New method of study of the characteristics of ignition of condensed systems by laser radiation.pdf Введение Исследование зажигания конденсированных систем (твердых горючих материалов, полимеров, порохов, взрывчатых веществ) лазерным излучением широко используется в лабораторной практике при оценке воспламеняемости и определении макрокинетических параметров процесса [1]. Распределение интенсивности излучения в выходной апертуре лазера определяется типом используемого резонатора и модовым составом возбужденных в нем колебаний. При генерации на модах высокого порядка распределение интенсивности излучения существенно неравномерно [2] (рис. 1). Рис. 1. Распределение энергии излучения в поперечном сечении лазерного луча для различных мод Это приводит к появлению глубоких пор в «горячих» точках на облучаемой поверхности исследуемого образца. При этом процесс зажигания первоначально развивается в порах, где условия воспламенения существенно отличаются от условий на плоской поверхности образца. Неравномерность распределения интенсивности излучения в поперечном сечении лазерного луча может привести к изменению физики процесса зажигания конденсированных систем и к неопределенности результатов экспериментов. Это, в частности, приводит к значительным погрешностям при определении констант формальной кинетики процесса зажигания из решения соответствующей обратной задачи, сформулированной для равномерного потока излучения на поверхности образца [3]. В настоящей работе представлен новый метод исследования характеристик зажигания конденсированных систем лазерным излучением, основанный на усреднении потока излучения путем вращения цилиндрического образца вокруг его оси симметрии [4]. Схема экспериментальной установки Схема экспериментальной установки приведена на рис. 2. Зажигание образца 1, установленного на валу электродвигателя 2, проводилось излучением CO2-лазера 3 при открытии электромагнитного затвора 4. В качестве источника излучения использовался лазер РЛС-200 непрерывного действия (λ = 10.6 мкм, W = 200 Вт). Диаметр лазерного луча был равен диаметру образца конденсированной системы (d = 10 мм). Рис. 2. Схема экспериментальной установки: 1 - исследуемый образец; 2 - электродвигатель; 3 - CO2-лазер; 4 - электромагнитный затвор; 5, 6 - фотодиоды; 7 - аналого-цифровой преобразователь; 8 - персональный компьютер; 9 - тепловизионная камера При проведении экспериментов устанавливалось заданное значение мощности излучения лазера, которое измерялось термоэлектрическим датчиком Ophir EL400A. После включения электродвигателя 2 открывался электромагнитный затвор 4 (время открытия ~ 5 мс) и излучение лазера 3 поступало на торцевую поверхность образца 1. Время открытия затвора 4 фиксировалось фотодиодом 5, а время появления пламени (момент зажигания) - фотодиодом 6. Сигналы с фотодиодов 5, 6 поступали на аналого-цифровой преобразователь сигналов 7 типа L-card E14-440 и записывались в персональный компьютер 8. Обработка сигналов проводилась с помощью программного приложения L-Graph 2. Процесс нагрева и зажигания образца контролировался с помощью тепловизионной камеры 9 типа Jade J530 SB. Выбор угловой скорости вращения образца Для определения требуемой угловой скорости вращения образца конденсированной системы рассмотрим нагрев его торцевой поверхности излучением непрерывного лазера с диаметром поперечного сечения луча равным диаметру образца. Среднее значение плотности теплового потока определяется соотношением , (1) где W - мощность лазерного излучения, Вт; S - площадь торцевой поверхности образца. При равномерном распределении энергии излучения в поперечном сечении лазерного луча плотность теплового потока на поверхности образца в процессе зажигания Для многомодового излучения лазера плотность потока излучения будет неравномерной по поверхности образца конденсированной системы в соответствии с рис. 1. При вращении образца на каждую точку его торцевой поверхности будет действовать переменный тепловой поток в виде гармонических колебаний , (2) где ω - угловая скорость вращения образца, рад/с. Из решения одномерного нестационарного уравнения теплопроводности с граничным условием второго рода (2), полученного методом [5, 6], следует зависимость для температуры поверхности образца , где Ts0(t), ΔTs - среднее значение и амплитуда колебаний температуры поверхности образца. Среднее значение температуры поверхности образца определяется соотношением , а амплитуда колебаний температуры - соотношением . (3) Здесь Tн - начальная температура образца; λ, ρ, с - коэффициент теплопроводности, плотность и удельная теплоемкость исследуемого образца. При ω → ∞ из (3) следует, что ΔTs = 0 (пульсации температуры отсутствуют). Зададим ограничение на амплитуду колебаний (неравномерность нагрева): , (4) где ΔT* - некоторое заданное малое значение (чем меньше ΔT*, тем более равномерен поток излучения на поверхности образца). Для заданного значения ΔT* из (4) следует условие для угловой скорости вращения образца: . (5) Для многомодового режима излучения соотношение (5) с учетом (1) примет вид , (6) где n = ω/2π - угловая скорость вращения образца, об/с; m - количество мод лазерного излучения. Оценка конвективного теплового потока При вращении образца конденсированной системы возникает конвективный теплообмен облучаемой торцевой поверхности образца с неподвижной окружающей средой (воздухом), интенсивность которого возрастает по мере нагрева поверхности лазерным излучением. Для обеспечения контролируемых условий зажигания образца тепловым потоком СО2-лазера необходимо оценить конвективный теплообмен, приводящий к охлаждению поверхности образца. Плотность конвективного теплового потока от равномерно нагретой поверхности вращающегося диска в неподвижную