Введение к работе
Актуальность проблемы.
В настоящее время теория горения уделяет значительное внимание вопросам технологического приложения, когда наряду с энергетическими показателями важным фактором является качество получаемого в волне горения целевого продукта Одним из перспективных методов получения новых материалов, обладающих широким спектром разнообразных свойств, является метод самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) Для исследования механизмов фронтального экзотермического превращения в СВС-системах разрабатывались и совершенствовались математические модели для описания процесса инициирования и распространения волн горения в химически активных средах, а также предлагались эффективные методы для их исследования Как правило, фронтальное превращение высокоэнергетических систем характеризуется высокими температурами, достигаемых в узкой зоне реакции, значительными градиентами полей температур, концентраций и давления, что существенно осложняет анализ процессов экзотермического превращения Классические представление о волнах горения в реагирующих средах стимулировали использование гомогенного подхода для анализа структурных характеристик фронтов в гетерогенных смесях Реально используемые в СВС составы представляют собой смеси порошков с размером частиц сопоставимыми с характерными масштабами волны горения Поэтому наблюдаемые экспериментально макроскопические закономерности химического взаимодействия являются результатом достаточно сложных процессов на микроуровне Учет неоднородности в смесевых средах приводит к математическим моделям, где учитывается многофазность, многокомпонентность и многостадийность химического превращения Такие исследования дают возможность установить динамику развития и природу нестационарных явлений экзотермического превращения в сложных гетерогенных системах, исследовать процессы инициирования волновых режимов горения, установить предельный переход от классического гомогенного описания процесса к дискретному Для анализа задач горения с учетом масштаба неоднородности среды широко применяются численные методы анализа Продуктивными для исследования нелинейных процессов являются и приближенные аналитические методы, основанные на анализе особенностей экзотермического превращения В ряде случаев разработанные методы позволяют провести количественную оценку фронтальных режимов горения с учетом нелинейных те-плофизических взаимодействий пространственно микронеоднородных структур
Цель работы:
разработать общий подход теоретического анализа процессов инициирования и волнового превращения гетерогенных систем с учетом особенностей макрокинетики взаимодействия во фронте горения и микрогетерогенности структуры,
построить математические модели для исследования нелинейной динамики распространения фронта экзотермического превращения в структурированных гетерогенных средах,
провести анализ динамики экзотермического превращения гетерогенных систем с учетом особенностей теплопереноса в волне горения и внешних возмущений,
- исследовать критические явления распространения экзотермического фронта
при переходе от квазигомогенного превращения смесевых систем к дискретному
распространению фронта при изменении масштаба гетерогенности,
- изучить закономерности процессов перестройки режимов горения в зависимости
от гетерогенного механизма превращения и конкурирующих механизмов тепло
передачи,
Научная новизна.
Впервые разработан общий подход исследования волновых режимов горения гетерогенных сред с учетом макроскопической неоднородности смеси Проведен детальный теоретический анализ "дискретных" волновых структур, и изучены закономерности волнового распространения в многослойных системах Изучены нестационарно-дискретные режимы волнового превращения в зависимости от кинетических и структурных характеристик гетерогенных сред
Исследована динамика распространения пламени в структурированных средах с учетом конкурирующих видов теплового взаимодействия Впервые проведен анализ нестационарного перехода от классического квазигомогенного режима фронтального превращения систем в микрогетерогенный Определены осреднен-ные характеристики фронта и динамика превращения отдельных элементов "дискретной" волны горения Установлена корреляция закономерностей горения модельной среды и реальных гетерогенных составов Впервые показано, что высокий уровень лучистой составляющей в процессе теплопереноса во фронте горения высокоэнергетических пористых гетерогенных сред приводит к перестройке структуры фронта, когда меняется характерное для горения соотношение между пространственной широкой зоной прогрева и зоной реакции Определены параметрические области реализации режимов горения, связанных с масштабом неоднородности среды Изучен процесс перехода от гомогенного волнового превращения гетерогенных систем в эстафетный режим, исследованы характеристики переходных режимов превращения Показано, что при доминирующем лучистом теплопереносе, изменяется избыток энтальпии во фронте, что приводит к изменению границы устойчивости стационарного фронта к возмущениям Впервые изучена нестационарная динамика фронта "дискретного" превращения гетерогенных составов в параметрической области тепло-диффузионной неустойчивости стационарного фронта
Исследовано фронтальное превращение (безгазовый механизм горения) двухслойной гетерогенной системы типа "сэндвич" с учетом теплового взаимо-
действия между компонентами Приближенными аналитическими методами проведен анализ характеристик стационарного фронта пламени от определяющих параметров Показана возможная неединственность стационарных режимов горения двухслойной системы, установлена зависимость параметрической области множественности от тегаюфизических и макрокинетических параметров Впервые изучена устойчивость распространения пламени в гетерогенной системе типа "сэндвич" Показано различие характеристик квазигомогенного режима горения при поперечном и продольном превращений многослойных гетерогенных систем
Исследованы волновые режимы в системах с нелинейной теплопроводностью, автомодельное горение которого поддерживается химическими источниками энерговыделения Исследована устойчивость волны горения, определены характеристики возникающих неустойчивых фронтальных режимов
Приближенными методами исследованы волновые характеристики пламени в газовзвеси с учетом кинетического, диффузионного и переходного режимов горения конденсированной фазы Показано, что тепловое расширение изменяет установившуюся структуру и характеристики фронта
