1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Химическая физика
  4. T. 42, № 4, 2023

Химическая физика, 2023, T. 42, № 4, стр. 47-56

Влияние газодисперсных параметров потока аэровзвеси на скорость распространения пламени

А. Г. Егоров 1, *, А. С. Тизилов 1

1 Тольяттинский государственный университет
Тольятти, Россия

* E-mail: eag@tltsu.ru

Поступила в редакцию 27.06.2022
После доработки 14.10.2022
Принята к публикации 20.10.2022

Полный текст (PDF)

Аннотация

Представлены результаты экспериментальных исследований влияния газодисперсных параметров потока аэровзвеси частиц алюминия: среднего диаметра частиц d32 и коэффициента избытка воздуха α, на скорость распространения пламени. Получены зависимости видимой скорости распространения пламени, uf, от коэффициента избытка воздуха α для порошков алюминия марок АСД-1 с d32 = 17.4 мкм и АСД-4 с d32= 7.4 мкм. Установлено, что количество максимумов и их расположение на графике зависимости uf(α) определяется размером частиц. Для обеих марок порошков в богатой области (α ≈ 0.2) на графике зависимости uf(α) имеется максимум. Для частиц алюминия с d32 = 17.4 мкм при увеличении α скорость распространения пламени монотонно уменьшается. Для частиц с d32 = = 7.4 мкм имеется второй максимум в области стехиометрических составов аэровзвеси (α ≈ 1.0). Количество и расположение максимумов и их изменение в зависимости от среднего диаметра d32 позволяет сделать определенные выводы о механизме горения частиц алюминия.

Ключевые слова: скорость, пределы распространения пламени, состав, аэровзвесь, режим горения, коэффициент избытка воздуха.

ВВЕДЕНИЕ

Скорость распространения фронта пламени – одна из фундаментальных характеристик горения газовзвесей частиц металлов. Этот параметр используется как в теории горения, так и при решении прикладных задач [1, 2]. Исследование механизма распространения волны горения в потоках газовзвесей частиц энергоемких металлов необходимо для организации эффективных и управляемых рабочих процессов в камерах сгорания энергетических и технологических установок на порошкообразном металлическом горючем. Результаты исследований процессов горения металлов в качестве основного энергоносителя или энергетической добавки в настоящее время широко представлены в многочисленных публикациях, в частности в работах [3–9]. Однако ввиду различий в условиях и методиках проведения экспериментов полученные значения видимой скорости распространения фронта пламени изменяются в пределах от нескольких см/с до 1000 м/с и более [2]. При горении дисперсных металлов в потоке активного газа следует принимать во внимание не только влияние на скорость распространения фронта пламени газодинамических факторов, но и газодисперсных характеристик газовзвеси, т.е. концентрации и размера частиц.

Известно [5], что одним из наиболее простых и доступных методов повышения реакционной способности порошкообразного металлического горючего, в частности алюминия, является уменьшение размеров его частиц, что способствует повышению удельной поверхности. В связи с чем по мере совершенствования технологий было налажено промышленное производство сферических порошков алюминия марок АСД-1, АСД-4, АСД-6 и др.

Размер частиц является одним из параметров, который оказывает определяющее влияние на скорость распространения фронта пламени в газодисперсных системах. Так, например, для аэровзвеси частиц алюминия с d32 в три раза меньше, чем у АСД-1, скорость распространения пламени uf   увеличивается в 1.5–2 раза [10].

В работе [11] представлены результаты решения задачи о скорости распространения фронта пламени в аэровзвеси частиц алюминия. Массовая концентрация изменялась в диапазоне 0.07–0.3 кг/м3, а диаметр частиц алюминия варьировался в диапазоне от 0.4 до 8 мкм. Результаты расчетов показали, что с увеличением размера частиц видимая скорость горения порошка алюминия в воздухе стремится к одному и тому же значению независимо от радиуса частиц.

Экспериментально-теоретические исследования процесса распространения пламени по аэровзвеси частиц алюминия представлены в работе [12]. Было установлено, что по мере уменьшения диаметра частиц от микронного до наноразмерного диапазона скорость пламени увеличивается и происходит смена диффузионного режима горения на кинетический. Авторами работы [12] было отмечено, что универсального закона скорости распространения пламени для всего диапазона размеров частиц не существует.

Несмотря на большой объем проведенных исследований, остается открытым вопрос о влиянии концентрации (коэффициента избытка топлива φ или коэффициента избытка воздуха α) на видимую скорость распространения пламени в аэровзвесях частиц алюминия. Если в [12] было показано, что для отношений массы горючего к массе окислителя в интервале значений φ = 0.65–1 скорость распространения фронта горения в аэровзвеси частиц алюминия размером 5.4–6.5 мкм практически постоянная и имеет величину 0.22–0.25 м/с, то в [13, 14] экспериментально установлено, что зависимость скорости пламени от концентрации частиц алюминия имеет слабо выраженный максимум.

