Смачивание, растекание и испарение специальных огнетушащих составов на шероховатых и нагретых поверхностях

Актуальность работы. Проблема лесных пожаров с каждым годом
становится все более и более актуальной в связи с тем, что число таких
природных катастроф локального масштаба растет, несмотря на усилия,
предпринимаемые многими государствами с лесопокрытыми территориями
(США, Канада, Россия, Австралия и др.) в борьбе с лесными пожарами [1,2]. Во
многом неэффективность такой борьбы в последние годы обусловлена
отсутствием научно-обоснованных методов, способов и средств подавления (или
локализации) процессов горения леса на больших площадях. При этом уже
достаточно очевидно, что наиболее эффективна борьба с лесными пожарами с
использованием авиации и специальных огнетушащих составов [3–5]. Но
применение последних осуществляется по результатам их экспериментальной
отработки, стендовых или летных испытаний в условиях отсутствия моделей,
адекватно описывающих механизмов подавления горения лесных горючих
материалов (ЛГМ) конкретными огнетушащими составами (растворами,
эмульсиями или суспензиями). Поэтому актуальной и практически значимой в
области лесной пожарной опасности является задача установления основных
закономерностей процессов взаимодействия капель специальных огнетушащих
составов с типичными элементами лесных горючих материалов (хвоинками,
листьями, веточками). Поверхности элементов лесных горючих материалов не
являются молекулярно-гладкими, их рельеф характеризуется хаотичным
расположением неоднородностей (впадин и выступов) микрометрового и
нанометрового масштаба, что должно влиять на характеристики процессов
смачивания и растекания капель разного рода жидкостей (однородных, эмульсий,
растворов, суспензий). Такие поверхности относятся к категории шероховатых.
Но интенсивные экспериментальные исследования процессов смачивания,
растекания и испарения малых объемов жидкостей (капель, ривулетов,
фрагментов пленок) проводились ранее и ведутся в последние годы на гладких, в
основном, поверхностях [6–8]. Наиболее значимые в этой области результаты
получены научными коллективами под руководством О.А. Кабова, В.И. Терехова,
Ю.А. Кузма-Кичты, А.Н. Павленко, Л.Б. Бойнович, А.М. Емельяненко, О.В.
Воинова, R.G. Cox, D. Brutin, P.G. De Gennes, T.D. Blake, R. Hoffman, L.H. Tanner,
R. Sedev, M. I. Newton.
Кроме этого следует отметить, что в реальной практике, как показывают
тенденции развития техники и технологии последних десятилетий, все чаще и
чаще возникают задачи обеспечения регламентных тепловых режимов работы
малоразмерных элементов конструкций энергонасыщенного оборудования
различного назначения, решить которые традиционными методами невозможно.
Капли жидкостей (как правило специальных составов) становятся основным
инструментом регулирования температур интенсивно тепловыделяющих
элементов, например, электронной или радиоэлектронной техники, средств связи.
При этом часто целесообразно локальное охлаждение зон наиболее интенсивного
выделения теплоты с малой площадью открытой поверхности. В этих условиях
становится очевидной необходимость управления процессами смачивания и
растекания одиночной или группы капель, а также испарения жидкости. Сделать
это можно, регулируя шероховатость поверхности. Но до настоящего времени не
опубликованы результаты исследования процессов смачивания, растекания и
испарения капель на шероховатых и нагретых поверхностях.
В связи с вышеизложенным необходимо проведение экспериментальных
исследований основных закономерностей смачивания, растекания и испарения
капель на твердых нагретых поверхностях или со значимой шероховатостью с
целью обоснования возможности стабилизации положения капли на малом по
площади участке поверхности, соответствующем зоне интенсивного
тепловыделения.
Степень разработанности темы исследования. До настоящего времени
задачи экспериментального или теоретического обоснования эффективности
тушения лесных пожаров с использованием специальных жидкостей – эмульсий,
растворов, суспензий даже не ставились. Пока такие составы разрабатываются
методом проб в условиях отсутствия не только теории, описывающей смачивание,
процессы растекания и испарения капель специальных составов на поверхностях
шероховатых элементов лесных горючих материалов (хвоинках, листьях,
веточках), но и достоверных экспериментальных данных об основных
закономерностях этих процессов.
