Зажигание реакционноспособного вещества тепловым воздействием с ограниченным запасом тепла тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.14, кандидат физико-математических наук Микова, Евгения Андреевна

• Микова, Евгения Андреевна
• кандидат физико-математических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Микова, Евгения Андреевна

Слисок обозначений

ВВЕДЕНИЕ

I ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

II ЗАЖИГАНИЕ КОНДЕНСИРОВАННОГО ВЕЩЕСТВА ГОРЯЧЕЙ ЧАСТИЦЕЙ С КОНЕЧНЫМ ЗАПАСОМ ТЕПЛА

II. 1 Физическая модель

II.2 Математическая постановка

П.З Метод решения

11.4 Тестирование работы программы численного интегрирования задачи

11.5 Анализ критериев зажигания реакционноспособного вещества горячей частицей

11.6 Высокотемпературное зажигание реакционноспособного вещества сферической частицей

11.7 Влияние фазовых переходов в частице на процесс высокотемпературного зажигания

11.8 Выводы по главе II

III АНАЛИЗ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ И ВРЕМЕННЫХ ПАРАМЕТРОВ ЗАЖИГАНИЯ РЕАКЦИОННОСПОСОБНЫХ ВЕЩЕСТВ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ СПОСОБАХ ТЕПЛОВОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ

III. 1 Характеристики зажигания реакционноспособного вещества при различных способах его теплового инициирования

III.2 Сравнительный анализ энергетитеских и временных параметров зажигания

П.З Выводы по главе III

IV ИНИЦИИРОВАНИЕ ПРОЗРАЧНОГО КОНДЕНСИРОВАННОГО ВЕЩЕСТВА ИМПУЛЬСОМ ЛУЧИСТОЙ ЭНЕРГИИ, ПОГЛОЩАЕМЫМ НАХОДЯЩИМИСЯ В ВЕЩЕТВЕ ОПТИЧЕСКИМИ НЕОДНОРОДНОСТЯМИ

IV. 1 Зажигание одиночной частицей. Математическая постановка и её приближенное исследование

IV.2 Численное исследование задачи 68 IV. 3 Влияние совокупности поглощающих излучение частиц на зажигание реакционоспособного вещества

IV.4 Выводы по главе IV

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Зажигание реакционноспособного вещества тепловым воздействием с ограниченным запасом тепла»

В технологических процессах различных производств широко распространены процессы взрывчатого превращения [1]. Требование практики заключается в использовании положительных сторон явлений (большой выход энергии, получение нужных веществ и т.д.), а также, в устранении нежелательных пожаров и взрывов [2, 3], которые ежегодно приносят экономический, экологический и социальный ущерб. Инициирование горючих веществ в различных технологических процессах и природных явлениях, как правило, имеет тепловую природу. Знание фундаментальных закономерностей процесса, характеристик зажигания необходимо для оценки возможности возникновения пожаровзрывоопасных ситуаций, с другой стороны оценки эффективности и разработки устройств, предназначенных для обеспечения стабильных условий зажигания реакционноспособных веществ (РВ). С переходом на качественно новые источники инициирования, новые составы и структуры конденсированных РВ в настоящее время актуально исследование закономерностей процесса, временных и энергетических характеристик зажигания при различных способах внешнего теплового воздействия. Высокая стоимость экспериментальных работ, а в некоторых случаях невозможность проведения эксперимента по техническим причинам, повышают роль вычислительного эксперимента.

Особый интерес представляют процессы зажигания РВ при воздействии источников с ограниченным запасом тепла. Например, горячие частицы малых размеров, локальные очаги разогрева, импульсные высокоэнергетические воздействия могут являться источниками зажигания в специальных системах воспламенения, а также причиной воспламенения на производстве и в бытовых условиях (замыкание в системе электропроводки), в промышленности (промышленная пыль, искры от удара и трения), в строительстве (например, сварка). Локальные очаги разогрева возникают при поглощении излучения оптическими неоднородностями, находящимися в прозрачном для излучения

РВ, или при адиабатическом сжатии газовых включений при ударе [4]. Важная часть проблемы связана с инициированием процесса, исследованием механизма и параметров зажигания, определением критических условий. Прикладная значимость подобного исследования связана с возрастающим числом техногенных аварий, пожаров и взрывов последних лет.

