WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 | 4 |

В п. II.5 исследовалась возможность использования критерия зажигания для задачи зажигания РВ горячим телом с конечным запасом тепла. Для анализа использовались три критерия, определяющие момент зажигания: I критерий Я. Б. Зельдовича по времени установления нулевого градиента на поверхности горячей частицы; II критерий по условию установления равенства теплоприходов от внешнего источника и от химического процесса с учетом обрезания скорости химической реакции при начальной температуре РВ; III критерий по резкому росту температуры и выгорания в какой-либо точке РВ.

Результаты исследования представлены на рис. 1, где номерами I, II, III отмечены профили температуры (рис. 1а), глубины превращения (рис. 1b) в РВ и точки на кривой температуры поверхности частицы 1() (рис. 1с) в моменты времени, когда выполняется соответствующий критерий зажигания. Рис. показывает быстрое выполнение второго критерия, хотя далее идет понижение температуры горячего тела и температуры РВ вблизи горячего тела. Глубина превращения при этом незначительна (т.е., процесс зажигания ещё не происходит). При малых запасах тепла второй критерий может выполниться, хотя зажигание не произойдет. Первый критерий даёт значение времени более близкое по величине к моменту, определяемому третьем критерием. Однако вблизи критических условий выполнение первого критерия происходит за счет потоков тепла из области воспламенения к поверхности частицы, при этом первый критерий может выполняться уже после возникновения максимума температуры в глубине вещества, то есть, когда зажигание уже произойдет.

Следуя выводам выполненного анализа, в задаче зажигания РВ горячей частицей с конечным запасом тепла универсальным оказывается критерий III. Поэтому далее в исследовании за время зажигания принимался момент резкого роста температуры и выгорания в какой-либо области РВ. Зажигание считалось устойчивым, когда по РВ после зажигания распространялась волна горения.

В п.II.6. изучено влияние выгорания на высокотемпературное зажигание при ограниченном запасе тепла поджигающей частицы. Определены четыре различных режима прохождения процесса в зависимости от запаса тепла в частице и критические параметры, разделяющие эти режимы. При неизменном h запас тепла в частице определяется ее размером d.

При высокотемпературном зажигании с большим запасом тепла в * частице d d1 характер прохождения процесса зажигания представлен на рис. 2. После первоначального незначительного понижения температуры частицы (рис. 2с) происходит быстрое воспламенение РВ (соответствующие профили температуры и выгорания определяют кривые 2 на рис. 2а, b).

Поскольку прогретый слой, достаточный для распространения пламени, еще не создан, после выгорания реагента вблизи частицы горение прекращается. Далее температура частицы понижается, и идет прогрев РВ от частицы и горячей области, где прошел химический процесс (температурные профили 3, 4 на рис. 2а). Через промежуток времени, значительно превышающий время первого воспламенения, происходит повторная вспышка уже вдали от поверхности частицы (соответствующие кривые 6 для температуры и выгорания на рис. 2а,b), после которой по РВ распространяется волна горения (кривые 7, 8 на рис. 2а, b).

Этот режим прохождения процесса высокотемпературного зажигания характеризуется двумя вспышками: первая вспышка дает неустойчивое -0,6 6,I -0,4 5,III II -0,-0,a) c) --1,--1,---1,1,II 2 --1,--1,-14 III I 0 100 200 300 400 500 0 2000 4000 6000 8000 10000 1,5,III 6,I Рис. 1. Изменение температуры (a) 0,и глубины превращения (b) в РВ, температуры частицы во времени 0,b) (c) в режиме устойчивого зажигания с одной вспышкой:

0,*10-3 = 1 – 0.11, 2 – 1, 3 – 3, 4 – 5, 0, 5 – 5, 6 – 5.13, 7 – 7, 8 – 9;

1,II h = 12.80, Ar = 0.054, Le = 0.045, 0,0 100 200 300 400 Td = 0.066, d = зажигание, повторная вспышка приводит к устойчивому зажиганию (режим I).

Уменьшение размера частицы d приводит к усилению первоначального понижения температуры частицы, в результате чего увеличиваются время * * вспышки и соответствующий прогретый слой. При d2 d d1 прогретый слой в РВ к моменту вспышки достигает таких размеров, что при поддержке оставшимся запасом тепла в горячей частице горение не прекращается. По РВ распространяется волна горения. Изменения температуры и выгорания в этом режиме устойчивого зажигания с одной вспышкой (режим II) аналогичны представленным на рис. 1 a, b, c.