Также следует отметить, что несмотря на то, что в последние десятилетия
активно разрабатываются способы (лазерная обработка [9,10], литография [11],
травление [12], абразивная обработка [13,14], аддитивные технологии [15])
изменения смачивания различного рода поверхностей и управления растеканием
капель жидкости на них в результате создания текстуры микрометрового и
нанометрового масштаба, в настоящее время получены только результаты,
устанавливающие влияние текстуры (расположения ее элементов, например,
микро- или нано столбиков правильной геометрической формы) на свойства
смачивания и процессы растекания и испарения капель по поверхностям
определенного элементного состава. Не определены количественные
характеристики текстуры, изменение которых позволяет управлять процессами
смачивания и растекания. Для разработки теоретических положений,
позволяющих проводить прогностическую оценку интенсивности процессов
смачивания, растекания и испарения вследствие модификации текстуры,
необходимо, в первую очередь, получить экспериментальные данные,
связывающие свойства смачивания и процесс растекания с характеристиками
микрорельефа поверхности, на которой находится капля.
Целью работы является установление в результате экспериментальных
исследований основных закономерностей смачивания, растекания и испарения
капель специальных огнетушащих составов на шероховатых поверхностях лесных
горючих материалов в условиях их нагрева, а также на поверхностях металлов,
модифицированных абразивной обработкой, и оценка возможности стабилизации
положения капли жидкости на шероховатой нагретой поверхности.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1. Разработка методики экспериментального исследования процессов
смачивания, растекания и испарения капель огнетушащих составов (растворов,
эмульсии и суспензии) на поверхности элементов лесного горючего материала
(листьев, хвоинок, веточек).
2. Установление временных характеристик фазовых превращений капель
растворов с выделением режимов и механизмов испарения при нагреве на
поверхностях лесных горючих материалов и металлов.
3. Экспериментальное определение основных закономерностей смачивания,
растекания и испарения капель огнетушащих составов (растворов, эмульсии и
суспензии) на поверхности элементов лесных горючих материалов.
4. Экспериментальное определение основных закономерностей смачивания,
растекания и испарения капель жидкостей на шероховатых поверхностях меди
М1, стали 12Х18Н10Т и алюминиево-магниевого сплава АМг6.
5. Установление по результатам экспериментов влияния микрорельефа
поверхности (описываемого характеристиками шероховатости) на смачивание и
динамические характеристики (динамические контактные углы, диаметр
растекания, скорость движения линии контакта трех фаз) растекания капель
дистиллированной воды на абразивно-обработанных поверхностях меди и стали.
6. Обоснование возможности применения известных моделей (молекулярно-
кинетической, гидродинамической и комбинированной) к описанию процессов
растекания жидкости малого объема по поверхностям металлов с различной
шероховатостью.
7. Обоснование возможности стабилизации положения капли на
шероховатых нагретых поверхностях.
Научная новизна работы. Установлены закономерности процессов
смачивания и испарения капель воды и специальных огнетушащих составов на
поверхностях лесных горючих материалов (хвоинках, листьях, веточках).
Определены времена и скорости испарения капель огнетушащих составов с
поверхности листа при температурах 50-110 °С. Установлены отличия скоростей
испарения капель исследовавшихся достаточно типичных составов от
аналогичных характеристик воды без примесей. Показано, что при идентичных
начальных размерах капель огнетушащих суспензий, эмульсий и растворов
времена их испарения отличаются значительно. Также обоснована возможность
управления процессами смачивания, растекания и испарения капель жидкости на
технологических поверхностях нагрева в результате создания текстуры,
характеризующейся различной шероховатостью. Установлены зависимости
статических и динамических контактных углов, диаметра растекания, скорости
движения линии контакта трех фаз при растекании капель дистиллированной
воды на абразивно-обработанных поверхностях металлов от характеристик
шероховатости. Показана возможность применения молекулярно-кинетической
модели для описания процессов растекания жидкости малого объема по
поверхностям металлов с различной шероховатостью.
Теоретическая ценность и практическая значимость работы.
Полученные аппроксимационные выражения для основных характеристик
исследуемых процессов (смачивания и испарения капель на поверхностях лесных
горючих материалов) могут быть использованы при разработке специальных
составов для тушения лесных пожаров.
