Новые представления о механизме горения энергетических материалов

Л.К. Гусаченко, В.Е. Зарко. Лаб. ГКС (зав. лаб. В.Е. Зарко), А.Д. Рычков (ИВТ СО РАН)

Источник: www.kinetics.nsc.ru

Новые представления о механизме горения энергетических материалов

1. Общая формулировка проблемы.

Теория горения конденсированных систем предназначена для разработки средств управления характеристиками процесса горения. Существующие модели горения энергетических материалов (ЭМ) базируются на современных представлениях о физико-химии процессов в волне превращения твердое вещество — газ, но они недостаточно детально разработаны для их эффективного использования. В ряде случаев не удается объяснить противоречивые результаты эксперимента. Это вызвано большим разнообразием ЭМ и механизмов их горения и серьезными трудностями эксперимента.

2. Формулировка конкретной задачи.

Разработка физически обоснованной модели горения плавящихся и испаряющихся ЭМ, которая позволила бы логично объяснить экспериментальные данные, свидетельствующие о наличии локальных колебаний на поверхности горения и указывающие на существенную роль подповерхностных экзотермических реакций.

3. Авторы исследования, лаборатория.

4. Используемый подход.

Логический анализ, приближенные аналитические решения, численный счет.

5. Полученные результаты.

Аналитически и численным счетом показано, что невозможно построить стационарную модель горения ЭМ, обладающего высоким тепловыделением в конденсированной фазе, поскольку такая модель принципиально неустойчива. Предложено ввести в модель вызванные неустойчивостью колебания. Принято, что колебания разупорядочены во времени и по пространству, что для газовой фазы означает существование мелкомасштабной турбулентности и соответствующее локальное усиление приповерхностного тепло-и массообмена. Изложенные представления позволяют
- используя полуэмпирические модели турбулентности, строить модели горения энергетических материалов с ведущей ролью конденсированной фазы;
- правдоподобно объяснить наблюдавшиеся многими исследователями хаотически движущиеся светящиеся объекты (очаги) на горящей поверхности;
- предложить новое и самое простое объяснение эффекта «отрицательной эрозии».
На рис.1 показан пример экспериментальной визуализации выхода термопары на горящую поверхность крупного кристалла гексогена. На рис.2 представлены результаты демонстрационного расчета характеристик горения плавящегося ЭМ (гексогена) при переменном внешнем давлении. С ростом давления увеличивается интенсивность тепловыделения в конденсированной фазе, образуется подповерхностный максимум температуры (рис.3) и происходит прекращение горения за счет теплового взрыва в веществе.

Подробно изложено в статьях:

1. Л.К. Гусаченко, В.Е. Зарко. Об устойчивости самоподдерживающегося горения энергетических материалов с интенсивным подповерхностным тепловыделением // Химическая физика, 2008, т. 27, № 1, 91-99.
2. Л.К. Гусаченко, В.Е. Зарко. Анализ нестационарных моделей горения твердых топлив (обзор) // Физика горения и взрыва, 2008, т. 44, № 1, 1-14.
3. Л.К. Гусаченко, В.Е. Зарко. Эрозионное горение. Проблемы моделирования // Физика горения и взрыва, 2007, т. 43, № 3,47-58.
4. Л.К. Гусаченко, В.Е. Зарко. Анализ моделей горения энергетических веществ с полностью газообразными продуктами реакции // Физика горения и взрыва, 2005, т. 41, № 1, 24-40.

Рис.1. Визуализация выхода термопары на поверхность горения (слева) и типичное распределение температуры в волне горения (справа).

Рис.2. Расчет суммарного подповерхностного тепловыделения Q_c и скорости горения u при заданных законах изменения давления P(t) и поджигающего потока q(t).

Рис.3. Пространственные распределения концентрации Y(x) исходного вещества и температуры Т(x) в момент, предшествующий тепловому взрыву.