* * При меньших размерах частицы, когда d3 d d2, начало развития процесса такое же, как и во втором режиме. Но запаса тепла в частице после первоначального понижения ее температуры уже не достаточно для поддержания горения и создания прогретого слоя вдали от поверхности частицы, где химический процесс еще не прошел. Поэтому горение РВ после первой вспышки и выгорания прогретого слоя прекращается, а повторная вспышка не происходит. После повышения температуры частицы от тепла химического процесса она монотонно охлаждается, понижается температура РВ вблизи частицы. Таким образом, третий режим представляет неустойчивое зажигание (режим III).

При дальнейшем уменьшении запаса тепла в частице, когда * * d4 d < d3, первоначальное охлаждение частицы значительно и быстрое 0, -0,-0,-0,c) a) -4 -0,-0,--0,- -0,- -0, 0 100 200 300 400 0,3,0x103 6,0x103 9,0x103 1,2x104 1,5x104 1,8x 1,Рис. 2. Изменение температуры (a) и 6 7 глубины превращения (b) в РВ, 0,температуры частицы во времени (c) в режиме двойной вспышки:

0,b) *10-3 = 1 – 0.1, 2 – 0.524, 3 – 1, 4 – 2, 0, 5 – 7, 6 – 7.26, 7 – 8, 8 – 9;

h = 12.80, Ar = 0.054, Le = 0.045, 0,Td = 0.066, d = 0,0 100 200 300 400 воспламенение не происходит, хотя имеется некоторое выгорание реагента вблизи поверхности частицы (рис. 1). В этом режиме температура частицы первоначально значительно понижается (рис. 1с), но при этом за счет отводимого от нее тепла в РВ создается прогретый слой. Воспламенение РВ происходит значительно позже, чем в предыдущем режиме III, и после зажигания (кривые 5 на рис. 1а, b) по РВ распространяется волна горения. Этот режим представляет устойчивое зажигание с одной вспышкой (режим II).

Причем при одних и тех же параметрах h = 12.8 и Td = 0.066 время устойчивого зажигания в этом режиме при меньшем радиусе (i = 5007) меньше, чем в первом режиме I при большем радиусе частицы (i = 7257). Это связано с тем, что устойчивое воспламенение во втором режиме происходит значительно ближе к поверхности частицы, чем в первом режиме. В режиме I время устойчивого зажигания тратится на создание прогретого слоя.

* При d d4 воспламенение РВ не происходит, так как запаса тепла в частице недостаточно для соответствующего повышения температуры РВ вблизи частицы. Температура РВ вблизи горячей частицы в начале повышается, но в дальнейшем понижается за счет отдачи тепла вглубь РВ. Температура самой частицы монотонно падает во времени. Глубина превращения первоначально увеличивается вблизи РВ за счет химического процесса, но в дальнейшем уменьшается в результате диффузии горючей компоненты. Таким образом, данный режим прохождения процесса характеризуется отсутствием воспламенения РВ и монотонным охлаждением частицы (режим IV).

* Критическое значение d4 при малых значениях параметра Тодеса Td согласуется с критическим условием зажигания горячей инертной частицей с конечным запасом тепла, разделяющим режим зажигания РВ от режима охлаждения частицы без учета выгорания.

Проведенный анализ результатов численного исследования задачи показал возможность существования четырех критических радиусов частицы * * * * d1 > d2 > d3 > d4, которые разделяют различные режимы прохождения процесса. Существование I и III режимов связано с неустойчивостью процесса высокотемпературного зажигания, вызванное выгоранием РВ на начальной стадии процесса, когда прогретый слой, необходимый для распространения волны горения по веществу, еще не создан. Поэтому критические размеры частицы, определяющие границы этих режимов существенно зависят как от температурного напора частицы h, так и от параметра Тодеса Td, определяющего выгорание РВ. При уменьшении параметра Td при фиксированном h выгорание и его влияние на процесс уменьшаются. При этом * * * * d1 резко возрастает (стремится к бесконечности), d4 уменьшается, а d2 и d* * сближаются ( d2 – убывает, а d3 – возрастает). В результате зажигание проходит как в индукционном процессе: реализуются лишь II и IV режимы, а режимы I и III исчезают. Области существования различных режимов прохождения процесса в области параметров (Td, d) при h = 12.95, Ar = 0.053, Le = 0.показаны на рис. 3. С возрастанием Td выгорание РВ увеличивается, что * * * * * приводит к возрастанию d2 до d1 и убыванию d3 до d4, при этом значения d* и d4 изменяются незначительно. В результате увеличиваются области режима III (неустойчивого зажигания с одной вспышкой) и режима IV (отсутствия воспламенения), а область устойчивого зажигания с одной вспышкой (режима II) исчезает (см. рис. 3).

