Моделирование самовоспламенения, зажигания, горения и взрыва газовзвесей и процессов в сети горных выработок угольных шахт

В связи с расширением использования в практике измельченных материалов, интенсификацией производственных процессов и химических технологий, связанных с дисперсными материалами, остаются актуальными исследования химического реагирования, распространения пламени в газовзвесях, исследования горения газовзвесей и дисперсных материалов в энергетических установках и двигателях.

Часто способные к реагированию дисперсные материалы в процессе производства, переработки или использования находятся в состоянии аэровзвеси при малых величинах объемной доли частиц (или капель) — в установках энергетики, химической, пищевой, фармацевтической, текстильной промышленности [1−3]. Дисперсные материалы используются в качестве рабочего тела в энергоустановках, двигателях (ракетных, двигателях внутреннего сгорания), газогенераторах различного назначения, в импульсной технике. Газовзвеси образуются в технологических процессах переработки материалов, при пневмотранспорте сыпучих материалов, в угледобывающей промышленности, порошковой металлургии [4−7].

Природа химической активности газовзвесей может быть различной. Частицы газовзвеси могут реагировать с окислителем газовой фазы, продукты горения могут быть инертными или химически реагирующими газами, либо конденсированными окислами, образующими новую конденсированную фазу, либо окисную пленку на поверхности частиц. Частицы угольной пыли в процессе нагрева способны выделять горючие газообразные компоненты (летучие) и реагировать с окислителем газовой фазы гетерогенно. Частицы унитарного топлива способны гореть в инертной среде (частицы или зерна пороха). Существуют дисперсные материалы, реагирующие с поглощением тепла, которые нашли применение в пожаротушении [8].

В связи с интенсификацией технологических процессов, расширением применения и использования веществ, находящихся в дисперсном состоянии и способных образовывать химически активные газовзвеси участились взрывы газовзвесей. Они обладают большой разрушительной силой и зачастую приносят большой экономический ущерб и человеческие жертвы. Так по статистическим данным [9] в США ежегодно экономический ущерб от взрывов газовзвесей только в Grain Industry исчисляется десятками миллионов долларов.

Проблему выработки обоснованных норм пожаровзрывобезопасности производств и технологических процессов решают комплексом мер. Основной из них является исследование взрываемости химически активных газовзвесей дисперсных материалов. Были выработаны критерии взрываемости порошков, проведена классификация их по взрываемости [1, 3−5]. Пожаро-взрывоопасность промышленных пыл ей определяется такими критериями: горючесть, нижний концентрационный предел распространения пламени, минимальная энергия зажигания искрой, максимальное давление взрыва, скорость нарастания давления, температура вспышки, температура воспламенения, температурные пределы распространения пламени, температура тления [1]. Были разработаны стандартные методики по определению взрываемости пыли, были созданы установки по исследованию самовоспламенения, искрового зажигания, определению скорости распространения волны горения в газовзвеси, химического реагирования и взрывов газовзвесей различной природы.

В процессе накопления экспериментального материала выявились основные физические факторы и параметры, определяющие взрываемость газовзвесей, скорость распространения фронта горения в газовзвесях и другие характеристики их химического реагирования. К ним относят размер частиц и распределение частиц по размерам, их массовую концентрацию, удельную поверхность, теплофизические и химико-кинетические характеристики материала частиц, подвижность частиц в облаке за счет осаждения и конвекции, тепловое влияние окружающей среды или стенок объема, в котором находится газовзвесь.

Накопленный экспериментальный материал и создание Н. Н. Семеновым, Я. Б. Зельдовичем и Д.А.Франк-Каменецким [10−12] основ теории горения стимулировали появление теоретических исследований, посвященных моделированию теплофизических, химико-кинетических и макрокинетических процессов в газовзвесях, учитывающих их главные особенности — двухфазность и гетерогенность химического реагирования.

