Влияние электрического поля на тепловую структуру диффузионного пламени коаксиальных струй

Большинство современных твердых топлив, применяемых в двигателе-строении, являются смесевыми, так как по сравнению с баллиститными, они имеют более высокий удельный импульс и при их разработке имеются большие возможности создания композиций с самыми разнообразными сочетаниями свойств.

Способы регулирования закономерностей горения СТРТ можно разбить на два класса — это рецептурные и физические.

При рецептурном способе используются различные окислители и горю-чесвязующие, изменяется фракционный состав окислителей, в состав вводятся ингибиторы и катализаторы горения, металлы, высокоэнергетические добавки. Все эти действия позволяют получить необходимые уровень скорости, закон горения и температурный коэффициент. Это является причиной большой номенклатуры существующих твердых топлив и огромной потребности в разработках новых с необходимыми свойствами.

Физические методы способствуют изменению скорости горения за счет конструктивных приемов, например, введение в топливо теплопроводящих элементов, обычно нитей [1], воздействие магнитными [2] и электрическими полями [3,4].

В данной работе экспериментально изучена и показана возможность управления скоростью горения ТРТ при помощи внешнего электрического поля.

Горение смесевого топлива включает как особенности горения газовых систем (диффузионных и предварительно перемешанных), так и конденсированных. Здесь необходимо выделить три класса явлений — гетерогенные, к-фазные и газофазные. Гетерогенные процессы — это гетерогенное окисление связующегок-фазные — это линейный пиролиз окислителя и связующего и подповерхностное разложение окислителя, охладителя и других составляющихгазофазные — это процессы, включающие в себя два вида пламен — кинетическое и диффузионное.

Смесевые топлива в простейшем случае состоят из распределенных внутри матриц из горючего (полимера) частиц окислителя. Процесс горения СТРТ включает в себя, в виде подпроцесса, горение полимерного связующего. Полимеры относятся к классу веществ, газифицирующихся при горении. Они имеют температуру разложения ниже температуры кипения и поэтому образуют газообразные продукты горения в результате разложения. При диффузионном горении полимеров выделяют пять зон: зоны прогрева и реакции в конденсированной фазе, предпламенная зона и зона реакции в пламени, зона продуктов сгорания. Процесс горения полимеров в газовой фазе лимитируется массооб-менном диффузионного пламени, а газификация полимера — теплообменом от пламени к полимеру. Основное количество энергии передается конвективным и кондуктивным теплообменом [6,5].

Режим горения смесевого твердого ракетного топлива зависит от его фракционного и химического состава [5]. На рис. 1 схематически представлены пламена, реализуемые при горении монофракционного СТРТ, с окислителем способным к самостоятельному горению, причем в случае, а — избыток окислителя, а в случае б — горючего (1 — монопламя окислителя, 2 — диффузионное пламя).

ШШ ягсв^ Л а.

Рис. 1 Структура пламен СТРТ, 1 — кинетическое пламя окислителя, 2-диффузионное пламя Каждое из пламен в зависимости от положения обеспечивает поступление энергии в горючесвязующее и окислитель теплопроводностью. Унос же окислителя и связующего определяется теплоотводом из газовой фазы, реакцией разложения и фазовым переходом к-фазы. При изменении кинетики фазовых переходов ГСВ и окислителя изменяется форма диффузионного пламени и его вклад в нагрев к-фазы.

Актуальность темы

.

Поскольку основное тепловыделение и тепловой поток, определяющий регрессию к-фазы, а, следовательно, и скорость горения СТТ, определяются диффузионным пламенем между пиролизатом связующего и парами окислителя [6,5]. То актуальной является задача экспериментального определения теплового состояния получаемого диффузионного пламени, расположения источников и стоков тепла.

Известно [7,8], что пламя, несмотря на свою низкую температуру, является плазмой. Более того, внутри пламени распределение зарядов упорядоченно, что приводит к наличию положительно и отрицательно заряженных зон [9].