Анализ литературных источников показал, что малоизученными остаются вопросы влияния выгорания РВ и фазовых переходов в процессе зажигания, динамика возникновения высокотемпературных очагов на процесс зажигания. Нет сравнения параметров зажигания при различных способах инициирования

Целью работы является:

• Моделирование и численное исследование закономерностей зажигания конденсированного вещества горячей частицей с учётом выгорания РВ в процессе прогрева. Определение критических условий и режимов зажигания, временных характеристик, влияния параметров системы на закономерности процесса, его режимы и критические условия. Исследование влияния фазовых переходов в инертной частице на процесс зажигания РВ.

• Сравнение характеристик зажигания РВ при различных способах внешнего теплового воздействия.

• Исследование динамики процесса зажигания при поглощении импульса излучения находящимися в РВ отдельными поглощающими центрами. Изучение влияния совокупности оптических неоднородностей на закономерности, параметры и пределы зажигания прозрачных веществ импульсом излучения.

Научная новизна работы:

• Определены закономерности и динамика процесса зажигания горячим инертным телом при учете выгорания РВ и фазовых переходов в инертном теле. Определены различные режимы зажигания и критические условия

РВ. воспламенения. В надкритических определены времена индукции зависимости от параметров системы. в

• Проведено сравнение времен зажигания и запасенных к моменту зажигания энергий при различных способах теплового инициирования РВ.

• Исследована динамика зажигания РВ при поглощении потока излучения находящимися в веществе оптическими неоднородностями. Определена зависимость критических параметров зажигания от радиуса поглощающей излучение частицы при длительном импульсе. Определен характер изменения параметров зажигания при воздействии коротких и длинных импульсов излучения, поглощаемых малыми и большими частицами.

• Исследовано влияние соседства поглощающих излучение частиц на режимы и параметры зажигания прозрачных РВ импульсом излучения. Определены особенности изменения критических параметров зажигания для совокупности мелких и крупных частиц.

Практическая значимость

Полученные результаты исследования задачи зажигания РВ горячей инертной частицей позволяют провести оценки параметров взрывобезопасного состояния высокоэнергетических систем при воздействии на них частиц высокой температуры, а также временных параметров различных режимов зажигания.

Показана возможность применения критериев зажигания при инициировании конденсированного вещества горячим телом с конечным запасом тепла.

Результаты сравнения по временам инициирования и запасенным энергиям в РВ к моменту зажигания при различных способах внешнего теплового воздействия, исследования взаимосвязей между ними позволяют оптимизировать процесс инициирования конденсированного вещества:

Полученные закономерности и пределы^ зажигания веществ импульсом излучения, поглощаемого импульсом оптическими неоднородностями, можно использовать для качественного представления динамики процесса зажигания и анализа результатов воздействия на прозрачное вещество коротких и длинных импульсов излучения, для разработки систем быстрого и стабильного зажигания.

Результаты исследования взаимовлияния совокупности поглощающих излучение частиц на зажигание прозрачного вещества импульсом излучения можно использовать: 1) для оценки опасных концентраций оптических неоднородностей в РВ, 2) при разработке инициирующих составов и устройств.

Результаты решения фундаментальных задач теории зажигания используются в курсе лекций «Теоретическая макрокинетика», читаемом на физико-техническом факультете Томского государственного университета.

Работа выполнялась в рамках грантов Российского фонда фундаментальных исследований (проект №03-03-33075, № 05-08-01396 а, № 06-03-32336 а), гранта Министерства образования РФ и CRDF в рамках программы BRHE (проект № 016-02).

Содержание работы:

Заключение диссертации по теме «Теплофизика и теоретическая теплотехника», Микова, Евгения Андреевна

IV.4 Выводы по главе IV

1. При воздействии на прозрачное РВ импульса излучения, поглощаемого находящимися в РВ частицами, на пределе зажигания при коротких и средних длительностях импульса точка воспламенения находится от поверхности крупной частицы на расстоянии ~ (0.03-K).05)i?o- В случае малых частиц это расстояние по отношению к радиусу частицы значительно больше ~ (0.1^0.15)i?0. При длинных импульсах точка воспламенения на пределе зажигания отдалятся от поверхности крупной частицы, в случае мелких частиц она приближается к поверхности частицы. Это связано с тем, что при зажигании крупной частицей ее температура значительно ниже, чем для мелкой частицей. В результате время зажигания крупной частицей значительно возрастает, увеличивается выгорание вблизи частицы и максимум скорости химического процесса смещается от поверхности, к.п.д. импульса излучения для зажигания возрастает с ростом длительности импульса, а энергетический вклад химического процесса к моменту зажигания остается на два порядка меньше кондуктивного теплоприхода от частицы.

