Механика жидкости и газа. Избранное. Под общей ред. А.Н. Крайко. (1014100), страница 23
Текст из файла (страница 23)
В настоящее время делаются попытки использовать это явление, названное фронтальной полимеризацией, в технологии полимерных материалов. Оба приведенных примера относятся к распространению тепловых волн в твердых телах, когда с хорошей точностью можно пренебрегать влиянием деформации и движения среды на поведение экзотермических волн. Экзотермические волны в твердых телах без их газификации в настоящее время наиболее полно исследованы экспериментально и теоретически при так называемом безгазовом горении конденсированных систем.
Эти исследования начались после того, как в 1967 г. удалось осуществить горение в безгазовой системе, в которой исходным материалом была спрессованная смесь порошков титана и бора, а продуктом реакции --. диборид титана [9]. При этом волна горения распространялась по цилиндрическому образцу со скоростью в несколько см/с, температура в волне горения вследствие сильной экзотермичности реакции соединения титана с бором превышала 3000 К.
Подобные процессы получили название самораспространяющегося высокотемпературного синтеза и в настоящее время нашли интересные и важные приложения в технологии. Сойчас известны многие реакции подобного типа, в которых реагентами являются металлы (титан, цирконий, гафний, молибден и др.), неметаллы (бор, углерод, кремний и др.), соединения элементов (азины, углеводороды и др.). Продукта- 129 Энзотсрничсспис полны о сплошных срсдох ми реакций являются денные вещества карбиды, борины, теллуриды, интсрметаллиды и многис другие.
Скорости распространения тепловой волны в разных случаях лежат в диапазонс от 0.2 до 45 слс/с, а максимальные температуры 1000 4000 К. На рис. 14 показана фотография горсния образца состава с образованием в качестве пролукта Хг Вз (диборид циркония). Виден четкий Рис. 14 фронт горсния, отделяющий исходную смесь порошков от раскаленного продукта горения. На рис. 15 приведсны для примера профили температуры, полученные в системе "титан — углерод" оптичсским мето- [Гл. 1ЗО 1.Г. Черный гзоо тс 1000 1500 1100 о 2 з -0.5 0 0.5 1.0 1.5 Рис. 15 дом и в системе "молибден — бор" с помощью термопар.
Во втором случае профиль имеет более сложную структуру, что отражает стадийный характер процесса. В настоящее время теория стационарных волн горения в системах с самораспространяюшимся высокотемпературным синтезом интенсивно развивается и привела к ряду интересных результатов [9[. Приведем еще один весьма любопытный и важный в прикладном отношении пример двухфазной среды со своеобразным механизмом тепловыделения, который может приводить к возникновению самоподдерживающихся тепловых волн типа детонации.
Пусть в одной жидкости (назовем ее холодной) диспергированы крупные частицы другой жидкости (назовем ее горячей) с температурой, значительно превосходящей температуру парообразования холодной жидкости при данном давлении. В этом случае каждая диспергированная частица окружена слоем пара, через который происходит подвод тепла от горячей жидкости к холодной. При малой теплопроводности пара этот теплоподвод, который можно рассматривать как тепловыделение внутри холодной жидкости, происходит достаточно медленно. С увеличением давления в среде растет температура парообразования, вследствие чего слой пара вокруг частиц становится тоньше и теп- 1.9) Энзвтермппесние волны в сплошных.
средах лоподвод возрастает. Если давление поднять до значения, при котором паровой слой исчезнет, то теплоподвод резко возрастет. Подъем давления в достаточно сильной ударной волне, в которой капли могут дробиться, приведет к еще более резкому теплоподводу (он при данной массовой концентрации капель обратно пропордионален квадрату их радиуса). Таким образом, за ударной волной может происходить многократное увеличение скорости тепловыделения в холодной жидкости по сравнению с ее значением перед волной.
Это приведет к сильному нагреву жидкости и возможности ее бурного (взрывного) вскипания в ::о'®. о о 'оо ° „ Ов вс Ов ° о ~~ пузырек пара ° ° .'О."О о ООо. Оо О О ° О О холодная О О ° ° слой пара Рис. 16 (рис. 16). Средняя плотность среды при этом упадет, что в условиях стационарного распространения волны тепловыделения приведет к росту скорости среды относительно волны.
Таким образом, создаются условия возникновения самоподдерживающихся волн типа волн детонации. Подобного рода явления наблюдались в экспериментах, и к ним привлечено значительное внимание в связи с возможностью возникновения этих явлений при авариях в реакторах с жидким теплоносителем и других технических устройствах ~10].
Подводя итог изложенному, можно утверждать, что к настоящему времени обнаружены многие интересные и важные для практических приложений зкзотермические процессы, способные распространяться по веществу в виде тепловых волн. В ряде случаев структура стационарных тепловых волн изучена теоретическими методами., которые берут начало в теории волн химического горения и представляют собой дальнейшее существенное развитие этой теории. В некоторых случаях структуру волн удается изучить и экспериментальным путем. Теория стационарных тепловых структур с тепловыделением представляет собой лишь часть значительно более общей и важной те- [Гл. 132 1.Г.
