Mathematical modeling of the spark discharge formation process and the correlation between its parameters and ignition threshold conditions for energetic material dust clouds

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

This study presents a mathematical modeling study of spark discharge formation in an experimental setup, establishing the dependence of discharge energy and temporal energy release profile on discharge circuit parameters. The research investigates the influence of key thermophysical properties of dust-air suspensions, particle size distribution, and discharge duration on the electrical-to-thermal energy conversion efficiency (an analytical expression for calculating the thermal component of discharge energy has been derived). A computational methodology has been developed to determine optimal discharge circuit parameters and charging voltage that ensure ignition of dust-air mixtures under variations of their thermophysical and dispersity characteristics across experimental series.

About the authors

Alexander S. Nechaev

Samara State Technical University

Email: nechaev-as@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-0939-8292
SPIN-code: 4564-7570
http://www.mathnet.ru/person53600

Cand. Techn. Sci.; Associate Professor; Dept. of Radio Engineering Devices

Russian Federation, 443100, Samara, Molodogvardeyskaya st., 244

Dmitry V. Zybikov

Samara State Technical University

Email: zubikov_ekran@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-1408-6381
https://www.mathnet.ru/person228023

Postgraduate Research Student; Dept. of Radio Engineering Devices

Russian Federation, 443100, Samara, Molodogvardeyskaya st., 244

Maria S. Grechukhina

Samara State Technical University

Author for correspondence.
Email: mariya_grechukhina@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-7797-3802
SPIN-code: 6179-8126
Scopus Author ID: 57214888777
http://www.mathnet.ru/person191499

Cand. Techn. Sci.; Senior Researcher; Lab. of Digital Doubles of Materials and Technological Processes of their Processing

Russian Federation, 443100, Samara, Molodogvardeyskaya st., 244

Andrey N. Davydov

Samara State Technical University

Email: davydov.an@samgtu.ru
ORCID iD: 0000-0002-7061-5460
https://www.mathnet.ru/person39190

Cand. Techn. Sci.; Associate Professor; Dept. of Mechanics

Russian Federation, 443100, Samara, Molodogvardeyskaya st., 244

References

  1. GOST 12.1.041-83. Occupational Safety Standards System. Fire and Explosion Safety of Combustible Dusts. General Requirements. Introduced 1984-07-01. Minsk, Interstate Council for Standardization, Metrology and Certification; Moscow, Standards Publishing House, 1984, 11 pp. (In Russian)
  2. Taubkin I. G. On the hazard of grammonite electrification during pneumatic charging of boreholes and wells, In: Blasting Engineering, vol. 80/37. Moscow, Nedra, 1978, pp. 221–228 (In Russian).
  3. Rasko S. L., Ovcharenko A. G. Ekspluatatsionnaia bezopasnost' kondensirovannykh vzryvchatykh veshchestv [perational Safety of Condensed Explosive Substances]. Barnaul, Altay State Techn. Univ., 2006, 147 pp. (In Russian). EDN: QNEBPZ.
  4. GOST R 31610.20-2-2017/ISO/IEC 80079-20-2:2016. Explosive Atmospheres. Part 20-2. Material Characteristics. Test Methods for Combustible Dust. Introduced 2019-06-01. Moscow, Standartinform, 2018, 50 pp. (In Russian)
  5. GOST 12.1.044-2018. Fire and Explosion Hazard of Substances and Materials. Index System and Test Methods. Replaces GOST 12.1.044-89; introduced 2019-05-01. Minsk, Interstate Council for Standardization, Metrology and Certification; Moscow, Standartinform, 2018, 206 pp. (In Russian)
  6. GOST R IEC 61241-2-3-99. Electrical Apparatus for Use in the Presence of Combustible Dust. Part 2. Test Methods. Section 3. Method for Determining the Minimum Ignition Energy of Dust-Air Mixtures. Introduced 2001-01-01. Moscow, Standards Publishing House, 2004, 11 pp. (In Russian)
  7. Korytchenko K. V., Galak O. V. Improved method for calculating energy input dynamics into spark channel from discharge current curve, Prikladn. Radioelektr., 2011, vol. 10, no. 1, pp. 51–59 (In Russian).
  8. Knystautas R., Lee J. H. On the effective energy for direct initiation of gaseous detonations, Combust. Flame, 1976, vol. 27, pp. 221–228. DOI: https://doi.org/10.1016/0010-2180(76)90025-0.
  9. Vorob'ev G. A., Pokholkov Yu. P., Korolev Yu. D., Merkulov V. I. Fizika dielektrikov (oblast' sil'nykh polei) [Physics of Dielectrics (Strong Field Region)]. Tomsk, Tomsk Polytechnic Univ., 2011, 243 pp. (In Russian). EDN: FYFZXL.
  10. Zhang B., Dick Ng H., Lee J.H.S Measurement and relationship between critical tube diameter and critical energy for direct blast initiation of gaseousdetonations, J. Loss. Prevent. Process Industry, 2013, vol. 26, no. 6, pp. 1293–1299. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jlp.2013.07.011.
  11. Matsui H., Lee J. H. Influence of electrode geometry and spacing on the critical energy for direct initiation of spherical gaseous detonations, Combust. Flame, 1976, vol. 27, pp. 217–220. DOI: https://doi.org/10.1016/0010-2180(76)90024-9.
  12. Abramson I. S., Gegechkori N. M. Oscillographic study of spark discharge, J. Exp. Theor. Phys., 1951, vol. 21, no. 4, pp. 484–492 (In Russian).
  13. Raizer Yu. P. Gas Discharge Physics. Berlin, Springer, 1991, xi+449 pp. DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-642-61247-3.
  14. Krainov A. Yu. Modeling of Spontaneous Ignition, Ignition, Combustion and Explosion of Gas Suspensions and Processes in Mine Workings of Coal Mines, Doctoral dissertation in Physical and Mathematical Sciences (Specialty: 01.04.14 — Thermal Physics and Theoretical Heat Engineering). Tomsk, Tomsk State Univ., 2003, 354 pp. (In Russian)
  15. Bortnik I. M., Vereshchagin I. P., Vershinin Yu. N., et al. Elektrofizicheskie osnovy tekhniki vysokikh napriazhenii [Electrophysical Foundations of High Voltage Engineering]. Moscow, Energoatomizdat, 1993, 543 pp. (In Russian). EDN: SUOOGH.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Figure 1. Equivalent electrical circuit of discharge circuits in standardized setups for determining spark discharge ignition energy

Download (27KB)
Indexing metadata
3. Figure 2. Schematic representation of particle heating process by spark discharge: 1 — particles; 2 — electrodes; 3 — spark discharge trajectories; $V$ — average particle flow velocity; $T_{\min}$ — initial particle temperature; $T_{\max}$ — maximum heating temperature of particle material from spark discharge

Download (208KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2025 Authors; Samara State Technical University (Compilation, Design, and Layout)

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».