Исследование стационарных и периодических режимов горения негазифицирующихся и малогазовых конденсированных составов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.17 ВАК РФ

А ь. — 1 у з,

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

институт структурной макрокинетики

На правах рукописи

ДЕМИДОВА Лариса Константиновна

УДК 536.46

ИССЛЕДОВАНИЕ СТАЦИОНАРНЫХ И ПЕРИОДИЧЕСКИХ РЕЖИМОВ ГОРЕНИЯ НЕГАЗИФИЦИРУЮЩИХСЯ И МАЛОГАЗОВЫХ КОНДЕНСИРОВАННЫХ СОСТАВОВ

(01.04.17 — химическая физика, в том числе физика горения и взрыва)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Черноголовка 1992

Работа выполнена в Институте химической физики и Институте структурной м а к-р о кинетики РАН.

Научные руководители:

доктор физико-математических наук, профессор В. В. Барзыкин

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор А. С. Штейнберг, кандидат физико-математических наук В. И. Шевцов

Ведущая организация: Институт химической физики РАН, Москва

Защита состоится _» /^-с'^с^ иI г. в. ^Р . час.

«а заседании, .специализированного совета Д 003.80.01 Института структурной макрокинетики РАН (Московская область, п. Черноголовка, ИСМ РАН).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИСМ

доктор физико-математических наук

РАН.

Автореферат разослан

Ученый секретарь специализированного -совета

А. С. Мукасьян

© Институт структурной макрокинетики РАН

мы т>^лЛй

ОБЩАЯ ХАРД

iiWÜPABOTH

Актуальность проблемы. Нашедший в последнее время широкое применение процесс получения тугоплавких неорганических' соединений методом саморг-спрастраниющегэсл рысокотемпературного синтеза требует подробного изучения механизма превращения в волне горения. При создании елочных пиротехнические устройств, используемых в ракетной и космической технике, необходимы составы, к характеристикам горения когорик предъязля-и'гся жесткие требования.

В большинстве случаев механизм горения безгазовых составов осложняется из-за дегазации прг.месеП, и процесс развития СВС связан с дальнейиим теоретическим кзучонке-л да^рояинети-ческик и физико-химически" закономерностей горения частично газ и£ицирующихся систем.

Применяемые в СВС конденсированные составы с дегазацией примесей ¡-¡ли искусственно введенной гачяпо?» компсне.нгоН.сло--:-нпз пиротехнические системы с -большим конденсированным остат- -ком и некоторые другие с позиций те'орпи горения' целесообразно отнести в единую группу малогочовыч составов (ITC).. Возникает необходимость в построении физико-матетт:;ч^ско:'' картин:: процесса горения МТС, для .которых наряда' геоиду ктивннм теплооб-гг»нэм супэстпеннуд роль играет коивоктигчшГ теп-тпеге«".".

Особый научныЛ интерес представляет «опрос об усто^чи-вости горения негазифицирующихся и wo чогазоры'' составов в га— в-лсчкоетл от олределяэтксс чпкрокпнеткчвсрюс характеристик

- I

ходнсж «.«си п о усдосг-л;, "оелочаккк&з: прсцоео гср?!П"!. !!<у»ил-_ догаиие згой проблемы »/бет и практический катере«, иозжм.гя выработать рекокендации для организации оптимальных условие ряда технологических процессов.

Ц*лкы> настоящей работы является исследование (экспетл-ментальными методами и а помоаь-о математического моделирования) устойчивости бсзгазосих составов с различнаш кинетическим:-; гшэхфащепшя в рас-личных теплефизичееких условия:;: (наличие твшшотерь, пошаишке;; начальная температура). Построена фиакчосксй и математической нэделя горения ыалогаоо-гик сосчаасй с ;/чзтс.п •гиалокч-.асасбь&на 'через боксиук поперг.--аость я :з';.спарлмсь'таль:-:оо пзучоппо модальны» систем «такого рода с гынвленнен параметров состава, определяющих процесс горен,;;-,.. г>шшленив особенностей устойчивости стационарно'"; полни горюна! 5.ТС (численными датсдама и экспериментально из модальных "систолах) л зависимости от спрсдсл'шцнх параметров состаг,;;'.

