Конкурс научных работ 2018 года

Разработка численных моделей распространения пожаров
по синтетическим и природным полимерным материалам
на основе экспериментального исследования
кинетики пиролиза и горения полимеров

О.П.Коробейничев, А.А.Палецкий, С.А.Трубачев, А.Г.Терещенко,
Р.К.Глазнев, М.Б.Гончикжапов, А.Г.Шмаков, И.Е.Герасимов,
К.Н.Осипова, А.И.Карпов1, А.А.Болкисев1, А.А.Шаклеин1,
А.Ю.Снегирев2, В.А.Талалов2, В.В.Степанов2, Ю.К.Нагановский3, И.К.Шундрина4, A.Kumar5, K.Naresh5, H.R.Rakesh Ranga5,
A.Harish5, Raghavan Vasudevan5, R.Vinu5

1Удмуртский федеральный Исследовательский центр УрО РАН, Ижевск,
2Санкт-Петербургский государственный политехнический университет, Санкт-Петербург,
3ВНИИПО МЧС России, Балашиха,
4Институт органической химии СО РАН, Новосибирск,
5Индийский Институт технологии Мадраса, Ченнай, Индия

1. Общая формулировка научной проблемы и ее актуальность.

Техногенные и природные пожары приносят огромный материальный вред, представляют большой риск для жизни человека. Одним из способов борьбы с этим видом катастроф является предсказание сценария развития пожара с тем, чтобы иметь возможность выбрать тактику борьбы с ним, провести заблаговременную эвакуацию людей, оценить возможные пожарные риски для объектов. Точность предсказания динамики развития пожаров постоянно увеличивается, что стало возможным как в результате совершенствования методов расчета, роста производительности вычислений, а также уточнения ключевых параметров физико-химических процессов, протекающих при пиролизе и горении синтетических и природных полимерных материалов. Поэтому актуальной научной задачей является получение новых достоверных знаний о механизме и кинетике процессов пиролиза и горения полимерных материалов.

2. Конкретная решаемая в работе задача и ее значение.

В данном цикле работ были решены следующие задачи: 1) Экспериментально изучена тепловая и химическая структура пламен, измерены тепловые потоки при распространении горения по поверхности noncharring и charring полимеров - полиметилметакрилата (ПММА) и сосновой хвои, в состав которой входит целлюлоза, при различной ориентации поверхности полимеров в пространстве; 2) Экспериментально изучена кинетика пиролиза различных полимеров (полиэтилен, полистирол, ПММА, поликарбонат) в широком диапазоне темпов нагрева (0.17÷2•104 K/с) и численно определены кинетические параметры их пиролиза; 3) Экспериментально изучена скорость распространения пламени по полимерам различной толщины при различной пространственно ориентации их поверхности; 4) Проведено численное моделирование скорости распространения фронта горения, тепловой и химической структуры пламен исследованных полимеров на основе сопряженной модели, описывающей тепло- и массо-обмен при пиролизе полимеров в конденсированной фазе и окислении продуктов пиролиза полимеров в газовой фазе с учетом кинетики реакций пиролиза и горения продуктов пиролиза.

3. Используемый подход, его новизна и оригинальность.

В качестве основных методик исследования были использованы современные экспериментальные методы: масс-спектрометрия с микрозондовым отбором пробы, микротермопарная методика, методы термического анализа (динамический масс-спектрометрический термический анализ, термогравиметрический анализ, метод кислородной калориметрии, метод высокоскоростного пиролиза), а также методы численного моделирования процессов пиролиза и горения. Примененные методы и установки в большинстве случаев были впервые адаптированы авторами работ для исследования пиролиза и горения исследованных полимерных материалов, что позволило получить новые уникальные данные для разработки и уточнения на их основе численных сопряженных моделей горения полимеров. В работе предложены новые оригинальные сопряженные модели горения полимеров, учитывающие взаимодействие процессов горения в газовой фазе и процессов пиролиза полимерного материала на основе сопряженной постановки задачи тепло- массообмена, механики жидкости и химической кинетики для гетерогенной системы "газ - твердое тело", решение которой определяет параметры автомодельного режима распространения пламени.

4. Полученные результаты и их значимость.
÷

Получены впервые экспериментальные данные по полям температур и концентрациям веществ над горящими пластинами топлив, по профилям температуры на их верхней и нижней поверхности, по кондуктивным тепловым потокам из пламени в топливо, по скорости пламени и массовой скорости горения при варьировании толщины пластины при распространении по ним пламени в горизонтальном и вертикальном направлениям. Разработаны новые оригинальные сопряженные модели горения полимеров, учитывающие взаимодействие процессов горения в газовой фазе и процессов пиролиза полимерного материала на основе сопряженной постановки задачи тепло- массообмена, механики жидкости и химической кинетики для гетерогенной системы "газ - твердое тело", валидация которых была осуществлена на основе полученных экспериментальных данных. Эти модели могут быть использованы при разработке моделей пожаров в зданиях, при оценке горючести полимерных материалов, при оценке пожарных рисков

5. Уровень полученных результатов в сравнении с мировым.

