Оптические и электрические аспекты процессов горения дисперсных систем тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.17 ВАК РФ

ОДЕССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им.И.И.МЕЧНИКСВЛ

Р Г Б ОД

• к/ I < !. > .' .**Г

На правах рукописи

МОРКО Александр Владимирович

ОПТИЧЕСКИЕ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПРОЦЕССОВ ГОРЕНИЯ ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ.

. Специальность 01.04.17 - химическая физика, в том числе физика горения и взрыва. -

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук.

ОДЕССА-1994

Работа выполнена в Одесском государственном университете ям. И.й. Мечникова.

Официальные оппоненту:

доктор физико-математических наук, профессор С.М. Контуш доктор физико-математических наук, профессор Р.В. Ганефелъд доктор физико-математических наук, профессор В.И Михайленко

. Ведущая организация: Институт Технической Теплофизики

Защита состоится " ишя 1994 года в 14 часов на заседании специализированного совета Д.068.24.03 при Одесском государственном университете им И.И.Мечникова. ( 270100, г. Одесса,,ул., Пастера 27, Большая физическая аудитория ) . . ;

О рссертвцией можно ознакомиться в научной библиотеке Одесского университета '( ул. Советской Армии', 24 )

- Автореферат разослан 1994 г.

Ученый секретарь

АН Украины

специализированного совета канд. фйэ.-мат. наук, доцент

'"ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА,РАБОТЫ

Актуальность темы. Газовзвеси частиц твердых горючих являются распространенным и интенсивно изучаемым в физике горения объектом. Это связано с тем, что с научной точки зрения газовзвеси реагирующих частиц, как объект изучения механики многофазных реагирующих систем, характеризуются очень сложной взаимосвязь*) процессов химического реагирования, тепломассообмена, радиационного переноса и газодинамических явлений. С практической точки зрения, эти системы позволяют достичь высокой эффективности преобразования вещества и энергии, обусловленной дисперсным составом горючего компонента. Примером тому, является энергетическое горение, авиационная и ракетная техника, химическая технология, основанная на горении, СВС--технология, технология газодисперсного синтеза нанлжсидов, использование гетерогенных систем, сгигаемых в виде газовзвеси для воздействия на процессы в тропосфере с целью* создания локвльннх неодгородностей ее оптических и электрических параметров, вопросы пожаровзрывобезопасзости, порошкообразных горючих материалов, и т.д. . '

Подавляющая часть работ применительно к гязовзвесям касается интегральных характеристик процессов их воспламенения и горения (критической температуры воспламенения, времен индукции и горения •взвеси, К8К функций от исходных параметров?.Что же касается работ, посвященных факельному горегота газовзвесей частиц, речь в них ма, в основном, о длине и форме факела. В случае волнового горения га--зовзвесей авторы интересовались скоростью пламени в различных условиях струбы, горелки, облак8> и механизмами теплопередачи в волне горения. Учитывая, однако, слабую чувствительность этих характеристик к топким деталям теоретических моделей, судить об их адекватности представляется весьма затруднительным. Кроме того,- процессы горения рассматривались в отрыве от сопутствующих им электрофизических явлений, роль которых, по-видимому, не является пассивной, с-юбешо при тепломассообмене и конденсации продуктов сгорания.

Отсутствие достаточно полной информации об оптических характеристиках горящих газовзвесей затрудняет выявлеше роли радиации при горений подобных объектов. Такое положение в физике горения дисперсных систем обуславливается ограгогшныи арсеналом экспериментальных методик и отсутстзием соответствующей спектральной ап-

паратуры, обладающей одновременно высоким спектральном,. временным и пространственным разрешением. Таким образом, разработка таких методик измерения параметров горящих систем яг адется первоочередной задачей экспериментальных исследований.

Целью работы является разработка нового направления в физике горения дисперсных систем, заключающегося в изучении роли радиационных и электрофизических явлений в процессах формирования пространственной структуры горящего объекта и образования новой фазы в условиях плазмы с КДФ, образующейся при горении.

Научная новизна.

- Разработан комплекс аппаратуры и методик экспериментов, обладай-« высоким спектральным, временным и пространственным разрешением, которые, в отличие от ранее существующих, позволяют одновременно измерять температуру, концентрации, а также пространственные распределения указанных величин да различных компонентов горючих дисперсны-' систем, определять электрофизические и оптические характеристики продуктов, сгорания. Это существенно повышает информативность экспериментов,- дающих сведения о тонких деталях процессов и микроструктуре объекта.

. - Впервые пилучена информация об оптических и излучательных характеристиках для 'субмикронных продуктов сгорания металлов при высоких температурах, которая :

а. является исходной информацией для расчетов радиационных потоков в горящих дисперсии системах ;

б. позволила показать, что доля радиации в теплопотерях, в зависимости от рода металла и вида дисперсной систем,' может достигать 30-40Ж. •

в. легла в' основу методик измерения характеристик К-фазы непоср. дствеяно в зоне горения.

- Установлено, что излучательвые характеристики К-частиц оксидов, находящихся в зоне горения в твердой фазе, в существенной степени определяются дефектами кристаллической решетки и мездзон-шми переходами. Зто и является главной пришой' значительного расхождмш св 3-Г- раз> между результатами яастояш. измерений факторов эффективности поглощения К-частицами в области высоких 'температур и литературными данными. В, то же время, указанные особенности излучательных характеристик оказываются Еасущг-.сгБзЕ1ш-ми дял шдких частиц, что пр&допгудэдяе? надежность говэс.щшх расчетов, исшльзужда теорию Ми.

. 3

. - Экспериментально обнаружен размерный эффект да ультрадяс-пероных продуктов сгорания << 0:5мкм>, не завнеяз^ от их агрегатного состояния. Эффект заключается в резком увеличения в области короток дом волт факторов эффективности поглощения при уменьшении К. Это 'явилось основой для определения характерного размера частиц оксидов металлов непосредственно в зоне горения по виду спектра излучения.

- Показана определяющая роль плазменного компонента при конденсации продуктов сгорания, обеспзчиващего слабую чувствительность дисперсности К-фазы-к режиму сжигания и роду металла. Установлено, что центрам -конденсации тжотся отрицательные молекулярные ионы окислителя. Построена физическая модель, устанавливающая взаимосвязь между дисперсность» продуктов сгорания и параметрами горящей системы. Установлен механизм образования заряженных частиц в пламени, определена их подвижность и скорость генерация. Показано, что в окрестности горящей частицы формируется электрические поля, 'обеспечивающие транспорт К-фазы каши металла, что и объясняет образование окисных остатков при парофазном режа горения. . Дана теоретическая интерпретация результатов эксперимента. Выявлен спектральный состав собственных электрически колебаний в горящей системе, дающих возможность воздействовать на дисперсность

, продуктов сгорания, с помощью внешних переменных электрических полей; .

• ' - Показано, что дефекты по Шоттки определяют "предедь.шй" . размер частиц м.;о в зоне горения. Впервые экспериментально определена энергия образования этих дефектов.

- Исследована тонкая структура зоны горения 'индивидуальной частицы и дисперсного факела частиц, реагирующих в пэро- и газофазном режимах. Результаты явились основанием для выбора- соответствующих теоретических моделей горения и построения физической модели конденсации продуктов сгорания.

На защиту выносятся методики экспериментальных исследований процессов горения газовзвесей частиц, результаты исследования оп-тичсских и электрофизических характеристик горящих дисперсных систем, структуры зон горения, константы процессов и положения, сформулированные в предыдущем пункте.

Практическая ценность.

- Результаты исследования топкой структуры зон горения дисперсных систем могут быть использованы при разработке якергог.па-ских установок на порошкообразном горючем, а преддаеяные методли

экспериментов представляются полезными для дистащжшой, бесконтактной диагностики излучающих и гогдощмеди шогофазных систем..

- Полученные данные по излучателышм характеристикам К-фазы являйся исходной информацией для анализа и расчетов радиационных нагрузок стенок различных энергетических установок и при разработке источников излучения с заданными спектральными характеристиками.

- Построенная физическая модель и полученные экспериментальные данные о механизме конденсация продуктов сгорания для широкого класса .металлов представляют собой научную базу в проблеме борьбы с двухфазными потерями и для целенаправленной организации технологического процесса газодисп&рсного синтеза нанооксвдов в волне горения. Высказанные в работе предложения. по способу влияния на дисперсность продуктов сгорания газовзвесей частиц металлов реализованы в лабораторных условиях.

