Влияние начальной температуры капель воды на характеристики их деформации в газовой среде Текст научной статьи по специальности «Физика»

Д. В. АНТОНОВ, студент Энергетического института Национального исследовательского Томского политехнического университета (Россия, 634050, г. Томск, просп. Ленина, 30; e-mail: [email protected])

Р. С. ВОЛКОВ, младший научный сотрудник кафедры автоматизации теплоэнергетических процессов Энергетического института Национального исследовательского Томского политехнического университета (Россия, 634050, г. Томск, просп. Ленина, 30; e-mail: [email protected])

М. В. ЗАБЕЛИН, инженер кафедры автоматизации теплоэнергетических процессов Энергетического института Национального исследовательского Томского политехнического университета (Россия, 634050, г. Томск, просп. Ленина, 30; e-mail: [email protected])

П. А. СТРИЖАК, д-р физ.-мат. наук, профессор кафедры автоматизации теплоэнергетических процессов Энергетического института Национального исследовательского Томского политехнического университета (Россия, 634050, г. Томск, просп. Ленина, 30; e-mail: [email protected])

УДК 536.4

ВЛИЯНИЕ НАЧАЛЬНОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ КАПЕЛЬ ВОДЫ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ ИХ ДЕФОРМАЦИИ В ГАЗОВОЙ СРЕДЕ

С использованием высокоскоростных (до 105 кадров в секунду) видеорегистрирующих кросскор-реляционных комплексов и панорамных оптических методов выполнено экспериментальное исследование влияния начальной температуры капель воды на характеристики их деформации в газовой среде (воздухе при умеренных температурах и продуктах сгорания, соответствующих типичным пожарам и возгораниям). Установлены характерные "циклы деформации". Измерены их протяженности, длительности и амплитуды. Определены характерные формы капель и времена их существования при различных начальных температурах воды. Установлены характеристики деформации водяных капель при максимально возможных температурах поверхности капель и средних температурах пожаров.

Ключевые слова: капли воды; высокотемпературные газы; "холодный" воздух; деформация; конфигурация; форма; площадь поверхности испарения.

Введение

Теоретические [1-5] и экспериментальные [6-10] исследования показали, что интенсифицировать испарение воды в зоне тушения пожара можно за счет измельчения капель, изменения угла и скоростей их распыления, предварительного подогрева, введения в состав тушащей жидкости инородных негорючих твердых включений и других операций. Сформулированные заключения исследований [1-10] расширяют известные представления [11-18] в области специализированных систем тушения пожаров тонкораспыленной водой, с использованием "водяного тумана", "водяной завесы" и т. д. В то же время результаты, приведенные в [8-10], показывают, что капли полидисперсных потоков тушащих жидкостей могут быть частично (а иногда полностью) унесены продуктами сгорания из зоны пожара. Установлены также характерные условия дробления, коагуляции и полного испарения капель [6-10]. Выявлено [9,10], что определяющую роль может играть

деформация поверхности капель. До настоящего времени эти процессы не исследованы в полной мере (особенно для разных условий теплообмена). Получившие в последние годы широкое применение панорамные оптические методы (в частности, "Particle Image Velocimetry" и "Interferometric Particle Imaging") [19-21] позволяют исследовать рассматриваемые процессы с высокой дискретизацией времени.

Представляет интерес исследование макроскопических закономерностей деформации капель воды при их движении в газовой среде с использованием скоростных видеокамер и панорамных оптических методов [19-21]. При этом целесообразно изучить изменение формы для капель воды с разной начальной температурой, так как этот фактор является определяющим [6-8] при интенсификации эндотермических фазовых превращений в зоне пожара. Изменение начальной температуры воды [8] можно считать рациональным при пожаротушении зданий и сооружений, но эффективность этого подхода в

© Антонов Д. В., Волков Р. С., Забелин М. В., Стрижах П. А., 2014

значительной степени зависит от времени существования (полного испарения) капель воды в зоне пожара. Этот параметр определяется площадью поверхности капель, которая, в свою очередь, зависит от интенсивности деформации последних. В связи с этим целесообразно исследовать закономерности деформации капель воды с различной начальной температурой в газовой среде при умеренных температурах, а также при высоких, соответствующих непосредственно типичным пламенам.

Цель настоящей работы — экспериментальное исследование влияния начальной температуры капель воды на характеристики их деформации в газовой среде.

