WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |

Рис. В неадиабатических условиях, наблюдается зависимость структуры колебаний от величины диаметра. Увеличение радиального размера образца при неизменных остальных теплофизических и геометрических параметрах является причиной возникновения сильных релаксационных колебаний температурного поля (рис.2). Переход от двумерной к трехмерной постановке приводит к появлению спиновых режимов горения подробно исследованных в диссертации Т.П. Ивлевой [4].

Фронтальная поверхность в поперечном сечении образца имеет форму колец (рис.3). Такой нестационарный режим распространения твердого пламени называют радиально-кольцевым [3].

a b Влияние радиального размера образца на структуру фронтальной поверхности a)0 = -8, Ar = 0.1, Z0 = 1500, X0 = 350, X = Z = 0.003;

b)0 = -8, Ar = 0.1, Z0 = 1500, X0 = 600,X = Z = 0.003;

Рис.Во втором параграфе рассматривается распространение фронта горения в образце цилиндрической формы со ступенчато изменяющимся диаметром с целью исследования критических условий перехода волны горения в полуограниченное пространство и определения критического диаметра перехода. Численно решалась модельная задача твердопламенного горения цилиндрического образца с углом расширения /2, который представляет собой два одноосных цилиндра разного диаметра соединенных по торцевой поверхности. На рис.4 представлены образец и схема организации горения.

Записанная в безразмерном виде с использованием традиционных для задач горения масштабов математическая модель твердопламенного горения [3] в двумерной осесимметричной постановке включает следующие уравнения и краевые условия:

Уравнение теплопроводности:

1 = x + + (1- )exp ;

x x x z 1+ Ar Уравнение химической кинетики:

(1- ) = exp ;

Ze 1+ Ar Граничные условия:

ign : (0, x, ) = 0;

(0,x,) > ign : = 0;

z x = x1, 0 < z < z1 : = 0;

x x = x2, z1 < z < z2 : = 0;

x z = z1, x1 < x < x2 : = 0;

z z = z2 : +Z (+ Ze) = 0;

z Начальные условия:

(z,x,0) = -Ze; (z,x,0) = 0;

Схема образца и организации горения Рис. После зажигания и выгорания части образца малого радиуса начинает формироваться очаг горения в расширенной части. Существует определенное значение диаметра (критическое значение диаметра), которое определяет два возможных варианта дальнейшего развития процесса горения в расширенной части образца.

В первом (рис.5a), если диаметр малого цилиндра меньше критического значения, то обязательно существует определенное значение радиуса большого цилиндра, начиная с которого переход горения в расширенную часть образца становится невозможен. С течением времени температура сгоревшей части образца падает, стремясь к начальной температуре. Реакционное вещество в расширенной части образца остается полностью непрореагировавшим.

В другом случае (рис.5b), когда радиус малого цилиндра больше критического значения, горение всегда переходит в расширенную часть образца через определенное время задержки, которое зависит от радиуса большого цилиндра.

Обнаружено, что критический диаметр зажигания d*, подобно нормальной скорости горения, является характеристикой самой реакционной среды. Наиболее значимые параметры задачи, определяющие значения d*, – числа Зельдовича и Аррениуса.

a ) d = 168 < d* = 170 b) d = d* = Рис. Во второй главе диссертации построена математическая модель горения цилиндрического образца безгазового состава с внутренним теплопроводящим элементом в виде коаксиального цилиндра. Внутренний радиус реакционного слоя и радиус сердечника совпадают. Зажигание осуществлялось накаленной поверхностью с торцевой поверхности образца в двух вариантах:

1) контакт накаленной поверхности с реагирующим веществом и с одновременной теплоизоляцией сердечника;

2) одновременный нагрев реакционного вещества и сердечника.

Противоположная торцевая поверхность образца теплоизолирована.

На внешней боковой поверхности образца заданы условия теплообмена с окружающей средой по закону Ньютона. На (рис.6) представлена структура образца и схема организации горения.

Структура образца и схема организации горения.

Рис. Математическая модель, записанная в двумерной осесимметричной постановке, приводилась к безразмерному виду и решалась численно методом покоординатного расщепления с использованием неявной схемы.

Граница инертной и реагирующей среды располагалась между узлами расчетной сетки. Использован численный алгоритм сквозного решения сопряженных задач теплообмена предложенный в [5]. Для аппроксимации тепловых потоков использована разностная схема с центральными разностями. Отношение теплофизических параметров инертного сердечника и 1 cреакционного вещества = = 38 и = = 1,8 соответствовали 2 cследующим материалам: ТЭ – Cu и Nb+2B – реакционное вещество (РВ).

Растекание расплава по исходной шихте в рамках гомогенной модели не учитывалось. Зависимость времени горения реакционного слоя от радиуса сердечника имеет немонотонный характер (рис.7).