- Развитые представления расширяют понимание физической сущности процессов горения и нашли применение при чтении курсов по физике горения, химической физике и физическим-основам пожаровзры-вобезопесности. • .

Исследования автора, отраженные в диссертации, выполнялись в период 1980-1992гг. на кафедре общей и хдаической физики Одесского государственного университета в рамках комплексной теш "Испарение и горение дисперсных систем" (Постановление АН УССР N604 от : £5.12.80, номер государственной регистрации 760008739> и ряда хоздоговорных тем, выполняемых по решению директивных органов. Апробация работы. Результаты докладывались но: Научном семинара "Низкотемпературная плазма с КДФ' - Одесса ,1981; vi - vin Семинарах по электрофизике горения - Караганда,1933-1985; xiv Всесоюзной конференция -Актуальные вопросы 'физики. аэродисперсных систем"

- Одесса,1986; Международной школе-семинаре "Тепло- и массооо'кзн в химически реагирующих системах" - Минск ,1969, ш Всесоюзной ¡ико-ле-с&кшаре по микрокинетике, химической и магнитной гидродинамике

- Красноярск ,1990; ххш Симпозиуме по горению -. Францгя,1930; Международной школе-семянвре "Реофизика и тешМдзика нервновес-шх систем" - Минск,IS9I; х Симпозиуме по горешт иЪрыьу - Черноголовка, 1992; xvi Конференции стран СНГ по вопросам испарения, горения и газовой динамики дисперсных систем - Одесса,1993; Между-прродаой конференции по горения Москва раакт-Пете^ур?, 1993.

Диссертация в целом обсуждалась- на совместном семинаре кафодр

общей и химической физики, теоретической физики и теплофизики ОГУ, на семинарах ГОШ России в 1991 и 1992гг.

Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, пяти глав, выводов и приложения. Содержит 3S0 страниц, включая 93 рисунка, 25 таблиц и список литературы из 232 наименований.

'КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении к диссертации обсуждается актуальность проводимых исследований и дается кроткое изложение паботы.

Первая глава диссертации посвящена разработке спектральных метода исследования горящих дис.рперсных систем, не трвбущих исходной информации о структуре объекта. Как известно, подобные методики -обладают рядом достоинств в силу своей бесконтактное/га, малой .инерционности и. высокой информативности. Однако, они требуют соответствующей спектральной аппаратура, позволяющей одновременно регистрировать излучение в широком спектральном интервале с высоким, пространственном, временным и спектральным разрешением. Аппаратура, удовлетворяющая всем зтим требованиям, в настоящее время отсутствует. В связи с этим, был разработан комплекс спектральных приборов, регистрирующих излучение из одних и тех же пространственных областей и предназначенных для диагностики объекта по различным его компонентам ( газ, К-фзза ). Так например,"да исследования К-фазн изготовлен прибор на базе интерференционных клзиьев, позволяющий регистрировать до 100 спектров в секунду.в диапазоне длин .волн 0.4 + 1.2 мкм с высоким пространственным разрешением -50 мкм, но о относительно низким спектральным - 5Ó+IC0, что допустимо, поскольку спектр излучения к-фазы является непрерывным. Для диагностики объекта по- линейчвтым и полосатым спектрам изготовлен прибор, сканирующий заданную спектральную область ( ДА, ~ 20 as. } с высоким спектральным разрешением ( 1*2 МО4 в дипазоне X = 0.25 + 4-0.8 мкм с регистрацией до 100 спектров в секунду. В инфракрасном диапазоне длин волн ( \ = 0.8*8 мкм } объект исследовался скапи-рущим прибором, допускашщм регистрации до 20 спектров в секунду, со спектральным разрешением -100 и пространственным -Л00 мкм. Для изучения переходных процессов изготовлен прибор, регистрирующий спектральный интервал \ = 0.4*1.2 мкм в течение 10 мкс. йэтеграль-ме световые потоки фиксировались в диапазоне X - 2+20 мкм с постоянной времени менее 10-2с.

Как известно, горящая дисперсная система является щоготемпе-ратурной и имеет сложную пространственную структуру, для которой радиация играет весьма сушэственнуа роль.. Традащоюше' методики измерения температуры К-фазы (оптическая пирометрия) и газа .(по интенсивности молекулярных полос) малопригодны, поскольку в первом случве требуется информация о спектральных коэффициентах черноты, зачастую отсутствуадая в литературе, а во втором- из-зв сильного переналожения молекулярных полос при высоких температурах. В связи с этям,' диагностика по сплошному сдаетру проводилась на основе, так называемого,. полицветового метода, позволяющего, с одной стороны, обойти указанную трудность, а с другой - определить спект-. ральную светимость, коэффициенты чернота, а также величину истинг ной температуря К-фазы в различных пространственных областях. Сказанное шшострирует рисунок I, на котором представлен график зависимости 1п{г^хв) от А.-' для ""орящего конгломервта частиц мвгния. Наличие излома'свидетельствует о двузстачпературности объекта :т,= » 2350 к и тг=1750 к соответствуй температурам зоны конденсации и поверхности" конгломерата. По измеренным спектральной светимости г^ и температурам легко определить спектральные коэффициента черноты и выделить вклад г. излучение соответствушщ зон горящей системы

6 :

т^тои

Т^ 2550 К £.-0,06

щ о,в 1,2.

РисЛ. К определению характвстик различных пространственных областей горящего конгломерата часта1 м*.

0р 0,8 1,0 $ 20

Рис. 2. Светимость Зрящего' конгломерата м5: 1-суммарная, -2--зоны горэдая, 3- поверхности 'конгломерата. :

. '■. . Методики измерения температуры по молекулярным полосам базируются на особенностях их вращательной'структуры.'Так например, для полос оказалось, что нулевые промежутки полос секвенции ¿^=0 перехода е^'-л-'Е* совпадают с кантами соседних голос. Это позволяет без особого труда выделить вклад в излучение р~ и к-вет-вей различных полос и затем та трафика зависимости логарифма интенсивности от энергии колебательного уровня определить температуру. Для полос аю сказаанное не имеет места, однако для них достаточно четко выделяются кйнтн, интенсивность которых легко найти "путём суммирования шггенсивностей электтюнно-колебательно-враща-тельных линий в пределах аппаратной функции спектрального прибора с учетом ее вида. Интенсивность кантов полос является функцией температур» газа, что и позволяет найти бе величину с погрешностью

Концентрации атомов * молекул определялись, соответственно, го готенсивностям линий и секвенций полос в предположении больцча-новского распределения в системе электронно-колебательио-враща-тельных уровней. Абсолютные интенсивности излучения измерялись с помощью эталонных источников ( модель абсолютно черного тела и б8нд-Л8Ша СЙ-10-300 ). Величина протяженности источника которая -необходима для определения его интенсивности, определялась : из радиальных распределений световых потоков с использованием преобразования Абеля, либо йо контуру резонансной С8мообращезной линии, атомов. Для магния эта линия представлена на рисунке 3. Сплошная кривая представляет собой результат расчета на основе совместного, решения уравнения переноса излучения и уравнения- балансе для функции распределения частиц по электронным состояниям. Анализ результатов расчета показал широкие возможности использования ре-зопансных линий для диагностики горящих дисперсных систем. £эйет~ витал? чо, но спектральной интенсивности линии в максимуме мино определить'максимальную температуру газа в зоне реакции, согласно соотношению:

где n - суммарная концентрация атомов и молекул, х,0 -.скорость дезактивации электронного состояния при столкновениях, а„ --вероятность спонтанного перехода. Прячем эти-измерения можно провести с пространственном разрешением ~Ю мкм п погрешностью, на выше 0.5я.

3

Рис. 3. Контур самообращенной Рис. 4. Ширина зоны химической резонансной'линии м?гния. Кри- реакции I и ее температура да вая-расчет, ' точ.л- эксперимент.', горящих частйц магния при раз-

• _' . личных внешних давлениях.