2. На пределе зажигания более быстро зажигают РВ мелкие частицы, но это быстрое зажигание обеспечивает более мощный импульс. Предельная энергия импульса и запасенная от импульса в системе энергия тем меньше, чем меньше радиус частицы. При длительных импульсах с увеличением размера частиц, для зажигания РВ требуется меньшая плотность мощности потока излучения q0. При этом увеличивается время зажигания и увеличивается прогретая от частицы зона РВ.

3. Соседство поглощающих излучение частиц влияет на процесс зажигания РВ при достаточно близком их расположении. Коллективный эффект частиц приводит к уменьшению минимальной плотности энергии (мощности) импульса, необходимой для зажигания. При этом возможно изменение характера прохождения процесса и значительное возрастание времени зажигания. В надкритических условиях коллективный эффект приводит к уменьшению времени зажигания.

4. В случае мелких частиц, их соседство влияет прежде всего на критическую плотность энергии излучения при длительных импульсах. При этом значительно (на 2 порядка) уменьшается предельная плотность мощности излучения, точка воспламенения смещается от поверхности частицы, а время зажигания возрастает на три порядка.

5. В случае коротких импульсов влияние соседства мелких частиц на зажигание КРВ возможно лишь при еще больших их концентрациях (возрастает на 2 порядка по отношению к случаю длительных импульсов). Критические плотности мощности и энергии излучения при этом уменьшаются незначительно (на несколько процентов), но динамика процесса изменяется существенно - воспламенение происходит в режиме теплового взрыва при возрастании времени воспламенения на 3 порядка.

6. В случае крупных частиц их соседство прежде всего отражается на уменьшении времени зажигания при длинных импульсах излучения. Уменьшение предельной плотности энергии импульса происходит при дальнейшем увеличении концентрации: для длинного импульса на два порядка, для короткого - в два раза.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Выполненное в работе исследование позволяет сделать следующие основные выводы.

1. При инициировании РВ частицей высокой температуры определены четыре различных режима прохождения процесса зажигания в зависимости от запаса тепла в частице и выгорания РВ. В фазовом пространстве (Td, d) определены области существования этих режимов и исследован характер их изменения в зависимости от температурного напора частицы. Фазовый переход в горячей частице вблизи критических условий влияет на процесс зажигания РВ, приводя к его неустойчивости. При этом критический размер частицы уменьшается, а время устойчивого зажигания существенно возрастает.

2. Сравнительный анализ зажигания конденсированного вещества при различных способах внешнего теплового воздействия показал: а) при увеличении запасенной в РВ к моменту зажигания энергии от внешнего источника время зажигания увеличивается при воздействии горячей поверхностью и лучистым потоком тепла и уменьшается для очага разогрева и при зажигании горячим телом с конечным запасом тепла; б) при одинаковой запасенной к моменту зажигания в РВ энергии время очагового инициирования на два порядка меньше зажигания горячей поверхностью, лучистым потоком и инертным телом с конечным запасом тепла; в) при очаговом инициировании минимальная энергия и время зажигания наблюдается для П-образного очага разогрева.

3. Исследована динамика зажигания прозрачного РВ при поглощении потока излучения находящимися в веществе мелкими и крупными оптическими! неоднородностями в случае коротких и длинных импульсов излучения. Определенны зависимости предельных для зажигания плотностей мощности и энергии излучения от длительности импульса излучения. Определено влияние выгорания на процесс и пределы зажигания.