Экспериментальный стенд и методы исследований

Для исследований использовался экспериментальный стенд (рис. 1), аналогичный применяемому в экспериментах, описанных в [6-8]. В отличие от последних дополнительно использовалась высокоскоростная (до 105 кадров в секунду) видеокамера.

Стенд обеспечивал видеорегистрацию прохождения одиночными каплями воды в газовой среде расстояния 1 м от дозатора 11 до уловителя 13. Начальные размеры капель воды варьировались в диапазоне 3-6 мм (в качестве начального характерного размера принимался диаметр ¿0 при отрыве от до-

Рис. 1. Схема экспериментального стенда: 1 — видеокамера; 2 — кросскорреляционная камера; 3 — двойной твердотельный импульсный лазер; 4 — синхронизатор ПК, кросскорре-ляционной камеры и лазера; 5 — световой "нож"; 6 — генератор лазерного излучения; 7 — ПК; 8 — штатив; 9 — емкость с водой; 10 — канал подачи воды; 11 — дозатор; 12 — капли воды; 13 — уловитель; 14 — цилиндр из жаростойкого светопрозрачного материала; 15 — полый цилиндр с горючей жидкостью во внутреннем пространстве; 16 — термопары; 17 — канал движения охлаждающей жидкости лазера; 18 — нагнетательная система; 19 — пульт управления нагнетательной системой

затора 11). Начальные скорости капель и0 варьировались в диапазоне 0-3 м/с. При испускании дозатором 11 капель на отрезке длиной 1 м обеспечивалось возрастание скоростей и до 5 м/с.

Исследовалось движение капель в воздухе при изменении температуры последнего от 280 до 300 К, а также через газы (продукты сгорания) с температурой около 1100 К. Для формирования высокотемпературной газовой среды (аналогично экспериментам [6-8]) применялся вертикальный цилиндрический канал 14 (высота 1 м, диаметр 0,3 м) из огнеупорного жаростойкого светопрозрачного стекла (см. рис. 1). Для обеспечения относительно низких температур воздуха в цилиндрическом канале 14 (около 280 К) выполнялась наружная термоизоляция его с использованием льда. Умеренные (около 300 К) температуры воздуха в цилиндре 14 обеспечивались с использованием системы 18. Начальная температура воды Тк изменялась в диапазоне 283-363 К с применением системы нагревательных камер [6-8].

Вне зависимости от начальных температур газов и воды методика проведения экспериментов предусматривала следующие процедуры. Капли воды с заданными начальными размерами й0 и скоростью и0 выходили из дозатора 11 и пролетали в воздухе до уловителя 13 расстояние 1 м. Процесс движения капель регистрировался видеокамерой 1 с частотой 105 кадров в секунду. Проводилось не менее 10 экспериментов для каждого размера и скорости капель при прочих неизменных условиях. После обработки видеограмм на персональном компьютере (ПК) 7 выделялись участки с характерными изменениями конфигурации капель. Фиксировались интервалы времени в течение которых капли завершают полный "цикл деформации", т. е. последовательно дважды принимают близкую к идентичной форму. Расстояние между дозатором 11 и уловителем 13 разделялось на группу участков, характеризующих соответствующие "деформационные циклы" (вычислялись их длительность ^ и протяженность ¡¿). Для каждого из выделенных участков с использованием кросс-корреляционной камеры 2, лазера 3 и синхронизатора 4 проводилось измерение размеров капель. Выполнено 10 экспериментов с идентичными размерами и скоростями капель. Каждая видеограмма разделялась на расчетные области размером 32x32 пикселей. Вычислялся масштабный коэффициент у в соответствии с рекомендациями [19-21]. Для видеограмм экспериментов значения у изменялись в диапазоне 0,01-0,10 мм/пиксель. С использованием алгоритмов [19-21] и методик [6-8] вычислялись максимальные диаметры капель в пикселях, а затем с применением коэффициента у выполнялся пересчет их в миллиметры. Определялись максимальный

поперечный (относительно направления движения) размер капли йх (мм), максимальный продольный размер капли йу (мм), абсолютный максимальный размер капли йтах (мм). Для оценки изменения размеров капель в процессе деформации использовались относительные переменные: Дх = (йх - й0)/й0,

Ду = (йу - ^У^ Дтах = (йтах - й0)/й0. Систематические погрешности измерения размеров капель, определенные по методикам [22-24], составили 10-5 м.

