WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     |
|

На правах рукописи

Ануфриев Игорь Сергеевич ФИЗИЧЕСКОЕ И МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ УДАРНО-ВОЛНОВЫХ ПРОЦЕССОВ, ОБЕСПЕЧИВАЮЩИХ ИНТЕНСИВНОЕ ГАЗОДИНАМИЧЕСКОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ НА ФРОНТ НИЗОВОГО ЛЕСНОГО ПОЖАРА 01.02.05 – «Механика жидкости, газа и плазмы» 03.00.16 – «Экология» (физико-математические наук

и)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук Томск – 2009 Диссертация выполнена в учреждении Российской академии наук Институте теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения РАН и на кафедре физической и вычислительной механики государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования Томского государственного университета.

Научные руководители: доктор физико-математических наук Шарыпов Олег Владимирович доктор технических наук Голованов Александр Николаевич

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук Троицкий Олег Юрьевич доктор физико-математических наук Крайнов Алексей Юрьевич

Ведущая организация: Учреждение Российской академии наук Институт гидродинамики им. М.Л.

Лаврентьева Сибирского отделения РАН

Защита состоится 4 декабря 2009 в 14 часов 30 минут на заседании диссертационного совета Д 212.267.13 при Томском государственном университете по адресу: 634050, г. Томск, пр. Ленина, 36.

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке Томского государственного университета по адресу: г. Томск, пр. Ленина, 34а.

Автореферат разослан «» _ 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета д.т.н. Ю.Ф. Христенко 2

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. В настоящее время подробно исследованы фундаментальные закономерности процессов инициирования и распространения ударных волн (УВ) в химически инертных газовых средах, в том числе – в каналах различной формы. УВ широко используются при изучении физики неравновесных процессов. Все большее применение УВ находят в области решения прикладных задач. Одно из важных новых направлений практического применения УВ связано с их взаимодействием с процессами горения. В зависимости от конкретных условий УВ могут приводить, как к интенсификации горения (вплоть до перехода к детонационному режиму), так и к его подавлению (вплоть до прекращения).

Последнее позволило разработать ударно-волновые методы борьбы с лесными пожарами [1], представляющими огромную опасность и наносящими значительный экономический ущерб.

Фронт, как верхового, так и низового лесного пожара имеет сложную структуру, включающую зону прогрева, сушки и пиролиза лесных горючих материалов (ЛГМ), горения газообразных продуктов пиролиза и догорания конденсированных продуктов. Разрушение структуры фронта пожара приводит к прекращению его распространения [1]. Наиболее уязвимой частью являются зоны пиролиза и смешения горючих продуктов пиролиза с кислородом:

достаточно относительно небольшого воздействия на эту зону, чтобы произошел взрыв и пламенное горение прекратилось. Используя этот эффект, можно разрушить структуру фронта лесного пожара и прекратить его распространение. Данный подход представляет собой конкретное содержание новой концепции борьбы с лесными пожарами, предложенной в работе [1].

Недостаток информации о предельных концентрациях продуктов пиролиза, способных детонировать, ограничивает поиск эффективных научнотехнических решений по использованию ударно-волнового метода пожаротушения. Поэтому исследование взаимодействия УВ с продуктами пиролиза ЛГМ различной концентрации является актуальной задачей.

Реализация ударно-волнового метода пожаротушения требует создания безопасных, надежных и компактных устройств, примеры которых известны [2]. В настоящее время актуальной является задача повышения эффективности подобных устройств. Одним из путей решения данной проблемы служит повышение интенсивности генерируемых УВ. Способ, предложенный в [3], предполагает использование ударной трубы с коническим конфузорным насадком. Реализация предложенного метода требует соответствующего научного обоснования. Этим обусловлена актуальность физического и математического моделирования процессов интенсификации УВ при распространении в сужающемся канале.

Объектом исследования в диссертационной работе является динамика УВ в каналах переменного сечения, заполненных инертными и горючими газовыми смесями, эффекты газодинамического воздействия на распространение пламени.

Предметом исследования служат закономерности усиления УВ при распространении в смесях воздуха с продуктами пиролиза ЛГМ и при прохождении через конфузорную часть ударной трубы, а также факторы, определяющие эффективность ударно-волнового метода тушения низовых лесных пожаров.