Первые работы, учитывающие двухфазность и двухтемпературность среды, были посвящены определению периода индукции самовоспламенения и критических условий самовоспламенения [13−16] с применением методов Н. Н. Семенова и Д.А.Франк-Каменецкого [10, 11]. Появление моделей [13−15] стимулировало развитие теоретических исследований зажигания и горения газовзвесей в таких научных центрах, как ОИХФ (п. Черноголовка) [17−25], в ЛПИ (г. Санкт-Петербург) [26−38], в МГУ [39−55], в ИПМ РАН [56−58], в институте гидродинамики РАН (г. Новосибирск) [59−67], ОГУ (г. Одесса) [6873], ТГУ (г. Томск) [74−86].

Развитие исследований вопросов самовоспламенения газовзвесей пошло по пути уточнения кинетических функций гетерогенного реагирования [23−25, 37, 68−70], учета полидисперсности [26], выгорания реагентов [32], многообразия воспламенений [61−64] при различных начальных условиях, учета сложного состава газовзвесей и конкурирующего механизма химического реагирования в газовой фазе и на поверхности частиц [63,67,69,72,73, 87−90].

Источником воспламенения и взрыва газовзвесей могут выступить различные внешние источники тепла — горячее тело или стенка, тепловое излучение, очаг разогрева, искровой разряд [1]. Определению критических характеристик этих источников и периода зажигания газовзвеси и скорости распространения пламени посвящено много экспериментальных работ [91−97] (см. обзор [1]), которые способствовали развитию математических моделей и методов их анализа (аналитических и численных). В работах [19−21, 74] аналитическими и численными методами проведено исследование периода зажигания газовзвеси лучистым потоком и горячим телом. Критические условия очагового воспламенения газовзвесей определены методом сращиваемых асимптотических разложений в [83], аналитическими и численными методами в [22]. Критическая энергия искрового зажигания определена аналитическими и численными методами в [22, 77, 80, 84].

С развитием численных методов и увеличением мощностей ЭВМ появилась возможность численного решения задач зажигания и выхода на режим горения газовзвесей. При распространении фронта горения в газовзвеси наблюдается многообразие режимов распространения — кондуктивный, лучистый, кондуктивно-лучистый, кондуктивно-конвективный, автоколебательный, турбулентный, детонационный [49, 91]. Все эти режимы отличаются величиной скорости распространения фронта горения, при этом в каждом режиме свой механизм переноса тепла из зоны горения в область перед ней. Анализ стационарных режимов распространения фронта горения за счет кондукции и за счет лучистого теплопереноса проведен в работах [18, 27, 98], где предложены приближенные аналитические выражения для скорости фронта горения в газовзвеси при кондуктивном и лучистом режимах распространения и определены области существования этих режимов. В цикле работ Степанова А. М. и Озеровой Г. Е. [28, 30, 33, 34, 36, 38] проведено решение задач об определении стационарных скоростей распространении фронта горения в газовзвеси в теплодиффузионной постановке на основе стационарных уравнений, выражающих законы сохранения массы и энергии газовзвеси. Были определены скорости распространения фронта горения в режимах кондуктивного и лучистого, определены области существования этих режимов, пределы применимости диффузионного приближения [49, 99], [36, 38]. Было показано, что добавка небольшой доли крупной фракции в газовзвесь изменяет режим распространения пламени с кондуктивного на лучистый [36, 38], что было замечено в экспериментальных измерениях [91].

В работах [19−21, 25] проведено моделирование зажигания газовзвеси горячей стенкой и выхода на лучистый режим распространения фронта. Выход на скоростной режим распространения волны горения в газовзвеси происходит двухступенчато, когда от медленно распространяющегося фронта горения прогревается широкий слой газовзвеси перед фронтом и затем происходит выход на стационарный высокоскоростной режим. Авторами [19−21, 25] проанализировано влияние лучистых и кондуктивных теплопотерь, которые приводят к переходу от лучистого к кондуктивному режиму, показано существование множественности режимов распространения пламени, обусловленное конкурирующим влиянием лучистых и кондуктивных теплопотерь [19, 25], определены параметры газовзвеси, при которых может реализоваться автоколебательный режим распространения фронта, проанализировано влияние осаждения частиц [20].