Установлено, что скорость распространения пламени в аэровзвеси частиц алюминия увеличивается с уменьшением коэффициента избытка воздуха [4]. Результаты экспериментов при давлении меньше 0.1 МПа [5] подтвердили характер зависимости uf(α), когда с уменьшением коэффициента избытка воздуха скорость распространения пламени увеличивается. Дальнейшие испытания при p0 = 0.1 МПа показали, что uf   увеличивается в диапазоне изменения коэффициента избытка воздуха 0.1–0.6 как с уменьшением как α, так и среднего диаметра частиц алюминия.

В работе [10] также было показано, что скорость распространения фронта химической реакции увеличивается при уменьшении коэффициента избытка воздуха от 1.0 до 0.1. Отмечено, что в диапазоне значений 1–1.5 коэффициент избытка воздуха α имеет незначительное влияние на скорость распространения пламени.

Если в работах [5, 10] показано, что максимальные значения скорости распространения пламени в богатых аэровзвесях частиц алюминия соответствуют значениям α ≈ 0.1–0.2, а в области стехиометрии при α ≈ 1.0 изменения незначительные, то в работе [15] получена зависимость uf(α), на которой показано, что максимальные значения скорости распространения пламени соответствуют значению α ≈ 1.0.

В работе [16] было проведено экспериментальное исследование скорости распространения ламинарного пламени в микро- и наноразмерных облаках аэровзвесей частиц алюминия. Получено, что для микрочастиц со средним диаметром d32 = 6 мкм был всего один максимум скорости распространения, который соответствовал концентрации 500–600 г/м3. Для наночастиц со средним диаметром d32 = 250 нм наблюдался еще один максимум при значениях концентрации 850–950 г/м3, который авторы объясняют горением мелких агломератов и отдельных частиц. Описанные данные для микрочастиц с d32 = 6 мкм не дают полного представления о характере зависимости скорости распространения пламени в диапазоне изменения концентраций 850–950 г/м3.

В работе [20] отмечено, что экспериментальные факты, наблюдавшиеся при горении различных газовзвесей [16–19, 21] с характерным размером частиц 5–10 мкм, противоречат классическим представлениям теории горения. В указанных работах максимум на кривой зависимости uf(φ) смещен в область богатых смесей, тогда как согласно классическим представлениям теории горения максимальные значения скорости должны достигаться при стехиометрическом соотношении топлива и окислителя [22]. И что объяснение экспериментально наблюдаемому смещению максимума скорости фронта горения в область богатых топливом смесей следует искать в пространственной неоднородности распределения частиц топлива.

Поскольку известно [23], что поверхностное горение частиц алюминия может происходить как в диффузионной, так и в кинетической области, то необходима дополнительная информация для выявления режима горения. Эту информацию можно получить, анализируя зависимость скорости распространения пламени от величины коэффициента избытка воздуха, uf(α).

Полученные в работах [24, 25] границы устойчивого горения в полидисперсном потоке аэровзвеси частиц алюминия позволили установить характер зависимости uf(α). Установленная зависимость соответствует теоретическим представлениям, согласно которым при значениях α ≈ 0.2 и 1.0 при горении аэровзвесей частиц алюминия температура и тепловыделение принимают максимальные значения [4]. В работе [25] на график зависимости uf(α) были нанесены экспериментальные значения скорости распространения пламени как для порошка марки АСД-4, так и для АСД-1, поэтому по нему нельзя определить режим горения для частиц алюминия каждой отдельной марки порошка. Для установления режимов, контролирующих горение частиц алюминия указанных марок порошков со средним диаметром d32 = 7.4 и 17.4 мкм, необходимо провести дополнительные исследования. На основе экспериментальных данных можно будет получить зависимости uf(α) и по ним установить режимы, контролирующие горение порошков марок АСД-4 и АСД-1.

Из проведенного анализа опубликованных работ видно, что в настоящее время у исследователей нет единого мнения о влиянии концентрации и размера частиц алюминия на скорость распространения пламени в аэровзвесях. Экспериментальные работы отличаются как методикой проведения экспериментов, так и анализом полученных данных. Отсутствуют модели, которые позволили бы объяснить экспериментально наблюдаемый факт смещения максимума скорости фронта горения в область газовзвесей, богатых топливом. В большинстве опубликованных результатов экспериментальных исследований по распространению пламени по газовзвесям микродисперсных частиц алюминия отсутствуют отчетливо выраженные признаки как кинетического режима горения (резкий максимум скорости пламени вблизи стехиометрии), так и диффузионного (монотонный рост скорости пламени с ростом концентрации горючего) [23]. Нет однозначного ответа на вопрос, какой из параметров аэровзвеси определяет характер кривой зависимости uf(α).

