WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 | 4 |

На правах рукописи

Микова Евгения Андреевна ЗАЖИГАНИЕ РЕАКЦИОННОСПОСОБНОГО ВЕЩЕСТВА ТЕПЛОВЫМ ВОЗДЕЙСТВИЕМ С ОГРАНИЧЕННЫМ ЗАПАСОМ ТЕПЛА 01.04.14 – теплофизика и теоретическая теплотехника

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Томск – 2009 2

Работа выполнена на кафедре математической физики физико-технического факультета ГОУ ВПО «Томский государственный университет»

Научный консультант: доктор физико-математических наук Буркина Роза Семеновна (Томский государственный университет)

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук Ищенко Александр Николаевич (ОСП НИИПММ ТГУ, г. Томск) доктор физико-математических наук Смоляков Виктор Кузьмич (Отдел структурной макрокинетики ТНЦ СО РАН, г. Томск)

Ведущая организация: Институт проблем химической физики РАН (г. Черноголовка)

Защита состоится «18» декабря 2009 года в 10 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212. 267. 13 при ГОУ ВПО «Томский государственный университет» по адресу:

634050, г. Томск, пр. Ленина, 36, Томский государственный университет

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке ГОУ ВПО «Томский государственный университет» по адресу: г. Томск, пр. Ленина, 34а.

Автореферат разослан «16» ноября 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук Ю.Ф. Христенко 3

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Диссертационная работа посвящена решению задач зажигания реакционноспособных веществ (РВ) источниками с конечным запасом тепла и сравнению по временным и энергетическим характеристикам процессов зажигания РВ при различных способах внешнего теплового воздействия.

Исследование проведено с помощью численных методов.

Актуальность темы. В технологических процессах различных производств широко распространены процессы взрывчатого превращения.

Требование практики заключается в использовании положительных сторон явлений (большой выход энергии, получение нужных веществ и т.д.), а также, в устранении нежелательных пожаров и взрывов, которые ежегодно приносят экономический и экологический ущерб. Инициирование горючих веществ в различных технологических процессах и природных явлениях, как правило, имеет тепловую природу. Знание фундаментальных закономерностей прогрева РВ, характеристик зажигания необходимо для оценки возможности возникновения пожаровзрывоопасных ситуаций, с другой стороны оценки эффективности и разработки устройств, предназначенных для обеспечения стабильных условий зажигания РВ. С переходом на качественно новые источники инициирования, новые составы и структуры конденсированных РВ в настоящее время актуально исследование закономерностей процесса, временных и энергетических характеристик зажигания при различных способах внешнего теплового воздействия. Высокая стоимость экспериментальных работ, а в некоторых случаях невозможность проведения эксперимента по техническим причинам, повышают роль вычислительного эксперимента.

Особый интерес представляют процессы зажигания РВ при воздействии источников с ограниченным запасом тепла. Например, горячие частицы малых размеров, локальные очаги разогрева, импульсные высокоэнергетические воздействия могут являться источниками зажигания в специальных системах воспламенения, а также причиной воспламенения на производстве и в бытовых условиях (замыкание в системе электропроводки), в промышленности (промышленная пыль, искры от удара и трения), в строительстве (например, сварка). Локальные очаги разогрева возникают при поглощении излучения оптическими неоднородностями, находящимися в прозрачном для излучения РВ, или при адиабатическом сжатии газовых включений при ударе. Важная часть проблемы связана с инициированием процесса, исследованием механизма и параметров зажигания, определением критических условий. Прикладная значимость подобного исследования связана с возрастающим числом техногенных аварий, пожаров и взрывов последних лет.

Целью работы является:

Моделирование и численное исследование закономерностей прогрева и зажигания конденсированного вещества горячей частицей с учётом выгорания РВ. Определение температурных полей, критических условий и режимов, временных характеристик зажигания. Анализ влияния параметров системы на закономерности процесса, его режимы и критические условия. Исследование влияния фазовых переходов в инертной частице на процесс зажигания РВ.

Сравнение характеристик зажигания РВ при различных способах внешнего теплового воздействия.

Исследование динамики прогрева и зажигания при поглощении импульса излучения находящимися в РВ отдельными поглощающими центрами. Изучение влияния совокупности оптических неоднородностей на закономерности распределения температуры между частицами, параметры и пределы зажигания прозрачных веществ импульсом излучения.