Однако не всегда можно объяснить существование высокоскоростного механизма распространения пламени в газовзвеси лучистым теплопереносом [35]. Эксперименты, проведенные авторами [35] с газовзвесями с низкой температурой горения и различными поглощательными свойствами дисперсной фазы показали возможность определяющей роли конвективного механизма переноса тепла в пламени газовзвеси в высокоскоростном режиме ламинарного пламени.

Анализу режимов кондуктивно-конвективного распространения пламени посвящены работы [56−58]. На основе двумерных уравнений движения сжимаемого, теплопроводного, вязкого газа в присутствии дисперсной фазы анализируется эволюция горящего облака частиц в атмосфере, в поле сил тяжести.

В работах [39−46] проведено моделирование распространения фронта горения в газовзвеси унитарного топлива, в котором конвективный режим распространения пламени является основным. Здесь разогрев частиц и их воспламенение происходит за счет движения продуктов сгорания из зоны горения в зону перед фронтом. Унитарное топливо обладает свойством большого газовыделения, которое приводит к локальному повышению давления и движению газа. За счет инерционности частицы, находящиеся вблизи линии контактного разрыва несущая фаза — продукты сгорания, попадают в высокотемпературную зону продуктов, воспламеняются и сгорают. Это приводит к самоподдерживающемуся режиму конвективного горения, проходящему с большой скоростью распространения фронта, который может привести к переходу к детонации [45].

Дисперсная фаза многих газовзвесей способна к выделению газообразных горючих компонентов. В результате возникает газовзвесь, в которой химические реакции проходят и в газовой фазе и на поверхности частиц (гибридная газовзвесь [1]). Возникновение таких газовзвесей происходит в процессах сушки дисперсных материалов, в химических реакторах горения дисперсных материалов, при горении древесной пыли, в процессах переработки угля и торфа, при получении кокса, при угледобыче. Гибридные газовзвеси обладают повышенной чувствительностью к взрыву [1, 5] и являются весьма взрывоопасными из-за эффектов взаимовлияния гомогенных и гетерогенных реакций. Так, например, метановоздушная смесь при концентрации метана менее 4,5% является невзрывоопасной, но при наличии некоторого количества угольной пыли становится взрывоопасной. Исследованию горения угольной пыли, взвешенной в метановоздушной смеси, посвящены работы [50−53, 85, 86]. В [85, 86] моделируется гидродинамика, теплообмен и горение угольной пыли в условиях котла. В [50−53] рассматриваются режимы горения взвеси угольной пыли в МВС, определены закономерности горения, скорость распространения горения, условия перехода горения в детонацию. В этих моделях учитываются реакции в газовой фазе, на поверхности частиц и выделение их дисперсной фазы горючих летучих компонентов через аппроксимационные зависимости.

Исследованию турбулентного горения пылевоздушной смеси посвящена работа [55]. В ней предложена математическая модель зажигания и горения полидисперсной газовзвеси, учитывающая эффекты взаимовлияния газа и пыли, турбулентные пульсации, химические реакции на поверхности частиц, в газе и реакции выделения летучих компонентов в частицах. Авторами проведено моделирование сгорания газовзвеси угольной пыли в условиях постоянного объема.

