Зажигание реакционноспособного вещества тепловым воздействием с ограниченным запасом тепла тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

На правах рукописи

Микова Евгения Андреевна

ЗАЖИГАНИЕ РЕАКЦИОННОСПОСОБНОГО ВЕЩЕСТВА ТЕПЛОВЫМ ВОЗДЕЙСТВИЕМ С ОГРАНИЧЕННЫМ ЗАПАСОМ ТЕПЛА

01.04.14 - теплофизика и теоретическая теплотехника

- з ДЕК 2009

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Томск-2009

003486045

Работа выполнена на кафедре математической физики физико-технического факультета ГОУ ВПО «Томский государственный университет»

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук

Буркина Роза Семеновна

(Томский государственный университет)

доктор физико-математических наук Ищенко Александр Николаевич (ОСП НИИПММ ТГУ, г. Томск)

Доктор физико-математических наук Смоляков Виктор Кузьмич (Отдел структурной макрокинетики ТНЦ СО РАН, г. Томск)

Ведущая организация:

Институт проблем химической физики РАН (г. Черноголовка)

Защита состоится «18» декабря 2009 года в 10 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.267. 13 при ГОУ ВПО «Томский государственный университет» по адресу:

634050, г. Томск, пр. Ленина, 36, Томский государственный университет

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке ГОУ ВПО «Томский государственный университет» по адресу: г. Томск, пр. Ленина, 34а.

Автореферат разослан «16» декабря 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук

Ю.Ф. Христенко

Общая характеристика работы

Диссертационная работа посвящена решению задач зажигания реакционноспособных веществ (РВ) источниками с конечным запасом тепла и сравнению по временным и энергетическим характеристикам процессов зажигания РВ при различных способах внешнего теплового воздействия. Исследование проведено с помощью численных методов.

Актуальность темы. В технологических процессах различных производств широко распространены процессы взрывчатого превращения. Требование практики заключается в использовании положительных сторон явлений (большой выход энергии, получение нужных веществ и т.д.), а также, в устранении нежелательных пожаров и взрывов, которые ежегодно приносят экономический и экологический ущерб. Инициирование горючих веществ в различных технологических процессах и природных явлениях, как правило, имеет тепловую природу. Знание фундаментальных закономерностей прогрева РВ, характеристик зажигания необходимо для оценки возможности возникновения пожаровзрывоопасных ситуаций, с другой стороны оценки эффективности и разработки устройств, предназначенных для обеспечения стабильных условий зажигания РВ. С переходом на качественно новые источники инициирования, новые составы и структуры конденсированных РВ в настоящее время актуально исследование закономерностей процесса, временных и энергетических характеристик зажигания при различных способах внешнего теплового воздействия. Высокая стоимость экспериментальных работ, а в некоторых случаях невозможность проведения эксперимента по техническим причинам, повышают роль вычислительного эксперимента.

Особый интерес представляют процессы зажигания РВ при воздействии источников с ограниченным запасом тепла. Например, горячие частицы малых размеров, локальные очаги разогрева, импульсные высокоэнергетические воздействия могут являться источниками зажигания в специальных системах воспламенения, а также причиной воспламенения на производстве и в бытовых условиях (замыкание в системе электропроводки), в промышленности (промышленная пыль, искры от удара и трения), в строительстве (например, сварка). Локальные очаги разогрева возникают при поглощении излучения оптическими неоднородностями, находящимися в прозрачном для излучения РВ, или при адиабатическом сжатии газовых включений при ударе. Важная часть проблемы связана с инициированием процесса, исследованием механизма и параметров зажигания, определением критических условий. Прикладная значимость подобного исследования связана с возрастающим числом техногенных аварий, пожаров и взрывов последних лет.

Целью работы является: • Моделирование и численное исследование закономерностей прогрева и зажигания конденсированного вещества горячей частицей с учётом выгорания РВ. Определение температурных полей, критических условий и режимов, временных характеристик зажигания. Анализ влияния параметров системы на

закономерности процесса, его режимы и критические условия. Исследование влияния фазовых переходов в инертной частице на процесс зажигания РВ.

• Сравнение характеристик зажигания РВ при различных способах внешнего теплового воздействия.

• Исследование динамики прогрева и зажигания при поглощении импульса излучения находящимися в РВ отдельными поглощающими центрами. Изучение влияния совокупности оптических неоднородностей на закономерности распределения температуры между частицами, параметры и пределы зажигания прозрачных веществ импульсом излучения.

Научная новизна работы:

• Определены закономерности прогрева и динамика зажигания горячим инертным телом при учете выгорания РВ и фазовых переходов в инертном теле. Определены различные режимы зажигания и разделяющие их критические условия. В надкритических условиях определены закономерности прогрева РВ и времена индукции в зависимости от параметров системы.

• Проведено сравнение времен зажигания и запасенных к моменту зажигания энергий при различных способах теплового инициирования РВ.

• Исследована динамика прогрева и зажигания РВ при поглощении потока излучения находящимися в веществе оптическими неоднородностями. Определена зависимость критических параметров зажигания от радиуса поглощающей излучение частицы при длительном импульсе. Определен характер изменения параметров зажигания при воздействии коротких и длинных импульсов излучения, поглощаемых малыми и большими частицами.

• Исследовано влияние соседства поглощающих излучение частиц на режимы прогрева и параметры зажигания прозрачных РВ импульсом излучения. Определены особенности изменения критических параметров зажигания РВ при взаимодействии тепловых полей создаваемых соседними частицами для случаев совокупностей мелких и крупных частиц.

Достоверность полученных результатов следует из обоснованности и корректности постановок задач, проверки аппроксимационной сходимости разностной схемы, сравнения с известными результатами других авторов и имеющимися экспериментальными данными. Практическая значимость

Полученные результаты исследования задачи зажигания РВ горячей инертной частицей позволяют провести оценки параметров взрывобезопасного состояния высокоэнергетических систем при воздействии на них частиц высокой температуры, а также временных параметров различных режимов зажигания.

Показана возможность применения критериев зажигания при инициировании конденсированного вещества горячим телом с конечным запасом тепла.

Результаты сравнения по временам инициирования и запасенным энергиям в РВ к моменту зажигания при различных способах внешнего

теплового воздействия, исследования взаимосвязей между ними позволяют оптимизировать процесс инициирования конденсированного вещества.

Полученные закономерности прогрева и пределы зажигания веществ импульсом излучения, поглощаемого оптическими неоднородностями, можно использовать для качественного представления динамики процесса зажигания и прогноза результатов воздействия на прозрачное вещество коротких и длинных импульсов излучения, для разработки систем быстрого и стабильного зажигания.

Результаты исследования взаимовлияния совокупности поглощающих излучение частиц на зажигание прозрачного вещества импульсом излучения можно использовать: 1) для оценки опасных концентраций оптических неоднородностей в РВ, 2) при разработке инициирующих составов и устройств.

Полученные решения задач тепловой теории зажигания используются в курсе лекций «Теоретическая макрокинетика», читаемом на физико-техническом факультете Томского государственного университета.

Работа выполнялась в рамках фантов Российского фонда фундаментальных исследований (проект № 03-03-33075, № 05-08-01396 а, № 0603-32336 а), гранта Министерства образования РФ и СГШР в рамках программы В ЯНЕ (проект № 016-02).

На защиту выносятся:

1. Моделирование и исследование численными методами задачи зажигания РВ горячей частицей с конечным запасом тепла при учете а) глубины превращения в РВ и б) фазовых переходов в частице в процессе зажигания. Применимость критериев зажигания при инициировании РВ высокотемпературной частицей с конечным запасом тепла. Результаты исследования режимов прогрева и пределов зажигания в широком интервале изменения параметров.

2. Результаты анализа по временным и энергетическим параметрам зажигания РВ при различных способах внешнего теплового воздействия.

3. Результаты исследования динамики прогрева прозрачного РВ коротким и длинным импульсом излучения при его поглощении находящимися в РВ частицами. Результаты исследования режимов, временных характеристик и пределов зажигания для случаев мелких и крупных частиц.

4. Результаты численного исследования влияния совокупности поглощающих излучение частиц на режимы прогрева и параметры зажигания прозрачного РВ коротким и длинным импульсом излучения. Особенности влияния соседства мелких и крупных частиц на пределы зажигания.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на X Всероссийской научно-технической конференции «Физика и химия высокоэнергетических систем» (Томск, 2004); на IV, V и VI Всероссийских научных конференциях «Фундаментальные и прикладные проблемы современной механики» (Томск, 2004, 2006, 2008); на VI Международных конференциях «Лаврентьевские чтения по математике, механике и физике» (Новосибирск, 2005); на I, II, III, IV Всероссийских конференциях молодых ученых «Физика и химия высокоэнергетических систем» (Томск, 2005,2006, 2007, 2008); на Международной школе-конференции молодых учёных «Физика и химия наноматериалов» (Томск, 2005); На

Международной конференции «Забабахинские научные чтения» (Снежинск 2007); на XIII Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии» (Томск, 2007); на VI Международной научной конференции «Радиационно-термические эффекты и процессы в неорганических материалах» (Томск, 2008); на Международной конференции «Физико-химические процессы в неорганических материалах (ФХП-10)» (Кемерово, 2007); на XIV Международной конференции «Радиационная физика и химия неорганических материалов» (Астана, Казахстан, 2009).