среду определяется соотношением , (7) где Tg - температура окружающей среды; R - радиус диска; λg - коэффициент теплопроводности среды. Число Нуссельта для ламинарного режима обтекания вращающегося диска определяется соотношением [7] , (8) где Reω = ρgωR2/µg - вращательное число Рейнольдса; Pr = µgcp/λg - число Прандтля; ρg, µg, cp - плотность, коэффициент динамической вязкости и удельная изобарная теплоемкость окружающей среды. Подставляя (8) в (7), получим формулу для плотности конвективного теплового потока: . Результаты расчета плотности конвективного теплового потока в зависимости от температуры поверхности и угловой скорости вращения образца приведены на рис. 3. Расчеты проведены для теплофизических характеристик воздуха [8]: λg = 0.0244 Вт/(м•К); ρg = 1.205 кг/м3; cp = = 1008 Дж/(кг•К); Tg = 293 К. Из приведенных графиков следует, что величина конвективного теплового потока может достигать qs = 0.8-3.3 Вт/см2. Рис. 3. Результаты расчета qs в зависимости от Ts и n Для исключения влияния конвективного теплообмена на характеристики зажигания исследуемый образец запрессовывался в цилиндрическую трубку высотой h ~ 5R. Вращение трубки совместно с образцом индуцирует вращательное движение воздуха внутри трубки. При определенном значении высоты трубки прилегающий к поверхности образца слой воздуха будет вращаться с угловой скоростью, равной угловой скорости вращения образца. В отсутствие относительной скорости поверхности образца и прилегающего к ней слоя воздуха конвективный тепловой поток практически равен нулю [7]. Результаты экспериментов С помощью представленного метода была проведена серия экспериментов по зажиганию модельного конденсированного вещества - пироксилина. Для данного состава имеются надежные данные по теплофизическим характеристикам, а также экспериментальные данные по измерению времени задержки зажигания лучистым тепловым потоком ксеноновой лампы с равномерным распределением энергии излучения на облучаемой поверхности образца [9]. Исследовались образцы пироксилина диаметром 10 мм (S = 0.785 см2) и высотой 5 мм. Значение теплофизических характеристик образцов: ρ = 1500 кг/м3, c = 1300 Дж/(кг•К), λ = 0.1256 Вт/(м•К) [9]. Для выбора угловой скорости вращения использовалось соотношение (6). Результаты расчетов угловой скорости вращения для m = 4 и выбранных значений неравномерности нагрева ΔT* = 5 и 10 К приведены в табл. 1. Таблица 1 Результаты расчетов требуемой скорости вращения q, Вт/см2 n, об/с ΔT* = 5 К ΔT* = 10 К 2 1.3 0.3 5 8.1 2.0 10 32.5 8.1 15 73.1 18.3 20 130.0 32.5 25 203.1 50.8 Из табл. 1 следует, что с увеличением q0 требуемая угловая скорость вращения резко возрастает. В экспериментах использовался электродвигатель с угловой скоростью вращения 2800 об/мин (46.7 об/с). Из соотношения (6) следует ограничение на плотность потока излучения. Для выбранной угловой скорости вращения образца при ΔT* = 5 К величина q0 ≤ 12 Вт/см2, а при ΔT* = 10 К величина q0 ≤ 24 Вт/см2. Для исследования зажигания конденсированной системы при более высоких значениях q0 необходимо увеличение угловой скорости вращения образца. В табл. 2 представлены осредненные по пяти дублирующим опытам результаты измерения времени задержки зажигания пироксилина излучением СО2-лазера при значении q0 = 10 Вт/см2. Измерения проводили при вращении образца и без вращения. Относительная погрешность измерения времени задержки зажигания tign не превышала 7-8 % при доверительной вероятности 0.95. Таблица 2 Результаты измерения времени задержки зажигания пироксилина tign, с С вращением Без вращения 1.12 ± 0.08 0.68 ± 0.07 Из табл. 2 следует, что при зажигании вращающегося образца время задержки зажигания существенно возрастает (на 65 %), что связано с более равномерным распределением энергии излучения по поверхности образца. При этом плотность теплового потока излучения практически равна среднему значению q0. Это подтверждается сравнением с измеренным значением tign = 1.2 с при q0 = 9.6 Вт/см2 для равномерного потока излучения (установка «Уран-1») [9]. Снижение tign для неподвижного образца связано с локализацией нагрева участков поверхности образца тепловым потоком q > q0 и очаговым зажиганием конденсированной системы, что подтверждается визуальным анализом погашенных образцов (рис. 4). Рис. 4. Визуальный анализ погашенных образцов: а - исходный образец; б - образец без вращения; в - образец с вращением Из фотографий погашенных образцов видно, что при зажигании СО2-лазером в моногомодовом режиме (рис. 4, б) на поверхности образца образуются неравномерная структура (образование глубоких пор). При вращении образца (рис. 4, в) наблюдается сглаженная поверхность, близкая к поверхности исходного образца (рис. 4, а). Заключение 1. Предложен новый метод исследования характеристик зажигания конденсированных систем лазерным излучением, обеспечивающий равномерное распределение плотности лучистого теплового потока на поверхности образца за счет его вращения в процессе зажигания. 2. Из решения нестационарного одномерного уравнения теплопроводности в нагреваемом образце получено соотношение для выбора угловой скорости вращения образца, обеспечивающей осреднение с заданной погрешностью плотности потока излучения на поверхности образца. 3. Для исключения влияния конвективного охлаждения вращающегося образца предложено размещать его в цилиндрической трубке высотой h ~ 5R. 4. Проведено экспериментальное исследование зажигания излучением СО2-лазера модельного конденсированного вещества - пироксилина с вращением и без вращения образца. Получено увеличение времени задержки зажигания при вращении образца, связанное с очаговым механизмом зажигания неподвижного образца многомодовым излучением СО2-лазера.

Скачать электронную версию публикации