Preview

Пожаровзрывобезопасность/Fire and Explosion Safety

Расширенный поиск
Доступ открыт Открытый доступ  Доступ закрыт Только для подписчиков

Экспериментальное исследование и численное моделирование распространения пламени по поверхности пластины ПММА

Полный текст:

Аннотация

Введение. Полимерные материалы находят широкое применение, поэтому актуальной задачей является разработка модели горения полимеров для предсказания их поведения при пожаре и снижение горючести. Данная работа посвящена экспериментальному и численному исследованию распространения пламени по поверхности горизонтально и вертикально расположенных пластин полимера в неподвижном воздухе.
Методика. Объектом исследования был литой полиметилметакрилат (ПММА). Экспериментальные исследования были сфокусированы на измерении пространственных распределений концентраций веществ и температуры в газовой фазе. Температура измерялась с помощью микротермопар (размером 50 мкм). Для измерения пространственного распределения концентраций веществ в пламени использовалась зондовая масс-спектрометрия.
Результаты и обсуждение. В пламени были идентифицированы основные компоненты, включая метилмета­крилат (MMA), O2, CO2, H2O, N2, C2H4 (этилен), C3H6 (пропилен), и измерены их профили концентраций на разных расстояниях от фронта пламени. Установлено, что химическая структура пламени находится в хорошем согласии с тепловой структурой; размер «темной зоны» пламени, в которой температура вблизи поверхности полимера минимальна, хорошо коррелирует с размером свободной от кислорода зоны. Были также измерены такие характеристики горения, как массовая скорость выгорания, линейная скорость распространения пламени, ширина зоны пиролиза и распределение температуры в конденсированной фазе. На основе экспериментальных результатов были определены плотности кондуктивного и радиационного тепловых потоков от пламени к поверхности полимера. Расчет плотности радиационного потока выполнен в предположении оптически тонкой модели. Проведено моделирование распространения пламени по горизонтальной поверхности ПММА с помощью двумерной сопряженной ламинарной модели горения, учитывающей одностадийные реакции в газовой и конденсированной фазах. Моделирование распространения пламени по вертикальной поверхности ПММА проводилось с помощью экономичной модели в программном пакете FDS.
Заключение. Показано, что разработанная модель хорошо описывает такие параметры, как массовая скорость горения, скорость распространения пламени, а также распределение температуры и концентраций веществ вблизи фронта пламени.

Об авторах

О. П. Коробейничев
Институт химической кинетики и горения им. В. В. Воеводского СО РАН
Россия


И. Е. Герасимов
Институт химической кинетики и горения им. В. В. Воеводского СО РАН
Россия


М. Б. Гончикжапов
Институт химической кинетики и горения им. В. В. Воеводского СО РАН
Россия


А. Г. Терещенко
Институт химической кинетики и горения им. В. В. Воеводского СО РАН
Россия


Р. К. Глазнев
Новосибирский государственный университет
Россия


С. А. Трубачев
Новосибирский государственный университет
Россия


А. Г. Шмаков
Институт химической кинетики и горения им. В. В. Воеводского СО РАН
Россия


А. А. Палецкий
Институт химической кинетики и горения им. В. В. Воеводского СО РАН
Россия


А. И. Карпов
Институт механики УрО РАН
Россия


А. А. Шаклеин
Институт механики УрО РАН
Россия


А. Кумар
Индийский институт технологии Мадрас
Россия


В. Рагхаван
Индийский институт технологии Мадрас
Россия


Список литературы

1. Асеева Р. М., Заиков Г. Е. Горение полимерных материалов. — М. : Наука, 1981. — 280 с.

2. Khalturinskii N. A., Popova Т. V., Berlin A. A. The combustion of polymers and the mechanism of action of fire-proofing agents // Russian Chemical Reviews. — 1984. — Vol. 53, Issue 2. — P. 197–209. DOI: 10.1070/rc1984v053n02abeh003041.

3. Берлин Ал. Ал. Горение полимеров и полимерные материалы пониженной горючести // Соросовский образовательный журнал. — 1996. — Т. 2, № 9. — С. 57–63.

4. Antonov А. V., Reshetnikov I. S., Khalturinskij N. A. Combustion of char-forming polymeric systems // Russian Chemical Reviews. — 1999. — Vol. 68, Issue 7. — P. 605–614. DOI: 10.1070/ rc1999v068n07abeh000408.

5. Khalturinskii N. A., Rudakova T. A. Рhysical aspects of polymer combustion and the inhibition mechanism // Russian Journal of Physical Chemistry B. — 2008. — Vol. 2, Issue 3. — P. 480–490. DOI: 10.1134/s1990793108030238.