В связи с этим требуются дальнейшие исследования процесса распространения пламени в потоке аэровзвеси в широком диапазоне изменения концентраций и размеров частиц алюминия. Настоящая работа является продолжением исследований, результаты которых были представлены в работах [24, 25].

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Оборудование и методика испытаний

Для проведения исследований процессов горения порошкообразного алюминия в потоке воздуха был разработан специальный стенд. Конструкция, а также системы управления и контроля испытательного стенда подробно описаны в работе [3]. Характеристики стенда позволяли получать на входе камеры сгорания экспериментальной установки поток аэровзвеси со следующими параметрами: расход порошка алюминия – 0.003–0.3 кг/с, расход воздуха – 0.01–0.5 кг/с, скорость воздуха – 10–300 м/с, температура воздуха – 293–773 K, давление – 0.1 МПа. Схема экспериментальной установки была приведена в работе [24]. В ней использовалась эжекторная подача порошкообразного алюминия. К камере смешения эжектора крепились сменные цилиндрические обечайки бóльшего диаметра, тем самым образуя канал с внезапным расширением с заданным характерным размером стабилизатора H = (D – d0), где D – диаметр камеры сгорания, d0 – диаметр входного отверстия (диаметр камеры смешения эжектора).

В аэровзвеси в качестве дисперсного материала использовались алюминиевые порошки марок АСД-4, АСД-1, АСД-6, а также алюминиево-магниевого сплава марки АМД-50. Для измерения расхода порошка алюминия была разработана специальная система, которая состояла из источника питания, силоизмерительного датчика, электросекундомера, преобразователя и устройства печати. Данная система позволяла измерять расход порошка алюминия с погрешностью ∼5%. Методика определения расхода порошка алюминия была такой же, как описанная в [24].

Начальная турбулентность потока аэровзвеси (ε0) на входе в камеру сгорания варьировалась с помощью перфорированных дисков, которые устанавливались в камере смешения эжектора на различных расстояниях от плоскости внезапного расширения. Что позволяло увеличивать уровень начальной турбулентности от трубной, ε0 = 5%, до повышенной, ε0 = 22%.

Для определения скорости распространения фронта пламени в потоке аэровзвеси частиц алюминия в настоящей работе использовалась методика, основанная на механизме стабилизации пламени. Поскольку представляется наиболее целесообразным рассматривать механизм стабилизации прежде всего как явление зажигания в потоке на основе тепловой теории. Поэтому с точки зрения развитых в ней положений, в данном случае зажигания от накаленных продуктов горения зоны рециркуляции, границы срыва представляют собой по существу концентрационные границы, но относящиеся к среде, движущейся с заданной скоростью. Данная методика была апробирована ранее в других работах [5, 24, 25]. Так в работе [5] в экспериментах определялась скорость турбулентного горения аэровзвеси частиц алюминия, которая также оценивалась по критическому значению скорости потока аэровзвеси перед стабилизатором.

В настоящей работе использовали следующую методику по определению пределов устойчивого горения. При произвольном расходе воздуха и горючего запускали камеру сгорания, затем отключали свечу зажигания и уменьшали расход алюминия до наступления срыва. После того как расходы порошка и воздуха, соответствующие “бедному” срыву пламени, были зарегистрированы, процесс в камере восстанавливали и при том же самом расходе воздуха увеличивали расход алюминия до достижения “богатого” срыва пламени. Эти циклы повторяли при других значениях расхода и скорости воздуха до тех пор, пока не определился весь диапазон устойчивого горения. После определения границ устойчивого горения и с учетом того, что скорость набегающего на стабилизатор потока аэровзвеси в момент срыва пламени ucp равна видимой скорости распространения фронта пламени uf, строили зависимость uf(α). На графиках зависимости uf(α) каждой точке соответствует как минимум пять измерений. Графики с доверительными интервалами строились и аппроксимировались посредством Excel 2016. Для всех графиков использовалась погрешность, выраженная в процентах.

