Процессы горения твердых энергонасыщенных материалов в камерах сгорания

Бесплатно!

1. Краткий анализ взглядов на механизм стационарного горения твердых топлив (ТТ)

Основы современной теории горения ТТ были разработаны Я.Б. Зельдовичем и А.Ф. Беляевым. Основываясь на экспериментальных исследованиях в области горения летучих ВВ, пироксилиновых и баллиститных порохов и теоретических воззрениях на горение газовых смесей был предложен следующий механизм горения ТТ: После некоторого прогрева пороха в твердой фазе происходит его газификация, т.е. превращение в первичные продукты, между которыми уже в газовой фазе происходит химическое взаимодействие с образованием конечных продуктов сгорания. При этом реакция в газовой фазе осуществляется в несколько последовательных стадий. Основное выделение теплоты наблюдается в газовой фазе, и первичное разложении пороха происходит под влиянием поступления теплоты из газовой фазы. Теплота, запасенная в прогретом слое, может оказать существенное влияние на энергетический баланс горения в нестационарных процессах, когда прогретый слой не успевает изменить свои характеристики в соответствии с изменением внешних условий. Последующие работы в этом направлении П.Ф. Похила, И.В. Тишунина, Б.П. Жукова и других показали, что процесс горения твердых топлив, даже баллиститных и нитроцеллюлозных порохов, является более сложным, не укладывающимся в рамки модели Зельдовича-Беляева. Было установлено, что интенсивные химические реакции, в т.ч. экзотермические, имеют место уже в К-фазе при относительно низких температурах. При этом нагревание вещества К-фазы до температуры горящее поверхности осуществляется не только за счет теплоты, транспортируемой теплопроводностью из газовой зоны, но и за счет теплоты, выделяющейся непосредственно в К-фазе. Процесс горения твердых топлив осуществляется в узкой (до 1 мм) пространственной области. Весь процесс превращения исходного вещества в конечные продукты сгорания можно разделить на ряд стадий, в каждой из которых протекают физико-химические процессы, определяющие состояние вещества в исходной зоне. Под стадией процесса понимается пространственная область зоны горения, обладающая определенными физико-химическими характеристиками, такими как распределение температуры (уровень и скорость ее изменения в данном интервале), концентрация и агрегатное состояние реагирующего вещества, кинетические параметры скорости химической реакции (предэкспонент и энергия активации).

Скорость горения ТТ зависит, с одной стороны, от интенсивности и характера тепловыделения в каждой стадии процесса, с другой стороны- от интенсивности и характера тепло-и массообмена между стадиями. На основе анализа экспериментальных данных по закономерностям горения порохов баллистического типа процесс можно разделить на три стадии (рис. 1):

Рис. 1  Профиль распределения температуры по толщине конденсированной фазы и газовой зоны горения:

1 – зона прогрева (индивидуальная зона и зона химических реакций);

2 – пародымогазовая зона;

3 – подготовительная (предпламенная) зона;

4 – зона светящегося пламени.

-экзотермические реакции в К-фазе; здесь в свою очередь следует различить две зоны, а именно, зону прогрева (индукционную) и зону химических реакций;

-экзотермические реакции, протекающие в зоне светящегося пламени;

В К-фазе имеют место химические реакции как экзотермического, так и эндотермического характера. К числу экзотермических процессов, прежде всего, следует отнести процессы химического взаимодействия отщепившихся молекул двуокиси азота с порохом. Это взаимодействие протекает по механизму гетерогенной реакции. Принимается, что скорость реакции пропорциональна числу ударов активированных молекул, т.е. таких молекул, энергетический уровень которых равен энергии активации или превосходит ее.

К эндотермическим процессам следует отнести процессы плавления, возгонки компонентов и деполяризация макромолекул нитратов целлюлозы. С увеличением давления экзотермический эффект в К- фазе возрастает. Толщина прогретого слоя и профиль распределения температуры в К-фазе могут быть определены из решения уравнения теплопроводности (без учета тепловыделении в К-фазе)

(1)

Решение уравнения (1) при граничных условиях

y= yТ,  Т=Тn ,  y→¥,  Т=Т0    (2)

дает

Т = То + ( Тn – To ) exp ,    (3)

Где a-коэффициент температуропроводности ТТ; То и Тn-начальная температура заряда ТТ и температура поверхности горения соответственно; Т- текущее значение температуры в точке прогретого слоя с координатой y; U-линейная скорость горения. При у=0 соотношение (3) обращается в известную формулу Михельсона, полученную для распределения температуры в зоне прогрева. Следует отметить, что приведенное выражение не учитывает физико-химические превращения в топливе, которые могут быть как экзотермическими, так и эндотермическими, и описывает прогрев топлива как инертного материала. Для учета этих процессов в уравнение (1) вводится составляющая gx, учитывающая химические реакции (в приближении Зельдовича-нулевого порядка).

В отдельных случаях К-фаза является ведущей зоной горения, например, когда режим горения баллиститных порохов или смесевых систем всецело определяются реакциями в конденсированной фазе. Вообще говоря, вопрос о ведущей зоне горения является центральным при рассмотрении механизма горения порохов и топлив и весьма спорным.

