ХИМИЧЕСКАЯ ФИЗИКА, 2015, том 34, № 5, с. 58-65
ГОРЕНИЕ, ВЗРЫВ ^^^^^^^^^^^^ И УДАРНЫЕ ВОЛНЫ
УДК 544.452; 544.427
ПУЛЬСИРУЮЩИЕ ЯЧЕИСТЫЕ РЕЖИМЫ ФИЛЬТРАЦИОННОГО ГОРЕНИЯ ПОРИСТЫХ СРЕД © 2015 г. С. В. Костин1, П. М. Кришеник1*, К. Г. Шкадинский1, 2
Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения Российской академии наук, Черноголовка 2Институт проблем химической физики Российской академии наук, Черноголовка
*Е-таП: petr@ism.ac.ru Поступила в редакцию 02.06.2014
В работе исследуются закономерности распространения ячеистых режимов фильтрационного горения пористого слоя высокоэнергетических составов, образующих конденсированные продукты реакции. В условиях неустойчивости плоский фронт фильтрационного горения "распадается" на отдельные ячейки экзотермического превращения, которые перемещаются по гетерогенной смеси в периодическом режиме. На основе данных видеосъемки процесса и теоретических данных анализа горения подобных систем исследована динамика распространения ячеистого пульсирующего фронта. Установлены зависимости и механизмы экзотермического превращения ячеистых волновых режимов, исследована эволюция ячеистой фронтальной структуры на отдельном периоде пульсаций.
Ключевые слова: фильтрационное горение, ячеистые режимы, структурированность фронта, устойчивость плоского фронта, неустойчивость, автоколебательные режимы, динамический тепловой взрыв.
Б01: 10.7868/80207401X15050064
ВВЕДЕНИЕ
Возможность структурирования теплодиффу-зионного пламени была показана еще в 1944 году Я.Б. Зельдовичем [1]. Из анализа устойчивости горения таких систем [2] этот факт был подтвержден на количественном уровне. В последние годы повышенное внимание уделяется исследованиям структурированности фронта горения гетерогенных химически активных составов. В процессе экзотермического превращения таких систем можно ожидать, что независимо от начальных возмущений могут самопроизвольно формироваться регулярные структуры, симметрия которых должна отличаться от симметрии начальных возмущений. При анализе горения целлюлозы в потоке газа [3] обнаружены фронтальные структуры пальцеобразной конфигурации. При постоянной скорости продува газа через продукты реакции вслед движущемуся фронту в работе [4] показано, что если проницаемость продуктов горения превышает проницаемость исходной шихты, то горение может быть неустойчиво, что может привести к разрушению волны и фронт горения приобретает конфигурацию пальца. Экспериментальное исследование этих процессов было проведено в работе [5] на примере распро-
странения волны тления в щелевидном канале, заполненном опилками. Здесь основное внимание уделено исследованию масштабных факторов на потерю устойчивости горения высокопористых сред.
Процессы структурированности фильтрационного фронта при горении порошков металлов в режиме естественной фильтрации газа впервые теоретически и экспериментально исследованы в работах [6—11], где был проведен анализ волновых фильтрационных режимов горения пористых сред, исследована динамика инициирования и распространения ячеистых волновых структур. Установлена зависимость числа и формы ячеек от определяющих теплофизических, макрокинетиче-ских и фильтрационных параметров гетерогенной среды, от геометрии и размеров пористых составов, газообмена с окружающей средой, теплопо-терь и т.д. В этих работах получила подтверждение гипотеза, что в условиях неустойчивости плоского фронта фильтрационного горения пористых высокоэнергетических составов с конденсированными продуктами горения и недостатка активного газа в зоне реакции плоский фронт "распадается" на отдельные ячейки самоподдерживающегося экзотермического химического превращения. При
ПУЛЬСИРУЮЩИЕ ЯЧЕИСТЫЕ РЕЖИМЫ ФИЛЬТРАЦИОННОГО ГОРЕНИЯ 59
этом было показано, что ячейки перемещаются по слою конденсированной среды в пульсирующем режиме, оставляя за собой полосы конденсированных продуктов горения с периодической структурой. Механизм появления ячеек в таких системах может быть сопоставлен (на качественном уровне) с механизмом возникновения известных ячеистых газовых пламен [12]. При горении пористых сред вместо закономерностей диффузионного транспорта должны быть учтены закономерности фильтрационного переноса газового реагента в зону реакции. Однако в данном случае, в отличие от газовых пламен, образовавшиеся продукты горения, будучи конденсированными, сохраняют местоположение при движении ячеек и, остывая, "запоминают" историю своего образования.
