максимального значення u_max та далі до ( < < u_max); при цьому зростання Т₀ та Р, V та щ призводить до зменшення б_ВПГ та (у 2…3 рази - для Т₀ та Р , у 1,5…2 рази для V та щ) та не впливає на б_НПГ.

6. На підставі дисертаційних досліджень розроблено і впроваджено на підприємствах та ВНЗ України (НДІВЦ пріоритетних технологій оптичної техніки (м. Київ), ДПНВК “Фотоприлад” (м. Черкаси), Черкаському державному заводі “Хімреактив”, а також на підприємстві ДУП МосНВО “Радон” (м. Москва, Росія) “Методичні рекомендації з обґрунтування умов зниження пожежної небезпеки піротехнічних нітратовмісних виробів під час їх застосування”. Результати роботи також знайшли практичне використання в Черкаській академії пожежної безпеки ім. Героїв Чорнобиля і Черкаському державному технологічному університеті) в учбовому процесі під час лекцій, проведенні лабораторних та практичних занять, виконанні курсових та дипломних проектів .

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ДИСЕРТАЦІЙНОЇ РОБОТИ ОПУБЛІКОВАНО У ТАКИХ РОБОТАХ

1. Ващенко В. А., Кириченко О. В., Лега Ю. Г., Заика П. И., Яценко И. В., Цыбулин В. В. Процессы горения металлизированных конденсированных систем. - К.: Наукова думка,2008 - 745 с.

Особистий внесок дисертанта - проведення експериментальних досліджень і розробка математичних моделей граничних режимів горіння ПНС за різних зовнішніх умов.

2. Ващенко В. А., Котельников Д. И., Лега Ю. Г., Краснов Д. М., Яценко И. В., Кириченко О. В. Тепловые процессы при электронной обработке оптических материалов и эксплуатации изделий на их основе. - К.: Наукова думка, 2006. - 368 с.

Особистий внесок дисертанта - розроблені математичні моделі і ППП для проведення розрахунків на ПЕОМ класу IBM процесів аеродинамічного нагріву металевих оболонок виробів.

3. Кириченко О. В., Акиньшин В. Д., Цыбулин В. В., Яценко И. В., Ващенко В. А. Моделирование экстремальных термовоздействий на поверхность металлических оболочек изделий на основе пиротехнических нитратных систем в динамических условияхэксплуатации // Вісник Східноукраїнського національного університету ім. В. Даля. - 2007. - № 3 (109) ч. 1. - С. 114 - 119.

Особистий внесок дисертанта - проведені експериментальні дослідження, розроблені математичні моделі екстремальних зовнішніх термовпливів на поверхню виробів на основі ПНС і визначені ділянки, де вони руйнуються в умовах аеродинамічного нагріву і вісесиметричного обертання.

4. Кириченко О. В., Заїка П. І., Цибулін В. В., Ващенко В. А. Пожежонебезпечні властивості піротехнічних нітратних систем в умовах надзвукового обдуву потоком повітря та вісесиметричного обертання // Вісник Черкаського державного технологічного університету. - 2006. - № 4. - С. 163 - 169.

Особистий внесок дисертанта - сформульовані рекомендації з пожежовибухобезпеки піротехнічних виробів на основі ПНС в стартових умовах застосування.

5. Кириченко О. В., Цыбулин В. В., Ващенко В. А., Заика П. И., Витько М. М. Методы термодинамического прогнозирования пожароопасных свойств металлизированных конденсированных систем // Вісник Черкаського державного технологічного університету. - 2006. - № 1. - С. 146 - 152.

Особистий внесок дисертанта - проведені розрахунки діапазонів зміни температури і складу продуктів згорання ПНС залежно від технологічних параметрів і зовнішніх умов.

6. Кириченко О. В., Цыбулин В. В., Ващенко В. А., Заика П. И. Устойчивость процесса горения металлизированных конденсированных систем в поле центробежных ускорений // Вісник Черкаського державного технологічного університету. - 2005. - № 4. - С. 169 - 176.

Особистий внесок дисертанта - проведені експериментальні дослідження процесу горіння ПНС, його припинення або переходу у вибух в умовах вісесиметричного обертання і впливу на нього надзвукового обдуву потоком повітря і співвідношення компонентів.

7. Кириченко О. В., Цыбулин В. В., Ващенко В. А., Заика П. И., Яценко И. В. Теоретические основы процесса горения металлизированных конденсированных систем в широком диапазоне изменения угловых скоростей вращения // Вісник Черкаського державного технологічного університету. - 2004. - № 1. - С. 102 - 108.

Особистий внесок дисертанта - сформульовані фізичні основи нестійкості процесу горіння ПНС в умовах підвищених кутових швидкостей вісесиметричного обертання для різних значень співвідношення компонентів.

8. Кириченко О. В., Цыбулин В. В., Ващенко В. А., Заика П. И., Яценко И. В. Теоретические исследования процесса горения металлизированных конденсированных систем в условиях встречного обдува потоком воздуха и осесимметричного вращения // Вісник Черкаського державного технологічного університету. - 2003. - № 4. - С. 126 - 132.

Особистий внесок дисертанта - проведені експериментальні дослідження і фізично обґрунтовані залежності швидкості горіння ПНС від швидкості обдуву потоком повітря і вісесиметричного обертання для різних значень технологічних параметрів.

9. Заика П. И., Кириченко О. В., Ващенко В. А. Анализ математических моделей горения металлизированных конденсированных систем // Науковий вісник УкрНДІПБ. - 2003. - № 21 (8). - С. 34 - 40.

Особистий внесок дисертанта - проведений аналіз математичних моделей горіння конденсованих систем типу метал + окислювач, який починає плавитися і розкладатися в межах конденсованої фази.

10. Ващенко В. А., Лега Ю. Г., Яценко И. В., Кириченко О. В., Краснов Д. М.,Веретельник Т. И. Нагрев поверхности пластины при продольном сверхзвуковом обдуве потоком воздуха // Вісник Сумського державного університету. Серія “Технічні науки”. - 2003. - 312 (58). - С. 143 - 153.