По результатам обработки видеограмм кросс-корреляционной камеры 2 для каждого из "деформационных циклов" при вычисленных параметрах йх, йу и йтах уточнялись значения и ¡й. Систематические погрешности определения времен и расстояний ¡л с помощью кросскорреляционной камеры 2 при у = 0,01^0,10 мм/пиксель не превышали соответственно 10-5 с и 10-4 м (с использованием методик [22-24]).

Эксперименты показали, что случайные погрешности вычисления диаметров капель йх, йу и йтах составили около 6 %, времен —не более 4 %, про-тяженностей ¡й — 7 %.

Результаты исследований и их обсуждение

Выполненные эксперименты позволили установить особенности перехода от одной формы капель к другой при деформации последних в газовой среде (при различных температурах капель воды) (рис. 2). Во-первых, следует отметить непрерывный процесс деформации (время принятия каплей одной из условных форм не превышает 15 % от общего времени движения). Во-вторых, времена переходов от сферической формы к эллипсоидальной (и наоборот) значительно отличаются. Это можно объяснить соответствующим действием сил сопротивления для разных форм капель [25]. Для эллипсоидов эти силы кратно выше, чем для сфер. При возрастании площади поверхности капель силы сопротивления увеличиваются, поэтому движение капель в форме эллипсоидов, вытянутых в поперечном относительно движения капель направлении, замедляется внешней газовой средой существенно интенсивнее. Это приводит к росту времени перехода от сферы к эллипсоиду (см. рис. 2). Обратный переход характеризуется меньшим временем вследствие снижения сил сопротивления. В-третьих, с повышением начальной температуры воды время перехода возрастает. Особенно это хорошо видно при переходе от сферы к эллипсоиду (см. рис. 2). Полученный результат можно объяснить интенсификацией фазовых превращений при повышении температуры воды и в условиях умеренных температур газовой среды. Даже относительно умеренные скорости вдува паров с поверхности капли приводят к

А 3 п

Лг уУ ^т4

8 9 10 11 12 13

Рис. 2. Времена переходов от одной формы капель к другой в пределах нескольких последовательных циклов деформации: а — й0 = 3,8 мм; б — й0 = 4,8 мм; в — й0 = 5,5 мм; 1 — Гш = 275 К; 2 — Гш = 305 К; 3 — Гш = 360 К

формированию вокруг нее буферного парового слоя. Этот слой увеличивает действие сил сопротивления движению капель, и, как следствие, времена Дг возрастают (см. рис. 2). В-четвертых, с увеличением размеров капель выделенные особенности становятся более значимыми.

Полученные результаты анализа времен перехода от одной формы капель к другой позволяют объяснить выявленные в экспериментах отличия характерных длительностей и протяженностей "циклов деформации" (рис. 3 и 4).

Из рис. 3 и 4 видно, что значения времени возрастают вследствие увеличения Дг с повышением температур капель, а протяженность уменьшается. Это обусловлено снижением скоростей движения капель в результате интенсификации фазовых превращений и роста сил сопротивления. Следует отметить, что при умеренных и низких температурах

¡ф мс

4035302520-

4,0

1ф мм

20

4,0

4,5

5,0

4,5

5,0

5,5

5,5 ¿0>мм

б

¿0, ММ

Рис. 3. Протяженность (а) и длительность (б) "циклов деформации" при различных начальных температурах капель: 1 — Тк = 275 К; 2 — Тк = 305 К; 3 — Тк = 360 К

Рис. 4. Времена первого (а) и второго (б) полуциклов дефор-

мации: 1 — Тк = 300 К, Т8 = 300 К; 2 — Т

3 — Тк = 360 К, Те --

300 К; 4 — Т

300 К, Те = 1100 К; 360 К, Те = 1100 К

газов эти эффекты играют довольно ограниченную роль. Их влияние с ростом температур газов кратно усиливается, и при температурах, соответствующих типичным пожарам, данные факторы становятся значимыми. Для зависимостей, приведенных на рис. 3 и 4, получены аппроксимационные выражения, которые можно использовать при прогнозировании характеристик деформации капель:

= 3,9097^1'256, ¡л = 5,4289^^,080 при 4 < < 6 мм, и =1 м/с, Т& = 298 К, Тж = 275 К;

= 3,7496^ 1'292, ¡^ = 3,4203^¿'365 при 4 < < 6 мм, и =1 м/с, Тя = 298 К, Тж = 300 К;

^ = 2,338Ы 1'607, ¡л = 2,1223й¿'555 при 4 < < 6 мм, и =1 м/с, Тя = 298 К, Тж = 360 К.

