Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние математического моделирования процессов теплопереноса при зажигании конденсированных веществ нагретой до высоких температур частицей 11
2. Общая постановка задачи теплопереноса при воспламенении конденсированного вещества и метод решения 32
2.1. Физическая постановка 32
2.2. Математическая постановка 35
2.3. Метод решения 37
2.4. Тестирование поставленной задачи 50
3. Зажигание конденсированного вещества частицей, нагретой до высоких температур 53
3.1. Зажигание конденсированного вещества одиночной частицей, выпавшей на поверхность конденсированного вещества 53
3.2. Влияние формы частицы на величину t3 63
3.3. Влияние окисной пленки частицы на время задержки воспламенения конденсированного вещества 78
3.4. Воспламенение конденсированного вещества частицей в форме сферы, полностью внедренной в конденсированное вещество 88
3.5. Зажигание пожароопасных материалов нагретой до высоких температур частицей 99
3.6. Зажигание конденсированного вещества частицей, частично внедренной в конденсированном веществе 112
3.7. Влияние процесса растекания частицы на характеристики зажигания 126
3.8. Влияние неидеальности контакта на время задержки воспламенения конденсированного вещества частицей 143
4. Теоретический анализ возможности реализации одного из механизмов эрозии конструкционных материалов при инерционном осаждении твердых горячих частиц 154
4.1. О механизме локальной эрозии элементов газового тракта котлов частицами летучей золы 154
4.2. О механизме локальной эрозии теплозащитных материалов при выпадении на их поверхность нагретых до высоких температур частиц 165
Заключение 174
Литература 176
- Влияние формы частицы на величину t3
- Зажигание пожароопасных материалов нагретой до высоких температур частицей
- Влияние процесса растекания частицы на характеристики зажигания
- О механизме локальной эрозии теплозащитных материалов при выпадении на их поверхность нагретых до высоких температур частиц
Введение к работе
Актуальность темы.
Многие высокотемпературные технологические процессы в различных технических системах (ракетная техника, теплоэнергетика, машиностроение, химическая промышленность, атомная энергетика), а также техногенные и природные процессы (например, взрывы, пожары) приводят к формированию гетерогенных потоков; содержащих нагретые до высоких температур твердые или і жидкие частицы конденсированной фазы. Взаимодействие высокотемпературных гетерогенных сред с материалами представляет собой самостоятельную крупную научную проблему, частью которой является задача і о взаимодействии нагретой доі высокой температуры («горячей») одиночной частицы с конденсированным веществом (KB) при инерционном осаждении на поверхность. При всем многообразии реализаций таких процессов в природеіи технике наибольший интерес, скорее всего, представляют процессы зажигания конденсированного вещества і одиночной гррячей частицей и эрозии (износа) конструкционных материалов под действием одиночных частиц, выпадающих на поверхность конструкционных материалов из гетерогенного высокотемпературного потока при малых скоростях взаимодействия.
Задачи зажигания KB возникают при создании различных энергетических установок специального!назначения, в которьпс в качестве источника энергии используются твердые, жидкие или гелеобразные топлива. От Эффективности систем воспламенения зависят как рабочие параметры* таких установок, такій надежность их работы в целом. 'Прогнозирование же закономерностей реализации процессов зажигания топлив представляет самостоятельную задачу, решение которой только экспериментальным путем практически невозможно.
Проблема воспламенения является одной из актуальнейших в настоящее время в связи с пожароопасностью многих современных конструкционных! и строительных материалов. Ущерб, наносимый пожарами велик. Возникновение любого пожара является следствием воспламенения горючего (пожароопасного) материала в условиях, которые очень часто на первый взгляд не являются достаточными для возникновения очага горения.! Такими условиями, например, являются воздействия различных мелких частиц, нагретых до высоких температур, на горючие материалы.
Одиночные частицы достаточно малых размеров часто являются источниками возникновения процессов горения в самых различных условиях функционирование мнопих технических систем в строительстве (например,'сварка или) резка), в быту (замыкание в системе электропррводки, работа печного отопления и др.), в промышленности (работа абразивов).
