Фламенко

Фламенко
Шифр эксперимента: Фламенко
Направление НПИ: 1. Физико-химические процессы и материалы в условиях космоса
Секция КНТС: Космическое материаловедение
Наименование эксперимента: Имитатор пожарной нагрузки
Цель эксперимента:

Получение экспериментальных данных для определения условий существования диффузионного пламени над плоской поверхностью конденсированного горючего материала в условиях микрогравитации, включая критические условия погасания.

Описание эксперимента:

Объектом исследования является диффузионное пламя над плоской поверхностью круглой пористой горелки со встроенными датчиками расхода горючего, температуры и падающего теплового потока.

Состав горючего газа (метан, этилен) изменяется путём добавления инертного разбавителя (азот, углекислый газ). Состав атмосферы изменяется путём изменения соотношения азота и кислорода и добавления углекислого газа.

Для фиксированного расхода горючего определяется возможность воспламенения и формирования установившегося горения, определяется форма, структура, светимость и динамика (отрыв, наличие и характер осцилляций, возможность стационарного режима) пламени. Для установившегося пламени определяется предельный расход горючего, ниже которого происходит погасание и исследуется изменение структуры и динамики пламени при погасании. По результатам экспериментов формируется карта режимов воспламенения, установившегося горения и погасания, пригодная для прогноза горючести конденсированных пожароопасных материалов.

Создание и комплектация экспериментальной установки (горелка – имитатор пожарной нагрузки, системы подготовки и подачи горючего газа, камера с контролируемой окислительной атмосферой, средства видеорегистрации, измерения температуры и тепловых потоков) выполняются американским партнёром.

Задачи российской группы включают численное моделирование и теоретический анализ диффузионного горения и определение критических условий зажигания и погасания в условиях эксперимента на МКС, а также в условиях наземных экспериментов.

План работы российской стороны предполагает значительный объём работ как до начала экспериментов на МКС, так и после их завершения. До начала экспериментов на МКС предполагается выполнение численного моделирования и теоретического анализа ранее выполненных экспериментов на той же установке в условиях кратковременной невесомости (падение в испытательной башне) и при нормальной гравитации. План экспериментов на МКС будет уточняться по результатам этих работ.

Российская сторона выполняет численное моделирование и теоретический анализ как для экспериментов с горелкой-имитатором на борту МКС, так и для условий горения реальных термопластиков с учётом их пиролиза (в невесомости и при нормальной гравитации). Выполнение программы расчётов продолжится после выполнения экспериментов на МКС.

При выполнении программы расчётов будут использованы вычислительные ресурсы СПбПУ (cуперкомпьютерный центр «Политехнический»).

 

Новизна эксперимента:

Данное исследование заполняет существующий пробел в знании режимов и количественных характеристик диффузионного горения над плоской поверхностью конденсированного горючего материала в неподвижной окислительной атмосфере в условиях невесомости. При выполнении программы экспериментов будут получены новые количественные данные о пределах воспламенения и погасания практически важных горючих материалах. Существующие приближённые аналитические методы расчёта возникновения и погасания пламени предполагают фиксированное значение температуры поверхности горючего материала и не учитывают конечную и переменную скорость пиролиза в слое материала. В данном проекте будут разработаны новые аналитические методы определения характеристик воспламенения, установившегося горения и погасания термопластиков с учётом диффузии летучих в газовой фазе и конечной скорости пиролиза в объёме материала. В рамках выполнения программы численных исследований будет отработана новая методика численного моделирования трёхмерного диффузионного пламени произвольной формы, формирующегося над поверхностью горючего материала. В составе модели будет впервые применена модель Pyropolis [16] для расчёта нагрева и пиролиза горючего материала.

 

Научная аппаратура:

НА предназначена для формирования диффузионного пламени путём подачи горючего газа с инертным разбавителем (азот) через круглую пористую горелку в неподвижную окислительную среду и визуально-инструментальной регистрации его свойств, структуры и динамики.

Горелка-имитатор горящей поверхности с контролируемым расходом газообразного горючего «Burning Rate Emulator (BRE)» представляет собой круглую пористую горелку со встроенными датчиками расхода горючего, температуры и падающего теплового потока. Она предназначена для формирования диффузионного пламени над плоской поверхностью конденсированного горючего материала в условиях микрогравитации. Оборудование BRE интегрировано в стойку CIR («Многофункциональный модуль для исследования процессов горения»), предназначенную для автоматизированных исследований горения газов и капель. Стойка CIR размещена в модуле Destiny (АС МКС).

Разработки и создания НА не требуется. Доставка комплектующих НА планируется, начиная со SpaceX-11.

 

Ожидаемые результаты:

Результаты фундаментального характера:

1.Возможность реализации, количественные характеристики, критические условия режимов установившегося диффузионного горения над плоской поверхностью конденсированного горючего в невесомости.

 

- Область параметров (теплота газификации, теплота сгорания, скорость газификации конденсированного горючего), соответствующая установившемуся диффузионному горению в невесомости.

- Влияние кривизны пламени, наличия градиента скорости, лучистых теплопотерь из зоны реакции диффузионного пламени на его устойчивость.

- Возможность реализации и количественное описание механизма погасания диффузионного пламени над плоской поверхностью в пределе малых градиентов скорости (радиационное погасание).