В работе [10], показано существование квазистационарных областей зарядов в ламинарных пламенах полученных при сжигании предварительно приготовленных смесей метана и пропан-бутана с воздухом. Отрицательный потенциал сосредоточен во внутренней области пламени и достигает величины 24 мВ. Области положительного заряда сосредоточены вблизи выходного сечения горелки и распространяются вплоть до оси, отсутствуют во внутренних зонах диффузионных пламен выше по потоку.

Наличие распределенного электрического заряда в пламени позволяет управлять формой пламени при помощи внешнего электрического поля, а, следовательно, и положением источников тепла, тепловым потоком в к-фазу и, наконец, скоростью горения.

Не ясно влияние внешнего электрического поля на механизм химической реакции и на диффузионные процессы, что может являться предметом отдельного исследования. Известно [11], что исходное топливо претерпевает существенные изменения по пути к фронту пламени. В низкотемпературной зоне, в области подготовки, где раннее предполагалось наличие лишь теплофизических процессов, идет генерация заряженных частиц и ионно-молекулярные реакции.

Большой интерес исследователей уделяется вопросу взаимодействия пламени с электрическими полями, объясняется это прежде всего возможностью существенного воздействия на процесс горения без затраты большого количества энергии. Интенсивно исследуется участие заряженных частиц в образовании и росте зародышей сажи, в процессах воспламенения и распространения волны горения. Однако основные вопросы, связанные с механизмами образования первичных и последующих ионов, с ролью ионов в процессах происходящих при горении, использовании электрических свойств пламени для управления процессом горения, остаются открытыми.

Влияние электрического поля на процесс горения к-систем в настоящее время изучено мало. Экспериментальные работы по изучению влияния электрического поля на процесс горения к-систем, показали изменение скорости горения в зависимости от направления поля. Что позволяет сделать вывод о участии заряженных частиц в процессе горения к-систем. На сегодняшний день, не одна из существующих моделей гетерогенного горения топлива не рассматривает влияние электрофизических процессов, которые, несомненно, играют не маловажную роль в процессе горения.

Исходя из вышесказанного, актуальной становится задача по экспериментальному определению теплового состояния получаемого диффузионного пламени, расположения источников и стоков тепла и исследованию влияния внешнего электрического поля на тепловую структуру диффузионного пламени коаксиальных струй, с использованием полученных закономерностей для управления скоростью горения СТТ.

Цель диссертационной работы.

Развитие системы знаний, детализация моделирования процесса горения с целью нахождения возможности и методики управления величиной скорости горения СТТ при помощи внешнего электрического поля.

Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:

• Разработать и изготовить экспериментальную установку по исследованию тепловой и электрической структуры диффузионных пламен коаксиальных струй, моделирующих горение СТТ;

• Исследовать распределения температур и электрических потенциалов в диффузионных пламенах коаксиальных струй. Определить места источников и стоков тепла и локализации положительных и отрицательных зарядов;

• Определить влияние коэффициента избытка окислителя и природы инертного разбавителя на тепловую и электрическую структуру, рассматриваемых пламен;

• Определить влияние внешнего электрического поля на геометрию и тепловую структуру диффузионного пламени коаксиальных струй при различных инертных разбавителях и в зависимости от величины коэффициента избытка окислителя;

• На основе полученных результатов исследовать механизм действия электрического поля на скорость горения СТТ.

Объект исследования.

Диффузионное ламинарное пламя коаксиальных струй.

Предмет исследования.

Электрическая и тепловая структура диффузионного ламинарного пламени коаксиальных струй пропана и кислорода с инертными добавками.

Научная значимость состоит в том, что в данной работе получен новый научный результат, который заключается в следующем:

На изготовленной установке произведено моделирование пламен, реализующихся при горении СТТ.

Изучено распределение температуры и электрического потенциала при диффузионном горении коаксиальных струй в зависимости от величины коэффициента избытка окислителя и природы инертного разбавителя. Найдены места локализации тепловых и электрических источников.

Найдено и описано изменение геометрии пламени, распределения температуры, мест локализации тепловых источников в результате взаимодействия внешнего электрического поля с заряженными областями пламени.

На основании полученных экспериментальных результатов дана интерпретация механизма влияния электрического поля на скорость горения СТТ.