Парадымогазовая зона (зона газификации) горения характеризуется аэрозольным (дисперсным) состоянием вещества, интенсивными химическими реакциями и тепловыделением. Процесс диспергирования конденсированного вещества играет существенную роль в общем процессе горения. Вместе с тем, механизм и закономерности протекания диспергирования изучены все еще слабо. Например, даже для баллиститных порохов отсутствуют достоверные данные о зависимости глубины диспергирования от давления и начальной температуры вещества, остается открытым вопрос о характере распределения и времени существования диспергированных частиц. Образование дымогазовой взвеси является необходимой стадией во всем процессе горения. При этом для отдельных топливных систем количество диспергированного вещества может быть очень значительным. Например, для пороха «Н» суммарный процент диспергирования ≈70. В этой зоне выделяется около половины теплоты от общего количества за счет восстановления NO2 до NO. Температура продуктов сгорания, обусловленная выделением теплоты при химических реакциях по мере удаления от поверхности горения растет и достигает на границе зоны 1100-1400 К.

Ширина пародымогазовой зоны зависит от давления в камере сгорания и порядка определяющих процесс горения реакций. Конденсированная и пародымогазовая зоны разделены поверхностью горения, основным признаком является нарушение сплошности К-фазы.

Температура поверхности горения, ее зависимость от давления, начальной температуры заряда определяется природой порохов и топлив. Для отдельных веществ, например, тротила, нитрогликоля и ряда других, температура поверхности горения соответствует температуре кипения (Тn=Ткип). Для баллиститного пороха марки «Н» Тn≈(550…575) К,

В соответствии с моделью Зельдовича-Беляева:

Tn ≈ Tкип ;

.

В подготовительной (предпламенной зоне), которая может существовать для порохов баллиститного типа, при давлении до 7 МПа образуются активированные продукты практически без выделения тепла. Это обусловлено тем, что окись азота, образующаяся при восстановлении NO2, является относительно стабильным соединением, так как разложение NO на N2 и  O2 при температуре Т1≈1500 К протекает весьма медленно. Когда NO2 перестает существовать, окислительные процессы резко замедляются и в связи с этим прекращается рост температуры – она остается практически постоянной, равной Т1 по всей ширине подготовительной зоны.

Для дальнейшей активации химических процессов необходимо накопление большого количества активных центров.

Из теории активации известно, что к реакции могут привести только те столкновения между активными молекулами, энергия которых будет больше энергии активации. С течением времени по всей ширине подготовительной зоны происходит накопление активных центров, все чаще и чаще молекулы окислителя и горючего в момент столкновения имеют необходимый избыток энергии, и, в конце концов, на внешней границе подготовительной зоны скорость реакции достигает большого значения – начинается процесс интенсивного горения, сопровождающийся возникновением светящегося пламени. Ширина зоны подготовки, а следовательно, и время задержки раскисления существенно зависит от давления.

Таким образом, экзотермические реакции в зоне светящегося пламени происходят в период, когда концентрация активных продуктов достигает определенного значения. В этой зоне протекают реакции взаимодействия между продуктами неполной реакции (главным образом между СО и NO), сопровождающиеся возникновением пламени и отсутствующие при низких давлениях.

В зоне пламени идет полное восстановление NO до N2 и устанавливается химическое равновесие между продуктами сгорания

2CO + 2NO = 2CO2 + N2;

2Н2 + 2NO = 2Н2O + N2.

При этом температура в зоне пламени достигает максимального значения, равного температуре равновесного состава продуктов сгорания рассматриваемого топлива. Интенсивность объемного тепловыделения в этой зоне примерно на порядок ниже, чем в пародымогазовой зоне. Расстояние от горящей поверхности до зоны светящегося пламени l зависит от давления и начальной температуры, причем эту зависимость можно представить в виде  Для баллиститного пороха «Н» n ≈ 2. Ширина зоны пламени пороха «Н» значительно меньше ширины пародымогазовой зоны. В связи с большой удаленностью пламени от поверхности горения она в условиях стационарного горения практически не оказывает влияния на скорость горения.

Имеющаяся информация о механизме горения смесевых твердых топлив является более скудной, чем для гомогенных смесей (баллиститных порохов). Исследования, проведенные у нас в стране и за рубежом, указывают на идентичность в целом теплофизической схемы зоны горения баллиститных порохов и смесевых систем. Одновременно с этим механизм горения СТТ характеризуется специфическими особенностями, обусловленными, в первую очередь, тем, что СТТ являются гетерогенными конденсированными системами. Соответственно в них существуют границы раздела фаз и входящих в СТТ компонентов. Это предопределяет процессы смешивания окислителя и горючего, существование режима контактного горения, возможность осуществления диффузионного и кинетического режимов в зоне химических реакций, зависимость скорости горения от соотношения окислитель – горючее и дисперсности компонентов, нестационарность процессов теплообмена в зоне горения и неодномерность структур теплового слоя и горящей поверхности, обусловленная гетерогенностью структуры конденсированной фазы смесевых систем. Для структуры зоны горения смесевых систем характерен случайный процесс флуктуации пламени, обусловленный случайным распределением компонентов смеси в конденсированной фазе.

Горение смесевых ТТ в соответствии с гипотезой Саммерфилда может быть описано одномерной моделью «гранулярно-диффузионного пламени». Эта модель построена в предположении о наличии непосредственного пиролиза горючего и окислителя и о протекании всех реакций в достаточно тонком слое диффузионного пламени в газовой зоне. Предполагается также, что пары окислителя и горючего образуются в виде отдельных объемов, сгорающих в среде, образованной противоположным реагентом. При этом масса каждого такого объема не зависит от давления, а зависит от размеров кристалла (частицы).