Результаты экспериментов

Известно, что для аэровзвеси частиц алюминия, процесс горения которых протекает в кинетическом режиме, зависимость скорости распространения фронта пламени от коэффициента избытка окислителя должна иметь максимум в области стехиометрических составов аэровзвеси. Если же горение частиц контролируется диффузией окислителя к поверхности частицы или к зоне парофазного горения, то в этом случае максимальная скорость распространения фронта пламени достигается при концентрациях горючего, которые в несколько раз могут превышать стехиометрическую [23]. В связи с этим индикатором режима горения в потоке аэровзвеси частиц алюминия может служить зависимость скорости распространения пламени от коэффициента избытка окислителя. Для получения зависимости скорости распространения пламени от коэффициента избытка α воздуха в потоке аэровзвеси использовали порошки алюминия марок АСД-1 и АСД-4 со средним диаметром частиц d32 = 17.4 и 7.4 мкм соответственно.

Поскольку выше было отмечено, что в некоторых работах на зависимости uf(α) наблюдалось смещение максимума скорости от стехиометрических в область богатых составов аэровзвесей, то в первую очередь были проведены исследования влияния концентрации и размера частиц на скорость распространения пламени в потоках богатых и стехиометрических составов.

Влияние коэффициента избытка воздуха на скорость распространения пламени в потоке аэровзвеси частиц алюминия в области богатых составов представлено на рис. 1. Из этого рисунка видно, что максимальные значения скорости распространения пламени для обеих марок порошков соответствуют α ≈ 0.2.

Рис. 1.

Влияние коэффициента избытка воздуха на скорость распространения пламени в области богатых составов: ⚫ – АСД-1 (d32 = 17.4 мкм), ⚪ – АСД-4 (d32 = 7.4 мкм); D = 0.04 м и D = 0.07 м, ε0 = 5%, p0 = 0.1 МПа, T0 = 293 К; точки – эксперимент, линия – аппроксимация.

Увеличение скорости распространения пламени для частиц алюминия марки АСД-4 в диапазоне значений α ≈ 0.1–0.2 объясняется ростом температуры за счет реакции азотирования. Температура продуктов сгорания в этом случае составляет ~2400 K [26] и вдвое превосходит температуру воспламенения частиц алюминия. Можно предположить, что для порошка марки АСД-1 со средним размером частиц d32 = 17.4 мкм рост скорости распространения пламени обусловлен радиационным механизмом горения [27, 28]. Поскольку порошок АСД-1 представляет собой полидисперсную систему, то при преимущественно радиационном переносе тепла воспламенение крупных частиц наступает раньше. Это приводит к быстрому разогреву системы и увеличению скорости распространения пламени.

С увеличением коэффициента избытка воздуха α > 0.2 наблюдается снижение скорости пламени как для аэровзвеси с АСД-4, так и с АСД-1. Причем падение скорости распространения пламени для частиц с d32 = 7.4 мкм происходит резче из-за снижения температуры, поскольку при α > 0.2 реакция азотирования прекращается. Так как горение частиц с d32 = 17.4 мкм контролируется диффузией, то снижение температуры для них не столь критично и скорость распространения пламени снижается не столь резко.

Влияние коэффициента избытка воздуха на скорость распространения пламени в потоке аэровзвеси частиц алюминия в области стехиометрических составов представлено на рис. 2. Из этого рисунка видно, что для частиц алюминия марки АСД-4 с d32 = 7.4 мкм, как и для газовых смесей, график зависимости uf(α) имеет максимум вблизи стехиометрии при α ≈ 1.0. Поэтому можно предположить, что горение частиц алюминия с d32 = 7.4 мкм контролируется кинетикой химических реакций. Поскольку известно, что если горение частиц алюминия протекает в кинетическом режиме, то зависимость скорости пламени от коэффициента избытка воздуха должна иметь максимум в области стехиометрических составов аэровзвеси [23].

Рис. 2.

Влияние коэффициента избытка воздуха на скорость распространения пламени в области стехиометрических составов. Обозначения и условия те же, что и для рис. 1.

Для частиц алюминия с d32 = 17.4 мкм скорость распространения пламени вблизи стехиометрии практически не изменяется. Что соответствует данным, представленным в работах [5, 10], где показано, что максимальные значения скорости распространения пламени в богатых аэровзвесях частиц алюминия марки АСД-1 соответствуют значениям α ≈ 0.1–0.2, а в области стехиометрических составов при α ≈ 1.0 изменения незначительные.

Известно, что определить основной механизм передачи тепла в предпламенную зону можно, анализируя экспериментальные зависимости скорости распространения пламени от размера частиц [23]. В настоящей работе при использовании полученных экспериментальных данных была построена зависимость скорости распространения пламени uf от обратного диаметра частиц 1/d32, которая представлена на рис. 3. Из этого рисунка видно, что полученная зависимость скорости распространения пламени от обратного диаметра частиц алюминия является линейной. Вероятно, что эта зависимость, так же как и для нормальной скорости [23, 29], является следствием диффузионного режима горения частиц алюминия.

Рис. 3.