По полуширине резонансной линии, путем- численного интегрирования указанных выше уравнений, легко найти концентрации атомов, полагая ее параметром задачи. В первом приближении, считая источник излучения однородным, можно определить, с погрешностью концентрацию атомов, согласно соотношений, имеющему, например, для горящих чг?-тац магния следувдий вид: . . •

где Мь - соответственно, полуширины резонансной линия и лорепцевского контура ( измеряются-в нанометрах ), ширина зоны реакзщи ( измеряется в метрах ).

Величина I, с погрешностью определялась но пол'Ешрииа самообращегтой чэсти _линии. Сна. оказалась весьма близка* пространственному масштабу, в пределах которого температура уменьшается на один характерный интервал и соответствует шшнеишог.тз в минимуме резонансной линии. На рисунке 4 представлен график • записи-

мости с от внешнего давления дня частиц ме диаметром -3-I0"3«. Как видно,:£ сильно зависит от р и'при низких давлениях сравнивается с радиусом зонн горения. Зависимость температуры в зоне реакции (см. рис. 4.) с точность», не хуже IX, аппроксимируется формулой:

v. Рассмотренный подход-и анализ обобщенного метода, определения температуры по обращению спектральной линии позволили предложить критерий для оценок концентрации атомов щелочного металла, гарантирующей заданную погрешность измерения в зависимости от класса спектральной аппаратуры. ;

Предложены методики определения температуры газа и концентрации молекул и критерий их применимости по дублету Бьерума в инфра-' красном диапазоне дшга воля. Эти методики могут быть полезны при исследовании процессов горения углеводородных горючих и низкотемпературных областей факелов газовзвесей частиц металлов.

Во второй главе диссертации представлены результаты исследования тонкой структуры зоны горения частиц металлов, конгломератов и газовзвесей частиц. Эта информация легла в основу исследований электрофизических процессов и их влияния на тепломассообмен в горящих системах, а также на зарождение и рост К-фазы. Кроме того, на этой информации базируются исследования механизма переноса из. лучения и шучательшх характеристик дисперсных частиц при высоких темпратурах и изучение кинетики реагирования.

• Методом "спектрального среза" и на базе методик экспериментов,описанных в первой тлвве, исследована тонкая структра зоны горения -одиночных частиц магния в диапазоне давлений,(0.05*1)-icna. Установлено» что зонн химической реакции и конденсации для не слишком крутщых честяц ( d < З-ГО-зм ) пространственно разнесены. Радиус зовы химической реакции при p=WUs составляет 2.7г0 ( г0~ - радиус- исходной частицы ), а зоны конденсации - Т.7г0. Причем с уменьшением р эти величины увеличиваются, согласно закону р-1'3, наряду с х>стом ¡вирянн зоны реакции (см. рис.4), тек что при р= -5000 Па величина I сравнивается с радиусом зонн реакция. Это свидетельствует о том, что приближение бесконечно тонкой зоны реакции справедливо лйеь при р >10*110, а также о необходимости учета конечности скорости химической реакция в теоретических моделях.

Проведенные измерения величин температуры, концентрации ис-; ходах и конечных продуктов реакция, а таклэ пространственных характеристик son химической реакция и конденсация горящего объекта

ТХ) - . - . .

в широком диапазона внешних давлений -позволили определить константу скорости химической реакции м5 с ог: предэкспоненциальный множитель к„ = (I + 0.6}-10е м3/моль-с,' энергия активации-е .= 40000 /±' ± 5000 кал/моль. Причем реагирование магния с'кислородом происходит, благодаря двум основным параллельным реакциям

Мя + Ог МйО + 0 мб + о + x м^о + x.

Первая из 'реакций является эндотермической, вторая - экзотермической. Рассмотренная кинетика реагирования магния и кислорода в пределах - погрешностей экспериментов. описывает зависимость ширины зоны реакции от внешнего давления.

На основе измерения йзлучатвльных- характеристик, температур зоны конденсации и поверхности ката/, металла при различных, давлениях показано, что слабая зависимост* тешературы в зоне реакции (см.рис.4) обуславливается конкуренцией 'двух факторов. С одной стороны, с понижении давления'уменьшается доля сконденсировавшихся продуктов и, соотш'ил'што, тепловыделения. С другой стороны, уменьшаются и радиационные тепле потери, достигающие-30* при р = = юРПа и стремящиеся к.нулю при р < 5000 Па.

' Корректный учет радиационных потоков позволил описать динамику изменения тедаературы.в зоне реакции-на основе простой стационарной модели Клячко Л. А.

Далее, во второй глвве описаны. результаты исследования тон- . кой структуры фронта двухфазного дисперсного факела -частиц, реагирующих в газофазном режиме. Этот случай' представляется наиболее сложным как в теоретическом, так и в экспериментальном отношениях,' что и предопределяет существование альтернативных точек зрения на механизм факельного горения. Эксперименты проводились, главным образом, с газовзвесыз частиц А1, являщегося типичным представителем металлов, реагирующих в газофазном режиме. В таблице I представлены результаты измерения основных параметров фронте.факела, полученные как по описанным выше,так и по специально разработанным именно для таких систем методикам, Например, скорость движения газе во Фронте измерялась по характерным выбросам не осциллограммах световых потоков, вызванных флуктуацкяш плотности К-частвд, длительность которых определяется временем юс пребывания в счетном объеме ( V ~ Б-ГО-1гм3 ). Концентрация субмикронншс частиц А1гоа, как можно показать, связана со спектральным коэффициентом черноты фронте факела его эффективной шириной среднемассовым

размером частиц <г3> соотношением :

' Г7 ___X___.__

1 к ~ г<1<, ?>1 , •

где о - коэффициент пропорциональности меаду факторами эффективности поглощения (оа) и радиусом К-частицы (г), 'Дисперсный анализ продуктов сгорания проводился с помощь», электронного микроскопе. Концентрация атомов и молекул измерялась с учетом реабсс.рбции. излучения.

... Табл.1

объемный расход.газа, м/с3 г- то-4

концентрация частиц ai ло холодной смеси, м-3 <4.5 ± 0.5>-10"

высота факела, м , - 0.12

диаметр факела у среза горелки, 0.028

скорость течения газа во фронте^ факела, м/с. 0.6 ± C.I

ширина фронта м cl.2t 0.2>-I0~3

концентрация горючего, кг/м3 0.4

концентрация частиц ai, «А1, м-3 (2 ± I>-I01Z

температура поверхности частац ai, тд1, к 2850 t 70

'температура частиц ai8o,t тк, к 3150 ± £0

температура зоны реакции, тр, к 3300 ± 150

радиус зоны реакций, гр, мкм 4 + В

концентрация частиц Aiao3lNk,M-3 <2 ± l>.-1017

концентрация молекул а10, иа10, м- <1 ♦ 2>-I021

равновесия концентрация молекул а10, , м"э ---------------- -.....-......,ио'Р 3-I021

й результате экспериментов было установлено, что частицы Л1 горят газофазно и индивидуально, в том смысла, что зоны их химиче->пк реакций не перекрываются. Радиус последней составляет 2-3 ра-¡Глуса частиц металла и более, чем на порядок величины меньше сред--

него расстояния между ними. В зоне реакции температура^аза превы-

• шает температуру кипения оксида л12о3. Поскольку последний в газообразном состоянии в условиях настояащ акспер'^меатов не обнаружен, то в зоне реакции могут образовываться лишь нвдооки&щ метал-

• лв, которые доокисляются кислородом в результате химической конденсации. Экспериментально обнаружено, что конденсация. продуктов реакции происходит по всему присоединенному объему без формирования локальных зон.конденсации, в отличие от горящих одиночных частиц, Это обусловлено, как показали эксперименты, электростатическим отталкиванием положительно заряженных К-частиц.

Кз таблицы I видно, что концентрация молекул аю близка к равновесной и не может обеспечить, как показал расчеты, необходимую скорость роста К-частщ. Это свидетельствует о том, что окись алюминия (аю) не играет заметной роли при коцденсации продуктов сгорания. Сценки, проведение не базе результатов экспериментов и термодинамических расчетов, подтвердили высказанное ..в литературе .предположение, • что конденсация продуктов сгорания протекает по

схеме: ' ' '

а!2о + ог — А1гоэ ( к-фаза )

Аналогичная пространственная структура фронта факела имеет место и для других металлов, горясщ в газофазном режиме.