При прохождении через зону пламени в результате химического взаимодействия объемы уменьшаются со скоростью, определяемой процессом их диффузионного смешения. Процесс горения происходит вследствие передачи энергии, главным образом, путем теплопроводности из газовой зоны к поверхности твердого топлива.

В общем случае стационарное горение смесевых систем и баллиститных порохов поддерживается тепловыми потоками, транспортируемыми из газовой (пародымогазовой), и суммарно-экзотермическими эффектами в К – фазе. Зона светящегося пламени практически не оказывает влияния на процесс горения.

В представленной схеме горения СТТ предполагается, что все компоненты топлива летучие и газифицируются при нагревании. Однако фактически дело обстоит не совсем так. Во многих СТТ содержатся металлические горючие, главным образом это порошки мелкодисперсного алюминия. Современные СТТ включают в себя в довольно больших количествах высокоэнергетические ВВ, одновременно выполняющие роль дополнительного окислителя. Это значительно усложняет картину и структуру зон горения. Даже при горении СТТ из легко газифицирующихся компонентов имеет место диспергирование частиц из К – фазы. Наличие же металла в топливе приводит не только к энергетическому диспергированию и нарушению границ зон, но вызывает также явления агломерации и фрагментации, появлению твердых и жидких частиц в конечных продуктах горения, что оказывает значительное влияние на энергетические характеристики топлив в различных энергосиловых установках.

Еще более сложная картина наблюдается при горении пиротехнических составов, степень гетерогенности которых значительно выше. Пиротехнические составы могут содержать до 70% металлического горючего, при термическом распаде большинства окислителей образуются конденсированные продукты. Поэтому существенно возрастает роль процессов, протекающих в конденсированной фазе. Более того, существуют, так называемые, малогазовые и безгазовые составы, горение которых представляет собой движение тепловой волны зоны экзотермических реакций – по образцу заряда при сохранении в целом его формы. Соответственно говорить о зонах горения в классическом их понимании, температуре поверхности, структуре пламени для пиротехнических составов можно с довольно высокой степенью условности.

Кроме того, пиротехнические составы отличаются большим разнообразием рецептур, как по номенклатуре входящих в них компонентов, так и по соотношению между ними.

Для изготовления зарядов используются методы глухого  и проходного прессования, свободное литье и литье под давлением. Эти факторы безусловно должны учитываться при анализе механизма горения пиротехнических составов. В частности, при горении пиротехнических зарядов, особенно изготовленных методом глухого прессования, огромное значение имеет газопроницаемость состава. Перенос тепла и прогрев подготовительной зоны за счет проникновения горячих газов становится важным фактором в механизме горения, роль которого существенно возрастает и может стать определяющей с увеличением давления. В этом случае перестают работать расчетные модели, полученные на принятии допущения о передачи тепла в подготовительную зону за счет теплопроводности. При определенном давлении и пористости заряда режим горения таких зарядов может перейти из нормального в конвективный.

2. Нестационарное горение энергонасыщенных материалов

Под нестационарным горением понимается горение ЭНМ с переменными характеристиками в изменяющихся внешних условиях. Такой режим горения ТТ характерен для периода выхода ЭСУ на стационарный режим работы, в условиях спада давления, при регулировании расходных характеристик, при гашении, при возникновении турбулентного режима горения, в условиях автоколебательных процессов, при горении составных зарядов и в ряде других случаев.

Для рабочего процесса нестационарный режим, как правило, является нежелательным и на практике предпринимаются значительные условия для подавления любых нестационарных изменений амплитуды скорости горения топлива, поскольку они в большинстве случаев ведут к уменьшению эффективности использования энергии топливных систем.

Основы теории нестационарного горения ТТ в условиях переменного давления заложены в работах Я.Б. Зельдовича и построены в предположении отсутствия тепловыделения в К – фазе и постоянстве температуры поверхности горения заряда ТТ. Согласно этой теории скорость горения топлива определяется мгновенным значением давления над поверхностью и величиной градиента температуры по толщине прогретого слоя К – фазы. При этом увеличение скорости горения и толщины прогретого слоя происходит с уменьшением градиента температуры у у поверхности при     р= const. Как следует из этой теории, в режиме повышающегося давления в каждый момент времени значение нестационарной скорости горения по величине должно превосходить стационарное значение, соответствующее давлению в данный момент. Это обусловлено образованием избыточного количества теплоты в прогретом слое ТТ ввиду конечного времени релаксации прогретого слоя

где аT – температуропроводность топлива.

Обратная картина наблюдается в условиях понижающегося давления. Такая закономерность изменения стационарной скорости горения следует из приближенной зависимости

полученной в предположении постоянства температуры поверхности горения и отсутствия на ней химических реакций, а также в предположении стационарности зависимости профиля температур в К – фазе от давления и теплового потока, транспортируемого из пародымогазовой фазы в К – фазу.

В.Б. Новожилов, опираясь на модель Я.Б. Зельдовича и исходя из предположения о линейной зависимости скорости горения от начальной температуры заряда ТТ (Тн), получил следующее выражение для нестационарной скорости горения:

где

В – термохимический коэффициент, зависящий от типа ТТ.

Градиент температуры в К – фазе  может быть определен в результате решения уравнения нестационарной теплопроводности

с соответствующими краевыми условиями.