1 – 0 = -6;

2 – 0 = -7 (зажигание при полном контакте накаленной поверхности с образцом);

3 – 0 = -6; (контакт накаленной поверхности только с РВ).

Зависимость времени горения образца от радиуса ТЭ.

Ar = 0,1;X = 0,02;X = 80; Z = 300.

Рис. xВремя сгорания слоя при соотношении радиусов = 0.3 на 10 % X меньше, чем время горения однородного цилиндрического образца 0 без b ТЭ. С относительным увеличением теплопроводящих свойств материала сердечника эффективность его возрастает. Для значений параметров = 103 и = 1 средняя скорость горения образца с ТЭ более чем в два раза превышает скорость горения однородного образца.

В третьей главе диссертации построена математическая модель «химической печки». Для синтеза материалов из слабокалорийной или эндотермической смеси из шихты реакционных компонентов определенным образом формируется слоевой пакет и обеспечивается горение в режиме «химической печки» [6, 7]. Слоевой пакет представляет совокупность сопряженных слоев с различной химической активностью (рис.8). Для вспомогательных слоев (ВС) используются высококалорийные металлотермитные составы с высокой температурой горения. Тепловая энергия от ВС поступает в основной внутренний слой синтеза (ОС) для дополнительного подогрева реагентов и продуктов реакции.

Схема организации процесса.

1 – горячая поверхость; 2 – вспомогательный слой; 3 – основной слой.

Рис. Рассмотрено безгазовое горение плоского трехслойного пакета прямоугольного сечения. Параметры и состав внешних слоев совпадают, а внутренний слой имеет однородную структуру. Внешний слой, являясь слоем-энергоносителем, выполняет вспомогательную функцию – обеспечивает тепловой энергией внутренний слой. Зажигание осуществляется при одновременном контакте всех слоев образца с накаленной поверхностью в плоскости перпендикулярной плоскости симметрии образца (горизонтальное формирование слоевого пакета [6]). Противоположная плоскости зажигания поверхность образца теплоизолирована. На внешней поверхности вспомогательного слоя задаются условия теплообмена с окружающей средой по закону Ньютона.

Математическая постановка задачи описывается следующей системой дифференциальных уравнений:

Уравнения теплопроводности:

1 2 1 2 1 1 x > x0 : = + + ;

Td x2 z2 2 2 2 2 x x0 : = + + ;

Td x2 zУравнения химической кинетики:

1 x > x0 : = Td1(1- 1)exp ;

1+ Ar 2 x x0 : = Td2(1- 2)exp ;

1+ ArКраевые условия:

ign : i(0, x,) = 0;

i(0,x, ) > ign : = 0;

z 1 x = x0 : 1 = 2, = ;

x x i(Z,x, ) = 0;

z 1(z,X,) +X[1(z,X,) - 0 ] = 0;

x i(z,x,0) = 0; i(z,x,0) = 0; i =1,2;

Здесь индекс 1 относится к внешнему реакционному слою (ВС), а 2 – к основному внутреннему слою (ОС). Численное решение системы уравнений получено аналогично решению задачи с ТЭ из второй главы. Аппроксимационная сходимость проверялась сгущением узлов расчетной сетки.

Погрешность при вычислении времени сгорания слоевого пакета не превышала 1 %.

Для проведения синтеза материалов в соответствии с методом «химической печки» необходимым условием является сочетание высоко и слабо калорийных слоев. Теплопроводность и калорийность вспомогательного слоя, как правило, значительно выше, чем у основного внутреннего слоя синтеза, что обеспечивает высокую скорость нагрева внутреннего слоя.

Основные результаты получены для следующих базовых значений параметров внутреннего слоя E1 1 x0 cTd2 = Td1, = = 1, = = 0.1, = = 0.1, = = 0.017, E2 2 X cхарактерных для синтеза материалов методом «химической печки»; Td – параметр Тодеса. Линейные скорости фронта определялись по перемещению поверхностей с глубиной превращения 1 = 0.5 и 2 = 0.5 в сечениях (X- x0) x = 0 (плоскость симметрии образца) и x = x0+ (среднее сечение внешнего слоя) параллельных оси z.

Установлены три основных режима горения слоевого пакета, два из которых можно классифицировать, используя терминологию горения конденсированных систем с последовательными реакциями [18], как режимы управления и отрыва. Режим слияния возможен только для высококалорийного внутреннего слоя, что в целом нетипично для проведения синтеза в условиях «химической печки». В режиме управления скорость горения внутреннего слоя (вторая реакция) с некоторой задержкой времени стремится к установившемуся стационарному значению скорости горения ВС (первая реакция). Затем скорости горения слоев становятся равными до заключительной фазы сгорания ВС, где сказывается влияние адиабатической границы с резким ростом скорости горения. В отличие от горения конденсированных систем с последовательными реакциями в режиме управления, которое имеет другую особенность – скорость горения определяется параметрами второй реакции. Горение ОС продолжается в стационарном режиме до границы слоя.

