Горение бета-азидоэтанала тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.17 ВАК РФ

АПР 2000

Міністерство освіти України Одеський державний університет ім.ІЛ.Мечникова

Копійка Олександр Кузьмич

УДК 536.46

ГОРІННЯ р-АЗИДОЕТАНОЛУ

01.04.17 - Хімічна фізика, фізика горіння та вибуху

АВТОРЕФЕРАТ дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук

Одеса - 2000

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі загальної та хімічної фізики Одеського державного університету ім.І.І.Мечникова Міністерства освіти України.

Науковий керівник: доктор фізико-математичних наук, професор

Золотко Андрій Никонович, Одеський державний університет ім.І.І.Мечникова, завідувач кафедри загальної та хімічної фізики, директор Інституту горіння та нетрадиційних технологій.

Офіційні опоненти:

доктор фізико-математичних наук, професор Асланов Сергій Костянтинович, Одеський державний університет ім. 1.1. Мечникова, завідувач кафедри теоретичної механіки,

кандидат фізико-математичних наук Легейда Геїшадій Андрійович, директор Київського філіалу Державного науково-дослідного інституту хімічних продуктів, м.Київ.

Провідна установа: Чернівецький державний університет

ім.Ю.Федьковича, Міністерство освіти України м. Чернівці.

Захист відбудеться “і/ . 2000 року о годині яа засіданні

спеціалізованої Вченої ради Д41.О5Г01 в Одеському державному університеті імені І.І.Мечникова (65026, Одеса, вул.Пастера,27, велика фізична аудиторія).

З дисертацією можна ознайомитися у науковій бібліотеці Одеського державного університету, Одеса, вул.Преображенська, 24.

Автореферат розісланий •1$ ” 2000 р.

Вчений секретар

спеціалізованої Вченої ради С&ЩІ)С' ЛЛІЇГ' ^ О.П.Федчук

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Дослідження процесу горіння рідинних вибухових >ечовин (РВР) дотепер є фундаментальним напрямом фізики горіння. Актуальність цього напряму забезпечується постійним прогресом в галузі сімічної фізики, результатом якого є синтез нових РВР, що за своїми властивостями перевершують вже відомі сполуки.

- Об’єктом дослідження був вибраний р-азидоетанол. Ця, маловивчена торівняно з відомими РВР, речовина відноситься до класу органічних азидів, іроцес горіння яких, на відміну від інших РВР, відбувається виключно за захунок тепла від реакції розкладу азидної групи N3, а не від окислювально-відновлювальних реакцій. До переваг Р-азидоетанолу перед другими РВР слід віднести, в першу чергу, здатність до горіння з високою швидкістю в інертних :ередовищах при тиску значно нижчому за атмосферний, - швидкість горіння Р-азидоетанолу на порядок перевершує відповідну величину для нітрогліцерину і інших нітроефірів, які широко використовуються у піротехнічному виробництві. У разі використання р-азидоетанолу в якості компоненту такого виробництва, більш довгий термін термостабільності иьої речовини (т > 100 років при ?=50°С) порівняно з нітрогліцеріном (г«20років), дозволяє прогнозувати вагомий економічний ефект від спрощення технології виготовлення і умов збереження піротехнічних виробів. Крім того, висока ступінь газоутворення при горінні (~1000мл/г) і відсутність шкідливих оксидів азоту у складі продуктів згоряння, також обумовлюють існуючий науково-практичний інтерес до вивчення процесу горіння цієї речовини.

Наявність нових властивостей відкриває широкі можливості і для практичного застосування РВР у мирних цілях, в народному господарстві, в космічній галузі. Такий широкий спектр вркористання нових РВР вимагає всебічних, комплексних досліджень процееу його- горіння у різних умовах. Головна мета таких досліджень полягає у з’ясовуванні основних закономірностей горіння РВР, до складу яких входять азидні групи, і визначенні параметрів, за допомогою яких можна було б керувати процесом їх горіння у різного типу енергосилових пристроях. Розв’язання цієї задачі потребує глибокого вивчення фізико-хімічних процесів, які мають місце у парогазовій та рідинній фазі при горінні РВР.

Існуюча практика показує, що методика досліджень РВР носить обмежений характер. Насамперед це стосується умов теплообміну дослідних зразків з зовнішнім середовищем, та стінками оболонки, в якій знаходиться РВР. Як правило, більшість опублікованих результатів досліджень горіння цих речовин відноситься до випадку, коли дослід проводиться в чашках що термостатуються, тобто стінки оболонки постійно охолоджуються. Це робиться з метою стандарищції дослідів .і виключення прогрівання РВР вздовж стінок оболонки. Зрозуміло, що дотримуй'аїшя стандартних умов є необхідним на початковому етапі для порівняльного аналізу процесу горіння різних РВР, але

відсутність чіткого загального підходу до визначення питання про вплив нагрітих стінок на хід процесу горіння потребує багаточисельних додаткових досліджень у кожному конкретному випадку використання РВР за тих чи інших умов. У зв’язку з цим актуальними є дослідження чутливості горіння РВР до процесу теплообміну між речовиною і стінкою оболонки, в якій вона знаходиться, а також тих явищ, які є наслідками впливу цього процесу на хід горіння.

Головна вимога, яка ставиться до горіння РВР у зв’язку з їх практичним використанням, полягає в тому, щоб цей процес мав стаціонарний характер і був стійким до зовнішніх збурень. Відомо, що наявність контакту між РВР і теплопровідною оболонкою може, в деяких випадках, призвести до порушення нормального режиму горіння, але систематичні дослідження цього питання практично відсутні. Це не дозволяє дати узагальнених висновків щодо закономірностей у зміні режимів горіння РВР в умовах близьких до реальних. Тому актуальними є дослідження граничних умов стійкого горіння РВР, механізму порушення стаціонарної течії процесу. Результатом таких досліджень мають бути аналітичні вирази, які б могли бути використані для подальших інженерних розрахунків.

