Ученые из Института химической кинетики и горения им. В.В. Воеводского СО РАН в сотрудничестве с исследователями из Ижевска провели анализ процесса горения метилметакрилата, который является исходным веществом для изготовления оргстекла. Полученные данные помогут улучшить способы изучения пожаров, возникающих в результате сгорания полимеров. Статья об этом опубликована в международном журнале Applied Thermal Engineering .
Компьютерное моделирование пожаров стало возможным благодаря современным технологиям. Это позволяет проектировщикам и архитекторам заблаговременно планировать защитные мероприятия, которые способны увеличить продолжительность безопасной эвакуации людей в случае возникновения пожара. При этом значительное внимание уделяется дыму, поскольку именно он наиболее часто становится причиной человеческих жертв при подобных происшествиях. Проводимые исследования позволяют совершенствовать системы вентиляции и разрабатывать проекты зданий, направленные на снижение вероятности отравления угарным газом.
«В настоящее время наша команда проводит исследования, посвященные процессам горения полимерных материалов, с особым вниманием к тем, в состав которых входят антипирены, предназначенные для снижения их горючести. В рамках этих работ был проанализирован полиметилметакрилат, также известный как оргстекло, который, к примеру, применяется в производстве оконных конструкций. В ходе анализа установлено, что при возгорании оргстекла основным веществом, переходящим в воздух из полимера, является метилметакрилат. В связи с этим, мы приняли решение изучить горение чистого жидкого метилметакрилата (не подвергнутого процессу преобразования в твердый пластик)», — сообщает научный сотрудник лаборатории кинетики процессов горения ИХКГ СО РАН, кандидат физико-математических наук Станислав Альбертович Трубачёв.
Для изучения процесса горения данного вещества ученые провели ряд экспериментов, используя чашечную горелку. В ней содержали метилметакрилат, а с помощью системы сообщающихся сосудов обеспечивали стабильный уровень топлива. С помощью масс-спектрометрии специалисты выяснили состав продуктов горения. В пламени, наряду с метилметакрилатом, измеряли концентрацию кислорода, азота, угарного газа, углекислого газа и водяного пара. Также проводились измерения с использованием микротермопар, провода которых имели очень малый диаметр. Термопары позволили зафиксировать температуру в центральной части пламени и выявить температурные различия и изменения концентрации различных элементов в зоне горения.
Проведя исследования продуктов горения и температуры небольшого пламени, ученые разработали математические модели, которые позволяют прогнозировать развитие реальных пожаров. Информация, собранная при использовании горелки диаметром 30-35 мм, была использована для компьютерного моделирования масштабных возгораний. Чтобы обеспечить точность и понятность полученных результатов, эксперты использовали два различных метода.
При моделировании специалисты Института химической кинетики и гетерогенного катализа Сибирского отделения Российской академии наук использовали программу Fire Dynamics Simulator. Ключевая характеристика модели – применение одностадийной химической реакции в газовой фазе. В соответствии с этим подходом, при испарении полиметилметакрилата формируется исключительно мономер – метилметакрилат, который немедленно реагирует с кислородом, образуя углекислый газ и воду. Это единственная мгновенная реакция, протекающая в газовой фазе. Данная упрощенная модель обеспечивает высокую скорость обработки информации и позволяет описать интенсивность горения, распределение температуры в пространстве и состав продуктов сгорания в пламени. Тем не менее, модель обладает невысокой точностью и не дает возможности для детального анализа химического состава пламени. На самом деле, в реальных условиях горения происходит множество различных реакций, которые в данной модели сведены к одной обобщенной.
«Станислав Трубачёв отметил, что сотрудники Удмуртского федерального исследовательского центра УрО РАН (Ижевск) использовали метод MixFr (метод долей смешения) для моделирования. Суть этого метода заключается в отдельном расчете каждой стадии горения с применением упрощенного набора химических реакций, известного как скелетный механизм. В нем представлены только наиболее важные компоненты и реакции: 29 веществ и 33 отдельные реакции.
На начальном этапе метода MixFr процесс горения моделировался следующим образом: два потока, один содержащий топливо, а другой — кислород, сталкиваются. Они движутся навстречу друг другу с различными скоростями, и пламя возникает именно в месте их соприкосновения. Задача ученых состояла в определении изменений концентрации веществ, температуры и степени смешивания топлива с кислородом в каждой точке столкновения потоков. Данный подход позволяет понять, как происходит смешивание и взаимодействие топлива и кислорода, влияющие на структуру пламени, в зависимости от степени их смешения. Используя результаты предыдущих расчетов, демонстрирующих зависимость температуры от доли смешивания топлива и кислорода, исследователи перенесли эти данные на модель горения метилметакрилата в чашечной горелке. В конечном итоге, благодаря анализу полученных данных, ученым удалось установить корреляцию между тепловым потоком и скоростью подачи газа из жидкого топлива.
Предложенный метод продемонстрировал высокую эффективность. Он точно установил скорость сгорания топлива и выявил соответствие с фактическим распределением температуры в пламени. Благодаря оптимальному соотношению между временем проведения расчетов и требуемой точностью, он позволяет точнее прогнозировать распределение ключевых веществ в пламени.
«Перед нами поставлена масштабная задача – создание всесторонней базы данных, содержащей сведения о характеристиках горения обширного перечня различных полимеров. Успешные исследования уже выполнены для ряда материалов, включая оргстекло, пенополиуретан, полиэтилен и эпоксидную смолу. С использованием методов масс-спектрометрии, газовой хроматографии и других технологий мы стремимся с высокой точностью установить состав полимеров и состав веществ, образующихся при их сгорании. Важно не только провести инженерные расчеты, но и выяснить основные факторы, обуславливающие различия в горючести материалов. Понимание того, почему одни вещества горят интенсивнее, а другие – менее, позволит разработать методы уменьшения их воспламеняемости, – заключил Станислав Трубачёв.
Данный материал создан при содействии гранта, предоставленного Министерством науки и инноваций Российской Федерации, в рамках проведения Десятилетия науки и технологий.