В большинстве моделей горения газовзвесей используется диффузионно-кинетический подход к моделированию гетерогенного реагирования частиц [11], учитывающий аррениусовскую зависимость скорости реакции от температуры и скорость подвода окислителя к поверхности частицы за счет диффузии. Однако, горение частиц некоторых веществ происходит более сложным образом — образование окисной пленки на поверхности частиц металла, образование зольного слоя на поверхности горящих частиц некоторых органических веществ. Естественно макрокинетика горения отдельной частицы будет влиять на режимы распространения фронта горения в газовзвеси. Чтобы учесть эти эффекты в первом приближении используются соответствующие модели горения газовзвесей: гомогенная, гетерогенная, квазигетерогенная, парофазная, эстафетная [49]. Другой способ — определение кинетической функции реакции, учитывающей некоторые особенности реакции [23, 37, 47, 70]. Для более корректного учета реакций горения в газовзвесях используются результаты исследований горения отдельных частиц. Изучение горения отдельных частиц проводилось во многих работах. Первая теоретическая модель горения капли горючего [100] учитывает в квазистационарном приближении процессы вблизи частицы при ее горении в парофазном режиме. Детальное экспериментальное и теоретическое исследование горения капель жидкого горючего и металлических частиц в окислителе проведено различными авторами [37, 47, 61, 62, 72, 101]. Определены кинетические функции окисления частиц многих металлов и проведено сравнение с экспериментальными данными результатов моделирования самовоспламенения и горения газовзвесей [34, 61, 62, 67]. Для горючих частиц органических веществ учитываются кинетика реагирования — параллельные реакции [70, 72, 102], многостадийность процесса реагирования [89, 90], образование конденсированных окислов вокруг частиц [37, 38]. К настоящему времени появилось много работ по горения углеродистых частиц и частиц угля [7, 29, 50−55, 67, 70, 72, 73, 85, 86, 88−90, 103, 104], где учитывается кинетика выделения летучих компонентов, множество реакций с учетом реального химического состава угля и внутренней структуры частиц угля [88−90, 96].

Одна из широких сфер применения порошковых составовиспользование их в качестве средств пожаротушения. Они находят применение в практике пожаротушения и огнепреграждения [8, 105, 106]. В зависимости от материала, механизм подавления газовых пламен диспергированным составами может быть обусловлен тепловым взаимодействием твердой и газовой фаз, либо химическим ингибированием, или их сочетанием [106−110]. В [92] в качестве тушащего порошка использовались кремнийсодержащие вещества, и механизм подавления газового пламени такого рода порошками объясняется инерционностью теплообмена твердой и газовой фаз. Более широкое применение в пожаротушении нашли порошковые составы комбинированного воздействия, которые наряду с балластированием понижают температуру газа за счет эндотермических реакций разложения твердой фазы и разбавления газообразными продуктами терморазложения исходной горючей смеси. В соответствии с теплодиффузионным механизмом распространения пламени понижение температуры ведет к замедлению скорости химической реакции горения и понижению скорости пламени.

Экспериментальное исследование эффективности применения порошковых составов в качестве огнепреградителей показало ее сильную зависимость от дисперсности порошка и массовой концентрации [92, 93]. Теоретическое моделирование распространения пламени по запыленному газу инертными [81, 111−113] или терморазлагающимися [114] частицами горючему газу позволило определить основные параметры дисперсной фазы, наиболее существенно влияющие на уменьшение скорости распространения пламени, и определить вид и физический смысл константы в эмпирической формуле, приведенной в [92]. Наличие инертной дисперсной фазы в горючем газе смещает пределы распространения пламени в запыленном инертными частицами горючем газе при наличии теплоотвода в окружающую среду.

Одним из способов огнепреграждения при горении газов является создание на пути пламени водяной завесы в виде аэрозоля капельной жидкости. Взаимодействие волны горения с облаком аэрозоля рассматривалось экспериментально и теоретически авторами [109, 110, 116]. В некоторых условиях (выработанное пространство угольных шахт) к устройствам пожаротушения и огнепреграждения предъявляются определенные требования к скорости их срабатывания и создания завесы. Естественно имеются ограничения на расходные характеристики устройств, подающих тушащие составы [6, 110]. Дисперсность аэрозоля, его массовая концентрация, скорость испарения жидкости может влиять на эффективность воздействия завесы на пламя. В связи с этим необходимо создавать такие тушащие составы, которые наиболее эффективно взаимодействуют с высокотемпературной зоной волны горения для понижения температуры реакции и, как следствие, уменьшения скорости распространения пламени. Предварительные оценки можно проводить на основе математического моделирования процессов взаимодействия волны горения с облаком аэрозоля.

