Сухов А.В. - Порошкообразные металлические горючие (1043381), страница 6

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

Текст из файла (страница 6)

В соответствии с приведенными выше физическими представлениями процесса горения разработаны модели и соответствующие им методики расчета времени (скорости) горения одиночных частиц металлов. Прежде всего к ним следует отнести поверхностные модели [59, 133] и газофазные модели [8] и [42] .

Автор [59], описывая процесс зародышеобразования и конденсации частиц окиси вблизи или на поверхности частиц металла, полагает, что окисная пленка (Al₂O₃) не представляет какого-либо диффузионного сопротивления, а определяющим процессом является диффузия окислителя в газовой среде. В то же время модель [133] предполагает, что скорость горения Al лимитируется диффузией газообразных реагентов через окисную пленку. Расчетная методика, основанная на этой модели, позволяет определить изменение радиуса капли по времени и соответственно полное время горения металлических частиц (рис.1.21).

Рис. 1.21.

Одним из слабых мест поверхностной модели является неопределенность коэффициента диффузии окислителя в жидкой Al₂O₃. Достоинством ее является то, что она позволяет объяснить экспериментально зарегистрированное вращение и дробление металлических частиц при горении, а также наличие пустотелых скорлуп окиси металлов в продуктах сгорания ТТ. При этом предполагается, что механизм дробления заключается в разрыве окисной пленки парами металла. Если происходит частичный разрыв окисной пленки, то наблюдается вращение капли.

Однако ряд экспериментальных фактов находится в противоречии с поверхностной моделью. К ним относятся: наличие облака субмикронных частиц Al₂O₃ вокруг капли металла, размытые треки горящих частиц и ряд .других. Это свидетельствует о том, что поверхностные модели не позволяют полностью описать процесс горения частиц металлов, и, следовательно, расчетные методики, основанные на этих моделях, могут быть использованы только в частных случаях, соответствующих поверхностному режиму горения металлов.

В газофазной модели горения авторы работ [8, 42] предполагают, что окислитель и горючее в стехиометрическом соотношении диффундируют во фронт пламени, который располагается на некотором расстоянии от поверхности частицы. Считают, что максимальная температура фронта пламени не превышает температуру кипения окисла, который частично может находиться в газовой фазе. Пренебрегают процессом испарения окисла, если его температура кипения выше температуры горения Т_f . Кроме того, авторы газофазной модели горения принимают следующие основные допущения: процесс горения считается квазистационарным, имеет сферическую симметрию, коэффициенты переноса принимаются осредненными, толщина фронта пламени принимается бесконечно малой ( = 0), скорость химической реакции полагается бесконечно большой.

В отличие от [8], в работе [42] проанализировано влияние конденсации окиси металла на перенос тепла к горящей частице. Кроме того, введены уточненные данные для диффузионного сопротивления паров окиси и приведенной степени черноты поверхности частица металла. Подвод тепла к частице за счет конденсации окиси металла на ее поверхности оценивается путем введения эффективной температуры горения и эффективной степени испарения .

В такой постановке задачи уравнение переноса тепла в зоне между поверхностью частицы и фронтом пламени имеет вид

(1.18)

Уравнение теплового баланса для зоны горения

(1.19)

Интегрирование этих уравнений в предположении равенства коэффициентов диффузии всех компонентов в каждой из зон позволяет получить следующие зависимости:

, (1.20)

, (1.21)

На рис. 1.22...1.24 приведены некоторые результаты расчетов по методикам [8] и [42] для частиц алюминия и магния. На рис. 1.22 дана зависимость температуры поверхности частиц Al и Mg от молярной доли х₀₂ кислорода в окружающей среде, радиуса r₀ частицы и давления Р среды. Можно сделать вывод, что температура поверхности металла определяется в основном давлением и значительно отличается от температуры кипения металла. На рис.1.23 приведены константы скорости горения, выраженные через константы скорости испарения . Видно, что скорость горения алюминия примерно в два раза ниже, чем скорость горения магния.

На рис.1.24 сравниваются результаты вычисления времени горения частиц магния с учетом (сплошные линии) и без учета (пунктирные линии) испарения окиси магния MgO.

Из расчетных данных, приведенных на рис. 1.22...1.24, можно сделать вывод, что время горения определяется в основном размером частиц, концентрацией окислителя и слабо зависит от давления.

Кроме того, можно также сделать и более общий вывод о том, что классическая газофазная (двухзонная) модель горения металлов и построенные на ней расчетные методики достаточно точно описывают процесс горения только при атмосферном давлении. При больших давлениях (соответствующих условиям работы реальных ДУ на металлизированных топливах) они не могут быть использованы, так как дают качественно неверные результаты. К тому же газофазная модель не позволяет объяснить такие экспериментальные факты, как вращение и дробление частиц металла при горении, наличие пустотелых скорлуп окиси металла в продуктах сгорания и др.