Согласно теории Я.Б. Зельдовича величина нестационарной скорости горения ТТ в режиме понижающегося давления должна быть меньше скорости горения, рассчитанной на зависимости стационарной теории, зависящую от скорости изменения давления. Однако эта закономерность не получила опытного подтверждения.

Сравнение расчетной скорости по опытным данным со значениями, определяемыми по стационарным зависимостям (степенному закону горения) при тех же значениях давления, показывает, что скорость горения в режиме понижающегося давления превышает стационарную, особенно при значительных скоростях понижения давления.

Последнее объясняется возникновением эффекта турбулентного горения, обусловленным турбулизацией газового потока при понижении давления (например, при вскрытии дополнительных отверстий), а также процессом диспергирования ТТ в период спада давления.

2.1. Возникновение турбулентного горения заряда ТТ в камерах сгорания

Влияние турбулизации газового потока на скорость горения ТТ в камерах сгорания было отмечено еще в ранних работах Я.Б. Зельдовича и О.И. Лейпунского. Из этих работ следует, что увеличение скорости горения ТТ при больших скоростях газового потока происходит за счет так называемого эффекта раздувания (турбулизации) газовой зоны. Для учета влияния скорости продуктов сгорания на скорость горения ТТ был введен называемый коэффициент раздувания

є

Здесь U, UT –скорости горения ТТ без учета и с учетом эффекта раздувания.

Исследования турбулентного горения ТТ в значительной мере стимулировалось необходимостью решения практических задач.

В процессе анализа опытных данных по зависимости давления от времени горения пороха «Н», полученных на модельных двигателях, было замечено, что резкое увеличение давления в начальный период работы проявляется в большей степени в двигателях с зарядами, имеющими развитую поверхность горения (кривая 1) в передней части, а  в двигателях с зарядами, имеющими бронированный передний торец (кривая 2), слабее.

 

Рис. 2 Характер зависимости давления – время в камере сгорания

модельного РДТТ

1 – заряд с открытой передней частью;

2 – заряд с забронированным передним торцем.

Эта закономерность подтверждалась и при проведении прямых экспериментов на натурных двигателях при принудительном гашении зарядов из пороха «Н» на первой секунде работы двигателя. Осмотр погашенных зарядов выявил прямую зависимость возникновения ускоренного горения топлива от скорости потока, обусловленной значениями входных характеристик заряда.

Результаты измерений показали, что каналы зарядов с открытым передним торцем начинают переходить из цилиндрических в конические практически сразу. Иное наблюдается у погашенных зарядов с бронированным передним торцем. Конусность канала у таких зарядов появляется на некотором расстоянии от переднего торца. Причем, с увеличением диаметра канала при прочих равных условиях это расстояние увеличивается. Обнаруженное явление было первоначально названо «эрозионным горением пороха» и наблюдалось при некоторой «пороговой» скорости потока продуктов горения, которая достигалась при определенном отношении выходного поперечного сечения канала к поверхности горения. Это отношение впоследствии было названо критерием Ю.А. Победоносцева (æ).

Прямые и косвенные эксперименты позволили отождествить механизм возникновения турбулентного горения с процессом перехода ламинарной формы течения в турбулентную и, в частности, позволили выявить важную закономерность: процесс возникновения турбулентного горения (пороговая скорость) непосредственно зависит от входных характеристик заряда, которые определяют степень турбулентности газового потока в канале заряда.

Исследованию и разработке теории турбулентного горения большое внимание уделялось и уделяется за рубежом.

В работах Корнера показано, что рост скорости горения является результатом увеличения количества теплоты, поступающей из газовой зоны в твердую фазу, при этом увеличение передаваемого количества теплоты связано с повышением коэффициента теплопроводности за счет турбулизации газовой зоны.

Из работ Ленуара и Робийяра следует, что поток теплоты из ядра высокотемпературных продуктов сгорания передается к поверхности пороха главным образом за счет конвекции и, следовательно, зависит от скорости газового потока.

В работе Вандеркеркхова отмечается, что увеличение скорости горения твердого топлива в потоке газа обусловлено влиянием турбулентности внутри пародымогазовой зоны, а пороговая скорость соответствует моменту, когда турбулентные вихри достигают границ этой зоны. Из анализа указанных работ следует, что за счет турбулизации газовой зоны, пороховые газы, имеющие температуру конечных продуктов сгорания, т. е. максимальную, приближаются к поверхности горения и начинают влиять на протекающие в К – фазе процессы, что приводит к увеличению скорости горения.

Таким образом, увеличение скорости горения является результатом турбулизации газовой зоны, а не результатом эрозионного воздействия потока продуктов сгорания на горящую поверхность заряда твердого топлива. Эрозионное воздействие продуктов горения на К – фазу ТТ также может иметь место, но оно не является определяющим. Все это позволяет заключить, что термин «турбулентное горение» более правильный, так как он в большей степени отражает суть физического явления, чем термин «эрозионное горение».

Вместе с тем, до настоящего времени не сложилось единого мнения о количественном значении пороховой скорости и о механизме возникновения турбулентного горения зарядов в камере сгорания РДТТ. Хотя однозначно установлено, что эффект турбулентного горения проявляется в большей степени у медленногорящих порохов, чем у быстрогорящих.

Попытки исследовать турбулентное горение с позиции чистой теории не дали практических результатов, поскольку сложность рассматриваемого явления ставила исследователей перед необходимостью вводить ряд допущений, иногда противоречащих физическим основам процесса горения ТТ. Только опираясь на теорию и закономерности стационарного горения, тепломассообмена и течения газодисперсных систем, можно достаточно строго проводить изучение горения топлив в турбулентном потоке.

