Введение к работе
Актуальность.
В техногенных авариях при воздействии теплового излучения на горючие материалы может произойти их зажигание и образование новых очагов пожара. Наибольшую опасность для человека представляет зажигание покровного слоя одежды и возникновение вторичных ожогов кожного покрова.
Оценка последствий воздействия опасных факторов пожара на материалы одежды в соответствии с федеральным законом №123-РФ «Технический регламент о требованиях пожарной безопасности» проводится путем сравнения с экспериментальными зависимостями времени воспламенения от плотности теплового потока облучения. В отечественных и зарубежных нормативных документах отсутствуют расчетные модели прогнозирования времени и температуры зажигания целлюлозных материалов и композитов на их основе.
В классической теории теплового зажигания конденсированных систем рассматриваются простейшие модели гомогенного зажигания твердых топлив без учета физико-химических превращений при различных механизмах нагрева.
Состояние анализируемой проблемы вызывает необходимость обоснования критических условий зажигания и построения инженерных моделей прогнозирования характеристик зажигания горючих материалов тепловым излучением.
Целью работы является разработка метода определения характеристик зажигания полупрозрачных капиллярно-пористых пластинчатых материалов на основе целлюлозы при различных условиях нагрева тепловым излучением.
В задачи исследования входили:
1. Анализ приближенных методов зажигания конденсированных систем (КС).
2. Обоснование инвариантного критерия зажигания.
3. Построение математической модели зажигания целлюлозных материалов и их композитов.
4. Сопоставление результатов численного моделирования процесса зажигания модельных топлив с применением инвариантного критерия и приближенных методов тепловой теории зажигания.
5. Практическое применение модели зажигания для прогнозирования опасных зон теплового поражения человека в чрезвычайных ситуациях.
Научная новизна проведенных исследований может быть сформулирована в виде следующих ключевых положений:
-
Обоснован новый критерий зажигания искусственных и натуральных топлив, инвариантный к механизмам и динамике нагрева, плотности падающих тепловых потоков, природе топлив, теплофизическим и оптико-геометрическим свойствам горючих материалов. В отличие от критических условий тепловой теории инвариантный критерий позволяет прогнозировать характеристики зажигания при объемном нагреве тепловым излучением.
-
Впервые построена физико-математическая модель процессов взаимодействия теплового излучения с целлюлозными материалами, учитывающая фазовые превращения испарение и пиролиз с уменьшением исходной объемной плотности материала при нестационарном нагреве, а также гетерогенную термоокислительную реакцию углеродистого остатка с кислородом воздуха.
В руководстве работой принимал участие канд. тех. наук, доцент Еналеев Р.Ш.
-
Показана адекватность модели отечественным и зарубежным экспериментальным данным по характеристикам зажигания.
-
Разработан вычислительный алгоритм прогнозирования опасных зон теплового поражения человека с учетом зажигания материалов одежды.
Личный вклад автора состоит в интерпретации данных термического анализа
применительно к зажиганию материалов покровного слоя одежды; участии в разработке модели; проведении вычислительного эксперимента на математической модели; установлении адекватности модели зажигания; сопоставлении результатов моделирования с литературными данными по твердофазной модели зажигания образцов порохов; разработке алгоритма и программы автоматизированного расчета опасных зон возгорания горючих материалов,
Основные результаты, выносимые на защиту:
Инвариантный критерий зажигания искусственных и натуральных топлив;
Математическая модель зажигания целлюлозных горючих материалов при воздействии радиационно-конвективных тепловых потоков;
Прогнозирование опасных зон возгорания покровного слоя одежды при пожарах на нефтегазохимических предприятиях.
Теоретическая значимость. В тепловой теории зажигания с использованием метода критического условия определяются основные характеристики гомогенного зажигания синтетических топлив при поверхностном механизме нагрева. Однако для объемных источников нехимической природы линейная зависимость логарифма времени зажигания от обратной температуры поверхности не установлена. Кроме того, метод критического условия используется для гомогенного механизма без учета фазовых превращений в топливе. В целлюлозных материалах и их композитах окислитель и горючее находятся в разных фазах. В литературе отсутствуют математические модели и критерии гетерогенного зажигания таких тонких, полупрозрачных капиллярно-пористых материалов при импульсном нагреве тепловым излучением.
Поэтому, разработанные в диссертации модель и инвариантный критерий зажигания имеют важное теоретическое значение при прогнозировании характеристик зажигания, как синтетических топлив, так и композиционных материалов на основе целлюлозы при поверхностных и объемных механизмах нагрева.
Практическая значимость полученных результатов заключается:
В совершенствовании существующих методов оценки пожарного риска при учете последствий воздействия теплового излучения на покровный слой одежды на предприятиях химической и нефтехимической отраслей промышленности;
В использовании результатов исследования при решении актуальных прикладных задач в области Гражданской обороны и чрезвычайных ситуаций в природных и техногенных катастрофах.
В повышении эффективности проектирования опасных производственных объектов в части анализа пожарного риска, разработки деклараций и паспортов промышленной безопасности, а также эффективности организационно-технических мероприятий по предотвращению и снижению тяжести последствий аварий в химической и нефтехимической отраслях промышленности.
Реализация и внедрение результатов работы. Методика «Прогнозирование последствий воздействия теплового излучения на материалы покровного слоя одежды», разработанная в диссертации, используется проектным институтом ООО «Инженерное бюро «АНКОР» при оценке рисков получения персоналом опасных производственных объектов термических ожогов различной степени тяжести (Справка № 89 от 10 апреля 2013 г.), ООО «Эксперт Бюро» (г. Казань) при разработке Деклараций промышленной и пожарной безопасности и в расчетной части специальных разделов проектов ряда опасных производственных объектов (Акт № 123/03 от 28 декабря 2012 г.) и ГУ МЧС России по Республике Татарстан при разработке методики для Ситуационных центров МЧС по прогнозированию и ликвидации последствий аварий на предприятиях химической и нефтехимической промышленности (Акт). Копии указанных документов приведены в Приложении к диссертации.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на II Всероссийской конференции по фильтрационному горению (Черноголовка, 2010), на VII международной научно-технической конференции «Научный потенциал мира» (Болгария (София), 2011), на VII международной научно-технической конференции «Восточное партнерство» (Польша, 2011), на II Всероссийской молодежной научной конференции «Современные проблемы математики и механики» (Томск, 2011), на IV Всероссийской научно-технической конференции с международным участием: «XIV традиционная школа молодых ученых» (Екатеринбург, 2011), на Международной научно-практической конференции «Современные проблемы безопасности жизнедеятельности: теория и практика» (Казань, 2012), на XXV Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» (Волгоград, 2012); на V Всероссийской научно-технической конференции с международным участием, (Екатеринбург 2012), на XIV Минском международном форуме по тепло- и массообмену (Минск, 2012), на XXV Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» (Саратов, 2012), на III Всероссийской молодежной научной конференции «Современные проблемы математики и механики» (Томск, 2012).