Научная новизна работы:

Определены закономерности прогрева и динамика зажигания горячим инертным телом при учете выгорания РВ и фазовых переходов в инертном теле.

Определены различные режимы зажигания и разделяющие их критические условия. В надкритических условиях определены закономерности прогрева РВ и времена индукции в зависимости от параметров системы.

Проведено сравнение времен зажигания и запасенных к моменту зажигания энергий при различных способах теплового инициирования РВ.

Исследована динамика прогрева и зажигания РВ при поглощении потока излучения находящимися в веществе оптическими неоднородностями.

Определена зависимость критических параметров зажигания от радиуса поглощающей излучение частицы при длительном импульсе. Определен характер изменения параметров зажигания при воздействии коротких и длинных импульсов излучения, поглощаемых малыми и большими частицами.

Исследовано влияние соседства поглощающих излучение частиц на режимы прогрева и параметры зажигания прозрачных РВ импульсом излучения.

Определены особенности изменения критических параметров зажигания РВ при взаимодействии тепловых полей создаваемых соседними частицами для случаев совокупностей мелких и крупных частиц.

Достоверность полученных результатов следует из обоснованности и корректности постановок задач, проверки аппроксимационной сходимости разностной схемы, сравнения с известными результатами других авторов и имеющимися экспериментальными данными.

Практическая значимость Полученные результаты исследования задачи зажигания РВ горячей инертной частицей позволяют провести оценки параметров взрывобезопасного состояния высокоэнергетических систем при воздействии на них частиц высокой температуры, а также временных параметров различных режимов зажигания.

Показана возможность применения критериев зажигания при инициировании конденсированного вещества горячим телом с конечным запасом тепла.

Результаты сравнения по временам инициирования и запасенным энергиям в РВ к моменту зажигания при различных способах внешнего теплового воздействия, исследования взаимосвязей между ними позволяют оптимизировать процесс инициирования конденсированного вещества.

Полученные закономерности прогрева и пределы зажигания веществ импульсом излучения, поглощаемого оптическими неоднородностями, можно использовать для качественного представления динамики процесса зажигания и прогноза результатов воздействия на прозрачное вещество коротких и длинных импульсов излучения, для разработки систем быстрого и стабильного зажигания.

Результаты исследования взаимовлияния совокупности поглощающих излучение частиц на зажигание прозрачного вещества импульсом излучения можно использовать: 1) для оценки опасных концентраций оптических неоднородностей в РВ, 2) при разработке инициирующих составов и устройств.

Полученные решения задач тепловой теории зажигания используются в курсе лекций «Теоретическая макрокинетика», читаемом на физикотехническом факультете Томского государственного университета.

Работа выполнялась в рамках грантов Российского фонда фундаментальных исследований (проект № 03-03-33075, № 05-08-01396 а, № 0603-32336 а), гранта Министерства образования РФ и CRDF в рамках программы BRHE (проект № 016-02).

На защиту выносятся:

1. Моделирование и исследование численными методами задачи зажигания РВ горячей частицей с конечным запасом тепла при учете а) глубины превращения в РВ и б) фазовых переходов в частице в процессе зажигания. Применимость критериев зажигания при инициировании РВ высокотемпературной частицей с конечным запасом тепла. Результаты исследования режимов прогрева и пределов зажигания в широком интервале изменения параметров.

2. Результаты анализа по временным и энергетическим параметрам зажигания РВ при различных способах внешнего теплового воздействия.

3. Результаты исследования динамики прогрева прозрачного РВ коротким и длинным импульсом излучения при его поглощении находящимися в РВ частицами. Результаты исследования режимов, временных характеристик и пределов зажигания для случаев мелких и крупных частиц.