Как показывает опыт [6, 94, 105, 110, 117−127], дисперсная фаза или водяная аэрозоль даже при небольших массовых концентрациях способны не только затормозить распространение пламени, но и прекратить распространение фронта детонации в метановоздушной смеси [97]. Специальные устройства гашения пламени и огнепреграждения используются в горных выработках угольных шахт [6]. Помимо эффекта огнепреграждения такие завесы (водяные или пылевые) уменьшают интенсивность ударной волны, распространяющейся от взрыва МВС или зарядов взрывчатого вещества.

Необходимо отметить, что в последнее время особый интерес уделяется проблемам горения угля, угольных частиц, угольной пыли [50−55, 67, 88−90, 129, 130]. Это вызвано с одной стороны проблемой обеспечения более экономичного и экологически чистого сжигания угля, с другой стороныобеспечением безопасных, безаварийных технологических процессов угледобычи и углепереработки [2, 3, 6]. Есть и третья сторона проблемы — обеспечение безопасности людей и оборудования при работе с установками и оборудованием, содержащими газовзвеси угольной пыли путем недопущения возникновения взрывоопасных концентраций МВС и угольной пыли. В случае возникновения аварийной ситуации должен проводится комплекс мер по обеспечению безопасности людей и оборудования [6, 118, 119]. В случае аварии в шахте при проведении спасательных или аварийно-восстановительных работ при угрозе взрыва последние регламентируются Уставом ВГСЧ [119]. Однако, опыт ликвидации аварий на угольных шахтах, специальные исследования, проведенные в экспериментальных шахтах и модельных условиях [5, 131,132], математическое и численное моделирование [5, 133−137] по распространению пламени и ударных волн в сети выработок угольных шахт выявляет недостаточность существующих инженерных методик расчета взрывобезопасных расстояний, так как они основаны на приближенных или аппроксимационных формулах для зависимости интенсивности ударных волн от пройденного ими пути и не учитывают многие эффекты, существенно влияющие на интенсивность ударной волны при ее распространении в сети горных выработок [119−120]. К таким эффектам можно отнести возможное горение угольной пыли, поднимаемой со стенок выработок по мере продвижения ударной волны, возможное возникновение серии последовательных взрывов локальных и слоевых скоплений метана, встречающихся на пути ударной волны, наличие волновых эффектов при движении газа и продуктов взрыва по выработкам. Создание и использование новых эффективных способов и средств защиты от взрывов и ударных волн [6], использование водяных и пылевых завес [122, 123, 127] также требует проведения более детального учета их взаимодействия с ударной волной и пламенем от взрыва МВС в шахтах. Кроме этого новые средства взрывозащиты должны быть эффективно применены в аварийной ситуации. В связи с этим должно быть проведено обоснованное планирование расположения взрывозащитного оборудования в выработках, исходя из сведений о возможном взрыве загазованных участков выработок.

В последнее время в различных областях техники началось широкое использование газогенераторов различного назначения [140−169]. Можно выделить газогенераторы, используемые в воспламенительных узлах РДТТ, в пиропатронах в различных устройствах пироавтоматики, газогенераторы, используемые в устройствах подъема объектов из-под воды, газогенераторы, используемые для разрыва пластов с целью повышения нефтеотдачи, газогенераторы, используемые в оборудовании для прострелки стенок скважин, газогенераторы, используемые в подушках безопасности в автотранспорте, для очистки теплообменников на ТЭЦ, для резки металлических конструкций в экстремальных условиях. Все они имеют свои определенные особенности конструкции и условия эксплуатации. Источником газа в газогенераторах являются продукты сгорания конденсированных веществ, которые в некоторых конструкциях газогенераторов находятся в виде зерен или частиц различной формы, которые при горении образуют газовзвесь. Наиболее распространенным источником газа является порох. Поэтому при разработке и конструировании газогенераторов различного назначения используются методы и подходы, хорошо разработанные в механике дисперсных потоков, внутренней баллистике ракетных двигателей на твердом топливе и внутренней баллистике ствольных систем [147−162].