Как известно, на переход ламинарного течения в турбулентное оказывают влияние градиент давления по длине канала, вдувание или отсасывание вещества, нагревание или охлаждение, шероховатость обтекаемой поверхности и другие факторы. Проследим, таким образом отмеченные факторы оказывают влияние на устойчивость потока продуктов сгорания.

Расчет пограничных слоев при возрастании и падении давления в расширяющихся и сужающихся каналах был проведен Шлихтингом при скорости течения

где коэффициент а<0 – для ускоренного движения, а>0 – для замедленного движения. Полученные результаты подтвердили относительно сильное стабилизирующее действие возрастания давления и дестабилизирующее действие падения давления.

Вдувание рабочего вещества влияет на форму профиля скоростей в ламинарном пограничном слое так же, как возрастание статического давления, а отсасывание – как падение давления.

Если рассматривать процесс горения в ракетной камере, то в канале заряда ТТ при течении рабочего вещества имеет место как вдувание, так и падение статического давления, причем оба этих фактора взаимосвязаны: вдувание рабочего вещества с боковой поверхности заряда ТТ приводит к увеличению скорости потока в канале заряда, а, следовательно, и к уменьшению статического давления. Таким образом, вдувание вещества, с одной стороны, дестабилизирует поток, а с другой – стабилизирует.

Аналогичным образом воздействует поток продуктов горения теплопередача к поверхности, обусловленная, в основном, зависимостью коэффициента вязкости продуктов от их температуры.  Как известно, коэффициент вязкости продуктов сгорания возрастает с увеличением температуры. Для случая, когда  Тп>T∞ , имеем , и . Передача теплоты от стенки к обтекаемому её газу, как и повышение давления в направлении течения, дестабилизирует поток, а передача теплоты от газа к стенке приводит к стабилизации пограничного слоя.

Шероховатость стенки (при прочих равных условиях) способствует переходу ламинарной формы движения в турбулентную при меньших числах Re, чем на гладкой стенке.

Таким образом, возникновение турбулентного горения порохов можно отождествить с переходом ламинарной формы движения продуктов сгорания (для зоны горения) в турбулентную и представить следующую картину процесса.

В силу влияния различных факторов таких, как неравномерности внешнего течения (под внешним течением в канале заряда понимается область течения без зоны горения); вдувания рабочего вещества с боковой поверхности; турбулентности потока перед входом в канал, зависящий  от развитости поверхности горения в передней части заряда, неравномерности поверхности горения и других, появляются небольшие относительные перемещения частиц газа, возмущающие пограничный слой.

Место и время небольших перемещений, а также их амплитуда и частота распределяются статистически неравномерно. Далее по течению в некоторых точках могут возникнуть перемещения с большими амплитудами, вызывающие образование турбулентных зон определенной величины. С увеличением скорости потока размер этих зон увеличивается. Одновременно возникают новые турбулентные зоны, которые могут сливаться друг с другом. По мере продвижения рабочего вещества по каналу заряда площадь, покрываемая турбулентными зонами, увеличивается до тех пор, пока не установится полностью турбулентное течение (рис. 3)

Рис. 3 Зависимость максимальной пульсационной составляющей

скорости V′ max от числа Re газового потока

С увеличением числа Re до известного предела длина участка перехода ламинарной формы движения в турбулентную сокращается (рис. 4).

 

Рис. 4 Схема перехода к турбулентному режиму течения в пограничном слое.

1 – ламинарный слой;

2 – поверхностные «бегущие» волны;

3 – турбулентные пятна;

4 – турбулентная область.

Для случая течения продуктов сгорания в канале заряда ТТ, где имеет место вдувание вещества с боковой поверхности, обусловленное горением топлива, участок переходной области значительно сокращается. Как правило, скорости вдувания вещества на порядок меньше осредненной по поперечному сечению канала скорости основного потока. Однако вблизи поверхности горения (в зоне горения и прилегающих к ней областях) скорости вдувания уже соизмеримы со скоростью потока. Об этом свидетельствуют имеющиеся теоретические и экспериментальные данные по закономерностям изменения профиля скоростей в поперечном сечении канала заряда ТТ. Так результаты исследований показывают, что скорость потока в осевом направлении по ширине зоны пламени может изменяться от 5…10м/с на границе с основным потоком до нуля на поверхности горения.

Из приведенной физической картины возникновения турбулентного горения следует, что в каждом конкретном случае количественное значение пороговой скорости будет определяться прежде всего степенью турбулентности потока. Поэтому говорить о величине пороговой скорости турбулентного горения топлива в отрыве от условий горения заряда (геометрических характеристик заряда, наличия или отсутствия компенсатора и т.п.) вообще не имеет смысла. Однако правомерно говорить, что возникновение турбулентного горения (пороговая скорость) будет отвечать моменту, когда турбулентные вихри из зоны светящегося пламени начинают проникать в пародымогазовую зону. С этого момента турбулентность начинает оказывать влияние на скорость горения.