У зв’язку із вище зазначеним випливає доцільність проведення експериментальних і теоретичних досліджень у вказаних напрямах та актуальність теми дисертаційної роботи.

Зв’язок роботи з науковими програмами і темами. Робота відповідає основним науковим напрямам діяльності науково-дослідного інституту горіння та нетрадиційних технологій ОДУ, кафедри загальної та Хімічної фізики ОДУ. Дослідження у даному напряму проводились у рамках держбюджетних тем Одеського університету, які виконувались за розпорядженням міністерства освіти України та комітету НДОКР міністерства оборони України.

1. №672 Міносвіти України “Вивчення процесів випаровування та стійкого горіння азидоз’єднань”, номер держреєстрації 0196Ш12604.

2. №741 Міносвіти України “Пошук засобів підвищення ефективності згоряння рідинних палив шляхом їх модифікації домішками органічних азидів та збіднених спиртів ”, номер держреєстрації 0198Ш02543.

Автор був відповідальним виконавцем вказаних тем.

Робота виконана при сприянні Кабінету Міністрів України (рішення колегії Міносвіти від 31 березня 1995 р., протокол №4/3-9 та постанови президії Комітету по Державних преміях України в галузі науки і техніки від 11 травня 1995 р. №2 про присудження стипендії Кабінету Міністрів України для молодих вчених).

Мета і задачі досліджень: Встановити чутливість горіння р-

азидоетанолу в нетермостатованих оболонках із різних матеріалів до процесу обміну теплом між речовиною і стінками оболонки, ступінь залежності її від теплофізичних характеристик матеріалу стінок і зовнішніх параметрів.

з

Визначити режими безкисневого горіння Р-азидоетанолу і з’ясувати іеханізм його хімічного перетворення за умов інертного середовища.

Отримати граничні умови існування стаціонарного режиму горіння РВР і ояснити механізм порушення його стійкості.

Для досягнення вказаної мети в роботі були поставленні такі задачі:

1. Вивчити властивості горіння (З-азидоетанойу в нетермостатованих болонках з різними теплофізичними характеристиками та проаналізувати ідгук процесу горіння при наявності потоку тепла між прогрітими зоною імічного реагування стінками оболонки і речовиною. Отримати кспериментальні дані щодо граничних умов існування стаціонарного горіння 1-азидоетанолу;

2. Провести експериментальні дослідження термічної структури хвилі оріння Р-азидоетанолу і впливу зовнішнього тиску та температури на цвидкість горіння;

3. Розробити математичну модель стаціонарного горіння РВР у (етермостатовашгх оболонках з урахуванням теплообміну між стінками »болонки і речовиною. Провести аналіз результатів досліджень і теоретичні юзрахунки граничних умов стаціонарного режиму горіння Р-азидоетанолу в іамках моделі стаціонарного горіння РВР;

4. Встановити детальну картину нестаціонарного горіння р-азидоетанолу, з’ясувати механізм порушення стійкості горіння речовини у

іетермостатованих оболонках;

Комплексність досліджень та достовірність одержаних результатів іабезпечувалась: ч

> Використанням комплексу взаємодоповнюючих експериментальних летодик;

' Обробкою експериментальних даних на ПК за допомогою сервісних

ірограм QBasic, Excel, Origin, Table & Curve;

> Узгодженістю розроблених модельних уявлень з одержаними ¡кспериментальними результатами і між собою;

• Проведенням тестових дослідів;

> Інтерпретацією результатів досліджень на підставі літературних даних, утриманих в інших наукових закладах.

Наукова новизна одержаних результатів.

1. Вперше проведені експериментальні і теоретичні дослідження процесу 'оріння Р-азидоетанолу в тонких трубках з різними теплофізичними (арактеристиками в умовах природного теплообміну з навколишнім :ередовшцем. Виявлено невідомий раніше перехід стаціонарного режиму ^оріння р-азидоетанолу до пульсуючого режиму, який має місце при знижені ¡овнішнього тиску. Одержані нові експериментальні дані щодо граничних умов існування стаціонарного режиму горіння.

2. Проведені експериментальні дослідження впливу зовнішнього тиску і початкової температури на швидкість горіння Р-азидоетанолу. Вперше показана можливість горіння цієї РВР при температурах, нижчих 220К.

3. Досліджена термічна структура хвилі горіння р-азидоетанолу в нетермостатованих оболонках. Зафіксовано, що порушення стаціонарного характеру процесу супроводжується кипінням поверхневого шару у рідині. Визначено механізм хімічного реагування в парогазовій фазі. Одержані оцінки для величини кондуктивного і радіаційного потоку тепла з зони хімічного реагування.

4. Запропонована нова теоретична модель стаціонарного горіння (3-азидоетанолу у теплопровідних оболонках і проведено аналіз результатів, що випливають з цьої моделі.

5. Встановлено фізичну картину порушення стійкості горіння РВР і механізм зворотного зв’язку на прикладі горіння Р-азидоетанолу у теплопровідних оболонках. Всупереч усталеним уявленням, показано, що ідея Я.Б.Зельдовича про дестабілізуючу роль джерела тепла у конденсовані фазі речовини може бути використана для пояснення порушення стійкості горіння РВР.

6. Вперше проведені експериментальні дослідження горіння р-азидоетанолу в пульсуючому режимі. Отримані дані про максимальне значення швидкості горіння р-азидоетанолу та залежності періоду пульсацій швидкості його горіння від тиску.

