Влияние дисперсности частиц на динамику горения алюминия в 1-м³ камере

Введение. Результаты стандартного исследования взрывоопасности аэровзвесей алюминия (АВА) могут способс твовать развитию физики горения АВА. В частности, комплекс сведений о полидисперсности и значен иях бедного предела турбулентного горения АВА в камере объемом V = 1 м³ позволил определить максимальный размер частиц взрывоопасной фракции полидисперсного образца d^*_m,t ≈ 40–50 мкм (Полетаев, 2014). В настоящей работе устанавливается связь между динамикой горения АВА в 1-м³ камере и дисперсностью частиц. Дисперсность частиц образца описывается среднемассовым размером частиц его взрывоопасной фракции (d^*₅₀) в отличие от работ других исследователей, которые используют среднемассовый размер всех частиц (d₅₀).

Исходные данные. Использовались известные сведения о дисперсности и параметрах взрыва 15 образцов алюминия, исследованных в 1-м³ камере. Необходимые для расчета d^*₅₀, непрерывные функции распределения частиц по размерам представлялись распределениями Розина – Раммлера, заполняющими промежутки между дискретными данными ситового анализа образцов.

Динамика горения. Динамика турбулентного горения АВА в 1-м³ камере представлена максимальной скорост ью выгорания аэровзвеси U_b. Расчет U_b производили по формуле (Kumar, 1992), предназначенной для газовоздушных смесей, путем подстановки в эту формулу параметров взрыва АВА.

Результат работы и его обсуждение. Приведен график зависимости комплекса d^*₅₀ U_b от  d^*₅₀. Усредненное значение комплекса (≈ 33 мкм·м/с) постоянно в диапазоне 10 ≤ d^*₅₀ ≤ 35 мкм. Последнее свойственно для произведения размера частиц на нормальную скорость ламинарного пламени в АВА (Ben Moussa, 2017) и говорит о подобии влияния дисперсности частиц на динамику турбулентного и ламинарного горения АВА.

Выводы. Дисперсность взрывоопасного полидисперсного образца алюминия определяется средним размером частиц взрывоопасной фракции образца d^*₅₀. Подобие закономерностей горения указывает на связь механизмов распространения ламинарного и турбулент ного пламени в АВА.

1. Yuan Z., Khakzad N., Khan F., Amyotte P. Dust explosions: A threat to the process industries // Process Safety and Environmental Protection. 2015. Vol. 98. Pp. 57–71. DOI: 10.1016/j.psep.2015.06.008

2. Marmo L., Riccio D., Danzi E. Explosibility of metallic waste dusts // Process Safety and Environmental Protection. 2017. Vol. 107. Pp. 69–80. DOI: 10.1016/j.psep.2017.01.011

3. Eckhoff R.K. Dust explosions in process the industries. 3rd ed. Gulf Professional Publishing/Elsevier, Boston, 2003. 720 p.

4. Julien P., Vickery J., Whiteley S., Wright A., Goroshin S., Bergthorson J.M., Frost D.L. Effect of scale on freely propagating flames in aluminum dust clouds // Journal of Loss Prevention in the Process Industries, 2015. Vol. 36. Pp. 230–236. DOI: 10.1016/j.jlp.2014.12.022

5. Krietsch A., Reyes R.M., Kristen A., Kadoke D., Abbas Z., Krause U. Ignition temperatures and flame velo cities of metallic nanomaterials // Journal of Loss Prevention in the Process Industries. 2021. Vol. 71. P. 104482. DOI: 10.1016/j.jlp.2021.104482

6. Zhang S., Bi M., Jiang H., Gao W. Synergistic inhibition of aluminum dust explosion by gas–solid inhibitors // Journal of Loss Prevention in the Process Industries. 2021. Vol. 71. P. 104511. DOI: 10.1016/j.jlp.2021.104511

7. Li G., Yang H.-X., Yuan C.-M., Eckhoff R.K. A catastrophic aluminium­alloy dust explosion in China // Journal of Loss Prevention in the Process Industries. 2016. Vol. 39. Pp. 121–130. DOI: 10.1016/j.jlp.2015.11.013

8. Taveau J., Hochgreb S., Lemkowitz S., Roekaerts D. Explosion hazards of aluminum finishing operations // Journal of Loss Prevention in the Process Industries. 2018. Vol. 51. Pp. 84–93. DOI: 10.1016/j.jlp.2017.11.011

9. Ben Moussa R., Proust C., Guessasma M., Saleh K., Fortin J. Physical mechanisms involved into the flame propagation process through aluminum dust­air clouds: A review // Journal of Loss Prevention in the Process Industries. 2017. Vol. 45. Pp. 9–28. DOI: 10.1016/j.jlp.2016.11.010

10. Полетаев Н.Л. Расчетно­экспериментальная оценка максимального размера частиц взрывоопасной монодисперсной аэровзвеси // Пожаровзрывобезопасность/Fire and Explosion Safety. 2014. Т. 23. № 9. С. 15–26. URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=22678225

11. Santandrea A., Pacault S., Perrin L., Vignes A., Dufaud O. Nanopowders explosion: Influence of the dispersion characteristics // Journal of Loss Prevention in the Process Industries. 2019. Vol. 62. P. 103942. DOI: 10.1016/j.jlp.2019.103942

12. Wang Q., Fang X., Shu C.-M., Wang Q., Sheng Y., Jiang J., Sheng Z. Minimum ignition temperatures and explosion characteristics of micron­sized aluminium powder // Journal of Loss Prevention in the Process Industries. 2020. Vol. 64. P. 104076. DOI: 10.1016/ j.jlp.2020.104076

13. Zhang J., Sun L., Sun T., Zhou H. Study on explosion risk of aluminum powder under different dispersions // Journal of Loss Prevention in the Process Industries. 2020. Vol. 64. P. 104042. DOI: 10.1016/j.jlp.2019.104042

14. Castellanos D., Carreto-Vazquez V.H., Mashuga C.V., Trottier R., Mejia A.F., Mannan M.S. The effect of particle size polydispersity on the explosibility characteristics of aluminium dust // Powder Technology. 2014. Vol. 254. Pp. 331–337. DOI: 10.1016/j.powtec.2013.11.028

15. Tascon A. Influence of particle size distribution skewness on dust explosibility // Powder Technology. 2018. Vol. 338. Pp. 438–445. DOI: 10.1016/j.powtec.2 018.07.044

16. Scholl E.W., Reeh D., Wiemann W. et al. Brenn – und Explosions – Kenngrossen von Stauben // SFT­Report. No. 2. Pp. 2–79. 100 S.

17. Clouthier M.P., Taveau J.R., Dastidar A.G., Morrison L.S., Zalosh R.G., Ripley R.C. et al. Iron and aluminum powder explosibility in 20­L and 1­m3 chambers // Journal of Loss Prevention in the Process Industries. 2019. Vol. 62. P. 103927. DOI: 10.1016/j.jlp.2019.103927

18. Коузов П.А. Основы анализа дисперсного состава промышленных пылей и измельченных материалов. 3­е изд. Л. : Химия, 1987. 264 с.

19. Kumar R.K., Bowles E.M., Mintz K.J. Large­scale dust explosions experiments to determine the effects of scaling on explosion parameters // Combustion and Flame. 1992. Vol. 89. Pp. 320–332. DOI: 10.1016/00102180(92)90018­K

20. Zeldovich Ya.B., Barenblatt G.I., Librovich V.B., Makhviladze G.M. The mathematical theory of combustion and explosions // Consultants Bureau. New York, 1985. 600 p. DOI: 10.1007/978­1­4613­2349­5