Зависимость скорости распространения пламени от диаметра частиц при α = 0.14, p0 = 0.1 МПа, T0 = 293 К; точки – эксперимент, линия – аппроксимация.

Полученное противоречие может быть устранено, если предположить, что при атмосферном давлении в кислородсодержащих средах с уменьшением размера частиц режим их горения изменяется от контролируемого диффузией к контролируемому кинетикой поверхностных химических реакций. Это предположение косвенно подтверждают оценки характерных времен диффузии реагентов и газофазных химических реакций [30].

На основе данных, представленных на рис. 1, 2, можно сделать вывод о том, что для аэровзвеси частиц алюминия с d32 = 7.4 мкм, процесс горения которых протекает в кинетическом режиме, зависимость uf(α) должна иметь два максимума: один в области стехиометрических составов, второй – в области богатых составов. Для частиц с d32 = = 17.4 мкм, горение которых контролируется диффузией окислителя к поверхности частицы или к зоне парофазного горения, зависимость uf(α) имеет один максимум, и он должен находится в области богатых составов.

Результаты, представленные на рис. 1, 2, а также данные, опубликованные в работах [3–5, 16–19], получены в узком диапазоне изменения коэффициента избытка воздуха и не дают полного представления о характере всей зависимости uf(α). Для получения ясности в данном вопросе необходимо иметь экспериментальные данные в более широком диапазоне изменения α. С этой целью был проведен большой цикл испытаний в камерах сгорания разного диаметра с широким варьированием начальных параметров потока аэровзвеси.

На рис. 4 показано влияние коэффициента избытка воздуха на скорость распространения пламени в потоке аэровзвеси частиц алюминия марки АСД-4 в диапазоне изменений α = 0.1–3.0. Из этого рисунка видно, что график зависимости uf(α) имеет два максимума: один в богатой, второй – в стехиометрической области составов аэровзвеси. В богатой области резкий рост скорости распространения пламени достигает своих максимальных величин при значениях α ≈ 0.2. Увеличение скорости распространения фронта пламени при данных значениях α происходит за счет увеличения температуры при протекании экзотермической реакции азотирования [26]. Второй максимум скорости распространения пламени на кривой зависимости uf(α) соответствует значению α ≈ 1.0; он также обусловлен ростом температуры [4]. При дальнейшем обеднении смеси скорость распространения фронта пламени уменьшается. Таким образом, для порошка алюминия марки АСД-4 со средним диаметром частиц d32 = 7.4 мкм, горение которых протекает в кинетическом режиме, зависимость uf(α) соответствует теоретическим представлениям, согласно которым при значениях α ≈ 0.2 и 1.0 в аэровзвесях частиц алюминия тепловыделение, температура и скорость распространения фронта пламени принимают максимальные значения [4, 24–26].

Рис. 4.

Влияние коэффициента избытка воздуха на скорость распространения пламени. Порошок алюминия марки АСД-4 с d32 = 7.4 мкм, D = 0.04–0.08 м, ε0 = 5%, p0 = 0.1 МПа, T0 = 293–523 К; точки – эксперимент; линия – аппроксимация.

Данные, представленные на рис. 4, говорят о том, что характер зависимости скорости распространения турбулентного фронта пламени от коэффициента избытка воздуха в потоке аэровзвеси частиц микронного размера с d32 = 7.4 мкм качественно совпадает с характером зависимости скорости распространения ламинарного пламени от концентрации в облаке аэровзвесей наноразмерных частиц алюминия с d32 = 250 нм. Вероятнее всего, авторы работ [16–19] также получили бы вторые локальные максимумы для частиц алюминия микронного размера с d32 ≈ 6 мкм при исследовании горения в облаках аэровзвесей в диапазоне концентраций 850–950 г/м3.

На рис. 5 показано влияние коэффициента избытка воздуха на скорость распространения пламени в потоке аэровзвеси частиц алюминия марки АСД-1 в диапазоне изменений α = 0.1–2.0. Из этого рисунка видно, что на графике зависимости uf(α) имеется один максимум, который соответствует значению коэффициента избытка воздуха α ≈ 0.2. Поскольку частицы алюминия марки АСД-1 со средним размером d32 = 17.4 мкм реагируют в воздухе при атмосферном давлении в диффузионном режиме, то при увеличении массовой концентрации увеличивается суммарная площадь поверхности частиц. В связи с чем наблюдается интенсификация процессов лучистого переноса тепла между частицами, приводящая к соответствующему увеличению скорости распространения фронта пламени [17]. В работе [31] отмечено, что радиационные эффекты могут играть если не ведущую, то весьма существенную роль в процессах волнового горения газовзвесей частиц металлов.

Рис. 5.

