Сухов А.В. - Порошкообразные металлические горючие, страница 7

Значительное влияние на _г частиц металлов оказывает концентрация окислительных элементов в среде [4, 104, 106]. Увеличение х_02 (рис.1.31, 1.32) снижает время горения как Al, так и Mg. Эти экспериментальные данные соответствуют диффузионной теории горения.

Большой научный и практический интерес представляет изучение влияния паров воды на процессы горения металлов. В настоящее время имеется ограниченное количество работ в этой области, причем проведем они при атмосферном давлении и данные их часто противоречивы. Так, в ряде работ отмечено значительное уменьшение времени горения металлических частиц с увеличением концентрации окислителя. Например, в [110] при исследовании взаимодействия алюминия с водяным паром установлено, что реакция окисления протекает значительно быстрее, чем c кислородом, в то время как в процесс горения тех же частиц в [92, 106, 107] обнаружен обратный эффект. Их эксперименты показали, что с увеличением концентрации водяных паров время горения частиц Al возрастает. Кроме того, авторы работ [106, 107] установили, что присутствие водяных паров приводит к прекращению интенсивного диффузионного свечения вокруг горящей частицы. Уже при парциальных давлениях паров H₂O порядка 0,01 МПа реакция со свечением ограничена областью, непосредственно прилегающей к частице. Обнаружено также, что в присутствии значительного количества паров воды происходит образование полых пузырьков окиси.

Аналогичные результаты получены в [62]. Автор исследовал влияние паров H₂O на горение проволочек Be в смесях Ar—H₂O, при относительных концентрациях H₂O 0, 25, 50, 75, 100% и пришел к выводу, что в присутствии паров воды горение металла протекает медленнее, чем в О₂.

Расчеты с использованием диффузионных моделей горения обычно дают квадратичную зависимость _г от начального размера частицы. Зависимости, полученные экспериментальным путем, также имеют степенной вид (_г  d₀^m), однако значения показателя степенной функции m получены разные и не всегда равны двум.

Так, для частицы Al по данным [4, 106] m = 1,5; по данным [l04] m = 1,8. Для Mg значение m изменяется от 1,6 [23] до 3 [30], для бора m = 1,3 [14]. Сведения о влиянии давления на m также не однозначны. Так, в работах [4, 104] не было зафиксировано влияние давления на показатель степени m. При горении же Mg в смесях H₂O + N₂ отмечено увеличение m от 1,6 до 2,6 при увеличении давления от 0,1 до 0,11 МПа (рис.1.33) [23]. Авторы пришли к выводу, что данное явление обусловлено изменением механизма горения. Кроме того, как показали эксперименты, для частиц алюминия не всегда можно применить сферическую модель горения. Это связано о тем, что на поверхности горящей частицы появляются области, покрытые пленкой окиси, которая скапливается в виде линзообразного колпачка. Наблюдения показали, что горение связано лишь со свободной от окиси поверхностью [22]. Поэтому можно предположить, что отличие показателя m от 2 связано также с асимметрией (отсутствием сферичности) процесса.

Рис. 1.33.

В камере сгорания двигателей, использующих металлсодержащее топливо, всегда имеется определенное скоростное запаздывание частиц конденсированной фазы относительно движущегося газа. Если в пределах камеры сгорания даже небольшие относительные скорости влияют на время горения частиц металла, то в докритической части сопла (где горение еще может

происходить) скоростное запаздывание значительно и может оказывать большое влияние на процесс горения. Возможен даже срыв пламени с горящей частицы, т.е. прекращение ее горения. Поэтому, чтобы получить металлсодержащие топлива с высокой полнотой сгорания, необходимо исследовать горение частиц при интенсивном обдуве.

В настоящее время количество экспериментальных данных по влиянию W_отн на _г крайне ограничено. В [43] исследовано горение крупных подвешенных частиц Mg с начальным диаметром d₀ = 3,15 и 4,75 ми в потоке воздуха. Частицы разогревались в пламени горелки до температуры плавления в затем быстро вносились в поток окислителя, где воспламенялась и сгорали. Отмечено увеличение _г с ростом температуры окружающей среды при наличии обдува. Это явление автор обменяет уменьшением числа Re_отн с возрастанием коэффициента кинематической вязкости воздуха.

