Расчет режимов зажигания и выхода на стационарный режим горения металлизированного твердого ракетного топлива под действием лазерного излучения | Вестн Том. гос. ун-та. Математика и механика. 2019. № 59. DOI: 10.17223/19988621/59/10

Расчет режимов зажигания и выхода на стационарный режим горения металлизированного твердого ракетного топлива под действием лазерного излучения

Представлена физико-математическая модель и результаты расчета зажигания и выхода на стационарный режим горения металлизированного твердого топлива под действием внешнего теплового потока. На поверхности топлива ставятся граничные условия сохранения потоков энергии и массы компонентов, под поверхностью твердого топлива записываются уравнения переноса тепла и разложения конденсированной фазы, над поверхностью твердого топлива записывается двухскоростная, двухтемпературная модель реагирующего течения продуктов его разложения и газификации над поверхностью твердого топлива. Исследовано влияние мощности и времени воздействия теплового потока, массовой доли, дисперсности частиц металла в составе твердого топлива на характеристики зажигания.

Calculation of the ignition stages and steady-state combustion of a metallized solid propellant under laser radiation.pdf Изучению физико-химических процессов, протекающих при зажигании и горении высокоэнергетических материалов, посвящено много теоретических и экспериментальных работ [1-7]. Это объясняется высокой практической значимостью результатов подобных исследований. Одной из основных задач до настоящего времени остается определение условий гарантированного зажигания, т. е. устойчивости переходного процесса, когда стадия зажигания сменяется стационарным самоподдерживающимся горением вещества без подвода дополнительной энергии от внешнего источника. Реализация таких режимов возможна при различных способах зажигания. Широко распространены конвективные [2] (высокотемпературные газы), радиационные [3-6] (импульс излучения) и кондуктивные [7] (разогретые пластины, частицы) способы передачи энергии поверхностному слою твердого топлива. Большой вклад в развитие теории зажигания конденсированных веществ внесли работы профессора ТГУ В.Н. Вилюнова [1, 4] и лаборатории горения конденсированных веществ Института химической кинетики и горения СО РАН под руководством В.Е. Зарко [2, 3]. Подходы, заложенные В.Н. Ви-люновым в области решения задач зажигания конденсированных веществ, получили развитие в работах Р.С. Буркиной [5] и А.Г. Князевой [6]. Большая работа по изучению зажигания конденсированных веществ локальными источниками ограниченной энергоемкости проводится сотрудниками Томского политехнического университета [7]. Все современные смесевые твердые топлива в своем составе содержат добавки порошков металлов, которые добавляются для повышения теплоты сгорания топлива. Актуальным является вопрос о влиянии добавок порошков 1 Исследование выполнено при финансовой поддержке гранта РФФИ № 18-38-00533 мол_а . Расчет режимов зажигания и выхода на стационарный режим горения 95 металла в состав твердого топлива на характеристики зажигания и горения. Анализ современного состояния исследований в области зажигания конденсированных высокоэнергетических веществ показывает, что это направление является актуальной научной задачей, требующей дальнейшего развития. В частности, большинство моделей зажигания конденсированных высокоэнергетических веществ не учитывает вклад двухфазных продуктов разложения металлизированного твердого топлива с учетом химического реагирования и межфазного взаимодействия (обмен энергией, массой и импульсом между фазами - газом и частицами) над поверхностью твердого топлива на характеристики зажигания и горения. Постановка задачи Рассматриваются одномерные нестационарные процессы при зажигании и горении металлизированного твердого топлива. Предполагается, что в твердом топливе при нагреве идут химические реакции, полупродуктами которых является газ. Газообразные продукты разложения высвобождаются на последней стадии реакции по достижении глубины превращения 0.99. Предполагается первый порядок реакции и зависимость ее скорости от температуры по закону Аррениуса. Теплофизические характеристики твердой фазы (плотность, удельная теплоемкость, коэффициент теплопроводности) не зависят от температуры и определяются компонентным составом твердого топлива путем осреднения аналогично [8]. Предполагается, что газовой фазе протекает экзотермическая химическая реакция первого порядка по закону Аррениуса, конвекция и диффузия реагентов. Величина давления над поверхностью горящего твердого топлива не зависит от координаты. Учитывается расширение газа при его нагреве, параметры состояния газа подчиняются уравнению состояния идеального газа. Предполагается, что частицы алюминия в составе твердого топлива представляют собой шарики, равномерно распределенные в объеме топлива, их размер равен размеру частиц алюминия, вылетающих в газовую фазу с поверхности горения. Процессы агломерации порошка алюминия на поверхности горения не рассматриваются. Воспламенение частиц алюминия происходит при достижении частицей заданной температуры, горение частиц алюминия описывается согласно экспериментальным данным. Теплообмен между частицами и газом происходит по закону Ньютона, движение частиц определяется действием сил трения со стороны газа. Из-за малой объемной концентрации частиц в газе влиянием движения частиц на движение газа пренебрегается, не учитывается взаимодействие частиц друг с другом в газовой фазе. Модель строится на основе модели нестационарного горения металлизированного твердого топлива, представленной в работе [9]. Математическая модель зажигания и горения металлизированного твердого топлива в системе координат, связанной с поверхностью твердого вещества, запишется следующим образом: Для твердого топлива, при -да < x< xs : с1р1ЬдГ *u IX d = "11X2 * 3k1p1'1 -n)'xp RTX d ^^1+u ^^1 = k1(1 -n)exp (^el d. dt dx ( RT1 d (1) (2) 96 В.А. Порязов, А.Ю. Крайнов Для газовой фазы, при xs < x

