Юрий Христофорович ПОЛАНДОВ, доктор технических наук, профессор, руководитель Научно-образовательного центра “Механика жидкости и газа, физика горения”
302026, г. Орел, ул. Комсомольская, 95
lurii Kh. POLANDOV, Doctor of Technical Sciences, Professor, Head of Scientific-Educational Center “Fluid Mechanics. Combustion”
Komsomolskaya St., 95, Orel, 302026
Сергей Александрович ДОБРИКОВ, исследователь; инженер-программист ООО “МЕРА-НН”
302026, г. Орел, ул. Комсомольская, 95; 603163, г. Нижний Новгород, ул. Деловая, 13
Sergey A. DOBRIKOV, Researcher; Software Designer at MERA
Komsomolskaya St., 95, Orel, 302026; Delovaya St., 13, Nizhniy Novgorod, 603163, Russian Federation
Введение. Доселе было известно, что при газовых взрывах в незамкнутой камере давление взрыва тем больше, чем дальше от сбросного проема (окна) находится место воспламенения газа. Это утверждение основано на результатах, полученных рядом исследователей, в том числе нами. Однако последние физические опыты показали, что это справедливо только при размерах окон, сопоставимых с теми, которые рекомендуются нормативами как обеспечивающие определенные условия безопасности. При меньших же размерах окон эта зависимость нивелируется, и более того, меняет знак на противоположный.
Задачей исследования является выяснение причины инверсии влияния расстояния между окном и местом воспламенения на давление взрыва. Решение этой задачи имеет научное и практическое значение.
Методы и средства исследования. Для исследования выявленного эффекта были использованы два варианта математической модели развития газового взрыва в незамкнутой камере — упрощенная и численная. Первая из них, упрощенная, основана на представлении камеры в виде сосредоточенного объема, использовании уравнения Клайперона в дифференциальной форме. Получено, что, помимо известных факторов, таких как размер окна, свойства истекающих газов и др., на развитие взрыва влияют площадь фронта пламени и момент его подхода кокну. К сожалению, эта модель в принципе не учитывает динамику развития последних факторов. Сделать это позволяет другая модель, численная, представленная программным продуктом “Вулкан-М”, основанным на решении методом крупных частиц системы уравнений газовой динамики в эйлеровской форме при добавлении условий распространения пламени. Кроме того, “Вулкан-М” позволяет визуализировать эволюцию физического процесса, регистрировать развитие его параметров и показателей.
Результаты исследования. Получено, что при размерах окна, сравнимых с нормативными, столь большое влияние его положения на давление определяется не только разницей свойств истекающих газов (исходной смеси и продуктов сгорания), но и тем, что в начальный период развития взрыва площадь фронта пламени в случае удаленного положения окна значительно больше, чем при малом расстоянии между ним и местом воспламенения. При малом окне темп набора давления в начальный период в обоих случаях взрыва высок и практически одинаков, поэтому решающее влияние на значение максимального давления оказывает время горения. При удаленном расположении окна от места воспламенения время горения меньше по сравнению с близким расположениием. В результате этого максимум давления во втором случае больше, чем в первом. Этим и объясняется обнаруженный эффект.
Вывод. Чем больше размер окна, тем сильнее его влияние на давление взрыва. Причем это влияние не только обуславливается истечением газов, но и усиливается, иногда значительно, через влияние на развитие фронта пламени. При уменьшении размеров окна его влияние на развитие фронта пламени ослабляется, доходя до ничтожного. В этом случае на давление взрыва, помимо размера окна, влияет время горения.
Introduction. It has been previously known that for gas explosions in an unconfined chamber the following rule applies: the larger the distance between gas ignition location and relief opening (window), the higher the explosion pressure. This statement is based on results obtained by a number of researchers, including ourselves. However, as demonstrated by recent physical experiments, it is valid only for window sizes comparable to those recommended by guidelines to ensure certain safety conditions. For smaller window sizes, this relationship is leveled out or even changes its sign.
Research objective is to determine the cause of inversed relationship between distance from the window to ignition location and explosion pressure. Tackling this objective is of scientific and practical importance.
Research methods and tools. Two mathematical model variants for gas explosion development in an unconfined chamber were employed to study the revealed phenomenon, i. e. simplified model and numerical model. The first one, i. e. simplified model, is based on chamber representation as lumped volume, and using the Clapeyron equation in differential form. It was obtained that besides known factors, such as window size, properties of outflowing gases, etc., explosion development is influenced by the area of flame front and the time when it approaches the window. Unfortunately, this model does not take into account the dynamics of last factors development altogether. This task can be handled by the other model, numerical, implemented in Vulkan-M software. It is based on solving the gas dynamics equation system using large-particle method in Eulerian representation with added flame propagation conditions. Besides, Vulkan-M can visualize the physical process evolution, as well as record how its parameters and indicators develop.
Research results. It was found that if the window size is comparable to regulatory values, such a strong influence of window position on pressure is due not only to the difference of out flowing gas properties (initial mixture and combustion products), but also dueto the factthatin the initial period of explosion development the flame front area is much larger for a further removed window than in case of a small distance between the window and ignition location. For a smaller window, the pressure increase rate in the initial period is high and almost identical for both explosion scenarios. Therefore, combustion time becomes decisive for the maximum pressure value. If the window is located far from the ignition, combustion time is shorter than in case of a smaller distance. As a result, maximum pressure in the second case is higher than in the first case. This explains the revealed phenomenon.
Conclusion. The larger the window size, the stronger it affects the explosion pressure. This influence is determined not only by gas outflow, but it intensifies, sometimes significantly, due to the influence on flame front development. If the window size is decreased, its influence on flame front development is weakened and becomes negligible. In this case, the explosion pressure is affected by combustion time, besides window size.
The authors declare that there are no conflicts of interest present.