Режим отрыва:

Температурное поле в поперечном сечении образца в различные моменты времени.

1- = 600; 2- = 1800; 3- = 2400; 4- = 3300;

0 = -6;Ar = 0,1;BiX = 0.03;X = 75; x0 = 20; Z = 300; ign = 200;

Рис.В режиме отрыва (рис.9), 40-50% массы ОС реагирует уже после выгорания ВС. Однако установившееся значение скорости горения ОС попрежнему равно установившейся ранее скорости горения ВС. Характерной особенностью режима отрыва является промежуток времени между сгоранием ВС и выходом скорости горения ОС.

Третий режим – индукционный – отличается большим временем реагирования внутреннего слоя. В этом режиме (рис.10) более 50% объема внутреннего слоя реагирует в условиях теплового взрыва с большим периодом индукции, уже, после того как выгорит ВС.

Эволюция фронта горения в индукционном режиме (периодичность линий с промежутком времени = 100 ).

0 = -6;Ar = 0,1;X = 0.03;X = 75; x0 = 20; Z = 300; ign = 200;

Рис. В третьей главе во втором параграфе решалась модельная задача одного из возможных вариантов СВС-сварки. Для надежного осуществления СВС–сварки необходимо использовать шихту из высококалорийных смесей, которые реагируют с большим выделением тепла. Для эффективного процесса сварки необходимо рассчитать такое соотношение слоев, которое позволяет достичь в системе необходимой для жидкофазного спекания температуры плавления.

Рассмотрено безгазовое горение композиции, собранной из трех плоских слоев прямоугольного сечения аналогично «химической печке». Параметры и состав внешних (вспомогательных) слоев одинаковы и выполнены из высококалорийной смеси, а внутренний слой представляет собой пластину из инертного плавящегося материала. Инициирование горения осуществляется в результате одновременного импульсного контакта всех слоев с горячей поверхностью. Контакт композиции с накаленной поверхностью считается идеальным. Рассматривается плавление внутреннего слоя без учета возможного растекания и смачивания расплавом внешних слоев. В макроскопической модели среды не рассматривается диффузия атомов жидкой фазы в приповерхностный слой твердой фазы.

Исследована динамика процесса плавления внутреннего слоя, изучены возможные стационарные режимы плавления внутреннего слоя, границы существования которых зависят от параметров волны горения внешнего слоя, соотношения размеров и теплофизических свойств слоев.

1. Режим полного плавления. Плавление происходит по всей толщине и объему внутреннего слоя. Кристаллизации расплава за время горения ВС не происходит (рис.11а).

2. Комбинированный режим плавления. Плавление внутреннего слоя происходит по всей толщине, но в области удаленной от фронта внутренний слой кристаллизуется. Такой случай характеризуется наличием, как фронта плавления, так и фронта кристаллизации, которые определяют границы расплава (рис.11b).

3. Режим контактного плавления. Плавление инертного материала наблюдается только вблизи межслоевой границы. Глубина зоны расплава много меньше толщины внутреннего слоя. Такая локализованная область расплава перемещается вместе с фронтом горения внешнего слоя (рис.11с).

a b c Рис. Основные результаты и выводы 1. Под влиянием теплоотвода зарождаются возмущения у боковой поверхности образца, вследствие чего происходит искривление поверхности фронта горения. В нестационарном периодическом режиме горения колебания фронта в диаметральном сечении имеют кольцеобразную форму, зависящую от диаметра образца.

2. Для образцов со ступенчато меняющимся диаметром показано существование минимального значения диаметра зажигания (критического диаметра), при котором еще возможен переход горения в расширенную часть образца. Определяющие значения критического диаметра параметры – числа Зельдовича и Аррениуса. Критический диаметр зажигания подобно нормальной скорости горения, является характеристикой самой реакционной среды.

3. Введение в безгазовые составы инертных теплопроводящих элементов с коэффициентом теплопроводности на 2-3 порядка выше теплопроводности исходной шихты приводит к эффективному увеличению скорости горения аналогично горению модельных пиротехнических составов с теплопроводящими элементами.

4. Введение в слоевую композицию инертных высокотеплопроводящих элементов при наличии внешнего теплоотвода способствует «запуску» синтеза в реагирующих слоях композиции за счет переноса тепла от внешнего источника в глубинные слои вещества.

5. Горение горизонтального слоевого пакета, сформированного по принципу «химической печки», осуществляется в режимах управления, отрыва и индукционном режиме, отличающихся временем и скоростью реагирования основного слоя синтеза.

6. Существует оптимальное (максимально возможное) отношение объема внутреннего слоя к объему внешнего слоя композиции, при котором синтез во внутреннем слое при наличии внешних теплопотерь проходит полностью.

Pages:     | 1 || 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»