На рис. 5 приведены типичные значения амплитуд деформации капель воды в рассматриваемых условиях. Можно отметить, что в пределах начальных "циклов деформации" изменения амплитуд Дх, Ду и Дтах при различных рассматриваемых температурах капель можно считать несущественными (см. рис. 5). Однако с ростом времен движения капель через газовую среду (особенно в условиях высоких температур) вследствие эндотермических фазовых превращений размеры капель уменьшаются и амплитуды Дх, Ду и Дтах изменяются более масш-

табно. Установлено, что с уменьшением размеров капель амплитуды Дх, Ду и Дтах несколько возрастают, поэтому в условиях повышенных начальных температур воды и внешних газов значения Дх, Ду и Дтах с ростом числа последовательных "циклов деформации" увеличиваются.

Следует также отметить, что практически все характеристики исследуемого процесса деформации капель с ростом числа пройденных циклов изменяются в связи с нелинейным повышением скорости перемещения капель. Установлено, что даже в пределах одного "цикла деформации" скорость движения капель может кратно меняться. При этом также кратно изменяется и прирост скорости в зависимости от условий теплообмена. Эксперименты показали, что с повышением скоростей движения капель амплитуды деформации последних уменьшаются, протяженность циклов увеличивается, а их длительность снижается. Установленные закономерности обусловлены ростом массовых и инерционных сил, действующих на капли.

Для времен и протяженностей "циклов деформации" в зависимости от скоростей и размеров водяных капель получены следующие аппроксимаци-онные выражения:

= 4,0959^ 1'2211, ¡л = 1,9007^¿'7481 при 4 < й?0 < 6 мм, и =1 м/с, = 298 К, Т№ = 313 К;

А,Л

Рис. 5. Амплитуды деформации капель в пределах нескольких циклов: а — Дх, Ду; б — Дтах; 1 — Т„ = 275 К; 2 — Тк = 305 К; 3 — Тк = 360 К (й0 = 3,8 мм)

3305

= 2,7766й0'4731 , ¡л = 6,7867й 1 при 4 < й0 < 6 мм, и = 2 м/с, = 298 К, Т№ = 313 К;

1,3352

1Л = 3,4813^¿'3 , ¡й = 9,467й0 при 4 < й0 < 6 мм, и = 3 м/с, = 298 К, Т№ = 313 К;

гл = 22,071 ехр (-0,02и), ¡а = 22,08и0,9935 при 0,5 < и <4 м/с, й0 = 4 мм, = 298 К, = 313 К;

й = 32,09 ехр (-0,015и), ¡а = 38,722и0,9424 при 0,5 < и <4 м/с, й0 = 4,8 мм, = 298 К, = 313 К;

гл = 39,922 ехр (-0,033и), ¡а = 31,868и0,9637 при 0,5 < и <4 м/с, = 5,5 мм, = 298 К, = 313 К.

В результате анализа видеограмм экспериментов выделены два возможных режима деформации капель. На рис. 6 приведены условные и реальные изображения капель, соответствующие установленным режимам. Представленные выше значения характеристик процесса деформации соответствуют первому режиму. Для второго режима значения амплитуд, длительностей и протяженностей "циклов деформации" на 7-11 % выше. Условия протекания рассматриваемых режимов связаны с технологией испускания капель дозатором. В частности, увеличение частоты испускания капель (более 1 капли в секунду) и угла наклона дозатора (смещение

Рис. 6. Условные (слева) и реальные (справа) формы капель для первого (а) и второго (б) режимов деформации

относительно 90° к уловителю) приводит к реализации второго режима.

В результате обобщения полученных результатов можно заключить, что скорость движения капель и их начальные размеры определяющим образом влияют на характеристики деформации, в частности на характерные формы и времена их сохранения в процессе движения. Это, в свою очередь, сильно влияет на характерные площади поверхностей капель. Вследствие этого существенно изменяются условия теплообмена капель с газовой средой, что при повышенных температурах, соответствующих типичным пожарам, крайне важно. Эти закономерности целесообразно учитывать при распылении воды в зону пламени, так как капли на начальном участке двигаются через газы с умеренными температурами, а затем достигают области с тепловыми потоками высокой и даже очень высокой плотности. Анализ полученных зависимостей для одиночных капель и результатов экспериментов [6-8] позволяет сделать вывод о значительных масштабах влияния на условия теплообмена рассматриваемых эффектов и для полидисперсных потоков. Это обусловлено тем, что при движении капель в виде большой совокупности добавляются эффекты их коагуляции, типичные механизмы которой рассмотрены в [7, 8]. В то же время результаты экспериментов позволяют прогнозировать характерные формы капель, площади их поверхности, скорости перемещения, а также действующие на капли массовые и инерционные силы. Эти результаты можно распространять и на полидисперсные потоки при известных концентрациях капель, так как известны характерные температуры газов и капель для разных по дисперсности потоков [1-5].

