Экспериментальное исследование и численное моделирование распространения пламени по поверхности пластины ПММА

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.

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.