Введение к работе
Актуальность тсьаі. Формирование и устойчивость высокотемпературных ссстоявій компонент дисперсной системы (частиц, капель и газовой фк»ы) а конечном итоге определяется эффектами взаимовлияния различных механизмов тепломассообмена и кинетики химических реакций, которые. пре;адо вегго связаны с размерами и огноситель-" яыми скоростями движения частиц.
Исследование этих явления является источником важнейшей информации о роли физических и химичзелих фгяторез, без знания которой невозможно целенаправленно осуществлять управление высоко-и - низкотемпературными режимами тепломассообмена d химически реагирующих дисперсных системах.
В .связи с этим октуатьиоа задачей, впервые решаемой а наших
работах, является построение аналитических моделей, позволяющих
а явном виде определить условия и времена перехода с низкотемпе
ратурного а високотемпературне* состояние и наоборот в зависи
мости от ргз'трэ и скорости движения частицы (капли) в следующих
процессах: зккиганиэ газовой смеси движущейся накаленной части
цей; весплемзкение частицы при протекании' на ее поверхности фа
зовых превращений (плавление, испарение); срыв и восстановление
пламени на .лобовой точке капли; воспламенениэ, горение и потуха
ние частицы при протекании на ее поверхности параллельных реак
ций. Нахождение времени зажигания газовой смеси движущейся на
каленной частицей (фрикционной искрой) имеет прикладное значение
для выработки надежных критериев обеспечения пожаровзрывобезо-
паенссти. при перевозке и хранении легковоспламеняющихся жидкос
тей МВЖ). . '
Актуальными являются теоретические и экспериментальные лес-. ледования механизма возникновения и существования високотемпературних состоянии , определяющих процессы устойчивого горения капли в потоке газа. Решение згой задачи раскрывает новые возможности в управлении процессами испарения и горения диспергированных жидких топлив путем изменения их состава и реммных условий.
Вахным вопросом, впервые рассматриваемым в диссертационной работе, является определение условий и механизма гистерс-зионсго поведения температуры частиц (капель) и связанных с нею тепловых
и массовых потоков, скоростей фазовых и химических превращений 'при изменения режимных параметров. Также недостаточно изучен в-настоящее время механизм самопроизвольного перехода с высокотемпературного режима тепломассообмена на низкотемпературный режим, связанный с изменением диаметра и скорости движения частицы (капли) в процесс* ее горения при неизменных режимных условиях.
Малоизученными являются рассматриваемые в работе вопросы о влиянии излучения, схемы химических реакций, фазовых превращений, температурной, зависимости свойств газа на характеристики высокотемпературных состояний, критические параметры воспламенения и потухания ' частицы. В работе также решается ранее неизученные задачи, связанные с учетом стефановского потока, внутренней диффузии, нагрейа частицы лазерным излучением при определении ' критических и устойчивых режимов тепломассообмена частицы с газообразным окислителем.
Цель работы. Развитие нового научного направления в теплофизике химически реагирующих дисперсных систем, заключающегося в выявлении механизма возникновения и существования высокотемпературных состояний, критических условий и гистерезиса тепломассообмена частиц и капель при фазовых и химических превращениях. При этом ставились задачи:
разработка новых методологических подходов исследования. роли и взаимовлияния различных механизмов тепломассопереноса, кинетики фазовых и химических превращений в гистерезисных явлениях, процессах осуществления устойчивых высоко- и низкотемпературных состояний компонент химически реагирующей дисперсной системы (частицы (капли) - газообразная среда);
выявление 'механизма осуществления высокотемпературного режима протекания гомогенной химической реакции в среде при попадании в нее накаленной частицы; анализ нестационарного зажигания газовой смеси движущейся накаленной частицей; аналитическое описание зависимости времени задержки зажигания от размера и скорости движения частицы;
аналитическое описание устойчивых и критических режимов тепломассообмена, определяющих горение и потухание капель ин- диеидуальных жидкостей и их бинарных смесей- ь потоке воздуха на основе теоретических и экспериментальных исследований; определение критических условий эстафетного воспламенения
аэровзвеси капель; .