Третья глава посвящена изучению излучательных характеристик продуктов сгорвния частиц металлов при высоких температурах. Необходимость таких исследований, с одной стороны, предопределяется проблемой роли радиации при горек/и, требующей информации о факторах эффективности поглощеря ол и рассеяния при температурах т~ - 2000 + 3000 К. С другой стороны, подобные исследования дают возможность выявить.особенности оптических характеристик субмикронных частиц; важные пиротехники, позволяют разработать новые подходы для диагностики высокотемпературных двухфазных систем и получить новуй информацию, явяящуюся базовой при исследовании процессов конденсации. Первое, что позволили обнаружить настоящие исследования, - это размерный эффект { теоретически предсказанный Мэк-Грегором), присущий для всех субмякронных частиц, вне за шеи,гости от их агрегатного состояния, и заключающийся в том, ври длинах волн, меньших характерного размера, наблюдается резкое увеличение величины <}а и, соответственно, спектральных коаЭДщкентов черноты г^пягдей дисперсной системы : . '.

Я • т

• • где ь - g-;• - дая частиц кубической и сферической формы, соответственно, d - размер частицы.

Это выражение позволяет, в частности, проводить экспресс-диагностику дисперсности частиц непосредственно в зоне реакции по характеру спектра излучения. Из графика зависимости от X2 ( см.

рис.5 ) легко определяется эффективный размер d^-Ad3 >/<</> .близкий к среднекубическому. Сказанное иллюстрирует таблица 2, где представлены результаты дисперсного анализа и спектральных исследований фронта факела частиц ai, м£ и ялвюмаиотевого сплава НАМ (продукт с:

008

ООЬ

0.2 0,4 .Л*мкм2

Рис.5. Иллюстрация размерного эффекта. Спектральные коэффициенты черноты Фронта ад факела частиц : 1-ПАМ; 2-аг.

Табл.2

Продукты L "" мкм

<d> /<аг> /га*? / <d>~ <ic$)

а1гоэ 0.09 0.1 0.11 0.12 0.I±0.02

изо 0.11 0.127 Q.I43 0.16 0.18i0.03

шпинель 0.23 С.265 | 0.34 0.4?, 0.28±0.04

знания ¿Л - гошм Ь).

\

\ \

*2

14 '■•■.•••

В то же время, характер спектра излучения конденсированных частиц зависит от их агрегатного состояния в пламени. Проведены исследования излучателъшк характеристик оксидов при' тешературах горения, находящихся в твердом ( м5о, 2г>о ) и адком ( дио-,,гго2, в2о3 ) состояний. Эти результаты, в частности, позволили выявить долю радиационных потерь 7 в общем тепловом балансе. Она составляет, в зависимости от от рода горячего (см. Табл.3), от нескольких.процентов ( 2г.) до десятков процентов ( ре ).

'"'■''.... Табл.3. \ "

горючее <т>,К <е> Ри.кВт . т

2г 2880 0.004 0.12 0.06

А1 3150 0.01 0.4 0.13

м5 2500 0.03 0.5 0.2

Ре 1850 . 0.25 1.2 .0.5

Разработанные методики измерения факторов эффективности поглощения ( ) к рассеяния ( ое ) позволили установить, что <за чвстщ мео при температурах горения имеют величины в несколько раз выше, чем рассчитанные по теории Ми, в то время как факторы зффек-тивности рассеяния находятся в удовлетворительном согласил с теорией'Ми. *Это связано с дефектами кристаллической рвшетки по Шот-тки, концентрация которых велика при тешературах горения. Определенная г^бинэ уровней .в'запрещенной зоне ( Ее =- (Э.ЗаО;4)эВ ) находится в согласий с дaFяымй ^следования спектров лшшсценции, имеющимися в литературе. Получелше результаты позволили рассчитать вгдаую толмну фронта 'волны горения газовзвеси частиц ме. Результаты вычислений находятся в удовлетворительном согласии с данными экспериментов. Для частиц* ( капель ) л1го3 наблюдается согласие между результатами расчетов и измерений как для <)&, так и. дм о0. В то же время, <эа для мео и А12о9 отличаются на два порядка. Действительно,.'удобный для рэсчетов коэффициент пропорциональности мезду Актором эффективности поглощения и радиусом частицы для м5о и А1-о» при А,>0.о мкм ( -^дэ размерный эффзкт не су-цественен } равен, соответстьенво,. КУсм^'и 800сг«.

• Исследован спектр излучения дчйузиоиного факела да парах 2п, Установлено, .что излучение "мяется существенно не серым. Величина е^ изменяется, в зависимости от дайны волны, более, чем на .порядок,

достигая максимума (е.=0.3) при К =0.55 мкм. Это связано с влиянием на излучательше' характеристики 2г»о при температуре горения ( т~ -2000 к) мекзовных переходов. На основе спектральных исследований при этой томпоратуре определена ширине запрещенной зоны 2по ( бс = 1.7 эВ ). Эта величина находятся в удовлетворительном согласии с литературными дшшга, получении?® при низких температурах (если учесть коэффициент аг^т}. Результаты экспериментов хорошо описываются в рзжсах одпоосцЕяляторной модели Лорепца и позволяют, в частности, объяснить хорошо известный Факт, здюэтвщкЯся в тон, что при прокаливании порошок хпо меняет белый цвет на желтый, минуя красный, и наоборот. Показано, что спектральное распределение иаяучения факела гп, с учетом функция видности, подобно солнечно-' му. Это-может оказаться полезным при создании источников света.

3* отличие от гло, у вг<«3 ширина запрещенной зоны достаточно велика, так что в.оптическом диапазоне окись бора является прозрачной для излучения. Тем не менее, автора?® некоторых работ, в частности,' Клнтом, это не.принималось во внимание,'и при наблюдения воспламенения бора скачкообразное изменение яркости частицы связывалось с шюреяшГгогенки вго3 и, соответственно, с. резким изменением коэффициентов черноты. В связи с эта?, была разработана мето-дака'игмерения коаффщшгтов пропускания пленок при высоких темпв-. ратурах.' Оказалось, что в диапазоне' температур т=130СМ800 к вели. чпна кбэффщиента поглощения вго3 равна: к = 2.2±0.*2 см-1. Таким образом, окись борз, действительно, прозрачна для излучения, а изменение язлучательных •характеристик с температурой связано, как показали 'экшермйты; с двумя фактора:®: со степенью развитости поверхности/источника' и температурной зависимостью электропроводности.; ■'■'■,

В' четвертой главе рассмотрены особенности электрофизических процессов при горении металлов. Высокие.температуры, в зоне горения приводят к ионнзащи атомов и молекул, имеющих ке слишком высокий потенциал ионизация, э также к тер®электронной эмиссии с поверх. гости частиц. В целом система сохраняет квазянейтральность и ш-ш рассматриваться как плазма с конденсированной дисперсной Фазой. Сбрззущиеся при горении заряженные частицы обладают существенно различными подвляшстямя, что мояат приводить к возникяовв-иго электрических. полей. Эти поля ишщияруюг доголнятельнна канала тепломассообмена, ьляятдие, в свою очередь, на процессы горения. -Кроме того, заряженные частицы является "хорошими" центра'«

конденсации, определяющими зароздение и рост новой фазы. Все вше-сказанное и определяет целя исследований,описанных в данной главе.

Д;:я исследования электрофизических характеристик горящих систем был разработан импульсный метод, заключающийся в том, что объект помечался между пластинами плоского конденсатора, на которые подавались импульсы напряжения , прямоугольной формы. По характеру япюров тока определялись величина и знак заряде К-час-тиц, скорость их генерации и подвижность. Проведенные исследования позволила установить следующее: основным механизмом образования положительно- зараженных частиц является термоэлектронная эмиссия с поверхности субмикронных продуктов сгорания. Зарядовые числа 2, найденные экспериментально, хорошо описываются в рамках модели Ар-шинова и Мусина. Например, для горящих частиц магния результаты представлены в таблице 4.

Таблица 4.