В процессе зажигания РВ горячей инертной частицей температура частицы может понижаться и повышаться. При этом может происходить смена фазового состояния частицы: переход из жидкого состояния в твердое и, наоборот, из твердого в жидкое. Этот процесс может влиять на зажигание РВ. В п. II.7 исследовано влияния фазового перехода в горячей инертной частице на динамику и параметры зажигания РВ. Постановка задачи определяется уравнениями (1), (2), (4) – (6). Уравнение (3) принимает вид:

d 0, Kc 1 Ph1 Ph, (7) qPh E где Ph – аналог числа фазового перехода (qPh – теплота плавления), c1RTh(1–Ph) – дельта функция Дирака, Ph – безразмерная температура фазового перехода.

Численно выявлено качественное влияние фазового перехода в горячем инертном теле на процесс зажигания РВ. При приближении к критическим условиям зажигания фазовый переход приводит к нестабильности зажигания, время устойчивого зажигания существенно увеличивается. В то же время критическое значение размера частицы, при котором ещё наблюдается зажигание, при учете фазового перехода уменьшается. Учет фазового перехода в частице приводит к деформации кривых по режимам прохождения процесса, представленных на рис. 3.

2000 d Рис. 3. Области различных режимов высокотемпературного зажигания в зависимости от параметра Тодеса Td и размера частицы d:

d* I II I – устойчивое зажигание с двойной вспышкой, d* II – устойчивое зажигание с одной III 800 d* d* вспышкой, III – неустойчивое зажигание, IV Td IV – зажигание отсутствует;

0,063 0,064 0,065 0,066 0,067 h = 12.95, Ar = 0.053, Le = 0.В третьей главе на примере инициирования РВ с параметрами типа пороха «Н» проведено сравнение энергетических и временных характеристик зажигания реакционноспособных конденсированных веществ при различных способах внешнего теплового воздействия: горячей поверхностью, лучистым потоком тепла, очагом разогрева, инертным горячим телом с конечным запасом тепла.

Полагается, что при зажигании горячей поверхностью в начальный момент времени к внешней поверхности полуограниченного конденсированного РВ однородной невысокой температуры прикладывается горячая поверхность постоянной высокой температуры. В случае зажигания лучистым потоком тепла на внешнюю поверхность РВ падает лучистый поток тепла постоянной мощности. При очаговом воспламенении рассматривается неограниченное конденсированное вещество внутри которого имеется область повышенной температуры с симметричным распределением, имеющим максимум в центре очага (П-образное и экспоненциальное распределения). При зажигании телом с конечным запасом тепла рассматривается неограниченное РВ, внутри которого имеется инертное тело симметричной формы (плоскопараллельная пластина) высокой температуры. Полагается, что внутри горячего тела распределение температуры в течение всего процесса отсутствует и учитывается изменение средней температуры тела в процессе теплообмена с веществом. При контактных способах зажигания считается, что на границе раздела имеет место идеальный контакт между РВ и поджигающим его телом, поверхностью.

Полагается, что процесс подчиняется твердофазной модели зажигания, возможные фазовые переходы (испарение, плавление) не учитываются. Кроме того, рассматриваются индукционные режимы и выгорание на этапе зажигания также не учитывается. Формулы для расчета времени зажигания и запасенной энергии при зажигания горячей поверхностью и лучистым потоком тепла взяты из книги Вилюнов В.Н. Теория зажигания конденсированных веществ. – Новосибирск: Наука, 1984 г.; при инициировании очагом разогрева из статьи Буркина Р.С., В.Н. Вилюнов В.Н. Очаговое тепловое воспламенение при произвольном начальном распределении температуры // Химическая физика. – 1982. – Т. 1. – № 3. – С.419–422. Характеристики зажигания РВ телом с конечным запасом тепла находились из численного расчета задачи аналогичной (1)-(6).

Анализ параметров процесса показал, что при уменьшении температуры горячей области и интенсивности лучистого потока происходит возрастание времени зажигания и запасённой к моменту зажигания энергии. Это вызвано увеличением времени создания в РВ прогретого слоя и, соответственно, увеличением теплоотвода вглубь вещества. При зажигании горячим телом с конечным запасом тепла критическое значение запасенной энергии на порядок, а время зажигания на два порядка больше, чем соответствующие характеристики при других способах теплового инициирования. Это связанно с понижением температуры горячего тела при передачи тепла в РВ. В результате больше времени потребуется для разогрева, больше тепла отводится вглубь вещества, и для зажигания потребуется больше тепла от горячего тела. Наименьшая критическая энергия зажигания реализуется при очаговом воспламенении, при этом наблюдаются минимальные времена зажигания по сравнению с другими способами инициирования.

Зависимости времени зажигания от запасенной в веществе к моменту зажигания энергии при различных способах внешнего теплового воздействия показаны на рис. 4 (время зажигания очагом разогрева представлено с tih*102(c), ti(c) 5 Рис. 4. Зависимость времени зажигания от запасенной к 120 моменту зажигания энергии при зажигании:

Pages:     | 1 || 3 | 4 |






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