Публикации. Основные результаты диссертации представлены в трудах вышеперечисленных конференций, и в журналах «Eurasian Physical Technical Journal», «Физика горения и взрыва», «Известия вузов. Физика». Количество основных работ по диссертации 5.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованной литературы. Работа изложена на 123 страницах, содержит 35 рисунков, 2 таблицы, список литературы включает 77 наименований.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность и практическая значимость проведенного в работе исследования, сформулирована цель исследования, описана структура диссертации.

В первой главе приведен краткий обзор литературы по зажиганию РВ, отражающий основные положения теории воспламенения, а также результаты работ по зажиганию РВ горячим телом и импульсом излучения.

Во второй главе проводится исследование инициирования реакционноспособного вещества инертной частицей, имеющей высокую начальную температуру и ограниченный запас тепла.

В п.11.1, п.И.2 представлена постановка задачи. Рассматривается неограниченное конденсированное РВ, внутри которого находится горячая инертная сферическая частица радиуса /?о- Между частицей и РВ имеет место идеальный тепловой контакт. Тепло от горячей частицы передается в РВ и распространяется в нем по теплопроводному механизму. Экзотермический химический процесс в РВ подчиняется кинетической функции простой реакции т-то порядка и Аррениусовской зависимости скорости от температуры. Также полагается, что теплопроводность инертной частицы высокая, а радиальный размер небольшой, что позволяет при описании процесса использовать среднюю температуру инертной частицы. Для упрощения постановки задачи и выделения одного из основных факторов высокотемпературного зажигания - влияния выгорания в модели полагается, что продукты химического процесса остаются конденсированными (жидкими или твердыми) с постоянными теплофизическими свойствами, как и у исходного вещества, фазовые переходы в РВ отсутствуют. В постановке задачи также учитывается диффузия горючей компоненты вещества, поскольку в общем случае это явление имеет место в

конденсированном веществе, хотя коэффициент диффузии для конденсированных сред мал по сравнению с диффузией в газе.

Постановка задачи в сферической системе координат с началом в центре частицы в безразмерных переменных имеет вид:

дв 1 д дт ~ (</ + £)2

дц ¿е д

дт (¿ + £)2

„ с1 50, 50(0, г)

К,--—-

(1-77)'"ехр|

0

- 7У(] -;;)"' ехр

1 + Лгв 0

1 + Аг®

3 дт

©,(о)=о,

0(£,О)

дпМ 94

0.

0(О,г) = 0,(г), 5©(оо, г) _ дг](со, г)

Безразмерные переменные и параметры: ®=-^{Т-Т„), 0, =-^(71-7;), /7 =

¡и:

Тй =

0,.

сЩ Е

Аг =

Щ

Е '

0) (2)

(3)

(4)

(5)

(6)

г-Я,

К,.

щ

{т„-ть),

сЯТ?

ехр

Кь

= 1е = Вер

ср X

1Л,

= , —'с* "

V ср

ЕО~р"

Для размерных параметров и переменных использованы общепринятые обозначения, 7/, и 7}, — начальная температура соответственно частицы и РВ.

Задача (1) - (6) решалась численно по неявной разностной схеме методом прогонки. Описание метода решения и тестирование составленной программы численного решения на достоверность и точность проводится в п.11.3, п.П.4. Счетные параметры выбирались, так чтобы точность определяемых параметров была не хуже 5%.

Численное интегрирование (1) - (6) проводилось в диапазоне изменения параметров: 0Ле [10, 16], Тй е [0, 0.07], Аг = 0.053, 0.054, т= 1, Ье = 0.045, Кср = 1.04. Безразмерный радиус частицы с1 варьировался в широком диапазоне при определении различных режимов процесса инициирования и критических условий, разделяющих эти режимы.

В п. 11.5 исследовалась возможность использования критерия зажигания для задачи зажигания РВ горячим телом с конечным запасом тепла. Для анализа использовались три критерия, определяющие момент зажигания: I критерий

Я. Б. Зельдовича по времени установления нулевого градиента на поверхности горячей частицы; II критерий по условию установления равенства теплоприходов от внешнего источника и от химического процесса с учетом обрезания скорости химической реакции при начальной температуре РВ; III критерий по резкому росту температуры и выгорания в какой-либо точке РВ. Результаты исследования представлены на рис. 1, где номерами I, II, III отмечены профили температуры (рис. 1а), глубины превращения (рис. 1Ь) в РВ и точки на кривой температуры поверхности частицы @i(t) (рис. 1с) в моменты времени, когда выполняется соответствующий критерий зажигания. Рис. 1 показывает быстрое выполнение второго критерия, хотя далее идет понижение температуры горячего тела и температуры РВ вблизи горячего тела. Глубина превращения при этом незначительна (т.е., процесс зажигания ещё не происходит). При малых запасах тепла второй критерий может выполниться, хотя зажигание не произойдет. Первый критерий даёт значение времени более близкое по величине к моменту, определяемому третьем критерием. Однако вблизи критических условий выполнение первого критерия происходит за счет потоков тепла из области воспламенения к поверхности частицы, при этом первый критерий может выполняться уже после возникновения максимума температуры в глубине вещества, то есть, когда зажигание уже произойдет. Следуя выводам выполненного анализа, в задаче зажигания РВ горячей частицей с конечным запасом тепла универсальным оказывается критерий III. Поэтому далее в исследовании за время зажигания принимался момент резкого роста температуры и выгорания в какой-либо области РВ. Зажигание считалось устойчивым, когда по РВ после зажигания распространялась волна горения.

В п.П.6. изучено влияние выгорания на высокотемпературное зажигание при ограниченном запасе тепла поджигающей частицы. Определены четыре различных режима прохождения процесса в зависимости от запаса тепла в частице и критические параметры, разделяющие эти режимы. При неизменном запас тепла в частице определяется ее размером d.

При высокотемпературном зажигании с большим запасом тепла в частице d> d[ характер прохождения процесса зажигания представлен на рис. 2. После первоначального незначительного понижения температуры частицы (рис. 2с) происходит быстрое воспламенение РВ (соответствующие профили температуры и выгорания определяют кривые 2 на рис. 2а, Ь). Поскольку прогретый слой, достаточный для распространения пламени, еще не создан, после выгорания реагента вблизи частицы горение прекращается. Далее температура частицы понижается, и идет прогрев РВ от частицы и горячей области, где прошел химический процесс (температурные профили 3, 4 на рис. 2а). Через промежуток времени, значительно превышающий время первого воспламенения, происходит повторная вспышка уже вдали от поверхности частицы (соответствующие кривые 6 для температуры и выгорания на рис. 2а,Ь), после которой по РВ распространяется волна горения (кривые 7, 8 на рис. 2а, Ь). Этот режим прохождения процесса высокотемпературного зажигания характеризуется двумя вспышками: первая вспышка дает неустойчивое

8-je

е-

О 100 200 300 400 500'

Рис. 1. Изменение температуры (а) и глубины превращения (Ь) в РВ, температуры частицы во времени (с) в режиме устойчивого зажигания с одной вспышкой: т*10"3= 1-0.11,2-1,3-3,4-5, 5-5,6-5.13,7-7, 8-9;

©,,= 12.80, Аг = 0.054, Ьс — 0.045, Тс1= о.обб, а=670

зажигание, повторная вспышка приводит к устойчивому зажиганию (режим I).

Уменьшение размера частицы d приводит к усилению первоначального понижения температуры частицы, в результате чего увеличиваются время

вспышки и соответствующий прогретый слой. При d2 <d< dx прогретый слой в РВ к моменту вспышки достигает таких размеров, что при поддержке оставшимся запасом тепла в горячей частице горение не прекращается. По РВ распространяется волна горения. Изменения температуры и выгорания в этом режиме устойчивого зажигания с одной вспышкой (режим II) аналогичны представленным на рис. 1 а, Ь, с.

При меньших размерах частицы, когда d\ <d< d'2, начало развития процесса такое же, как и во втором режиме. Но запаса тепла в частице после первоначального понижения ее температуры уже не достаточно для поддержания горения и создания прогретого слоя вдали от поверхности частицы, где химический процесс еще не прошел. Поэтому горение РВ после первой вспышки и выгорания прогретого слоя прекращается, а повторная вспышка не происходит. После повышения температуры частицы от тепла химического процесса она монотонно охлаждается, понижается температура РВ вблизи частицы. Таким образом, третий режим представляет неустойчивое зажигание (режим III).

При дальнейшем уменьшении запаса тепла в частице, когда

d4 <d< d], первоначальное охлаждение частицы значительно и быстрое

1,0

0,0

л

п5 \ 6 7 8

1 2

ь)

,3

\\ V , v ■Ц—.—,

100

200

300

400

4 -0,16-1

500 0,0 З.ОхЮ3 6,0x10s 9,0x103 1,2x10* 1,5x10* 1,8x10*

Рис. 2. Изменение температуры (а) и глубины превращения (Ь) в РВ, температуры частицы во времени (с) в режиме двойной вспышки: т*10'3 = 1 -0.1,2-0.524, 3- 1, 4-2, 5-7,6-7.26,7-8,8-9; ©,, = 12.80, Аг = 0.054, Ье = 0.045, Тй = 0.066, ¿/=7000

! % 500

воспламенение не происходит, хотя имеется некоторое выгорание реагента вблизи поверхности частицы (рис. 1). В этом режиме температура частицы первоначально значительно понижается (рис. 1с), но при этом за счет отводимого от нее тепла в РВ создается прогретый слой. Воспламенение РВ происходит значительно позже, чем в предыдущем режиме III, и после зажигания (кривые 5 на рис. 1а, Ь) по РВ распространяется волна горения. Этот режим представляет устойчивое зажигание с одной вспышкой (режим II). Причем при одних и тех же параметрах ©/,= 12.8 и ТУ = 0.066 время устойчивого зажигания в этом режиме при меньшем радиусе (т, = 5007) меньше, чем в первом режиме I при большем радиусе частицы (г, = 7257). Это связано с тем, что устойчивое воспламенение во втором режиме происходит значительно ближе к поверхности частицы, чем в первом режиме. В режиме I время устойчивого зажигания тратится на создание прогретого слоя.