Заключение

Выполненные эксперименты показали, что повышение температуры воды Тк перед ее распыле-

нием в газовую среду увеличивает характерные времена и уменьшает протяженность "циклов деформации" капель жидкости, что обусловлено интенсификацией фазовых превращений даже при относительно умеренных температурах газовой среды Т. В зоне повышенных температур Т, соответствующих типичным пожарам и возгораниям, этот эффект становится еще более значимым.

Результаты экспериментальных исследований показывают, что предварительно подогретые капли воды двигаются медленнее как вне, так и в зоне по-

жара. В связи с этим для достижения подаваемой подогретой водой охваченных огнем конструкций, зданий и сооружений целесообразно повышать скорость распыления и. Для интенсификации же испарения воды в зоне пламени следует повышать температуру Тк и снижать скорость и (тем самым

увеличивая время парообразования).

***

Данная работа выполнена при финансовой поддержке гранта Российского научного фонда (проект № 14-39-00003).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Волков Р. С., Кузнецов Г. В., СтрижакП. А. Численная оценка оптимальных размеров капель воды в условиях ее распыления средствами пожаротушения в помещениях // Пожаровзрывобез-опасность. — 2012. — Т. 21, № 5. — С. 74-78.

2. СтрижакП. А. Численное исследование условий испарения совокупности капель воды при движении в высокотемпературной газовой среде // Пожаровзрывобезопасность. — 2012. — Т. 21, №8.— С. 26-31.

3. Стрижак П. А. Численный анализ процесса испарения капли, движущейся в струе воды через высокотемпературные продукты сгорания // Пожаровзрывобезопасность. — 2012. — Т. 21, №9.— С. 17-22.

4. ГлушковД. О., Кузнецов Г. В., СтрижакП. А. Численное исследование тепломассопереноса при движении "тандема" капель воды в высокотемпературной газовой среде // Тепловые процессы в технике. — 2012. — № 12.— С. 531-538.

5. Высокоморная О. В., Кузнецов Г. В., СтрижакП. А. Тепломассоперенос при движении капель воды в высокотемпературной газовой среде // Инженерно-физический журнал. — 2013. — Т. 86, № 1. —С. 59-65.

6. Волков Р. С., Высокоморная О. В., Кузнецов Г. В., СтрижакП. А. Экспериментальное исследование закономерностей испарения тонкораспыленной воды при движении через высокотемпературные продукты сгорания // Бутлеровские сообщения. — 2013. — Т. 35, № 9. — С. 38-46.

7. Волков Р. С., Кузнецов Г. В., СтрижакП. А. О некоторых физических закономерностях испарения распыленной воды при движении через высокотемпературные продукты сгорания // Известия Томского политехнического университета. — 2013. — Т. 323, № 2. — С. 201-207.

8. Волков Р. С., Кузнецов Г. В., СтрижакП. А. Экспериментальное исследование влияния начальной температуры распыленной воды на интенсивность ее испарения при движении через пламя // Пожаровзрывобезопасность. — 2014. — Т. 23, № 3. — С. 12-21.

9. Волков Р. С., Кузнецов Г. В., Стрижак П. А. Влияние начальных параметров распыленной воды на характеристики ее движения через встречный поток высокотемпературных газов // Журнал технической физики. — 2014. — Т. 84, № 7. — С. 15-23.

10. Волков Р. С., Кузнецов Г. В., СтрижакП. А. Особенности испарения двух капель воды, движущихся последовательно через высокотемпературные продукты сгорания // Теплофизика и аэромеханика. — 2014. — Т. 21, № 2. — С. 269-272.

11. Wighus R. Water mist fire suppression technology — status and gaps in knowledge // Proceedings of the International Water Mist Conference. — Vienna, 2001. — P. 1-26.