Обоснована возможность управления смачиванием, растеканием и
испарением капель жидкости на поверхностях металлов после их абразивной
обработки. Полученные результаты могут быть использованы при разработке
рекомендаций к нормативным методам расчета систем капельного охлаждения
энергонасыщенного оборудования (электронной и радиоэлектронной техники,
средств связи и управления, электронно-вычислительной техники).
Диссертационное исследование выполнено в рамках проектов РНФ № 18-19-
00056 «Подавление пламенного горения и термического разложения
конденсированных веществ на больших площадях при специализированной
подаче воды перед и во фронте горения» и РФФИ №19-38-90136 («Аспиранты»)
«Теплофизические и гидродинамические процессы при растекании и испарении
капель на технологических поверхностях с различной смачиваемостью».
Методология и методы исследования. Для определения геометрических
характеристик капель при исследовании процессов смачивания, растекания и
испарения на шероховатых и нагретых поверхностях применялась теневая
оптическая система. Текстуры на поверхностях металлов формировались
абразивной обработкой при помощи шлифовально-полировального станка.
Бесконтактным оптическим методом определена морфология текстурированных
поверхностей, геометрия и форма отдельных элементов, образующих
многомодальную шероховатость. Микроскопическим методом получены
фотоизображения поверхности высокого разрешения. Анализ элементного
состава выполнен методом энергодисперсионной спектроскопии.
Положения и основные результаты, выносимые на защиту:
1. По результатам экспериментальных исследований свойств смачиваемости
специальные огнетушащие составы условно разделены на две группы. При
тушении пожаров жидкостями первой группы (суспензия бентонита, раствор
бишофита) подавление пламени происходит вследствие осаждения твердых
частиц и образования огнестойкого слоя в зоне пиролиза ЛГМ, благодаря чему
происходит подавление процесса выхода газообразного горючего. Вторая группа
жидкостей (эмульсия пенообразователя и раствор ОС-5) за счет низкого
поверхностного натяжения (хороших свойств смачиваемости) пропитывает
элементы ЛГМ на всю глубину слоя (до зоны пиролиза), охлаждая горючий
материал и препятствуя его пиролизу.
2. Установлено, что времена существования (полного испарения) капель
перспективных огнетушащих составов (вода без примесей, суспензия бентонита,
раствор бишофита, раствор ОС-5, эмульсия пенообразователя) могут отличаться
значительно (например, в 2 раза при t = 50 °C для воды и эмульсии
пенообразователя). Показано, что с ростом температуры поверхности нагрева
средние времена полного испарения капель исследовавшихся достаточно
типичных составов становились сопоставимыми.
3. Экспериментальные исследования показали, что времена существования
(полного испарения) капель перспективных огнетушащих составов (вода без
примесей, суспензия бентонита, раствор бишофита, раствор ОС-5, эмульсия
пенообразователя) могут отличаться при нагреве на подложке в 3,7 раза
(например, при T≈70 оС для суспензии бентонита и эмульсии пенообразователя), в
потоке воздуха – в 1,25 раза (при T≈100 оС для эмульсии пенообразователя и
суспензии бентонита), в муфельной печи – в 1,9 раза (при T≈100 оС для раствора
ОС-5 и эмульсии пенообразователя) при идентичных схемах и температурах
источника нагрева. Эти результаты показывают, что для обеспечения полного
испарения капель таких составов в зоне горения лесного массива с различным
тепловыделением необходимы разные высоты сброса и, соответственно,
отличающиеся длительности прогрева и движения в пламенной зоне горения.
4. Установленные экспериментально характеристики испарения специальных
составов (суспензии бентонита, эмульсии пенообразователя, растворов бишофита
и ОС-5) на поверхностях элементов лесных горючих материалов могут быть
адекватно (с отклонениями ±15 %) оценены по результатам экспериментов по
испарению этих составов по поверхности стали.
5. Доминирующую роль при подавлении процессов термического
разложения лесных горючих материалов оказывает не поглощение теплоты в
результате испарения воды, а воздействие твердых продуктов (остающихся после
испарения воды эмульсий, растворов и суспензий) – компонент специальных
составов (бентонита и бишофита) на элементы лесных горючих материалов и
соответствующее изменение их теплофизических и термохимических свойств.
6. Экспериментально установлены механизмы формирования
кристаллогидратов и объемных кристаллов при испарении капель водно-солевых
растворов LiBr, LiCl, CaCl2 и NaCl на нагретых поверхностях металлов.
