Введение к работе
Актуальность темы. Газовзвеси частиц твердых горючих являются
распространенным и интенсивно.изучаемым в физике горения объектом.
Это связано с тем, что с научной точки зрения газовзвеси реагиру
ющих частиц,' как объект изучешя механики многофазных реагирующих
систем, характеризуются очень сложной взаимосвязью процессов хими
ческого реагирования, тепломассообмена, радиационного переноса и
газодинамических явлений. С практической точки зрения, эта систему
позволяют достичь высокой эффективности преобразования вещества и
энергии,' обусловленной дисперсным составом горючего компонента.
Примером тому, является энергетическое горений, авиационная и ра
кетная техника, химическая,технология, основанная т горении, СВС-
-технология, технология газодасперсного синтеза нанооксидов, ис
пользование гетерогенных систем, сжигаемых в виде газовзвеси для
воздействия на процессы в тропосфере с целью* создания локальных
неоднородностеЯ ее оптических и электрических параметров, вопросы
пожаровзрнвобезопасности, порошкообразных горючих материалов, и
т.д. ...... . '
Подавляющая часть работ применительно к газовзвесям касается интегральных характеристик процессов их воспламенения и горения {критической температуры воспламенения, времен индукции и горения взвеси, K8K функций от исходных параметров?.Что же касается работ, посвященных факельному горению газовзвесей частиц, речь в них шла, в основном, о длине и форме факела. В случае волнового, горения га--зовзвесей авторы интересовались скоростью пламени'в различных условиях струбы, горелки, облаке? и механизмами теплопередачи в волне горения. Учитывая, однако, слабую чувствительность этих характеристик к тонким деталям теоретических моделей, судить об их адекватности представляется весьма затруднительным. Кроме того,- ігоо-цессы дэрения рассматривались в отрыве от сопутствующих им электрофизических явлений, роль которых, по-видимому, не является П8С-сивной, -'сэдбешо при тешюмвссообмеяе и конденсации продуктов сгорания.
Отсутствие достаточно полной информации об оптических характеристиках горящих газовзвесей зэтрудняет выявлеше роли радиации при горении подобных объектов. Такое положение в физике горения дисперсных систем обуславливается ограниченным арсеналом экспериментальных методик и отсутствием соответствующей спектральной ал-
2 паратуры, обладающей одновременно высоким спектральным,. временным и пространственным разрешением. Таким образом, разработка т'вкгаг методик измерения параметров горящих систем япяется первоочередной задачей экспериментальных исследований.
Целью работы является разработка нового направления в физике горения дисперсных систем, заключающегося в изучении роли радиационных и электрофизических явлений в процессах формирования пространственной структуры горящего объекта и образования новой фазы в условиях плазмы с КДФ, образующейся при горении.
Научная новизна.
- Разработан комплекс аппаратуры и методик экспериментов, об-
ладаюги высоким спектральным, временным и пространственным рвзре-^
шением, которые, в отличие от ранее существующих, позволяют одно
временно измерять температуру, концентрацию, а также пространст
венные распределения указанных величин для различных компонентов
горючих дисперсны^ систем, определять электрофизические и оптиче
ские характеристики продуктов, сгорания. Это существенно повышает
информативность экспериментов,- дающих сведения о тонких деталях
процессов и микроструктуре объекта.
. - Впервые получена информация об оптических 'и излучательных характеристиках для 'субмикронных продуктов сгорания металлов при высоких температурах, которая :
а. является исходной информацией для расчетов радиационных
потоков в горящих дисперсні**; СИСТ6М8Х ;
б. позволила показать, что доля радиации в теплопотерях, в
зависимости от рода металла и вида дисперсной систем,' может дос
тигать 30-40.
в. легла в' основу методик измерения характеристик К-фазы
непоср. дственно в зоне горения.
- Установлено, что излучательные характеристики К-частиц
оксидов, находящихся в зоне горения в твердой фазе, в существенной
степени определяются дефектами кристаллической решетки и мездзон-
шми переходами. Это и является главной пришой значительного
расхождмш ш 3-F раз> между результатами настояш. измерений
факторов эффективности поглощения К-Ч8СТИЦ8МИ в области высоких
'температур и литературными данными. В, то же время, указанные
особенности излучательных характеристик оказываются ЕаоуЕр-ствьаш-
ми для аядких частиц, что пр&дЬпгуделяет надежность известных рас
четов, йсшльзущих Тдорию Мй.
. з
. .- Экспериментально обнаружен размерный эффект для ультрадисперсних продуктов сгорания << 0;5мкм>, не зависящий от их агрегатного состояшя. Эффект заключается в резком увеличении в области коротких длин волі факторов эффективности поглощения при уменьшении \, Это 'явилось основой для определения характерного размера частиц оксидов металлов непосредственно в зоне горения по виду спектра излучения.
