Конкурс научных работ 2013 годаГорение сферических титановых агломератов в воздухеГлотов О. Г.1. Общая формулировка научной проблемы и ее актуальность.Решаемая научная проблема – развитие фундаментальных представлений о механизме горения частиц металлов посредством получения новых экспериментальных данных о поведении горящих частиц Ti. Актуальность проблемы и объекта исследования обусловлена следующими обстоятельствами. Вследствие необычного сочетания физических свойства металла и оксида титан нашёл широкое применение в качестве высокопрочного и коррозионно-стойкого конструкционного материала, и одновременно как металлическое горючее в пиротехнических и иных системах. Титан – тугоплавкий нелетучий металл с тугоплавким оксидом; оксид способен растворяться в расплавленном металле; металл также способен растворять газы. Эти особенности обуславливают своеобразную реализацию превращения металла в оксид, отличную от парофазного горения Al и Mg. Поэтому Ti интересен как объект фундаментальных исследований. Вместе с тем, Ti – практически важный объект. Воспламенение и горение массивных образцов Ti интенсивно изучали в 1970-е годы во времена его внедрения в аэрокосмическую технику. В последнее десятилетие в Германии, России, США, Украине, Франции и др. странах проводятся исследования горения частиц Ti с размерами десятков-сотен микрометров. Возрождение интереса к горению частиц Ti отчасти обусловлено предполагаемым применением наноразмерного TiO2 для дезактивации локальных загрязнений атмосферного воздуха. Один из возможных вариантов реализации этой идеи – создание специального пиротехнического устройства, осуществляющего трансформацию металлического Ti в наноразмерные частицы TiO2 и их рассеивание в воздухе. При этом необходимо обеспечить эффективное сжигание частиц Ti в воздухе, что требует изучения закономерностей и механизма горения. Частицы порошкообразного Ti агломерируют при горении в составе пиротехнической композиции. Процесс горения агломератов определяет полноту превращения металла и характеристики частиц-продуктов. 2. Конкретная решаемая в работе задача и ее значение.Типичный размер титановых агломератов – сотни микрон. Информация о горении таких частиц практически отсутствует. В работе решены следующие задачи: (1) Создание горящих («материнских») частиц требуемых размеров. (2) Получение эмпирической информации о закономерностях движения и горения материнских частиц и о частицах-продуктах горения (включая частицы, образующиеся в результате фрагментации). Анализ полученных данных позволил детализировать физическую картину процесса горения частицы Ti и определить ряд практически востребованных параметров. 3. Используемый подход, его новизна и оригинальность.Частицы порошкообразного промышленного порошка Ti имеют губчатую форму и их дисперсность может быть охарактеризована лишь условно. Для количественных экспериментов наиболее подходят сферические частицы. Сегодня известно 3 метода (подхода) создания горящих сферических частиц Ti в качестве объекта исследования. В подходе Дрейзина (США) частицы диаметром 240-280 мкм получаются в электроискровом разряде, где одним из электродов служит титановая проволока. В подходе Шафировича (Франция) в электромагнитном левитаторе подвешивается частица неправильной формы, которая затем расплавляется и поджигается лазером. Расплавленные частицы имеют форму сфер с диаметром 20-125 мкм. Нами разработан оригинальный подход с использованием специальных пиротехнических образцов. Образец представляет собой безметальную композицию-матрицу, в которую помещено определённое количество одинаковых миниатюрных включений, изготовленных из металлизированной композиции содержащей 69 % Ti. При горения образца каждое включение превращается в горящую частицу, размер и масса которой предопределены составом и размером включений. Продукты горения матрицы создают поток газа, который воспламеняет включения и выбрасывает их в окружающий воздух. Преимущества подхода: (1) Не требуется специального оборудования, такого как искровой разрядник или левитатор + лазер. (2) Получаемые частицы монодисперсны, а по размеру (сотни мкм) и по происхождению (продукт слияния множества мелких полидисперсных частиц неправильной формы) соответствуют агломератам, образующимся при горении смесевых композиций с порошкообразным титаном. С использованием предложенного подхода впервые исследовано горение частиц агломерационного происхождения актуальных размеров. 4. Полученные результаты и их значимость.В работе представлена эмпирическая информация о горении крупных частиц диаметром 300, 390 и 480 мкм в свободном падении в воздухе. Посредством видеосъёмки определены характерные времена начала фрагментации, окончания фрагментации, окончания горения, а также скорость и координата частицы в соответствующие моменты времени. Фрагментация исследованных частиц протекает в своеобразной манере. Во время фрагментации происходит отстрел множества мелких частиц-фрагментов от материнской частицы с сохранением последней, так что фотографическое изображение трека частицы с отлетающими фрагментами по форме напоминает еловую ветвь. В процессе фрагментации скорость падения, масса и диаметр частицы уменьшаются. Движение частицы до начала фрагментации описывается с использованием коэффициента аэродинамического сопротивления в виде Cd = A/Re, где Re – число Рейнольдса, A – параметр, зависящий от диаметра. Для частиц 300–480 мкм A ≈ 37–57, в то время как для негорящих частиц A = 24. Для времени горения tburn получена аппроксимационная зависимость от размера частиц tburn(D) = 5.81×10-7D2.35, где tburn в с, D в мкм. Зависимость обобщает литературные данные для частиц с размером 20-280 мкм и наши данные для частиц 300–480 мкм. Величина показателя 2.35 свидетельствует о диффузионно-лимитируемом реагировании. Методом гашения и отбора исследованы остатки горения. По окончании горения остаток имеет диаметр 0.5–0.8 от начального диаметра материнской частицы и состоит из оксидов с разным соотношением атомов O и Ti, от TiO до и TiO5, в среднем TiO2.76, без выраженной структуры вида ядро-оболочка (данные SEM и EDS). Впервые проведены отбор и гранулометрический анализ фрагментов. Показано, что при уменьшении диаметра материнской частицы-источника с 480 до 300 мкм, размеры фрагментов «в среднем» уменьшаются, пока их характерный размер не снизится до ≈ 30 мкм. Этой величиной можно оценить толщину сбрасываемого в процессе фрагментации слоя. Частицы-фрагменты имеют логарифмически-нормальное распределение. Одна материнская 300-мкм частица производит более 6000 фрагментов ≈2-мкм модового размера. В проведённых экспериментах суммарный объём собранных и проанализированных фрагментов в диапазоне 0.5–110 мкм составлял ≈ 1/3 начального объёма частицы. Определённые количественные характеристики (tburn, Cd, функции распределения фрагментов по размерам и др.) могут служить основой для разработки моделей горения частиц Ti и схем сжигания, обеспечивающих полное сгорание Ti и выход частиц-продуктов с требуемыми свойствами. 5. Уровень полученных результатов в сравнении с мировым.Полученные данные не имеют аналогов, так как прежде никто не изучал горение столь крупных сферических частиц титана агломерационного происхождения. Помимо временных параметров горения частиц, существенно новыми являются количественные данные о фрагментации. Результаты были представлены на 6 конференциях (4 международных, 1 российская, 1 стран СНГ) и опубликованы в трудах конференций. На 3 конференциях из 6 автор лично сделал устные доклады. Список публикаций.
|