При d< dA воспламенение РВ не происходит, так как запаса тепла в частице недостаточно для соответствующего повышения температуры РВ вблизи частицы. Температура РВ вблизи горячей частицы в начале повышается, но в дальнейшем понижается за счет отдачи тепла вглубь РВ. Температура самой частицы монотонно падает во времени. Глубина превращения первоначально увеличивается вблизи РВ за счет химического процесса, но в дальнейшем уменьшается в результате диффузии горючей компоненты. Таким образом, данный режим прохождения процесса характеризуется отсутствием

воспламенения РВ и монотонным охлаждением частицы (режим IV), Критическое значение сСА при малых значениях параметра Тодеса ТУ —► О согласуется с критическим условием зажигания горячей инертной частицей с конечным запасом тепла, разделяющим режим зажигания РВ от режима охлаждения частицы без учета выгорания.

Проведенный анализ результатов численного исследования задачи показал возможность существования четырех критических радиусов частицы с/,* > с1'2 > с1] > (¡1, которые разделяют различные режимы прохождения процесса. Существование I и III режимов связано с неустойчивостью процесса высокотемпературного зажигания, вызванное выгоранием РВ на начальной стадии процесса, когда прогретый слой, необходимый для распространения волны горения по веществу, еще не создан. Поэтому критические размеры частицы, определяющие границы этих режимов существенно зависят как от температурного напора частицы 0/„ так и от параметра Тодеса Тс1, определяющего выгорание РВ. При уменьшении параметра 7с/ при фиксированном 0Л выгорание и его влияние на процесс уменьшаются. При этом с/, резко возрастает (стремится к бесконечности), с1А уменьшается, а и (I]

сближаются (с1] - убывает, а - возрастает). В результате зажигание проходит как в индукционном процессе: реализуются лишь II и IV режимы, а режимы I и III исчезают. Области существования различных режимов прохождения процесса в области параметров (7У, с/) при 0Л = 12.95, Аг = 0.053, 1е = 0.045 показаны на рис. 3. С возрастанием 7У выгорание РВ увеличивается, что

приводит к возрастанию с1*2 до с\\ и убыванию сСъ до с1\, при этом значения с1[ и изменяются незначительно. В результате увеличиваются области режима III (неустойчивого зажигания с одной вспышкой) и режима IV (отсутствия воспламенения), а область устойчивого зажигания с одной вспышкой (режима II) исчезает (см. рис. 3).

В процессе зажигания РВ горячей инертной частицей температура частицы может понижаться и повышаться. При этом может происходить смена фазового состояния частицы: переход из жидкого состояния в твердое и, наоборот, из твердого в жидкое. Этот процесс может влиять на зажигание РВ. В п. 11.7 исследовано влияния фазового перехода в горячей инертной частице на динамику и параметры зажигания РВ. Постановка задачи определяется уравнениями (1), (2), (4) - (6). Уравнение (3) принимает вид:

кЛ + РИб(&1-@1,(7) 3 от дд

а, £

где Рк = —аналог числа фазового перехода - теплота плавления),

¿(01-0/7,) — дельта функция Дирака, — безразмерная температура фазового перехода.

Численно выявлено качественное влияние фазового перехода в горячем инертном теле на процесс зажигания РВ. При приближении к критическим условиям зажигания фазовый переход приводит к нестабильности зажигания, время устойчивого зажигания существенно увеличивается. В то же время критическое значение размера частицы, при котором ещё наблюдается зажигание, при учете фазового перехода уменьшается. Учет фазового перехода в частице приводит к деформации кривых по режимам прохождения процесса, представленных на рис. 3.

Рис. 3. Области различных режимов высокотемпературного зажигания в зависимости от параметра Тодеса Td и размера частицы d:

I - устойчивое зажигание с двойной вспышкой,

II — устойчивое зажигание с одной вспышкой,

III - неустойчивое зажигание,

IV — зажигание отсутствует; ©л = 12.95, Ar = 0.053, Le = 0.045

В третьей главе на примере инициирования РВ с параметрами типа пороха «Н» проведено сравнение энергетических и временных характеристик зажигания реакционноспособных конденсированных веществ при различных способах внешнего теплового воздействия: горячей поверхностью, лучистым потоком тепла, очагом разогрева, инертным горячим телом с конечным запасом тепла.

Полагается, что при зажигании горячей поверхностью в начальный момент времени к внешней поверхности полуограниченного конденсированного РВ однородной невысокой температуры прикладывается горячая поверхность постоянной высокой температуры. В случае зажигания лучистым потоком тепла на внешнюю поверхность РВ падает лучистый поток тепла постоянной мощности. При очаговом воспламенении рассматривается неограниченное конденсированное вещество внутри которого имеется область повышенной температуры с симметричным распределением, имеющим максимум в центре очага (П-образное и экспоненциальное распределения). При зажигании телом с конечным запасом тепла рассматривается неограниченное РВ, внутри которого имеется инертное тело симметричной формы (плоскопараллельная пластина) высокой температуры. Полагается, что внутри горячего тела распределение температуры в течение всего процесса отсутствует и учитывается изменение средней температуры тела в процессе теплообмена с веществом. При контактных способах зажигания считается, что на границе раздела имеет место идеальный контакт между РВ и поджигающим его телом, поверхностью. Полагается, что процесс подчиняется твердофазной модели зажигания,

возможные фазовые переходы (испарение, плавление) не учитываются. Кроме того, рассматриваются индукционные режимы и выгорание на этапе зажигания также не учитывается. Формулы для расчета времени зажигания и запасенной энергии при зажигания горячей поверхностью и лучистым потоком тепла взяты из книги Вилюнов В.Н. Теория зажигания конденсированных веществ. -Новосибирск: Наука, 1984 г.; при инициировании очагом разогрева из статьи Буркина P.C., В.Н. Вилюнов В.Н. Очаговое тепловое воспламенение при произвольном начальном распределении температуры // Химическая физика. -1982.-Т. 1.-№3.-С.419^122. Характеристики зажигания РВ телом с конечным запасом тепла находились из численного расчета задачи аналогичной

Анализ параметров процесса показал, что при уменьшении температуры горячей области и интенсивности лучистого потока происходит возрастание времени зажигания и запасённой к моменту зажигания энергии. Это вызвано увеличением времени создания в РВ прогретого слоя и, соответственно, увеличением теплоотвода вглубь вещества. При зажигании горячим телом с конечным запасом тепла критическое значение запасенной энергии на порядок, а время зажигания на два порядка больше, чем соответствующие характеристики при других способах теплового инициирования. Это связанно с понижением температуры горячего тела при передачи тепла в РВ. В результате больше времени потребуется для разогрева, больше тепла отводится вглубь вещества, и для зажигания потребуется больше тепла от горячего тела. Наименьшая критическая энергия зажигания реализуется при очаговом воспламенении, при этом наблюдаются минимальные времена зажигания по сравнению с другими способами инициирования.

Зависимости времени зажигания от запасенной в веществе к моменту зажигания энергии при различных способах внешнего теплового воздействия показаны на рис. 4 (время зажигания очагом разогрева представлено с

(1)46).

18СЬЛл-102(С),^(С)

160140-

120-

100-

40-

60-

3

Рис. 4. Зависимость времени зажигания от запасенной к моменту зажигания энергии при зажигании:

1 — лучистым потоком тепла,

2 — горячей поверхностью,

3 — П - образным очагом,

4 - очагом с экспоненциальным распределения температуры,

5 - телом с конечным запасом тепла

5 10 15 20 25 30 35 40

Ws,Ws, .10"'(кал/см2)

повышающим коэффициентом ?//,-102, запас тепла при зажигании РВ горячим инертным слоем взят с понижающим коэффициентом: ^/-Ю"1). Анализ этих зависимостей показывает, что при зажигании лучистым потоком требуется большее времени, чем при зажигании горячей поверхностью при одной и той же запасенной в системе энергии, что связанно с большим отводом тепла вглубь слоя при таком механизме воздействия. Но для фиксированного времени зажигания требуется меньший запас тепла при зажигании лучистым потоком, чем при зажигании горячей поверхностью. При увеличении запасенной в РВ энергии от внешнего теплового воздействия время зажигания увеличивается при зажигании горячей поверхностью и лучистым потоком тепла и уменьшается для очага разогрева и при зажигании телом с конечным запасом тепла. Это объясняется тем, что при зажигании горячей поверхностью и лучистым потоком тепла запас внешней энергии идет в процессе прогрева и большая запасенная энергия в теле от внешнего источника к моменту зажигания будет при меньших температурах горячей поверхности и интенсивности внешнего теплового потока, что приводит к росту времени зажигания.