Рассчитывая характеристики процесса горения бора, необходимо принимать во внимание образование не только высших окислов (B₂O₃, BO₂), но и низших (BO, B₂O₂). Эта особенность горения бора может привести к большим погрешностям расчета по методикам, основанным на предположении о бесконечно узком фронте пламени. В связи с этим модель и расчетная методика процесса горения бора, представленная в работе [14], имеет следующие отличительные особенности:

1. в каждой точке поля вокруг капли устанавливается термодинамическое равновесие, определяемое реакциями:

2BO₂ ⇆В₂О₃ + О₂,

B₂O₃ ⇆2В₂О₃ + О₂,

B₂O₂ ⇆2ВО ;

1. на поверхности капли бора идут реакции с образованием только низших окислов (ВО и В₂О₂).

Расчетная методика [14] позволяет подучить время горения частиц бора, а также распределение парциальных давлений компо­нентов газовой смеси в температуры во всем поле вокруг капли.

На рис. 1.25 представлены расчетные профили температур и пар­циальных давлений кислорода и окислов бора вокруг капли для раз­личных значений Т_ср при Р_ср = 0,1 МПа и составе окислительной сре­ды 0,2 О₂ + 0,8 N₂. Видно, что пространство вокруг капли разде­лено на две области зоной, в которой диффундирующие от поверхно­сти капли ВО и В₂О₃ окисляются и образуют В₂О₃ и ВО₂. В этой зоне достигается максимальное значение температуры.

Состав среда вдали от поверхности капли существенным образом зависит от температуры. Если при Т_ср = 500 К основный продуктом сгорания является В₂О₃, то при Т_ср = 2500 К в продуктах сгорания содержатся примерно в равных долях В₂О₃ и ВО₂.

Чрезвычайно большое значение в теории горения имеют исследо­вания характеристик фронта пламени, которые дают возможность не только глубже изучить физическую сущность процесса горения, но и позволяют определить степень соответствия теоретических моделей реально протекающим процессам. По данным различных авторов, для Al отношение составляет 1, 2...2 [95], 2 [98], 3 [l5], 3...5 [7]. Для Mg его значение изменяется в пределах от 15 [98] до 1, 5 [93]. Отмечено, что с ростом давления уменьшается как для магния (рис.1.26), так и для Al (рис. 1.27). Аналогичное явление отмечено и при горении у

глеводородных горючих [126].

Рис. 1.22 а

Рис. 1.22 а

Для частиц сплавов Al—Mg изменение по мере их выгорания — довольно сложный процесс (рис.1.28), что связано о двухстадийностыо горения сплавов. Отмечено, что с увеличением содержания Mg отношение возрастает.

При горении металлов могут развиваться значительные температуры (T_f), что обусловлено высокими значениями теплоты сгорания. Однако, учитывая большие значения теплоты кипения образующихся при горении окисло, можно считать, что для большинства металлов Т_f не превышает температуру кипения их окислов.

а) б)

Рис. 1.23

В работе [76] обнаружено, что с ростом давления среды (в фа­келе заряда ТТ) температура фронта пламени частиц алюминия и маг­ния растет и достигает своего максимального значения 3500 150 К для Al в области давлений 1, 8...2 МПa и 3400  150 К для Mg в об­ласти давлений 0,7...1 МПа (рис.1.29, 1.30). Аналогичное явление зафиксировано в работе [111] при горении Z_r в кислороде. Эти результаты можно объяснить увеличением Т_кип окислов металлов с ростом давления. Полученные расчетным путем в работах [8, 42] зна­чения Т_f и достаточно близки экспериментальным данным; расхождение авторы объясняют в первую очередь отсутствием надежных данных по коэффициентам переноса. Однако влияние давления на в рамках этих моделей объяснить не удается.

В зависимости от начального размера частиц металла могут реа­лизоваться два режима горения [42]: а) с испарением окисла ме­тала ; б) без испарения . В последнем случае по мере выгорания частиц металла значения Т_f и могут значительно изменяться, что ведет к изменению скорости го­рения; Т_S также не может рассматриваться как постоянная вели­чина, поскольку данное допущение внесло бы слитком большую по­грешность в расчет _г. Это связано с тем, что при горении T_S обычно близка Т_кип металла и изменение температуры поверхности частицы даже на несколько градусов может резко изменить давление насыщенных паров металла. В [117] замечено, что на рассмотренные режимы горения кроме размера частиц влияют давление среды и концентрация окислителя. Подчеркивается также, что горение без испарения должно сопровождаться накоплением окисла металла в зоне горения.

Характеристики

Список файлов книги