Конкурс научных работ 2012 года

Исследование явления сверхадиабатической температуры
в пламени азида водорода методами численного моделирования

Палецкий А.А, Коробейничев О.П., Большова Т. А, 1Князев В.Д.

1Католический университет Америки, Вашингтон, США

1. Общая формулировка научной проблемы и ее актуальность.

Под термином “сверхадиабатика” (в английской литературе - SAFT - super adiabatic flame temperature) понимается превышение температуры во фронте пламени над адиабатической температурой горения. В литературе явление сверхадиабатики описано для богатых углеводородных пламен, являющихся представителями C-H-O систем. Для азида водорода (HN3) - представителя H-N систем - такие данные отсутствуют. Актуальность модельного изучения пламени распада HN3 связана с образованием этого соединения в качестве промежуточного продукта горения конденсированных энергетических веществ, используемых в современных газогенераторных устройствах. В случае C-H-O систем именно результаты детального моделирования показали, что причиной возникновения сверхадиабатики является образование во фронте пламени сверхравновесных концентраций ряда углеводородов и воды, приводящих к локальному росту температуры. Дальнейшее протекание медленных эндотермических реакций с участием этих же веществ за фронтом пламени приводит к понижению температуры до адиабатического значения. Выяснение причин, позволяющих предсказать явление сверхадиабатики для различных систем, является фундаментальной задачей, которая может быть решена путем анализа детальных кинетических механизмов. На практике сверхадиабатика из-за наличия температуры, выше рассчитанной по термохимическим законам, может приводить к ошибкам при разработке устройств, в которых используются такие горючие материалы, и как результат к аварийным ситуациям.

2. Конкретная решаемая в работе задача и ее значение.

Первоначальной задачей данной работы являлась разработка и проверка механизма горения HN3 при низких давлениях, описывающего доступные в литературе экспериментальные данные. Эта задача возникла в результате экспериментального исследования термического разложения 5-аминотетразола, основным продуктом распада которого является HN3. Анализ литературных данных показал, что хотя 5-аминотетразол и является перспективным энергетическим материалом с высоким содержанием азота (82,3 масс. %) и широко используется в различных газогенерирующих устройствах, детальные кинетические механизмы процесса его горения отсутствуют.

Значимость создания кинетического механизма распада HN3 определяется возможностью его использования в качестве подмеханизма при разработке моделей горения более сложных систем, а также прогнозирования характеристик горения в условиях, где постановка эксперимента затруднена или невозможна.

Результаты моделирования структуры пламени HN3 с помощью предложенного в работе кинетического механизма показали наличие в этом модельном пламени необычного явления – сверхадиабатики (новая задача) - ранее не описанного в литературе для H-N систем. Анализ кинетического механизма позволил найти ряд факторов, описывающих причину возникновения сверхадиабатики при горении HN3.

3. Используемый подход, его новизна и оригинальность.

Компьютерное моделирование процессов горения является мощным средством исследования кинетики химических реакций в условиях высоких температур. Удовлетворительное согласие основных параметров горения (скорости, структуры пламени и др.), найденных экспериментальными методами и методом численного моделирования позволяет провести анализ кинетического механизма путем сравнения скорости образования компонентов пламени, скорости реакций, тепловыделения и других величин. Предложенный подход позволил впервые теоретически обнаружить явление сверхадиабатики в пламени азида водорода и выявить причины возникновения этого явления. В работе по аналитическому решению, полученному в рамках теории Зельдовича - Франк-Каменецкого, было вычислено значение скорости распространения пламени с использованием параметров ведущей реакции, которая была определена в нашем исследовании. Ведущая реакция, которая отличается от литературных представлений, была выделена на основе анализа чувствительности созданного кинетического механизма. Значение скорости распространения пламени, полученное по аналитическому решению с использованием сверхадиабатического значения температуры, удовлетворительно совпало с расчетами этого значения по детальному механизму.

4. Полученные результаты и их значимость.

Предложен кинетический механизм, который удовлетворительно описывает экспериментальные результаты по скорости распространения пламени смесей HN3 при низком давлении и условия самовоспламенения HN3 в диапазоне давлений от 5 до 50 торр. Представленная кинетическая модель состоит из 60 реакции с участием 14 частиц (H2, H, N, NH, NH2, NNH, NH3, HN3, N3, N2, Ar, N2H2, N2H3, N2H4). Результаты моделирования структуры пламени смесей азида водорода HN3 при давлении 50 торр показали, что во фронте пламени наблюдается явление “сверхадиабатики”. Анализ скоростей реакций и скорости тепловыделения позволяет сделать вывод, что превышение температуры во фронте пламени над адиабатической температурой горючей смеси связано с формированием во фронте пламени сверхравновесных концентраций молекулярного водорода Н2. Также было показано, что высокий коэффициент диффузии (в сравнении с другими компонентами) молекулярного и атомарного водорода не оказывает влияния на эффект сверхадиабатики. Проведенный анализ механизма показал, что скорость распространения пламени смеси HN3/N2 при давлении 50 торр описывается тепловой теорией Зельдовича-Франк-Каменского в предположении, что стадия HN3 + M = N2+ NH + M (M= HN3) является лимитирующей.

Разработанный механизм может быть использован для описания горения и термического разложения систем, содержащих HN3 в своём составе.

5. Уровень полученных результатов в сравнении с мировым.

Полученные результаты были опубликованы в 3-х статьях зарубежных издательств, а также представлены на 8-ом международном симпозиуме по специальным вопросам в химических движетелях (Кейптаун, Южная Африка, 2009, устный доклад) и 7-ом международном семинаре по структуре пламени (Новосибирск, 2011, стендовый доклад). Таким образом, полученные результаты соответствуют мировому уровню исследований в области горения.

6. Вклад авторского коллектива.

Вклад авторского коллектива из ИХКГ СО РАН оценивается в 90 %.

Список публикаций.
  1. V.D. Knyazev, O.P. Korobeinichev, Thermal Decomposition of HN3 //J. Phys. Chem. A (2010) 114 (2), p. 839-846.
  2. O. P. Korobeinichev, A. A. Paletsky, N.V. Budachov, T. A. Bolshova, V. D. Knyazev, Modeling of self-ignition, structure and velocity of propagation of the flame of hydrogen azide //International Journal of Energetic Materials and Chemical Propulsion (2011) 10(2), p. 107–122.
  3. O.P. Korobeinichev, A. A. Paletsky, T. A. Bolshova and V. D. Knyazev, A numerical study of the superadiabatic flame temperature phenomenon in HN3 flames //Combustion Theory and Modelling, (2012) 16(5), p. 927–939.