В четвертой главе с помощью численного интегрирования исследуется динамика зажигания прозрачного РВ импульсом излучения при его поглощении оптическими неоднородностями, находящимися в РВ, изучаются закономерности параметры и пределы такого механизма зажигания в широком диапазоне длительности импульса излучения. Анализируются закономерности изменения температуры и глубины превращения при взаимодействии тепловых полей, создаваемых соседними частицами, определяются параметры и пределы зажигания.

В п. IV. 1 описывается модель зажигания от одиночной поглощающей излучение частицы. Рассматривается неограниченное конденсированное РВ, внутри которого находятся инертные включения. На РВ действует импульс излучения, для которого оно абсолютно прозрачно, но поток излучения может поглощаться инертными включениями. В результате разогрева инертных включений и кондуктивной теплопередачи происходит разогрев РВ, который может привести к зажиганию. Используется простая кинетика экзотермических химических реакций с аррениусовской зависимостью скорости от температуры, однородные свойства вещества. Полагается, что все поглощающие лучистую энергию инертные частицы сферической формы, тепловой контакт на поверхности частицы с РВ идеален, и частицы находятся в РВ на достаточно большом расстоянии друг от друга, что позволяет в процессе зажигания не учитывать разогрев соседних частиц и считать, что зажигание происходит от каждой частицы отдельно. Также рассматриваются инертные частицы достаточно малого радиуса Яо и высокой теплопроводности, что позволяет использовать при описании процесса среднюю температуру частицы.

Математическая постановка задачи в размерных переменных имеет вид:

дТ .(82Т 2 дт) _ дп

о/ ^ ёг г дг) д(

г>Яа, ¡>0,

т-пКЛ, 00,

ш Я0 ог 4 К0 Г,(0)= Т(г,0) = Ть, 1}(г,0)=0, (П)

^1 = 0. (12) дг

Рассматривается импульсный поток излучения постоянной плотности

мощности:

/л Яо,0<1<1ы : я(()=-\ , где - время излучения.

О, ' > ¡ы

Приближенно - аналитически проанализирована возможность зажигания при длительном импульсе, когда время излучения много больше характерного времени установления температурного профиля в РВ:

= ]М2/(Лср). (13)

В этом случае критическое условие зажигания определяется наименьшей плотностью мощности потока излучения д0,(/?0), определяемой выражением:

которое качественно и количественно хорошо согласуется с результатами численного решения (8) - (12).

В п. 1У.2 приводится численное исследование задачи (8) - (12). Метод численного интегрирования аналогичен используемому в главе II. Точность численного решения по параметрам процесса 5 %.

В расчетах использовались теплофизические и формально-кинетические параметры азида свинца, поглощающие излучение частицы полагались свинцовыми. Размер частиц характеризовался по отношению к величине зоны химических реакций при характерной температуре зажигания Тч = 1000 К. Частицы считались малыми, если они соизмеримы с зоной химической реакции (частица радиуса 10'7 м), и большими, если они много больше зоны химических реакций (частица радиуса 10"4 м). Длительность импульса характеризовалась по отношению к характерному времени (13) установления профиля температуры при инертном прогреве от поглощающей излучение частицы. Если характерное время установления профиля температуры больше времени излучения, то время воздействия импульса короткое, в противном случае - длинное. Основываясь на данной терминологии, было проведено исследование динамики изменения температуры и глубины превращения на частице и в РВ для частиц больших и малых размеров при действии на РВ коротких и длинных импульсов излучения при различной мощности излучения.

Динамика изменения температуры и глубины превращения в РВ в различные моменты времени в критических условиях д'0 = 1.25*10" Дж/м2-с для мелких частиц при действии на РВ короткого импульса /¡г/ = 4*10'9с представлена на рис. 5 а - г. Из рисунка видно, что в начале за время действия импульса происходит прогрев и выгорание РВ на частице (рис. 5 а, б, кривые 1 -7). К моменту воспламенения (отмечен точками на рис. 5 в, г) образуется максимум профиля температуры и выгорания вблизи поверхности частицы (рис. 5 а, б, кривая 8), после чего по РВ распространяется волна горения (рис. 5 а, б, кривая 10). После отключения импульса температура частицы остается постоянной на короткий промежуток времени, и в момент воспламенения равна 7} = 2090 К (рис. 5 в, кривая 1). Повышение температуры после воспламенения обусловлено теплоприходом из зоны воспламенения в частицу, тогда частица становится стоком тепла (понижение кривой 2 на рис. 5 г).

Анализ исследования зажигания РВ мелкими частицами показало, что при приближении к предельной плотности излучения в случае коротких импульсов точка воспламенения отдаляется от поверхности частицы, а при зажигании длинными импульсами - приближается к поверхности. Температура зажигания частицы на пределе зажигания уменьшается и будет иметь наименьшее значение, а время зажигания наибольшее при длинных импульсах излучения. К моменту зажигания отношение тепла, поступившего в РВ от частицы к поглощенной энергии излучения возрастает с увеличением длительности импульса и достигает наибольшего значения на пределе зажигания, то есть возрастает к.п.д. зажигания лучистой энергией. Теплоприход от химических реакций к моменту зажигания мал по сравнению с теплоприходом от лучистой энергии (меньше на два порядка). Его отношение к теплоприходу от лучистой энергии уменьшается с ростом длительности импульса. Критические плотность мощности потока излучения убывает, а плотность энергии излучения возрастает с ростом длительности импульса излучения.

Из сравнения параметров зажигания при поглощении лучистой энергии крупной частицей следует, что на пределе зажигания при коротких и средних длительностях импульса точка воспламенения находится от поверхности крупной частицы на расстоянии ~ (0.03^0.05)/?о- В случае малых частиц это расстояние по отношению к радиусу частицы было значительно больше ~ (0.1-Ю.15)/?0- При длинных импульсах точка воспламенения на пределе зажигания отдалятся от поверхности крупной частицы, в случае мелких частиц она приближается к поверхности частицы. Это связано с тем, что при зажигании крупной частицей ее температура значительно ниже, чем для мелкой частицей. В результате время зажигания крупной частицей значительно возрастает, увеличивается выгорание вблизи частицы и максимум скорости химического процесса смещается от поверхности. Как и для мелких частиц к.п.д. импульса излучения для зажигания возрастает с ростом длительности импульса, а энергетический вклад химического процесса к моменту зажигания остается на два порядка меньше кондуктивного теплоприхода от частицы.

1,0х10"71,2x10"'1,4х10"1,6х10"'1,8х10"'2,0х10' 1,0

0,8 0,6 0,4 0,2 0,0

ч

й\ 9 И

\7\ 6)

_6

_5

_4

1-3

х(м)

0,0 2,0x10 4,0x10 6,0x10 8,0x10"9

t(c)

Wi7l,WcPWchW!K'cTep)

1,0x10"71,2x10"71,4x10"71,6x10"71,8x10"72,0x10"7

2,0x10 4,0x10 s 6,0x10 s

Рис. 5. Динамика изменения профилей температуры (а) и глубины превращения в РВ (б), температуры и глубины превращения на частице (в), энергетических характеристик (г, кривые: 1 — Wizi — поглощенная частицей энергия излучения, 2 - Wcf~ энергия перешедшая от частицы в РВ за счет теплопроводности, 3 - W,i, — тепло поступившее в РВ от химического процесса) для маленькой частицы R0 — 10"7м <хсЛ = 1.11*10"7м при действии короткого импульса tizi = 4* 10"9 с < tx = 0.746* 10"7с в критическом случае E*izl = 4.98*102 Дж/м2; моменты времени: / (с) *10^= 1 - 1.52, 2 - 2.29, 3 -3.05,4-3.81, 5 - 4.58, 6-5.34, 7-5.80, 8-6.05,9-6.10, 10-6.86,9-7.62

Из анализа зависимостей предельной плотности энергии излучения и плотности мощности излучения от длительности импульса при различных радиусах частицы, следует, что при коротких импульсах предел зажигания определяет плотность энергии импульса, а при длинных импульсах излучения -плотность мощности. Для каждой длительности импульса излучения можно определить размер частицы, которому будут соответствовать наименьшее значение предела зажигания. При наличии в РВ ансамбля поглощающих поток излучения частиц разных размеров на пределе зажигания при коротких импульсах зажигают частицы меньших размеров (требуется меньше энергии). При длинных импульсах на пределе зажигания к зажиганию приводит разогрев более крупных частиц, поскольку при уменьшении мощности потока излучения

частицы не достигают высоких температур, необходимых для зажигания мелкими частицами.

Влияние выгорания на предел зажигания более значимо в случае зажигания маленькими частицами. Это связано с более высокими температурами, которые достигаются в период прогрева при зажигании маленькими частицами.

Было проведено сравнение экспериментальных и теоретических предельных энергетических параметров зажигания для азида свинца, которое показало их удовлетворительное согласие, что подтверждает правомерность рассматриваемого теплового очагового механизма зажигания.

В п. 1У.З с помощью численного интегрирования исследуется влияние на зажигание прозрачного РВ импульсом излучения соседства находящихся в нем инертных поглощающих излучение частиц. Изучаются закономерности изменения температуры и глубины превращения в РВ при взаимодействии тепловых полей, создаваемых соседними частицами, параметры и пределы зажигания.