Практичне значення отриманих результатів полягає:

• в обгрунтуванні висновку про можливість порушення стаціонарного режиму горіння РВР при знижені тиску в умовах природного теплообміну речовини із стінками оболонки;

• у визначенні критичних параметрів існування стаціонарного режиму горіння РВР. Запропоновані аналітичні вирази, які дають зв’язок між критичними параметрами, необхідних для інженерних розрахунків піротехнічних виробів мирного призначення із спрощеною схемою компонування: газогенеруючих і термоконденсаційних сумішей для створення аерозолів цільового використання у сільському господарстві; допоміжних двигунів для просторової орієнтації у космосі.

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи доповідались і обговорювались на:

• XVI Конференції держав СНД з питань випаровування, горіння та газової

динаміки дисперсних систем (Одеса, 1993);

• XXI Міжнародному піротехнічному семінарі (Москва, 1995);

• II Українська науково-практична конференція “Проблеми горіння балістики та механіки співударянь” (Одеса, 1996);

• III Мінському Міжнародному форумі з питань тепломасообміну

(Мінськ, 1996);

» 16-th International Colloquium on the Dynamics of Explosions and Reactive

Systems (Cracow, Poland,1997);

» 17-th International Colloquium on the Dynamics of Explosions and Reactive

ïystems (Heidelberg, Germany,1999);

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 3 статті у фахових наукових журналах (з котрих одна є самостійною публікацією), 3 статті в ¡бірниках праць міжнародних конференцій та 4 т^зах. Список публікацій наведено в кінці автореферату.

Особистий внесок здобувана. В оригінальних статтях, на яких базується дисертаційна робота, псі чисельні розрахунки, аналітичні дослідження граничних умов існування стаціонарного режиму горіння РВР проведено автором особисто. Постановка задач, обговорення результатів і формулювання висновків проводились спільно з науковим керівником, професором кафедри загальної та хімічної фізики Одеського державного університету, доктором фіз.-мат.наук. А.Н.Золотко. В проведенні експериментів, обговоренні результатів досліджень брав участь доцент цієї ж кафедри, канд.фіз.-мат.наук В.В.Головко.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, З розділів, висновку, списку цитованої літератури, додатків. Дисертаційна робота викладена на 130 сторінках друкованого тексту, містить 35 рисунків, 17 таблиць, 75 бібліографічних посилань. Повний обсяг дисертації складає 142 сторінки.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Вступ містить обгрунтування актуальності розглянутих у дисертаційні роботі досліджень. У цьому розділі сформульована основна мета роботи, відображена наукова новизна та практична цінність досліджень, наводяться основні положення, що виносяться на захист.

В першому розділі наведено короткий огляд основних результатів експериментальних та теоретичних досліджень процесу горіння рідинних вибухових речовин (РВР), в тому числі деяких органічних азидів.

Розглянута загальна схема розкладу органічних азидів. Відзначено, що процес безкисневого горіння органічних азидів цілком визначається первинною реакцією розкладу речовини. Подано порівняльний аналіз основних показників процесу горіння найбільш відомих нітроефірів, нітроазидів та органічних азидів. Зроблено висновок щодо переваг органічних азидів перед рештою РВР. Перед усім це стосується відносно простої схеми розкладу органічних азидів, і екологічності продуктів згоряння - азот, який є одним з основних кінцевих продуктів їх згоряння, створюється вже у первинному елементарному акті розкладу молекули азиду. Тривала термостабільність і висока швидкість горіння у порівнянні з іншими РВР також роблять органічні азиди привабливими для практичного використання.

Проведено огляд граничних умов горіння органічних азидів і нітроефірів. Докладно розглянуті причини, які обумовлюють наявність границь існування стаціонарного горіння органічних азидів. З’ясовано, що існуючі підходи для пояснення порушення стійкості стаціонарного горіння РВР, яке має місце з підвищенням тиску (тепловий підхід - Я.Б.Зельдовіча і гідродинамічний -Л.Д.Ландау), добре якісно описують ситуацію, але у кращому кількісному узгоджені з експериментальними даними знаходяться результати гідродинамічного підходу.

У резюме до першого розділу відзначена відсутність комплексного підходу у досліджені впливу теплообмінних процесів на горіння рідинної вибухової речовини у теплопровідній оболонці, сформульовані основні задачі дисертаційної роботи.

Другий розділ присвячено експериментальним і теоретичним дослідженням горіння Р-азидоетанолу у нетермостатованих оболонках, які є необхідними для побудови феноменологічної моделі горіння будь-якої речовини. Подано описання експериментальної установки, викладено методики за допомогою яких отримані оригінальні результати. Приведено експериментальні дані щодо критичних умов існування стаціонарного режиму горіння Р-азидоетанолу у нетермостатованих трубках із скла. Вперше показано, що при горінні р-азидоетанолу у нетермостатованих трубках із скла, на відміну від термостатованих чашок, можливий перехід його горіння до пульсуючого режиму (рис. 1а і б).

Р, гПа

Рис.І.а

Рис. 1.6

Критичні умови горіння р-азидоетанолу у термостатованих (І.а) і нетермостатованих (1.6) оболонках із скла. І - область де горіння не можливе, 11 - область стаціонарного горіння, 111 - область турбулентного горіння. Заштрихована область відповідає пульсуючому режиму горіння р-азидоетанолу.

Порушення стійкості горіння і перехід до пульсуючого режиму горіння іідбувається з падінням зовнішнього тиску, а не навпаки, як це має місце для нших, добре відомих РВР. Проведені тестові досліди з горіння р-азидоетанолу / трубках з різними теплофізичними характеристиками (скло, мідь, целулоїд), токазали, що характер горіння суттєво залежить від температуролроводності матеріалу оболонки в якій знаходилась РВР.