р.10-*,П8 # 0.1 0.5 1.0 Погрешности экспер. %

гэксп. 70 • 1оо ' 35 30 . 50

грасчет 100 70 38 28 - —

-»5 -3-1 ГЭ'Ю ,м с 3 70 5-10* 2-104 50-

- »В -Э - 1 Гр-10 ,м с 2 • 60 4.10Э *1.5'104. —

- 15 -3 нк«10 ,м 2 Ь 250 500 60 .

| 2430 2490 2580 2830 0.5

Величина заряда К-частиц в большей мэре зависит от их кощеятра-ции, чем от их' температуры. С понижением концентрации часгща должны эмиттирпвйть бо^ле электронов, так чтобы обесп&чйгь равенство потока вшссж потоку электронов к поверхности частица. Характер двж^ш оеряэ.йнннх частиц зависят от а<лряшшости электрического логч. В случае малых напряжшоетей. (е), движение. является дрейфовым' ( подмшюсть К-частиц 10*5 мЛ (3-е)), при е > 10й В^м частицу дащуте.я, практически, полностью увлекая за собой газ, заполня-щй м?х"чпст>лгнсс. пространство, в этом случае ч&стицн можно " счи-

... 17

тать "вмороженными" в газ. 'Существенно различные гюдмлмости электронов и К-частиц приводят к формированию в окрестности горящей каши электрических полей, обеспечивающих режим амбшюляряой диффузии. С помощью электростатических зондов проведены исследования пространственного распределения потенциала, э при пониженных давлениях -и концентацш электронов. Результаты экспериментов хорошо описываются решением уравнения баланса заряженных частиц, которое в безразмерном виде представляется следущим образом:

Г. К " Г0)

где в=-^-гт— ; 3)0 - коэффициент амбиполярной даф^зии;

нео - концентрация электронов в зоне конденсации, гк и /0 - радиусы зоны конденсации и частицы, соответственно; * ~ г у ( <-к-г0 ); Г0 - скорость генерации электронов в зоне конденсации (Гв = 2-Ги);

у(х) = Ме(х)/Нео.

Найденное решение у(х) позволяю рассчитать напряженность электрического поля..

, Е(Х) - - 2115*1*11

'(Гк

<1х

0,8 0,6 Д4

02

У, в

й? а 0-Ю5Па

Хя а- 101,/'1а

е X V —расгс!

рис.6).

02 О/г 0,6 0,8 х Рис.6. Радиальное распределение электрического потенциала в окрестности горящей частицы магния в приеденных координатах

Как видно, результаты расчетов и экспериментов находятся в удовлетворительном согласии. Решение описанной'задачи позволяло рассчитать скорость генерации электронов и К-частиц' (см. таблицу 4 ). Результаты расчетов хорошо согласуются с данными измерения импульсным методом.

Электрические и температурные поля, обеспечивают транспорт конденсированных продуктов сгорания к поверхности горячей-капли, формирующих окисный остаток. Причем дрейф'в электрическом поле является ведущим вблизи зоны реакции. По мере'приближения.к поверхности капли металла возрастает вклад термофорезэ в перенос К-час-тщ и вблизи ее становится сопоставимом с .электропереносом.

Присутствие в горящей системе • заряженных частиц-с сильно отличающимися массами приводит к цежжновэго-го- собственных электрических колебаний с характерными ^.с-тотами: плазменных колебаний электронного компонента { у~Ю3Гц ) и их аналога-.колебаний К-час-тлц в окрестности заряженных капель■ металла • ( ^-З-Ю4 Тц ,). При наличии внешних электрических полей (постоянных и переменных ) возникают колебания-униполярного заряда'в трубке тока (газ с "вмо-.роженнымг.в него частицами) на частота? порядка нескольких килогерц. Трубка тока форгяфуется 'меад поверхностью зоны, горения и внешним электродом. Переменные электрические поляввиду.электрической неустойчивости этой трубки, вызывает. акустические колебания. Спектральный состав'последних, как показали эксперименты/ неудобен спектру 'электрических колоний, в постоянна",! поле; привода-: цих к осцилляциям электрического'тока нэ фоне постоянной--составляющей. Наличие у горящей дисперсной снс'темы. характерных частот позволяет воздействовать на дисперсность продуктов сгорания внешними переменными электрический полями,: шшнящиж время пребывания К-частщ в зоне, реакции. Так например, средние размеры частиц Мао, образующихся при горении в отсутствии полей и при их наличии (1М0 кГц),, равны, соответственно, О.Пмкм и 0.055мкм. .

Пятая глава юевщена исследованию процессов конденсации продуктов сгорания металлов,реагирующих в паро- и газофазном режимах, с учатом особой роли электрофизических явлений. До последнего времени вопросы, связанные с образованием конденсированной фазы при горешш. ее составом и свойстве®), рассматривались, в основном, в плане'решения проблем двухфазных и ргдагщоншн. потерь в камерах сгорания. В последние годы актуальным, стал новый технологический аспект горения металлов: получение продуктов сгорания с задания

дисперсным. составом.. В этой связи, представляет особый интерес разработанный ь Ш-2 ОГУ метод прямогз получения нанопорошков оксидов металлов--как продуктов сгорания газовзвесей металлических частиц в'ламинарном дисперсном факеле,-названный газодисперсгам синтезом ( ГДС,).'.Эд'от метод сулит значительные экономические и экологические выгода и позволяет получать в непрерывном режиме высококачественные оксида любых металлов, для которых возможно соз- . дать стабилизированный ламинарный факел. Несмотря на очевидные перспективы ГДС, следует отметить то, что дисперсность продуктов слабо'чувствительна ко внешним условиям и роду металла. Более того, характерные размеры сксидов металлов вообще слабо зависят от условий сжигания ( одиночные частицы, конгломераты, газовзвеси в трубах, облаках, горелках ). Выяснение 0617® закономерностей процессов зарождения и роста К-фазы при горении и является предметом настоящей главы. ...

Проведены исследования дисперсности продуктов сгорания частиц .•Ах,2г,11,Р0,ме в ламинарном диффузионном дисперсном (ЛДД) и предварительно перемешанном (ПП). факелах при различных концентрациях горючего и окислителя. Обнаружена весьма слабая чувствительность Дисперсности продуктов, полученных при газофазном режимах реагирования частиц, ко внешним параметрам и роду металла. Не принимая специальных мер.уменышть характерные размеры К-чзстщ можно путем увеличения концентрации горючего и температуры во фронте факела. При максимально возможном в условиях настоящих экспериментов изме-' нении коэдэнтряции горючего от 0.2 до п.б кг/мэ и доли кислорода от 20 до,ЮС% моменты функция распределения частиц по размерам меняются в сторону уменмерчя .шь вдвое. Эта особенность представляется весьма полезной при получении оксидов металлов методом ГДС, поскольку гарантирует устойчивость технологического процесса.

Установлено, что или газофазном горении металлов I .могеннэя конденсация маловероятна. Действительно, в соответствии с теорией гомогенной конденсации, скорость зародышеобразования определяется известны!! соотношением:

где а - коэффициент конденсации; Б - площадь, занимаемая од-той молекулой на поверхности кристалла; с-коэффициент поверхностного натяжения; оп-шюдздъ поверхности зародыша. Данные, представ-

ленные в таблице 4, позволим определить величину

0<?„ - С2.2 ± 0Д>-10-,г Дж ; и затем - степень пересыщения паров мео, обеспечивающую для известного значения о » I Дж/мг окспериментально наблюдаемые величины Г. Оказалось, что степень пересыщения должна быть в то время как эксперимент дает величину -1.5. Таким образом, в горящей дисперсной системе протекает гетерогенная конденсация, причем центрами зарождения новой фазы, как показал анализ ионного состава, являются молекулярные ионы кислорода о;.

Обнаружена весьма важная рль электрофизических процессов при конденсации продуктов сгорания,,проявляющаяся, в частности, в том, что среднее расстояние между К-частщами близко к дебаевскому радиусу экранирования г„ по электронику компоненту. На этом основана полуфеноменологичес-кая модель, позволяющая рассчитать концентрацию К-частиц (кк), их заряд (г) и характерный размер (••) из системы трансцедентных уравнений: :

<z> - г ^ + I , где к - 2-

е .

