Физическое и математическое моделирование ударно-волновых процессов, обеспечивающих интенсивное газодинамическое воздействие на фронт низового лесного пожара

Тип работы:
Диссертация
Предмет:
Механика
Страниц:
112
Узнать стоимость новой

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

В настоящее время в мире ежегодно регистрируется около 7 млн. пожаров, в огне которых погибают около 70 тыс. человек. Россия, как по количеству пожаров, так и по числу человеческих жертв занимает одно из первых мест в мире. Основную часть природных пожаров составляют пожары в лесах. Лесные пожары охватывают площади от нескольких сотен до нескольких миллионов гектаров в год и оказывают разрушительное воздействие на окружающую среду. Поэтому охрана леса от пожаров является важной и актуальной проблемой в последнее время.

К сожалению, имеющихся в настоящее время способов и устройств, результативных при тушении лесных пожаров, недостаточно. Поэтому разработка и создание научно-обоснованных подходов по борьбе с лесными пожарами продолжают развиваться и вызывать как научный, так и практический интересы.

Необходимо отметить, что методы математического моделирования и механики сплошных сред успешно применяются для изучения проблем охраны окружающей среды.

Согласно [1], лесным пожаром называется явление неуправляемого многостадийного горения в открытом пространстве, на покрытой лесом площади, в рамках которого имеют место взаимосвязанные процессы конвективного и радиационного переноса энергии, нагревания, сушки и пиролиза лесных горючих материалов (ЛГМ), — а также горение газообразных и догорание конденсированных продуктов пиролиза JITM.

Под пиролизом JITM, в соответствии с общим определением [2], понимается расщепление при высокой температуре сложных органических соединений, из которых состоят JITM, на более простые. В качестве более простых веществ получаются конденсированный продукт — коксик, состоящий из почти чистого углерода, и газообразные горючие и негорючие продукты СН4, Н2, СО, и Н20.

Экспериментальные и теоретические исследования [1] показали, что фронт как верхового, так и низового лесных пожаров имеет сложную структуру, включающую в себя зону прогрева, сушки и пиролиза ЛГМ, горения газообразных продуктов пиролиза и догорания конденсированных продуктов. Процессы горения лимитируются притоком кислорода и газообразных горючих продуктов пиролиза, т. е. носят диффузионный характер. Если разрушить структуру фронта пожара, то, как показали эксперименты [1], распространение его прекращается. Наиболее уязвимой его частью являются зоны пиролиза и смешения горючих продуктов пиролиза с кислородом. Действительно, в этой части фронта находится взрывоопасная смесь, поэтому достаточно относительно небольшого воздействия на эту зону, чтобы произошел взрыв и пламенное горение прекратилось. Именно благодаря эффекту взрыва горючей смеси в зоне пиролиза фронта лесного пожара можно разрушить структуру фронта и прекратить его распространение. Такой подход представляет собой конкретное содержание новой концепции борьбы с лесными пожарами, предложенной автором работы [1]. Суть ее состоит в использовании относительно малых энергетических воздействий на наиболее уязвимую часть фронта лесного пожара — зону пиролиза, для реализации условий его потухания.

Это явление впервые было обнаружено экспериментально при тушении лесных пожаров в сосновых молодняках шнуровыми зарядами типа IDKB-20 и ЭШ-1П, и доказано теоретически в работах [1, 3−5]. Однако, недостаток информации о предельных концентрациях продуктов пиролиза, способных детонировать, ограничивает поиск эффективных научно-технических решений- по использованию ударно-волнового метода пожаротушения на практике. Поэтому исследование взаимодействия УВ с продуктами пиролиза различных концентраций, полученных из древесины, хвои кедра и сосны при температуре пиролиза, является актуальной задачей.

Реализация ударно-волнового метода пожаротушения требует создания безопасных, надежных и компактных устройств, примеры которых известны [6]. В настоящее время актуальной является задача повышения эффективности подобных устройств. Одним из путей решения данной проблемы служит повышение интенсивности генерируемых УВ. Способ, предложенный в [7], 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.

