Влияние распыленной воды на характеристики горения газовоздушных смесей

Введение. Проанализированы характеристики горения газовоздушных смесей в условиях водяного орошения. Актуальность статьи обусловлена расширением применения распыленной воды для снижения взрывоопасности аварийных выбросов горючих газов. Целью работы является аналитический обзор исследований в области влияния распыленной воды на показатели взрыва газовоздушных смесей.

Анализ исследований, в которых обнаружено флегматизирующее действие распыленной воды. Отмечено, что основным фактором, определяющим флегматизирующее влияние водяных капель, является их размер. При диаметре капель менее 20–30 мкм проявляется их флегматизирующее действие, заключающееся в снижении максимального давления взрыва, скорости нарастания давления взрыва и нормальной скорости горения, однако полной флегматизации удается достичь, как правило, лишь для околопредельных смесей. Для подавления газовой детонации оказывается возможным применение распыленной воды с каплями диаметром до 1000 мкм, что связано с дроблением крупных капель при воздействии ударной волны.

Анализ исследований, в которых обнаружено промотирующее действие распыленной воды. При воздействии на пламена, распространяющиеся в газовоздушных смесях, водяными каплями с размером более 50 мкм наблюдается интенсификация процесса горения, проявляющаяся в ускорении распространения пламени и повышении полноты сгорания. В отдельных случаях воздействие крупных капель может привести к переходу горения в детонацию.

Выводы. На основании проведенного анализа сформулированы условия, при которых распыленная вода может интенсифицировать или подавлять горение газовоздушных смесей.

1. Медведев С.П., Гельфанд Б.Е., Поленов А.Н., Хомик С.В. Пределы горения водородовоздушных смесей в присутствии ультрадисперсных капель воды (тумана) // Физика горения и взрыва. 2002. № 4 (38). С. 3–8. EDN ONTMZL.

2. Попов О.Е., Кушарин А.Ю., Агафонов Г.Л., Гельфанд Б.Е. О флегматизации горения водородо-воздушных смесей, содержащих водяной пар и водный аэрозоль // Теплофизика высоких температур. 2002. № 40 (5). С. 790–794. URL: https://energy.ihed.ras.ru/arhive/article/1953

3. Корольченко А.Я., Шебеко Ю.Н., Трунев А.В., Навценя В.Ю., Папков С.Н., Зайцев А.А. Влияние аэрозоля, образующегося при быстром испарении перегретой воды, на горение метановоздушных смесей в замкнутом сосуде // Физика горения и взрыва. 1995. № 31 (2). С. 17–22. EDN KTCDXH.

4. Tsai S.S., Liparulo N.J. Fog inerting criteria for hydrogen-air mixtures // Proceedings of the 2nd International Conference on Hydrogen Impact on Water Reactor Safety. NUREC/CP 0038. Albuquerque : NM, 1982. Pр. 727–739. URL: https://www.nrc.gov/docs/ML1732/ML17320A793.pdf

5. Korol’chenko A.Ya., Shebeko Yu.N., Trunev A.V., Navzenya V.Yu., Zaitsev A.A. The influence of a superheated water aerosol on flammability limits and laminar burning velocities of a premixed methane-air flame // Proceedings of the First International Seminar on Fire and Explosion Hazard of Substances and Venting of Deflagrations. Moscow, 1995. Pp. 362–365.

6. Навценя В.Ю. Развитие научных основ и совершенствование методов обеспечения пожаровзрывобезопасности технологического оборудования с горючими газами и жидкостями : автореф. дис. … д-ра техн. наук. М. : Всеросс. науч.-исслед. институт противопожарной обороны Министерства по делам гражданской обороны, чрезвычайным ситуациям и ликвидации последствий стихийных бедствий РФ, 2003. 47 с. EDN NJPEJJ.

7. Безродный И.Ф., Стареньков А.Н. Высокоэффективный способ тушения пожаров водой аэрозольного распыла // Пожарная безопасность, информатика и техника. 1993. № 1 (3). С. 72–74.

