ХИМИЧЕСКАЯ ФИЗИКА, 2015, том 34, № 1, с. 52-59
ГОРЕНИЕ, ВЗРЫВ И УДАРНЫЕ ВОЛНЫ
УДК 536.46
НЕОДНОРОДНЫЕ И ЯЧЕИСТЫЕ ВОЛНОВЫЕ СТРУКТУРЫ ПРИ ГОРЕНИИ ПОРИСТЫХ СРЕД В РЕЖИМЕ ЕСТЕСТВЕННОЙ ФИЛЬТРАЦИИ ГАЗА © 2015 г. С. В. Костин1, П. М. Кришеник2*, К. Г. Шкадинский12
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 29.09.2013
В статье представлены результаты экспериментального анализа нестационарного распространения ячеистых волновых режимов при фильтрационном горении слоя порошка титана. Исследованы фронтальные режимы горения пористой среды с неоднородной тепловой структурой, формирующиеся при потере устойчивости фронта в условиях регулируемого транспорта газа в зону экзотермического превращения. Установлены условия перестройки неоднородного фронта горения в ячеистые волновые режимы. Определено влияние определяющих теплофизических параметров гетерогенной системы на структуру неоднородного и ячеистого фронтов и на закономерности пульсирующей динамики их распространения.
Ключевые слова: фильтрационное горение, ячеистые режимы, устойчивость волны, "пальцевая" неустойчивость, неоднородная структура.
DOI: 10.7868/S0207401X15010057
ВВЕДЕНИЕ
Ряд фундаментальных с теоретической и практической точек зрения возможностей открывается при анализе пространственных структур, формирующихся при фильтрационном горении реакционно-способных пористых сред. Так, в недавних экспериментальных исследованиях горения целлюлозы в потоке газа [1] были обнаружены фронтальные структуры пальцеобразной конфигурации. Для теоретического обоснования этого явления в [2] была предложена двумерная теплодиффузионная модель горения свободной поверхности конденсированной фазы, контактирующей со встречно перемещающимся газом. Здесь была рассмотрена динамика структурирования фронта, подобная ячеистым пламенам для газовых смесей. Гипотеза о гидродинамической природе развития пальцеобразных структур (fingering-instabilities) в пористой среде при вынужденной фильтрации газа теоретически и экспериментально развивалась в работах [3, 4]. При постоянной скорости продува газового компонента через пористую среду в спутном направлении в [4] исследовалось влияние масштабных факторов на потерю устойчивости плоского фильтрационного фронта и переход в неустойчивое горение с формированием пальцеобразной конфигурации, подобной границе раздела между
вытесняемой и вытесняющей жидкостями в проблеме Саффмана—Тэйлора [5].
Подробные исследования многомерных волновых режимов горения пористых сред в режиме естественной фильтрации газа представлены в работах [6—11]. Численными и экспериментальными методами установлено, что в условиях неустойчивости плоского фронта фильтрационного горения пористых высокоэнергетических составов и дефицита массы активного газа во внутрипоровом пространстве возможно формирование различных пространственных режимов распространения горения, в том числе ячеистых. В последнем случае плоский фронт "распадается" на отдельные очаги экзотермического химического превращения. Экспериментальные исследования процессов горения порошков металлов в фильтрационном режиме [12—14] указывают на возможность аккумуляции газообразных примесей в высокотемпературных зонах, которые препятствуют фильтрации активных газовых реагентов в зону реакции и тем самым влияют на режимы волнового экзотермического превращения, в том числе и на устойчивость фронта.
На границе потери устойчивости плоского фронта горения пористых составов нами экспериментально обнаружены неоднородные режимы
горения. Представленная работа посвящена анализу волновых режимов горения порошка титана с неоднородной тепловой структурой в условиях регулируемого транспорта газа в зоны экзотермического превращения.
Цели данной экспериментальной работы — определение главных условий существования неоднородного фронта при горении слоя порошка титана в условиях естественной фильтрации активного газа и исследование особенностей его распространения. Изучаются процессы перестройки неоднородного фронта в ячеистые волновые структуры в зависимости от условий фильтрационного транспорта воздушной смеси в зону экзотермического превращения.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ
Как правило, при горении пористых сред в условиях фильтрации активного газа большая часть зоны реакции находится внутри пористого объема и визуально недоступна для прямого экспериментального исследования. Поэтому для анализа процессов формирования и распространения ячеистых волновых режимов удобно использовать такие объекты, как плоские слои химически активной смеси. Это дает возможность визуально изучить динамику формирования и распространения структурирования волновых процессов в зависимости от геометрических размеров слоев, условий подвода газообразных реагентов в зону реакции, способов инициирования.
На рис. 1 приведена схема стандартного опытного образца. Порошок титана насыпался тонким слоем на дно металлической прямоугольной формы. Между полированным кварцевым стеклом, опиравшимся на края бортиков формы, и слоем порошка оставался воздушный зазор. Навстречу фронту горения за счет естественного перепада давления двигался воздушный поток, реагировавший с к-фазой.