Количественное значение пороговой скорости зависит в основном, как уже отмечалось, от степени возмущения потока во входном сечении канала. В свою очередь степень возмущения потока (степень турбулизации) зависит от геометрических характеристик заряда (канала), а также от состава и свойств продуктов горения топлива. Высокое содержание конденсированной фазы в продуктах горения пиротехнических составов существенно влияет на характер течения потока и снижает пороговую скорость турбулентного горения. Поэтому при проектировании зарядов и изделий на основе пиротехнических составов эффекты возможного увеличения скорости горения в результате возникновения турбулентного горения должны обязательно рассматриваться. В общем случае математическое описание возникновения турбулентного горения ТТ может быть дано на основе теории устойчивости ламинарного течения продуктов сгорания. Для определения момента возникновения турбулентного горения топлива необходимо решить задачу перехода ламинарной формы движения в турбулентную для узкой зоны горения, где происходят сложные гидродинамические процессы, обусловленные вдуванием, перемешиванием и реагированием вещества. Это весьма сложная задача, поскольку вопрос об изучении гидродинамики течения химически реагирующего вещества для зоны горения является к настоящему времени открытым. Разработана только математическая модель перехода ламинарной формы движения газового потока в турбулентную в предположении наличия одного прореагировавшего вещества.

С учетом значительных допущений разработана математическая модель горения ТТ в турбулентном потоке. Она позволяет определить значение коэффициента относительной скорости турбулентного горения є в газовой зоне для каждого значения скорости потока.

Теория горения твердых топлив в турбулентном потоке позволяет в рамках принятых допущений качественно представить закономерность изменения скорости горения от различных факторов, ибо многие исходные параметры, например, температура поверхности, напряжение трения и другие, могут быть определены весьма приближенно. В этой связи в практических расчетах используются полуэмпирические зависимости для скорости горения ТТ в турбулентном потоке, полученные путем обработки опытных данных и согласования их с теорией.

Наиболее типичной зависимостью для скорости горения твердых топлив в диапазоне изменения давления Р = 2 – 7МПа является зависимость вида

где 0, если V<Vпор. и 1, если V>Vпор.

Здесь Кυ – коэффициент турбулентного горения, выраженный в (с/м)1/2 и зависящий в основном от природы ТТ. Установлено, что для медленногорящих ТТ численное значение Кυ выше, чем для быстрогорящих топлив. В частности для баллиститного пороха «Н» Кυ≈0,02(с/м)1/2 .

Пороговая скорость турбулентного горения Vпор, соответствующая моменту проникновения турбулентных вихрей в пародымогазовую зону, зависит от природы ТТ и, главным образом, от условий входа потока в канал заряда. Она может изменяться в диапазоне 140 – 200 м/с для канального заряда с бронированным передним торцем, до 10 -20 м/с для канального заряда с компенсатором в передней части.

В целом турбулентное горение зарядов ТТ в камерах сгорания носит негативный характер, поскольку провоцирует «пики» давления в камере на начальном участке работы и вылет на геометрический закон изменение поверхности заряда.

Но в ряде случаев это явление используется для решения конкретных практических задач. Так за счет организации режима турбулентного горения в щели специалистами НИИПХ разработан исключительно простой по конструкции бессопловой двигатель на пиротехническом топливе для реактивных патронов и фейерверочных ракет (рис.4).

Рис. 5.  Бессопловой реактивный двигатель для фейерверочных ракет

1 – корпус (трубка); 2 – втулка; 3 – заряд из пиротехнического ТТ.

Турбулентное горение заряда в узкой щели по боковой поверхности позволяет получить высокую скорость горения, а соответственно и тягу на начальном участке работы двигателя (рис. 6).

Рис. 6. Зависимость тяги, создаваемой бессопловым двигателем, от времени

Такой характер изменения тяги необходим для обеспечения устойчивого полета реактивного патрона или фейерверочной ракеты.

2.2. Нестабильное горение зарядов ТТ

При определенных условиях в камерах сгорания полузамкнутого типа (с истечением продуктов сгорания) возможно возникновение автоколебаний давления. Горение зарядов ТТ (порохов, смесевых ТТ, пиросоставов) в условиях автоколебаний получило название нестабильного или «вибрационного» горения. Следует отметить, что наиболее глубоко вопросы нестабильного горения проработаны применительно к РДТТ, поскольку именно в РДТТ в силу особенностей их конструктивного исполнения и применяемых топлив (порохов и смесевых ТТ) особенно часты случаи проявления автоколебаний давления.

В принципе любая камера сгорания, имеющая газовыходные отверстия, является автоколебательной системой, т.е. такой системой, которая сама является источником возбуждения колебаний. Механизм возникновения автоколебаний в такой камере связан с процессами теплообмена между газовой зоной и К – фазой заряда ТТ. Возникает замкнутый контур прямого и обратного влияния – увеличение прихода продуктов сгорания приводит к увеличению давления и расхода через газовыходное отверстие, что в свою очередь влияет на приход. В отдельных случаях наблюдается нестабильная работа этой системы, связанная с недостаточной согласованностью параметров горения заряда ТТ и внутрибаллистическими характеристиками камеры сгорания. При этом скорость горения ТТ может изменяться периодически во времени. Такой режим обычно является нежелательным, поскольку может спровоцировать разрушение заряда или камеры сгорания. Из-за сложности механизма этого явления до настоящего времени не создано достаточно строгой теории и расчетных методов нестабильного горения. Вместе с тем на практике выработаны и успешно используются различные способы борьбы с автоколебаниями в камерах сгорания зарядов ТТ.