8. Ingram J.M., Averill A.F., Battersby P.N., Holborn P.G., Nolan P.F. Suppression of hydrogen-oxygen-nitrogen explosions by fine water mist: Part 1. Burning velocity // International Journal of Hydrogen Energy. 2012. No. 37 (24). Pp. 19250–19257. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2012.09.092. EDN ROUBST.

9. Battersby P.N., Averill A.F., Ingram J.M., Holborn P.G., Nolan P.F. Suppression of hydrogen-oxygen-nitrogen explosions by fine water mist: Part 2. Mitigation of vented deflagrations // International Journal of Hydrogen Energy. 2012. No. 37. Pp. 19258–19267. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2012.10.029

10. Gai G., Kudriakov S., Roggy B., Hadjadj A., Studer E., Tomine O. Numerical study of laminar burning velocity of hydrogen-air combustion under water spray effects // International Journal of Hydrogen Energy. 2019. No. 44 (31). Pp. 17015–17029. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2019.04.225

11. Holborn P.G., Battersby P.N., Ingram J.M., Averill A.F., Nolan P.F. Modeling the effect of water fog on the upper flammability limit of hydrogen-oxygen-nitrogen mixtures // International Journal of Hydrogen Energy. 2013. No. 38 (16). Pp. 6896–6903. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2013.03.091. EDN RRHFQH.

12. Jones S.R., Averill A.F., Ingram J.M., Holborn P.G., Battersby P.N., Nolan P.F. et al. Mitigation of hydrogen-air explosion using fine water mist spray // Institution of Chemical Engineers. Symposium Series. 2006. No. 151. Pp. 440–447. URL: https://www.icheme.org/media/9816/xix-paper-28.pdf

13. Wen X., Wang M., Su T., Zhang S., Pan R., Ji W. Suppression effects of ultrafine water mist on hydrogen/methane mixture explosion in an obstructed chamber // International Journal of Hydrogen Energy. 2019. No. 44 (60). Pp. 32332–32342. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2019.10.110

14. Fuss S.P., Chen E.F., Williams B.A., Fleming J.W., Yang W., Kee R.J. Inhibition of premixed methane/air flames by water mist // Proceedings of the Combustion Institute. 2002. No. 29 (1). Pp. 361–367. DOI: 10.1016/s1540-7489(02)80048-7. EDN VGUDUT.

15. Xia Yu., Zhang B., Zhang J., Wang B., Chen Li., Wang R. et al. Experimental research on combined effect of obstacle and local spraying water fog on hydrogen/air premixed explosion // International Journal of Hydrogen Energy. 2022. No. 47 (94). Pp. 40099–40115. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2022.09.152. EDN DDPXYN.

16. Boeck L.R., Kink A., Oezdin D., Hasslberger J., Sattelmayer T. Influence of water mist on flame acceleration, DDT and detonation // International Journal of Hydrogen Energy. 2015. No. 40 (21). Pp. 6995–7004. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2015.03.129

17. Butz J.R., French P., Plooster M. Application of fine water mist to hydrogen deflagrations // Proceedings of Halon Options Technical Conference. Albuquerque : NM, 1993. Pp. 345–355. URL: ystem/files/documents/el/fire_research/R9302947.pdf

18. Song Y., Zhang Q. Quantitative research on gas explosion inhibition by water mist // Journal of Hazardous Materials. 2019. No. 363. Pp. 16–25. DOI: 10.1016/j.jhazmat.2018.09.059

19. Thomas G.O., Edwards M.J., Edwards D.H. Studies of detonation quenching by water sprays // Combustion Science and Technology. 1990. No. 71 (4–6). Pp. 233–245. DOI: 10.1080/001022090089951634

20. Pei B., Yang Y., Li J., Yu M-g. Experimental study of suppression effect of inert gas two fluid water mist system on methane explosion // Procedia Engineering. 2018. No. 211. Pp. 565–574. DOI: 10.1016/j.proeng.2017.12.049

21. Zhang P., Zhou Y., Cao X., Gao X., Bi M. Mitigation of methane-air explosion in a closed vessel by ultrafine water fog // Safety Science. 2014. No. 62. Pp. 1–7. DOI: 10.1016/j.ssci.2013.07.027. EDN RISSML.

