научная статья по теме ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕМПЕРАТУРНОЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ СКОРОСТИ ГОРЕНИЯ КОНДЕНСИРОВАННЫХ СИСТЕМ ИЗ УРАВНЕНИЯ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ Физика

Текст научной статьи на тему «ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕМПЕРАТУРНОЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ СКОРОСТИ ГОРЕНИЯ КОНДЕНСИРОВАННЫХ СИСТЕМ ИЗ УРАВНЕНИЯ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ»

ТЕПЛОФИЗИКА ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР, 2013, том 51, № 1, с. 115-119

= ТЕПЛОМАССООБМЕН И ФИЗИЧЕСКАЯ ГАЗОДИНАМИКА -

УДК 536.423.5541.5

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕМПЕРАТУРНОЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ СКОРОСТИ ГОРЕНИЯ КОНДЕНСИРОВАННЫХ СИСТЕМ ИЗ УРАВНЕНИЯ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ © 2013 г. О. Ф. Шлёнский, Н. Б. Щербак, Н. Н. Лясникова

Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва Поступила в редакцию 16.02.2012 г.

Предложена аналитическая форма записи для температурного коэффициента чувствительности скорости горения и отношения температуры поверхности горения к начальной температуре энергоемких конденсированных систем на основе уравнения теплового баланса. Проведено сравнение расчетных и экспериментальных данных по горению конденсированных систем на основе октоге-на. Показано влияние давления на коэффициент температурной чувствительности.

ВВЕДЕНИЕ

Чувствительность скорости горения твердых топлив к изменению начальной температуры характеризуется температурным коэффициентом скорости горения в = (д£пи1/дТ0) и параметром г = (дТ5/дТ0)р , где и — скорость движения фронта горения, Т — температура поверхности горения, Т0 — начальная температура. Эти параметры очень важны для практического применения по-рохов, поскольку порох используют в широком интервале температур. Кроме того, он играет важную роль в теории нестационарного горения твердых топлив.

Результаты подробных измерений температурных коэффициентов в связи с проверкой критерия устойчивости горения пороха Н в широком интервале температур (от —198°С до +160°С) при атмосферном давлении содержатся, например, в [1, 2]. В работе [2] значения в были определены при повышенных давлениях в широком интервале Т0 и при малых давлениях. Значения в при 1 и 20 атм и параметра г стандартного пороха Н приведены в таблице.

Целью данной работы является установление в аналитической форме зависимости коэффициента в от тепловых свойств энергоемких конденсированных систем (КС) в стационарном режиме горения непосредственно по уравнению теплового баланса.

МЕТОДИКА РАСЧЕТА И СРАВНЕНИЕ С ЭКСПЕРИМЕНТОМ

Для выполнения операции дифференцирования д 1п и необходимо знать функциональную за-

дТо

висимость скорости горения и от Т0, кинетиче-

ских и теплофизических характеристик топлива. Такую зависимость в аналитической форме определим на основании фундаментальных законов сохранения энергии и массы, записываемых в виде дифференциальных уравнений тепло- и массо-переноса [3, 4].

В системе координат, начало которой связано с поверхностью горения, движущейся с постоянной скоростью и, эти уравнения имеют следующий вид:

- и— ± Р(Т) = о, (1)

йх йх

и^ - <Т) = 0, (2)

йх

где а — коэффициент температуропроводности, ю — относительная масса реагирующего вещества, ДТ) — функция тепловыделения, w(T) — скорость реакции терморазложения. Знак ± соответствует поглощению или выделению теплоты в результате химической реакции.

Параметры г и в при различных давлениях и начальных температурах пороха Н

Р

То, °С 1 атм 20 атм

г в х 103, 1/град г в х 103, 1/град

-150 - 2.3 0.2 0.5

-50 - 6.2 0.2 3.5

0 0.35 9.8 0.3 5.0

50 0.50 12.5 0.4 7.0

100 0. 90 14.3 0.6 8.5

8*

115

Граничные условия для уравнений следующие: при х = 0 (на поверхности горения) ю = ю5, Т = Т — температура поверхности КС; при х = да (на большом удалении от фронта горения) ю = 1, ю = Ф 0 характеризует глубину неполного превращения на поверхности горения (степень завершенности реакции).