исследование мехаьизма взаимовлияния, кинетики гетерогенной хи-. мической 'реакции, тепломассообмена, теплообмена излучением в процессе воспламенения' движущейся частицы при протекании на ее поверхности фазовых переходов (плавление, испарение); получение аналитических выражений для времени задержки (период ин-
t дукцшО и критического условия воспламенения движущейся частицы с учетом ее плавления, испарения и теплообмена излучением со стенками реакционной установки;
раскрытие механизма гистерезиса тепломассообмена и кинетики параллельных' гетерогенных химических реакций на поверхности частицы и определение условий его существования; изучение механизма самопроизвольного потухания частицы; нахождение характерных времен, определяющих переход на высокотемпературный режим тепломассообмена частицы, времени и температуры горения; .аналитическое описание характеристик гетерогенного горения частицы в зависимости от режимных условий при протекании на ее поверхности параллельных химических реакций и учете теплообмена излучением со стенками реакционной установки;
выяснение роли излучения, ' кинетики гетерогенных химических
реакций (одна, две рэахции), внутренней диффузии, стефановеко-
го течения на характеристики воспламенения, горения, самопро
извольного'и'-вынужденного потухания частицы; определение ус
ловий вырождения критических режимов' гетерогенного воспламене
ния и.потухания частицы; . ". .
установление .закономерностей горения и потухания монодисперсной и двухфракционной газовзвеси частиц . при протекании на их поверхностях параллельных реакций и учете теплообмена излучением со стенками реакционной установки.
эучная новизна результатов, полученных в работе, состоит в том, о.в ней впервые:
изучено влияние различных механизмов тепломассообмена, кинетики фазовых и химических превращений компонент дисперсной системы .(частицы, капли - газ) на процессы формирования высокотемпературных состояний и их устойчивость; получены аналитические выражения для. зависимости времени зажигания , газовых смесей от диаметра и скорости движения накале-
с»« о
иной частицы; .
- выявлен механизм и установлены условия плстерезисного поведе
ния температуры, скоростей фазовых и химических превращений
капель, (частиц) ь зависимости от их диаметра и скорости. движе
ния; определены критические. условия астзфетного воспламенения
цепочки капелі; .
предлодсерг методика исследования и определения характеристик устойчивы!' w критических высокотемпературных режимов тепломассообмена движущейся частицы при протекании на ее поверхности фаз.- їх и химических прзвращений,-
установлена роль плавленая и испарения,, массоперешзса, теплообмена излучением в процессе гетерогенного воспламенения частицы; получены аналитические выражения для критических условий и периода индукции;.
изучен механизм и проведено аналитическое описание влияния теплообмена излучением, мгесопереноса,. стефшовского течения, внутреннего реагирования ка ' процессы воспламенения, горения, самопроизвольного и вынужденного потухания частицы при протеканий на ее поверхности параллельных химических реакций; установленні закономерности влияния излучения и схемы гетерогенных реакций на гистерезисное поведение температуры частицы в зависимости от ее диаметра и скорости движения, температуры газа и концентрации окислителя в нем. ,
Практическая значимость работы. Развитые в диссертации элементы теории и методики исследования являются важным вкладом-в теплофизику химически реагирующих дисперсных систем и практическую теорию- горения. Полученные ь диссертации результаты позволяют выявить новые возможные пути управління высоко- и низкотемпературными режимами теплог.-сесопереносз. фазовыми' и химическими превращениями в дисперсных системах с помощью рационального выбора интервала размеров частиц (шіель), их начальных температур и внешних условий.
Аналитические выражения для времени задержки зажигания дси-, жущейся частицей химически ротирующей газовой смеси могут быть использованы для определения попарной опасности фрикционных искр при перевозке легковоспламеняющихся жидкостей.