Физическая модель процесса такая же, как и в п.1У. 1. Полагается, что все поглощающие лучистую энергию инертные частицы сферической формы одинакового радиуса и равномерно распределены в РВ (рис. 6). Это позволяет рассматривать прохождение процесса в эффективной сферической ячейке, радиус которой равен Яо+Ь (2Ь - расстояние между соседними частицами) и начало расположено в центре частицы. РВ находится в шаровом слое /?о < г < Я0+Ь. Тепловой контакт на поверхности частицы с РВ идеален.

На границе эффективной ячейки г = Я0+Ь выполняется условие симметрии:

Математическую постановку задачи в области Я0 < г < Я0+Ь представляют уравнения (8)-(11) и условие (14). Исследование проводилось для азида свинца, содержащего совокупность свинцовых частиц (аналогично п. 1У.2). В качестве исходных данных использовались энергетические параметры импульса излучения, которые были критическими при зажигании системы в соответствующих условиях при прогреве РВ одиночной поглощающей излучение частицей. При таких параметрах влияние коллективного эффекта

Рис. 6. Модель взаимного расположения поглощающих излучение частиц и эффективной ячейки: 1 - частица, 2 - область, занятая РВ

(14)

дг

наиболее существенно. В надкритических условиях коллективный эффект влияет на прогрев и время зажигания только при еще больших концентрациях частиц.

Аналогично п.1У.2. задача решалась численно, исследовались мелкие и большие частицы при действии на РВ короткого и длинного импульса излучения. Были определены концентрации поглощающих частиц, начиная с которых их соседство влияет на зажигание, предельные плотность энергии излучения и время зажигания.

Влияние соседства мелких частиц при действии на РВ короткого импульса излучения проявляется при Ь = /?0, и приводит к некоторому уменьшению предельной плотности энергии излучения. Уменьшение энергии излучения до предельной сопровождается смещением точки воспламенения к границе эффективной ячейки и существенным возрастанием времени зажигания (на три порядка). Динамика развития процесса качественно изменяется и показана на рис. 7. Воспламенение (рис. 7 а, б, кривая 8) происходит в режиме теплового взрыва в центре между частицами х,- = 0.2*10"6 м после прогрева всего вещества до однородной температуры (рис. 7 а, б, кривые 1 - 6). В рассматриваемых режимах в начальные моменты времени у поверхности частицы достигаются высокие температуры и происходит значительное выгорание РВ (рис. 7 б, кривая 3). Это сказывается на предельных энергетических и временных параметрах процесса, поэтому необходим учет выгорания при определении их количественных значений.

При дальнейшем уменьшении расстояния между частицами (Ь <Я0) при критической плотности энергии излучения для одиночной частицы нагрев от соседних частиц приводит к уменьшению времени зажигания.

В результате исследования зажигания РВ крупными и мелкими частицами были получены следующие выводы.

Рис. 7. Изменение температуры (а) и глубины превращения (б) в РВ, /?о= Ю"7м < хс/, = 1.11*10"7м при действии короткого импульса 1гЛ = 4* 10"9 с < П = 0.746* 10"7с при Е ы = 4.92* 102 Дж/м2, ¿' = 7?0в моменты времени: т*106 (с)= 1-4-Ю"3; 2-10"2; 3-2 10"2; 4-3.48;

5 - 9.2; 6 - 9.265; 7 - 9.267; 8 - 9.2671

В случае длинного импульса излучения, поглощаемого мелкими частицами, влияние соседства проявляется уже при значительно больших расстояниях между частицами Ь = 12.5 /?0 (соответственно меньше концентрация частиц). Также уменьшается предельная энергетическая характеристика зажигания - плотность мощности излучения. Но ее уменьшение уже значительно - на два порядка. На пределе зажигания точка воспламенения удаляется от поверхности частицы, но не достигает границы эффективной ячейки, а время зажигания возрастает на три порядка.

В случае крупных частиц их соседство, прежде всего, отражается на уменьшении времени зажигания при длинных импульсах излучения. Уменьшение предельной плотности энергии импульса происходит при дальнейшем увеличении концентрации для длинного импульса на два порядка, для короткого - в два раза.

Различная очередность проявления влияния соседства мелких и крупных поглощающих излучение частиц на предельную энергию импульса излучения и время зажигания связаны с зоной прогрева РВ от частиц, которая пропорциональна радиусу частицы ~ 7?0. В случае мелких частиц х/, < хси {хси ~ характерная ширина зоны химической реакции), а в случае крупных частиц X/,» хсь. Поэтому в случае мелких частиц к их соседству более чувствительной оказываются предельные энергетические параметры зажигания (требуется достижение частицей высоких температур), а для крупных частиц - время зажигания (ускоряется прогрев прилегающей к частице области РВ).

Основные результаты и выводы

1. При инициировании РВ частицей высокой температуры определены четыре различных режима прогрева и зажигания, реализация которых зависит от запаса тепла в частице и выгорания РВ. В фазовом пространстве (7с/, с/) определены области существования этих режимов и исследован характер их изменения в зависимости от температурного напора частицы. Фазовый переход в горячей частице вблизи критических условий влияет на прогрев и зажигание РВ, приводя к его неустойчивости. При этом критический запас тепла в частице уменьшается, а время устойчивого зажигания существенно возрастает.

2. Сравнительный анализ зажигания конденсированного вещества при различных способах внешнего теплового воздействия показал:

а) при увеличении запасенной в РВ к моменту зажигания энергии от внешнего источника время зажигания увеличивается при воздействии горячей поверхностью и лучистым потоком тепла и уменьшается для очага разогрева и при зажигании горячим телом с конечным запасом тепла;

б) при одинаковой запасенной к моменту зажигания в РВ энергии время очагового инициирования на два порядка меньше зажигания горячей поверхностью, лучистым потоком и инертным телом с конечным запасом тепла;

в) при очаговом инициировании минимальная энергия и время зажигания наблюдается для П-образного очага разогрева.

3. Исследована динамика температурных полей и зажигание прозрачного PB при поглощении потока излучения находящимися в веществе мелкими и крупными оптическими неоднородностями в случае коротких и длинных импульсов излучения. Определенны зависимости предельных для зажигания плотностей мощности и энергии излучения от длительности импульса излучения. Определено влияние выгорания на процесс и пределы зажигания.

4. Влияние соседства поглощающих излучение частиц на процесс зажигания PB проявляется при близком их расположении. Взаимодействие тепловых полей, создаваемых соседними частицами, отражается на режимах, временных и предельных энергетических параметрах зажигания. Коллективный эффект частиц приводит к уменьшению времени зажигания, предельных плотности энергии короткого импульса и плотности мощности длинного импульса излучения. Сближение мелких частиц, прежде всего, отражается на уменьшении критических энергетических параметров импульса, а в случае крупных частиц - на временах зажигания.

Список публикаций по теме диссертации

1. Микова Е.А., Буркина P.C. Сравнительный анализ временных и энергетических характеристик зажигания конденсированных веществ при различных механизмах их инициирования // Физика и химия высокоэнергетических систем. Доклады конференции. - Томск: изд-во Том. ун-та, 2003.

- С. 59-60.

2. Микова Е.А., Буркина P.C. Временные и энергетические характеристики зажигания реакционноспособных веществ при различных способах теплового воздействия // Физика и химия высокоэнергетических систем. Доклады X Всероссийской научно-технической конференции. — Томск: изд-во Том. ун-та, 2004.-С. 44-45.

3. R.S. Burkina, Mikova Е. A. The Analysis of Power and Temporary Parameters of Ignition of Reactive Substances at Various Ways of Thermal Influence// Eurasian Physical Technical Journal. 2004. V.l, № 1. - Karaganda, Kazakhstan. - P. 55-61.

4. Буркина P.C., Микова E.A. Характеристики зажигания реакционноспособного вещества при различных механизмах теплового воздействия // Фундаментальные и прикладные проблемы современной механики. Докл. IV Всерос. науч. Конф. Томск, 5-7 октября 2004 г.- Томск: изд-во Том. ун-та, 2004. - С 80-81.

5. Буркина P.C., Микова Е.А. Условия зажигания конденсированного вещества горячим инертным включением // Международная конференция посвященная 105-ле-тию со дня рождения академика М.А. Лаврентьева «Лаврентьевские чтения по математике, механике и физике». Тезисы докладов 27-31 мая 2005 г. Новосибирск, Россия. Новосибирск: ин-т гидродинамики им. М.А. Лаврентьева СО РАН, 2005. - С. 113-114.

6. Микова Е.А. Анализ критериев зажигания при инициировании конденсированного вещества горячей сферой // Материалы I Всероссийской конференции молодых учёных «Физика и химия высокоэнергетических систем».

- Томск: изд-во Том. ун-та, 2005. - С. 266-268.

7. Микова Е.А. Исследование зажигания реакционноспособного вещества горячей сферической частицей // Физика и химия наноматериалов: Сб. материалов международной школы - конференции молодых учёных (13-16 декабря 2005г.). -Томск: ТГУ, 2005. - С. 399-402.

8. Микова Е.А. Исследование воспламенения конденсированного вещества горячей сферой // Материалы II Всероссийской конференции молодых учёных «Физика и химия высокоэнергетических систем». - Томск: изд-во Том. ун-та, 2006.-С. 239-241.