Имеющиеся в литературе экспериментальные данные свидетельствуют о значительном влиянии концентрации частиц металлов не только на процесс воспламенения (как было показано в разд.1.2), во и на время их горения. Если время индукции с ростом концентрации частиц уменьшается за счет увеличения влияния излучения, то время горения, наоборот, увеличивается.

При увеличении концентрации частиц до I0...20% _г возрас­тает в 5...8 раз по сравнению с _г одиночных частиц. Так, оди­ночные частицы Al диаметром 15 мкм сгорали за время _г = 1,3 мс, увеличение концентрации частиц Al до 10% привело к росту _г до 5,5 мс, при концентрации 20% _г уже составило 7,5 мс [5]. Объясняется это тем, что о увеличением концентрации частиц Al в процессе горения изменяется состав среды — уменьшается содержа­ние активных кислородоносителей (О₂, Н₂О и СО₂), тогда как при горении одиночных частиц можно считать состав среда неизменным. Термодинамические расчеты показали, что с каждым процентом сгоревшего Al происходит уменьшение относительной концентрации Н₂О и CO₂ в среднем на 2%, т.е. одной из причин увеличения _г явля­ется ухудшение окисляющих характеристик среды в процессе выгора­ния Al.

В аналитических методиках, с помощью которых определяется время горения совокупности металлических частиц, за основу берет­ся либо модель горения одиночной частицы [28], либо предполагает­ся, что на поверхности частиц протекает только гетерогенная реак­ция [11]. Эта допущения могут привести к существенный погрешнос­тям. В частности, отмечалось превышение экспериментальных значе­ний _г по сравнению с расчетными, которое можно объяснить еще тем, что при значительном уменьшении концентрации активных кислородоносителей в конце процесса горения может произойти переход от газофазной формы горения к поверхностной. Последнее обстоятельство может значительно уменьшить скорость горения.

Кроме того, одной из возможных причин увеличения _г являет­ся укрупнение частиц. Агломерация приводят к тому, что фактически происходят горение частиц, большие по размерам, чем исходные.

Наименее изученным к настоящему моменту является вопрос о влиянии давления на процесс горения металлов, которое имеет большое как научное, так и прикладное значение.

По данным [4, 104] можно заключить, что при горении алюминия _г уменьшается с ростом давления. Однако существует некоторое значение Р_ср, выше которого _г практически не зависит от давления; в [4] это 2, 5...3 МПа (рис. 1.34) в [104] 6...10 МПа. (рис. 1.35). В [115] при исследовании горения проволочек алюминия в О₂ обнаружено, что _г  в диапазоне 0,1 ...10 МПа.

П

ри горении Mg в среде H₂O + N₂ [23] зафиксировано уменьшение скорости горения с ростом Р_ср (рис.1.36). Однако в ряде работ [46, 75] (рис.1.37) обнаружена прямо противоположная зависимость. По некоторым данным зависимость _г = f (Р_ср) имеет для Mg макси­мум, который соответствует давлению 0,0525 МПа [93], либо 0,2 МПа [114, 115]. Следует отметить, что ограни­ченность и противоречивость имеющихся в литературе данных по влиянию давления на характеристики горения металлов не позволяют порой сделать даже качественные выводы. Чтобы привести в соответствие расчетные методики с резуль­татами экспериментов по выявлению влияния давления на характе­ристики горения металлов, исследователи вдвинул» ряд предполо­жений. Так, в [80, 87] предпринята попытка связать влияние давления на _г с изменением теплоты испарения горючего по мере приближения к критическим условиям. Однако если такой подход может быть приемлем для ряда углеводородных и криогенных топлив, то в случае горения металлов трудно ожидать какого-либо аффекта (в связи с очень высокими значениями Т_кр и Р_кр [25]).