2. Прикладные результаты: усовершенствованные методы приближённого расчёта характеристик и критических условий воспламенения и погасания, а также установившегося горения над плоской поверхностью конденсированного горючего в невесомости и при нормальной гравитации.

- Обобщённый аналитический метод определения характеристик воспламенения, установившегося горения и погасания термопластика с учётом диффузии летучих в газовой фазе и конечной скорости пиролиза в объёме материала.

- Рекомендации по применимости наземных стандартных испытаний материалов на горючесть для оценки горючести материалов в невесомости.

- Методика численного моделирования диффузионного горения в условиях невесомости, в том числе – совместно с пиролизом горючего материала с учётом тепловой обратной связи между тепловым потоком из пламени и скоростью пиролиза.

 

Сроки проведения: 2019 г.
Состояние эксперимента: Готовится
Организация постановщик: Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого
Организации участники: Department of Fire Protection Engineering, University of Maryland 4356 Stadium Dr., College Park, MD 20742-3031
Научный руководитель: Снегирёв А.Ю., Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, профессор каф., д.т.н.
Публикации по эксперименту:

1. H. D. Ross, Microgravity Combustion, Academic Press, San Diego, 2001.

2. R. E. Lyon, J. G. Quintiere. Criteria for piloted ignition of combustible solids. Combustion and Flame 151 (2007) 551–559.

3. F. V. Lundstrom, P. B. Sunderland, J. G. Quintiere, P. van Hees, J. L. de Ris. Study of ignition and extinction of small-scale fires in experiments with an emulating gas burner. Fire Safety Journal 87 (2017) 18–24.

4. Yi Zhang, M. Kim, H. Guo, P. B. Sunderland, J. G. Quintiere, J. De Ris, D. P. Stocker. Emulation of condensed fuel flames with gases in microgravity. Combustion and Flame 162 (2015) 3449–3455.

5. Y. Zhang, M. Kim, P. B. Sunderland, J. G. Quintiere, J. de Ris. A burner to emulate condensed phase fuels. Experimental Thermal and Fluid Science 73 (2016) 87–93.

6. Law C.K. Combustion Physics. Cambridge University Press, 2006. – 722 P.

7. Poinsot T., Veynante D. Theoretical and numerical combustion. 3rd Ed, Toulouse, 2012. – 587 P.

8. Снегирёв А.Ю. Основы теории горения. Учебник. Санкт-Петербург, Изд-во Политехн. ун-та, 2014, 352 С.

9. Snegirev A.Yu. Perfectly stirred reactor model to evaluate extinction of diffusion flame // Combustion and Flame, 2015, Vol. 162, No 10, P. 3622-3631.

10. V. R. Lecoustre, P. B. Sunderland, B. H. Chao, R. L. Axelbaum. Numerical investigation of spherical diffusion flames at their sooting limits. Combustion and Flame 159 (2012) 194–199.

11. S. Cao, B. Ma, B. A. V. Bennett, D. Giassi, D. P. Stocker, F. Takahashi, M. B. Long, M. D. Smooke. A computational and experimental study of coflow laminar methane/air diffusion flames: Effects of fuel dilution, inlet velocity, and gravity. Proceedings of the Combustion Institute 35 (2015) 897–903.

12. F. Liu, G. J. Smallwood, W. Kong. The importance of thermal radiation transfer in laminar diffusion flames at normal and microgravity. Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer 112 (2011) 1241–1249.

13. S. W. Yoo, S. Chaudhuri, K. R. Sacksteder, P. Zhang, D. Zhu, C. K. Law. Response of spherical diffusion flames subjected to rotation: Microgravity experimentation and computational simulation. Combustion and Flame 159 (2012) 665–672.

14. H. Y. Wang, J. L. F. Merino. Quenching of a Boundary-Layer Laminar Diffusion Flame in Microgravity. AIAA JOURNAL Vol. 49, No. 2, 383-395.

15. S. Rouvreau, P. Cordeiro, P. Joulain, H. Y. Wang, J. L. Torero. Numerical Evaluation of the Influence of Fuel Generation on the Geometry of a Diffusion Flame: Implications to Micro-Gravity Fire Safety. Fire Safety Science – Proceedings of the Seventh International Symposium, IAFSS, 2003, pp. 283-294.

16. A. Snegirev, V. Talalov, V. Stepanov, J. Harris. A new model to predict pyrolysis, ignition and burning of flammable materials in fire tests // Fire Safety Journal, 2013, 59, pp. 132-150.

Последнее обновление: 12.07.2019
Задачи эксперимента:

- определение режимов диффузионного горения и анализ результатов расчётов для экспериментов в условиях кратковременной невесомости (падение в испытательной башне) и в условиях микрогравитации в обеспечение подготовки и проведения космического эксперимента на борту МКС.

- выдача исходных данных для уточнения программы измерений на МКС на основе анализа результатов расчётов для этапа BRE A.

- анализ экспериментальных данных, полученных на этапе BRE A, и выдача научно-обоснованных рекомендаций по оптимизации режимов выполнения этапа BRE B.

- анализ применимости экспериментальных данных, полученных на МКС, для определения пожарной опасности термопластиков в условиях невесомости и при нормальной гравитации
Страна: Россия