9. Буркина P.C., Микова Е.А. Особенности зажигания конденсированного вещества горячей частицей с конечным запасом тепла при наличии в ней фазового перехода // Фундаментальные и прикладные проблемы современной механики. Докл. V Всерос. науч. Конф. Томск, 3-5 октября 2006 г. - Томск: изд-во Том. Ун-та, 2006. - С. 86-87.

10. Микова Е.А., Буркина P.C. Влияние фазового перехода на зажигание конденсированного вещества горячей частицей с конечным запасом тепла // XIII Международная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии». Труды. Том 3. г. Томск, 26-30 марта 2007 г. - Томск: Томский политехнический университет, 2007. — С.66-68.

11. Микова Е.А. Динамика изменения параметров процесса зажигания горячей инертной частицей реакционноспособного вещества // Физика и химия высокоэнергетических систем: Сб. материалов III Всероссийской конференции молодых ученых (24-27 апреля 2007г.). - Томск: TMJI-Пресс, 2007. - С. 182-185.

12. Буркина P.C., Медведев В.В., Микова Е.А., Ципилев В.П. Модель очагового зажигания вещества импульсным потоком излучения // Забабахинские научные чтения. Международная конференция 10-14 сентября 2007 год. Тезисы. Снежинск: изд-во РФЯЦ-ВНИИТФ, 2007. - С.79.

13. Буркина P.C., Медведев В. В., Микова Е.А., Ципилев В.П. Инициирование прессованных порошков азида свинца лазерными импульсами различной длительности // Международная конференция. Физико-химические процессы в неорганических материалах (ФХП-10) 10-12 октября 2007 года. Доклады в 2 томах. Т.1. Кемерово: Кузбассвузиздат, 2007. - С. 205-209.

14. Микова Е.А., Буркина P.C. Режимы и динамика зажигания конденсированных веществ горячей частицей с конечным запасом тепла // Физика и химия высокоэнергетических систем: Сборник материалов IV Всероссийской конференции молодых ученых (22-25 апреля 2008 г., г. Томск). — Томск: ТМЛ-Пресс, 2008. - С. 336-339.

15. Микова Е.А., Буркина P.C. Зажигание конденсированного вещества инертной частицей с высокой начальной температурой // Труды VI Международной научной конференции "Радиационно-термические эффекты и процессы в неорганических материалах". -Томск: Изд. ТПУ, 2008 г. - С.845-850.

16. Буркина P.C., Медведев В. В., Микова Е.А., Ципилев В.П. Влияние соседства оптических неоднородностей на зажигание конденсированных веществ потоком излучения // Фундаментальные и прикладные проблемы

современной механики. Материалы VI Всерос. науч. конф. Томск, 30 сентября -2 октября 2008 г. - Томск: изд-во Том. ун-та, 2008. - С. 89-90.

17. Буркина P.C., Микова Е.А. Высокотемпературное зажигание реакционноспособного вещества горячей инертной частицей с конечным запасом тепла // Физика горения и взрыва. - 2009. - Т.45. - №2. - С.40-47.

18. Буркина P.C., Медведев В. В., Микова Е.А., Ципилев В.П. Проявление коллективного эффекта оптических неоднородностей на создание очагов зажигания в прозрачном конденсированном веществе при воздействии мощного радиационного импульса И Изв. вузов. Физика. - 2009. - № 8/2. - С.272-275.

Подписано к печати 12.11.2009. Формат 60x84/16. Бумага «Классика». Печать XEROX. Усл. леч. л. 1,34. Уч.-изд. л. 1,21. _Заказ 1365-09. Тираж йДэкзЪ_

Томский политехнический университет Система менеджмента качества Томского политехнического университета сертифицирована NATIONAL QUALITY ASSURANCE по стандарту ISO 9001:2000 I

ИЗДАТЕЛЬСТВО^™. 634050, г. Томск, пр. Ленина,30.

Слисок обозначений

ВВЕДЕНИЕ

I ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

II ЗАЖИГАНИЕ КОНДЕНСИРОВАННОГО ВЕЩЕСТВА ГОРЯЧЕЙ ЧАСТИЦЕЙ С КОНЕЧНЫМ ЗАПАСОМ ТЕПЛА

II. 1 Физическая модель

II.2 Математическая постановка

П.З Метод решения

11.4 Тестирование работы программы численного интегрирования задачи

11.5 Анализ критериев зажигания реакционноспособного вещества горячей частицей

11.6 Высокотемпературное зажигание реакционноспособного вещества сферической частицей

11.7 Влияние фазовых переходов в частице на процесс высокотемпературного зажигания

11.8 Выводы по главе II

III АНАЛИЗ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ И ВРЕМЕННЫХ ПАРАМЕТРОВ ЗАЖИГАНИЯ РЕАКЦИОННОСПОСОБНЫХ ВЕЩЕСТВ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ СПОСОБАХ ТЕПЛОВОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ

III. 1 Характеристики зажигания реакционноспособного вещества при различных способах его теплового инициирования

III.2 Сравнительный анализ энергетитеских и временных параметров зажигания

П.З Выводы по главе III

IV ИНИЦИИРОВАНИЕ ПРОЗРАЧНОГО КОНДЕНСИРОВАННОГО ВЕЩЕСТВА ИМПУЛЬСОМ ЛУЧИСТОЙ ЭНЕРГИИ, ПОГЛОЩАЕМЫМ НАХОДЯЩИМИСЯ В ВЕЩЕТВЕ ОПТИЧЕСКИМИ НЕОДНОРОДНОСТЯМИ

IV. 1 Зажигание одиночной частицей. Математическая постановка и её приближенное исследование

IV.2 Численное исследование задачи 68 IV. 3 Влияние совокупности поглощающих излучение частиц на зажигание реакционоспособного вещества

IV.4 Выводы по главе IV

В технологических процессах различных производств широко распространены процессы взрывчатого превращения [1]. Требование практики заключается в использовании положительных сторон явлений (большой выход энергии, получение нужных веществ и т.д.), а также, в устранении нежелательных пожаров и взрывов [2, 3], которые ежегодно приносят экономический, экологический и социальный ущерб. Инициирование горючих веществ в различных технологических процессах и природных явлениях, как правило, имеет тепловую природу. Знание фундаментальных закономерностей процесса, характеристик зажигания необходимо для оценки возможности возникновения пожаровзрывоопасных ситуаций, с другой стороны оценки эффективности и разработки устройств, предназначенных для обеспечения стабильных условий зажигания реакционноспособных веществ (РВ). С переходом на качественно новые источники инициирования, новые составы и структуры конденсированных РВ в настоящее время актуально исследование закономерностей процесса, временных и энергетических характеристик зажигания при различных способах внешнего теплового воздействия. Высокая стоимость экспериментальных работ, а в некоторых случаях невозможность проведения эксперимента по техническим причинам, повышают роль вычислительного эксперимента.

Особый интерес представляют процессы зажигания РВ при воздействии источников с ограниченным запасом тепла. Например, горячие частицы малых размеров, локальные очаги разогрева, импульсные высокоэнергетические воздействия могут являться источниками зажигания в специальных системах воспламенения, а также причиной воспламенения на производстве и в бытовых условиях (замыкание в системе электропроводки), в промышленности (промышленная пыль, искры от удара и трения), в строительстве (например, сварка). Локальные очаги разогрева возникают при поглощении излучения оптическими неоднородностями, находящимися в прозрачном для излучения

РВ, или при адиабатическом сжатии газовых включений при ударе [4]. Важная часть проблемы связана с инициированием процесса, исследованием механизма и параметров зажигания, определением критических условий. Прикладная значимость подобного исследования связана с возрастающим числом техногенных аварий, пожаров и взрывов последних лет.

Анализ литературных источников показал, что малоизученными остаются вопросы влияния выгорания РВ и фазовых переходов в процессе зажигания, динамика возникновения высокотемпературных очагов на процесс зажигания. Нет сравнения параметров зажигания при различных способах инициирования

Целью работы является:

• Моделирование и численное исследование закономерностей зажигания конденсированного вещества горячей частицей с учётом выгорания РВ в процессе прогрева. Определение критических условий и режимов зажигания, временных характеристик, влияния параметров системы на закономерности процесса, его режимы и критические условия. Исследование влияния фазовых переходов в инертной частице на процесс зажигания РВ.

• Сравнение характеристик зажигания РВ при различных способах внешнего теплового воздействия.

• Исследование динамики процесса зажигания при поглощении импульса излучения находящимися в РВ отдельными поглощающими центрами. Изучение влияния совокупности оптических неоднородностей на закономерности, параметры и пределы зажигания прозрачных веществ импульсом излучения.

Научная новизна работы:

• Определены закономерности и динамика процесса зажигания горячим инертным телом при учете выгорания РВ и фазовых переходов в инертном теле. Определены различные режимы зажигания и критические условия

РВ. воспламенения. В надкритических определены времена индукции зависимости от параметров системы. в

• Проведено сравнение времен зажигания и запасенных к моменту зажигания энергий при различных способах теплового инициирования РВ.

• Исследована динамика зажигания РВ при поглощении потока излучения находящимися в веществе оптическими неоднородностями. Определена зависимость критических параметров зажигания от радиуса поглощающей излучение частицы при длительном импульсе. Определен характер изменения параметров зажигания при воздействии коротких и длинных импульсов излучения, поглощаемых малыми и большими частицами.

