Numerical simulation of combustion of the composite solid propellant containing bidispersed boron powder.pdf Задача горения смесевого твердого топлива, содержащего различные порошки металлов и неметаллов, является актуальной в плане исследования влияния различных составов порошков на линейную скорость горения топлива. Одним из направлений в этой области исследования является определение влияния добавки порошка бора на скорость горения смесевого твердого топлива. Частицы бора отличаются высокими температурами плавления и кипения [1]. Это может приводить к недогоранию бора при горении смесевого твердого топлива. И поэтому, несмотря на достаточно высокий тепловой эффект от сгорания порошка бора, на текущий момент использование бора в составах твердых топлив не имеет достаточного обоснования. Для того чтобы прогнозировать поведение смесевых твердых топлив, содержащих порошок бора, требуется проводить достаточно большое количество экспериментальных исследований. С целью предварительного прогноза предлагается использовать инструменты численного моделирования для решения задач горения смесевого твердого топлива. Одной из проблем, возникающих при численном моделировании горения топлива на основе порошка бора, является формулировка надежной модели физикохимических превращений, происходящих при горении частиц бора. В настоящей работе предлагается использовать ранее сформулированную модель окисления и горения частиц бора [2]. Модель [2] основана на классической модели [3] с предположениями из [4]. При наличии в газе водяного пара, хлора, азота скорость горения частиц бора меняется [5]. Присутствие водяного пара в окружающем частицу газе снижает температуру воспламенения частиц бора. Присутствие хлора или азота в газе приводит к уменьшению скорости горения частиц бора из-за 1 Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда (проект № 19-79-10054). В.А. Порязов, К.М. Моисеева, А.Ю. Крайнов 132 снижения удельной теплоты горения бора и возникновения промежуточных продуктов реакции. В настоящей работе присутствие в газе компонентов водяного пара, хлора, азота учитывается путем уменьшения теплоты реакций окисления и горения частиц бора. Механизм реагирования при этом аналогичен [2]. При относительно низких температурах частицы бора оксид бора находится в конденсированном состоянии и образует на поверхности частицы пленку. Полагается, что в этом случае идет процесс окисления частицы с образованием оксидного слоя и одновременным испарением оксидного слоя. Если температура частицы бора высокая, то происходит интенсивное испарение окисного слоя. После полного испарения оксидного слоя частица бора реагирует гетерогенно. В ходе высокотемпературного реагирования образуются промежуточные газообразные продукты реакции BO и B2O2, которые далее реагируют с окислителем в газовой фазе с образованием конечного газообразного оксида B2O3. Для определения линейной скорости горения в данной работе использована модель горения смесевого твердого топлива Германса [6], основанная на предположении, что скорость горения определяется массовыми потоками компонентов с поверхности топлива. Целью исследования является определение скорости горения смесевого твердого топлива, содержащего бидисперсный порошок бора, в зависимости от давления газа над поверхностью топлива и дисперсности частиц бора. Физико-математическая модель и метод решения Математическая постановка задачи формулируется при следующих допущениях. Слева от границы рассматриваемой области находится смесевое твердое топливо (СТТ), состоящее из окислителя, связки и частиц бора с массовыми долями си, Of, aB соответственно. На правой границе области полагается свободное истечение газодисперсной смеси. С поверхности твердого топлива при испарении поступают продукты его газификации и частицы бора. Скорость истечения компонентов определяется линейной скоростью горения СТТ. Продукты газификации топлива состоят из смеси газообразных окислителя и горючего, способных к экзотермической химической реакции. Скорость реакции в газе зависит от температуры по закону Аррениуса. Коэффициенты диффузии и теплопроводности газа зависят от температуры. Реакции окисления и горения частиц бора подробно описаны в [2]. В физико-математической постановке задачи эти реакции учитываются в правых частях уравнений через источники изменения массы за счет окисления частиц, испарения окисной пленки с поверхности частиц, двух гетерогенных реакций на поверхности частицы бора. Гетерогенные реакции учитывают образование промежуточных газообразных продуктов реакции BO и B2O2 и последующее их реагирование в газе с образованием конечного продукта реакции в виде газообразного оксида B2O3. Общая масса частиц в составе топлива равна 2 mdust = ХаBpcAp,j = аврс , І=1 Ap j - доля частиц j-й фракции в общей массе частиц бора, аB - массовая доля порошка бора в составе топлива, рс - плотность смесевого твердого топлива. Численное моделирование горения смесевого твердого топлива 133 При заданных допущениях физико-математическая постановка задачи записывается в виде j=і ~дт+~^=Н(. (+(.j -аз°з’ j + °4’ j); ЩЦІ+ д(рЛ + p) = £[(^ + (( -азG,., + 0

Скачать электронную версию публикации