4. Влияние соседства поглощающих излучение частиц на процесс зажигания РВ проявляется при близком их расположении. Это влияние отражается на режимах, временных и предельных энергетических параметрах. Коллективный эффект частиц приводит к уменьшению времени зажигания, предельных плотности энергии короткого импульса и плотности мощности длинного импульса излучения. Сближение мелких частиц, прежде всего, отражается на уменьшении критических энергетических параметров импульса, а в случае крупных частиц — на временах зажигания.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Микова, Евгения Андреевна, 2009 год

1. Обработка металлов взрывом / А. В. Крупин, В. Я. Соловьев, Г. С. Попов, М. Р. Кръетев -М.: Металлургия, - 1991. -496 с.

2. Безопасность жизнедеятельности: Учебник для вузов / Л.А. Михайлов, В. П. Соломин, А. Л. Михайлов, А. В. Старостенко и др. Спб.: Питер, 2007. -302 с.

3. Корольченко А. Я. Пожаровзрывоопасность промышленной пыли. — М.: Химия, 1986.-216 с.

4. Дубовик А.В., Боболев В.К. Чувствительность жидких взрывчатых веществ к удару. М.: Наука, 1978. - 232 с.

5. R.S. Burkina Mikova Е. A. The Analysis of Power and Temporary Parameters of Ignition of Reactive Substances at Various Ways of Thermal Influence // Eurasian Physical Technical Journal. 2004. V.l, № 1. Karaganda, Kazakhstan. -P. 55-61.

6. Микова Е.А. Анализ критериев зажигания при инициировании конденсированного вещества горячей сферой // Материалы I Всероссийской конференции молодых учёных «Физика и химия высокоэнергетических систем». Томск: изд-во Том. ун-та, 2005. - С. 266-268.

7. Микова Е.А. Исследование зажигания реакционноспособного вещества горячей сферической частицей // Физика и химия наноматериалов: Сб. материалов международной школы конференции молодых учёных (13-16 декабря 2005г.). -Томск: ТГУ, 2005. - С. 399-402.

8. Микова Е.А. Исследование воспламенения конденсированного вещества горячей сферой // Материалы II Всероссийской конференции молодых учёных «Физика и химия высокоэнергетических систем». Томск: изд-во Том. ун-та, 2006. - С. 239-241.

9. Буркина Р.С. Микова Е.А. Высокотемпературное зажигание реакционноспособного вещества горячей инертной частицей с конечным запасом тепла // Физика горения и взрыва. 2009. - Т.45. - №2. - С.40-47.

10. Семенов Н. Н. К теории процессов горения // Журн. Рус. Физ.-хим. о-ва. 1928. Т. 60. - № 3. - С. 241-250.

11. Семенов Н. Н. Цепные реакции. — JL: Госхимиздат, 1934. — 555 с.

12. Франк — Каменецкий Д. А. Распространение температуры в реакционном сосуде и стационарная теория теплового взрыва // Журн. физ. хим. 1939. - Т. 13. - вып.6. - С. 738-755.

13. Франк Каменецкий Д. А. Диффузия и теплопередача в химической кинетике. — М.: Наука, 1987. — 490 с.

14. Барзыкин В.В., Мержанов А.Г. Краевая задача в теории теплового взрыва // Докл. АН СССР. 1958. - Т.120. - №6. - С.1271-1273.

15. Мержанов А.Г., Абрамов В.Г., Гонтковская В.Т. О закономерностях перехода от самовоспламенения к зажиганию //Докл. АН СССР. -1963. — Т.148. -№1. — С.156-159.

16. Зельдович Я. Б. Теория зажигания накаленной поверхностью // Журнал экспериментальной и теоретической физики. 1939. - Т. 9. -№ 12. -С. 1530-1534.

17. Зельдович Я. Б. К теории зажигания // Докл. АН СССР.-1963.-Т. 150.-№2.-С. 283-285.

18. Вилюнов В.Н. Теория зажигания конденсированных веществ. -Новосибирск: Наука, 1984. 190 с.

19. Вилюнов В.Н. К тепловой теории зажигания // Физика горения и взрыва. 1966. - Т. 2. - № 2. - С. 77-82

20. Вилюнов В.Н., Сидонский О.Б. К вопросу о зажигании конденсированных систем лучистой энергией // Физика горения и взрыва. —1965. Т. 1. - № 4. - С.39-43.