черимя ПРОПИЛЕИ Рис. 17 ории нестационарного распространения экзотермических процессов. Эта теория имеет уже довольно длительную историю развития и в ней получены важные результаты, однако многие вопросы этой теории находятся еще в первоначальной стадии и ответ на них требует дальнейших серьезных исслсдований. Из всей совокупности вопросов теории нестационарного распространения экзотермических волн выделим лишь два. Первый — вопрос об инициировании самоподдерживающегося тепловыделения в волнах разного типа в ра.зличных системах, второй --- вопрос об устойчивости простых одномерных стационарных и нестационарных тепловых структур и в случае потери ими устойчивости вопрос о сменяющих их многомерных нестационарных тепловых структурах. То, что волны интенсивного тепловыделения при химических реакциях могут распространяться по однородной неподвижной среде в виде пространственных стационарных и нестационарных в большей или меньшей степени упорядоченных структур, известно давно.
Первым указанием на нестационарный пространственный характер распространения волны детонации в трубе было обнаружение в 1927 г. явления, названного "сливовой" детонацией [1Ц. На фотографиях с разверткой по времени наблюдался колеблющийся светящийся фронт с отходящими от него сзади полосами. Объяснение этого явления состоит в том, что в волне имеется область с более высокой, чем средняя, температурой и, следовательно, с большей светимостью, причем по мере распространения фронта эта область вращается вокруг оси трубы.
Через некоторое время выяснилось [12[,что в ряде случаев фронт нормального горения имеет не одномерную структуру,а состоит из повторяющихся пространственных ячеек, т.е. образует так называемое "ячеистое" пламя. Ячейки пламени не являются стационарными, а непрерывно изменяются, причем это изменение заключается в росте 1.9) Экзотермичесние волны в сплошных средох Рис.
18 более крупных ячеек за счет меньших с последующим распадом самых крупных ячеек на две или на несколько маленьких. Было установлено также, что и фронты химической детонации в газах, как правило, тоже имеют ячеистую, притом существенно нестационарную структуру, основные характерные особенности которой теперь уже довольно хорошо изучены экспериментально. В меньшей мере такому изучения> подверглись конденсированные взрывчатые вещества ~13, 14~.
На рис. 17 и 18 показаны фотографии ячеистого пламени и отпечаток на плоской пластине, покрытой сажей, сферической детонации в ацетилено-кислородной смеси при начальном давлении ро = 6.7 кПа. В случае ячеистого пламени характерный размер ячейки имеет порядок 10 толщин одномерной зоны реакции, при ячеистой детонации характерный размер ячейки имеет также порядок 10 толщин одномерной зоны реакции. Удовлетворительное теоретическое описание нестационарных пространственных тепловых структур пока не достигнуто, сведения об этом явлении основываются почти полностью на экспериментальном наблюдении с использованием при послодующей обработке результатов простейших теоретических соображений. О некоторых новых результатах в этой области и проблемах будет сказано в заключительной части работы.
Ограничимся пока проблемой нестационарного 1Гл. 134 г.г. ЧеряьМь распространения одномерных экзотермических волн, включив в нее н вопрос об их инициировании. В наибольшей степени вопрос о нестационарном распространении одномерных тепловььх структур изучен в двух предельных случаях. В первом случае пренебрегается 100 движением среды при распространении тепловых волн, но учитываются процессы переноса. Во втором случае учитывается влияние экзотермических процессов на движение среды, но не рассматриваются процессы переноса, т.е. для волн детонации принимаются кинетические модели.
Число работ, в которых изучаются оба эффекта, сравнительно невелико. Начнем с некоторых результатов для кинетических моделей. В работах, относящихся в основном к 60-мгг. (их обзор дан в книге [14]), была весьма детально рассмотрена в линейной постановке устойчивость одномерной стационарной волны сильной детонации с одной необратимой реакцией аррениусовского типа в совершенном газе с постоянными теплоемкостями по отношению к продольным и поперечным возмущениям. Нахождение границ области устой- 10 О.! 100 10 0.1 чивости в пространстве определяющих переменных потребовало даже в этой простейшей модели весьма трудоемкой вычислительной работы.
Что же касается нахождения частот и инкремента возмущений, то они опрсцелялись лишь в небольшом числе случаев. Основной вывод линейного анализа состоит в том, что всегда существуют растущие поперечные возмущения с конечной частотой. Что касается продольных возмущений, то при малых энергиях активации они затухают даже для волн детонации, близких к нормальным. При любой 100 10 0.1 1 2 3 4 Рис. 19 136 Г.Г. Черный 6.7 К настоящему времени выполнено болыпое число расчетных исследований распространения одномерных нестационарных волн детонации с использованием кинетических моделей разной сложности.
Приведем некоторые примеры. Если решать численно задачу Коши и в качестве начального условия взять распределение параметров в стационарной волне, а в качестве условия на бесконечности за волной условие отсутствия отражения возмущений, идущих туда вдоль характеристик, то для случаев, когда согласно линейной теории стационарная волна устойчива, волна продолжает распространяться в стационарном режиме. Малые отклонения от принятыхначальныхданных быстро затухают. Если же проводить расчет для линейно-неустойчивой волны, то вычислительные ошибки используемых конечно-рэ.зностных методов служат источником малых возмущений и очень быстро приводят к колебательному режиму распространения волны детонации.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
