Safety in Technosphere Safety in Technosphere Безопасность в техносфере 1998-071X 13325 10.12737/21724 Чрезвычайные ситуации Emergency Чрезвычайные ситуации Physical Modeling of Non-Stationary Fire Whirls by Burning of Solid Fuel Pellets Физическое моделирование нестационарных огненных вихрей при горении таблеток твердого топлива Дермер П. Б. Dermer P. Б. dermer@bmstu.ru Вараксин А. Ю. Varaksin A. Yu. varaksin_a@mail.ru

доктор физико-математических наук;

doctor of physical and mathematical sciences;

 Объединённый институт высоких температур Российской академии наук Joint Institute for High Temperatures of the Russian Academy of Sciences 25 06 2016 25 06 2016 5 3 65 70 https://naukaru.ru/en/nauka/article/13325/view

Приводятся результаты экспериментального исследования свободных нестационарных огненных вихрей. Генерация вихревых структур происходила при горении таблеток уротропина (гексаметилентетрамина), расположенных на подстилающей поверхности (лист алюминия). В отличие от большинства предыдущих исследований в экспериментах не использовались механические закручивающие устройства и боковой воздушный поток для получения огненных вихревых структур. Проверялось предположение, что генерация огненных вихрей происходила вследствие неустойчивости процесса горения. В результате экспериментов получены данные об условиях генерации (количество таблеток, время начала генерации, мощность тепловыделения) огненных вихрей и их интегральных параметрах (время жизни, высота, диаметр).

The results of experimental study of wall-free non-stationary fire vortices are presented. The generation of vortical structures occurred by the burning of pellets of urotropine (hexamethylenetetramine) located on the underlying surface (sheet of aluminum). Unlike most previous research experiments the mechanical twisting devices and the shear air stream to get fire vortex structures were not used. It was assumed that the generation of fire whirls occurred due to the instability of the combustion process. Experimental data on the conditions of fire whirls generation (number of pellets, generation start time and thermal power) and their integral parameters (life time, height and diameter) have been received.

 нестационарные огненные вихри генерация огненных вихрей физическое моделирование. non-stationary fire whirls generation of fire whirls physical modeling.

1. ВведениеОгненные смерчи наряду с воздушными смерчами являются примерами экологических катастроф, наносящими большой ущерб окружающей среде и приводящими к многочисленным разрушениям и жертвам. Огненные вихри — вертикально ориентированные вращающиеся огненные факелы, драматически увеличивающие опасность природных и техногенных пожаров и их последствия [1, 2]. По сравнению с воздушными смерчами огненные смерчи довольно редкие природные явления, возникают при крупных лесных пожарах, массовых пожарах в городах и авариях на крупных пожароопасных объектах нефтехимии, лесоперерабатывающей промышленности и др. (рис. 1 на с. 2 обложки). Последствиями атомной бомбардировки Хиросимы и массированных бомбежек Гамбурга и Дрездена военно-воздушными силами США во время второй мировой войны стали опасные продолжительные неуправляемые пожары [3]. После множественных одновременных возгораний в условиях города, плотно насыщенного горючими материалами, пламена сливались, образуя однородно горящую площадь, вследствие чего возникали огненные смерчи.