21. Аверсон А. Э., Барзыкин В. В., Мержанов А. Г. Приближенный метод решения задач тепловой теории зажигания // Докл. АН СССР. 1968. Т. 178, № 1. С. 131-134

22. Вилюнов В.Н., Колчин А.К. О зажигании конденсированных ВВ при кондуктивном подводе тепла от сред с плохой теплопроводностью // Физика горения и взрыва. 1966. - Т. 2. - № 3. - С. 101-109.

23. Аверсон А. Э., Барзыкин В. В., Мержанов А. Г. Закономерности зажигания систем при идеальном теплообмене па поверхности с учетом выгорания // Инженерно физический журнал. - 1965. - Т. IX. - № 2. - С. 245249.

24. Шкадинский К. Г. Особенности выхода на установившийся режим горения при зажигании безгазовых составов накаленной прверхностью // Физика горения и взрыва. 1971. - Т. 7. - № 3. - С. 332-336.

25. Шкадинский К. Г., Хайкин Б. И., Мержанов А. Г. Распространение пульсирующего фронта экзотермической реакции в конденсированной фазе // Физика горения и взрыва. 1971. - Т. 7. - № 1. - С.19-28.

26. Гришин А. М., Субботин А.Н. О сопряженном теплообмене между нагретыми инертными телами и реакционноспособной средой // Тепло- и массоперенос. Т. 1. 4.1. Минск: Изд. ИТМО АН БССР. 1972. С. 286-294.

27. Гришин А. М. О решении одного класса задач теории зажигании // Первый всесоюзный симпозиум по горению и взрыву. 19-24 февраля 1968 г. Тезисы докладов. М: Наука, 1968. С.15.

28. Гольдшлигер У.И., Прибыткова К.В., Барзыкин В.В. Зажигание конденсированных веществ накалённым телом конечных размеров // Физика горения и взрыва. 1973. - Т. 9. - № 1. - С. 119-132.

29. Лоскутов Г.С., Сандрыкина Т.С., Сопряженная задача кондуктивного теплообмена между нагретой частицей и реакционной средой //

30. Математическое моделирование аэротермохимических явлений. — М.: Изд-во ВЦ АН ССР. 1974. - С. 145-155.

31. Кузнецов Г.В., Мамонтов Г .Я., Таратушкина Г.В. Численное моделирование зажигания конденсированного вещества нагретой до высоких температур частицей // Физика горения и взрыва. 2004. - Т. 40. - № 1. — С. 7885.

32. Кузнецов Г.В., Мамонтов Г.Я., Таратушкина Г.В. Зажигание конденсированного вещества горячей частицей // Химическая физика. 2004. -Т. 23. - № 3. - С. 67-72.

33. Берман B.C., Рязанцев Ю.С. О поджигании гомогенной реагирующей среды тепловым источником с конечным запасом тепла // Прикладная математика и механика. 1976. - Т. 40. - вып.6. - С. 1065-1069.

34. Боуден Ф.П., Иоффе А.Д. Быстрые реакции в твердых веществах. М.: Изд-во иностранной литературы, 1962. 234 с.

35. Бриш А.А., Галеев И.А., Зайцев Б.Н. и др. О механизме инициирования конденсированных ВВ излучением ОКГ // Физика горения и взрыва. 1969. - Т. 5. - № 4. - С. 475-480.

36. Александров Е.И., Вознгок А.Г. Инициирование азида свинца лазерным излучением // Физика горения и взрыва. 1978. - Т. 14.-№ 4. -С. 86-91.

37. Hagan J.T., Chaudhri М.М. Low energy laser initiation of single crystals of p-lead azide // Journal of materials science. 1981. - Vol. 16. 9. - P. 24572466.

38. Карабанов Ю.Ф., Боболев B.K. Зажигание инициирующих ВВ импульсом лазерного излучения // Докл. АН СССР. 1981. - Т. 256. -№ 5. -С. 1152-1154.

39. Александров Е.И., Ципилев В.П. Исследование влияния длительности возбуждающего импульса на чувствительность азида свинца к действию лазерного излучения // Физика горения и взрыва. 1984. - Т. 20. -№6.-С. 104-109.

40. Александров Е.И., Вознюк А.Г., Ципилев В.П. Влияние поглощающих примесей на зажигание ВВ лазерным излучением // Физика горения и взрыва. 1989. - Т. 25. - № 1. - С. 3-9.