Методы исследования. В диссертационной работе используются методы физического и численного моделирования, методы статистического анализа полученных данных. Методологической базой исследования служат работы [1, 5-14, 16-19].

Цели и задачи исследования. Целью диссертационной работы является изучение ударно-волновых процессов, обеспечивающих интенсивное газодинамическое воздействие на фронт низового лесного пожара, и научное обоснование повышения эффективности практического применения ударноволнового метода пожаротушения. В соответствии с целью, решались следующие задачи:

1. Обзор современного состояния исследований по теме работы.

2. Разработка и создание экспериментальных установок для исследования динамики генерируемых УВ, для получения продуктов пиролиза ЛГМ и для газодинамического воздействия на фронт низового лесного пожара.

3. Проведение экспериментальных исследований по определению:

- оптимальных геометрических параметров конических конфузоров для повышения интенсивности УВ на выходе из ударной трубы;

- изменения интенсивности УВ при распространении в горючей газовой смеси с различной концентрацией продуктов пиролиза ЛГМ;

- эффективности воздействия УВ на фронт низового лесного пожара.

4. Математическое моделирование нестационарного процесса распространения УВ в цилиндрической ударной трубе с коническими конфузорами, сравнительный анализ результатов расчетов с полученными экспериментальными данными.

5. Разработка и создание полезной модели устройства для локализации и тушения лесных пожаров.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработаны и созданы установки и стенды для экспериментального исследования динамики УВ и их воздействия на фронт низового лесного пожара (в лабораторных условиях).

2. Впервые в лабораторных условиях получены данные о влиянии концентрации продуктов пиролиза ЛГМ в воздухе на интенсивность УВ.

3. Найдены оптимальные геометрические параметры конических конфузоров, обеспечивающие максимальное увеличение давления во фронте УВ на выходе из ударной трубы.

4. В двумерной постановке выполнен численный расчет нестационарного течения газов в модели нового перспективного ударноволнового устройства для борьбы с лесными пожарами.

5. С использованием созданной полезной модели ударно-волнового устройства для локализации и тушения лесных пожаров в полунатурных условиях показаны возможности эффективного тушения низовых лесных пожаров.

На защиту выносятся:

1. Разработанные установки и стенды для экспериментального исследования динамики УВ и газодинамического воздействия на фронт низового лесного пожара.

2. Результаты экспериментального определения влияния концентрации продуктов пиролиза ЛГМ в воздухе и геометрических характеристик конических конфузоров на параметры УВ в ударной трубе.

3. Математическая модель и результаты численного моделирования инициированного взрывом ударно-волнового течения газа в ударной трубе с коническим конфузором, позволяющие установить оптимальные параметры генератора УВ.

4. Обоснование способа тушения низовых лесных пожаров и созданная полезная модель устройства для локализации и тушения лесных пожаров, демонстрирующая эффективный и безопасный способ пожаротушения.

Достоверность. Достоверность результатов экспериментальных исследований обеспечена корректным применением измерительных методик и средств измерений, использованием различных способов инициирования УВ, статистической обработкой результатов измерений, их анализом и сравнением с известными экспериментальными и теоретическими данными, опубликованными в научной литературе. Достоверность результатов численного моделирования обеспечивается применением обоснованной математической модели, высокой точностью разностной аппроксимации, тестированием алгоритма на известных задачах, а также сопоставлением с полученными экспериментальными данными.

Практическая значимость полученных результатов определяется, в первую очередь, важностью представленного в работе научного обоснования повышения эффективности практического применения ударно-волнового метода пожаротушения, в том числе – с использованием созданного устройства для локализации и тушения лесных пожаров [15]. Данные результаты работы значимы для решения практических задач предотвращения негативных экономических и экологических последствий лесных пожаров. Полученные результаты также могут найти применение при решении новых научнотехнических задач, направленных на совершенствование способов пожаротушения на основе ударно-волнового метода. Использование полученных результатов может быть рекомендовано Министерству по чрезвычайным ситуациям РФ, а также высшим учебным заведениям физикотехнического профиля (использование созданных стендов и установок учебном процессе для проведения лабораторных занятий со студентами при изучении ударно-волновых процессов).