Gess D., Lutz W. Fire Storm in Peshtigo: A Town, Its People and the Deadliest Fire in American History, Henry Holt Publishing, 2002. Gess D., Lutz W. Fire Storm in Peshtigo: A Town, Its People and the Deadliest Fire in American History, Henry Holt Publishing, 2002. Forthofer J. M., Goodrick S. L. Review of Vortices in Wildland Fire // J. Combust. - 2011. - Article ID984363. - 14 pp. Forthofer J. M., Goodrick S. L. Review of Vortices in Wildland Fire. J. Combust. - 2011. - Article ID984363. - 14 pp. Ebert C. H.V. Hamburg`s Fire Storm Weather // NFPA Quarterly. - 1963. - V. 56. - P. 253-260. Ebert C. H.V. Hamburg`s Fire Storm Weather. NFPA Quarterly. - 1963. - V. 56. - P. 253-260. Battaglia F., Rehm R. G., Baum H. R. The Fluid Mechanics of Fire Whirls: An Inviscid Model // Phys. Fluids. - 2000. - V. 12. - № 11. - P. 2859-2867. Battaglia F., Rehm R. G., Baum H. R. The Fluid Mechanics of Fire Whirls: An Inviscid Model. Phys. Fluids. - 2000. - V. 12. - № 11. - P. 2859-2867. Battaglia F., McGrattan K.B., Rehm R. G., Baum H. R. Simulating Fire Whirls // Combust. Theory Modell. - 2000. - V. 4. - P. 123-138. Battaglia F., McGrattan K.B., Rehm R. G., Baum H. R. Simulating Fire Whirls. Combust. Theory Modell. - 2000. - V. 4. - P. 123-138. Snegirev A. Y., Marsden J. A., Francis J., Makhviladze G. M. Numerical Studies and Experimental Observations of Whirling Flames // Int. J. Heat Mass Transfer. - 2004. - V. 47. - № 12-13. - P. 2523-2539. Snegirev A. Y., Marsden J. A., Francis J., Makhviladze G. M. Numerical Studies and Experimental Observations of Whirling Flames. Int. J. Heat Mass Transfer. - 2004. - V. 47. - № 12-13. - P. 2523-2539. Zhou R., Wu Z. - N. Fire Whirls Due to Surrounding Flame Sources and the Influence of the Rotation Speed on the Flame Height // J. Fluid Mech. - 2007. - V. 583. - P. 313-345. Zhou R., Wu Z. - N. Fire Whirls Due to Surrounding Flame Sources and the Influence of the Rotation Speed on the Flame Height. J. Fluid Mech. - 2007. - V. 583. - P. 313-345. Kuwana K., Morishita S., Dobashi R., Chuah K. H., Saito K. The Burning Rate`s Effect on the Flame Length of Weak Fire Whirls // Proc. Combust. Inst. - 2011. - V. 33. - P. 2425-2432. Kuwana K., Morishita S., Dobashi R., Chuah K. H., Saito K. The Burning Rate`s Effect on the Flame Length of Weak Fire Whirls. Proc. Combust. Inst. - 2011. - V. 33. - P. 2425-2432. Emmons H. W., Ying S. J. The Fire Whirl // Proc. Combust. Inst. - 1967. - V. 11. - P. 475-488. Emmons H. W., Ying S. J. The Fire Whirl. Proc. Combust. Inst. - 1967. - V. 11. - P. 475-488. Chuah K. H., Kushida G. The Prediction of Flame Heights and Flame Shapes of Small Fire Whirls // Proc. Combust. Inst. - 2007. - V. 31. - P. 2599-2606. Chuah K. H., Kushida G. The Prediction of Flame Heights and Flame Shapes of Small Fire Whirls. Proc. Combust. Inst. - 2007. - V. 31. - P. 2599-2606. Lei J., Liu N., Zhang L., Satoh K. Temperature, Velocity and Air Entrainment of Fire Whirl Plume: a Comprehensive Experimental Investigation // Combust. Flame. - 2015. - V. 162. - P. 745-758. Lei J., Liu N., Zhang L., Satoh K. Temperature, Velocity and Air Entrainment of Fire Whirl Plume: a Comprehensive Experimental Investigation. Combust. Flame. - 2015. - V. 162. - P. 745-758. Byram G. M., Martin R. E. Fire Whirlwinds in the Laboratory // Fire Control Notes. - 1962. - V. 33. - P. 13-17. Byram G. M., Martin R. E. Fire Whirlwinds in the Laboratory. Fire Control Notes. - 1962. - V. 33. - P. 13-17. Byram G. M., Martin R. E. The Modeling of Fire Whirlwinds // Forest Science. - 1970. - V. 16. - № 4. - P. 386-399. Byram G. M., Martin R. E. The Modeling of Fire Whirlwinds. Forest Science. - 1970. - V. 16. - № 4. - P. 386-399. Martin R. E., Pendleton D. W., Burgess W. Effect of Fire Whirlwind Formation on Solid Fuel Burning Rates // Fire Technology. - 1976. - V. 12. - № 1. - P. 33-40. Martin R. E., Pendleton D. W., Burgess W. Effect of Fire Whirlwind Formation on Solid Fuel Burning Rates. Fire Technology. - 1976. - V. 12. - № 1. - P. 33-40. Lei J., Liu N., Zhang L., Chen H., Shu L., Chen P., Deng Z., Zhu J., Satoh K., de Ris J. L. Experimental Research on Combustion Dynamics on Medium-Scale Fire Whirl // Proc. Combust. Inst. - 2011. - V. 33. - P. 2407-2415. Lei J., Liu N., Zhang L., Chen H., Shu L., Chen P., Deng Z., Zhu J., Satoh K., de Ris J. L. Experimental Research on Combustion Dynamics on Medium-Scale Fire Whirl. Proc. Combust. Inst. - 2011. - V. 33. - P. 2407-2415. Kuwana K., Sekimoto K., Minami T., Tashiro T., Saito K. Scale-Model Experiments of Moving Fire Whirl over a Line Fire // Proc. Combust. Inst. - 2013. - V. 34. - P. 2625-2631. Kuwana K., Sekimoto K., Minami T., Tashiro T., Saito K. Scale-Model Experiments of Moving Fire Whirl over a Line Fire. Proc. Combust. Inst. - 2013. - V. 34. - P. 2625-2631. Zhou R., Wu Z. N., Fire Whirls due to Surrounding Flame Sources and the Influence of the Rotation Speed on the Flame Height // J. Fluid Mech. - 2007. - V. 583. - P. 313-345. Zhou R., Wu Z. N., Fire Whirls due to Surrounding Flame Sources and the Influence of the Rotation Speed on the Flame Height. J. Fluid Mech. - 2007. - V. 583. - P. 313-345. Zhou R. Applications of the Equivalent Gap Fraction Criterion Method for Fire Whirl Risk Evaluation and Prevention in a Real Fire Disaster // Fire Technology. - 2014. - V. 50. - P. 143-159. Zhou R. Applications of the Equivalent Gap Fraction Criterion Method for Fire Whirl Risk Evaluation and Prevention in a Real Fire Disaster. Fire Technology. - 2014. - V. 50. - P. 143-159. Varaksin A. Yu., Romash M. E., Kopeitsev V. N. The Possibility of Generation of Concentrated Fire Vortices without Forced Swirling // Doklady Physics. - 2014. - V. 59. - № 5. - P. 203-205. Varaksin A. Yu., Romash M. E., Kopeitsev V. N. The Possibility of Generation of Concentrated Fire Vortices without Forced Swirling. Doklady Physics. - 2014. - V. 59. - № 5. - P. 203-205. Varaksin A. Yu., Protasov M. V., Romash M. E., Kopeitsev V. N. Generation of Free Concentrated Fire Vortices under Laboratory Conditions // High Temperature. - 2015. - V. 53. - № 4. - P. 595-598. Varaksin A. Yu., Protasov M. V., Romash M. E., Kopeitsev V. N. Generation of Free Concentrated Fire Vortices under Laboratory Conditions. High Temperature. - 2015. - V. 53. - № 4. - P. 595-598.