6. Константинова Н. И., Смирнов Н. В., Шебеко А. Ю. К вопросу об оценке эффективности огне-защиты полимерных материалов // Пожаровзрывобезопасность / Fire and Explosion Safety. — 2018. — Т. 27, № 7-8. — С. 32–42. DOI: 10.18322/PVB.2018.27.07-08.32-42.

7. Барботько С. Л., Вольный О. С., Вешкин Е. А., Гончаров В. А. Оценка огнестойкости материалов и конструктивных элементов для авиационной техники // Авиационная промышленность. — 2018. — № 2. — С. 63–67.

8. Frey A. E., T’ien J. S. A theory of flame spread over a solid fuel including finite-rate chemical kinetics // Combustion and Flame. — 1979. — Vol. 36. — P. 263–289. DOI: 10.1016/0010-2180(79)90064-6.

9. Wu K. K., Fan W. F., Chen C. H., Liou T. M., Pan I. J. Downward flame spread over a thick PMMA slab in an opposed flow environment: experiment and modeling // Combustion and Flame. — 2003. — Vol. 132, Issue 4. — P. 697–707. DOI: 10.1016/s0010-2180(02)00520-5.

10. Bhattacharjee S., King M. D., Paolini C. Structure of downward spreading flames: a comparison of numerical simulation, experimental results and a simplified parabolic theory // Combustion Theory and Modelling. — 2004. — Vol. 8, Issue 1. — P. 23–39. DOI: 10.1088/1364-7830/8/1/002.

11. Mao C.-P., Kodama H., Fernandez-Pello A. C. Convective structure of a diffusion flame over a flat combustible surface // Combustion and Flame. — 1984. — Vol. 57, Issue 2. — P. 209–236. DOI: 10.1016/0010-2180(84)90058-0.

12. Chen C.-H. A numerical study of flame spread and blowoff over a thermally-thin solid fuel in an opposed air flow // Combustion Science and Technology. — 1990. — Vol. 69, Issue 4-6. — P. 63–83. DOI: 10.1080/00102209008951603.

13. Kumar A., Shih H. Y., T’ien J. S. A comparison of extinction limits and spreading rates in opposed and concurrent spreading flames over thin solids // Combustion and Flame. — 2003. — Vol. 132, Issue 4. — P. 667–677. DOI: 10.1016/S0010-2180(02)00516-3.

14. Blasi C. D. Modeling and simulation of combustion processes for charring and non-charring solid ¬fuels // Progress in Energy and Combustion Science. — 1993. — Vol. 19, Issue 1. — P. 71–104. DOI: 10.1016/0360-1285(93)90022-7.

15. Gong J., Zhou X., Li J., Yang L. Effect of finite dimension on downward flame spread over PMMA slabs: Experimental and theoretical study // International Journal of Heat and Mass Transfer. — 2015. — Vol. 91. — P. 225–234. DOI: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2015.07.091.

16. Fernandez-Pello A. С., Williams F. A. Laminar flame spread over PMMA surfaces // Symposium (-International) on Combustion. — 1975. — Vol. 15, Issue 1. — P. 217–231. DOI: 10.1016/ s0082-0784(75)80299-2.

17. Ray S. R., Fernandez-Pello A. C., Glassman I. A study of the heat transfer mechanisms in horizontal -flame propagation // Journal of Heat Transfer. — 1980. — Vol. 102, No. 2. — P. 357–363. DOI: 10.1115/1.3244288.

18. Ito A., Kashiwagi T. Characterization of flame spread over PMMA using holographic interferometry sample orientation effects // Combustion and Flame. — 1988. — Vol. 71, Issue 2. — P. 189–204. DOI: 10.1016/0010-2180(88)90007-7.

19. Fernandez-Pello A. C., Ray S. R., Glassman I. Flame spread in an opposed forced flow: the effect of ambient oxygen concentration // Symposium (International) on Combustion. — 1981. — Vol. 18, Issue 1. — P. 579–589. DOI: 10.1016/s0082-0784(81)80063-x.

20. Jiang L., Miller C. H., Gollner M. J., Sun J.-H. Sample width and thickness effects on horizontal flame spread over a thin PMMA surface // Proceedings of the Combustion Institute. — 2017. — Vol. 36, -Issue 2. — P. 2987–2994. DOI: 10.1016/j.proci.2016.06.157.

21. Singh A. V., Gollner M. J. Estimation of local mass burning rates for steady laminar boundary layer diffusion flames // Proceedings of the Combustion Institute. — 2015. — Vol. 35, Issue 3. — P. 2527–2534. DOI: 10.1016/j.proci.2014.05.040.

22. Singh A. V., Gollner M. J. A methodology for estimation of local heat fluxes in steady laminar boundary layer diffusion flames // Combustion and Flame. — 2015. — Vol. 162, Issue 5. — P. 2214–2230. DOI: 10.1016/j.combustflame.2015.01.019.