Научная иовкэпа. Яри 'К'.слоилом исследован'»™ одномерной . задач;: мерине изучалась обяоегь суаостЕоаания устойчивых стздмиарник рс.5имов горения для различных кинегзчееккх ссем превращения в адиабатических условиях я при наличии топлоио-геюь. Показано, что при скоао кинеткчгских пхе:>', область реализации устойчивого режима 'гормшл меняется.

• При'решении'двумерно;! задачи при г.ннотпческсГ: а оно превращения первого порядна пр„ теплопотеряк вь-тлено, что искрньленка фронта горения сдвигает границу угтойчкпох-о сча-

О

- ^ -

in:ci,арного ро-кюда горения'( по сргвиьнт с одномэрчой падало" .'¡pu тон :::о аинь+ическо"1. схог«>) з сторону расширения области устойчивости. .

Била создана оригинальная установка п ira uefl поовсдеим исследования горония без азовых систем при изменении начально;! температуры в криогенной области, определены критические . начальные температуры к тетзр"лур1', соствегстаукязке переходу от стационарного ремиза к пульсирует-,ег/у и т.д.

Вперпке построена физико-математическая модель горения пористых шлогазовтк составов с учетом тепло;,:зссооб"ена с окружающей средой и переменили количеством газообразующей до -бавки в безгазовом состэве. Определены основного параметры ¡ЛГС и изучено их влияние на даристеркстш:!*' х'орзкгч.

Экспериментально на составах, модзлируоднх прочесс горения при наличии газоовдоленчя в зоне прогрева vaaav.n" определено влияние 'параметров, харак^ерннх для LTC. на осноениэ характеристики процесса горения.

IIa основе построенной модели горспиа пористы.; малогаяо-и« соетгвов чмеленными методами вшэлв^"» элияниа параметров luC на изменение гранкци ¿стоГ шзэсъ; c-aunoi прчого рз '.;>г*а горения. Показана неодиозп-з-пюсть влпшшя параметре? г'ГС и я гракицу устопчндсст'".

Экспериментально па шдельглг: состапкл вли-

яние параметров состава на границ;»' устойчивости стационарного ртхима и проанализирована смена ре~«?/лп.

Практическая ценность. Результаты теоретического и

3 -

перимеитального исследования раскрывают закономерности перехода от устойчивого стационарного режима горения к неустойчивому, для негаэмфицирующихся с различными кинетическими схемами преврагде Шя и малс5газовых сос ,'авов и указывают способы управления процессом. На основе рассмотренных в работе задач были даны рекомендации по разработке сложных пиротехнических устройств, работающих в условиях пониженных температур и созданию огневых.' цепей с заданными жесткими требованиями по характеристикам горения. Результаты датюй работы могут иметь приложения к созданию фильтров с искусственной пористостью, зааште с помощью "летучих" добавок фронта безгазового горения от воздействия окружат^эй среды, использованию самоудаляющих-' ся пнаргетаческп* добавок для горения малокалорийных "безГа-зотгс" составов.

Стгу'кту;д к объем работы. Диссертация состоит из введения и чогЬ'рох глав, [¡ервая из которм является литературным обзором. Б конце работы сформулированы основные выводь!. Работа изложена на 104 страницах маяшюпксного текста, содержит 29 рисунков и список цитирова.-!ноП литературы (НО наименовании).

СЩЗРЛ(ГЛЗ РАШ7У

Во" газдлш?« кр^гго изло-кна история проблемы, ибопиова-на истуадг листа гекл ¡¡сслодоогашя, поставлена цель работа.