12. KarpovA. I., Novozhilov V.B., GalatA.A., Bulgakov V.K. Numerical modeling ofthe effect of fine water mist on the small scale flame spreading over solid combustibles // Fire Safety Science : Proceeding of Eight International Symposium. — 2005. — Vol. 27. — P. 753-764.

13. СоковиковВ. В., ТуговА. H., ГришинВ. В., Камышев В. Н. Автоматическое водяное пожаротушение с применением тонкораспыленной воды на электростанциях // Энергетик. — 2008. — № 6. — С. 37-38.

14. Сегаль М. Д. Использование тонкораспыленной воды для повышения противопожарной защиты кабельных сооружений АЭС // Проблемы безопасности и чрезвычайных ситуаций. — 2011. — №4.— С. 61-64.

15. Корольченко Д. А., Громовой В. Ю., Ворогушин О. О. Применение тонкораспыленной воды для тушения пожаров в высотных зданиях // Пожаровзрывобезопасность. — 2011. — Т. 20, № 9. — С. 54-57.

16. Abbud-Madrid A., Watson D., McKinnon J. T. On the effectiveness of carbon dioxide, nitrogen and water mist for the suppression and extinction of spacecraft fires // Suppression and Detection Research and Applications Conference. — Orlando, USA, 2007.

17. Carriere T., Butz J. R., Naha S., Brewer A., Abbud-Madrid A. Fire suppression test using a handheld water mist extinguisher designed for the International space station // 42rd International Conference on Environmental Systems. — California, USA, 2012.

18. Rodriquez B., Young G. Development of International space station fine water mist portable fire extinguisher // 43rd International Conference on Environmental Systems. — Vail, CO, 2013.

19. Keane R. D., Adrian R. /.Theory of cross-correlation analysis of PIV images // Applied Scientific Research. — 1992. — Vol. 49. — P. 191-215.

20. Westerweel /.Fundamentals of digital particle image velocimetry // Measurement Science and Technology. — 1997. — Vol. 8. — P. 1379-1392.

21. FoucautJ. M., Stanislas M. Some considerations on the accuracy and frequency response of some derivative filters applied to particle image velocimetry vector fields // Measurement Science and Technology. — 2002. — Vol. 13.—P. 1058-1071.

22. ШенкX. Теория инженерного эксперимента. — М. : Мир, 1972. — 381 с.

23. ЗайдельА. Н. Элементарные оценки ошибок измерений / Академия наук СССР. — 3-е изд., испр. и доп. — Л. : Наука, 1968. — 96 с.

24. Полежаев Ю. В., Юрьевич Ф. Б. Тепловая защита. — М. : Энергия, 1976. — 391 с.

25. Терехов В. И., Пахомов М.А. Тепломассоперенос и гидродинамика в газокапельных потоках. — Новосибирск : Изд-во НГТУ, 2009. — 284 с.

Материал поступил в редакцию 9 сентября 2014 г.

— English

INFLUENCE OF THE INITIAL TEMPERATURE OF WATER DROPLETS ON CHARACTERISTIC OF THEIR DEFORMATION IN THE GAS AREA

ANTONOV D. V., Student of Institute of Power Engineering, National Research Tomsk Polytechnic University (Lenina Avenue, 30, Tomsk, 634050, Russian Federation; e-mail address: [email protected])

VOLKOV R. S., Low Researcher of Automation Thermal and Power Processes Department, Institute of Power Engineering, National Research Tomsk Polytechnic University (Lenina Avenue, 30, Tomsk, 634050, Russian Federation; e-mail address: [email protected])

ZABELIN M. V., Engineer of Automation Thermal and Power Processes Department, Institute of Power Engineering, National Research Tomsk Polytechnic University (Lenina Avenue, 30, Tomsk, 634050, Russian Federation; e-mail address: [email protected])

STRIZHAK P. A., Doctor of Physical and Mathematical Sciences, Professor of Automation Thermal and Power Processes Department, Institute of Power Engineering, National Research Tomsk Polytechnic University (Lenina Avenue, 30, Tomsk, 634050, Russian Federation; e-mail address: [email protected])

ABSTRACT

The article presents scheme, technique and experimental investigation results of influence of the initial temperature of water droplets on characteristic of their deformation at movement in the gas area. The modern cross-correlation systems and high-speed video registration equipment were used for the experimental researches. It is established that the measurement errors of droplet sizes are no more than 6 %, times — 4 %, cycles length — 7 %.