2$mskT

ехр

( К*)*

nk<r3> - tes— v • 41Cpoli er

где w - работа выхода; <<Ra>>4'3 - среднекубический размер частиц горючего; си - массосая концентрация горючего: во. фронте факела; vct- стехиометрический коэффициент. Результаты расчетов к эксперимент:® находятся в хорокем качественном и количественном согласии. Рисунок 7 иллюстрирует зависимомть среднекубического размера частиц aizo3 от параметров Щ факела. В 1!8блице 5 представлены результаты расчетов и измерений параметров К-чбстиц да факелов частиц металлов zr,n,re. Как видно, имеет место удовлетворительное согласие результатов. В -то же время, прэдлоззннзя модель не отвечает аа вопрос о причинах высокой стабильности дисперсности проектов сгорания ко внешним условиям. Как показал анализ результатов измерений параметров горян'дх частиц тталтов и ш гззовзвесой, устойчивость дисперсности продуктов сгорания связана с тем, что при концентрации wi: <-Л0,7Л013 ьг3. ( в зависимости от металла ) начинают эффективно "гибнуть" ыолекуляргше кон-; о; и отрицательно заряженные часшщ с радиусом, меньшим некоторого критической' ( Ihm ). Кх отрщатолмкй заряд обусловлен зависимостью

работы выхода электронов от размера частиц.

для различных концентраций горячего и температуры К-фазн

Табл.&

_______г

У<г3>,мкм экспер. т°,к У.дВ м-3 расчет

ггОа 0.025 2900±50 3.9 1.5 ^ 9 0.017

т*оЕ 0.026 3050170 3.87 0.28 0.02

>в3о3 0.022 1850±50 2.7 1.4 5 0.022

'ото и приводят к стабилизации величины Nk и, соответственно, дкс-персности продуктов сгорания. Как показано в работе, рост конценг трации K-частиц происходит в соответствии с уравнением: '

сшк .. n_0 + zn.. . „ . _ к -«f-r-p^ ехр<- cN*) ,

ВД 7 - г-й- . кг~ константа "гибели" ионов 05 при столкнове-Кг%

нии с молекулами ог, n^ - фоновая электронная концентрация. Оценки показали, что у * 2-IO'0 м-3. Константа а, определяйся эффективность "гибели" отрицательных к-частиц. ~2'10-'7 ¡г3. Величина к зависит от концентрации молекул недоокиела, окислителя и дарения, среда. Для типичных значений указанных параметре® к = 2-103 с*9. Представленное выве уравнение'отражает два основных процесса, при-юдящих к стабилизации концентрации К - частиц : "гибель" 05 при взаимодействии с положительно заряженными оксидными частицами и коагуляцию разноименно заряженных R-частиц. Как показывает анализ правой части уравнения, зависимость от времени Nk содержит тря характерных этапе: перхзый (t.< 0.05 тго_ ) - линефшй рост, обусловленный фоновой концентрацией алектроав < » zn* ), второй (t< < О.Э а™) - экспоненциальный рост, связянный с резким увеличением концентрации электронов за счет терыоэлектронной эмиссии при

Табл.б

Состав горючего <г">1",№<М експ. к ' г0,мкм» расчеу Е», 8В

ai 0.-С5 20 0.076 о; , 0.44

a1+s 0.029 . 12 0.029 S" , 2.077 so", 1.09 so;, 1.06

а1+0 0.023 II 0.024 с" ,1.27

достаточно высоких значениях ( > N„/2 )5 третий -медленный рст ( слабое линейного ) на фойе интенсивной коагуляции К-частщ. Это и приводит к установлении слабо зависящетч) от внешних-условий значения концентрации "-частиц, 'а, следовательно, и их дисперсности. На основании ^.следования решения уравнения било показано, что добавление в горя'дую систему атомов и молекул, имеющих

большую энергию сродства к электрону, чем ог, позволяет уменьшить среднекубический размер К-частйц в несколько раз'. В этом смысле . являются перспективными добавки углерода и серы. Результаты проведенных экспериментов подтвердили справедливость сделанных выводов (см. табл. 6). Причем характерный размер K-частиц (»■«) описывается выражением: •

г„ * 2.5-10~2—— /^пЙГмкм, уё^Г / Р»

где энергия сродства к электрону (еа) и температура (т) измеряются в эВ. Добавление в-систему легко тонизирующихся присадок не двет нужного эффекта, поскольку влияет лишь на фоновую концентрацию электронов имеющую значение лишь дня первого, не очень ■ существенного этапа роста nk. Результаты дисперсного анализа продуктов с-горвния газовзвесей частиц металлов с добавлением легко-ионизирущихся присадок подтвердим сказанное.

Установлено, что ¡три конденсации продуктов сгорания непосредственно в твердую фазу существенную роль играют дефекта кристаллической, решетки. Для Mgo таковыми являются дефекты по ШотТки, скорость образования которых лимитирует рост кристалла. Причем, как только скорость тепловыделения при конденсации' превысит скорость- тешгоотвода, происходит перегрев растущих частиц, и скорость их роста рбзко замедляется. Исходя из этого, была вычислена величина характерного размера частиц м3о:

i- I.7 I0 -/^gexpggj ,И.

где Ар - разность мевду давлением ттяров Mgo в зоне реакции и соответствующим давлением насыщенных паров, ~ 0.2-0.5 ( согласно результатам измерения температуры и концентрации молекул Mgo ), е0 энергия образования дефекта по Шоттки. На снове „анных дисперсного анализа продуктов сгорвния частиц ms было определено значение величины = 6.9 ± 0.4 эВ, которое находится в хорошей корреляции с известны?® величинами е0 для щелочно-гялоидных кристаллов, если считать, что теплоте испарения и энергия образования дефектов пропорциональны друг другу. В этом случае ео=?.0±0.2 эВ. Предложенная модель качественно и количественно описывает зависимость среднекубического размера частиц Mgo от температура в зоне реакции как доя одиночных частиц, так и для газовзвесей в факела и отсутствие таковой от гнеинего давления (при его изменении в диапазоне р= (0.05+1 НСРПа) для одиночных частиц Mg.

■ 24 ■■.'■■ ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ...

На основе экспериментальных и теоретических исследований рода радиационных и электрофизических явлений в процессах формирования пространственной структуры гонящей дисперсной системы и образования новой фазы, по результатам работы можно сформулировать следующие основные выводы, .

1. Разработан комплекс оптико-спектральной аппаратуры, позволяющий. проводить одновременно диагностику горящего объекта по ато- , мерному, молекулярному и сплошному спектрам в диапазоне дайн волн 0,25+6 мкм с высоким спектральным ( до 2-ТО4 ), пространственным

( -50 мкм ) и временным ( до 100 спектров в! секунду ) разрешением, а также импульсный метод доя исощдования. електрофизических .характеристик пламени. ., - .

Разработан ряд методик измереш основных параметров горящих дисперсных систем: .'. " •

а) величины температуры различных компонентов ( газ, К-фаза } в раагачных простраьотъвшшх областях, в том числе и в зоне химической реакции; ■ " / ' , ' ; . -:

б) концентрации'атомов, молекул и К-частиц в зоне горения;

" в) излучвтельннх характеристик объекта, .как целого, ииндиви-дуалъных источников ( К-частиц ) с.размерами менее I мкм ; ;

г) пространственных характеристик зон горения { радиус, ширина ) да одиночных частиц и и газовзвесей ; . '.-' .■

д) величин и знаков зарядов К-частиц, .их подвижности и скорости генерации. " . • . '

2. Предложенные методики позволили исследовать тонкую структуру зоны горения для различных дисперсных систем (. частиц металлов: ме, аь, гг, и, Ре, г» ) и установить следующее:

а) На основе спектральных и зондовых измерений показано, что зоны .химической реакции и конденсации для частиц легко кипящих металлов с размерами, меньшими 3 т, пространственно разнесены!,

б) Вопреки широко используемому в теоретических моделях горэ-шя одиночных частиц приближению о бесконечно тонкой зоне химической реакции, последняя шмеет. конечную ширину £, сильно злшящую'

от внешнего давления. Для частиц как показали измерения, зтз ! зависимость имеет вид % - 3-Ю"^ м, так что прк р<5-10=Па радиус зоны реакции становится сравнимым с ее шириной. Это связано с конечностью скорости химической реакции. Указанный результат, а такса данные взмореная концентрации молекул н температуры газе в

зоне-реакции (погрешность - О.Ъ% ), позволили определить константу скорости реакции пярх^в магния и кислорода: предэкспононциялышй множитель К » ювм3/моль; энергия активации е - 40 1 5 ¡скал/моль. Полученная константа свидетельствует в пользу высказанной в литературе гипотезы о газофазном механизме воспламенения легкокипя-. вдх металлов.