Целью диссертационной работы является изучение ударно-волновых процессов, обеспечивающих интенсивное газодинамическое воздействие на фронт низового лесного пожара, и научное обоснование повышения эффективности практического применения ударно-волнового метода пожаротушения.

Для достижения намеченной цели были поставлены 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 исследования заключается в следующем:

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 JITM 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 ударно-волнового 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 ( 'www.gdz-mir.ru', 26 ).

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& quot- 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.

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 [8]. 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 научно-технических 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 физико-технического профиля (использование созданных стендов и установок учебном процессе для проведения лабораторных занятий со студентами при изучении ударно-волновых процессов).

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& raquo- результатов численного4 моделирования обеспечивается^ применением обоснованной математической модели, высокой: точностью разнрстной аппроксимации, тестированием алгоритма на известных задачах, а также сопоставлением с полученными экспериментальными данными.

Теоретическая и практическая значимость, а также перспективность работы получили признание в России и за рубежом как имеющие важное значение в соответствующей области знаний и подтверждены финансовой поддержкой в гранте РФФИ № 08−01−90 703-мобст & laquo-Научная работа российского молодого ученого инженера Института теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН Ануфриева Игоря Сергеевича в ГОУВПО & laquo-Томском государственном университете& raquo-»-, 2008 г., в гранте РФФИ № 07−08−296-а & laquo-Влияние винтовой структуры вихревого потока на тепломассообмен и горение& raquo-, 2007−2009 гг., а также в гранте РФФИ № 09−08−9 222-мобз & laquo-Участие в Шестом средиземноморском симпозиуме по горению& raquo-, 2009 г.

Основные результаты исследований, представленных в диссертации, апробированы на 15 международных, всероссийских и региональных конференциях, в том числе Международной конференции & laquo-Сопряженные задачи механики, информатики и экологии& raquo- (Горно-Алтайск, 2004), XIII Симпозиуме по горению и взрыву (Черноголовка, 2005), XV Школе-семинаре молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А. И. Леонтьева & laquo-Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках& raquo- (Калуга, 2005), Международной конференции & laquo-Лесные и степные пожары: возникновение, распространение, тушение и экологические последствия& raquo- (Иркутск, 2005), Международной школе-конференции молодых ученых & laquo-Физика и химия наноматериалов& raquo- (Томск, 2005), VI Всероссийской конференции молодых ученых по математическому моделированию и информационным технологиям (Кемерово, 2005), Международной конференции & laquo-Пятые Окуневские чтения& raquo- (Санкт-Петербург, 2006) — XLV Международной*научной студенческой. конференции & laquo-Студент и научно-технический прогресс& raquo- (Новосибирск, 2007), Международной конференции & laquo-Сопряженные задачи механики реагирующих сред,. информатики и экологии& raquo- (Томск, 2007), Всероссийской школе-семинаре молодых ученых & laquo-Физика неравновесных процессов в энергетике и наноиндустрии& raquo- (Новосибирск, 2007), Международной конференции & laquo-Математическое моделирование опасных природных явлений и катастроф& raquo- (Томск, 2008), VII International Symposium on Hazards, Prevention and Mitigation of Industrial Explosions (Санкт-Петербург, 2008), X Всероссийской школе-конференции молодых ученых & laquo-Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики& raquo- (Новосибирск, 2008), 8-ой Всероссийской конференции с участием зарубежных ученых & quot-Сопряженные задачи механики реагирующих сред, информатики и экологии& quot- (Томск, 2009), Sixth Mediterranean Combustion Symposium (Портиччо-Аяччо, Корсика, Франция, 2009), а также 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. 2009 г.

Основные результаты диссертации опубликованы в 20 работах, в том числе в двух статьях в журналах, рекомендованных ВАК, восьми докладах в трудах международных конференций, патенте РФ на полезную модель устройства для локализации и тушения лесных пожаров.

Работа выполнена в ИТ СО РАН и на кафедре физической и вычислительной механики механико-математического факультета Томского государственного университета.

Диссертация состоит из введения, пяти разделов, выводов и списка использованной литературы из 96 наименований на русском и иностранных языках. Работа содержит 112 страниц текста, 44 рисунка и 7 таблиц.