Influence of the initial temperature of water droplets on characteristic times and length of "deformation cycles" is established. Deformation amplitudes of droplets within several cycles are specified. It is shown that with growth of the initial temperature of droplets the transition times from spherical forms to ellipsoidal in "deformation cycles" increase. Approximating expressions for

a predictive assessment of times and lengths of "deformation cycles" of water droplets at their movement in the gas area are received.

It is shown that the heated water droplets move slowly inside a fire zone and beyond its limits. This feature leads to an intensification of their evaporation.

Keywords: water droplets; high-temperature gases; "cold" air; deformation; configuration; form; area of surface evaporation.

REFERENCES

1. VolkovR. S., KuznetsovG. V., StrizhakP. A. Chislennayaotsenkaoptimalnykhrazmerovkapelvody v usloviyakh yeye raspyleniya sredstvami pozharotusheniya v pomeshcheniyakh [Numerical estimation of optimum sizes for water drops at the conditions of its dispersion by firefighting devices at placements]. Pozharovzryvobezopasnost — Fire and Explosion Safety, 2012, vol. 21, no. 5, pp. 74-78.

2. Strizhak P. A. Chislennoye issledovaniye usloviy ispareniya sovokupnosti kapel vody pri dvizhenii v vysokotemperaturnoy gazovoy srede [Numerical investigation of evaporation conditions for set of water drops at the moving after high-temperature gas mixture]. Pozharovzryvobezopasnost — Fire and Explosion Safety, 2012, vol. 21, no. 8, pp. 26-31.

3. Strizhak P. A. Chislennyy analiz protsessa ispareniya kapli, dvizhushcheysya v struye vody cherez vysokotemperaturnyye produkty sgoraniya [Numerical analysis of evaporation process for droplet moving at the water jet through high-temperature combustion products]. Pozharovzryvobezopasnost — Fire and Explosion Safety, 2012, vol. 21, no. 9, pp. 17-22.

4. Glushkov D. O., Kuznetsov G. V., Strizhak P. A. Chislennoye issledovaniye teplomassoperenosa pri dvizhenii "tandema" kapel vody v vysokotemperaturnoy gazovoy srede [Numerical research of heat-and-mass transfer at movement of water drops "tandem" in the hight-temperature gas mixture]. Teplo-vyyeprotsessy v tekhnike — Thermal Processes in Engineering, 2012, no. 12, pp. 531-538.

5. Vysokomornaya O. V., Kuznetsov G. V., Strizhak P. A. Teplomassoperenos pri dvizhenii kapel vody v vysokotemperaturnoy gazovoy srede [Heat-and-mass transfer at water drops movement in the high-temperature gas mixture]. Inzhenerno-fizicheskiy zhurnal — Jornal of Engineering Physics and Thermophysics, 2013, vol. 86, no. 1, pp. 59-65.

6. Volkov R. S., Vysokomornaya O. V., Kuznetsov G. V., Strizhak P. A. Eksperimentalnoye issledova-niye zakonomernostey ispareniya tonkoraspylennoy vody pri dvizhenii cherez vysokotemperaturnyye produkty sgoraniya [Experimental research of evaporation regularities for pulverized water moving through high-temperature combustion products]. Butlerovskiye soobshcheniya — Butlerov Communications, 2013, vol. 35, no. 9, pp. 38-46.

7. Volkov R. S., Kuznetsov G. V., Strizhak P. A. O nekotorykh fizicheskikh zakonomernostyakh ispareniya raspylennoy vody pri dvizhenii cherez vysokotemperaturnyye produkty sgoraniya [About some physical evaporation regularities of the sprayed water at movement through high-temperature combustion products]. Izvestiya Tomskogo politekhnicheskogo universiteta — Bulletin of the Tomsk Polytechnic University, 2013, vol. 323, no. 2, pp. 201-207.

8. Volkov R. S., Kuznetsov G. V., Strizhak P. A. Eksperimentalnoye issledovaniye vliyaniya nachalnoy temperatury raspylennoy vody na intensivnost yeye ispareniya pri dvizhenii cherez plamya [Experimental investigation of initial temperature for sprayed water influence on the evaporation intensity at the moving through flame]. Pozharovzryvobezopasnost — Fire and Explosion Safety, 2014, vol. 23, no. 3, pp. 12-21.