Досліджувався вплив на швидкість горіння р-азидоетанолу зовнішніх факторів - тиску, діаметру оболонки речовини, початкової температури. Виявлено, що швидкість горіння р-азидоетанолу зростає з підвищенням тиску по лінійному закону, але перехід від пульсуючого горіння до стаціонарного режиму супроводжується стрибком величини швидкості, який був тим помітніший, чим більший діаметр трубки. Зворотна сторона такої особливості горіння - різний характер залежності швидкості горіння Р-азидоетанолу від величини діаметру оболонки. Якщо швидкість стаціонарного горіння збільшувалась з ростом діаметру трубки, то середнє значення швидкості пульсуючого горіння навпаки, зменшувалось.

В доповнювання до існуючих даних про вплив початкової температури на швидкість горіння р-азидоетанолу, з’ясовано, що ця речовина зберігає здатність до стабільного горіння при температурі щонайменше 220К, а зміна агрегатного стану (тверде тіло-рідина) сприяє розвитку турбулентного горіння.

Представлено результати термопарних вимірювань, які проводились при різних значеннях зовнішнього тиску, з метою вивчення просторового розподілу температури вздовж дослідних зразків. Володіння цією інформацією дало можливість, в свою чергу, отримати відомості про структуру хвилі горіння, величину максимальної температури, інтенсивності виділення тепла і інших важливих параметрів. На підставі даних вимірювання температури показано, що горіння р-азидоетанолу у пульсуючому режимі, на відміну від стаціонарного горіння, супроводжується кипінням поверхневого шару рідини, (у конденсовані фазі спостерігалось температурне плато на рівні температури кипіння р-азидоетанолу). Проведені тестові досліди з примусовим кипінням р-азидоетанолу показали, що наявність цього процесу дійсно є необхідною умовою для порушення стаціонарного характеру горіння.

Аналіз термограм горіння р-азидоетанолу у стаціонарному режимі дозволив також найти залежність величини максимальної температури горіння від зовнішнього тиску, яка збільшувалась з його зростанням. Це дало змогу за допомогою формально-кінетичного підходу перевірити слушність існуючого припущення відносно порядку і механізму хімічного реагування при горінні органічних азидів взагалі і р-азидоетанолу зокрема. Показано, що за умов експерименту реакція розкладу р-азидоетанолу дійсно є реакцією першого порядку, а вторинна реакція - реакція реагування продуктів розкладу Р-азидоетанолу з атмосферним киснем, знаходиться на значній відстані від зони розкладу, і помітного впливу на процес безкисневого горіння не чинить.

Перевірена можливість використання кінетичного закону повільного термічного розкладу р-азидоетанолу в області більш високих температур. Добре узгодження розрахунків масової швидкості горіння р-азидоетанолу із експериментальними даними вказує на справедливість зробленого припущення.

Знання кінетики хімічного реагування при горінні р-азидоетанолу дозволило зробити оцінки величини швидкості виділення тепла у різних точках фронту стаціонарної розповсюджуваної хвилі горіння речовини - Ф(х), тобто з’ясувати її просторову структуру в парогазовій фазі. Характерною особливістю кривих Ф(х) є наявність одного максимуму, що також підтверджує положення про відносно простий механізм хімічного перетворення при горінні р-азидоетанолу. Максимальне значення швидкості виділення тепла зростало з підвищенням тиску, а відстань між поверхнею розподілу фаз і зоною максимальної інтенсивності виділення тепла зменшувалась з ростом тиску. Чисельне інтегрування кривих просторового розподілу швидкості тепловиділення показало, шо зона хімічного реагування в основному зосереджена у вузькому температурному інтервалі поблизу максимальної температури горіння.

Отримані експериментальні дані дозволили використати ряд припущень, для теоретичного аналізу граничних умов існування стаціонарного режиму горіння р-азидоетанолу. А саме, вважалось, що екзотермічна хімічна реакція протікає тільки в парах при температурі Гтах, а зона хімічного реагування нескінченно тонка. В конденсованій фазі реакція відсутня і зміна тепловмісту речовини відбувається внаслідок кондуктивного потоку тепла з газової фази до рідини, руху речовини назустріч фронту розкладу із швидкістю и відносно системи координат, пов’язаної із поверхнею розподілу фаз, а також за рахунок теплообміну із стінками оболонки, що описується законом Ньютона-Ріхмана. В такому разі, безрозмірне стаціонарне рівняння теплового балансу для конденсованої фази р-азидоетанолу з відповідними граничними умовами записується у слідуючому вигляді:

Тут, в - безрозмірна температура, £ - безрозмірна координата, к - параметр, який характеризує ефективність процесу обміну теплом між конденсованою фазою речовини і боковою поверхнею оболонки, Р і Б периметр і площа поперечного перерізу зразка Р-азидоетанолу, а - коефіцієнт теплообміну між

(1)

0= (Г-Т°ї

а

речовиною і стінкою оболонки, а і а» - коефіцієнти ефективної температуропровідності речовини і стінки оболонки відповідно, ріс - густина і питома теплоємність речовини, Ві і М - критерії Біо і Міхельсона, Т$ -температура поверхні рідини, а Т„ -температура стінка на границі між рідиною і її парою, яка є важливим параметром задачі, оскільки її величина залежить від тиску. Вигляд цієї залежності визначався із розв’язку відповідної задачі для тонкої оболонки із інертного матеріалу.

Розв’язок рівняння (1) є температурним профілем у конденсовані фазі (3-азидоетанолу

9 = (0* - Л)ехр(*і£)+ ЛехрІ

(2)

Тут, А, кі - параметри, які залежать від теплофізичних і геометричних характеристик речовини і її оболонки.

Аналіз (2) у граничному випадку, коли (а»*=а і в3=А) підтвердив працездатність моделі, - профіль температури в конденсованій фазі р-азидоетанолу стає подібним до Михельсонівського.