в) Результаты измерения заряда и подвижности К-чйстиц в зоне реакции м«, а также экспериментальное и теоретическое исследование электростатического потенциала в окрестности частицы позволили установить, что собственные электрические поля обеспечивают дополнительные потоки тема и массы к поверхности горящей частицы, и объяснить механизм образования окисных остатков после сгорания частиц металла.

3. Экспериментальные исследования тонкой структуры дисперсного факела ( горючее - газовзвесь•частиц алюминия ) показали следующее:

а) Частицы во взвеси в условиях эксперимента горят, как индивидуальные. Радиус зоны их химической реакции более, чем на порядок величины, меньше среднего расстояния между ними и равен, как показали измерения, 3+4 радиусам горящей частицы.

б) В отличие от одиночных частиц, конденсация продуктов сгорания происходит по всему межчастичному пространству без формирования локальных зон. Среднее расстояние мезду частицами конденсата близко к дебаевскому радиусу экранирования по электрошгому компоненту. То есть, пространственное распределение частиц определяется силами, электростатического отталкивания.

4. Изучены язлуча-тельные характеристики К-чаетиц о&идов при температурах горения. Исследования позволили установить следующее.

а) С использованием предложенных методик экспериментально обнаружен размерный эффект, заключающийся в резком увеличении Факторов эффективности поглощения ( до порядка величины ) в области копотких длин волн. Это, в частности, позволяет проводить исследования дисперсного состава продуктов сгорания непосредственно в зоне реакции по спектральному составу.излучения.

■ .6) Показано, что до ультрадиспершх частиц факторы эффективности поглощения <Ч,,в отличие от факторов эффективности рассеяния о„, являйте« сильшми Фушстщлш температуры. Для частиц, находятся в твердом состоянии, дв таюш сильно зависят от длины' вол-

ны. Излучатедьные характеристики жидких "частиц ( капель а1го3, zгo2, тюг ) не име?ур существенных особенностей. Результаты изме-,-рений находятся в удовлетворительном согласии с данными известных теоретических расчетов при .экстраполяции' их в область высоких температур ( - 3000 к ). в то же время, - дня частиц, имещях кристаллическую решетку, возможные зависимости <за от длины волны и температуры определяются межзонными переходами и дефектами кристалла, концентрация которых при температурах .горения весьма велика. Так, для гпо чрезвычайно сильно, как показали измерения, .сказываются' межзонные перехода, что обуславливает сильное увеличение.<?а ( до 10 раз ) в области длин волн 0.5 + 0.6 мкм. Излучательныв характеристики чвстиц що в существенной , степени определяются дефектами кристаллической решетки и нестехиом^гричностьр.кристаллов. Это определяет рааиичие результатов настсяда экспериментов й известных теоретических расчетов и свидетельствует о необходимости учета, этих факторов при расчетах для высоких температур.

. в) Результаты измерений излучательных характеристик, частиц оксидов, проведенные-впервые в области температур порядка 3000 к, являются базовыми дая' решения задач о радиационном .переносе- в дисперсных системах и могут быть полезными для решения пиротехнических задач. .. . .. . " . :

г) Установлено, что:в зависимости, от рода металла. радяацион-. ше тешюпотери при горении. составляют от нескольких процентов ( газовзвесь ) до десятков процентов ( газовзвесь ке ). Коррек- • тный учет излучения с привлечением-результатов настоящих экспериментов позволил правильно объяснить динамику изменения температуры в зоне горения одиночных частиц и конгломератов, ее зависимость от внешнего давления, а также видимую ширину зоны горения свободных облаков. .

Б. Проведены исследования дисперсности продуктов сгорания частиц А1, 21-, п, Ре, м- в ЛДД и ПП факелах. Установлена весьма малая чувствительность дисперсности продуктов сгорания к условиям сжигания и роду металла. Экспериментально обнаружено, что з основе такой стабильности лежат следующие электрофизические аспемы:

• а) Центрами кояденсащш являются отрицательные молекулярные ионы о'г, к такому выводу приводит анализ результатов измерений скорости генерации частиц мго в .зоне.горения, их заряда, темпера- . туры я концентрации в широком диапазоне дазлений р - ( 0.05 И )*

xio8 Па. Они'же свидетельствуют о том» что гомогеннаг. конденсация в условиях горения маловероятна.

б) Базируясь на результатах экспериментов и оценочных расчетах, удалось показать, что среднее расстояние мевду заряженными частицами оксидов С.гизко к дебаевскому радиусу экранирования по электронному компоненту ( как отмечалось выше ). Это явилось основой, для построения полуфеноменологической модели, позволяющей вычислить средний заряд К-частиц, их характерный размер и концентрацию в зоне горения, 8 также объяснить зависимость дисперсности продуктов сгорания от внешних параметров и выбрать из спектра литературных данных наиболее надежные величины работы выхода для некоторых ОКСИДОВ! ДЛЯ 2гОг - 3.9 э8, для тю, - 3.87 аВ, для Fez03-- 2.7 эВ.

в) Показано, что меаду скоростью генерации частиц и их концентрацией существует глубокая обратная связь. Суть обратной связи заключается в том,что при концентрациях К-частщ Nk - 10,7+10Чам-э ; { в зависимости от рода металла ) начинают эффективно "гибнуть" молекулярные ионы о; и отрицательно заряженные частицы с. радиусом, меньшем некоторого критического ( 0.5 + I нм ). Это приводит к выводу на асимптотический уровень концентрации wk. Первый из указанных процессов обусловлен распадом о'г при взаимодействии с К-час-тицами, второй - коагуляцией разноименно заряженных К-частиц.

г) Построенная физическая модель конденсации по схеме гэз--капля позволила объяснить слабую чувствительность дисперсности продул-гов сгорания к легкоионизирущимся добавкам и- существешое влияние на характерный размер ( до нескольких раз ) присадок, дающих электроотрицательные •"азы с большой энергией сродства к электрону в зоне горения. Это подтверждается результатами проведенных экспериментов и представляется весьма важным для технологии получения нанооксццов методом газодисперсного синтеза и при Лрьбе с двухфазными потерями. ,

6. /оказано, что при конденсации газообразных продуктов сгорания непосредственно в твердую Фазу существенную роль играют дефекты кристаллической решетки. Для м5о таковыми являются дефекты по Шоттки. Скорость их образования амитирует рос? ионных кристаллов. При достеьнии частицей некоторого размера, зависящего от температуры в зоне реакции, происходит ее перегрев. Это связано с > превышением скорости тепловыделения при конденсации нвд скоростью теплообмена с окружающей средой, что приводит к резкому уменьшению

скорости конденсации. Это .и-определяет-, в конечном итоге, характерный размер'K-частиц. По данным-экспериментов, в соответствии с предложенной моделью, впервые определена энергия образования дефектов по Шттки дня окиси к я гния г е « 6.9 t 0.4 зВ. Результаты вычислений качественно и ко* ^ественно объяснили зависимость дисперсности продуктов сгорания магния от внешнего давления и температуры в зоне горения.

■ Таким образом, установлено, что адекватное, описание горения дисперсных систем и конденсации продуктов сгорания возможно даль при учете излучательных и электрофизических процессов.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах

1. Белинский Н;й., Козицкий ',В.,Флорко A.B. Скоростной спектральный прибор для исследования излучательных характеристик дисперсных продуктов сгорания.// Физика 'аэродисперсных систем.-Киев-Одесса : Вища школа. - 1985. - Вып.28. - 88~32с.

2. Балановснм I., Молодецкая И.Э., Флорко A.B. Роль излучения в тепловом баллансе горящих конгломератов магния.// Физика аэродисперсных .систем. - Киев-Одесса : Вища школа.. - I989-. - Вып, 32. - 137-140с. . ' '

. 3.. Исследование горения одиночных частиц магния при пониженных давлениях //А.В.Флорко," О.Козицкий и др.// Физика .'горения и взрыва. - 1986. - т.22, N2. т- 35-40с.'

4. Голубовский Ю.Б., Фгорко A.B. О роли w- и vr- процессов в механизме нагревания газа в положительном столбе разряда в азоте.// Теплофизика высоких температур. - 1980! t.xviii, н4. -870-873C. .