Влияние коэффициента избытка воздуха на скорость распространения пламени. Порошок алюминия марки АСД-1 с d32 = 17.4 мкм, D = 0.04–0.08 м, p0 = 0.1 МПа, ε0 = 5%, T0 = 293–523 К; точки – эксперимент, линия – аппроксимация.

Таким образом, из рис. 4, 5 видно, что для обеих марок порошков в области богатых составов (α ≈ 0.2) на графике зависимости uf(α) имеется максимум. Для частиц алюминия марки АСД-1, горящих в диффузионном режиме, с увеличением коэффициента избытка воздуха скорость распространения пламени монотонно уменьшается. Это говорит о слабой (неэкспоненциальной) зависимости скорости горения от температуры. Для частиц алюминия марки АСД-4, реагирующих в кинетическом режиме (скорость горения существенно зависит от температуры), график зависимости uf(α) имеет второй максимум в области стехиометрических составов (α ≈ 1.0).

Известно, что посредством целенаправленного воздействия на поверхностную оксидную пленку можно изменить макрокинетику воспламенения и горения индивидуальных частиц алюминия [5]. Одним из методов модификации является объемная активация алюминия различными металлами, в частности магнием. Для алюминиево-магниевых сплавов наблюдается снижение температурных и концентрационных пределов воспламенения по сравнению с чистым алюминием. Данное обстоятельство, вероятно, должно отразиться и на характере зависимости скорости распространения пламени от коэффициента избытка воздуха в потоке аэровзвеси с частицами алюминиево-магниевого сплава.

Для проведения исследований и получения зависимости скорости распространения пламени от коэффициента избытка воздуха был выбран порошок алюминиево-магниевого сплава марки АМД-50, частицы которого содержали 50% Al + + 50% Mg. Средний диаметр основной фракции порошка АМД-50 составлял d32 = 10 мкм.

На рис. 6 представлена зависимость uf(α) в потоке аэровзвеси с АМД-50 в диапазоне изменения α = 0.1–1.8. Из этого рисунка видно, что в потоке аэровзвеси с АМД-50 максимальное значение скорости распространения пламени соответствует α ≈ 0.5, тогда как в потоке с частицами алюминия оно зафиксировано при α ≈ 0.2. Вероятно, это обстоятельство обусловлено двухстадийностью процесса горения алюминиево-магниевых сплавов, когда на первоначальной стадии из частицы выгорает в основном магний. Горение алюминиево-магниевых сплавов существенно отличается от горения как алюминия, так и магния и сильно зависит от соотношения компонентов в сплаве и параметров окислительной среды [32].

Рис. 6.

Зависимость скорости распространения пламени от коэффициента избытка воздуха. Порошок сплава АМД-50 с d32 = 10 мкм, D = 0.04 м, ε0 = 5%, p0 = 0.1 МПа, T0 = 293 К; точки – эксперимент, линия – аппроксимация.

В работе [2] было отмечено, что общий характер зависимостей скорости распространения пламени от концентрации для чистых металлов алюминия и магния согласуется с данными, полученными ранее другими исследователями. В отличие от чистых металлов для аэровзвеси частиц алюминиево-магниевого сплава максимальное значение скорости было зарегистрировано при концентрации частиц алюминия с = 0.4 кг/м3.

Если для АСД-4 со средним диаметром частиц d32 = 7.4 мкм на графике зависимости uf(α) имеется второй максимум при α ≈ 1.0, то для АМД-50 с d32 = 10 мкм он отсутствует. Это можно объяснить тем, что для частиц сплава АМД-50 со средним диаметром d32 ≈ 10 мкм происходит смена с кинетического режима горения на контролируемый диффузией, т.е. реализуется переходный режим горения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Выявленный в настоящей работе характер зависимости скорости распространения пламени от газодисперсных параметров позволяет правильно интерпретировать результаты исследований, полученные как в потоках, так и в неподвижных аэровзвесях частиц алюминия.

На рис. 7 показана аппроксимация экспериментальных данных по зависимости скорости распространения пламени в облаках аэровзвесей частиц алюминия с d32 = 6 мкм от концентрации, полученных в работах [16, 18]. Из этого рисунка видно, что зависимость скорости распространения ламинарного пламени от концентрации в неподвижном облаке аэровзвеси качественно коррелируют с характером зависимости uf(α) в турбулентном потоке аэровзвеси частиц алюминия марки АСД-4 с d32 = 7.4 мкм.

Рис. 7.

Зависимость скорости распространения пламени от концентрации: + – порошок алюминия с d32 = 6 мкм данные [18]; ♦ – порошок алюминия с d32 = 6 мкм данные [16]; сплошная линия – аппроксимация, штриховая линия – стехиометрический состав.

Из рис. 7 также видно, что на кривой зависимости скорости распространения пламени от концентрации, uf(C), тоже имеется два максимума. Максимум скорости распространения пламени в области стехиометрических составов (C ≈ 320 г/м3), полученный в работе [18], соответствует классическим представлениям теории горения. Согласно этой теории резкий максимум скорости горения аэровзвеси в области стехиометрических составов указывает на кинетический режим горения частиц алюминия с d32 = 6 мкм. Известно, что в тех случаях, когда горение частиц горючего контролируется кинетикой химических реакций, максимум скорости пламени, как и в газах, находится в области стехиометрических составов [23]. Второй максимум на кривой зависимости uf(C) в области богатых составов, полученный авторами [16], обусловлен ростом температуры за счет реакции азотирования [26], поскольку для частиц, реагирующих в кинетическом режиме, скорость распространения пламени существенно зависит от температуры.

Учитывая то обстоятельство, что в последние годы получено достаточно много экспериментальных результатов по определению закона горения микродисперсных частиц алюминия, позволяющих утверждать, что в области размеров d32 < 10 мкм происходит смена режима горения [23], можно предположить, что и частицы алюминия марки АСД-4 с d32 = 7.4 мкм также реагируют в кинетическом режиме. Таким образом, можно сделать вывод, что для частиц алюминия с d32 < 10 мкм, горение которых протекает в кинетическом режиме и скорость горения которых существенно зависит от температуры, зависимость скорости распространения пламени от концентрации должна иметь два максимума: первый – в области богатых составов, второй – в области стехиометрических.

Известно [23], что сдвиг максимума скорости в область богатых смесей и слабое изменение скорости горения в окрестности стехиометрии присущи диффузионному режиму горения частиц алюминия. На рис. 8 представлена аппроксимация экспериментальных данных полученных в работах [1, 26] для порошка алюминия марки АСД-1 с d32 = 17.4 мкм. В данном случае, когда горение контролируется диффузией окислителя к поверхности частицы или к зоне парофазного горения, зависимость uf(α) имеет один максимум в области богатых смесей при значениях α ≈ 0.2.

Рис. 8.

Зависимость скорости распространения пламени от коэффициента избытка воздуха для порошка АСД-1 с d32 = 17.4 мкм: ○ – данные [26], ■ – данные [1].

Экспериментальные данные, полученные в настоящей работе, позволили выявить характер зависимости скорости распространения пламени от коэффициента избытка воздуха в потоках аэровзвесей, содержащих порошки марок АСД-4 и АСД-1. Установлено, что характер зависимости uf(α) определяется режимом горения аэровзвеси, который, в свою очередь, зависит от размера частиц алюминия. Для частиц алюминия марки АСД-4 с d32 = 7.4 мкм, горение которых контролируется кинетикой химических реакций и сильно зависит от температуры, максимальные значения скорости распространения пламени соответствуют значениям коэффициента избытка воздуха α ≈ 0.2 и 1.0. Для частиц алюминия марки АСД-1 с d32 = = 17.4 мкм, горение которых протекает в диффузионном режиме и слабо зависит от температуры, зависимость uf(α) имеет один максимум скорости распространения пламени, соответствующий значению α ≈ 0.2.

Получено, что для частиц сплава АМД-50 со средним диаметром d32 = 10 мкм на графике зависимости uf(α) имеется один максимум, который соответствует значению коэффициента избытка воздуха α ≈ 0.5. Данный факт объясняется характерными особенностями горения АМД-50 и сменой кинетического режима горения на контролируемый диффузией, т.е. реализуется переходный режим горения, обусловленный размером частиц алюминиево-магниевого сплава.

Выявленные закономерности влияния газодисперсных параметров потока аэровзвеси частиц алюминия на скорость распространения пламени можно использовать для построения корректных физических моделей горения и правильной интерпретации экспериментальных данных. Они также могут найти практическое применение при организации рабочего процесса и разработке методов и средств управления процессом сгорания дисперсного алюминия в камерах энергетических и технологических установок.

Список литературы

  1. Воронецкий А.В., Крылов В.И., Арефьев К.Ю., Гусев А.А. // Инж. журн.: наука и инновации. 2017. № 1(61). С. 2.

  2. Алексеев А.Г., Судакова И.В. // Физика горения и взрыва. 1983. Т. 19. № 5. С. 34.

  3. Егоров А.Г. Процессы горения порошкообразного алюминия в прямоточных камерах реактивных двигательных установок. Самара: Изд-во СНЦ РАН, 2004.

  4. Малинин В.И. Внутрикамерные процессы в установках на порошкообразных металлических горючих. Екатеренбург–Пермь: УрО РАН, 2006.