Известны результаты теоретического и экспериментального исследования закономерностей зажигания конденсированных веществ дисперсным потоком (Гбльдшлегер У.И. с соавторами). Но в этих моделях воздействие дисперсного
С Петербург
гоо&рк
4 потока моделировалось не одиночной частицей, а тонким слоем частиц, , выпадающих на поверхность.
По этим причинам^ исследование закономерностей процессов зажигания і конденсированных веществ одиночными частицами является актуальной^ неизученной до настоящего времени задачей, і
Изустно, что работа современных котельных агрегатов сопровождается і сложными, взаимосвязанными физическими и химическими процессами в і тракте дымовых газов. Эти процессы оказывают сильное влияние на работоспособность металла, из которого изготовлены узлы и детали котельного оборудования. Наиболее частої неполадки и повреждения происходят на водяных экономайзерах, топочных экранах, пароперегревателях. Износ поверхности і труб экономайзеров принято считать следствием ударов частиц летучей золы о і поверхность труб.
В то1 же время детальный механизм эрозии металлов'в рассматриваемых условиях работы котельного оборудования до настоящего времени не установлен однозначно] В! данной работе проведен теоретический анализ условий > реализации одного из возможных механизмов эрозии металла элемеигов конструкции тракта дымовых газов.:
Цель работы.
Численное моделирование процесса тепло переноса при зажигании конденсированного вещества нагретой до высоких температур одиночной частицей в рамках модели, учитывающей двумерный теплоперенос в окрестности зоны контакта «частица - KB». При теоретическом анализе закономерностей воспламенения горючих веществ разогретыми до высоких температур частицами задачи исследования состояли в определении времен задержки воспламенения KB и сравнении результатов, полученных с применением двумерной модели и традиционных моделей воспламенения исследуемого процесса.
При исследовании механизма эрозии (износа) конструкционных материалов задача состояла в теоретическом анализе полей температур и упругих напряжений в окрестности нагретой до высоких температур частицы летучей золы, выпавшей на поверхность металла или частицы углерода, выпавшей на поверхность теплозащитного материала.
Научная новизна, і
Впервые поставлена и решена задача о тегоюпереносе при зажигании конденсированного вещества одиночной нагретой до< высоких температур частицей в рамках ідвумерной модели твердофазного воспламенения. В работе. выполнено численное моделирование процесса теплопереноса при воспламенении і и эрозии KB твердой частицей. Численно исследованы основные закономерности зажигания KB одиночной частицей и выделены три характерных > режима зажигания: относительно низких температур, высоких температур и промежуточный, для которого характерным является отличие от режимов за-
5 жигания KB нагретым телом или газовым потоком по значениям времен і задержки воспламенения.
Проведені анализ влияния на величину времени задержки воспламенения: размеров частицы, температуры частицы, наличия овисной пленки на поверхности частицы, формы частицы,, условий взаимодействия частицы и KB (положение на поверхности KB, I частичное внедрение, полное внедрение), растекание частицы) по поверхности KB, неидеальности контакта (наличие шеро-> ховатости).,
Проведен численный анализ возможности реализации процесса эрозии і конструкционных материалов горячими твердыми частицами в режиме инер-і ционного осаждения с малыми скоростями движения.
Практическая ценность.
Полученные новые численные результаты по воспламенению конденсированного вещества одиночной нагретой до высоких температур частицей могут быть использованы с достаточно высокой степенью надежности для совершенствования моделей прогноза пожарной опасности, как ряда технологических процессов, так и условий изготовления, хранения и эксплуатации! различных изделий изі горючих материалов.
Представленные результаты также являются основой для дальнейшего! развития теории взаимодействия капель расплавленных металлов с поверхно-і стью в задачах о напылении упрочняющих и защитных покрытий, при анализе работоспособности котлов и парогенераторных установок, при решении задач тепловой защиты.
Достоверность полученных результатов.