Целью исследований, представленных в диссертации является изучение самовоспламенения, зажигания и горения химически реагирующих газовзвесей сложного состава, и расчета газодинамических течений при горении газовзвесей по разветвленным каналам. Диссертация написана по работам [111 116], [174−213] и состоит из 5-ти глав, заключения и списка литературы.

5.5. Выводы по главе 5.

При выполнении исследований рабочих процессов в системах газогенератор — трубопровод — привод проведены исследования и получены следующие результаты.

1. Сформулирована математическая модель рабочих процессов в системах газогенератор — трубопровод — привод, учитывающая постепенное горение пиротехнического состава, движение продуктов сгорания по трубопроводу с учетом теплообмена и трения со стенками, поворотов и разветвлений трубопровода, учитывающая движение привода, начинающегося по достижении заданного критического давления, истечение газа через зазор между подвижным элементом привода и корпусом и трение при движении подвижного элемента привода. к.

Методики и программы расчета рабочих процессов в системах газогенератор — трубопровод — привод для двух типов приборов были оформлены и переданы заказчику в соответствии с ТЗ № 088−15/4568 от 13.09.2001.

2. На основе сформулированной математической модели и разработанной методики было проанализировано влияние давления открытия выходного отверстия из камеры сгорания и его диаметра, влияние поворотов трубопровода на газодинамику движения продуктов сгорания по трубопроводу и временные характеристики его срабатывания, проведены расчеты изменения динамических характеристик срабатывания прибора при изменении начальной температуры в интервале -50 С — +50 С. Также было проведено согласование математической модели с результатами экспериментальных измерений, проведенных в РФ ЯЦ ВНИИТФ.

3. На основе сформулированной математической модели и разработанной методики был проведен расчет системы газогенератор — трубопровод — привод с разветвляющимся, Т-образным трубопроводом. Расчеты показали, что при заданных конструктивных ограничениях на величину камеры сгорания, количества продуктов сгорания не достаточно для срабатывания двух ножей в случае некоторого разброса конструктивных характеристик ножей (при срабатывании одного ножа, после некоторой задержки, происходит сброс давления из объема второго ножа в увеличившийся объем за первым ножом).

Проведено численное моделирование работы газогенератора, когда трубопроводы частично заполнены жидкостью. Приведены оценки параметров заряжания пороховым зарядом для обеспечения срабатывания прибора при заданных конструктивных параметрах прибора.

Сформулированные математические модели и согласованные с экспериментами численные методики могут быть использованы для подбора условий заряжания газогенераторов рассмотренных типов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Проведено математическое моделирование и анализ зависимостей периода самовоспламенения от параметров дисперсной фазы в газовзвесях сложного состава, таких, как немонодисперсная, двухкомпонентная, гибридная, двухкомпонентного аэрозоля, состоящего из перемешанных капель окислителя и горючего, газовзвеси, дисперсная фаза которой выделяет горючие летучие компоненты.

Сформулирована модель процессов испарения и химического реагирования аэрозоли топлива в дизельном двигателе.

Проведено исследование самовоспламенения и сгорания газовзвеси угольной пыли, выделяющей горючие летучие компоненты, в постоянном объеме. Полученные зависимости максимального давления в объеме после сгорания газовзвеси от ее массовой концентрации и максимальной скорости роста давления при взрыве хорошо соответствуют экспериментально измеренным, опубликованным в научной литературе.

Получены аналитические формулы для периода самовоспламенения, получены аналитические оценки критических условий самовоспламенения. Полученные формулы сравнены с результатами численного решения задачиг определены области параметров, в которых они применимы.

2. Исследованы закономерности зажигания газовзвесей сложного состава различными источниками:

Изучены взаимопереходы от зажигания к самовоспламенению газовзвеси в полости с горячими стенками, проанализирована роль излучения от стенок.