  5. Ягодников Д.А. Воспламенение и горение порошкообразных металлов. М.: Изд-вo МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2009.

  6. Махов М.Н. // Хим. физика. 2020. Т. 39. № 9. С. 71; https://doi.org/10.31857/S0207401X20090083

  7. Коротких А.Г., Сорокин И.В., Селихова Е.А., Архипов В.А. // Хим. физика. 2020. Т. 39. № 7. С. 32; https://doi.org/10.31857/S0207401X20070080

  8. Шмелев В.М. // Хим. физика. 2020. Т. 39. № 8. С. 75; https://doi.org/10.31857/S0207401X20080099

  9. Вадченко С.Г., Алымов М.И. // Хим. физика. 2022. Т. 41. № 3. С. 22; https://doi.org/10.31857/S0207401X2203013X

  10. Кудрявцев В.М., Сухов А.В., Воронецкий А.В., Пеньков С.Н. // Высокотемпературные газовые потоки, их получение и диагностика. Вып. 4. Харьков: ХАИ, 1986. С. 66.

  11. Моисеева К.М., Крайнов А.Ю., Дементьев А.А. // Физика горения и взрыва. 2019. Т. 55. № 4. С. 26.

  12. Huang Y., Risha G.A., Yang V., Yetter R.A. // Combust. and Flame. 2009. V. 156. № 1. P. 5.

  13. Афанасьев С.Н., Жарков В.Ю., Озеров Е.С. // Физика аэродисперсных систем. Вып. 27. Киев, Одесса: Вища шк., 1985. С. 39.

  14. Goroshin S., Palečka J., Bergthorson J. // Prog. Energy Combust. Sci. 2022. V. 91. 100994; https://doi.org/10.1016/j.pecs.2022.100994

  15. Кудрявцев В.М., Сухов А.В., Воронецкий А.В., Шпара А.П. // Физика горения и взрыва. 1981. Т. 17. № 6. С. 49.

  16. Bocanegra E.P., Sarou-Kanian V., Davidenko D., Chauveau C., Gökalp I. // Prog. Propulsion Phys. 2009. V. 1. P. 47.

  17. Risha G.A., Huang Y., Yetter R.A., Yang V. // 43rd AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit. Reno, Nevada, 2005. AIAA Paper 2005-739.

  18. Бойчук Л.В., Шевчук В.Г., Швец А.И. // Физика горения и взрыва. 2002. Т. 38. № 6. С. 51.

  19. Goroshin S., Fomenko I., Lee J.H.S. // Proc. 26th Sympos. (Intrern.) on Combust. V. 26. Pittsburgh: The Combust. Inst. 1996. 2. P. 1961.

  20. Гринчук П.С. // Физика горения и взрыва. 2014. Т. 50. № 3. С. 32.

  21. Kobayashi H., Ono NOkuyama Y., Niioka T. // Proc. 25th Sympos. (Intern.) on Combustion. V. 25. Pittsburgh: The Combust. Inst., 1994. P. 1693.

  22. Щетинков Е.С. Физика горения газов. М.: Наука, 1965.

  23. Полетаев Н.И. // Физика горения и взрыва. 2016. Т. 52 № 6. С. 60.

  24. Тизилов А.С., Егоров А.Г. // Хим. физика. 2013. Т. 32. № 3. С. 35.

  25. Егоров А.Г. // Физика горения и взрыва. 2020. Т. 56. № 1. С. 48.

  26. Ягодников Д.А., Сухов А.В., Малинин В.И., Кирьянов И.М. // Вестн. МГТУ. “Сер. Машиностроение”. 1990. № 1. С. 121.

  27. Озерова Г.Е., Степанов И.М. // Физика горения и взрыва. 1973. Т. 5. № 2. С. 627.

  28. Тодес О.М., Гольцикер А.Д., Ионушас К.К. // Физика горения и взрыва. 1974. Т. 10. № 1. С. 83.

  29. Агеев Н.Д., Горошин С.В., Золотко А.Н., Полетаев Н.И., Шошин Ю.Л. // Горение гетерогенных и газовых систем. Матер. IX Всесоюз. симпоз. по горению и взрыву. Черноголовка: ОИХФ АН СССР, 1989. С. 83.

  30. Полетаев Н.И. Пылевые пламена металлов: получение, свойство, применение. Дис. … д-ра физ-мат. наук. Одесса: ОНУ им. И.И. Мечникова, 2013.

  31. Ярин Л.П. Основы теории горения двухфазных сред. Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1987.

  32. Мальцев В.М., Мальцев М.И., Кашпоров Л.Я. Основные характеристики горения. М.: Химия, 1977.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Химическая физика

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал