Сухов А.В. - Порошкообразные металлические горючие (1043381), страница 12

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 12)

Уравнение выгорания металла

(2.75)

Учитывая, что при поверхностном режиме горения температура частиц Al изменяется в довольно узком диапазоне, можно принять Т_S = const.

Из (2.23) и (2.74) при условии стехиометрии расходов массы металла и окислителя получим

Интегрируя уравнение (2.75), найдем

Из уравнения (2.79) следует, что поверхностный режим горения характеризуется обратно пропорциональной зависимостью _Г от давления, что соответствует полученным экспериментальным данным в области поверхностного режима горения (рис.2.15).

Таким образом, на основании представленной теоретической модели рост давления приводит к увеличению скорости гетерогенной химической реакции на поверхности частицы и, следовательно, тепловыделения. Последнее при определенном давлении и температуре начинает превышать теплоотвод от частицы, что приводит к росту ее температуры и плавлению окисной пленки, которая при этом может разорваться, потерять сплошности и т.д. Проницаемость пленки резко возрастает. Увеличивается концентрация окислителя на поверхности металла и соответственно скорость гетерогенной химической реакции. Температура частицы достигает значений, близких температуре кипения металла, что приводит к резкому увеличению скорости испарения, а следовательно, давления насыщенного пара и потока паров металла.

Возросший поток паров металла окончательно разрушает жидкую окисную пленку, что часто приводит к нарушению устойчивости самой капли, ее дроблению. Фронт пламени отходит от поверхности частиц, что соответствует качественному изменению режима горения: переходу поверхностного горения в газофазное. Таким образом, развитию эффективного газофазного режима горения всегда предшествует малоэффективный поверхностный, длительность которого в значительной степени зависит от размера частиц Al, давления и тeмператуpы среды. Следовательно, снижение продолжительности поверхностного режима горения с ростом давления также приводит к уменьшению общего времени горения.

По предложенной методике проведены расчеты времени поверхностного и газофазного режимов горения одиночных частиц Al в среде водяного пара. В расчете поверхностного режима горения принято  К₀ = 10⁵, Е₀ = 167 · 10⁶ Дж/моль.

Результаты расчета _г частиц Al в среде паров воды при поверхностном и газофазном режимах горения приведены на рис. 2.15 и 2.16. Как видим, _г на газофазном режиме горения значительно (в 4...6 раз) меньше _г тех же частиц на поверхностном режиме. Результаты расчета по представленной выше методике удовлетворительно согласуются с экспериментом и существенно отличаются от результатов расчета по классической диффузионной теории в области давлений до  5 МПа. Объясняется это, как указывалось выше, наличием дополнительного диффузионного сопротивления К-зоны, которое не учитывается в классической теории. При достижении   5...6 МПа длина свободного пробега газовых молекул становится меньше расстояния между cyбмикpoнными частицами К-фазы (l < Z), т.е. диффузионное сопротивление К-зоны становится пренебрежимо малым. Иными словами, при Рср > 5...6 МПа результаты расчетов по классической диффузионной теории и представленной методике должны иметь полное согласование (правая часть привой, рис. 2.16).

Расхождение же расчетных и экспериментальных данных в этой области давлении объясняется частичным дроблением образцов Al yа газофазном режиме.

Результаты расчетов характеристик воспламенения и горения В по предложенной методике довольно серьезно отличаются от экспериментальных данных (на 50% и более). Объясняется это, в частности тем, что в модели принято допущение о бесконечно малой толщине фронта пламени горящих в газофазном режиме частиц, которое для бора не приемлемо, так как частицы последнего горят с существенно растянутым по толщине фронтом пламени. Растянутость фронта пламени объясняется наличием промежуточных продуктов сгорания — низших окислов ВО и В₂О₂, образующихся вблизи поверхности частиц и доокисляемых до конечных продуктов В₂О₃ и ВО₂ вдали от поверхности.

Таким образом, рассмотренная квазистационарная модель процессов воспламенения и горения металлов разработана на основе реализации двух режимов горения: поверхностного и газофазного. Модель и соответствующая методика расчета позволяют с единых позиций рассчитывать характеристики процессов воспламенения и горения различных металлов, значительно отличающихся по тепло-физическим свойствам и свойствам покрывающих их окисных пленок (Mg, Al, Be, Zr, Ti и др.).