• Исследовано влияние соседства поглощающих излучение частиц на режимы и параметры зажигания прозрачных РВ импульсом излучения. Определены особенности изменения критических параметров зажигания для совокупности мелких и крупных частиц.

Практическая значимость

Полученные результаты исследования задачи зажигания РВ горячей инертной частицей позволяют провести оценки параметров взрывобезопасного состояния высокоэнергетических систем при воздействии на них частиц высокой температуры, а также временных параметров различных режимов зажигания.

Показана возможность применения критериев зажигания при инициировании конденсированного вещества горячим телом с конечным запасом тепла.

Результаты сравнения по временам инициирования и запасенным энергиям в РВ к моменту зажигания при различных способах внешнего теплового воздействия, исследования взаимосвязей между ними позволяют оптимизировать процесс инициирования конденсированного вещества:

Полученные закономерности и пределы^ зажигания веществ импульсом излучения, поглощаемого импульсом оптическими неоднородностями, можно использовать для качественного представления динамики процесса зажигания и анализа результатов воздействия на прозрачное вещество коротких и длинных импульсов излучения, для разработки систем быстрого и стабильного зажигания.

Результаты исследования взаимовлияния совокупности поглощающих излучение частиц на зажигание прозрачного вещества импульсом излучения можно использовать: 1) для оценки опасных концентраций оптических неоднородностей в РВ, 2) при разработке инициирующих составов и устройств.

Результаты решения фундаментальных задач теории зажигания используются в курсе лекций «Теоретическая макрокинетика», читаемом на физико-техническом факультете Томского государственного университета.

Работа выполнялась в рамках грантов Российского фонда фундаментальных исследований (проект №03-03-33075, № 05-08-01396 а, № 06-03-32336 а), гранта Министерства образования РФ и CRDF в рамках программы BRHE (проект № 016-02).

Содержание работы:

IV.4 Выводы по главе IV

1. При воздействии на прозрачное РВ импульса излучения, поглощаемого находящимися в РВ частицами, на пределе зажигания при коротких и средних длительностях импульса точка воспламенения находится от поверхности крупной частицы на расстоянии ~ (0.03-K).05)i?o- В случае малых частиц это расстояние по отношению к радиусу частицы значительно больше ~ (0.1^0.15)i?0. При длинных импульсах точка воспламенения на пределе зажигания отдалятся от поверхности крупной частицы, в случае мелких частиц она приближается к поверхности частицы. Это связано с тем, что при зажигании крупной частицей ее температура значительно ниже, чем для мелкой частицей. В результате время зажигания крупной частицей значительно возрастает, увеличивается выгорание вблизи частицы и максимум скорости химического процесса смещается от поверхности, к.п.д. импульса излучения для зажигания возрастает с ростом длительности импульса, а энергетический вклад химического процесса к моменту зажигания остается на два порядка меньше кондуктивного теплоприхода от частицы.

2. На пределе зажигания более быстро зажигают РВ мелкие частицы, но это быстрое зажигание обеспечивает более мощный импульс. Предельная энергия импульса и запасенная от импульса в системе энергия тем меньше, чем меньше радиус частицы. При длительных импульсах с увеличением размера частиц, для зажигания РВ требуется меньшая плотность мощности потока излучения q0. При этом увеличивается время зажигания и увеличивается прогретая от частицы зона РВ.

3. Соседство поглощающих излучение частиц влияет на процесс зажигания РВ при достаточно близком их расположении. Коллективный эффект частиц приводит к уменьшению минимальной плотности энергии (мощности) импульса, необходимой для зажигания. При этом возможно изменение характера прохождения процесса и значительное возрастание времени зажигания. В надкритических условиях коллективный эффект приводит к уменьшению времени зажигания.

4. В случае мелких частиц, их соседство влияет прежде всего на критическую плотность энергии излучения при длительных импульсах. При этом значительно (на 2 порядка) уменьшается предельная плотность мощности излучения, точка воспламенения смещается от поверхности частицы, а время зажигания возрастает на три порядка.

5. В случае коротких импульсов влияние соседства мелких частиц на зажигание КРВ возможно лишь при еще больших их концентрациях (возрастает на 2 порядка по отношению к случаю длительных импульсов). Критические плотности мощности и энергии излучения при этом уменьшаются незначительно (на несколько процентов), но динамика процесса изменяется существенно - воспламенение происходит в режиме теплового взрыва при возрастании времени воспламенения на 3 порядка.

6. В случае крупных частиц их соседство прежде всего отражается на уменьшении времени зажигания при длинных импульсах излучения. Уменьшение предельной плотности энергии импульса происходит при дальнейшем увеличении концентрации: для длинного импульса на два порядка, для короткого - в два раза.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Выполненное в работе исследование позволяет сделать следующие основные выводы.

1. При инициировании РВ частицей высокой температуры определены четыре различных режима прохождения процесса зажигания в зависимости от запаса тепла в частице и выгорания РВ. В фазовом пространстве (Td, d) определены области существования этих режимов и исследован характер их изменения в зависимости от температурного напора частицы. Фазовый переход в горячей частице вблизи критических условий влияет на процесс зажигания РВ, приводя к его неустойчивости. При этом критический размер частицы уменьшается, а время устойчивого зажигания существенно возрастает.

2. Сравнительный анализ зажигания конденсированного вещества при различных способах внешнего теплового воздействия показал: а) при увеличении запасенной в РВ к моменту зажигания энергии от внешнего источника время зажигания увеличивается при воздействии горячей поверхностью и лучистым потоком тепла и уменьшается для очага разогрева и при зажигании горячим телом с конечным запасом тепла; б) при одинаковой запасенной к моменту зажигания в РВ энергии время очагового инициирования на два порядка меньше зажигания горячей поверхностью, лучистым потоком и инертным телом с конечным запасом тепла; в) при очаговом инициировании минимальная энергия и время зажигания наблюдается для П-образного очага разогрева.

3. Исследована динамика зажигания прозрачного РВ при поглощении потока излучения находящимися в веществе мелкими и крупными оптическими! неоднородностями в случае коротких и длинных импульсов излучения. Определенны зависимости предельных для зажигания плотностей мощности и энергии излучения от длительности импульса излучения. Определено влияние выгорания на процесс и пределы зажигания.

4. Влияние соседства поглощающих излучение частиц на процесс зажигания РВ проявляется при близком их расположении. Это влияние отражается на режимах, временных и предельных энергетических параметрах. Коллективный эффект частиц приводит к уменьшению времени зажигания, предельных плотности энергии короткого импульса и плотности мощности длинного импульса излучения. Сближение мелких частиц, прежде всего, отражается на уменьшении критических энергетических параметров импульса, а в случае крупных частиц — на временах зажигания.

1. Обработка металлов взрывом / А. В. Крупин, В. Я. Соловьев, Г. С. Попов, М. Р. Кръетев -М.: Металлургия, - 1991. -496 с.

2. Безопасность жизнедеятельности: Учебник для вузов / Л.А. Михайлов, В. П. Соломин, А. Л. Михайлов, А. В. Старостенко и др. Спб.: Питер, 2007. -302 с.

3. Корольченко А. Я. Пожаровзрывоопасность промышленной пыли. — М.: Химия, 1986.-216 с.

4. Дубовик А.В., Боболев В.К. Чувствительность жидких взрывчатых веществ к удару. М.: Наука, 1978. - 232 с.

5. R.S. Burkina Mikova Е. A. The Analysis of Power and Temporary Parameters of Ignition of Reactive Substances at Various Ways of Thermal Influence // Eurasian Physical Technical Journal. 2004. V.l, № 1. Karaganda, Kazakhstan. -P. 55-61.

6. Микова Е.А. Анализ критериев зажигания при инициировании конденсированного вещества горячей сферой // Материалы I Всероссийской конференции молодых учёных «Физика и химия высокоэнергетических систем». Томск: изд-во Том. ун-та, 2005. - С. 266-268.

7. Микова Е.А. Исследование зажигания реакционноспособного вещества горячей сферической частицей // Физика и химия наноматериалов: Сб. материалов международной школы конференции молодых учёных (13-16 декабря 2005г.). -Томск: ТГУ, 2005. - С. 399-402.

8. Микова Е.А. Исследование воспламенения конденсированного вещества горячей сферой // Материалы II Всероссийской конференции молодых учёных «Физика и химия высокоэнергетических систем». Томск: изд-во Том. ун-та, 2006. - С. 239-241.

9. Буркина Р.С. Микова Е.А. Высокотемпературное зажигание реакционноспособного вещества горячей инертной частицей с конечным запасом тепла // Физика горения и взрыва. 2009. - Т.45. - №2. - С.40-47.

10. Семенов Н. Н. К теории процессов горения // Журн. Рус. Физ.-хим. о-ва. 1928. Т. 60. - № 3. - С. 241-250.

11. Семенов Н. Н. Цепные реакции. — JL: Госхимиздат, 1934. — 555 с.

12. Франк — Каменецкий Д. А. Распространение температуры в реакционном сосуде и стационарная теория теплового взрыва // Журн. физ. хим. 1939. - Т. 13. - вып.6. - С. 738-755.

13. Франк Каменецкий Д. А. Диффузия и теплопередача в химической кинетике. — М.: Наука, 1987. — 490 с.

14. Барзыкин В.В., Мержанов А.Г. Краевая задача в теории теплового взрыва // Докл. АН СССР. 1958. - Т.120. - №6. - С.1271-1273.