Б норво.Ч главе дается лито рат,у рН!л" обзор иу.-цостпуа:т,нх

- 4 -

представлений о.структуре стационарного фронта горения и ого устойчивости. Рассматриваются вопросы устойчивоеги горения летучих конденсированных составов; горения пористых веществ, окзотермическся фронтальное превращение которых лимитируется фильтрационным транспортам газового реагента в зону реакцил; и, наконец, вопросы устойчивости безгазовых к м-логазовых составов, развитию которых посвящена диссертация-

Во второй главе обобщены результаты численного счета' одномерных уравнений с целью определения границы устойчивости негазифицирующихся составоч для различимее кинетических схем процесса в адиабатических условиях и представлены на параметрической плоскости и . Ото простыв реакции I и 2 порядков, реакции с иа.моз:скорением и сложные реакции с торможением скорости распространения фронта по мере роста глубины превращения (рисЛ). Области устойчивости стационарных ^ежи ■ м^в лежат выше соответствующих пряных. ■

Влияние смены кинетических схем экзотерического п;.эв-ращения на устойчивость горения при теплопо'.'ерях представлены на рис. 2 за -.исимостьв границы устойчивости от величины теплопотерь. Обнаружено, что нсибойе" ус_'ойчи:лй в'адиабатических условиях фронт горения оказывается наименее устойчивым при ч'еплопотерях.

При реиенш-. двумерной задачи критический уговень тепто-потерь существенно возрастает по сравнению с одномерной задачам при возникновении вбли?ч теплоотдь.ощей поверхности не.сго-" ревшего слоя иещес'тва. _ .

Представлены экспериментальные данные по изучению горе-н/.я бсйгазошлх составов при пониженно« нлчя..чьно£ температуре на основании которых дан анализ устойчивости стационарного горения и перестройки режимов, Етли выделены области реализации различных рскимов горения по кере изменения начальной температуры (рлс.З). Каждая из кривых является граничной между ре.гамамп: 5 - мекду стационарным л пульсирующие; .2,4 - мочсду пульечрувщим íi очаговым; 1,3 - между очаговым и отсутствием горения.

В третьей главе строится физико-математическая модель горения малогч.эоЕ/.сс составов и анализируется численными методами с целью изучения зависимости характеристик горения от определяющих параметров состава. В качестве таких параметров были выбраны: соотношение "безгазовой" и "летучей" компонент в исходной'оке си, местоположение зоны газовыдэления, условия массообмена через боковую поверхность. Зависимость скорости горения 6т количества газосбразующей добавки представлена на рулЛ. Ее воздействие на процесс горения зависит от экзотер-мичности процесса газификации, места газовыделения и условий фильтрации.

Экспериментальное изучение прения малоголовых составов проводилось па модельных системах с газоннделеч-ием в зоне про грева'. "а рис.5 представлена зависимость скорости горения от процентного содержания ггзообразуииеГ; добавки. -

В четвертой главе па основании nccTpoenirw модели определялась граница' устойчивости стационар них решмов г записи- б -

мости от опредедяздкг характеристик исходной смеси. Согласно математической модели горении »¿алогязових составов представлено двумл независимыми хичичесгими реакциям1.;, но зависимыми в тепловом отнешонип законами превращения. 'Л результаты исследования устойчивости трактуются с точки зрения устойчивости одного из процессов.при наличии в реагируйте..; составе второй реакции. Эта модель, как и само япленне, сложная, нели -нейная и многопараметрическая. Поотому не имея возможности получить решение в виде бегущей волны и границ!,: его устойчивости, было изучена елилки^ ¡1а эту границу различных параметров. На рис.6 представлена зависимость границы устойчивости от количества газообраэуощеГ? добавки.

Экспериментально на модельных системах рассматривал;. оъ устойчивость стационарного режима и нестационарные яьления при изменении количества хизо ,бразуощей добавки з термином составе различной степени разбавления. 'Был:: определена области реализации различщк режимов горения состав« по мере - го разбавления. При количестве газообраэу^пей добавки 40 и 60% сверх 100 ? был обнаружен речпм голеиля, который у безгазопи--' составов отсутствует - ннэкотеьлерЬт.-'рн_Л стационарный. Пр*/ этом фронт горе:;ия перемещается стационарно, но температуре: и скорость горения пг-эт.1? низ; ив значения. Возм жнове! 1е• такого режима объясняется наличкам добгг.ки в исходной слеши

