книги из ГПНТБ / Горение пористых конденсированных систем и порохов (препринт)

АКАДЕМИЯ НАУК СССР

ОРДЕНА ЛЕНИНА ИНСТИТУТ ХИМИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ ОТДЕЛЕНИЕ ОРДЕНА ЛЕНИНА ИНСТИТУТА ХИМИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ

В. Ф. Дубовицкий, В. Г. Коростелев, А. И. Коротков, Ю. В. Фролов, А. Н. Фирсов, К. Г. Шкадинский,

С. В. Хомик

ГОРЕНИЕ ПОРИСТЫХ КОНДЕНСИРОВАННЫХ

СИСТЕМ И ПОРОХОВ

(Препринт)

ЧЕРНОГОЛОВКА 1974

Послана в журнал «Физика горения и взрыва»

Конвективное горение является широко распространенным видом быстропротекающих химических процессов. Характерной его особенностью является то, что теплопередача из зоны горе­ ния к конденсированному веществу происходит не по обычному механизму кондуктивной теплопроводности, а в результате опе­ режающей фронт химической реакции фильтрации высокотем­

пературных продуктов горения или предварительно разогретого в зоне реакции газофазного реагента, т. е. путем конвекции.

Режимы конвективной теплопередачи широко используются

время начинают активно развиваться основанные на конвектив­ ном горении методы синтеза новых конструктивных и жаропроч­ ных материалов.

Но несмотря на столь широкое использование и большой ин­ терес, проявляемый к теории конвективного горения, его режи­ мы и закономерности изучены весьма слабо, в основном качест­ венно. Исследования в этой интересной области горения были начаты А. Ф. Беляеым и К. К. Андреевым и в дальнейшем про­ должены их учениками и последователями [2—11]. Основное внимание в этих работах было уделено условиям перехода нор­ мального послойного горения пористых систем к ускоренному режиму конвективного горения и детонации. Логическим про­ должением этих работ явились исследования по выявлению ус­

ловий горения в щелевых зарядах [5]. Но многие стороны этого явления оставались и остаются далеко не изученными.

Задачей данного исследования явилось дальнейшее изучение процесса развития конвективного горения пористых гетероген­ ных конденсированных систем и порохов на образцах ограничен­

1

ной длины с различными граничными условиями и на базе это­ го— разработка математической модели их горения [11].

Задача о конвективном горении пористых систем, как пока­ зывает анализ, может быть разбита на две части: а) собственно горение пористых систем при конвективном механизме теплопе­ редачи, б) диспергирование из зоны горения дисперсных частиц и их дореагирование в объеме. Между двумя этими процесса­ ми, как правило, существует тесная связь.

Если условия применения пористых систем таковы, что до­ горание продуктов диспергирования существенно влияет на тем­

нации. При этом развитие конвективного горения зависит от ре­ жима диспергирования и догорания указанных частиц. Если же горение происходит в большом объеме и пористые образцы за­

ключены в малоплотные, легко разрушающиеся оболочки, то

характер горения может быть совершенно иным. В частности,

здесь может быть поставлен вопрос о стационарном режиме конвективного горения.

Поскольку практически все предыдущие исследования прове­ дены в жестких оболочках, в данной работе основное внимание

было уделено режиму горения пористых систем при постоянных внешних (за зоной горения) условиях. Рассмотрен режим «вы­ нужденного» конвективного горения, когда его развитие начи­

нается с фильтрации высокотемпературных газов под действием созданного инертным газом (азотом) перепада давлений в по­ рах образца и внешнем объеме — объеме установки постоянного

давления БПД-150.

Поскольку фронт конвективного горения является неоднород­ ным из-за гетерогенной структуры образца, регистрация скоро­ сти его распростанения по боковой поверхности образца, как это уже неоднократно подчеркивалось, затруднена. Анализ пога­

шенных образцов и результатов скоростной киносъемки про­ цесса горения одновременно с торца и с боковой поверхности показал, что горение в первую очередь распространяется по крупным порам в средней части образца 45—11]. Неоднород­ ность горения приводит к диспергированию и разлету частиц, в результате чего выход свечения на боковую поверхность являет­ ся случайным, а направление развития его движения — хаотич­ ным. Поэтому были разработаны специальные методы регистра­

2

и условий воспламенения образца, т. е. от характерных пара­ метров образца.

Для исключения влияния эффектов догорания диспергиру­ емой части вещества эксперименты проводили в установке пос­ тоянного давления с образцами ограниченной длины, заброниро­ ванными для предотвращения заполнения пор инертным газом

весьма тонкой разрушающейся (слой эпоксидной смолы) или сгорающей (слой баллиститного пороха) оболочкой.

Регистрация скорости распространения процесса осуществ­ ляется с помощью серпи термопар или тонких проволочек, за­ делываемых па равных расстоян иях в ооразец перпендикулярно

>Весьма существенное влияние на среднюю скорость конвек­

тивного горения V оказывает энергетика состава или температу­

3

ния давления в измеря­ емом сечении составляет (5÷7)∙106 атм/сек. Это на 2—3 поряд­

ка выше, чем изменение давления в условиях чистой фильтрации при аналогичном перепаде давлений Ap на торце пористой сре­ ды.