Рис .2.16

Расчет и анализ характеристик воспламенения и горения металлов (совместно с результатами эксперимента) в широком диапазоне изменения Тср, d₀, Рср, Re_отн показал, что перечисленные параметры по-разному влияют на рассматриваемые процесса. Например, скорость горения Mg сравнительно слабо зависит от давления (изменение ее составляет не более 20...30%), причем рост давления может оказывать как положительное, так в отрицательное влияние на _г в зависимости от d₀, Тср, Re_отн. Физическая сущность такого влияния Рср на _г Mg заключается в изменении продолжительности неустановившегося режима горения частиц при изменении давления среды. Скорость же горения Al с ростом Рср может изменяться значительно больше (в 3...4 раза и более), причем механизмы влияния Рср на _г алюминия совершенно иные и на разных режимах горения могут быть различными: поверхностный режим горения Al характеризуется гетерогенной реакцией, скорость которой зависит от давления и, следовательно, общее время горения является функцией давления среды; отличительной особенностью газофазного режима является наличие К-зоны, влияющей на диффузионное сопротивление газообразного окислителя и, следовательно, на _г. Иначе говоря, изменение скорости горения здесь уже связано с изменением массового потока окислителя ввиду наличия дополнительного диффузионного сопротивления субмикронных частиц окиси алюминия, являющегося функцией давления газовой среды. Это явление установлено только для определенного диапазона изменения давления среды, размеров К-фазы и других параметров.

Рассмотренный механизм влияния Рср на _г алюминия, связанный с изменением диффузионного сопротивления К-зоны, не реализуется при горении Mg, что объясняется значительно большими расстояниями между конденсированными частицами в К-зоне (для Mg , а для Al ). С другой стороны, механизм влияния Рср на _г частиц Mg не реализуется при горении алюминия, что обменяется значительно меньшей продолжительностью неустановившегося режима у Al (ввиду более высоких Т_в), нежели у Mg (см.рис.2.12).

2.4. Квазистационарная модель для газовзвеси ПМГ

На основании рассмотренной выше модели процессов воспламенения и горения одиночных частиц металлов строится квазистапионарная модель и методика расчета характеристик тех же процессов для совокупности (газовзвеси) металлических порошков в газообразных окислительных средах (2.17).

Основные различия условий (модели) воспламенения и горения высококонцентрированной газовзвеси порошков металлов от одиночных частиц (или совокупности их низкой концентрации) заключаются в наличии теплообмена (радиационного и теплопроводностью) между металлическими частицами (и, следовательно, иных температурных условий), изменении концентрации газообразного окислителя на границе приведенной пленки частицы по мере ее выгорания и др.

Кроме того, в отличие от одиночных частиц в процессе горе­ния высококонцентрированной газовзвеси металлических порошков, как правило, реализуются температурные условия, при которых практически исключено горение металлов в поверхностном режиме. Соответственно исключается влияние давления на скорость горения Al через кинетику поверхностного (гетерогенного) горения. Опре­деляющим становится влияние диффузионного сопротивления К-зоны на массовый поток газообразных реагентов, зависящий от давления среды в определенном диапазоне его изменения.

Представленная методика позволяет проводить расчеты харак­теристик процессов воспламенения и горения газовзвеси порошков различных металлов в любых окислительных средах в диапазоне па­раметров реальных двигательных установок, использующих высоко-металлизированные топлива.

Квазистационарная модель процессов воспламенения и горения газовзвеси порошков металлов базируется на использовании поня­тия условного микрообьема V_y , приходящегося на одну частицу металла в газовзвеси. Это позволяет приведенные выше положения для одиночных частиц перенести на их совокупность (газовзвесь). Принимается, что теплообмен между частицами в условиях их вос­пламенения и горения осуществляется как теплопроводностью, так и излучением.

Помимо указанных особенностей физической модели приняты следующие основные допущения: частицы имеют одинаковый началь­ный размер d₀, расстояние между частицами в процессе воспла­менения и горения не меняется, процессы теплоомассообмена явля­ются квазистационарными, обладают сферической симметрией. Выра­жение для условного газового микрообъема имеет следующий вид:

, (2.80)

где

— количество частиц в объеме V_кс газовзвеси;

— общая масса порошка металла в газовзвеси;

m^M — масса одной частицы;

V­_кс — объем камеры сгорания.

Согласно определению условного микрообъема, его радиус мож­но выразить следующим образом:

, (2.81)

где

— массовая концентрация порошка металла в газовой среде.

Введя относительную массовую концентрацию металлического порошка в газовзвеси , получим

, (2.82)

Как показывают результаты экспериментальных и теоретических исследований, при горении в воздухе отношение для частиц магния, как правило, не превышает 8...9, а для алюминия 3...4. При горении Al в водяном паре еще меньше. При использовании выcокометаллизированных топлив в реальных условиях относительные массовые концентрации частиц металлов в газе составляют до 50%. При этом расстояния между частицами равны (20...30) r_S. В связи с этим в предлагаемой модели и расчетной методике не рассматривается взаимодействие фронтов пламени частиц металлов между собой.

Характеристики

Список файлов книги