ОСНОВНЫЙ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ I. Аналий представленных результатов численного счета задачи

о горении безгазовых систем в одно- и.двумерной постановке для различных кинетических схем процесса при изучении области существования устойчивых режимов горения в адиабатических условиях и'при наличие, теплоиотерь показывает, что:

а) влияние кинетической схемы процесса на положение границы устойчивости и величину ..предельного уровня теп-лспотерь проявляется через связь кинетической схеш

с шириной зоны горения; и чем шире зона горения, тем более устойчивый в адиабатических условиях фронт становится более уязвимым к теплопотерям;

б) искривление фронта гонения сдвигает границу устойчи-. вого стационарного горения (по сравнению с одномер-

.. ■ ной задачей при той же кинетической схеме) в сторону . раизирения в'связи с возникновением несгоревшего слоя вблизи теплоотдающей поверхности образца.

• 2. Экспериментальное исследование горения безгазовых систем при изменении начальной температуры в криогенной области выявило закономерности смены режимов горения хромово-цир- .. кониевых и яелезо-цирхончевых термитов и определило критические начальные емпературч, ниже котороГ. глрение отсутствует. , , 3. Построенная модель горения пористых малогазовых составов позволила провести анализ зависимости характеристик горения от. основных параметров, таких как соотношение "безга-аовой" и "летучей",компонент в исходной смэгп, начальной пористости, местоположения зоны газовыделе.шя и степени

- 8 -

герметизации образца при различных уровнях экзотермичности протекающих химических процессов.

4. Экспериментальное изучение процесса горения модельных.составов, характеризующихся наличием газовыдэления в зоне прогрева реакций, определило влияние количества газифицирую -щейся добавки, степени уплотнения составов и диаметра горящего образца на основные характеристики горения, которое анализировалось с позиций кондуктивно-фильтрационного меха- ■ низма теплопереноса.

5. Численными методами с использованием созданной модели горе-, нмя МГС определено влияние основных параметров состава на область устойчивого стационаргого режима горения этих составов и показана неоднозначность такого влияния.

6. Экспериментальное изучение устойчивости горения малогаэо-вых составов на модельных системах с газообразующей добав- • кой показало влияние на границу устойчивости и смену режимов параметров состава и возникновение низкотемпературного стационарного режима по сравнению с негазифицмрующимися системами.

Апробация работы. Результаты докладывались на 16 научно-технической конференции (Загорск), I Всесоюзном симпозиуме по макродаштике и гидродинамике (Алма-Ата), ПХ Всесоюзном симпозиуме по горению ь взрыву (Ташкент), П Всесоюзной иколе-сели-наре по макрокинетике и газодинамике (Томск), 5 Всесоюзной школе-семинаре по воспламенению и горению дисперсных систем

' ' - -9. - • ' .

(Одесса), П Семинаре "Распространение тепловых волн в гетерогенных: средих" (Новосибирск), I Международном симпозиуме по СВС-процессам (Алма-Ата), X Симпозиуме по горению и взрыву (Черноголовка).

10 -

/ .

Гис. I. Границы области .устойчивости стационарных ракимоп горения при различных кинетических схемах процесса ( Т0 --- 2Э0К). : I - (I - £ Н I + 'д.): 2 - II - 1 );

'А =3

(* - степень торможения скорости реакции з кинетическом

законе).

' - II.-

£Хбт

Р .с. 2. Зависимость границп устойчиво, зти стационарной вол-Н-.1 горения от величины тенлопотерь при различных кинетических с •сенах процесса-. ¥(ф = I-^ (4,5,6); 'Л-% !'лЗ); (I- <£ К? + (2); * = 3 'I).

Е, ккал/моль: Я-П -3; 5-10; 6-12. А: 4-С0,5*1,9)-1(Г3; 5-( 0,85-5,6) • Ю-3; б-( 1,1*4,2)-'КГ1.

- 12 -

Рис. 3. Области реалпзац и; различит ргкимоп горения п зависимости от начальной температуры 'телезо-цкрконпсрого (1,2) и хромопо-цчркопиеппго (3-5) термитоп ( о - пуль» сирующое, о - очагопои, и - стационарное горение).