Встановлено, що поряд з величиною діаметра теплопровідної оболонки одним з найбільш впливових параметрів, які визначають форму температурного профілю у конденсовані фазі р-азидоетанолу, є величина зовнішнього тиску. Враховуючи те, що перехід стаціонарного режиму горіння р-азидоетанолу до пульсуючого відбувався з падінням тиску, розрахунки проводились для декількох значень цього параметру, що відповідали різному характеру горіння р-азидоетанолу в оболонці із скла (рис.З).

в

0,3

0,2

0,1

0,0

-25 -20 -15 -10 -5 0

І

Рис.З Просторовий розподіл температури уч конденсовані фазі азидоетанолу 0(д при різних значеннях величини зовнішнього тиску.

Розрахунки температурного розподілу в конденсованій фазі Р-азидоетанолу показали, що при значеннях тиску, для яких спостерігалось горіння Р-азидоетанолу в стаціонарному режимі, температурний профіль має класичний вигляд, близький до Міхельсонівського (крива 3). Криві 1 і 2 отримані при значеннях тиску нижчих від граничного, тобто за умов пульсуючого горіння, і вміщують в собі температури вищі за температуру поверхні. Фізично це є ознакою того, що відбувається кипіння поверхневого шару рідини, і як наслідок цього - порушення стаціонарного режиму горіння Р-азидоетанолу. Формальна ж різниця між кривими на рис.З полягає у наявності чи відсутності максимуму. Дотримуючись цієї умови, було одержано аналітичний вираз відносно нижньої границі існування стаціонарного режиму горіння Р-азидоетанолу, критичного значення діаметру оболонки - с12кр, який пов’язує між собою параметри, що разом впливають на можливість стаціонарного горіння р-азидоетанолу

Ми - критерій Нусельта, що враховує геометрію оболонки р-азидоетанолу. Розрахунки значення критичного діаметру оболонки Р-азидоетанолу в залежності від зовнішнього тиску сІ2Кр(р), який неявно через швидкість горіння і температури стінки та кипіння входив у вираз (3), добре збігаються з експериментальними результатами, отриманими при вивченні критичних умов переходу стаціонарного горіння р-азидоетанолу до пульсуючого режиму, що представлені на рис. 1.6.

Вираз (3) враховує також і граничний випадок, коли Г^<ГХ, і пульсуючий режим неможливий, що також найшло своє підтвердження у тестових дослідах по горінню р-азидоетанолу у скляних напівзанурених у гліцерин трубках.

Проведено аналіз поведінки критичних умов переходу стаціонарного горіння р-азидоетанолу до пульсуючого режиму в залежності від температуропроводності матеріалу оболонки. Розрахунки проводились з використанням двох значень коефіцієнту температуропроводності, які були на порядок більшими і меншими ніж у скла, що відповідає умовам експериментів по горінню Р-азидоетанолу у металевих і целулоїдних оболонках. Показано, що збільшення температуропроводності матеріалу оболонки порівняно із склом повинно призводити до розширення області пульсуючого горіння за рахунок області II - стаціонарного горіння на рис.І.б. Навпаки, наслідком зменшення температуропроводності є звужування області пульсуючого горіння аж до її зникнення. Такі висновки цілком узгоджуються з результатами дослідів з горіння р-азидоетанолу у трубках з металу і целулоїду.

Ч

(3)

У третьому розділі на підставі візуальних спостережень та кінозйомок процесу з’ясована детальна картина нестаціонарного горіння Р-азидоетанолу. Безпосередньо перед пульсацією фронту горіння р-азидоетанолу відбувалось кипіння поверхневого шару рідини. В момент пульсації вузька зона, де проходив розклад р-азидоетанолу зростала і далекі відходила від поверхні випаровування. Максимальне значенім швидкості горіння р-азидоетанолу при цьому різко зростало і досягало значень не менших 2,5см/с. Наведено результати експериментальних досліджень горіння р-азидоетанолу у пульсуючому режимі. Показано, зокрема, що частота пульсацій швидкості горіння Р-азидоетанолу у грубках із скла знаходиться у діапазоні від 0,1 до 1Гц, і залежить від величини зовнішнього тиску: падіння тиску приводить до її зменшення.

Проаналізовано причину порушення стійкості стаціонарного горіння р* азидоетанолу у нетермостатованих трубках. З огляду на її теплову природу, аналіз фізичної картини цього явища проводився з використанням гіпотези Я.Б.Зельдовича про визначну роль, яку відіграє при формуванні характеру горіння РВР, співвідношення між швидкістю горіння - и, і швидкістю хвилі прогріву речовини за рахунок джерела тепла, що знаходиться у конденсовані фазі - и'. Згідно цієї гіпотези, якщо и/и більше за 1, стаціонарна течія процесу неможлива. Додатково до імовірного джерела тепла - хімічної реакції розкладу РВР у конденсовані фазі, яку розглядав Я.Б.Зельдович, враховувався також внесок у величину швидкості хвилі прогріву конденсованої фази внаслідок теплообміну між речовиною і стінками оболонки. v Отримано рівняння для розрахунків величини швидкості хвилі прогріву речовини и'і,еаІ за рахунок вказаного нехімічного джерела тепла:

Порівняльні оцінки величини швидкості хвилі прогріву конденсованої фази р-азидоетанолу за рахунок нехімічного и ',ка, і хімічного джерел тепла II 'сИет, зроблені у відповідності до критичних умов існування стаціонарного режиму горіння р-азидоетанолу, показали, що остання є дуже малою с/кт~1-Ю"5см/с, і натри порядки менше від г/'/,еа(=4,2-10~2см/с, яка в свою чергу дуже близька до величини швидкості стаціонарного горіння Р-азидоетанолу її, відомої з експерименту. Такий результат дозволив по-перше, підтвердити правомірність використаного при теоретичному аналізі граничних умов існування стаціонарного режиму горіння Р-азидоетанолу, припущення про відсутність хімічної реакції у конденсовані фазі; по-друге, при подальших розрахунках величини швидкості хвилі прогріву конденсованої фази її' знехтувати внеском за рахунок хімічного джерела тепла і вважати, що и —и '¡каІ.