7. Установлено, что если после абразивной обработки поверхностей меди М1
и хромоникелетитановой аустенитной стали 12Х18Н10Т величины характеристик
шероховатости не превышают значений Sa≈0,14 мкм, Sz≈1,8 мкм, Sdq≈0,13 мкм,
Spd≈11,6∙10-3 1/мкм2, то их свободная поверхностная энергия за счет полярной
составляющей будет увеличиваться, свойства смачиваемости улучшатся. Если же
текстура поверхностей меди и стали после абразивной обработки характеризуется
величинами, значения которых превышают Sa≈0,14 мкм, Sz≈1,8 мкм, Sdq≈0,13,
Spd≈11,6∙10-3 1/мкм2, то их свободная поверхностная энергия за счет полярной
составляющей будет уменьшаться, свойства смачиваемости ухудшаться.
8. Молекулярно-кинетическая модель Т.Д. Блейка (в рамках которой
предполагается, что перемещение контактной линии обусловлено адсорбцией и
десорбцией молекул жидкости на твердой поверхности) хорошо описывает
основные характеристики процессов растекания капель жидкости по
шероховатым поверхностям металлов и сплавов.
Степень достоверности результатов исследования. Достоверность
полученных результатов подтверждается оценкой систематических и случайных
погрешностей. Случайные ошибки рассчитывались по результатам проведенных
несколько раз в идентичных условиях экспериментов. Для этого выполнялось от
четырех до шести опытов при фиксированных значениях варьируемых факторов.
Также в ряде случаев проводилось сравнение полученных результатов с
теоретическими следствиями и экспериментальными данными других авторов.
Личный вклад автора состоит в планировании и проведении
экспериментальных исследований процессов смачивания, растекания и испарения
капель жидкостей на поверхностях лесных горючих материалов, металлов и
сплавов; проведении опытов; обработке полученных результатов; оценке
систематических и случайных погрешностей; анализе и обобщении результатов
исследований; формулировке основных защищаемых положений и выводов.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационных
исследований докладывались и обсуждались на Международной молодежной
научной школе – семинаре «Тепломассоперенос в системах обеспечения тепловых
режимов энергонасыщенного технического и технологического оборудования»
(Томск, 2016 г.), Всероссийской научной конференция молодых ученых «Наука.
Технологии. Инновации» (Новосибирск, 2016), IV Международном молодежном
форуме интеллектуальные энергосистемы (Томск, 2016), Научно-практической
конференции с международным участием XLV «Неделя науки СПбПУ» (Санкт-
Петербург, 2016), XXIV Всероссийской научной конференции студентов-физиков
и молодых ученых (Томск, 2018), Международной молодежной научной
конференции «Тепломассоперенос в системах обеспечения тепловых режимов
энергонасыщенного технического и технологического оборудования» (Томск,
2018, 2019), Седьмой российской национальной конференции по теплообмену
(Москва, 2018), XV Всероссийской школе-конференции молодых ученых с
международным участием «Актуальные вопросы теплофизики и физической
гидрогазодинамики» (Новосибирск, 2018), XXII Школе-семинаре молодых
ученых и специалистов под руководством академика А.И. Леонтьева «Проблемы
газодинамики и тепло-массообмена в энергетических установках» (Москва, 2019),
14th International Forum on Strategic Technology (Томск, 2019), XXXV/XXXVI
Сибирском теплофизическом семинаре (Новосибирск, 2019, 2020), Всероссийской
научной конференции с международным участием «Теплофизические основы
энергетических технологий» (Томск, 2019, 2020).
Публикации. По теме диссертации А.Г. Исламовой опубликовано 14 работ,
в том числе 5 статей в журналах, включенных в Перечень рецензируемых
научных изданиях, в которых должны быть опубликованы основные научные
результаты диссертации на соискание ученой степени кандидата наук, на
соискание ученой степени доктора наук (из них 4 статьи в зарубежных научных
журналах, индексируемых в базах данных «Сеть науки» (Web of Science Core
Collection) и «Скопус» (Scopus), входящих в первый квартиль (Q1) по SJR; 1
статья в российском научном журнале), 9 статей в сборниках материалов
конференций, представленных в зарубежных и научных изданиях,
индексируемых Web of Science и/или Scopus.