- 13 -

рис. 1. Зге7.с;г*зс7ь скорости гораиия ( VSV,, ) от количества га.1язол даЗавхл. KF = МО4 - кр.1,?,б,7; 44Л-кр.З,4, 5; У6 = 0,13 - :tp.i;a,6,7; 0,206 - кр.3,4,5; TF - 3; Q/Qf - 1,5-rp.I; О,о-кр.л,'3,ч(5; -0,3-кр.6,7;^а = UJ.GI--гс.1,2,6,7; 0,I?I-k?.3,-î ,5; л; = 0,25-кр Л ,2, 1.5,0,7;

0,С0-кр.З;. = U4-1-I0"1 - кр.1,2,5,6,7; 5,0-Ю2 - кр.З, -1 •

- 14 -

m,я

ÎY;:,[>. Зависимость ско pocTiï горения составов t-

. разбавленной- , „а 200-, ZrO^ (кр.3,-1) и C-r:;03 + ИМ (la.1,2) от процентного (спор:: IOOt) содер-iví-.n гааообразуотюВ добагки К0О3 в см? си. Диаметр о5р?ч-ич 10'мм (кр.1,4), Г j' им (кр.2,3).

- lo -

¿ " Шф

1.03

0.98

0.93

0.88 I I I I I.' I I г I I - г I | I | I-1 1 1 -1 I I I I I I

0.00 0.04 0.Э8

Рис.6. Зависимость границы устойчивости стационарно» полны горения от количества газообразующей добавки.

= 1-, с,/сй = 0,5\Д//г = 0,5; = 2; ^

5Га= 0,1; КР = 1-Ю4; = 0,75; ¿0 = МО"';

" 7Г =0 (кр.2), 3 (кр.1).

- 16 -

Публикации. Материал диссертации изложен в работах:

1. Струшша А. Г., Демидова Л. К., Дворшжин Л. В., Бутакова Э. А., Фирсов А. Н. Материалы-1 Всесоюзного сими, по макроскоп, кинетике и хим. газодинамике, 1984, ч. I, т. II, с. 22.

. 2. Струшша А. Г., Демидова Л. К., Фирсов А. Н., Мержанов А. Г. ФГВ,

1987, № 3, с. 52—58.

3. Струшша А. Г., Бутакова Э. А., Демидова Л. К., Барзыкин В. В. ФГВ,

1988, № 2, с. 99—102.

4. Струнина А. Г., Демидова Л. К., Бутакова Э. А., Барзыкин В. В. ФГВ, 1991, т. 27, № 4, с. 30—34.

5. Шкадинский К. Г., Струнина А. Г., Фирсов А. Н., Демидова Л. К., Костин С. В. ФГВ, 1991, т. 27, № 5, с. 84—91.

6. Шкадинский К. Г., Струнина А. Г., Фирсов А. Н., Демидова Л. К., Костин С. В., Барзыкин В. В. Исследование процесса горения малогазовых составов. Препринт, Черноголовка, 1990, 29 с.

7. Струнина А. Г., Костин С. В., Демидов Л. К. Итоговый отчет по хоз/договорной теме № 68/90.

8.. Шкадинский К. Г., Струнина А. Г., Фирсов А. Н., Демидова Л. К., Костин С. В., Барзыкин В. В. Сб. П семинара «Распространение тепловых волн в гетерогенных средах» (в печати).

9. Струнина А. Г., Демидова Л. К-, Фирсов А. Н., Шкадинский К. Г., Костин С. В. ФГВ, 1992, № 5.

10. Струнина А. Г., Костин С. В., Демидова Л. К., Шкадинский К. Г., Фирсов А. II. ФГВ (в печати).

11. Струшша А. Г., Дергачев С. В., Демидова Л. К., Барзыкин В. В. ФГВ, 1993, № 1.

26.11. 92 г.

Объем 1 п. л.

Типография ИХФЧ РАН

Зак. 694. Тир. 100.