Открытый нами м*Хйяизм rmiepeznca скоростей фазовых и химических превращений частиц и капель в зависимости от их размера
и скорости движения, разработанный мє~сд исследования и оценки характеристик горения, теоретические модели представляют практическую ценность для рационального использования, диспергированных жидких и твердых топлиа в энергетических установках. Достоверность (і обоснованность полученных в диссертации результатов обеспечивается использованием современных методов исследования высоко- и низкотемпературных состояний дисперсных систем и обоснованностьо соответствующих приближений и допущений. Результаты сопоставления расчетов по выверенным в работе формулам с имеющимися в литература и собственными экспериментальными данными свидетельствуют о правильности модельных подходов, предло-' женных в работе. ЛмчныЯ вклад автора диссертации. В диссертации представлены результаты самостоятельных многолетних исследований автора. Непосредственно автору принадлежит постановка и обоснование задач исследований, решение вопросов экспериментальных и теоретических исследований, анализ и интерпретация полученных результатов.
Соавторами статей выполнялся комплекс заданий, связанных с расчетами на ЭВМ, наладкой и усовершенствованием экспериментальных установок' для исследований процессов горения капель и частиц. На защиту выносятся следующие основные положения. 1. Теория нестационарного теплообмена движущейся накаленной частицы с реагирующим газом. г. Механизм гистерезиса кинетики фазовых и химических превращений, тепломассообмена движущейся частицы (капли).
-
Модель воспламенения движущейся частицы, на поверхности кото-роя происходят фазовые превращения (плавление, испарение). .
-
Механизм самопроизвольного потухания частицы (капли).
. 5. Комплексный метод определения характеристик устойчивых и критических режимов тепломассоообмена частицы и кинетики гетеро- ' генных- химических реакций. 6. Устойчивые и критические режимы протекания гетерогенных химических реакций' с учетом теплообмена излучением, стефановского течения и внутреннего реагирования частицы.
' 7. Аналитические модели, позволяющие определить критические условия, времена воспламенения и горения частицы- с учетом протекания на ее поверхности двух параллельных химических реакций л теплообмена излучением со стенками реакционной установки.
Апробация работы. Основные результаты работы были представлены
на Х1Н Всесоюзной конференции по вопросам испарения, горения и',
газовой динамики (Одесса, 1979); XN Всесоюзной конференции ; по .,
актуальным вопросам вэродисперсных систем (Одесса, isae); Ш Все-
сошной конференции то понсаробезопасности производственных; jipo-.-
цессов ь м*талдургки (Москва, isa?); XV Всесоюзной конференции
по физике азродисп$рсяых систем (Одесса, 198S); і; Международном
форуме по тепломассообмену (Минск,- isea); Международной школе-
семинэре по теплофизике и реофизике неравновесных систем (Минск,
1991); її Международном форуме по тепломассообмену . (Минск,
1992); ХТО Международной конференции по физике горения и ьзрыва
(Черноголовка, 1992); XVI конференции стран СНГ" по вопросам ис-
. парения, горения и газеаой динамики дисперсных. систем (Одесса
1993 ); на семинаре, проводимом Институтом проблем энергосбере
жения (Киев, 1993) "Проблемы' преобразования анергии и рациональ
ного использования ' органического гошзиаа в энергетике"; 13 Меж
дународном Симпозиума по процессам горения (Польша, Краков,
1993); 13 Международном Конгрессе по применению лазероь и элект
ронной оптики (США, Орландо, 1994); научно - практической конфе
ренции "Проблемы покерной безопасности" (Киев, 1995); 21 Между
народном пиротехническом семинаре (Москьа, 1995); Европейской
шроаольной конференций'(Финляндии, Хельсинки, 1325).,
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 47 работ,б
международных и региональных паданиях, оскдодо. из которых при-
ведены ь конце автореферата. ' . .
Структура работы. Работа состоит из введада, пяти глав и заклю
чения общим объемом текстового материала ЭШ стр., список лите
ратуры содержит 198 наименований. ;: ,,.'".: