научная статья по теме ПОСЛОЙНЫЙ И ПОВЕРХНОСТНЫЙ РЕЖИМЫ ФИЛЬТРАЦИОННОГО ГОРЕНИЯ Математика

Текст научной статьи на тему «ПОСЛОЙНЫЙ И ПОВЕРХНОСТНЫЙ РЕЖИМЫ ФИЛЬТРАЦИОННОГО ГОРЕНИЯ»

ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК, 2010, том 430, № 4, с. 502-505

УДК 536.46

ФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ

послойный и поверхностный режимы

фильтрационного горения © 2010 г. В. В. Грачев, А. В. Линде

Представлено академиком А.Г. Мержановым 13.06.2009 г. Поступило 19.08.2009 г.

В первых экспериментах по горению в атмосфере газообразного азота образцов, спрессованных из порошков металлов, были обнаружены два качественно различных режима горения: послойный и поверхностный [1]. В послойном режиме фронт горения плоский и охватывает все сечение образца. В поверхностном режиме фронт горения сильно искривлен, распространение ведущей части фронта реакции локализовано в поверхностных областях образца, в то время как в центральной части образца реакция либо происходит на значительном удалении от лидирующей части фронта, либо вовсе отсутствует. Внешняя картина процесса горения в обоих режимах выглядит совершенно одинакова, поэтому вывод о режиме горения делался на основе визуального осмотра сечений сгоревших образцов (образующийся нитрид и исходный порошок металла имеют разный цвет) и на основе химического анализа проб, взятых из сгоревших образцов.

Для количественной характеристики режима горения была предложена величина т, определяемая по результатам химического анализа и представляющая собой отношение глубины превращения в центре образца к средней глубине превращения во всем образце. С одной стороны, в работе [2] на основе теоретического анализа двумерной модели фильтрационного горения показано, что величина т существенно зависит от длины образца. С другой стороны, как известно из общей теории [3], установившаяся волна горения представляет собой промежуточную асимптотику, и ее характеристики не зависят от длины образца. С этой точки зрения величина т является не вполне адекватной характеристикой режима горения для сравнения теории и эксперимента.

В данной работе впервые предлагается судить о режиме горения не по косвенным данным химического анализа продуктов горения, а на основе прямого определения формы фронта в процес-

Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения Российской Академии наук, Черноголовка Московской обл.

се горения с помощью термопарных измерений. Цель работы — сопоставить экспериментальные наблюдения (на примере горения пористых образцов ниобия в азоте) с результатами теоретического прогноза режима горения, основанного на величине критерия 8Ь. Проведенное сопоставление наблюдений и прогноза режима горения позволяет сделать вывод о соответствии теории [2, 4] и эксперимента.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОЦЕДУРА

Исходный образец получали отжигом порошка ниобия (средний размер частиц 43 мкм, удельная поверхность 0.3 м2/г) в кварцевой трубке в вакууме 10-4 Па при 850°С в течение 1 ч, при этом происходили дегазация адсорбированных газов и консолидация порошка в пористую цилиндрическую таблетку диаметром 15 мм, высотой 40—50 мм и пористостью 51—59%. После отжига образец извлекали из трубки, затем оснащали термопарами, инициирующей спиралью накаливания и помещали в реактор, который заполняли азотом до заданного давления в диапазоне Р0 = 0.12—10 МПа.

От импульса напряжения спираль разогревалась и инициировала распространение волны горения по пористому образцу за счет экзотермической реакции ниобия с азотом. Сигналы от трех термопар ВР-5/ВР-20 диаметром 0.2 мм регистрировали с помощью компьютерной измерительной системы, которая позволяла с точностью ±0.01 с определять все необходимые интервалы времени.

Для определения формы фронта использовали показания двух термопар, установленных в одном поперечном сечении образца: одна — на поверхности, а другая — в центре, на оси образца (введенная через нижний торец на глубину 15 мм). С помощью этих термопар измеряли разницу во времени (А?) между моментами прохождения фронта через данное поперечное сечение на поверхности и на оси образца. Величина А? позволяет судить о степени искривления фронта и, следовательно, о режиме горения. Если величина А? большая, то наблюдается ярко выраженный по-

послойный и поверхностный режимы

503

М, с 3.5

2.5

1.5

0.5

0 2 4 6 8 10

Р0, МПа

Рис. 1. Зависимость интервала времени А? между моментами прохождения фронта горения через поперечное сечение на поверхности и на оси образца от начального давления азота.

и, мм/с 7 -

□ ,

8 10 Р0, МПа

Рис. 2. Зависимость скорости распространения фронта горения по поверхности и (квадраты) и в центре ис (кружки) образца от начального давления азота.

5

3

1

6

0

2

4

верхностный режим горения; в противоположном случае (в пределе А? ^ 0) фронт плоский и реализуется послойный режим горения.

Третья термопара, расположенная вблизи инициирующей спирали, позволяла фиксировать момент начала горения и, соответственно, вычислять скорости распространения фронта по поверхности (Щ и в центре (ис) вдоль оси образца. Видеосъемка процесса горения показала, что во всем исследуемом диапазоне давлений процесс протекал стационарно (с постоянной скоростью распространения фронта горения по поверхности образца).

Содержание азота в продуктах горения (в пробах, взятых на оси цилиндрического образца и поверхности) определяли методом Кьельдаля. Фазовый состав продуктов устанавливали рентге-нофазовым анализом.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

На рис. 1 представлены экспериментально измеренные интервалы времени (А?) между моментами прохождения фронта через поперечное сечение на поверхности и на оси образца в зависимости от начального давления азота в реакторе. Явно видны две группы значений: в диапазоне давлений менее 1 МПа интервалы времени А? > 1.5 с, а в диапазоне давлений более 2 МПа А? < 0.5 с. Это свидетельствует о том, что при Р0 < 1 МПа фронт горения в центре образца заметно отставал от фронта горения, распространяющегося по поверхности образца, т.е. горение протекало в поверхностном режиме, а при больших давлениях

реализовывался послойный режим горения. Максимальное значение А? > 3 с лежит в диапазоне 0.25-0.5 МПа.

Значения скорости распространения фронта горения по поверхности (и) и в центре (ис) образца представлены на рис. 2. Видно, что для заданного давления заметное различие в значениях скорости наблюдается в диапазоне 0.25-1 МПа. Для давлений вне этого диапазона скорости распространения фронта горения по поверхности и в центре образца близки. При этом с ростом давления в диапазоне 0.1-1 МПа наблюдается сначала общий рост скорости горения, затем в диапазоне 1-8 МПа — слабо выраженный максимум и далее тенденция к уменьшению скорости. Одной из возможных причин роста скорости при низких давлениях является уменьшение потока тепла от горящего поверхностного слоя (с некоторой начальной толщиной) во внутренние слои образца, поскольку с ростом давления возрастает скорость фильтрационного потока, азот подводится на большую глубину и толщина горящего слоя (в радиальном направлении) возрастает. При переходе в послойный режим горения тепловой поток во внутрь практически исчезает и более заметную роль начинают играть внешние теплопотери в газ, которые возрастают с ростом давления, что и обусловливает падение скорости в диапазоне давлений более 8 МПа.

При визуальном осмотре поперечных сечений образцов, сгоревших в поверхностном режиме в диапазоне 0.25-1 МПа, в центре четко видны следы интенсивного плавления. Плавление приводит к снижению газопроницаемости образцов,

504

ГРАЧЕВ, ЛИНДЕ

в

П

0.95 0.85 0.75

0.65 й-1-1-1-1-1-1-1-1-1-'—

0 2 4 6 8 10

Р0, МПа

ность образца к центру, выравнивающий давление в порах образца с внешним давлением азота. И как только поступающий газ достигает в приповерхностных слоях области с достаточно высокой температурой, он вступает в реакцию с ниобием, который не успел полностью прореагировать на стадии распространения волны горения. Это приводит к дополнительному увеличению глубины превращения в приповерхностных слоях. Такой эффект аналогичен эффекту влияния теплопотерь на структуру волны фильтрационного горения, рассмотренному теоретически [5] и экспериментально [6] для случая горения порошка ниобия в кварцевых трубках с подводом азота через один из торцов.

Рис. 3. Зависимость глубины превращения ниобия на поверхности (квадраты) и в центре (кружки) образца по данным химического анализа.

уменьшению массового потока азота к зоне реакции в центральных слоях и как следствие — к неполноте превращения. Это подтверждают данные рентгенофазового и химического анализов продуктов горения. Полученные во всем исследуемом интервале давлений продукты горения состояли из кубического нитрида ниобия б-НЬН,. И только в пробах, взятых из центральных слоев со следами плавления, кроме фазы были

обнаружены следы N^N3, что свидетельствует о неполном превращении ниобия в мононитрид при наличии плавления.

По данным химического анализа, представленным на рис. 3, глубина превращения (п) в поверхностных слоях (в расчете на образование сначала, с увеличением давления до 3 МПа, возрастает с 0.82 до 0.91, а при больших давлениях меняется незначительно — в интервале 0.91—0.94. Диапазон изменения п в центральных слоях значительно шире — от 0.68 до 0.91, при этом во всем диапазоне давлений глубина превращения в центре меньше соответствующего значения на поверхности. Наиболее заметная разница в значениях глубины превращения на поверхности и в центре Ап = 0.15—0.19 наблюдается в диапазоне 0.5—0.6 МПа и соответствует области интенсивного плавления центральных слоев при поверхностном режиме горения.

Следует отметить также тот факт, что в области послойного горения в диапазоне 3—8 МПа, где следы плавления не обнаружены, глубина превращения в поверхностных слоях, хоть и незначительно (примерно на Ап = 0.03), но больше, чем в центральных слоях. Этот эффект является особенностью фильтрационных режимов горения с неполным превращением во фронте на стадии распространения волны реакции. На стадии остывания возникает поток газа через поверх-

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Теоретический анализ послойного и поверхностного режимов фильтрационного горения был выполнен в работах [2, 4], где выведен критерий 8Ь, определяющий реж

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