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы представлены 2005-2009 гг. на 15 международных, всероссийских и региональных конференциях (см. список публикаций по теме диссертации), на научных семинарах: лаборатории радиационного теплообмена ИТ СО РАН 28.04.2009 г., отдела термодинамики веществ и излучений ИТ СО РАН 08.10.2009 г., кафедры физической и вычислительной механики ТГУ 15.10.г.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, выводов и списка литературы из 96 наименований на русском и иностранных языках.

Работа содержит 112 страниц текста, 44 рисунка и таблиц.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах, приведенных в списке публикаций по теме диссертации, включающем 20 работ, в том числе 2 статьи в журналах, рекомендованных ВАК, 8 докладов в трудах международных конференций, патент РФ на полезную модель устройства для локализации и тушения лесных пожаров. Выполнение исследований было поддержано грантами РФФИ № 08-01-90703-моб_ст, № 09-08-09222-моб_з, № 07-08-00296-а.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы работы, формулируются цель и задачи исследования, приводятся научная новизна работы и практическая значимость результатов, положения, выносимые на защиту.

В разделе 1 дается краткий литературный обзор российских и зарубежных работ по теме исследования, в том числе – описывается классификация известных способов борьбы с лесными пожарами, приводится анализ процессов взаимодействия УВ с отражающими поверхностями, рассматриваются экспериментальные методы исследования ударно-волновых процессов в газовых средах и численные методы решения нелинейных систем уравнений газовой динамики. Результаты обзора подтверждают актуальность темы работы, обоснованность цели, задач и методов исследований.

Раздел 2 посвящен описанию экспериментальных установок, разработанных для создания и изучения сверхзвуковых и высокоэнтальпийных течений газа, для получения продуктов пиролиза ЛГМ, а также описанию измерительных методик и методов математической обработки результатов измерений.

Генерирование УВ осуществлялось двумя способами. В первом использовалась ударная труба с камерами высокого и низкого давления, разделенными мембраной (рисунок 1). Данная установка предназначена для исследования эффекта усиления УВ при распространении в смеси продуктов пиролиза ЛГМ с воздухом. Стехиометрическая смесь ацетилена с кислородом при нормальном давлении подавалась в отсек I ударной трубы, инициирование осуществлялось с помощью высоковольтного (40 кВ) высокочастотного разряда через зазоры контактов. В результате резкого возрастания давления в отсеке I происходил разрыв мембраны, и в отсеке II, заполненном смесью воздуха с продуктами пиролиза ЛГМ заданной объемной концентрации, распространялась УВ. Продукты пиролиза ЛГМ получали с помощью газогенератора (рисунок 2) [4]. Способ получения продуктов пиролиза ЛГМ:

исходный материал (древесина (опилки), хвоя кедра и сосны) помещался в кварцевую трубку и нагревался до температуры пиролиза Т = (600 650) К [1] с помощью регулятора напряжения в электронагревателе. Продукты пиролиза из газогенератора поступали в емкость известного объема, заполненного водой, вытесняя жидкость. Полученный объем продуктов пиролиза подавался при комнатной температуре в отсек II ударной трубы и перемешивался с воздухом (выходное отверстие ударной трубы было заглушено мембраной).

Рисунок 1 – Принципиальная схема экспериментальной установки (ударной трубы): стальная цилиндрическая труба – 1, крышка – 2, пробка из текстолита – 3, равномерно размещенные контакты с зазорами – 4, отверстия для крепления датчиков давления – 5, отверстия со штуцерами для подачи взрывчатой газовой смеси – 6, мембрана – 7, цифры в окружностях – номера измерительных точек, ПП ЛГМ – канал подачи продуктов пиролиза ЛГМ Рисунок 2 – Схема газогенератора для получения продуктов пиролиза ЛГМ: корпус – 1, кварцевая трубка – 2, электронагреватель – 3, исходный материал – 4, пробки – 5, термопара – Объемная концентрация продуктов пиролиза ЛГМ в смеси с воздухом (С) в отсеке II трубы варьировалась в пределах С = 0,05 0,70. В экспериментах с помощью пьезоэлектрических датчиков давления ЛХ–610 регистрировалось давление во фронте УВ в двух точках с известным расстоянием между ними (рисунок 1). Регистрация сигналов, поступающих с датчиков давления, производилась при помощи цифрового запоминающего осциллографа Tektronix TDS-1002, полученные данные обрабатывались на компьютере.

Pages:     |
|



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

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.