Предлагаемое исследование нацелено на определение границы реализации стационарных и нестационарных режимов распространения фильтрационного фронта. Основное внимание сосредоточено на установлении макрокинетических закономерностей распространения горения в параметрической области потери устойчивости плоского фронта горения, формирования и распространения пульсирующих ячеистых режимов. Исследование эволюции структуры ячейки на отдельном периоде пульсации позволяет установить связь процессов тепломассобмена и химического взаимодействия с устойчивостью и существованием горения пористых сред. Представленные исследования нелинейного процесса динамики формирования и распространения пульсирующего ячеистого режима горения демонстрируют новую возможность изучения нелинейных эффектов при волновом распространении экзотермической реакции в химически активных средах.
С практической точки зрения анализ горения предлагаемых модельных систем позволяет определить оптимальные условия протекания горения пористых сред в фильтрационном режиме для получения продукта синтеза. Основной результат исследования заключается в установлении закономерностей пульсирующего движения ячеек и раскрытии физических механизмов формирования и распространения структурированного фронта с позиций современной теории горения.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
Напомним кратко схему эксперимента, которая разработана в работе [8]. На дно плоской прямоугольной металлической кюветы (рис. 1) или подложку помещается тонкий плоский слой порошкообразной химически активной среды (порошок титана). Пористая гетерогенная система в экзотермическом режиме вступает в химическое взаимо-
действие с внешней газовой средой, образуя конденсированные продукты. Порошок полидисперсного титана имел следующий гранулометрический состав: менее 5 мкм — 65%, 5—63 мкм — 24%, 63— 100 мкм — 11%. Для организации фильтрационного потока газового реагента в зону реакции и, соответственно, фильтрационного горения пористой среды ее покрывают на некотором расстоянии от слоя порошка кварцевым стеклом (рис. 1). Стекло помещают на бортики кюветы, толщину газовой прослойки регулируют путем изменения уровня засыпки пористого слоя. Около одного бортика ванночки стекло сдвигают, образуя зазор для поступления газа извне. Газ, потребляемый в относительно узкой зоне интенсивной реакции, подводится под стеклом по законам фильтрации [8—11], скорость его подачи легко регулируется толщиной газовой прослойки за счет изменения расстояния от стекла до поверхности слоя конденсированного реагента. Скорость фильтрационного потока в процессе горения таких систем значительно меньше скорости звука, но значительно превышает скорость фронта. Отметим, что такая организация управления фильтрационным течением газа гораздо удобнее, чем за счет изменения проницаемости самой гетерогенной системы. При горении пористого слоя транспорт газового реагента извне определяется напрямую механизмом химического взаимодействия гетерогенной среды с активными газовыми компонентами при слабом фильтрационном сопротивлении, т.е. реализуется горение в квазиизобарических условиях переноса газа. Для теоретического анализа горения таких систем в работах [13, 14] были использованы математические приближенные подходы, разработанные в работе [15]. В линейном приближении исследован вопрос устойчивости горения пористых сред по отношению к искривлениям фронта в квазиизобарическом потоке газа. Результаты приближенного аналитического анализа подтвердили выводы численного исследования устойчивости волновых фильтрационных режимов горения. С помощью трехмерной математической модели, описывающей химическое взаимодействие пористых конденсированных составов цилиндрической формы, исследованы процессы формирования и распространения спиновых режимов горения высокопористых сред в условиях тепломассообмена с внешней средой. Анализ влияния инертных газов на процессы инициирования, структуру и распространение фильтрационного фронта в системах в квазиизобарических условиях переноса газа представлен в работе [16].
Рис. 1. Вид кюветы со слоем порошка титана, кварцевым стеклом и зажигающей спиралью для инициирования горения: 1 — кювета размером (64 х 120 мм), 2 — кварцевое стекло, 3 — спираль для инициирования горения.
РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО АНАЛИЗА
При экспериментальном исследовании волновых структур горение порошка металла инициируется накаленной спиралью около торцевого бортика кюветы. После зажигания волна горения распространялась вдоль засыпки навстречу источнику газа — к открытой части поверхности слоя порошка титана на противоположном конце кюветы. Поток газа в зону реакции определяется скоростью химического взаимодействия, вызванного им понижением давления газа в зоне реакции и возникновением фильтрационного переноса (саморегулируемый режим). Перемещение фронта экзотермического превращения регистрируется через прозрачное кварцевое стекло. После сгорания пористого слоя сохраняется структура продукта, которая отражает особенности процессов инициирования и распространения волны горения. В случае дефицита активного газа и потери устойчивости плоского фронта формируется ячеистый волновой режим, который представлен на рис. 2а. Стрелкой указано направление движения фронта. На рис. 2б представлен фрагмент пористого слоя, в котором находится движущаяся ячейка, окруженная исходной низкотемпературной средой. Относительно узкая зона интенсивного химического взаимодействия сосредоточена в лобовой части ячейки. Локальная структура температурного поля по нормали к лобовой части очага, которая исследована ранее теоретич
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.