22. Bekele A.G., Zhang B., Xia Y., Wang B., Siqi Z., Yue W. Experimental study of the characteristics of premixed methane/hydrogen deflagration and water mist suppression in a semi-confined duct // Case Study in Thermal Engineering. 2025. No. 72. P. 106280. DOI: 10.1016/j.csite.2025.106280

23. Yoshida A., Okawa T., Ebina W., Naito H. Experimental and numerical investigation of flame speed retardation by water mist // Combustion and Flame. 2015. No. 162 (5). Pp. 1772–1777. DOI: 10.1016/j.combustflame.2014.11.038. EDN VGUDYF.

24. Nakamura K., Yoshida A., Nishioka M. Experimental and numerical simulation on the suppression of explosion of propane/air mixture by water mist // Combustion and Flame. 2021. No. 223. Pp. 192–201. DOI: 10.1016/j.combustflame.2020.09.014. EDN LVXYPA.

25. Thomas G.O. On the conditions required for explosion mitigation by water sprays // Transactions of the Institute of Chemical Engineers. 2000. No. 78 (5). Pp. 339–354. URL: 10.1205/095758200530862

26. Brenton J.R., Thomas G.O. Small-scale studies of water spray dynamics during explosion mitigation tests // Institution of Chemical Engineers Symposium Series No. 134: Hazard XII. 1994. Pp. 393–403. URL: https://www.icheme.org/media/10388/xii-paper-27.pdf

27. Van Wingerden K., Wilkins B. The influence of water sprays on gas explosions. Part 1: Water spray generated turbulence // Journal of Loss Prevention in the Process Industries. 1995. No. 8 (2). Pp. 53–59. DOI: 10.1016/0950-4230(95)00002-I

28. Thomas G.O., Jones A., Edwards M.J. Influence of water sprays on explosion development in fuel-air mixtures // Combustion Science and Technology. 1991. No. 80 (1–3). Pp. 47–61. DOI: 10.1080/00102209108951776

29. Gieras M. Flame acceleration due to water droplet action // Journal of Loss Prevention in the Process Industries. 2008. No. 21. Pp. 472–477. DOI: 10.1016/j.jlp.2008.03.004

30. Шебеко Ю.Н., Цароиченко С.Г., Еременко О.Я., Келлер В.Д., Трунев А.В. Горение бедных водородно-воздушных смесей в потоке распыленной воды // Физика горения и взрыва. 1990. № 26 (4). С. 58–61. URL: https://sibran.ru/journals/issue.php?ID=120139&ARTICLE_ID=135334

31. Цариченко С.Г., Трунев А.В., Шебеко Ю.Н., Николаев Л.А., Беляев В.В. Интенсификация процессов горения водородно-воздушных смесей в потоке распыленной воды // Вопросы атомной науки и техники. Серия: Ядерная техника и технология. Вып. 1. 1991. С. 48–50.

32. Макеев В.И., Пономарев А.А., Строгонов В.В. Особенности горения и переход к детонации газовых смесей при орошении водой // Проблемы горения и взрыва : мат. IX Всесоюз. симпозиума по горению и взрыву. Черноголовка, 1989. С. 50–53.

33. Zhang P., Zhou Y., Cao Y., Gao X., Bi M. Enhancement effects of methane/air explosion caused by water spraying in a sealed vessel // Journal of Loss Prevention in the Process Industries. 2014. No. 29. Pp. 313–318. DOI: 10.1016/j.jlp.2014.03.014

34. Wang F., Yu M., Wen X., Deng H., Pei B. Suppression of methane/air explosion in pipeline by water mist // Journal of Loss Prevention in the Process Industries. 2017. No. 49 (B). Pp. 791–796. DOI: 10.1016/j.jlp.2017.02.005

35. Xia Yu., Zhang B., Wang B., Zhang S., Yue W., Zhang J. Inhibition effect and mechanism of micro-sized water mist containing dimethyl methylphosphonate in hydrogen explosions // International Journal of Hydrogen Energy. 2025. No. 140. Pp. 594–607. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2025.05.228. EDN LRLRHQ.