Обоснованность и достоверность полученных результатов следует из. про- > веденных проверок используемых методов (проверка аппроксимации и сходимости решений), подтверждается сравнением с известными і экспериментальными і данными и результатами теоретических работ других, авторов.
Автор защищает;
-
Новую постановку задачи, новые результаты численного моделирования процесса зажигания конденсированного вещества нагретой до высоких температур одиночной частицей в рамках двумерной модели твердофазного воспламенения.
-
Результаты численного* анализа влияния на величину времени! задержки воспламенения конденсированного вещества размеров частицы, ее начальной температуры, наличие окисной пленки и шероховатостей.
-
Влияние на характеристики зажигания условий взаимодействия частицы и KBL
-
Результаты теоретического анализа условий і реализации одного из возмож-, ных механизмов эрозии металла элементов конструкции тракта дымовых газов котельного оборудования и теплозащитных материалов.
іАпробация работы:
Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на следующих конференциях: Международная конференция «Сопряженные задачи механики,' информатики и экологии», (Томск, 200J); Всероссийская научно-техническая конференция «Аэрокоамическая техника и высокие технологии» 1(Пермь, 2002); Международная і научно-практическая конференция «Третьи Окуневские чтения» (Санкт - Петербург,' 2002); Международная конференция «Сопряженные задачи механики, информатики и экологию} (Томск, 2002); 5-я .Международная конференция «Природные пожары: возникновение, распространение, тушение і и экологические последствия» (Красноярск, 2003); Меж-ідународная конференция по математике і и механике і (Томск, 2003); Международный семинар «Гидродинамика высоких плотностей энергии» (Новосибирск, 2003); Международная конференция «Сопряженные задачи меха-іникк, инфррматики и экологии» (Горно-Алтайск, 2004). і
Публикации. Основные результаты диссертации представлены в 16 работах, список которых представлен в конце автореферата.
Структура и объем работы. Диссертация состоит і из і введения, четырех глав, заключения и списка литературы, включающего 87 наименований, содержит 162 рисунка, 1! таблиц + всего 1184 страницы.
Влияние формы частицы на величину t3
Проведен анализ влияния параметров конвективного (а) и радиацион ного (s) теплообмена KB и частицы с внешней высокотемпературной средой для диапазонов изменения а, є, T4t соответствующих условий воспламенения KB частицей. Установлено (табл. 3.1.3), что изменение а и є в десятки и даже в сотни раз не приводит к заметным изменениям во временах задержки воспламенения t3. Этот результат хорошо иллюстрирует роль частицы в инициировании процесса зажигания KB в диапазоне изменения значений Тч, соответствующих рассмотренному выше режиму зажигания конденсированного вещества непосредственно частицей. В дальнейшем при проведении численных исследований использовались значения а и є, соответствующие режимам воспламенения в специальных энергетических установках [1]. Можно отметить, что при переходе к режиму относительно низких температур, когда частица непосредственно не влияет на параметры воспламенения, значения а и є существенно влияют на величину tv Но эти режимы детально исследованы ранее [5]. Поэтому они в данной работе специально не рассматривались. Для анализа влияния формы частицы на характеристики зажигания в качестве модели частицы была выбрана полусфера (рис. 3.2.1) [75]. Такая конфигурация является одной из достаточно распространенных, и описывает в частности форму капли после кристаллизации ее части на холодной поверхности [57]. При постановке задачи предполагалось, что форма частицы после осаждения на поверхность не меняется, контакт между частицей и KB идеален, конденсированное вещество также не деформируется. Эти допущения не накладывают масштабных ограничений на постановку задачи, потому что во многих реальных случаях реализуется именно такая схема. Так, например, при выпадении на поверхность древесины или любой пластмассы частиц, образующихся при резке или сварке металлов, принятая схема реализуется полностью. На рис.3.2.1б представлена геометрия области решения. Задача рассматривалась в осесимметричной постановке. Частица моделировалась полусферой, разрезанной по оси симметрии. Соответственно уравнение теплопроводности для частицы записывалось в сферической системе координат с соответствующими краевыми и начальными условиями.
В конденсированном веществе выделялась область, значительно больших размеров, чем частица, в форме цилиндра. Уравнение энергии для KB записывалось в цилиндрической системе координат с соответствующими граничными и начальными условиями. Размеры выделяемой в KB области уточнялись в дальнейшем в процессе вычислений с целью сокращения объема вычислений за счет уменьшения размеров выделяемого цилиндра как по продольной, так и по радиальной координатам. Уменьшение размеров области в KB осуществлялось за счет уменьшения числа избыточных узлов, в которых температура была равна начальной до момента зажигания. При постановке задачи рассматривалась твердофазная модель зажигания [5], потому что теплосодержания малых по размеру частиц скорее всего недостаточно для формирования устойчивого потока продуктов термического разложения исходного KB и последующего химического взаимодействия с газообразным окислителем внешней среды (например, воздухом) и реализации режима газофазного зажигания. Система нестационарных дифференциальных уравнений теплопроводности для системы "частица - KB" (рис. 3.2.1 б), соответствующая сформулированной физической модели имеет следующий вид: где г, ф - сферические координаты. При постановке задачи принято, что оси симметрии частицы и выделяемого в пластине KB цилиндра совпадают. Граничные и начальные условия для сформулированной задачи имеют вид: Численные исследования проводились для группы материалов. В качестве иллюстрации представлены результаты численного анализа для типичного KB - пороха «Н» [5] и алюминиевой частицы, для которых хорошо известны теплофизические и термохимические характеристики. Численные исследования проведены при следующих значениях параметров: ч=0,2352 Вт/м-К; с,=1470 Дж/кг-К; Pl=1600 кг/м3; ,2=98 Вт/м-К; с2=900 Дж/кг-К; р2=2700 кг/м3; "=147000 Дж/моль; 0=1,6464-1023 Дж/м3-с; є=0,5; а=300Вт/м2К.
Критические условия воспламенения аналогичны критическим условиям (3.1.1),(3.1.2). Если размер очага 5 5 [22] то происходит воспламенение. Расчеты, проведенные для частиц различных размеров, показали, что в рассматриваемом случае при Гч = 600 К зажигание имеет место при дкр =173.65, а при Гч = 800 К - Ъкр = 124.873. Как и в 3.1. в таблице 3.2.1 представлены результаты математического моделирования процессов воспламенения с использованием двумерной модели теплопереноса в системе «частица - KB», традиционной одномерной модели воспламенения с граничными условиями первого рода [5], а так же результаты для одномерной модели системы «частица - KB» при учете теплообмена на границах частицы. Было установлено (рис. 3.2.2), что увеличение радиуса частиц, приводит к снижению величины t2 при одинаковых температурах частиц. В таблице 3.2.2 представлены распределения температур Т на оси симметрии системы «частица - KB» в малой окрестности зоны контакта. Расчеты проводились в диапазоне изменения Т только до 800 К, потому что дальнейшие вычисления прекращались из-за достижения условий
Зажигание пожароопасных материалов нагретой до высоких температур частицей
Рассмотрена задача о те пл оперен осе в системе «частица окисла металла - конденсированное вещество». В качестве конденсированного вещества рассматривалась древесина (сосна и береза) [59, 73]. Смоделировать реальную геометрию частиц, образующихся в результате сварки или резки металлов весьма сложно. При постановки задачи принято допущение о том, что частица окисла имеет форму цилиндра малой высоты (диска), с пленкой окисла определенной толщины на поверхности контакта с КВ. Также принималось, что частица при взаимодействии с поверхностью KB не деформируется. Данное допущение является обоснованным, потому что реальные частицы металлов, покрытые окисной пленкой, находятся в твердом состоянии. Даже если металл не полностью закристаллизовался, жидкая фаза находится в твердой оболочке, которой является окисная пленка. При соударении с большими скоростями пленки окислов могут разрушаться, но в условиях инертного осаждения, которое характерно для пожароопасных условий, скорости движения частиц малы и соответственно мала вероятность разрушения частиц. Задача решалась в цилиндрической системе координат (рис. 3.3.1). В пластине древесины выделялся цилиндр, характерные размеры которого были много больше соответствующих размеров частицы, с учетом наличия пленки окисла. Особенность рассматриваемой задачи состоит в том, что зажигание и горение древесины являются газофазными реакциями. И для моделирования процесса воспламенения древесины в общем случае необходимо рассматривать процессы тепломассопереноса в газовой среде в малой окрестности частицы исходя из общих положений теории газофазного воспламенения [5]. В этом случае задача существенно усложняется. Для ее упрощения использована модель зажигания древесины, приведенная в [58]. В основе модели [58] лежит положение о том, что зажигание древесины реализуется при достижении определенного значения степени термического разложения материала, величина которой определяется экспериментально в стандартных условиях по внешним воздействиям. Опубликованные в [58] экспериментальные данные по зависимости времени задержки воспламенения от величины теплового потока к нагреваемой поверхности позволяют рассчитать значения глубины разложения KB (табл. 3.5.1), соответствующие условиям воспламенения в воздушной среде, и использовать их в дальнейшем в качестве условия воспламенения. При постановки задачи также предполагалось, что начальная температура KB равна температуре окружающей среды Г0, а температура частицы ТЧ»Т0. Не учитывались возможные процессы заглубления частицы в KB в результате выгорания. Считалось, что древесина не содержит влаги, а контакт между частицей и KB идеален. Приведенные допущения несколько ограничивают диапазоны изменения внешних условий, но не являются принципиальными.
Так, например, при наличии влаги в древесине процесс зажигания реализовать нельзя без предварительного просушивания, а при воспламенении горючих материалов в реальных условиях температура KB очень незначительно отличается от температуры воздуха. Система нестационарных дифференциальных уравнений для системы "частица - окисная пленка - KB" (рис. 3.3.1), соответствующая сформулированной физической модели имеет вид: Индексы 1, 2 и 3 соответствуют KB, частице и окислу, соответственно. При постановке задачи принято, что оси симметрии частицы с окислом и выделяемого в пластине KB цилиндра совпадают. Граничные и начальные условия для сформулированной задачи имеют вид: dz R2 r R} 0 t t3. = 0, 0 r Rlf 0 t t3. Численные исследования проведены для сосны и березы. Рассматривалась частица железа с окисной пленкой разной толщины. Численный анализ проведен при следующих значениях теплофизических и термокинетических характеристик, а также параметров внешней среды [19, 58]: Хи=0,29 Вт/м-К; сц=1670 Дж/кг-К; рп=650 кг/м3; Х12=0,12 Вт/м-К; ci2=1670 Дж/кг-К; р12=500 кг/м3; 2=41,0 Вт/м-К; с2=574 Дж/кг-К; р2=7870 кг/м3; Х3=7,0 Вт/м-К; с3=972 Дж/кг-К; р3=5180 кг/м3; Е\ 1=127000 Дж/моль; Qn= 4,89-106 Дж/кг; toii=l,5-I08 1/с; 12=111000 Дж/моль; g12=2,9-106 Дж/кг; о,2=7-10б 1/с; є=0,5; а=300 Вт/м К, где индексы 11 соответствуют березе, a 12 - сосне. На рисунке 3.5.1 приведены типичные результаты численных исследований в виде зависимости времени задержки воспламенения сосны от начальной температуры частицы железа радиусом 3 мм с различной толщиной окисной пленки.
Кривые построены до значений t3, при которых воспламенение является возможным. При дальнейшем снижении температуры (ниже 700 К) условие воспламенения не выполняется. В тоже время рост температуры частицы до 800 К приводит в частности к снижению величины ґ3 до десятых долей секунды. Из рисунка хорошо видно, что наличие пленки окисла существенной (до 50% от высоты частицы) толщины не приводит к значительным изменениям величины t3. Аналогичные результаты по влиянию окисной пленки получены для частиц других размеров (рис. 3.5.2). Можно сделать вывод, что наличие окисной пленки на поверхности частицы металла не оказывает значительного влияния на характеристики процесса зажигания сосны. При этом, как и можно было ожидать, уменьшение размеров частицы приводит к уменьшению диапазона температур, в котором частица может быть местным очагом воспламенения. Так, если частица железа с характерным размером 3 мм вызывает зажигание сосны при минимальной температуре около 700К, то частица размером 1 мм (при прочих адекватных условиях) только при температуре Тч 150К. Нарис. 3.5.3, 3.5.4. приведены аналогичные результаты, полученные для березы. Выделенные выше закономерности хорошо проявляются и для этого материала. Можно отметить, что при снижении температуры частицы от Тц — 800/С до Тч = 700/L , время задержки воспламенения увеличивается от десятой доли секунды до 10-12 секунд. Эти результаты обусловлены, очевидно, различным теплосодержанием частиц в момент выпадения на поверхность КВ. Чем крупнее частица, тем больше ее теплосодержание, и тем медленнее она остывает за счет теплоотвода, как в древесину, так и во внешнюю среду. Полученные результаты на примере окисла железа показывают, что пространственная неоднородность коэффициента теплопроводности частицы, являющейся местным источником тепловой энергии на поверхности
Влияние процесса растекания частицы на характеристики зажигания
Частица расплавленного металла (другими словами капля) или размягченного полимера при взаимодействии с поверхностью KB может растекаться. При этом скорость растекания зависит от скорости удара частицы о поверхность, вязкости расплава и других параметров [57]. Особенность рассматриваемой проблемы состоит в том, что до настоящего времени задача о растекании капли вязкой жидкости при ударе последней о поверхность твердого тела в общей постановке не решена. Поэтому процесс растекания капли при решении задачи о зажигании KB нельзя смоделировать в полной постановке. И при формулировке задачи принята следующая схема численного исследования [67]. Решалась задача о зажигании KB одиночной частицей (рис 3.7.1) в форме полусферы малого радиуса (й0), при этом полусфера моделировался отрезком длинной йо» одна граница которого соответствовала границе раздела «частица - KB», а другая границе раздела частицы и внешней среды. На этой границе задавались граничные условия третьего рода, в которых учитывался теплообмен с внешней средой за счет конвекции и излучений. При этом процесс растекания частицы моделировался уменьшением высоты полусферы (длины отрезка К) с заданной скоростью v. Величина v являлась параметром задачи и варьировалась в диапазоне от 0 до 1.67 м/с. Этот диапазон был выбран исходя из экспериментальных данных о скоростях растекания капель расплавленного металла [57] по твердой поверхности. Геометрия области решения приведена на рис. 3.7.1. Задача решалась в неподвижной системе координат, начало которой было связано с ненагреваемой поверхностью КВ. Размеры обрасти I (рис. 3.7.1) в процессе решения уменьшались в соответствии с величиной скорости растекания.
Толщина слоя KB (область II) выбиралась такой, чтобы на ее ненагреваемой границе до момента зажигания, сохранялась начальная температура. Следует отметить, что ранее [59, 60] было установлено, что при зажигании конденсированных веществ одиночной нагретой до высоких температур частицей, условия воспламенения KB быстрее всего достигались при решении осесимметричнои задачи на оси симметрии частицы, в точке на границе раздела «частица - KB». Поэтому полученные при решении одномерной задачи времена задержки воспламенения t3 в первом приближении можно считать соответствующими значениям t3 для частиц, по крайней мере, относительно большого диаметра (100 мк и более). При постановке задачи предполагалось, что частица имеет температуру Гч много больше начальной температуры KB (То) и температуры внешней среды Тг. Т.е. моделировалась ситуация в которой «горячая» частица расплавленного металла выпадает на «холодную» поверхность KB из «холодного» воздуха. Такая постановка, например, соответствует условиям зажигания пожароопасных материалов каплями расплавленного металла, образующихся при резке или сварке металлических конструкций или при аварии на химических производствах, когда в результате взрыва капли размягченных при высоких температурах полимеров разбрызгиваются вокруг места взрыва [68]. Задача рассматривалась при ряде допущений, основным из которых является предположение о том, что при растекании частицы по поверхности KB не реализуются условия кристаллизации металлов или затвердевания полимеров. Т.е. не выделяется теплота фазового перехода, и не меняются скачком теплофизические характеристики материалов при переходе от одного фазового состояния в другое. Это допущение не накладывает значимых ограничений на диапазон применимости результатов последующего численного анализа, потому что оба неучитывемых фактора только благоприятствуют сохранению в процессе растекания частицы ее температуры на более высоком по сравнению с моделируемом режимом уровне.
Соответственно и роль процесса растекания в зажигании KB может быть достаточно реально оценена без учета теплоты фазовых переходов и изменения теплофизических свойств металлов. По отношению к аморфным полимерам (политетрафторэтилен, полиэтилен, поливинилхлорид и др.), это допущение не накладывает никаких ограничений, потому что у аморфных полимеров при затвердевании не выделяется теплота фазового перехода, и теплофизические характеристики изменяются незначительно [24]. Кроме того, при постановке задачи предполагалось, что на поверхности капли металла не образуется пленки окисла. Образование окислов металлов, которые находятся в твердом состоянии, исключает растекание капли, потому что расплавленный материал после окисления оказывается в твердой оболочке, и растекание становится практически невозможным в любом диапазоне изменения параметров. Необходимо отметить, что в соответствии с общей теорией [5] возможны твердофазный, газофазный и гетерогенный механизмы зажигания конденсированных веществ. В данной работе рассматривался вариант реализации процесса зажигания, который можно назвать «псевдотвердофазным».
В реальных условиях реализация чисто твердофазного механизма зажигания [5] горючих материалов частицей расплавленного металла маловероятна. Реальные пожароопасные материалы (древесина, пластмассы, ткани, лесные горючие материалы, бумага и др.) воспламеняются в газовой фазе при наличии вблизи поверхности KB окислительной среды. Чисто твердофазный механизм зажигания реализуется у твердых и гелеобразных топлив [1]. Гетерогенное зажигание KB в данном случае также весьма маловероятно, хотя бы потому, что нагретая до высоких температур частица нагревает KB так, что зона максимальных температур расположена в окрестности границы контакта на оси симметрии частицы (рис. 3.7.1). Соответственно газообразный окислитель не может вступить в реакцию с материалом на этом участке поверхности, потому что она закрыта частицей полностью. Продолжительность же процесса деструкции или термического разложения конденсированного вещества в реальных условиях много больше
О механизме локальной эрозии теплозащитных материалов при выпадении на их поверхность нагретых до высоких температур частиц
При анализе работоспособности систем тепловой защиты различных тепловых двигателей [83], одной из важнейших задач является задача о разрушении теплозащитных материалов (ТЗМ) под действием выпадающих на поверхность ТЗМ частиц конденсированной фазы. Известны термохимический [83] и чисто эрозионный [84] механизмы эрозии. Последний, наименее изученный в настоящее время, является наиболее сложным. Но кроме чисто эрозионного механизма разрушения ТЗМ, возможно разрушение в результате инерционного осаждения частиц конденсированной фазы продуктов сгорания, например, твердых ракетных то плив, с малыми скоростями, при которых чисто эрозионный износ массы невозможен. Нагретые до температур, существенно превышающие температуры поверхности ТЗМ, частицы после осаждения могут вызывать локальный перегрев в тонком приповерхностном слое материала, и интенсификацию процесса термической деструкции ТЗМ и возникновение местных сжимающих термических напряжений. В данной работе приведен теоретический анализ температурного поля и полей термических упругих напряжений в окрестности нагретой до высоких температур частицы продуктов сгорания твердых топлив на поверхности ТЗМ после осаждения частицы. Постановка задачи полностью соответствует постановке, представленной в разделе 4.1. Отличие состоит в характеристиках материалов. Все типичные теплозащитные материалы являются по существу хорошими теплоизоляторами, соответственно значения коэффициентов теплопроводности и температуропроводности к температуропроводности ТЗМ много меньше значений А, металлов. Поэтому глубины прогрева ТЗМ в аналогичных условиях много меньше соответствующих значений металлов, а температуры поверхности много больше. Задача решена в рамках модели (4.1.1) - (4.1.15). Метод решения также адекватен использовавшемуся при решении задачи раздела 4.1. Численный анализ проведен при значениях параметров и постоянных: Тг = 1000 К; Т0 = 400, 500, 600, 700 К; а = 200, 500, 1000 Вт/м2К; h = 50, 100, 150, 200 мкм; Тч = 1000 К; Xi = 0.42 вт/м К; с, = 1200 Дж/кг К; р, = 1800 кг/м3; Х2 = 1,5 Вт/м К; с2 = 1100 дж/кг К; р2 = 1700 м/м3; Е = 1,5 10шПа: 0 = 5 10"5 1/К:ц=0,6.