41. Ворожцова О.Б. Очаговый тепловой взрыв при воздействии импульсного излучения // Химическая физика. — 1990. — Т. 9. № 12. — С. 1639 -1643.

42. Александров Е.И., Сидонский О.Б., Ципилев В.П. Влияние выгорания в окрестности поглощающих включений на процесс лазерного зажигания конденсированной среды // Физика горения и взрыва. —1991.— Т. 27.-№3,-С. 7-12.

43. Чернай А.В. О механизме зажигания азидов свинца лазерным моноимпульсом // Физика и техника высоких давлений. — 1997. — Т. 7. — № 4. -С. 60-68.

44. Ассовский И.Г. Физика горения и внутренняя баллистика. М.: Наука, 2005. - 357 с.

45. Буркина Р. С., ВилюновВ.Н.О возбуждении химической реакции в горячей точке // Физика горения и взрыва. 1980: - Т. 16. - № 4. - С.75-79.

46. Буркина Р.С., В.Н. Вилюнов В.Н. Очаговое тепловое воспламенение при произвольном начальном распределении температуры // Химическая физика. -1982. Т. 1. -№3. -С.419-422.I

47. Самарский А.А. Теория разностных схем. М. Наука, 1983. 616 с.

48. Коздоба JI.A. Методы решения нелинейных задач теплопроводности. М. Наука, 1975. 227 с.

49. Кухлинг X. Справочник по физике. М., Мир, 1984 520 с.

50. Рэди Дж. Действие мощного лазерного излучения. М.: Мир, 1974. -468 с.

51. Рыкалин Н. И., Углов А.А., Зуев И.В. и др. Лазерная и электроннолучевая обработка материалов: Справочник. М.: Машиностроение, 1985. — 495 с.

52. Буркин В.В., Буркина Р.С. Исследование энергетических параметров электроплазменного устройства зажигания конденсированныхсреакционноспособных веществ // Хаос и структуры в нелинейных системах.

53. Теория и эксперимент Материалы 5-й международной научной конференции. Часть 2. Астана: Изд-во ЕНУ. - 2006. - С. 220-225.

54. Кригер В.Г., Каленский А.В. Инициирование азидов тяжелых металлов импульсным излучением // Химическая физика. 1995. - Т. 14.-№4.-С. 152-160.

55. Кригер В.Г., Каленский А.В. Размерный эффект при инициировании разложения азидов тяжелых металлов импульсным излечением // Химическая физика. 1996. - Т. 15. - № 3. - С. 40-47.

56. Адуев Б.П., Алукер Э.Д., Кречетов А.Г. Дивакансионная модель инициирования азидов тяжелых металлов // Физика горения и взрыва. 2004. — Т. 40.-№2.-С. 94-99.

57. Ханефт А.В. Гетерогенно-цепной механизм инициированияазида свинца лазерным импульсом в области прозрачности кристалла // Химическая физика.-2004.-Т. 23. -№5. -С. 55-61.

58. Александров Е.И., Ципилев В.П. Влияние давления прессования на чувствительность азида свинца к действию лазерного излучения // Физика горения и взрыва. -1982. -Т. 18. -№2. -С. 100-103.

59. Медведев В.В. Лазер с регулируемой длительностью импульса на базе серийных ОКГ ГОС-301 // Приборы и техника эксперимента. 2000. № 6. С. 89-91.

60. Александров Е.И., Ципилев В.П. Особенности светового режима в объеме полубесконечного слоя ДСР при освещении направленным пучком конечной апертуры//Изв. вузов Физика. 1988. -Т. 31. —№10. -С. 23-29.

61. Александров Е.И., Вознюк А.Г. Влияние статистики поглощающих неоднородностей на лазерное инициирование взрывчатого разложения // Физика горения и взрыва. 1988. - Т. 24. - № 6. - С. 98-100.

62. Zaturska М.В. The interaction of hot spots // Combustion and Flame. -1974. V. 23. -№3. -P. 313-317.

63. Zaturska M.B. Thermal explosion of interacting hot spots // Combustion and Flame. 1975. -V. 25. -№ 1. -P. 25-30.