выводы

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

2. На основе выполненного в лабораторных условиях исследования динамики УВ, распространяющихся в смеси воздуха с продуктами пиролиза JITM различной концентрации, показана немонотонная зависимость повышения давления в УВ от объемной концентрации продуктов пиролиза ЛГМ, на используемой установке получено максимальное повышение интенсивности УВ (на 25%) при протекании химических реакций в смеси с объемной концентрацией продуктов пиролиза ЛГМ С = 0,5.

3. В результате проведенного экспериментального исследования динамики УВ в ударной трубе с коническим конфузором проанализировано влияние геометрических параметров на интенсивность УВ, решена оптимизационная задача и найдены значения параметров, обеспечивающие максимальное повышение давления в УВ на выходе из ударной трубы за счет отражений от стенок конфузора.

4. В рамках математической модели осесимметричного нестационарного течения сжимаемого газа в ударной трубе с коническим конфузором выполнены численные расчеты распределений газодинамических параметров, проанализировано влияние геометрических факторов на параметры УВ, теоретически обоснован способ повышения эффективности ударно-волновых устройств для борьбы с лесными пожарами.

5. Проведенные лабораторные исследования по. газодинамическому воздействию на очаг горения ЛГМ показали, что использование ударных труб с коническими конфузорами оптимальной формы позволяет значительно повысить эффективность и безопасность ударно-волновых устройств для борьбы с низовыми лесными пожарами.

6. На основе проведенных комплексных экспериментальных и теоретических исследований создана полезная модель ударно-волнового устройства для локализации и тушения лесных пожаров, показаны и обоснованы практические преимущества предложенной конструкции.

Показать Свернуть

Содержание

1 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ И ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1 Классификация способов борьбы с лесными пожарами.

1.2 Исследования процессов взаимодействия ударных волн с отражающими поверхностями.

1.3 Экспериментальные методы исследования ударных волн.

1.4 Математическое моделирование ударно-волновых процессов.

1.5 Объект исследования.

2 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ И МЕТОДИКИ.

2.1 Описание экспериментальных установок.

2.2 Методики измерения газодинамических параметров ударных волн

2.3 Методы математической обработки результатов измерений.

3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИКИ УДАРНЫХ ВОЛН.

3.1 Выбор определяющих параметров и критерии подобия.

3.2 Исследование динамики ударных волн в смесях продуктов пиролиза лесных горючих материалов с воздухом.

3.3 Исследование динамики ударных волн при их распространении в ударной трубе с коническим конфузором. Результаты экспериментов и их обработка.

3.4 Визуализация структуры течения.

4 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ УДАРНО-ВОЛНОВЫХ ПРОЦЕССОВ В ЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ ТРУБЕ С КОНИЧЕСКИМ СУЖЕНИЕМ.

4.1 Постановка задачи.

4.2 Численная процедура решения. Конечно разностная схема. Метод решения.

4.3 Тестирование алгоритма.

4.4 Результаты численных расчетов и их анализ.

5 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ГАЗОДИНАМИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ФРОНТ НИЗОВОГО ЛЕСНОГО ПОЖАРА.

5.1 Модель устройства для локализации’и тушения низовых лесных пожаров.

5. 2-Результаты лабораторных экспериментов по газодинамическому воздействию на фронт низового лесного пожара.

ВЫВОДЫ.

Список литературы

1. Гришин А. М. Математическое моделирование лесных пожаров и новые способы борьбы с ними / А. М. Гришин. Новосибирск: Наука, 1992. — 408 с.

2. Бусев А. И. Определения, понятия, термины в химии / А. И. Бусев, И. П. Ефимов. М.: Просвещение, 1977. — 224 с.

3. Гришин А. М. Физика лесных пожаров / А. М. Гришин. Томск: Изд-во Томского ун-та, 1994. — 218 с.

4. Гришин А. М. Экспериментальное и теоретическое исследование воздействия взрыва на фронт верхового лесного пожара / А. М. Гришин, Ю. М. Ковалев // ДАН СССР. 1989. — Т. 308, № 5. — С. 1074−1078.