Крім того, кількісне узгодження оцінок швидкості горіння (3-азидоетанолу і швидкості хвилі прогріву, яке має місце за умов критичних значень зовнішнього тиску і діаметру оболонки, говорить, всупереч усталеним уявленням, на користь того, що теплова гіпотеза Я.Б.Зельдовича про рівність величин швидкостей и-и на границі стаціонарного горіння, може бути використана для пояснення механізму порушення стійкості горіння РВР.

Щоб остаточно переконатися в цьому і з’ясувати механізм порушення стійкості горіння р-азидоетанолу у нетермостатованих оболонках розглядалась поведінка величини швидкості хвилі прогріву від зовнішнього тиску. Згідно з виразом (4) для швидкості хвилі прогріву конденсованої фази речовини встановлено, що остання не зменшується з падінням зовнішнього тиску, як це було б при наявності хімічної реакції у конденсовані фазі, а навпаки -збільшується по закону експоненти

де н, - швидкість хвилі прогріву конденсованої фази при величині зовнішнього тиску р=р0=\ат, а С, - деяка стала, значення якої визначається з конкретних залежностей величин, які входять у (4), від тиску. Приймаючи до уваги лінійний характер залежності швидкості горіння від тиску, вираз (5) свідчить про те, що у випадку існування потоку тепла від стінки оболонки до конденсованої фази речовини, очікуване перебільшення швидкості хвилі прогріву конденсованої фази над швидкістю горіння, і пов’язане із цим порушення стаціонарного характеру горіння повинно відбуватися з падінням зовнішнього тиску. Аналогічна картина спостерігається і в експерименті, при переході стаціонарного горіння Р-азидоеганолу в пульсуючий режим (див.рис.І.б). Граничні значення зовнішнього тиску знайдені із рівняння и-и для різної величини діаметра оболонки також добре збігаються з даними теоретичного аналізу граничних умов існування стаціонарного горіння і експериментальними результатами.

З’ясовано фізичний зміст впливу величини діаметру оболонки з теплопровідного матеріалу на можливість стаціонарного горіння РВР. Збільшення діаметру оболонки призводить до зменшення величини швидкості хвилі прогріву (4), внаслідок чого рівняння и -и буде виконуватись при меншій швидкості горіння і при меншому граничному значенні зовнішнього тиску.

На підставі отриманих даних щодо причини порушення стійкості горіння Р-азидоетанолу в нетермостатованих оболонках, аналізу впливу різних факторів на можливість існування стаціонарного режиму горіння встановлено механізм зворотного зв’язку, наявність якого є необхідною умовою для існування періодичних процесів. Обов’язковою вимогою для реалізації запропонованого механізму є наявність двох умов - кипіння поверхневого шару рідини і той

(5)

факт, що зона розкладу пару р-азидоетанолу повинна пересуватись відносно границі розподілу фаз. Дотримання цих умов було доведене експериментально. Показано, що кипіння є наслідком горіння Р-азидоетанолу із швидкістю и яка менша за величину швидкості хвилі прогріву конденсованої фази и\ а пересування зони розкладу пару р-азидоетанолу далі від поверхні рідини, тобто пульсація, відбувається через те, що збільшується швидкість пароутворення і зона розкладу збільшує свою реакційну поверхню. В свою чергу', збільшення відстані між зоною розкладу р-азидоетанолу і поверхнею рідини зменшує градієнт температури вздовж зразка, що тягне за собою падіння температури стінки. Згідно з виразом (5), падіння температури стінки Т„ призводить до зменшення швидкості хвилі прогріву, яка на деякий час стає меншою за швидкість горіння і тоді воно протікає стаціонарно, доки не утвориться наступний шар прогрітої рідини, тобто и^и, і ситуація не повториться знову.

Зроблене припущення, що відсутність даних про наявність подібного пульсуючого режиму у відношенні до інших РВР, певно пов’язано з тим, що необхідна рівність між швидкістю хвилі прогріву конденсованої фази РВР і її швидкістю горіння відбувається при таких значеннях зовнішнього тиску, при яких стаціонарне горіння цих речовин неможливе з будь-яких других причин. Такими причинами можуть бути гідродинамічна нестійкість, згасання при горінні нижче природної границі горіння (область III і І відповідно на рис. 1.6). Підбір певного коефіцієнта теплообміну між оболонкою і рідиною роблять подібний розвиток подій цілком імовірним і у відношенні до інших РВР.

Наведені також результати дослідження гідродинамічної нестійкості горіння Р-азидоетанолу і переходу стаціонарного горіння до турбулентного режиму. Показано, що перехід стаціонарного горіння до турбулентного режиму відбувається з підвищенням тиску, і обумовлений тим, що швидкість досягає свого критичного значення. Фактором, який відіграє стабілізуючу роль є наявність сили поверхневого натягу. У зв’язку з цим, експериментально досліджена залежність коефіцієнта поверхневого натягу від температури. Розрахунки величини масової швидкості горіння р-азидоетанолу проведені в рамках теорії повільного горіння Л.Д.Ландау добре збігаються з експериментальними даними. Додаткову стабілізуючу дію чинять також стінки оболонки, якщо діаметр останньої достатньо малий (¿/<1см). Подане оригінальне обгрунтування стабілізуючого впливу малої величини діаметру оболонки на хід процесу горіння РВР. Отримані граничні умови переходу стаціонарного горіння Р-азидоетанолу до турбулентного режиму - (¡Зкр(р).

У висновках наведено основні одержані результати дисертаційного дослідження.