Изучены закономерности при зажигании горячей стенкой и очаговом воспламенении гибридной газовзвеси, определены области параметров, в которых ведущей является реакция в газовой фазе или на поверхности частиц дисперсной фазы.

Проанализирована роль излучения тепла от нагретых частиц при зажигании неоднородного облака частиц потоком лучистой энергии.

Проведено исследование искрового зажигания гибридной газовзвеси. Из численного решения системы уравнений, описывающих искровое воспламенение газовой смеси получены значения нижнего и верхнего концентрационных пределов воспламенения метановоздушной смеси, хорошо согласующиеся с экспериментальными данными. Проведено исследование влияния экзотермически реагирующей дисперсной фазы на нижний и верхний концентрационные пределы воспламенения, показавшее, что реагирующие частицы дисперсной фазы расширяют концентрационные пределы горения газовых смесей.

Проведен численный и аналитический анализ влияния лучистого теплопереноса на минимальную энергию искрового зажигания газовзвеси.

3. Проведено математическое моделирование закономерностей распространения фронта пламени в газе, запыленном инертными, либо терморазлагающимися частицами дисперсной фазы, либо аэрозолем капельной жидкости (воды). Аналитически и численно определены критические условия срыва горения запыленного газа при внешнем теплоотводе.

Исследованы закономерности распространения фронта горения в гибридной газовзвеси, проведено моделирование и исследование влияния неоднородного (неравномерного) распределения дисперсной фазы на скорость распространения фронта горения в гибридной газовзвеси.

Исследовано влияние выделения горючих летучих компонентов из дисперсной фазы на скорость распространения фронта горения в газовзвеси.

4. Предложена и апробирована газодинамическая методика расчета распространения воздушных ударных волн от взрыва МВС в разветвленной сети горных выработок угольных шахт, позволяющая определять безопасные для работы горноспасателей зоны сети горных выработок и зоны загазованности продуктами горения при взрыве МВС.

На основе газодинамической методики расчета распространения ударных волн по сети горных выработок создана методика учета влияния взрывов локальных скоплений метана, встречающихся на пути распространения ударной волны, взаимодействия ударных волн с взрывозащитными парашютными перемычками и загромождениями выработок, водоналивными перемычками и водяными и сланцевыми заслонами.

Проведено сравнение расчетов с экспериментальными данными интенсивности ударной волны перед, и после прохождения водоналивной перемычки. Проведено сравнение расчетов с эмпирическими коэффициентами затухания ударной волны при прохождении зон сопряжения горных выработок и при прохождении ударной волной взрывозащитных парашютных перемычек, установленных вблизи зон сопряжения выработок.

Сформулированные математические модели, разработанные численные методики, созданные программные модули являются методологической и методической базой для развития газодинамической методики расчета взрывобезопасных расстояний при взрывах МВС в шахтах с целью учета на ее основе эффектов подавления, перераспределения энергии и управления направлением распространения воздушных ударных волн с использованием различных взрывозащитных сооружений. Внесение этих возможностей в газодинамическую методику позволит значительно увеличить ее практическую ценность при анализе возможных аварийных ситуаций, во время проведения горноспасательных и аварийно-восстановительных работ в шахтах. 5. Сформулирована математическая модель рабочих процессов в системах газогенератор — трубопровод — привод, учитывающая постепенное горение пиротехнического состава, движение продуктов сгорания по трубопроводу с учетом теплообмена и трения со стенками, поворотов и разветвлений трубопровода, учитывающая движение привода. Было проанализировано влияние конструктивных параметров системы, таких как давления открытия выходного отверстия из камеры сгорания и его диаметра, начальной температуры, влияние поворотов трубопровода на газодинамику движения продуктов сгорания по трубопроводу и временные характеристики перемещения привода. Было проведено согласование математической модели с результатами экспериментальных измерений, проведенных в РФ ЯЦ ВНИИТФ. Проведен расчет системы газогенератор-трубопровод-привод с разветвляющимся, Т-образным трубопроводом. Проведено численное моделирование работы газогенератора, когда трубопроводы частично заполнены жидкостью.