На основании уравнения (1) согласно исторической справке [4, 5] впервые приближенно определил скорость горения КС Я.Б. Зельдович, пренебрегая вторым ("конвективным") слагаемым по сравнению с остальными (так называемая к-фазная модель). Для проверки этого допущения были использованы найденные экспериментальным путем (по термопарным измерениям распределения температуры [2, 4, 6] с оценкой точности их определения во фронте горения для ряда топлив) значения каждого из членов последнего уравнения. Их сопоставление было выполнено в [3, 7].

Сравнение показало, что все три слагаемых в (1) близки по величине и пренебрегать одним из них по сравнению с другими некорректно, так как это приводит к снижению точности результата расчетов наряду с другими источниками погрешности. Так, например, по данным [4, 5] расчетное значение скорости горения пороха Н по к-фазной модели оказалось вдвое ниже его опытного значения.

Другая особенность к-фазной модели Зельдовича отмечена в работе [5]: в модели не учтен теплообмен на поверхности горения и считается, что все тепло выделяется в результате химической реакции в к-фазе (отсюда и название "к-фазная модель"). Поэтому она предназначена, как отмечено в [5], для описания беспламенного горения КС только при низких давлениях.

Учитывая эти ограничения и особенности к-фазной модели, авторы сочли целесообразным: во-первых, не пренебрегать конвективным слагаемым; во-вторых, учесть тепловой поток, поступающий к поверхности горения из газовой фазы.

Для этого уравнение (1) было проинтегрировано в пределах от х = 0 до х = да и получено

ех = -и \~ех ± |¥(Т)ех = 0.

ГТ

Ых •> йх

0 0 0

Учитывая, что а = ^/(ср), Ш(Т) = (0/е)ш и градиент температуры йТ/йх на большом удалении от поверхности равен нулю, в результате интегрирования находим

ад

-XйХI х=0 - Фи(Т0 - Т) ± Ре |м>(Г)йх = 0, (3)

0

где Q — тепловой эффект реакции.

Первое слагаемое в этом соотношении представляет собой тепловой поток q = -X—|х=0, по-

йх

ступающий к поверхности горения КС от факела пламени в газовой фазе. Его величина зависит от давления и температуры горения в пламени, которые не учитываются в к-фазной модели.

Из уравнения (3) получим значение скорости движения фронта горения в следующем виде:

д ± ре ^м>(Т)йх

и =

ф(Т - Т0)

Аналогичное интегрирование дифференциального уравнения сохранения массы (2) в пределах от х = 0 до х = да приводит к соотношению

и(1 - ) = ^м>Т)йх,

(4)

где ю5 — конечное значение относительной массы на поверхности горения.

После подстановки этого интеграла в формулу (4) получим искомое конечное соотношение (уравнение теплового баланса)

и =-д-, (5)

Ф(Т - Т.) ± < где / — конечная (финальная) доля прореагировавшего вещества / = 1 — юл.

Следует иметь в виду, что / не включает в себя трудно учитываемую массу частиц, выбрасываемую на поверхность горения из поверхностного слоя потоком газов, которые вообще не вступили в реакцию, если таковые возникают при некоторых режимах. Поэтому (5) является приближенным соотношением.

Из уравнения

>р >р

и(1 - ю5) = |к<Т)—М = и | м?{Т) еН

0 0

следует / = 1 — юл = w(T)dt — количество прореагировавшего вещества за время реакции 1р со скоростью убыли массы w(T), которое зависит от режима роста температуры во времени w(T), Т(1).