Предложена нестационарная математическая модель распространения пламени в газовзвесях с учетом конкурирующих механизмов теплопереноса Определены условия перестройки низкоскоростного кондуктивного режима превращения в высокоскоростной лучистый Теоретически обоснован "взрывной" характер формирования лучистого режима Впервые показано, что при наличии теплопо-терь возможна неединственность стационарных режимов горения газовзвесей
Исследовано влияние конвективного и лучистого теплопереноса на временные характеристики зажигания газовзвеси В этих условиях численно определены границы диффузионного, кинетического и переходного режимов зажигания
Проведен анализ неустойчивых режимов горения газовзвесей с учетом перестройки гетерогенного механизма превращения конденсированной фазы, и конкурирующих механизмов теплопереноса
Предложена односкоростная нестационарная математическая модель инициирования и распространения волн в монодисперсной газовзвеси, учитывающая наличие межфазового тепло и массо-обмена Численно изучены различные режимы зажигания газовзвеси и механизмы развития процесса горения в замкнутом и неограниченном объеме
Проведено исследование устойчивости волн горения в системе последовательных реакций с эндотермической стадией Показано, что неединственность горения приводит к абсолютной неустойчивости промежуточного режима реагирования, и автоколебательной потери устойчивости высокотемпературного и низкотемпературного режимов при экзотермическом превращении безгазовых систем Исследовано влияние возможной неустойчивости режимов горения на параметрическую область множественности
Исследована устойчивость стационарной волны горения в случае протекания независимых реакций с разделенными в пространстве узкими зонами химического превращения Приближенными и численными методами определена граница и характер потери устойчивости
Практическая ценность данной работы заключается в том, что выполненные исследования представляют собой теоретическую базу для анализа волновых режимов превращения широкого класса гетерогенных систем с учетом их многофазно-сти, многокомпонентности и многостадийности экзотермического превращения
Развиваемое направление и полученные результаты дают новое, расширенное представление о процессах, происходящих при распространении волны горения в микронеоднородных средах
Методы, развитые в работе, могут найти плодотворное применение в исследованиях горения гетерогенных систем, где учитывается зависимость характеристик химического и теплового взаимодействия, связанных со структурными характеристиками среды Предложенные подходы и установленные закономерности могут быть непосредственно использованы при проведении экспериментальных и теоретических исследований для широкого класса гетерогенных составов Результаты исследований позволяют предсказать характер превращения гетерогенных систем и могут быть использованы не только для разработки научных основ технологии как для получения неорганических соединений методом СВС, так и пожаро- и взрывобезопасности процессов горения,
На основании теоретических исследований автор защищает
Разработанный подход теоретических исследований нестационарных процессов экзотермического превращения с учетом микро-неоднородности гетерогенной структуры,
Установленные закономерности перестройки режимов горения при распространении поперечного и продольного пламени в слоистой гетерогенной системе в зависимости от масштаба неоднородности среды
Полученные режимы волнового экзотермического превращения гетерогенных многослойных систем с учетом конкурирующих механизмов теплопереноса
Установленные критические условия смены режимов при горении структурированных и дисперсных систем, которые связанны с механизмами экзотермического превращения и внешними теплопотерями
Физические выводы устойчивости режимов горения при изменении масштаба гетерогенности среды
Результаты теоретического анализа режимов инициирования и горения газовзвесей с учетом конкурирующих механизмов теплопереноса и газодинамики течения
Разработанные подходы анализа распространения и устойчивости фронта экзотермического превращения смесевых составов при учете многостадийности и неединственности горения
Личный вклад диссертанта в работы, выполненные в соавторстве, заключается в непосредственном участии в исследованиях на всех стадиях проведения, включающих постановку проблем, разработку методов их решения Апробация работы. Основные результаты и положения диссертации докладывались и обсуждались на На VI Всесоюзной школе-семинаре по механике реагирующих сред, Новокузнецк, 1986 г, Всесоюзной школе-семинаре Горение Дисперсных Систем, Одесса, Украина 1987, XII International Symposium on Combustion Processes Bielsko-Biela, Polska,1991, International Conference Unsteady
Combustion, Porto, Portugal, 1993, Fifth International Colloquium on Dust Explosions, Pultuch, Poland, 1993; Second International Conference Mathematical and Numerical Aspects of Wave Propagation, Delavera-Philadelphia, USA,1993, XXV International Symposium on Combustion, Irvine, USA, 1994, Всесоюзный Симпозиум по Горению и Взрыву, Черноголовка, 1994, the International Incinaration Conference, Plumer Tucson, USA, 1995, International Symposium on Radiative Heat Transfer, Kusadasu, Turkey, 1995, XXVI International Symposium on Combustion, Naples, Italy, 1996, International Colloquium on Advanced Computation and Analysis of Combustion, Moscow, 1997, the 17-th International Colloquium on the Dynamics of Explosions and Reactive Systems (ICDERS), Heidelberg Germany, 1999, 7-th International Conference on Numerical Combustion, UK, 1998, XII Симпозиуме no горению и взрыву, Черноголовка, 2000, VI International Symposium on SHS, Haifa, Israel, 2001, Международной школе-семинаре Горение Дисперсных Систем, Одесса, Украина 2001, Всероссийской конференции "Процессы горения и взрыва в физикохимии и технологии неорганических материалов" Москва 2002; International Symposium on Combustion and Atmospheric PoIlution,St Petersburg, Russia, 2003, Zeldovich Memorial- International Conference on Combustion and Detonation, Moscow, 2004, XIII симпозиум по горению и взрыву, Черноголовка, 2005
Основные результаты работы опубликованы в 32 работах, список которых помещен в конце автореферата
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитируемой литературы, включающего 234 наименования Работа содержит 294 страницы, 61 рисунок, 1 таблицу