Зависимость _г от Р_ср получена в [32, 117] при допущении о конденсации окисла на поверхности горящей частицы. Однако, принимая во внимание значительную разницу между Т_S и T_кип^ок, вероятнее всего предположить, что пары окиси конденсируются не достигая поверхности частицы, и затем выносятся в зону пламени за счет стефановского потока массы. В этом случае конденсация окиси может повлиять лишь на профиль температуры в зоне между фронтом пламени и поверхностью частицы и не может оказать существенного влияния на теплоподвод к горящей частице.

Отмеченный в некоторых экспериментальных исследованиях возрастающий характер зависимости _г = f(Р_ср) объяснить теоретически не удалось [23]. Кроме того, в имеющихся методиках расчета _г практически не учитывается стадия формирования фронта пламени, что в определенных условиях также может приводить к существенным погрешностям расчетов.

Еще одним фактором, который не удается объяснить с позиции стационарной и квазистационарной диффузионной теории горения, является горение частиц металлов с дроблением. Зафиксировано дробление частиц Al (рис .1.38) [106], Mg [21], сплавов Al—Mg [6, 7, 75]. Отмечено, что применительно к сплавам Al—Mg зависимость доли частиц, подверженных горению c дроблением, от содержания Mg имеет сложный характер (рис. 1.39), максимум которой соответствует содержанию Mg 55...56%. В работе [75] подчеркивается, что особенно интенсивно частицы сплавов дробятся при температурах выше 3100 К.

Наиболее вероятными причинами дробления металлических частиц, по мнению многих исследователей, являются нестационарный перегрев, выход растворенных газов в выкипание легкокипящего компонента (для сплавов).

Таким образом, ни одна из рассмотренных физических моделей процесса горения частиц металлов (поверхностная, газофазная) полностью не соответствует всем экспериментальным фактам.

Наиболее развитая газофазная диффузионная теория горения не согласуется с экспериментом и с точки зрения влияния давления на скорость горения металлов.

Экспериментальные исследования проводились в основном при низких давлениях, за исключением газогенераторных установок на жидком либо твердой топливе. Однако эти установки (как указывалось в подразд. 1.1) не позволяют в необходимом, диапазоне изменения параметров автономно исследовать влияние на скорость горения металлических частиц давления, температуры и химического состава окислительной среды. Кроме того, следует отметить ограниченность и противоречивость многих экспериментальных данных, особенно по влиянию химического состава и давления среды на _г металлов.

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ПРОЦЕССОВ

ВОСПЛАМЕНЕНИЯ И ГОРЕНИЯ ПОРОШКООБРАЗНЫХ МЕТАЛЛОВ

Как указывалось выше, теоретическое (как и экспериментальное) исследование процессов воспламенения и горения ПМГ обычно осуществляется в несколько этапов. Первый этап исследований осуществляется на одиночных частицах металлов и составляет основу дальнейших разработок применительно к совокупности взвешенных частиц ПМГ (при реальных соотношениях компонентов) в условиях сначала ламинарного, а затем турбулентного течений. Поэтапность проводимых исследований способствует более глубокому изучению механизма воспламенения и горения частиц металлов, выявлению определяющих параметров и факторов и в коночном итоге позволяет разработать практические рекомендации и расчетные методики по определению характеристик воспламенения и горения металлических горючих, используемых в ДУ.

2.1. Анализ нестационарности

Процессы воспламенения и горения капель (частиц) горючего в газообразном окислителе являются нестационарными, так как по времени меняются T_s, T_f, и другие параметры. Однако ввиду чрезвычайной сложности нестационарных методов характеристики воспламенения и горения металлических горючих, как и капель жидких топлив, обычно рассчитываются на основе квазистационарных моделей. Вычисленные по ним характеристики при атмосферном давлении, как правило, удовлетворительно согласуются с результатами эксперимента [86]. Однако при давлении выше атмосферного, особенно при использовании металлических горючих, влияние нестационарности процессов воспламенения и горения на конечные расчетные характеристики остается малоизученным.