- Показана определяющая роль плазменного компонента при кон
денсации продуктов сгорания, обеспбчиващего слабую чувствитель
ность дисперсности К-фазы-к режиму сжигания и роду металла. Уста
новлено, что центрами -конденсации являготся отрицательные молеку
лярные ионы окислителя. Построена физическая модель, устанавливаю
щая взаимосвязь между дисперсность» продуктов сгорания и парамет
рами горящей системы. Установлен механизм образования заряженных
частиц в плэмани, определена их подвижность и скорость генерации.
Показано, что в окрестности горящей частицы формируется электри-
чр.ские поля,'обеспечивающие транспорт К-фазы каши металла, что и
объясняет образование окисных остатков при парофазном режиме горе
ния. . Дана теоретическая интерпретация результатов эксперимента.
Выявлен спектральный состав собственных электрически колебаний в
горящей системе, дамдих возможность воздействовать яа дисперсность
, продуктов сгорания, с помощью внешних переменных электрических по
лей; .
' - Показано, что дефекты по Шоттки определяют "предвлинй"
. размер частиц mso в зоне горения. Впервые экспериментально определена энергия образования этих дефектов.
- Исследована тонкая структура зоны горения 'индивидуальной
частицы и дисперсного факела частиц, реагирующих в лэро- и газо
фазном режимах. Результата явились основанием для выбора- соответ
ствующих теоретических моделей горения и построения физической
модели конденсации продуктов сгорания.
На защиту выносятся методики экспериментальных исследований процессов горения газовзвесей частиц, результаты исследования оптических и электрофизических характеристик горящих дисперсных систем, структуры зон горения, константы процессов и положения, сформулированные в предыдущем пункта.
Практическая ценность. '.
- Результаты исследования тонкой структуры зон горения дис
персных систем могут быть использованы яри разработке акпргег.па-
ских установок на порошкообразном горючем, а предложенные мето;„ш?
4 экспериментов представляются полезными для дистащионной, бесконтактной диагностики излучащих и поіміоща-ощйх шогофазных систем..
Полученные данные по излучятелышм характеристикам К-фазы являются исходной информацией для анализа и расчетов радиационных нагрузок стенок различных энергетических установок и при разработке источников излучения с заданными спектральний характеристиками.
Построенная физическая модель и полученные экспериментальные данные о механизме конденсации продуктов сгорания для широкого 'класса .металлов представляют собой научную базу в проблеме борьбы с двухфазными потерями и для целенаправленной организации технологического процесса газодисп&рсного синтеза нанооксидов в волне горения. Высказанные в работе предложения, по способу влияния на дисперсность продуктов сгорания газовзвесей частиц металлов реализованы в лабораторных условиях.
Развитые представления расширяют понимание физической сущности процессов горения и нашли применение при чтении курсов по физике горения, химической физике и физическим-основам пожаровзрц-вобезопасяости. .
Исследования автора, отраженные в диссертации, выполнялись в период 1980-1992гг. на кафедре общей и химической физики Одесского государственного университета в рамках комплексной теш "Испарение и горение дисперсных систем" «Постановление АН УССР N604 от , номер государственной регистрации 760008739> и ряда хоздоговорных тем, выполняемых по решению директивных органов. Апробация работа. Результаты докладывались но: Научном семинаре "Низкотемпературная плазма с КДФ' - Одесса,1981; vi - гаї Семинарах по электрофизике горения - Караганда,1983-1985; xiv Всесошной конференция "Актуальные вопросы физики . аэродисперсных систем"
Одесса,1986; Международной школе-семинаре "Тепло- и массообмэн в химически реагирующих системах"-- Минск,1989, ш Всесоюзной школе-семинаре по микрокинетике, химической и магнитной гидродинамике
Красноярск,1990; ххш Симпозиуме по горению -. Франь:гя,1930; Международной школе-семинаре "Реофизика и тешМдзика нервновес-енх систем"- Минск,IS9I; х Симпозиуме по горешт иЪрыъу - Черноголовка J992; xvi Конференции стран.СНГ по вопросам испарения, горения и газовой динамики дисперсных систем - Одесса,1993; Между-гк>тэдяоа конференции по горешга -'Москва -'Санкт-Петеї-оурї, 1993.
Диссертация в целом обсуждалась- на совместном семинаре кафедр
общей и химической физики, теоретической физики и теплофизики ОГУ, на семинарах ГОШ России в 1991 и 1992гг.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, пяти глав, выводов и приложения. Содержит 360 страниц, включая 93 рисунка, 25 таблиц и список литературы из 232 наименований.