4. Результаты численного исследования влияния совокупности поглощающих излучение частиц на режимы прогрева и параметры зажигания прозрачного РВ коротким и длинным импульсом излучения. Особенности влияния соседства мелких и крупных частиц на пределы зажигания.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на X Всероссийской научно-технической конференции «Физика и химия высокоэнергетических систем» (Томск, 2004); на IV, V и VI Всероссийских научных конференциях «Фундаментальные и прикладные проблемы современной механики» (Томск, 2004, 2006, 2008); на VI Международных конференциях «Лаврентьевские чтения по математике, механике и физике» (Новосибирск, 2005); на I, II, III, IV Всероссийских конференциях молодых ученых «Физика и химия высокоэнергетических систем» (Томск, 2005, 2006, 2007, 2008); на Международной школе-конференции молодых учёных «Физика и химия наноматериалов» (Томск, 2005); На Международной конференции «Забабахинские научные чтения» (Снежинск 2007); на XIII Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии» (Томск, 2007); на VI Международной научной конференции «Радиационно-термические эффекты и процессы в неорганических материалах» (Томск, 2008); на Международной конференции «Физико-химические процессы в неорганических материалах (ФХП-10)» (Кемерово, 2007); на XIV Международной конференции «Радиационная физика и химия неорганических материалов» (Астана, Казахстан, 2009).

Публикации. Основные результаты диссертации представлены в трудах вышеперечисленных конференций, и в журналах «Eurasian Physical Technical Journal», «Физика горения и взрыва», «Известия вузов. Физика». Количество основных работ по диссертации 5.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованной литературы. Работа изложена на страницах, содержит 35 рисунков, 2 таблицы, список литературы включает наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность и практическая значимость проведенного в работе исследования, сформулирована цель исследования, описана структура диссертации.

В первой главе приведен краткий обзор литературы по зажиганию РВ, отражающий основные положения теории воспламенения, а также результаты работ по зажиганию РВ горячим телом и импульсом излучения.

Во второй главе проводится исследование инициирования реакционноспособного вещества инертной частицей, имеющей высокую начальную температуру и ограниченный запас тепла.

В п.II.1, п.II.2 представлена постановка задачи. Рассматривается неограниченное конденсированное РВ, внутри которого находится горячая инертная сферическая частица радиуса R0. Между частицей и РВ имеет место идеальный тепловой контакт. Тепло от горячей частицы передается в РВ и распространяется в нем по теплопроводному механизму. Экзотермический химический процесс в РВ подчиняется кинетической функции простой реакции m-го порядка и Аррениусовской зависимости скорости от температуры. Также полагается, что теплопроводность инертной частицы высокая, а радиальный размер небольшой, что позволяет при описании процесса использовать среднюю температуру инертной частицы. Для упрощения постановки задачи и выделения одного из основных факторов высокотемпературного зажигания – влияния выгорания в модели полагается, что продукты химического процесса остаются конденсированными (жидкими или твердыми) с постоянными теплофизическими свойствами, как и у исходного вещества, фазовые переходы в РВ отсутствуют. В постановке задачи также учитывается диффузия горючей компоненты вещества, поскольку в общем случае это явление имеет место в конденсированном веществе, хотя коэффициент диффузии для конденсированных сред мал по сравнению с диффузией в газе.

Постановка задачи в сферической системе координат с началом в центре частицы в безразмерных переменных имеет вид:

1 2 m d 1 exp, (1) d 1 Ar Le 2 m d Td1 exp, (2) d 1 Ar d 1 0, Kc, (3), 0, 10 0,,0 h,,0 0, (4) 0, 0, 1, 0, (5),, 0. (6) Безразмерные переменные и параметры:

E E a0 a t r R T Th, 1 T1 Th,,,, RTh2 RTh2 a0 tch xch cRTh2 RTh R0 c11 Dc Td, Ar, d, Kc, Le = ;

EQa0 E xch c E cRTh2 E h Th Tb, tch exp, xch tch.

m1 m RTh2 EQz a0 RTh c Для размерных параметров и переменных использованы общепринятые обозначения, Th и Tb – начальная температура соответственно частицы и РВ.

Задача (1) – (6) решалась численно по неявной разностной схеме методом прогонки. Описание метода решения и тестирование составленной программы численного решения на достоверность и точность проводится в п.II.3, п.II.4. Счетные параметры выбирались, так чтобы точность определяемых параметров была не хуже 5%.

Численное интегрирование (1) – (6) проводилось в диапазоне изменения параметров: h 10, 16, Td 0, 0.07, Ar = 0.053, 0.054, m = 1, Le = 0.045, Kc = 1.04. Безразмерный радиус частицы d варьировался в широком диапазоне при определении различных режимов процесса инициирования и критических условий, разделяющих эти режимы.

Pages:     || 2 | 3 | 4 |






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