На рис. 4.2.1. приведены распределение во времени температуры в зоне контакта частицы и ТЗМ на оси симметрии частицы. Вычислительные эксперименты показали, что как в рассматриваемых выше задачах максимальная температура достигается на оси симметрии частицы. На этом же рисунке показаны температуры поверхности ТЗМ при отсутствии частиц в адекватных условиях теплообмена. Видно, что осаждение частиц на поверхности ТЗМ приводит к резкому подъему Тк от начального значения до некоторого максимального значения в зависимости от размеров частицы. Затем с увеличением t температура в зоне контакта падает. Уменьшение размеров частиц приводит к достаточно значительному падению Тк в каждый момент времени. Установленные закономерности в целом соответствуют установленным в разделе 4.1., только масштабы изменения Тк в близких условиях отличаются существенно. Механизм же теплопереноса в системе «частица - ТЗМ» в целом адекватен механизму переноса в системе «частица - металл». На рис. 4.2.2. приведены зависимости температуры поверхности частиц углерода 7\0,0,г) от времени. Видно, что перепад температур по частице на расстоянии h значителен и достигает несколько сотен градусов для частиц любого размера. Мелкие частицы при этом остывают много быстрее, чем крупные. Частицы же больших размеров не остывают до момента времени, соответствующего максимальному значению термических напряжений. На рис. 4.2.3. представлены типичные распределения радиальных напряжений по радиусу в сечении z = 0. Видно, что аг достигают 130 МПа. При этом с ростом перепада температур между Тч и Т0 величина напряжений растет, как и можно было предположить, исходя из физики рассматриваемого процесса.
Проведя сопоставления вычисленных значений аг и пределов прочности типичных теплозащитных материалов, например стеклопластиков [85], можно сделать вывод, что иг сопоставима с пределами прочности стеклопластиков при рассматриваемых температурах. Можно сделать вывод о высокой вероятности растрескивания типичных ТЗМ под действием напряжений сжатий, возникающих в тонком, прилегающем к поверхности слое ТЗМ в малой окрестности частицы. Микротрещины при этом будут ориентированы в окружном направлении. Аналогичные распределения значений стт по г получены в адекватных условиях внешних воздействий (рис. 4.2.4). Можно сделать вывод о том, что и окружные напряжения, возникающие в типичном ТЗМ при интенсивном нагреве превышают предел прочности теплозащитных материалов при сжатии в рассматриваемом диапазоне температур. Тангенциальные напряжения могут приводить к возникновению трещин, ориентированных по радиальной координате в малой окрестности частицы. Следует отметить, что условия работы теплозащитных материалов в камерах сгорания, например ракетных двигателей [1], существенно отличаются от условий работы элементов газовых трактов котельного оборудования. Так значения скоростей и давлений гетерогенных потоков, протекающих параллельно нагреваемой поверхности ТЗМ существенно (в десятки раз) выше значений аналогичных параметров котельных установок. По этим причинам и уровень напряжений трения потока, действующих на ТЗМ, в десятки раз будет превышать значения достигнутые в элементах котельного оборудования. Соответственно, и возникновение микротрещин на поверхности ТЗМ будет неизбежно приводить к гораздо более масштабным,