Эти результаты получены в рамках выполнения международного проекта РНФ с Индией. Полученные впервые в мире, новые уникальные результаты были представлены в 2-х приглашенных докладах на международной и всероссийской с международным участием конференциях и в 11 устных докладах на международных и всероссийских конференциях, а также опубликованы в 9 статьях в международных научных журналах с высоким рейтингом.>

6. Вклад авторского коллектива.

Вклад авторского коллектива в экспериментальную часть представленного цикла работ является определяющим. Данные ДТГ анализа полимеров были получены в НИОХ СО РАН и во 3ВНИИПО МЧС России. Эксперимент и численное моделирование кинетики пиролиза ПММА были выполнены авторами. Физико-химические модели были разработаны авторами совместно с соавторами. Численное моделирование горения исследуемых полимеров выполнено соавторами из Ижевска, Ченнай (Индия).

Список публикаций.
  1. Korobeinichev O., Gonchikzhapov M., Tereshchenko A., Gerasimov I., Shmakov A., Paletsky A., Karpov A., An experimental study of horizontal flame spread over PMMA surface in still air // Combustion and flame, 188 (2018) 388–398. DOI: 10.1016/j.combustflame.2017.10.008 (IF=4.494)
  2. Korobeinichev O.P., Shmakov A.G., Osipova K.N., Kumar A., and Naresh K., Experimental Study and Numerical Modeling of Downward Flame Spread Along a Single Pine Needle: Part 1 (Experiments) // Combustion Science and Technology, 190 (1) (2018), 164-185, DOI: 10.1080/00102202.2017.1380001 (IF=1.132)
  3. Rakesh Ranga H.R., Korobeinichev O.P., Harish A., Vasudevan R., Kumar A., Gerasimov I.E., Gonchikzhapov M.B., Tereshchenko A.G., Trubachev S.A., Shmakov A.G., Investigation of the structure and spread rate of flames over PMMA slabs // Applied Thermal Engineering, 130 (2018) 477–491. DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2017.11.041 (IF=3.771)
  4. Naresh K., Kumar A., Korobeinichev O., Shmakov A., Osipova K., Downward flame spread along a single pine needle: Numerical modelling // Combustion and Flame, v. 197, 2018, 161-181 DOI: 10.1016/j.combustflame.2018.07.019 (IF=4.494)
  5. Karpov A.I., Korobeinichev O.P., Bolkisev A.A., Shaklein A.A., Shmakov A.G., Paletsky A.A., Gonchikzhapov M.B., Numerical study of polyethylene burning in counterflow: Effect of pyrolysis kinetics and composition of pyrolysis products // Fire and Materials, 42 (7), (2018) pp. 826-833 DOI: 10.1002/fam.2638 (IF=1.22)
  6. Karpov A.I., Korobeinichev O.P., Shaklein A.A., Bolkisev A.A., Kumar A., Shmakov A.G., Numerical study of horizontal flame spread over PMMA surface in still air //Applied Thermal Engineering, 144, (2018) pp. 937-944. DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2018.08.106 (IF=3.771)
  7. Korobeinichev O.P., Karpov A.I., Bolkisev A.A., Shaklein A.A., Gonchikzhapov M.B., Paletsky A.A., Tereshchenko A.G., Shmakov A.G., Gerasimov I.E., Kumar A., An experimental and numerical study of thermal and chemical structure of downward flame spread over PMMA surface in still air // Proceedings of the Combustion Institute (2018), DOI: 10.1016/j.proci.2018.06.005 (IF=5.336)
  8. O.P. Korobeinichev, A.A. Paletsky, M.B. Gonchikzhapov, R.K. Glaznev, I.E. Gerasimov, Y.K. Naganovsky, I.K. Shundrina, A.Yu. Snegirev, R. Vinu, Kinetics of Thermal Decomposition of PMMA at Different Heating Rates and in a Wide Temperature Range // Thermochimica Acta (2018), DOI:10.1016/j.tca.2018.10.019 (IF=2.189)
  9. A.Yu. Snegirev, V.A. Talalov, V.V. Stepanov, O.P. Korobeinichev, I.E. Gerasimov, A.G. Shmakov, Autocatalysis in thermal decomposition of polymers // Polym. Deg. Stab. 137 (2017) 151–161. DOI:10.1016/j.polymdegradstab.2017.01.008 (IF=3.193)


© 2018 ИХКГ СО РАН, г. Новосибирск