1. Общая формулировка научной проблемы и ее актуальность.
Решаемая научная проблема – развитие фундаментальных представлений о механизме горения частиц металлов посредством получения новых экспериментальных данных об эволюции горящих частиц алюминия и алюминиевых агломератов. Актуальность проблемы и объекта исследования обусловлена следующими обстоятельствами.
Порошкообразный алюминий нашел широкое применение в качестве горючего компонента в смесевых топливах, пиротехнических составах и взрывчатых композициях вследствие удачного сочетания ряда характеристик, таких как высокая энергетика, относительная безвредность продуктов горения и сравнительно невысокая стоимость.
В сравнении с другими горючими (Mg, Ti, B, Be) алюминий, как объект исследования, представляется наиболее трудным и интересным. Физические свойства металла и оксида, в частности соотношение температур плавления и кипения Al и Al2O3, обуславливают своеобразную и весьма сложную реализацию превращения металла в оксид. Исследования процесса горения алюминиевых частиц с размерами в десятки-сотни микрон были начаты в 1960-х годах. Однако, вследствие сложности механизма горения и недостатка экспериментальной информации, до сих пор отсутствуют математические модели, способные описывать эволюцию горящей частицы и характеристики частиц-продуктов горения. Появление новых экспериментальных данных вносит вклад в общую физическую картину процесса и может стимулировать развитие математического моделирования. Поэтому исследование горения частиц алюминия представляет как практический, так и академический интерес.
2. Конкретная решаемая в работе задача и ее значение.
Эволюции горящей частицы алюминия (или агломерата) обусловлена трансформацией металла в оксид. Алюминий постепенно расходуется, образуемый конденсированный оксид частично удаляется в окружающую среду в виде высокодисперсных дымообразных частиц, частично накапливается на горящей частице. По окончании горения (когда весь металлический алюминий исчерпан), накопленный оксид формирует финальную оксидную частицу. В итоге, продукты полного сгорания частицы алюминия представлены одной крупной финальной оксидной частицей и множеством мелких частиц оксидного дыма. Размер финальной частицы сопоставим с начальным размером горящей частицы, размеры частиц оксидного дыма на 2÷4 порядка меньше. К настоящему времени детально изучены зависимости времени сгорания частиц от размера и параметров среды и характеристики дымообразного оксида. Иные аспекты изучены недостаточно. Так, данные о финальных оксидных частицах имеются лишь для крупных (200-500 мкм) частиц алюминия, горящих в воздухе, CO2 или смеси O2+Ar при комнатной температуре. Многие исследователи наблюдали фрагментацию (взрывы) горящих частиц алюминия, но количественные данные о фрагментации отсутствуют. Горение частиц алюминия в контролируемых газовых средах часто рассматривают как физическую модель горения алюминиевого агломерата в факеле твердого топлива. При этом не доказано, что горение агломерата и алюминиевой частицы подчиняется одним и тем же закономерностям. Для углубления представлений о механизме горения требуется ответить на ряд вопросов, а именно: (1) Каково соотношение накапливаемого и удаляемого оксида? Как размер и масса финальной оксидной частицы зависят от размера горящей частицы и условий горения? (2) Почему происходит фрагментация горящих частиц и каковы количественные закономерности этого явления? (3) Есть ли отличия в процессе горения изначально сплошной алюминиевой частицы и алюминиевого агломерата того же размера?
Задачей данной работы было получение экспериментальных данных, частично дающих ответы на поставленные вопросы. Выбор размера исследуемых частиц (100 мкм), состава и давления газообразной среды продиктован интересами практики.
3. Используемые подходы, новизна и оригинальность.
Метод отбора является одним из источников информации об эволюции частиц в пламени твердого топлива. Разработанная в ИХКГ установка позволяет гасить частицы на заданном расстоянии от поверхности топлива и улавливать их. Исследуя уловленные частицы можно получить данные об их гранулометрическом и химическом составе, в частности, определить полноту сгорания алюминия для совокупности отобранных частиц. Однако, при горении алюминизированного топлива с поверхности топлива выходят не исходные частицы металла, а агломераты, причем их совокупность характеризуется широким распределением по размерам, например от 60 до 600 мкм. Агломераты разных размеров движутся и горят по-разному, и поэтому из данных об эволюции совокупности невозможно извлечь информацию об эволюции индивидуального агломерата. Для решения проблемы был предложен оригинальный подход с использованием специально сконструированного модельного топлива, генерирующего монодисперсные горящие агломераты. Ранее было изучено горение агломератов с размерами 340 и 470 мкм. Развитие подхода в данной работе позволило получить и исследовать 100-мкм монодисперсные агломераты. Переход на этот размер потребовал значительной модификации методов анализа частиц [1]. Вместе с тем появилась возможность сравнить характеристики горения агломератов и сплошных алюминиевых частиц того же размера. Такое сравнение для 340\470-мкм агломератов и частиц алюминия не проводили вследствие затрудненного зажигания столь крупных частиц алюминия.
4. Полученные результаты и их значимость.
Результаты [2] дополняют ранее полученные и характеризуются существенной новизной, которая обусловлена следующим. Время сгорания 100-мкм частиц сравнительно невелико (≈25 мс), и это позволило реализовать полное выгорание алюминия, отобрать и исследовать финальные оксидные частицы. Впервые определены размер, плотность и масса таких частиц. Масса финальных оксидных частиц составляет ≈0.2 от начальной массы горящей частицы, размер составляет ≈0.5 от начального, плотность ≈3.2 г/см3. Также впервые получены данные о количестве фрагментирующих частиц. При горении 100-мкм частицы 10 % массы всего образованного оксида остается на частице, 90 % рассеивается в виде дыма. Соотношение масс накопленного и дымообразного оксида определяется в основном размером горящей частицы. Чем мельче частица, тем меньше оксида накапливается на частице и тем больше его уходит во внешний поток. (Это заключение сделано на основе сопоставления с данными, полученными для частиц иных размеров). Наконец, впервые показано, что закономерности горения 100-мкм агломератов и изначально сплошных алюминиевых частиц практически одинаковы.
Полученные результаты могут использоваться в инженерных расчетах, а также служить основой для уточнения и проверки моделей горения частицы алюминия.
5. Уровень полученных результатов в сравнении с мировым.
Полученные данные не имеют аналогов в отечественной и зарубежной литературе. Результаты были представлены на двух международных конференциях (стендовые доклады и публикации в сборниках материалов): (1) 5th Int. Seminar on Flame Structure. Novosibirsk, Russia, 2005. (2) 37th Int. Annual Conference of ICT. Karlsruhe, Germany, 2006. Исследования проведены при частичной финансовой поддержке грантов
МНТЦ № 2358 и № 3305.Список прилагаемых статей.
- Глотов О. Г., Жуков В. А. Эволюция 100-микронных алюминиевых агломератов и изначально сплошных алюминиевых частиц в пламени модельного твердого топлива. Экспериментальный подход // Физика горения и взрыва. Т. 44, № 6, С. 52–60 (2008).
- Глотов О. Г., Жуков В. А. Эволюция 100-микронных алюминиевых агломератов и изначально сплошных алюминиевых частиц в пламени модельного твердого топлива. Результаты // Физика горения и взрыва. Т. 44, № 6, С. 61–71 (2008).