У додатку подані експериментальні дані дослідження залежності швидкості горіння р-азидоетанолу від зовнішнього тиску та діаметру оболонки, також наведено дані щодо просторового розподілу температури вздовж зразка отримані при стаціонарному і пульсуючому режимах горіння р-азидоетанолу.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ І ВИСНОВКИ

1. Досліджено процес горіння Р-азидоетанолу в тонких

нетермостатованих трубках з різними теплофізичними характеристиками в умовах природного теплообміну з навколишнім середовищем. Встановлено, що характер процесу горіння рідинних вибухових речовин (РВР) суттєво залежить від умов теплообміну між речовиною і оболонкою. Зокрема, при горінні Р-азидоетанолу у нетермостатованих трубках із скла вперше виявлено перехід стаціонарного горіння до пульсуючого режиму при падінні зовнішнього тиску. Одержані експериментальні дані щодо граничних умов існування стаціонарного режиму горіння Р-азидоетанолу і чутливості процесу до зміни температуропроводності матеріалу оболонки. ч

2. Проведені дослідження термічної структури хвилі горіння р-азидоетанолу у різних режимах. Вперше показано, що на відміну від стаціонарного режиму, пульсуючий режим горіння р-азидоетанолу супроводжується кипінням поверхневого шару рідини. З’ясовано, що процес безкисневого горіння Р-азидоетанолу цілком визначається первинною реакцією розкладу речовини, а механізм високотемпературного термічного розкладу р-азидоетанолу підпорядковується закономірностям повільного термічного розкладу.

3. На основі теоретичного аналізу результатів, отриманих в рамках моделі стаціонарного горіння РВР, знайдено граничні умови існування стаціонарного режиму горіння р-азидоетанолу. Згідно з одержаним виразом, здатність до стаціонарного горіння РВР в умовах природного теплообміну в значній мірі визначається такими параметрами, як зовнішній тиск, швидкість горіння речовини, діаметр оболонки, а також температуропроводнісгь матеріалу оболонки і самої речовини.

4. З’ясовано фізичну картину порушення стійкості горіння РВР у теплопровідних оболонках. З огляду на тепловий характер причини, що призводить до порушення стаціонарної течії процесу горіння РВР за таких умов, і всупереч усталеним уявленням, вперше експериментально показано, що ідея Я.Б.Зельдовича про дестабілізуючу роль джерела тепла у конденсованій фазі речовини може бути використана для пояснення цього явища. Встановлено, що існування сильного (експоненційного) негативного зворотного зв’язку між швидкістю хвилі прогріву речовини і швидкістю її горіння обумовлює наявність коливань швидкості горіння, а значна теплова інертність рідинної фази надає їм рекласаційного характеру.

5. Необхідною умовою для порушення стаціонарності горіння РВР є перевищення швидкості хвилі прогріву речовини над швидкістю горіння. У відношенні до інших РВР відсутність даних про їх горіння у пульсуючому режимі, перехід до якого здійснювався б з падінням зовнішнього тиску, певно пов’язана з тим, що необхідне співвідношення між швидкістю хвилі прогріву конденсованої фази РВР і швидкістю горіння відбувається при значеннях

ювнішнього тиску, при яких стаціонарне горіння цих речовин неможливе з іругих причин (гідродинамічна нестійкість, згасання при горінні нижче триродної границі горіння).

6. Визначена динаміка зміни характеру процесу горіння р-азидоетанолу при зростанні величини зовнішнього тиску - основного регулюючого параметру при горінні РВР. З підвищенням величини зовнішнього тиску відбувається послідовний перехід від області, де горіння не можливе, до області пульсуючого горіння, що в свою чергу змінюється стаціонарним (ламінарним) режимом. Подальше підвищенім тиску призводить до втрати стійкості фронту горіння р-азидоетанолу і переходу від стаціонарного до турбулентного режиму. Зміна агрегатного стану речовини (тверде тіло - рідина) сприяє розвитку турбулентності. Сили поверхневого натягу та стінки оболонки здійснюють стабілізуючий вплив на хід процесу горіння р-азидоетанолу.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Копейка А.К., Головко В.В., Золотко А.Н., Канашин С.П. Предельные условия горения Р-азидоэтанола в нетермостатируемых трубках // Физика горения и взрыва. -1996. -Т.32, № 4. -С.25-32.

2. Копейка А.К. Пульсационный режим горения азидоэтанола // Физика горения и взрыва.-1998. - Т.34, № 4. -С.23-25.

3. Копейка А.К., Головко В.В., Золотко А.Н. Горение жидких взрывчатых веществ при наличии нехимического источника тепла в конденсированной фазе // Физика аэродисперсных систем. -1998. -Вып.37. -С.86-94

4. Головко В.В., Копейка А.К., Золотко А.Н., Канашин С.П. Горение капли азидоэтанола в различных средах // Труды 21-го Международного пиротехнического семинара. -Москва: ИХФ РАН. -1995. -С. 1110-1114.

5. Копейка А.К., Головко В.В., Золотко А.Н. Влияние теплообмена между оболочкой и конденсированной фазой азидоэтанола на устойчивость его горения К Труды 3-го Минского Международного Форума по вопросам тепло и массообмена. -Минск: ИТМО АН Беларуси. -1996. -С. 182-186.

6. Kopeyka А.К., Golovko V.V., Zolotko A.N. The Influence of Heat Exchange Processes on the Combustion Stability of Ethanol Azide // Elec. Proc. of 17-th International Colloquium on the Dynamics of Explosions and Reactive Systems.

- Heidelberg (Germany). -1999. - P№108, P. 1-3.

7. Golovko V., Kopeyka A., Zolotko A. Pulsating Regime of Azide-Ethanol Combustion // Abstr. of 13-th International Symposium on Combustion Processes. -Cracow (Poland). -1993. -P.215.

8. Головко B.B., Копейка A.K., Золотко А.Н. Влияние внешнего теплоподвода на устойчивость горения азидоэтанола // Тезисы 16-й Конференции стран СНГ по вопросам испарения, горения и газовой динамики дисперсных систем. - Одесса (Украина). -1993. -С.113.

9. Golovko V., Kopeyka A., Zolotko A., Kanashin S. Combustion of EthanolAzide in Rarefied atmosphere of Air // Abstr. of 15-th International Colloquium on the Dynamics of Explosions and Reactive Systems. - Boulder, Colorado (USA).-1995.-P.591.

10. Kopeika A., Golovko V., Zolotko A., Kanashin S. Combustion of EthanolAzide with Agents at Normal and Low Pressures II Abstr. of 16-th International Colloquium on the Dynamics of Explosions and Reactive Systems. -Cracow (Poland).-1997.-P.607

АННОТАЦИЯ

Копейка А.К. ГОРЕНИЕ (З-АЗИДОЭТАНОЛА. - Рукопись.

Дисертация на соискание ученой степени кандидата физикоматематических наук по специальности 01.04.17 - “Химическая физика, физика горения и взрыва". - Одесский государственный университет

и.и. И. И. Мечникова, Одесса 2000.

В диссертации представлены результаты экспериментальных и теоретических исследований процесса горения нового малоизученного жидкого взрывчатого вещества р-азидоэтанола (АЭ) в условиях естественного теплообмена с окружающей средой. Установлено, что характер горения жидких взрывчатых веществ, и АЭ в частности, существенно' зависит от условий теплообмена между веществом и ее оболочкой. Выявлен неизвестный ранее переход стационарного горения АЭ в пульсирующий режим, который наблюдался, вопреки установившемуся взгляду, с падением внешнего давления. Исследована термическая структура волны горения АЭ в различных режимах. Построена модель стационарного процесса горения АЭ. Проведен анализ результатов физического моделирования процесса горения АЭ с учетом обмена теплом между веществом и стенкой оболочки. Выяснен физический механизм нарушения устойчивости стационарного горения АЭ в таких условиях. Для объяснения этого явления была использована, и впервые нашла свое экспериментальное подтверждение, идея Я.Б.Зельдовича о дестабилизирующей роли источника тепла в конденсированной фазе жидкого взрывчатого вещества. Получены новые сведения относительно характера нестационарных явлений в условиях безкислородного горения жидких взрывчатых веществ. Найденные аналитические выражения для предельных условий существования стационарного горения АЭ в нетермостатированных оболочках имеют универсальный характер, и могут быть использованы в дальнейших инженерных расчетах пиротехнических изделий мирного назначения.

v

Ключевые слова: жидкие взрывчатые вещества, горение, теплообмен, пульсирующий режим, предельные условия.

АНОТАЦІЯ

Копійка O.K. ГОРІННЯ р-АЗИДОЕТАНОЛУ. - Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.17 - “Хімічна фізика, фізика горіння та вибуху”. - Одеський державний університет ім.І.І.Мечникова, Одеса 2000.

В дисертації подано результати експериментальних і теоретичних досліджень процесу горіння нової маловивченої рідинної вибухової речовини -Р-азидоетанолу (АЕ) в умовах природнього теплообміну з навколишнім середовищем. Встановлено, що характер горіння рідинних вибухових речовин, і АЕ зокрема, суттєво залежить від умов теплообміну між речовиною і її оболонкою. Виявлено невідомий раніше перехід стаціонарного горіння АЕ до пульсуючого режиму, який спостерігався, всупереч усталеному погляду, із падінням зовнішнього тиску. Створена модель стаціонарного процесу горіння АЕ. Проведено аналіз результатів фізичного моделювання процесу горіння АЕ з урахуванням обміну теплом між речовиною і стінкою оболонки. З’ясований фізичний механізм порушення стійкості горіння АЕ за таких умов. Знайдені аналітичні вирази для граничних умов існування стаціонарного горіння АЕ у нетермостатованих оболонках мають універсальний характер, і можуть бути використані в інженерних розрахунках піротехнічних виробів мирного призначення.

Ключові слова: рідинні вибухові речовини, горіння, теплообмін, пульсуючий режим, граничні умови.

SUMMARY

Kopeyka A.K. COMBUSTION of p - ETHANOL AZIDE. - Manuscript.

Thesis on search of the scientific degree of candidate of physical and mathematical sciences, on speciality 01.04.17 - “Chemical physics, physics of combustion and explosion ’’.-Odessa I.I.Mechnikov State University, Odessa 2000

The results of investigations of liquid explosives combustion process into heat-conductive shell are presented. The character of a liquid explosives combustion and the p-ethanol azide (EA) specifically was depended from the conditions of heat exchange between the substance and its shell. Unknown early the transition of the EA stationary combustion to pulsating regime was observed. In contrary of traditional notion it transition took place at decrease of external pressure. The physical model of EA stationary combustion which take account heat exchange between the substance and wall of its shell was created. On the basis of this model an analyses of physical simulation of EA combustion were conducted. The physical mechanism of breach of the EA stability combustion was elucidated. The limiting conditions of existence of the EA stationary combustion into nonthermostated shell was found. These limiting conditions are universal one.

Key words: liquid explosives, combustion, heat-exchange, pulsating regime, limiting conditions.

Підписано до друку 09.02.2000.

Обсяг 1.0 друк. арк. Формат 60x90/16. Наклад 100 прим. Папір офсетний. Зам. № 66.

Надруковано у друкарні видавництва "Астропринт" м. Одеса, вул. Преображенська, 24, к.13. Тел./факс: (0482) 26-96-82, 26-98-82. www.astroprint.odessa.ua