Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.
Экспериментально-теоретические исследования процессов воспламенения и горения являются необходимым элементом разработки и совершенствования современных двигательных установок. Используемый в качестве источника энергии и рабочего тела порошкообразный бор (В) относится к числу наиболее перспективных компонентов для применения в реактивных двигательных и энергетических установках, в частности, на двухкомпонентном порошкообразном топливе: высвобождаемая энергия при горении частиц бора является одной из наибольших. Кроме того, экспериментальные исследования и математическое моделирование критических условий возникновения пожароопасных ситуаций важно с точки зрения обеспечения безопасности производства и эксплуатации изделий, содержащих частицы порошкообразных окислителя и горючего.
Целью работы является численное моделирование процессов воспламенения и горения двухкомпонентной аэровзвеси порошкообразных окислителя — перхлората аммония (ПХА), и горючего — бора при распространении сферически-симметричного пламени в свободном объёме, а также определение характерных времени горения частиц и скорости распространения фронта пламени. Объектом исследования являются двухкомпонентная аэровзвесь монодисперсных порошкообразных ПХА и В.
К настоящему моменту представлено большое количество расчетных зависимостей по горению порошкообразных металлов [1–3] и получены представляющие интерес экспериментальные данные [3, 4]. Усовершенствован компьютерный код на языке программирования С++ моделирующий процессы распространения сферически-симметричного фронта пламени в двухкомпонентной аэровзвеси частиц В и ПХА в свободном объеме [5]. Решение этой математической модели выполнено явными методами Мак-Кормака и Рунге-Кутта [6] с внедрением искусственной вязкости и динамического шага по времени для стабилизации расчета. Учтено изменение химического состава газовой фазы в процессе горения частиц В и ПХА. Использованы аппроксимирующие функции [7–9] для описания зависимостей удельных теплоемкостей, коэффициентов теплопроводности и диффузии, а также динамической вязкости для смеси газов N2, O2, B2O3, B2O2, BO, NOCl и H2O.
В качестве исходных данных для расчета принято, что масса окислителя равна 0,6 кг, масса горючего — 0,4 кг, радиус частиц бора — 10 мкм, толщина оксидной пленки — 0,1 мкм, радиус частиц ПХА: — 20 мкм. Заданы значения нормальных условий для давления (0,1 МПа), плотности (1,05 кг/м3), массовых долей O2 (0,21) и N2 (0,79). Считается, что концентраций газообразных компонентов продуктов сгорания нет, а скорости и температуры газовой и дисперсных фаз равны 0 м/с, и 300 К соответственно. Радиус расчетной области составляет 4 м, кроме того двухкомпонентная аэровзвесь, распыленная на участке 0...0,5 м, воспламеняется от расположенного в полюсе точечного источника воспламенения с радиусом 0,1 м, температурой 3000 К и временем работы 0,005 с.
Расчеты показали, что получить характерные скорости распространения фронта пламени при любых начальных условиях окружающей среды, а также радиусах и концентрациях частиц В и ПХА не всегда возможно. В частности, для устойчивого процесса горения необходимо использовать мелкодисперсный В ( мкм) и крупнодисперсный ПХА ( мкм). В противном случае частицы горючего перестают химически взаимодействовать с продуктами разложения окислителя в процессе горения, частицы бора прогреваются медленнее, что приводит к уменьшению скорости распространения фронта пламени.
В результате численного моделирования составлены профили плотности, скорости, температуры газовой фазы на разных временных интервалах. Кроме того, определены зависимости счетных концентраций частиц горючего и окислителя, а также массовых долей газовой фазы от концентраций, образовавшихся продуктов сгорания при горении двухкомпонентной аэровзвеси. Получены распределения радиусов, температур и скоростей частиц В и ПХА. Рассчитаны характерные времена горения дисперсных фаз и скорость распространения фронта пламени.
На основе приведенных расчетов установлено, что для организации устойчивого процесса распространения пламени масса окислителя должна быть на 25 % больше массы горючего.
