Специалисты из Института химической кинетики и горения им. В. В. Воеводского СО РАН совместно с коллегами из Ижевска изучили процесс горения метилметакрилата — сырья для производства оргстекла. Результаты позволят совершенствовать методы исследования пожаров, возникающих при сгорании полимерных материалов. Статья об этом опубликована в международном журнале Applied Thermal Engineering.
Современные технологии позволяют моделировать пожары на компьютере. С помощью этих моделей проектировщики и архитекторы могут заранее предусмотреть меры защиты, увеличивающие время безопасной эвакуации людей в случае возгорания. Особое внимание уделяется дыму, поскольку именно он чаще всего при подобных событиях становится причиной гибели людей. Благодаря исследованиям появляется возможность улучшать системы вентиляции и проектирования зданий таким образом, чтобы минимизировать риск отравления угарным газом.
«Наша команда изучает, как горят полимеры, особенно те, в чей состав добавляют специальные вещества, антипирены, чтобы сделать их менее горючими. Мы анализировали полиметилметакрилат, или оргстекло, которое используется, например, в оконных стеклах. Выяснилось, что при возгорании оргстекла основное вещество, выделяемое в воздушную среду из полимера, — метилметакрилат. Поэтому мы решили исследовать горение чистого жидкого метилметакрилата (не превращенного в твердый пластик)», — рассказывает научный сотрудник лаборатории кинетики процессов горения ИХКГ СО РАН кандидат физико-математических наук Станислав Альбертович Трубачёв.
Станислав Трубачёв и масс-спектрометрический комплекс Hiden Analytical HPR60
Ученые провели серию экспериментов по горению этого вещества в чашечной горелке. В нее наливали метилметакрилат и с помощью сообщающихся сосудов поддерживали постоянный уровень топлива. Используя масс-спектрометр, специалисты определили, какие вещества получаются в результате горения. Помимо метилметакрилата в пламени измеряли также кислород, азот, угарный газ, углекислый газ и водяной пар. Дополнительно измерения проводились с помощью микротермопар, у которых толщина проводов сопоставима с человеческим волосом. Термопары позволили фиксировать температуру в сердце пламени и выявлять различия температуры и концентрации различных элементов по всей зоне горения.
Исследовав продукты и температуру горения небольшого пламени, ученые создали математические модели, позволяющие предсказывать протекание настоящих пожаров. Данные, полученные на горелке диаметром 30—35 мм, пригодились для моделирования крупных возгораний на компьютере. Специалисты применили два подхода, чтобы добиться точности и наглядности результатов.
Для моделирования ученые из ИХКГ СО РАН взяли программу Fire Dynamics Simulator. Основная особенность модели — использование одностадийной химической реакции в газовой фазе. Согласно этому механизму, при испарении полиметилметакрилата образуется только мономер — метилметакрилат, который мгновенно окисляется кислородом, превращаясь в углекислый газ и воду. Это единственная мгновенная реакция в газовой фазе. Такая упрощенная модель демонстрирует высокую скорость обработки данных и позволяет описать массовые скорости горения, пространственное распределение температур и состав конечных продуктов в пламени. Однако модель отличается низкой точностью и не обеспечивает детального анализа химического состава пламени. Фактически в настоящей природе пламени происходит множество разнообразных реакций, которые в этой модели сведены к одной обобщенной.
«Наши коллеги из Удмуртского федерального исследовательского центра УрО РАН (Ижевск) занимались моделированием с помощью метода MixFr (метод долей смешения). Его идея в том, что каждая стадия горения рассчитывается отдельно с помощью упрощенного набора химических реакций, так называемого скелетного механизма. В нем учтены только самые значимые компоненты и реакции, всего 29 веществ и 33 отдельные реакции», — прокомментировал Станислав Трубачёв.
В первом этапе MixFr метода процесс горения представлялся так: два потока сталкиваются друг с другом, один несет топливо, другой — кислород. Они движутся навстречу друг другу с разными скоростями, и именно на границе их встречи вспыхивает пламя. Задача исследователей заключалась в том, чтобы рассчитать, как изменяется концентрация веществ, температура и степень смешивания топлива с кислородом в каждом месте столкновения потоков. Такой подход позволяет понять, как топливо и кислород смешиваются и реагируют, формируя структуру пламени, в зависимости от долей смешения. Затем, воспользовавшись результатами предыдущих расчетов, которые показывают зависимость температуры от степени смешивания топлива и кислорода, ученые перенесли эти данные на модель горения метилметакрилата в чашечной горелке. В итоге, проанализировав полученные данные, исследователи сумели установить связь между тепловым потоком и скоростью поступления газа из жидкого топлива.
Этот подход оказался весьма удачным. Он точно определил скорость сгорания топлива и показал хорошее совпадение с реальным распределением температуры в пламени. За счет оптимального баланса между продолжительностью расчетов и уровнем точности он лучше прогнозирует распределение важнейших веществ в пламени.
«Перед нами стоит большая цель — собрать подробную базу данных по свойствам горения большого числа различных полимеров. Уже проведены успешные исследования по нескольким материалам: оргстеклу, пенополиуретану, полиэтилену и эпоксидной смоле. С помощью методов масс-спектрометрии, газовой хроматографии и других технологий мы стараемся точно определить состав полимеров и состав продуктов их сгорания. Нам важно не только выполнить инженерные расчеты, но и понять глубинные причины различий в горючести веществ. Ответ на вопрос, почему одни материалы горят сильнее, а другие слабее, поможет разработать способы снижения их способности к возгоранию», — подытожил Станислав Трубачёв.
Материал подготовлен при поддержке гранта Минобрнауки России в рамках Десятилетия науки и технологий.
Ирина Баранова
Фото автора