Различают два типа автоколебательных процессов: низкочастотные и высокочастотные или акустические. Незначительные автоколебания проявляют себя на частотах от одного до нескольких Гц, причем давление одинаково (синхронно) изменяется во времени по всему объему. Высокочастотные колебания возникают на частотах акустического диапазона, для которых характерно периодическое изменение давление в различных точках камеры сгорания со сдвигом по фазе.

Формы газодинамических колебаний могут быть продольными (осевыми), радиальными (поперечными) и тангенциальными. Уровень и характер газодинамических колебаний в значительной степени зависит от формы свободного объема камеры сгорания, который по мере выгорания заряда ТТ изменяется, поэтому и газодинамические колебания, возникнув, могут потом самопроизвольно исчезнуть.

В общем случае газодинамические колебания могут быть расходящимися при непрерывно увеличивающейся амплитуде, периодическими с постоянной амплитудой и частотой и затухающими с постоянно уменьшающейся амплитудой.

При изучении  газодинамических (акустических) колебаний надо знать чувствительность поверхности горения зарядов ТТ на возмущение давления. Для этой цели используется так называемая функция проводимости А, заимствованная из акустики, которая определяется по соотношению

где m′, p′, ρ ′ – флуктуации плотности потока массы у поверхности горения, давления и плотности соответственно; m, p, ρ – средняя величина плотности потока массы, давления и плотности; n – частота колебаний; – среднее число М.

С ней связаны коэффициенты усиления и затухания колебаний. Если действительная часть функции проводимости А положительна, то  колебания усиливаются. При этом, чем больше А, тем в большей степени процесс горения усиливает колебания. Функция А зависит от свойств ТТ и его продуктов сгорания и от частоты колебаний. Функцию проводимости можно также применять для определения границ устойчивого горения.

В процессе изучения газодинамических колебаний особое внимание уделяется выявлению механизма возбуждения и подавления автоколебаний и определению границ их возникновения.

2.2.1. Высокочастотные автоколебательные процессы

Высокочастотная неустойчивость горения (автоколебательные процессы) в камере сгорания развивается постепенно и может начинаться с малых амплитуд. Её возникновение связано с одной из мод акустических колебаний столба продуктов сгорания в свободном объеме заряда ТТ. Усиление колебаний приводит к возрастанию скорости горения заряда и, как следствие, к резкому повышению давления. В отдельных случаях давление, обусловленное высокочастотной неустойчивостью, может в несколько раз превышать среднее давление при нестационарном горении. При этом усиление слабых колебаний в газовом объеме происходит при наличии определенной фазовой связи между согласованными колебаниями газового объема и энергией, вносимой в газовую среду вместе с новыми поступлениями продуктов сгорания с поверхности горящего заряда.

Значительное повышение давления в камере сгорания в условиях высокочастотного автоколебательного процесса горения и возможность демонтажа энергосиловой установки требует глубокого изучения этого явления и поиска путей борьбы с акустической неустойчивостью.

Теоретические методы исследования устойчивости высокочастотных колебаний основываются на оценке действительной части функции проводимости. В связи со сложностью механизма акустического горения, а также в силу сложности уравнений, которые должны быть построены с учетом локальных процессов переноса и кинетических факторов, в настоящее время для определения условий возникновения акустической неустойчивости при проектировании зарядов и камер сгорания в основном применяются эмпирические или полуэмпирические методы.

2.2.2. Низкочастотные автоколебательные процессы

Низкочастотные колебания имеют место, как правило, в камерах сгорания небольших размеров, в частности в малогабаритных РДТТ. Причем частота колебаний может быть на несколько порядков меньше основной акустической моды.

Математическая модель низкочастотных колебаний может быть построена с акустической точки зрения в предположении идентичности механизма возбуждения низкочастотных и высокочастотных колебаний.

Параметры (критерии) рабочего процесса, характеризующие процесс устойчивости, можно определить из анализа уравнения закона сохранения энергии, записанного в виде:

где  – скорость изменения давления в камере;

R, T, ρ – газовая постоянная, температура и плотность продуктов сгорания соответственно;

U – линейная скорость горения; S – поверхность горения заряда; Fкp – площадь критического сечения;  – расходный комплекс.

Введем безразмерные переменные ;  ;  ,

где  – время релаксации прогретого слоя; аt – теплопроводность топлива;

PcT , UcT – давление и скорость горения для стационарного процесса.

Соответственно предыдущее уравнение можно записать в виде

где = – время релаксации камеры сгорания;

V – свободный объем камеры сгорания;

= – газодинамическая функция изоэнтропического потока.

Как следует из приведенного выражения, при оценке устойчивости процесса в камере сгорания важную роль играет отношение характеристик времен, т.е. времен релаксации камеры сгорания и прогретого слоя. Низкочастотная неустойчивость характерна для РДТТ малых размеров и для повышения устойчивости при низкочастотных колебаниях необходимо увеличивать давление в камере сгорания или её свободный объем. Причем время пребывания продуктов сгорания в камере  увеличивается за счет уменьшения , а время релаксации теплового слоя топлива уменьшается за счет увеличения скорости горения. Отмеченные закономерности также указывают направления борьбы с неустойчивостью горения ТТ.

2.2.3. Способы подавления акустических колебаний в камерах сгорания

Подавление акустических колебаний может производиться путем изменения состава ТТ, конструкции заряда, камеры сгорания, соплового блока (для РДТТ), применения специальных демпфирующих устройств.