Ключевые слова

металлизированное твердое топливо, математическая модель, зажигание, переходные процессы, metallized solid propellant, mathematical model, ignition, transient phenomena

Авторы

ФИООрганизацияДополнительноE-mail
Порязов Василий АндреевичТомский государственный университеткандидат физико-математических наук, доцент кафедры математической физики физико-технического факультетаporyazov@ftf.tsu.ru
Крайнов Алексей ЮрьевичТомский государственный университетдоктор физико-математических наук, профессор, профессор физико-технического факультетаakrainov@ftf.tsu.ru
Всего: 2

Ссылки

Вилюнов В.Н. Теория зажигания конденсированных веществ. Новосибирск: Наука, 1984. 190 с.
Зарко В.Е., Михеев В.Ф., Сухннин А.И., Хлевной С.С. Зажигание пороха горячим газом // Физика горения и взрыва. 1971. Т. 7. № 1. С. 64-67.
Гусаченко Л.К., Зарко В.Е., Рычков А.Д. Зажигание и гашение гомогенных энергетических материалов световым импульсом // Физика горения и взрыва. 2012. Т. 48. № 1. С. 80-88.
Князева А.Г., Буркина Р.С., Вилюнов В.Н. Особенности очагового теплового воспламенения при различных начальных распределениях температуры // Физика горения и взрыва. 1988. № 3. С. 45-47.
Буркина Р.С., Домуховский А.М. Влияние структурных изменений приповерхностного слоя конденсированного вещества на его зажигание мощным импульсом излучения // Физика горения и взрыва. 2012. Т. 48. № 5. С. 122-129.
Князева А.Г. Приближенные оценки характеристик зажигания топлива лучистым потоком через преграду с различными свойствами // Физика горения и взрыва. 1996. Т. 32. № 1. С. 26-41.
Глушков Д.О., Кузнецов Г.В., Стрижак П.А. Об устойчивости зажигания смесевого твёрдого топлива локальным источником ограниченной энергоёмкости // Физика горения и взрыва. 2014. T. 50. № 6. С. 54-60.
Липанов А.М., Болкисев А.А. О расчете температурного поля в заряде твердого топлива с учетом гетерогенности его теплофизических свойств // Химическая физика и мезоскопия. 2013. Т. 14. № 3. С. 364-370.
Krainov A.Y., Poryazov V.A., Krainov D.A. Unsteady combustion modeling of metallized composite solid propellant // International Review on Modelling and Simulations. 2018. V. 11. No. 5. DOI: 10.15866/iremos.v11i5.15020.
Булгаков В.К., Липанов А.М. Теория эрозионного горения твердых ракетных топлив. М.: Наука, 2001. 138 с.
Порязов В.А., Крайнов А.Ю. Математическая модель и расчет нестационарной скорости горения металлизированных твердых ракетных топлив // Вестн Том. гос. ун-та. Математика и механика. 2017. № 50. C. 99-111.
 Расчет режимов зажигания и выхода на стационарный режим горения металлизированного твердого ракетного топлива под действием лазерного излучения | Вестн Том. гос. ун-та. Математика и механика. 2019. № 59. DOI: 10.17223/19988621/59/10

Расчет режимов зажигания и выхода на стационарный режим горения металлизированного твердого ракетного топлива под действием лазерного излучения | Вестн Том. гос. ун-та. Математика и механика. 2019. № 59. DOI: 10.17223/19988621/59/10