Сочетание повышенного давления в зоне горения с большим градиентом dρ dt способствует увеличению скорости фильтра­ ции, а следовательно, и скорости распространения фронта вос­ пламенения и горения. Сравнение данных графика на рис. 1 и таблицы показывает, что изменение скорости распространения υ ,

V происходит пропорционально изменению давления в порах ве- ¡

щества.

Оценка полноты горения по измерениям давления (одновре­

менно в порах вещества и в объеме) показала, что для рассмат­ риваемых систем во фронте горения сгорает не более 20—30% вещества. Остальное же вещество в случае сгорающих и легко

4

разрушающихся оболочек диспергирует во внешний объем и, догорая там, не влияет на реакцию в порах.

Рассмотрим далее вопрос о развитии конвективного горения.

Экспериментальные результаты, представленные на рис. 1, от­ мечают постоянство либо слабый рост скорости горения, сопро­

вождаемый постепенным увеличением давления во внешнем объеме. Однако они не дают определенного ответа на вопрос, \/ может ли быть конвективный режим горения стационарным. Ответ па этот вопрос может быть получен либо при детальном

изучении фронта конвективного горения с одновременным заме­ ром давления, температуры и т. п., либо при проведении экспери­ ментов на образцах, размеры которых значительно больше ве­ личины зон фильтрации и горения. Действительно, если справед­ лива идея о спонтанном развитии конвективного горения за счет наложения тепловых воли прогрева [5—8], то увеличение длины

Рис. 2. Скорость распространения фронта конвективного горе­

ния на удлиненных образцах пороха при постоянном внешнем давлении р=70 атм

5

Однако пульсации в этих опытах связаны не с особенностями процесса конвективного горения, а с периодическим разрушени­

ем хотя и тонкой, по все-таки существующей оболочки. Эти экс­ перименты показали, что стационарный (или квазистацнопарпый) режим конвективного горения пористых систем возможен. Но поскольку стационарный режим конвективного горения воз­

этому расстояние, начиная с которого чувствуется эффект сни­

уменьшению.

Оценка зоны прогрева проведена по осциллограммам записи температуры T (/) в различных сечениях образца и по фотогра­ фиям образцов, погашенных резким сбросом давления. Ее вели­ чина составляет 4± 1 мм.

Зона химической реакции (т. е. расстояние от сечения с тем­ пературой воспламенения до верхнего торца образца) находится

в пределах 1—2 мм, что на порядок меньше, чем зона фильтра­ ции. Ее протяженность, так же как и протяженность двух пер­ вых зон, зависит от физико-химических свойств среды и усло­ вий сжигания (ро, Ta и т. и.).

Дополнительно остановимся на участке III графика на рис. 1.

Как уже отмечалось, если торец образца глухой, скорость сго­

рания при подходе к нему падает.

Картина изменяется, если нижний торец образца открыт. В

этом случае скорость ѵ по мере подхода к торцу возрастает.

Этот результат аналогичен полученному в работе 16], где отме­ чалось повышение скорости горения пористого заряда у донного торца, если последний контактирует с дополнительным и сво­ бодным объемом (аналогичный эффект, по-видимому, должен быть и при распространении горения в единичной поре). Уско­ рение горения в этом случае объясняется увеличением градиен­ та dp dx при подходе к открытому торцу, сообщающемуся . с

внешней атмосферой, т. е. увеличением скорости фильтрации. Но

6

с последней, как известно, тесно связаны условия теплопередачи от газа к конденсированному веществу, т. е. прогрев и воспламе­ нение вещества.

следнее определяется полнотой химических реакций разложения конденсированной фазы пороха.

7

При расчете используется предположение, что величина кар­ каса (считается заданной) по мере сгорания образца остается все время постоянной. Его газопроницаемость определяется полнотой выгорания η. За каркасом диспергируемые во внешний объем частицы догорают, не повышая в нем р0 и Tnu.

Пористая среда является изотропной и состоит из сферичес­ ких частиц радиуса Rfj.

Внутренние силы взаимодействия между отдельными части­ цами пористой среды и эрозионные эффекты на повехпости час­ тиц не учитываются. Суммарная полнота выгорания ηκ частиц

считается конечной (задается в пределах 0,05—0,20).

Фронты фильтрации, прогрева и горения принимаются плос­

кими.

Развитие горения пористых систем, как это следует из выше­

сказанного, определяется совместно происходящими процессами фильтрации, теплообмена и химической реакции. Поэтому мате-

3.Уравнение сохранения энергии

4.Уравнение состояния газа

Эти уравнения составлены для газовой фазы в пористом ве­ ществе.

W= Spκko exp (-E∕RTκ s).

7.Уравнение глубины превращения к-фазы

de _ W dt pκ∆

8

Система уравнений решается при следующих начальных и граличных условиях:

дх

r = rs-. lκ.^ = ^τ-τκs).

дг

Здесь: t — время; х—пространственная координата, 0≤.v<L;

9