36. Zhao X., Zhao J., Zhu X., Xu W., Zhang G., Wang Ch. et al. Study on the supporession of hydrogen-air explosions by ultrafine water mist containing KCl, K2CO3, or NaCl // Fire Safety Journal. 2025. No. 153. P. 104356. DOI: 10.1016/j.firesaf.2025.104356. EDN UFMASK.

37. Yang Y., Cen K., Duan Y., Mi H., Xi G., Wang S. Comparable experimental study on inhibition of hydrogen/methane/air explosion by water mist containing different additives // International Journal of Hydrogen Energy. 2026. No. 204. P. 153236. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2025.153236. EDN QVJCUW.

38. Cui Y., Liu J. Research progress of water mist fire extinguishing technology and its application in battery fires // Process safety and environmental protection: Transactions of the institution of chemical engineers, part B. 2021. No. 149. Pp. 559–574. DOI: 10.1016/j.psep.2021.03.003. EDN NWPPFZ.

39. Cao X., Zhou Y., Wang Zh., Fan L., Wang Zh. Experimental research on hydrogen/air explosion inhibition by the ultrafine water mist // International Journal of Hydrogen Energy. 2022. No. 47 (56). Pp. 23898–23908. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2022.05.165. EDN FTATJB.

40. Pei B., Xu T., Zhou L., Han Yu., Lv H., Song W. et al. The inhibition of CO2 twin-fluid water mist with modified inorganic salt on LPG explosion: Experimental tests and simulations // Energy. 2025. No. 335. P. 138235. DOI: 10.1016/j.energy.2025.138235. EDN BVZXXE.

41. Zhao J., Pan Ch., Zhu X., Yu J., Cheng K., Wang X. Study on the suppression of methane/hydrogen/air explosions by water mist containing a BmimBF4 additive // International Journal of Hydrogen Energy. 2015. No. 40. Pp. 6995–7004. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2025.06.064. EDN HERTKA.

42. Zhang Z., Yang Ke., Du X., Ji D., Ji H., Jiang Ju. Comparative experimental study on inhibition of methane explosion by ultra-fine water mist containing different additives // Journal of Loss Prevention in the Process Industries. 2025. No. 96. P. 105607. DOI: 10.1016/j.jlp.2025.105697. EDN TUBGGW.

43. Badhuk P., Ravikrishna R.V. Flame inhibition by aqueous solution of Alkali salts in methane and LPG laminar diffusion flames // Fire Safety Journal. 2022. No. 130. P. 103586. DOI: 10.1016/j.firesaf.2022.103586. EDN IUSPUI.

44. Lui L., Luo Zh., Yang Y., Wang T., Su B., Zhou Sh. et al. Suppression performance and mechanism of water mist containing compound potassium salts on hydrogen-enriched natural gas jet flame // International Journal of Hydrogen Energy. 2025. No. 113. Pp. 646–654. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2025.03.023. EDN JFJMFS.

45. Lu Ch., Wei D., Chen M., Hu B., Wang J., Pan R. et al. Effect of water mist with composite additives on mitigation tthermal runaway in lithium-ion batteries: A study of suppression timing and mechanism // Journal of Energy Storage. 2026. No. 162. P. 122137. DOI: 10.1016/j/est.2026.122137

46. Deng Ju., Ren X., Li Ya., Zhang Yu., Zhang Yu. Analysis of the effectiveness and mechanism of fine water mist fire suppression using NaF, NaCl, and NaBr additives // Process Safety and Environmental Protection. 2026. No. 208. P. 108459. DOI: 10.1016/j.psep.2026.108459