Опыты проводились в металлических прямоугольных (размером 64 х 120 мм, 40 х 70 мм, 67 х х 67 мм) формочках с плоским дном. Полидисперсный порошок титана с размером частиц менее 100 мкм засыпался ровным слоем плотностью 1.6 г/см3 (при пористости ~0.6) либо непосредственно на металлическое дно формочки, либо на подложку. Толщина слоя порошка титана составляла, как правило, 1—3 мм. В качестве подложки применялись металлические пластины или слой порошка двуокиси титана плотностью 1.5 г/см3. Полированное кварцевое стекло опиралось на шлифованную поверхность бортиков. Зазор между стеклом и слоем порошка титана составлял 2—6 мм. Около одного бортика ванночки стекло сдвигают, образуя зазор для поступления газа извне. После инициирования горения раскаленной спиралью
\ ч____ У — -
у
/
Хп
Рис. 1. Схема опытного образца прямоугольной формы: 1 — слой порошка титана, 2 — металлическая формочка, 3 — стекло, Х0 — координата фронта. Стрелками указано направление течения газов, сплошная стрелка указывает направление распространения фронта горения.
фронт распространялся по поверхности засыпки навстречу источнику газа — к открытой части поверхности слоя порошка титана, тем самым осуществлялся встречный режим фильтрационного горения. Опыты проводились в воздушной среде при атмосферном давлении р0, в качестве основных компонентов которой рассматривались азот, кислород и пары воды. Относительная влажность воздуха определялась психрометрическим методом и составляла ~30—95%. Начальная температура образца и температура окружающей среды варьировались в диапазоне 17—28°С. Масс-спек-трометрическим методом определен состав газов, образующихся при прогреве порошка титана в кварцевой ампуле при температуре 1500 К. При нормальных условиях газовая смесь содержит 98.86% водорода, 0.5% С02, 0.5% СО и менее 0.2% других газов. Количество выделившегося при дегазации водорода составило 0.1% от массы исходного порошка.
При исследовании формирования ячеистых волновых структур при горении слоя порошка титана в режиме естественной фильтрации обнаружен режим распространения сплошного неоднородного фронта горения (рис. 2). Неоднородный фронт горения тонкого слоя металла реализован при ограничении доступа воздушной смеси к зоне экзотермической реакции. Обнаружено, что фронт горения состоит либо из тесно сгруппированных, примыкающих друг к другу ярко излучающих свет зон, либо из зон, соединенных между собой участками с менее интенсивным свечением. После сгорания слоя порошка титана в таком режиме на поверхности оставались рельефно выделявшиеся следы — треки — иногда более интенсивной окраски или оттенка, чем остальная часть поверхности продукта горения (рис. 3). Эти признаки также свидетельствовали о поперечной неоднородности скорости тепловыделения и глубины превращения во фронте экзотермической реакции.
Кинетика взаимодействия титана с воздухом при его свободном доступе рассмотрена ранее в
3
2
1
Рис. 2. Неоднородный фронт горения порошка титана при встречной фильтрации газа: высота воздушного зазора — 4 мм, толщина засыпки порошка титана — 3 мм.
Рис. 3. Поверхность сгоревшего слоя порошка титана. Стрелкой указано направление распространения фронта.
многочисленных работах, посвященных сварке и литью металлов [15—18]. Известны результаты изучения твердофазных процессов в тонких оксидных слоях на поверхности титана в потоке аргона, воздуха и азота при температурах 20—1000°С в режиме линейного нагрева [19].
Из анализа этих работ следует, что при комнатной температуре поверхность частиц титана защищена тонким слоем оксида титана. При температуре 450—500°С эта пленка начинает растворяться в металле, после чего титан начинает активно взаимодействовать с окружающей сложной воздушной смесью. Заметное поглощение азота начинается уже при температурах 500—550°С. При температу-
ре выше 600° С скорость поглощения резко увеличивается. Затем уровень интенсивности взаимодействия с титаном поддерживает кислород. Температура ~820°С соответствует области перехода кинетической кривой окисления титана кислородом от параболического закона к линейному, что соответствует усилению процесса окисления при температуре ~800°С [19].
Кроме того, титан реагирует с парами воды, содержащимися в воздухе при разных температурах (несколько сот градусов в зависимости от условий): Ме + Н20 = МевОт + [Н]Ме + Н2. При этом образуется более рыхлая пленка, что увеличивает скорость реакции. Но наиболее активно взаимодействуют с парами воды расплавленные металлы [17, 18]. Вода является поставщиком водорода в зону реакции. Растворимость водорода в жидком титане больше, чем в твердой фазе, но с понижением температуры она резко падает, и водород выделяется из раствора. Скачкообразное резкое уменьшени
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.