Соответственно для плавящихся летучих КС в знаменатель уравнения (5) следует добавить тепловые эффекты плавления Ьт и испарения Ь:

„ __д_

-, (6)

ср(Т - Т0) ± <р + (1 - /)Ь + Ьт

где р — плотность, с — средняя теплоемкость.

Точное решение поставленной задачи затрудняет зависимость параметров q, Т,/от Т0. Поэтому рассмотрим два приближенных варианта ее решения.

0

0

в, к-1

0.010

А[2] +[6] • [8]

/ / /

+ /• м /

У

100 200 300 400 500 600

Т), к

Рис. 1. Сравнение температурной чувствительности скорости горения октогена при атмосферном давлении: 1 — расчет по предложенной модели с экспериментальными данными [2, 6, 8]; 2 — расчет с использованием к-фазной модели Зельдовича [2].

в, к-1

0.006 Г

0.004

0.002

6 8 р, МПа

Рис. 2. Сравнение температурной чувствительности скорости горения октогена при различных давлениях: 1 — расчет по к-фазной модели, 2 — по предложенной модели с экспериментальными данными [2, 6, 8].

1

2

ac

0

В первом приближении вычислим значение производной логарифма выражения (6) по температуре Т0, полагая q = const, Ts = const, f = const:

д

3T0

q

cp(T - T0) - fpQ + (1 - f)L + Lm 1

Ts - To, - fQQ + (1 - f)L + Lm c c c

В результате получим для нелетучих неплавких систем

Р =

1

Ts - To -

fQ'

(7)

Соответственно для летучих плавких КС фор мула будет иметь вид

1

Р = -

(8)

Ts - T0 - ffQ + (1 - f)L + Lm c c c

Для проверки полученной зависимости коэффициента в от начальной температуры Т0 и давления были использованы экспериментальные данные работ [2, 6, 8] по горению октогена. Для этого вещества, по данным [6], q, Ts слабо зависят от Т0 при атмосферном давлении, что полностью соответствует сделанному допущению об их неизменности при р = const в первом приближении.

Результаты сопоставления приведены на рис. 1 (кривая 1) и на рис. 2 (кривая 2). На рисунках видно хорошее соответствие расчетных и экспери-

ментальных данных при значениях параметров fQ/c = 90 К, Т = 623 К. Расчетная кривая имеет вид гиперболы с асимптотой при Т0 = Тас - fQ/c, а для летучих КС То=Тас - fQ/c + (1 -/)Ь/с + Ьт/с.

На рис. 1 приведены результаты расчета по приближенному кинетическому уравнению, полученному на основании математической модели Зельдовича для горения к-фазных систем (к-фаз-ная модель), как это сделано в работе [2].

Сопоставление данных показывает, что расчет коэффициента в по уравнению теплового баланса дает лучшие результаты, чем расчеты с использованием к-фазной модели Зельдовича. Величина теплового эффекта определяет положение асимптоты, к которой стремится график в(Т0) при достижении значения Т0 = Тас — fQ/c, а для летучих КС Те=Тас - fQ/c + (1 -/)Ь/с + Ьт/с.

Выполним далее второе, более точное, приближение с учетом зависимости параметров уравнения (6) q, Т, f от Т0. Линеаризируем их по формулам

q(To) = ql(1 + а1(Тс - Тм)), ВД) = Тл(1 + а2(Т0 - Т01)),

ЛТ0) = /1(1 + а3(Т0 - Т01)), где Т01 - температура в начале интервала измерений, которой соответствуют значения параметров q1, Тл, f1; а1—а3 - аппроксимационные коэффициенты:

а1 = - 1)/(Т02 - Т01),

«2 = (TJTA - 1)/(T02 - Toi), «3 = (/2//1 - 1)/(To2 - Toi), где T02 - температура в конце интервала измерений, которой соответствуют значения параметров q2, Ts2,/2.

Во втором приближении определим коэффициент в как

1

Ts - To -

fQ

+ А! - А2 + А3,

где Дь Д2 и Д3 — поправки, опреде

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.

Показать целиком