15. Мержанов А.Г., Абрамов В.Г., Гонтковская В.Т. О закономерностях перехода от самовоспламенения к зажиганию //Докл. АН СССР. -1963. — Т.148. -№1. — С.156-159.

16. Зельдович Я. Б. Теория зажигания накаленной поверхностью // Журнал экспериментальной и теоретической физики. 1939. - Т. 9. -№ 12. -С. 1530-1534.

17. Зельдович Я. Б. К теории зажигания // Докл. АН СССР.-1963.-Т. 150.-№2.-С. 283-285.

18. Вилюнов В.Н. Теория зажигания конденсированных веществ. -Новосибирск: Наука, 1984. 190 с.

19. Вилюнов В.Н. К тепловой теории зажигания // Физика горения и взрыва. 1966. - Т. 2. - № 2. - С. 77-82

20. Вилюнов В.Н., Сидонский О.Б. К вопросу о зажигании конденсированных систем лучистой энергией // Физика горения и взрыва. —1965. Т. 1. - № 4. - С.39-43.

21. Аверсон А. Э., Барзыкин В. В., Мержанов А. Г. Приближенный метод решения задач тепловой теории зажигания // Докл. АН СССР. 1968. Т. 178, № 1. С. 131-134

22. Вилюнов В.Н., Колчин А.К. О зажигании конденсированных ВВ при кондуктивном подводе тепла от сред с плохой теплопроводностью // Физика горения и взрыва. 1966. - Т. 2. - № 3. - С. 101-109.

23. Аверсон А. Э., Барзыкин В. В., Мержанов А. Г. Закономерности зажигания систем при идеальном теплообмене па поверхности с учетом выгорания // Инженерно физический журнал. - 1965. - Т. IX. - № 2. - С. 245249.

24. Шкадинский К. Г. Особенности выхода на установившийся режим горения при зажигании безгазовых составов накаленной прверхностью // Физика горения и взрыва. 1971. - Т. 7. - № 3. - С. 332-336.

25. Шкадинский К. Г., Хайкин Б. И., Мержанов А. Г. Распространение пульсирующего фронта экзотермической реакции в конденсированной фазе // Физика горения и взрыва. 1971. - Т. 7. - № 1. - С.19-28.

26. Гришин А. М., Субботин А.Н. О сопряженном теплообмене между нагретыми инертными телами и реакционноспособной средой // Тепло- и массоперенос. Т. 1. 4.1. Минск: Изд. ИТМО АН БССР. 1972. С. 286-294.

27. Гришин А. М. О решении одного класса задач теории зажигании // Первый всесоюзный симпозиум по горению и взрыву. 19-24 февраля 1968 г. Тезисы докладов. М: Наука, 1968. С.15.

28. Гольдшлигер У.И., Прибыткова К.В., Барзыкин В.В. Зажигание конденсированных веществ накалённым телом конечных размеров // Физика горения и взрыва. 1973. - Т. 9. - № 1. - С. 119-132.

29. Лоскутов Г.С., Сандрыкина Т.С., Сопряженная задача кондуктивного теплообмена между нагретой частицей и реакционной средой //

30. Математическое моделирование аэротермохимических явлений. — М.: Изд-во ВЦ АН ССР. 1974. - С. 145-155.

31. Кузнецов Г.В., Мамонтов Г .Я., Таратушкина Г.В. Численное моделирование зажигания конденсированного вещества нагретой до высоких температур частицей // Физика горения и взрыва. 2004. - Т. 40. - № 1. — С. 7885.

32. Кузнецов Г.В., Мамонтов Г.Я., Таратушкина Г.В. Зажигание конденсированного вещества горячей частицей // Химическая физика. 2004. -Т. 23. - № 3. - С. 67-72.

33. Берман B.C., Рязанцев Ю.С. О поджигании гомогенной реагирующей среды тепловым источником с конечным запасом тепла // Прикладная математика и механика. 1976. - Т. 40. - вып.6. - С. 1065-1069.

34. Боуден Ф.П., Иоффе А.Д. Быстрые реакции в твердых веществах. М.: Изд-во иностранной литературы, 1962. 234 с.

35. Бриш А.А., Галеев И.А., Зайцев Б.Н. и др. О механизме инициирования конденсированных ВВ излучением ОКГ // Физика горения и взрыва. 1969. - Т. 5. - № 4. - С. 475-480.

36. Александров Е.И., Вознгок А.Г. Инициирование азида свинца лазерным излучением // Физика горения и взрыва. 1978. - Т. 14.-№ 4. -С. 86-91.

37. Hagan J.T., Chaudhri М.М. Low energy laser initiation of single crystals of p-lead azide // Journal of materials science. 1981. - Vol. 16. 9. - P. 24572466.

38. Карабанов Ю.Ф., Боболев B.K. Зажигание инициирующих ВВ импульсом лазерного излучения // Докл. АН СССР. 1981. - Т. 256. -№ 5. -С. 1152-1154.

39. Александров Е.И., Ципилев В.П. Исследование влияния длительности возбуждающего импульса на чувствительность азида свинца к действию лазерного излучения // Физика горения и взрыва. 1984. - Т. 20. -№6.-С. 104-109.

40. Александров Е.И., Вознюк А.Г., Ципилев В.П. Влияние поглощающих примесей на зажигание ВВ лазерным излучением // Физика горения и взрыва. 1989. - Т. 25. - № 1. - С. 3-9.

41. Ворожцова О.Б. Очаговый тепловой взрыв при воздействии импульсного излучения // Химическая физика. — 1990. — Т. 9. № 12. — С. 1639 -1643.

42. Александров Е.И., Сидонский О.Б., Ципилев В.П. Влияние выгорания в окрестности поглощающих включений на процесс лазерного зажигания конденсированной среды // Физика горения и взрыва. —1991.— Т. 27.-№3,-С. 7-12.

43. Чернай А.В. О механизме зажигания азидов свинца лазерным моноимпульсом // Физика и техника высоких давлений. — 1997. — Т. 7. — № 4. -С. 60-68.

44. Ассовский И.Г. Физика горения и внутренняя баллистика. М.: Наука, 2005. - 357 с.

45. Буркина Р. С., ВилюновВ.Н.О возбуждении химической реакции в горячей точке // Физика горения и взрыва. 1980: - Т. 16. - № 4. - С.75-79.

46. Буркина Р.С., В.Н. Вилюнов В.Н. Очаговое тепловое воспламенение при произвольном начальном распределении температуры // Химическая физика. -1982. Т. 1. -№3. -С.419-422.I

47. Самарский А.А. Теория разностных схем. М. Наука, 1983. 616 с.

48. Коздоба JI.A. Методы решения нелинейных задач теплопроводности. М. Наука, 1975. 227 с.

49. Кухлинг X. Справочник по физике. М., Мир, 1984 520 с.

50. Рэди Дж. Действие мощного лазерного излучения. М.: Мир, 1974. -468 с.

51. Рыкалин Н. И., Углов А.А., Зуев И.В. и др. Лазерная и электроннолучевая обработка материалов: Справочник. М.: Машиностроение, 1985. — 495 с.

52. Буркин В.В., Буркина Р.С. Исследование энергетических параметров электроплазменного устройства зажигания конденсированныхсреакционноспособных веществ // Хаос и структуры в нелинейных системах.

53. Теория и эксперимент Материалы 5-й международной научной конференции. Часть 2. Астана: Изд-во ЕНУ. - 2006. - С. 220-225.

54. Кригер В.Г., Каленский А.В. Инициирование азидов тяжелых металлов импульсным излучением // Химическая физика. 1995. - Т. 14.-№4.-С. 152-160.

55. Кригер В.Г., Каленский А.В. Размерный эффект при инициировании разложения азидов тяжелых металлов импульсным излечением // Химическая физика. 1996. - Т. 15. - № 3. - С. 40-47.

56. Адуев Б.П., Алукер Э.Д., Кречетов А.Г. Дивакансионная модель инициирования азидов тяжелых металлов // Физика горения и взрыва. 2004. — Т. 40.-№2.-С. 94-99.

57. Ханефт А.В. Гетерогенно-цепной механизм инициированияазида свинца лазерным импульсом в области прозрачности кристалла // Химическая физика.-2004.-Т. 23. -№5. -С. 55-61.

58. Александров Е.И., Ципилев В.П. Влияние давления прессования на чувствительность азида свинца к действию лазерного излучения // Физика горения и взрыва. -1982. -Т. 18. -№2. -С. 100-103.

59. Медведев В.В. Лазер с регулируемой длительностью импульса на базе серийных ОКГ ГОС-301 // Приборы и техника эксперимента. 2000. № 6. С. 89-91.

60. Александров Е.И., Ципилев В.П. Особенности светового режима в объеме полубесконечного слоя ДСР при освещении направленным пучком конечной апертуры//Изв. вузов Физика. 1988. -Т. 31. —№10. -С. 23-29.

61. Александров Е.И., Вознюк А.Г. Влияние статистики поглощающих неоднородностей на лазерное инициирование взрывчатого разложения // Физика горения и взрыва. 1988. - Т. 24. - № 6. - С. 98-100.

62. Zaturska М.В. The interaction of hot spots // Combustion and Flame. -1974. V. 23. -№3. -P. 313-317.

63. Zaturska M.B. Thermal explosion of interacting hot spots // Combustion and Flame. 1975. -V. 25. -№ 1. -P. 25-30.