9. Volkov R. S., Kuznetsov G. V., Strizhak P. A. Vliyaniye nachalnykh parametrov raspylennoy vody na kharakteristiki yeye dvizheniya cherez vstrechnyy potok vysokotemperaturnykh gazov [Influence of initial parameters of the sprayed water on characteristics of its movement through a counter flow of high-temperature gases]. Zhurnal tekhnicheskoy fiziki — Technical Physics, 2014, vol. 84, no. 7, pp. 15-23.

10. Volkov R. S., Kuznetsov G. V., Strizhak P. A. Osobennosti ispareniya dvukhkapel vody, dvizhushchikh-sya posledovatelno cherez vysokotemperaturnyye produkty sgoraniya [Evaporation of two liquid droplets moving sequentially through high-temperature combustion products]. Teplofizika i aeromekhanika — Thermophysics and Aeromechanics, 2014, vol. 21, no. 2, pp. 269-272.

11. Wighus R. Water mist fire suppression technology — status and gaps in knowledge. Proceedings of the International Water Mist Conference. Vienna, 2001, pp. 1-26.

12. Karpov A. I., Novozhilov V. B., Galat A. A., Bulgakov V. K. Numerical modeling of the effect of fine water mist on the small scale flame spreading over solid combustibles. Fire Safety Science: Proceeding of Eight International Symposium, 2005, vol. 27, pp. 753-764.

13. Sokovikov V. V., Tugov A. N., Grishin V. V., Kamyshev V. N. Avtomaticheskoye vodyanoye pozharo-tusheniye s primeneniyem tonkoraspylennoy vody na elektrostantsiyakh [Automatic water fire extinguishing with using of sprayed water at power plants]. Energetik — Power Engineer, 2008, no. 6, pp. 37-38.

14. Segal M. D. Ispolzovaniye tonkoraspylennoy vody dlya povysheniya protivopozharnoy zashchity ka-belnykh sooruzheniy AES [The water mist system for cable construction of nuclear power plant fire protection]. Problemy bezopasnosti i chrezvychaynykh situatsiy — Problems of Safety and Emergency Situations, 2011, no. 4, pp. 61-64.

15. Korol'chenko D. A., Gromovoy V. Yu., Vorogushin O. O. Primeneniye tonkoraspylennoy vody dlya tusheniya pozharov v vysotnykh zdaniyakh [Fire extinguishing in tall buildings by using water mist systems]. Pozharovzryvobezopasnost — Fire and Explosion Safety, 2011, vol. 20, no. 9, pp. 54-57.

16. Abbud-Madrid A., Watson D., McKinnon J. T. On the effectiveness of carbon dioxide, nitrogen and water mist for the suppression and extinction of spacecraft fires. Suppression and Detection Research and Applications Conference. Orlando, USA, 2007.

17. Carriere T., Butz J. R., Naha S., Brewer A., Abbud-Madrid A. Fire suppression test using a handheld water mist extinguisher designed for the International space station. 42rd International Conference on Environmental Systems. California, USA, 2012.

18. RodriquezB., Young G. Development of International space station fine water mist portable fire extinguisher. 43rdInternational Conference on Environmental Systems. Vail, CO, 2013.

19. Keane R. D., Adrian R. J. Theory of cross-correlation analysis of PIV images. Applied Scientific Research, 1992, vol. 49, pp. 191-215.

20. Westerweel J. Fundamentals of digital particle image velocimetry. Measurement Science and Technology, 1997, vol. 8, pp. 1379-1392.

21. Foucaut J. M., Stanislas M. Some considerations on the accuracy and frequency response of some derivative filters applied to particle image velocimetry vector fields. Measurement Science and Technology, 2002, vol. 13, pp. 1058-1071.

22. Shenk Kh. Teoriya inzhenernogo eksperimenta [Theory of engineering experiment]. Moscow, Mir Publ., 1972. 381 p.

23. Zaydel A. N. Elementarnyye otsenki oshibok izmereniy [Simple estimates of measurement errors]. Academy of Sciences of the USSR. Leningrad, Nauka Publ., 1968. 96 p.

24. Polezhaev Yu. V., Yuryevich F. B. Teplovaya zashchita [Thermal protection]. Moscow, Energiya Publ., 1976. 391 p.

25. Terekhov V. I., Pakhomov M. A. Teplomassoperenos i gidrodinamika vgazokapelnykhpotokakh [Heat-and-mass transfer and hydrodynamics in gas-drop streams]. Novosibirsk, NSTU Publ., 2009. 284 p.