5. Гришин А. М. Об усилении ударных волн при взаимодействии с фронтом лесного пожара / А. М. Гришин, Ю. М. Ковалев // ДАН СССР. -1990. Т. 312, № 1. — С. 50−54.

6. Пат. 2 033 826 CI Россия, МКИ 6 А 62 С 3/02. Устройство для локализации и тушения лесных пожаров. / А. М. Гришин, В. А. Антонов, Л. Ю. Наймушина, А. Н. Голованов, Ю. В. Кустов. № 4 852 597- заявлено 20. 07. 90 — опубл. 30. 04. 95, Бюл. № 12. -4 с.

7. Shock-wave effect on the fire / I. S. Anufriev et. al. // Proceedings. Seventh International Symposium on Hazards, Prevention and Mitigation of Industrial Explosions. St Petersburg, Russia, July 7−11, 2008. St. Petersburg, 2008. — Vol. 3. — P. 284−289.

8. Указания по обнаружению и тушению лесных пожаров. — М.: Гослесхоз СССР, 1976. 110 с.

9. Софронов М. А. Огонь в лесу / М. А. Софронов. Новосибирск: Наука, 1981. -128 с.

10. Способ тушения пожара на открытой площади / Р. П. Козлов и др. // Открытия. Изобрет. 1983. — № 8.

11. Гейман JI. М. Взрыв / Л. М. Гейман. М.: Наука, 1978. — 182 с.

12. Арцыбашев Е. С. Основные задачи лесной пирологии // Лесные пожары и борьба с ними. Л.: ЛенНИИЛХ, 1986. — С. 3−12.

13. Валендик Э. Н. Крупные лесные пожары / Э. Н. Валендик, П. М. Матвеев, М. А. Софронов. М: Наука, 1979. — 198 с.

14. Орлов О. К. Эластичные шнуровые заряды для борьбы с лесными пожарами / О. К. Орлов, Ю. В. Кустов // Лесные пожары и борьба с ними. -Л.: ЛенНИИЛХ, 1986. С. 102−107.

15. Черный Г. Г. Газовая динамика: учебник для университетов и втузов / Г. Г. Черный. М.: Наука, 1988. — 424 с.

16. Баум Ф. А. Физика взрыва / Ф. А. Баум, К. П. Станюкович, Б. И. Шехтер. — М.: Гос. изд-во физ. -мат. лит., 1959. 800 с.

17. Courant R. Supersonic Flow and Shock Waves / R. Courant, K. Friedrichs. New York: Interscience, 1948. — 426 p.

18. Прикладная газовая динамика / С. А. Христианович и др. 1948. — 149 с.

19. Ляхов В. Н. Воздействие ударных волн и струй на элементы конструкций / В. Н. Ляхов, В. В. Подлубный, В. В. Титаренко. — М.: Машиностроение, 1989.

20. An album of fluid Motion / Assembled by Milton Van Dyke. Stanford (USA): Parabolic Press, 1982. — 182 p.

21. Экспериментальное исследование маховского отражения слабых ударных волн / Г. А. Макаревич и и др. // Журн. техн. физики. — 1984. Т. 54, № 3. -С. 625−628.

22. Семенов А. Н. Экспериментальное изучение особенностей маховского отражения в ударной трубе / А. Н. Семенов, М. П. Сыщикова, М. К. Березкина // Журн. техн. физики. 1970. — Т. 15, № 5. — С. 1033−1043.

23. Семенов А. Н. Свойства маховского отражения при взаимодействии ударных волн с неподвижным клином / А. Н. Семенов, М. П. Сыщикова // ФГВ. 1975. — Т. 11, № 4. — С. 596−608.

24. Ударные и детонационные волны. Методы исследования / И. Ф. Кобылкин и др. -М.: Изд-во физ. -мат. лит., 2004. — 375 с.

25. Дубовик А. С. Фотографическая регистрация быстропротекающих процессов / А. С. Дубовик. М.: Наука, 1984. — 320 с.

26. Зельдович Я. Б: Физика ударных волн и высоко