Сформулированные математические модели и согласованные с экспериментами численные методики могут быть использованы для подбора условий заряжания газогенераторов рассмотренных типов.

Материалы работы докладывались на IX Всесоюзном симпозиуме по горению и взрыву (Суздаль, 1989), XII симпозиуме по горению и взрыву (Черноголовка, 2000), XIV Всесоюзной конференции «Актуальные вопросы физики аэродисперсных систем» (Одесса, 1986), Всесоюзной школе-семинаре «Макроскопическая кинетика и химическая газодинамика» (Томск, 1989), XIV Всесоюзном семинаре по электрофизике горения (Челябинск, 1991), международной конференции «Chemical Gasdynamics and Combustion of Energetic Materials» (Томск, 1995), Международной конференции «Всесибирские чтения по математике и механике» (Томск, 1997), научной конференции «Фундаментальные проблемы охраны окружающей среды и экологии природопользования территориальных комплексов Западной Сибири» (Горноалтайск, 2000), VII Всероссийской научно-технической конференции «Механика летательных аппаратов и современные материалы» (Томск, 2000, 2002), Всероссийской конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы современной механики» (Томск, 1998, 2000, 2002), IV Международной научно-практической конференции «Безопасность жизнедеятельности предприятий в угольных регионах» (Кемерово, 2000), Всероссийской научной конференции «Байкальские чтения по математическому моделированию в синергетических системах» (Улан-Удэ, 1999), международной конференции «Байкальские чтения-Ii по математическому моделированию в синергетических системах» (Улан-Удэ, 2002), 29-th International Conference of Safety in Mines Research Institutes (Poland, 2001), VI Международной конференции «Современные методы математического моделирования природных и антропогенных катастроф» (Красноярск, 2001), Международной научно-практической конференции «третьи Окуневские чтения» (Санкт-Петербург, 2002).

Были представлены на Международной конференции the Seventh International Colloquium on Dust Explosions (Bergen, Norway, 1996), 16-th.

International Colloquium on Dynamics of Explosion and reactive systems (Kracov, Poland, 1997), Всероссийской конференции «Математические модели и методы их исследования (задачи механики сплошных сред, экологии, технологических процессов)» (Красноярск, 1997), третьем Сибирском конгрессе по индустриальной математике (ИНПРИМ-98) (Новосибирск, 1998).

Проводились по проектам, выполняемым в Томском государственном университете: Гранту РФФИ № 98−01−3 009 (Р98Сибирь) «Разработка методологии, математических моделей и программного обеспечения прогнозирования распространения и выпадения вредных примесей при эксплуатации ракетно-космической техники» (1998;2000, рук. Е.А.Козлов), по гранту № 02−01−1 022 (рук. С.В.Тимченко), по федеральной целевой программе «Интеграция» (№ А0060, № Б0113), по темам в рамках ЕЗН № 1 200 202 287, № 1 980 000 302, по гранту CRDF, проект ТО-016−02.

Отдельные исследования проводились по хоздоговорам с РосНИИ горноспасательного дела (г. Кемерово), и с РФЯЦ ВНИИТФ (г. Снежинск) и вошли в 14 отчетов по НИР. В соответствии с условиями договоров были переданы заказчикам методики и компьютерные программы:

1. Первая редакции методики и программы расчета параметров распространения ударных волн по горным выработкам в шахтах. (РосНИИ ГД);

2. Расчет параметров рабочего процесса в аккумуляторе давления ПАД1. (РФЯЦ ВНИИТФ);

3. Расчет параметров рабочего процесса в аккумуляторе давления ПАД2. (РФЯЦ ВНИИТФ);

4. Расчет параметров рабочего процесса в газогенераторе с одним приводом. (РФЯЦ ВНИИТФ);

5. Расчет параметров рабочего процесса в газогенераторе с двумя приводами. (РФЯЦ ВНИИТФ);

6. Расчет конденсатора для выделения пентафторида фосфора (НИКИ СХК).