ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ  И  АКУСТИЧЕСКОЕ  ВОЗДЕЙСТВИЕ  НА  РАСПРОСТРАНЕНИЕ  ПЛАМЕНИ

Лесков  Иван  Алексеевич

Троценко  Владислав  Михайлович

Беспалов  Никита  Валерьевич

студенты  3  курса,  энергетического  факультета,  Омского  государственного  технического  университета,  РФ,  г.  Омск

E-mail: 

Калимуллин  Алик  Талгатович

научный  руководитель,  ассистент,  каф.  ЭсПП,  Омский  государственный  технический  университет,  РФ,  г.  Омск

E-mail :  kat-190391@mail.ru

Пожары  —  страшное  бедствие,  трудно  переоценить  ущерб,  наносимый  ими.  Огонь  не  только  уничтожает  имущество,  но  и  уносит  человеческие  жизни. 

На  вооружение  пожарных  служб  приходит  все  более  новое  вооружение.  Методы  обновляются,  но  суть  борьбы  остается  прежней.

Вода  охлаждает  горящие  материалы  до  температуры  ниже  точки  горения.  Действие  пены  основано  на  изоляции  очагов  огня  от  доступа  кислорода,  без  которого  горение  невозможно.  Газ  также  вытесняет  воздух  и  соответственно  кислород,  горение  прекращается.  Практически  по  такому  же  принципу  действует  и  порошок,  который  нагреваясь,  выделяет  негорючий  газ.  Все  эти  методы  стары,  но  довольно  эффективны,  к  тому  же  недороги,  однако  могут  быть  применимы  далеко  не  во  всех  случаях. 

Вопрос  о  поиске  новых  методов  борьбы  со  стихией  огня  стал  как  никогда  актуален,  при  этом  были  выделены  два  основных  направления  исследования  способов  воздействия  на  огонь:

·     электромагнитный;

·     акустический.

Стационарное  гомогенное  пламя  представляет  собой  систему,  обладающую  в  целом  нейтральным  зарядом.  Но,  в  самом  ламинарном  пламени  заряженные  частицы  распределены  неравномерно:  зона  реакции  и  наружный  конус  характеризуются  положительным  зарядом,  а  внутренний  конус  —  отрицательным.  Такое  разделение  разноимённых  зарядов  вызвано  разной  подвижностью  положительных  ионов  и  отрицательных  частиц  —  электронов  и  косвенно  подтверждает,  что  источником  заряжённых  частиц  является  химическая  реакция,  развивающая  во  фронте  пламени  [1].

Рисунок  1.Ионная  структура  пламени

Так  как,  в  пламене  есть  заряженные  частицы,  это  наталкивает  на  мысль  изменения  процесса  горения  магнитным,  электрическим  полями,  напряжением  и  т.  п.

Для  оценки  воздействия  на  процесс  горения  применяется  дифференциальный  метод,  т.  е.  определяется  изменение  каких-либо  характеристик  горения  в  зависимости  от  напряжённости  приложенного  поля.  В  пример  таких  характеристик  горения  относятся:

·     температура  пламени;

·     нормальная  скорость  горения  и  распространения  пламени;

·     концентрация  ионов,  электронов  в  пламени;

·     критические  расходы  срыва.

Изменение  характеристик  процесса  горения  в  электрическом  поле  могут  быть  объяснены  следующими  причинами  [2]:

1.  «Ионный  ветер»,  т.  е.  возникновение  при  включении  поля  направленного  движения  ионов  и  увлекаемых  ими  нейтральных  частиц  вдоль  силовых  линий  поля.  Ионный  ветер,  таким  образом,  изменяет  режим  течения  газа,  в  результате  чего  могут  измениться  форма  и  скорость  распространения  пламени,  а  также  массовая  скорость  горения; 

2.  За  счет  превращения  в  объёме  пламени  энергии  электрического  поля  в  тепловую,  в  результате  чего  повышается  температура  и,  в  соответствии  с  законом  Аррениуса  ,  увеличивается  скорость  химических  реакций;

3.  Прямое  воздействие  электрического  поля  на  скорость  химических  реакций,  например,  вследствие  поляризации  реагирующих  частиц  и  их  активации,  осуществляемой  посредством  соударений  с  электронами,  которые  в  поле  приобретают  некоторую  дополнительную  энергию.

Результаты  исследовании  воздействия  электрического  поля  на  процесс  горения  пламени,  проведенные  в  60-х  годах  такими  ученными,  как  A.Ф.  Гаранин,  П.К.  Третьяков,  А.В.  Тупикин  и  другими,  приведены  в  таблице  1  [2].

Таблица  1.

Воздействие  электрического  поля  на  пламя  газовой  горелки

Изменяя  частоту  и  амплитуду  поля,  можно  воздействовать  на  разные  очаги  пламени  и  изменять  процесс  горения.  Мощное  электрическое  поле  влияет  на  ионы  и  электроны  внутри  пламени,  ‹‹выдергивая››  как  бы  их  из  очага  горения,  и  тем  самым  не  давая  огню,  распространятся  далее.

Группа  американских  ученых,  возглавляемых  профессором  химии  Гарварда  Джорджем  Уайтсайдсом,  наглядно  продемонстрировали  как  при  поднесении  электрода,  подключенному  к  переменному  высокому  напряжению,  пламя  отклоняется,  а  затем  погасло,  лишенное  пищи  благодаря  возникающему  сильного  осциллирующего  поля.  Метод  заключается  в  том,  что  огонь  является  плазмой  или  иначе  ионизованным  газом  и  содержит  в  себе  заряженные  частицы.  Американские  ученые  смогли  погасить  горящий  метан  площадью  около  10  см²,  для  чего  был  использован  бытовой  источник  напряжения  мощностью  около  600  Вт,  с  рабочим  напряжением  40  кВ,  который  достаточно  компактен.

В  опытах,  произведенных  учеными-химиками  Гарвардского  университета,  между  парой  электродов,  экранированных  и  изолированных  с  помощью  стекла,  была  помещена  метановая  горелка.  На  оба  электрода  подано  электрическое  напряжение,  образующее  электрическое  поле  напряженностью  75  кВ/м  в  пространстве.

При  воздействии  переменного  напряжения  в  800  Гц  «ионный»  ветер  сдувает  пламя  с  горящих  материалов,  как  бы  разрывая  пламя.

Рисунок  2.  Поведение  пламени  при  воздействии  напряжением  на  электродах

Акустический  метод  борьбы  с  пожарами  основан  на  том,  что  акустические  волны  в  некоторой  степени  могут  влиять  на  процесс  горения.  Хоть  и  волны  не  способны  повлиять  на  химический  процесс  горения,  однако  его  режим  они  изменить  могут.  Всем  известно,  что  акустические  волны  влияют  на  горящий  ‹‹язык››  свечи,  изменяя  его  форму  и  поведение  в  пространстве.

Акустические  колебания  влияют  на  газодинамические  характеристики  потока  смеси  горючего  вещества,  увеличивая  тепломассообмен,  что  тем  самым  изменяет  сам  процесс  горения.  Это  влияние  происходит  практически  на  всем  диапазоне  чисел  Рейнольдса,  характеризующим  поток  смеси  для  горения.

  (1)

где:    —  плотность  среды,  кг/м³;

  —  характерная  скорость,  м/с;

  —  гидравлический  диаметр,  м;

  —  динамическая  вязкость  среды,  Н·с/м²;

  —  кинематическая  вязкость  среды,  м²/с;

  —  объёмная  скорость  потока;

  —  площадь  сечения  трубы.

На  практике  было  положена  способность  акустических  волн,  излучаемых  динамиками,  потушить  пламя  в  емкости,  наполненной  жидким  горящим  топливом.  Как  показали  проведенные  научные  исследования,  этот  эффект  объясняется  двумя  основными  причинами:

1.  Увеличение  скорости  потоков  воздуха  за  счет  акустических  колебаний  и,  как  следствие,  уменьшение  толщины  поверхностного  слоя,  в  котором  проходит  горение.

2.  Воздействие  акустических  волн  непосредственно  на  поверхность  жидкого  топлива,  в  результате  которого  увеличивается  скорость  испарения,  что,  с  одной  стороны,  расширяет  площадь  огня,  но  при  этом  температура  пламени  значительно  понижается.  Благодаря  этому  при  воздействии  определенных  акустических  частот,  возможно,  погасить  пламя.

Рисунок  3.  Пламя  под  действием  акустического  поля.  Уровень  звукового  давления  100  дБ

За  счет  акустического  поля  наблюдается  изменение  в  поведении  пламени.  Во-первых,  стоит  отметить  отсоединение  пламени.  Во-вторых,  наблюдается  бифуркация  пламени,  т.  е.  разделение  факела  перпендикулярно  излучателю  звука.  Это  явление  становится  более  заметным  в  частотном  диапазоне  1,5—4,5  кГц  (рис.  3).  При  уровне  звукового  давление  больше  70  дБ  явление  незаметно,  увеличение  звукового  давления  приводит  к  увеличению  угла  между  ветвями  раздвоенного  факела,  что  в  дальнейшем  приводит  к  тому,  что  факел  гаснет  [3].

Безусловно,  пока  все  эти  научные  разработки,  но  возможность  в  будущем  тушить  разгоревшийся  пожар  всего  лишь  одним  нажатием  электрического  выключателя  довольно  заманчивая  перспектива.

Список  литературы:

1.Степанов  К.М.  Ионизация  в  пламени  и  электрическое  поле  /  Степанов  К.М./Дьячков  Б.Г.  1968  г.  —  С.  208.

2.Механизм  воздействия  электрического  поля  на  процесс  горения.  [Электронный  ресурс]  —  Режим  доступа.  —  URL:  http://bibliofond.ru/view.aspx?id=17046  (дата  обращения:  27.09.2014).

3.Кривокорытов  М.С.  Влияние  акустических  колебаний  на  диффузионное  горение  метана  /  Кривокорытов  М.С./  Голуб  В.В./  Володин  В.В.  2012  г.  —  С.  59.