Состав ТТ оказывает влияние на колебания давления, проявляющиеся через скорость горения и её зависимость от давления и температуры, содержание конденсированных частиц в продуктах сгорания. ТТ с меньшей скоростью горения более склонны к нестабильному горению. Наличие конденсированных частиц в продуктах сгорания оказывает достаточно сильное влияние на демпфирование колебаний давления, причем это явление в значительной степени зависит от размера и формы частиц, от процесса и условий горения, от концентрации частиц в продуктах сгорания.

Сопло и камера сгорания являются частью колебательной системы, их геометрические характеристики могут оказывать заметное влияние на устойчивость горения, которая может быть оценена с помощью рассмотренных выше соотношений.

Наряду с подбором состава ТТ, формы камеры сгорания, заряда ТТ и сопла для демпфирования колебаний могут быть использованы стабилизирующие устройства, такие как резонансные стержни, акустические полости, экраны и др.

2.3. Пульсирующее горение пиротехнических систем

До сих пор мы рассматривали процессы нестабильного горения топлив, порохов и пиротехнических составов, протекающие в камерах сгорания полузамкнутого типа, ориентируясь главным образом на результаты исследований, проводимых в РДТТ или в камерах, моделирующих рабочие процессы в РДТТ, с использованием баллиститных порохов или смесевых ТТ. Это касается пиротехнических составов и топлив, отличающихся высоким содержанием К – фазы в продуктах сгорания, то при их горении в камерах сгорания ракетного типа газодинамические (акустические) колебания давления менее характерны.

Однако существует целый ряд пиротехнических составов, сгорающих в пульсирующем режиме в открытом виде вне камеры сгорания. Особенность этого режима горения связана с периодическим регулярным исчезновением пламени (полным или частичным) и следующей за этим вспышкой. Пульсирующий режим наблюдается при горении пиротехнических составов на основе смесей металлическое горючее – кислородосодержащий окислитель; металлическое горючее – фторполимер; органическое горючее –  кислородосодержащий окислитель и ряда других при разрежении, отрицательных и положительных температурах, в оболочке и без неё, при обдуве и вращении образца. Причем сила света во время вспышки в несколько раз выше, чем при сгорании состава в равномерном режиме, а средняя скорость горения меньше. Эта особенность используется для практических целей. Периодическое излучение цветных огней лучше воспринимается главным образом, что важно при разработке сигнальных и трассирующих составов и средств. Составы «Мерцающих огней» широко используются в фейерверочных изделиях и обеспечивают своеобразие и красочность зрелищного эффекта.

Проиллюстрируем основные закономерности горения на примере систем на основе перхлората аммония – алюминиево – магневый сплав; нитрат стронция – сплав АМ; перхлорат аммония – органическое горючее. Частота пульсаций таких систем зависит в общем случае от содержания компонентов, их дисперсности, коэффициента уплотнения образца и от условий организации процесса горения.

Результаты исследования при помощи скоростной киносъемки процессов, происходящих на поверхности горения составов, содержащих сплав АМ, позволяет констатировать, что при пульсирующем горении происходит периодический срыв накапливающихся на поверхности горения агрегатов металлических частиц и сгорание этого слоя в пламени. Установлено, что в промежутках между этими выбросами убыли массы образцов не происходит. Разогрев и подготовка этих агрегатов происходит за счет экзотермических процессов, протекающих в подготовительном слое. При этом температура воспламенения агрегата тем меньше, чем больше его геометрические размеры и чем меньше размер частиц металла, находящихся в нём. За счет тепла, выделяющегося в результате низкотемпературного окисления металла, происходит и подготовка окислителя. Таким образом, создаются условия, благоприятные для воспламенения слоя накопившихся частиц, увеличению скорости газификации окислителя, разрушению и срыву слоя металлических частиц – агломератов с поверхности горения. Затем начинается очередная фаза накопления и воспламенения нижерасположенных слоев состава, что возможно при условии, когда температура поверхности достаточна для протекания самоподдерживающихся медленных суммарно-экзотермических реакций.

Аналогичная картина, в целом, наблюдается при пульсирующем горении системы перхлорат аммония – органическое горючее. Однако в этом случае между вспышками отмечается незначительная убыль массы образца, что связано с частичным разложением органического горючего. Введение в составы небольшого количества других веществ существенно влияет как на стабильность, так и на частоту пульсаций.

В большинстве случаев добавление в пульсирующие системы органических соединений ведет к увеличению частоты пульсаций и переходу горения в стационарный режим. Это обусловлено образованием углеродистого каркаса на поверхности горения, который интенсифицирует процессы теплопередачи и стабилизирует процесс горения. Частота пульсаций при горении увеличивается в случае размещения заряда в оболочке, с ростом диаметра образца, температуры и давления окружающей среды. Это указывает на существенное влияние на пульсирующий режим горения составов внешних условий.

Таким образом, горение в автоколебательном режиме характерно для пиротехнических составов, у которых наблюдается при определенных внешних условиях нарушение непрерывности и сдвиг по времени процессов, происходящих в подготовительной и в пламенной зонах.

Детали:

Формат файла(-ов): doc

Тип работы: Лекции

Предмет: Физика

Svg Vector Icons : http://www.onlinewebfonts.com/icon Из сборника: Конспект Физико-химические процессы в энергонасыщенных материалах

Год написания: 2010

Скачать бесплатно файл

Добавить комментарий

Ваш email не будет показан.

Получать новые комментарии по электронной почте. Вы можете подписаться без комментирования.