5. Флорко A.B., Головко В.В., Охрименко H.A. ^Структура зоны горения частиц магния.// Физика горения и взрыва. - 1991. т.27, HI. - 37-42C.'

. *6. Спектральные исследования структуры пламени ламинарного диффузного двухфазного факела. /Я.И.Вовчук, А.Н.Золотко, А.В,Флорко и др.// х Симпозиум по горению и взрыву. - 1992. Черноголовка.

7. Спектральные исследования горения. частиц магния./ Флорко. А.'В., Золотко А.Н. к др.// Физика горения и взрыва. - IS82. -т. 18, nl. - I7-22C-.

8. Головко В.В., Козицкий О.В., Флорко A.B. Электрическое поле горящей одиночной частицы магния.// Фкрпка горения и взрыва. -1985. - Т.21, N6. - 27-32C. .

. 9. Белязгский Н.Е., Скотарев.B.i\, Флорко Л,В, Иапучателыше характеристики мопш и лдатеш при тигтературах гг-ренип.// ¡Физика азродасперсннх систем, - Киев- Одрс-cá: Rima гколя. - I98R.- вып. 30. - 97--99C.

10. í-лорко А.З., Головко В.В, Особенности излучения горящих конгломератов аоткмагншш сплавов.// Ф^зякя азродяснерсшх систем. - Киев-Одесса: Вща школа. - 1990. - шт.ЗЗ. - Г>0~54с.

11. Золотко A.R., Флорко A.B. 1'сг..;:вд-'ватг,'с механизма горения частиц металлов спвктр&шиш методами.// Материалы международной вколн-семинара. Тепло- а-мйссосбздн в химически р&пгирумчйх системах. Минск: - ШЭ. - «7-94с.

12. Флорко A.B., Альтман И.С., Полетаев Н.И. О возможности определения дисперсности продуктов сгорания ai и ms по спектрам испускания.// х • симгюаяум по *у>ршто и взрыву. - Чгфноголовка: IS92.

13. Скогарев В.Г., Флорко A.B., Душюво Л.А. Степень черноты субшкронных частиц м?о.// xiv Всесоюзная конференция. Актуальные вопросы физики азрдасперсных систем.: Одесса: Т986. - т.п. - 51с.

14. Флорко A.B., Головко В.Р., Скогарев В.Г. Коэффициенты яф-фэктивности рассеяния и поглощения частиц м§о при температурах горения.// Шизика горения-и взрыва. - Т989. - т.25, n3. - 28-32с.

15. Флорко A.B., Юнг О.П., Киро С.В. Особенности спектрального состава излучения диффузионного факела на парах zn,// ш Всесоюзная школа-семинар по макрокичетике, химической и магнитной газодинамике. - 1990,

16.■ Скогарев В.М., Флорко A.B. Гигдтае температуры на интегральную степень черноты окис.я магния.// Физика горения, и взрыва. - 1987. - Т.22, из. - 92-94с.

17. Исследование спектра газовой ф?зн при лсшмшшш бора. «Коваль Л.А., Вовчук Я.И., Флорко A.B., Клячко Л.А.?// х Симпозиум по горений я взрыву. Черноголовка. - 1992.

18. Коваль Л.А., Флорко А.З., Каро O.A., Горздае бора в переходном реже.// Физика аэродксперсяых систем. - Клев-Одесса: Вища школа. - 1991. - вып.34.- 23-27с.

19. Флорко A.B., Шарф й.В. Опптшю характеристики субми-крошых частиц ai4o3 при температурах горения в видном и инфракрасном дяаиззонох дяш волк.// Тезисы докладов xví конферешши стран СНГ по ¿опросам испарения, горения и газовой динамики дас-персных систем. Одесса: 1993.'- 104с.

20. Золотко А.H., Козицкий C.B., Флорко A.B. Импульсный метод .измерения электрических характеристик заряженных частиц продуктов сгорания.// Тезисы докладов vi семинара по электрофизике горения. - Караганда: 1983. - 76-77е.

21. Золотко А.Н., Козицкий C.B., Флорко A.B. Импульсный метод исследования электрических характеристик плазмы с конденсированной дисперсной фазой.// Физика аэродисперсных систем. - Киев-Одесса: Вища школа. - 1984. - вып.26. - 79-вЗс.

22. Козицкий C.B., Флорко A.B., Золотко А.Н., Головко В.В. О механике переноса конденсированных продуктов сгорания на поверхность горящей частицы магния.// Физика горения й взрыва. - 1983. -Т.19, N6. - 24-29C.

23. Писаренко А.Н., Козицкий ;.в., Флорко A.B. Измерение концентрации электронов в зоне конденсации при горении одиночной частицы магния.// Тезисы докладов научно-практического семинара по электрофизике горения. - 1985. - 48с.

24. Козицкий G В., 'Флорко A.B., Оголюк й.П. Исследование электрофизических характеристик продуктов сгорания алюминия.// Тезисы докладов Научно-- практического семинара по электрофизике. Караганда: 1985. - 47с.

25. Козицкий C.B., Скогарев В.Г,, Флорко A.B. О механизме ионизации в области горящей частицы магния.// Тезисы докладов vii семинара по электрофизике горения. Караганда : 1984. - 28-20с.

26. Головко В.В., Козицкий C.B., Флорко A.B. .0 распределении электрического потенциала вокруг .горящей капли магния при пониженных давлениях.// Тезисы докладов vi семинара ' по электрофизике горения. Караганда: 1983.- 30-31с.

27. Головко В.В., Козицкий C.B., Флорко A.B. Электрическое поле горящей одиночной частицы магния.// Физика горения и взрыва.-1985.- N4.- 27-32C.

'28. Флорко A.B., Козицкий C.B., Головко В.В. Электрофизический механизм переноса конденсированных продуктов сгорания на поверхность горящей капли магния.// Тезисы докладов vi сшшара по электрофизике горения. Караганда: 1983.- 29-30с.

29. Florko Л .V., Shevchuk V.O. Electrical and Optical Aspects of CombnsUon of Magnesium Part clss.// XXIII Symp. Inf. on Combustion, 22-27 July 1990, Or loan, p-265.

30. Головко B.B., Козицкий C.B., Флорко A.B. Расчет распределения рлектрического потенциала горящей частица магния.// Тезисы

' . . 31 докладов vu Семинара по электрофизике горения. - Караганда;

1984.- 30-32с. ' . -

. 31. Флорко A.B., Головко В.В. Особенности зарождения и роста К-фэзы при горениии одиночных частиц магния.// Материалы Мевдуна-родной школы-семинара. 4.2. Геофизика и теплофизика неравновесных систем. Минск: - 1991. - 103-Юбс.

32. Флорко A.B., Головко В.В. Особенности излучения и механизм роста частиц окиси при горении магния.// х Симпозиум по горении и взрыву. - Черноголовка. - 1992.

33. Флорко A.B., Альтман И.С., Золотко А.Н. Влияние отрицательных молекулярных ионов на дисперсность продуктов сгорания металлов.// XVI конференция стран СНГ по вопросам испарения, горения и газовой динамике дисперсных систем. - Одесса: 1993. - 103с..

34. Combustion Synthesis of Nano-Disperse Oxides on Two-Phase Laminar Flames/ Zolotko A.N., Vovchuk J.I., Poletayav N.I., Florko A.V.// Int. Conference on Cornnustiori. - 21-26 June, 1993, Moscow, St.-Petersburg^.13.

■ 35. Флорко A.B., Головко B.B. Особенности излучешя и условия зароздения субмикронных частиц окиси при горении магния.// Физика 'горения и взрыва. - 1993. - т.29, n5. - 17-22с.

35. Флорко A.B. 0 причинах слабой чувствительности дисперсности продуктов сгорания металлических горючих к изменешво внешних параметров.// Физика аэродисперсных систем.- Одесса: Вща школа. - 1993. - вып.35. - 35-4ÏC.

3?. Дьяченко Н.Г., Флорко A.B. Определение температуры газа по полуширине полосы поглощения молекул еог в области 4.25мкм.// Журнал технической физики. - 1980. - т.50. - I570-I5?ác.

38. Голубовский Ю.Б., Флорко A.B. Расчет, поглощения в полосе cog X - 4.25 мкм в приближении сильной линии.// Вестник ЛГУ. -1980. - N22. - 101-103с.