23. Gong J., Zhou X., Deng Z., Yang L. Influences of low atmospheric pressure on downward flame spread over thick PMMA slabs at different altitudes // International Journal of Heat and Mass Transfer. — 2013. — Vol. 61. — P. 191–200. DOI: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2013.01.066.

24. Ayani M. B., Esfahani J. A., Mehrabian R. Downward flame spread over PMMA sheets in quiescent air: Experimental and theoretical studies // Fire Safety Journal. — 2006. — Vol. 41, Issue 2. — P. 164–169. DOI: 10.1016/j.firesaf.2005.12.003.

25. Ito A., Kashiwagi T. Temperature measurements in PMMA during downward flame spread in air using holographic interferometry // Symposium (International) on Combustion. — 1987. — Vol. 21, Issue 1. — P. 65–74. DOI: 10.1016/s0082-0784(88)80232-7.

26. Bhattachariee S., King M. D., Takahashi S., Nagumo T., Wakai K. Downward flame spread over poly(methyl)methacrylate // Proceedings of the Combustion Institute. — 2000. — Vol. 28, Issue 2. — P. 2891–2897. DOI: 10.1016/s0082-0784(00)80713-4.

27. Kaskan W. E. The dependence of flame temperature on mass burning velocity // Symposium (International) on Combustion. — 1957. — Vol. 6, Issue 1. — P. 134–143. DOI: 10.1016/s0082-0784(57)80021-6.

28. Korobeinichev O. P., Kuibida L. V., Paletsky A. A., Shmakov A. G. Molecular-beam mass-spectrometry to ammonium dinitramide combustion chemistry studies // Journal of Propulsion and Power. — 1998. — Vol. 14, Issue 6. — P. 991–1000. DOI: 10.2514/2.5364.

29. McBride B. J., Gordon S., Reno M. A. Coefficients for calculating thermodynamic and transport pro-perties of individual species // NASA Technical Memorandum 4513. — Washington : National Aeronautics and Space Administration, 1993. — 96 p.

30. Modest M. F. Radiative heat transfer. — London, New York : Academic Press, Elsevier Science, 2003. — 842 p.

31. Zhang H., Modest M. F. Evaluation of the Planck-mean absorption coefficients from HITRAN and HITEMP databases // Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer. — 2002. — Vol. 73, Issue 6. — P. 649–653. DOI: 10.1016/s0022-4073(01)00178-9.

32. Park S. H., Stretton A. J., Tien C. L. Infrared radiation properties of methyl methacrylate vapor // Combustion Science and Technology. — 1988. — Vol. 62, Issue 4-6. — P. 257–271. DOI: 10.1080/00102208808924012.

33. Патанкар С. Численные методы решения задач теплообмена и динамики жидкости / Пер. с англ. — M. : Энергоатомиздат. — 1984. — 152 с.

34. McGrattan K., Hostikka S., McDermott R., Floyd J., Weinschenk C., Overholt K. Fire Dynamics Simulator. Technical Reference Guide. Volume 1: Mathematical Model. — 6th ed. — Gaithersburg, Maryland : National Institute of Standards and Technology; Espoo : VTT Technical Research Centre of Finland, 2013. — 149 p.

35. Ananth R., Ndubizu C. C., Tatem P. A. Burning rate distributions boundary layer flow combustion of a PMMA plate in forced flow // Combustion and Flame. — 2003. — Vol. 135, Issue 1-2. — P. 35–55. DOI: 10.1016/s0010-2180(03)00143-3.

36. Yoshinaga K., Kobayashi H. Numerical study of radiation effects on polypropylene combustion using high-temperature oxidizer diluted with H2O and CO2 // Journal of Thermal Science and Technology. — 2008. — Vol. 3, Issue 2. — P. 167–178. DOI: 10.1299/jtst.3.167.


Для цитирования:


Коробейничев О.П., Герасимов И.Е., Гончикжапов М.Б., Терещенко А.Г., Глазнев Р.К., Трубачев С.А., Шмаков А.Г., Палецкий А.А., Карпов А.И., Шаклеин А.А., Кумар А., Рагхаван В. Экспериментальное исследование и численное моделирование распространения пламени по поверхности пластины ПММА. Пожаровзрывобезопасность/Fire and Explosion Safety. 2019;28(4):15-28.

For citation:


Korobeinichev O.P., Gerasimov I.E., Gonchikzhapov M.B., Tereshchenko A.G., Glaznev R.K., Trubachev S.A., Shmakov A.G., Paletsky A.A., Karpov A.I., Shaklein A.A., Kumar A., Raghavan V. An experimental study and numerical simulation of flame spread over surface of PMMA slab. Požarovzryvobezopasnostʹ / Fire and Explosion Safety. 2019;28(4):15-28. (In Russ.)

Просмотров: 12


ISSN 0869-7493 (Print)
ISSN 2587-6201 (Online)