Механико-математический факультет МГУ имени М.В. Ломоносова, Объединенный Институт Высоких Температур РАН
Моделирование процессов горения является чрезвычайно важной, но в то же время сложной с точки зрения затраты вычислительных мощностей газодинамической задачей. Значительно оптимизировать построение решения позволяет использование табличной аппроксимации решений системы уравнений химической кинетики. Суть данного метода заключается в том, что для изучаемой горящей смеси генерируется массив данных о химической кинетике реакций. По полученным данным строится аппроксимированное решение уравнений на производство массы в различных ячейках данной смеси в зависимости от температуры. Решения задачи одномерного горения, полученные с использованием данного метода, значительно превосходят решения, полученные прямым вычислением по показателю эффективности, при этом мало уступают им в точности.
Однако, в случае двухмерного горения построить однозначную зависимость концентраций радикалов и одной лишь температуры невозможно в виду того, что пространство состояний радикалов представляет собой двухмерную поверхность. Тем не менее, исследование механизма возникновения гидродинамической и термодиффузионной неустойчивостей в процессе двухмерного ламинарного горения позволяет сделать вывод о том, что вся поверхность состояний радикалов в случае двухмерного горения может быть приближена кривыми состояния при горении той же смеси с добавлением малого количества радикала -H в начальную смесь.
Нахождение оптимальной параметризации приближенной поверхности в дальнейшем позволит получить аппроксимированное решение уравнений химической кинетики для задачи двухмерного горения и использовать его для более оптимального численного моделирования данного процесса.
Павел Павлович Введенский
ОИВТ РАН
Рис.1 (Слева) – Серия инфракрасных изображений распада фронта пламени на ячейки в 10 об% водородно-воздушной смеси в зазоре 3 мм в различные моменты времени; (Справа) – схематическое изображение распада фронта пламени на отдельные ячейки.
Распространение водородно-воздушного пламени в плоских зазорах играет ключевую роль в различных областях техники, включая микроэлектромеханические системы и разработку топливных ячеек
При горении водородно-воздушных смесей в плоском зазоре возникают постоянные потери тепла в стенки камеры сгорания. Сочетание ультра-бедных водородно-воздушных смесей и постоянные теплопотери приводят к режиму распространения пламени в виде разрозненных ячеек [1, 2].
В работе приведены экспериментальные исследования по горению водородно-воздушных смесей с объемной концентрацией водорода 7 и 10% в зазорах толщиной от 3 до 5 мм. Визуализация процесса с помощью инфракрасной камерой, регистрирующей длины волн от 1.5 до 5 мкм позволила получить изображения фронта пламени на начальном этапе и его последующий распад на отдельные ячейки (Рис.1).
Получены скорости распространения фронта пламени и ячеек пламени, проведен анализ и сравнение полученных скоростей со скоростью диффузии водорода. Показана форма фронта ячеек пламени. Распад дефлаграционного фронта является критическим случаем термодиффузионной неустойчивости, при котором происходит локальное затухание искривленного фронта пламени в вогнутостях. Предложен критерий распада фронта на отдельные ячейки.
1. Володин В.В., Голуб В.В., Ельянов А.Е. Исследование распространения водородно-воздушного пламени в плоском зазоре методом инфракрасной визуализации // ТВТ. 2024. В печати
2. Москалев П.В., Денисенко В.П., Кириллов И.А. Классификация и динамика ультрабедных водородо-воздушных пламен в горизонтальных цилиндрических ячейках Хеле–Шоу // ЖЭТФ. 2023. Т. 164 № 1. С. 117-28
Артём Евгеньевич Ельянов
Томский государственный университет, Томский государственный архитектурно-строительный университет
Рис. 1. Схема процесса взаимодействия частиц и древесины
Лесные пожары генерируют переносимые по воздуху фрагменты, известные как горящие и тлеющие частицы природного происхождения, которые являются одним из основных источников пожара, как в лесных, так и в городских условиях. Такие частицы способны перемещаться при помощи потоков воздуха, и в дальнейшем оседать на новых территориях, подобное оседание имеет риск возгорания новых участков, без какого-либо контакта с пламенем. Сам же механизм воспламенения строительных конструкций или растительного слоя происходит за счет лучистого нагрева или прямого контакта с пламенем [1].
Горящие и тлеющие частицы природного происхождения – частицы, которые были сгенерированы в результате таких действий как нагрев и деформация легко воспламеняемых природных материалов, таких как кустарники, деревья (или любое другое горючее) или стройматериалы, на более мелкие пламенные фрагменты во время пожара, как естественного (самовозгорание торфа), так и искусственного (сжигание мусора, непотушенные сигареты, сельскохозяйственные палы) происхождения.
В настоящее время отсутствуют математические модели, которые бы учитывали генерацию горящих частиц, их влияние на распространение фронта пожара и воспламенение строений. В связи с этим представляет интерес математическое моделирование процесса аккумуляции частиц и теплового воздействия на различные типы РГМ, в частности, на древесину [2]. В докладе представлены результаты численного исследования влияния различного состава, пористости и влажности слоя древесины на переход от низкотемпературного режима к зажиганию в результате воздействия частиц разной геометрии. Принципиальная физическая модель представлена на рисунке 1.
Интенсивный теплообмен с окружающей средой частиц малых размеров приводит к прекращению тления частицы и ее охлаждению. Если размеры частицы достигают критического значения, то в прилегающей к ней области начинается процесс пиролиза.
Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда (проект № 24-71-10029).
1. S. L. Manzello, T. G. Cleary, J. R. Shields, A. Maranghides, W. Mell, and J. C. Yang Experimental investigation of firebrands: Generation and ignition of fuel beds / Fire Safety Journal. 2008. Vol. 43. Pp. 226-233. https://doi.org/10.1016/j.firesaf.2006.06.010
2. O. V. Matvienko, D. P. Kasymov, E. L. Loboda [et al.] Modeling of wood surface ignition by wildland firebrands / Fire. 2022. Vol. 5, № 2. Pp. 1-24. https://doi.org/10.3390/fire5020038
Денис Петрович Касымов
