Journal of Samara State Technical University, Ser. Physical and Mathematical SciencesJournal of Samara State Technical University, Ser. Physical and Mathematical SciencesВестник Самарского государственного технического университета. Серия «Физико-математические науки»1991-86152310-7081Samara State Technical University64621110.14498/vsgtu2137WNVSJFShort CommunicationsКраткие сообщенияShort CommunicationMathematical modeling of the spark discharge formation process and the correlation between its parameters and ignition threshold conditions for energetic material dust cloudsМатематическое моделирование процесса формирования искрового разряда и связи его характеристик с критическими условиями воспламенения пылевоздушной взвеси энергетических веществhttps://orcid.org/0000-0002-0939-82924564-7570NechaevAlexander S.НечаевАлександр Сергеевич
Russian Federation

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

кандидат технических наук; доцент; каф. радиотехнических устройств

nechaev-as@mail.ruhttp://www.mathnet.ru/person53600https://orcid.org/0000-0002-1408-6381ZybikovDmitry V.ЗубиковДмитрий Валерьевич
Russian Federation

Postgraduate Research Student; Dept. of Radio Engineering Devices

аспирант; каф. радиотехнических устройств

zubikov_ekran@mail.ruhttps://www.mathnet.ru/person228023https://orcid.org/0000-0001-7797-3802572148887776179-8126GrechukhinaMaria S.ГречухинаМария Сергеевна
Russian Federation

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

кандидат технических наук; старший научный сотрудник; лаб. цифровых двойников материалов и технологических процессов их обработки

mariya_grechukhina@mail.ruhttp://www.mathnet.ru/person191499https://orcid.org/0000-0002-7061-5460DavydovAndrey N.ДавыдовАндрей Николаевич
Russian Federation

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

кандидат технических наук; доцент; каф. механики

davydov.an@samgtu.ruhttps://www.mathnet.ru/person39190Samara State Technical UniversityСамарский государственный технический университет200520252911872021401202510042025Copyright ©; 2025, Authors; Samara State Technical University (Compilation, Design, and Layout)Copyright ©; 2025, Авторский коллектив; Самарский государственный технический университет (составление, дизайн, макет)2025Authors; Samara State Technical University (Compilation, Design, and Layout)Авторский коллектив; Самарский государственный технический университет (составление, дизайн, макет)https://creativecommons.org/licenses/by/4.0https://journals.eco-vector.com/1991-8615/article/view/646211

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.

Рассмотрены вопросы математического моделирования процесса формирования искрового разряда в экспериментальной установке, в ходе которого установлена зависимость энергии разряда и временно́го профиля энерговыделения от параметров разрядной цепи. Исследовано влияние основных теплофизических характеристик пылевоздушной взвеси, полидисперсного состава частиц, длительности разрядного процесса на коэффициент преобразования электрической энергии в тепловую (получено аналитическое выражение для расчета тепловой составляющей энергии разряда). Разработана расчетная методика определения оптимальных параметров разрядной цепи и напряжения заряда, обеспечивающих воспламенение пылевоздушной взвеси при вариациях ее теплофизических и дисперсных характеристик в серии экспериментов.

spark dischargeminimum ignition energydust-air mixtureenergetic materialselectrical breakdownthermal energy transferdischarge parametersискровой разрядминимальная энергия воспламененияпылевоздушная смесьэнергетические материалыэлектрический пробойтеплопередачапараметры разрядаThe research was carried out with the financial support of the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation within the framework of the state task (theme no. AAAAA12-2110800012-0)Исследование выполнено при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации в рамках государственного задания (тема № АААА-А12-2110800012-0)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)ГОСТ 12.1.041-83. Система стандартов безопасности труда. Пожаровзрывобезопасностъ горючих пылей. Общие требования. Введ. 1984-07-01. Минск: Межгос. совет по стандартизации, метрологии и сертификации. М.: Изд-во стандартов, 1984. 11 с.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).Таубкин И. Г. Об опасности электризации граммонитов при пневмозаряжании шпуров и скважин / Взрывное дело. Т. 80/37. М.: Недра, 1978. С. 221–228.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.Раско С. Л., Овчаренко А. Г. Эксплуатационная безопасность конденсированных взрывчатых веществ. Барнаул: Алт. гос. тех. ун-т, 2006. 147 с. EDN: QNEBPZ.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)ГОСТ Р 31610.20-2-2017/ISO/IEC 80079-20-2:2016. Взрывоопасные среды. Часть 20-2. Характеристики материалов. Методы испытаний горючей пыли. Введ. 2019-06-01. М.: Стандартинформ, 2018. 50 с.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)ГОСТ 12.1.044-2018. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов. Номенклатура показателей и методы их определения. Взамен 12.1.044-89; введ. 2019-05-01. Минск: Межгос. совет по стандартизации, метрологии и сертификации. М.: Стандартинформ, 2018. 206 с.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)ГОСТ Р МЭК 61241-2-3-99. Электрооборудование, применяемое в зонах, опасных по воспламенению горючей пыли. Часть 2. Методы испытаний. Раздел 3. Метод определения минимальной энергии зажигания пылевоздушных смесей. Введ. 2001-01-01. М.: Изд-во стандартов, 2004. 11 с.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).Корытченко К. В., Галак О. В. Усовершенствованный метод расчета динамики ввода энергии в искровой канал по кривой разрядного тока // Прикладн. радиоэлектр., 2011. Т. 10, №1. С. 51–59.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.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.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.Воробьев Г. А., Похолков Ю. П., Королев Ю. Д., Меркулов В. И. Физика диэлектриков (область сильных полей). Томск: Томск. политехн. ун-т, 2011. 243 с. EDN: FYFZXL.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.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.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.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.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).Абрамсон И. С., Гегечкори Н. М. Осциллографическое исследование искрового разряда // ЖЭТФ, 1951. Т. 21, №4. С. 484–492.Raizer Yu. P. Gas Discharge Physics. Berlin, Springer, 1991, xi+449 pp. DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-642-61247-3.Райзер Ю. П. Физика газового разряда. М.: Наука, 1987. 592 с. EDN: TTDTSL.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)Крайнов А. Ю. Моделирование самовоспламенения, зажигания, горения и взрыва газовзвесей и процессов в сети горных выработок угольных шахт : Диссерт. ... уч. ст. д.ф.-м.н.: 01.04.14 — Теплофизика и теоретическая теплотехника. Томск: Томск. гос. ун-т, 2003. 354 с.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.Бортник И. М., Верещагин И. П., Вершинин Ю. Н. [и др.] Электрофизические основы техники высоких напряжений. М.: Энергоатомиздат, 1993. 543 с. EDN: SUOOGH.