Достоверность результатов работы обеспечивается соответствующей точностью и тарировкой измерительных систем, воспроизводимостью результатов экспериментов, использованием современных компьютерных аппаратных и программных средств сбора и обработки данных.

Практическая ценность и внедрение. Полученные результаты позволяют описать механизм влияния электрического поля на скорость горения СТТ и служат рекомендациями при разработке методологии регулирования процесса горения СТТ с помощью внешнего электрического поля.

Установленные в работе закономерности создают предпосылки для разработки принципиально новых способов управления, контроля процесса горения на основе использования электрических явлений в пламени. Полученные экспериментальные данные можно использовать для описания механизмов взаимодействия пламени газообразных, жидких, дисперсных и твердых веществ с электрическим полем.

Работа отмечена грантом «УМНИК 2007» по теме «Разработка методики интенсификации процесса горения внешним электрическим полем для энергетических установок» (№ госрегистрации 7754).

Научная и практическая значимость работы подтверждена актом об использовании результатов диссертационной работы ФГУП «НПО «Техномаш».

Личное участие. Автором спроектирована и создана экспериментальная установка по исследованию тепловой и электрической структуры диффузионных пламен коаксиальных струй, реализующихся при горении СТТ, проведены экспериментальные исследования, апробирован способ определения локальных значений температуры и электрического потенциала области горения, обработаны и проанализированы полученные экспериментальные данные, выполнено обобщение полученных результатов. Все результаты работы получены автором лично.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на следующих международных и всероссийских конференциях: Всероссийская научно-техническая конференция «Наука — производство — технология — экология», Киров, 2006, 2007, 2008; Международная научная конференция «Туполевские чтения», Казань, 2005, 2006, 2007, 2008; «VI Минский международный форум по теплои массообмену», Минск, 2008.

По результатам работ автор удостоен наград: Диплом I ст. международной научной конференции «XV Туполевские чтения», Казань, 2007; Диплом I ст. международной научной конференции «XVI Туполевские чтения», Казань, 2008.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 18 научных работ. Из них: 14 тезисы докладов научно-технических конференций, 1 тезисы доклада на международном форуме по теплои массообмену (Минск), 1 рукопись-монография, 2 статьи в журналах, в том числе 1 в журнале, рекомендуемом ВАК для публикации основных результатов диссертации.

Структура и объем диссертации

Диссертация изложена на 109 страницах и состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы из 67 библиографических источников и приложения. Работа иллюстрирована 70 рисунками и содержит 2 таблицы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Экспериментальное изучение тепловой и электрической структуры диффузионных пламен, моделирующих пламя СТРТ, показало возможность регулирования скорости горения СТРТ путем изменения теплового потока к поверхности к-фазы наложением на пламя продольного электрического поля. При наложении на пламя электрического поля изменяется форма и высота пламени. Вместе с этим происходит изменение положения источников тепловыделения в пламени. Электрическое поле оказывает различное воздействие на пламена с избытком и недостатком окислителя.

Для колоколообразного пламени источник тепла находится на оси горелки, в верхней части пламени, вблизи максимума положительного электрического потенциала при любом направлении вектора напряженности электрического поля. При совпадении вектора напряженности с направлением тока горючего, максимальная температура пламени повышается до 7% и высота пламени увеличивается от 2 до 30%, при обратном направлении происходит ее снижение до 7% и вместе с этим высоты пламени от 13 до 43%.

Для блюдцеобразного пламени область выделения тепла находится во фронте пламени, средней части ярко-голубого свечения, вблизи максимального отрицательного заряда. При наложении внешнего электрического поля и изменении формы пламени, всегда остается в средней части зоны ярко-голубого свечения, поднимаясь или опускаясь с фронтом. Максимальная температура не зависит от направления поля, всегда остается практически постоянной.

При совпадении вектора напряженности с направлением тока горючего: колоколообразное пламя вытягивается, а блюдцеобразное прижимается к срезу горелки. При обратном направлении поля кололообразное пламя прижимается, а блюдцеобразное вытягивается.

В пламени колоколообразной формы происходит повышение максимального значения температуры при направлении вектора напряженности по потоку газа, при обратном направлении происходит ее снижение.

Для увеличения скорости горения СТТ для случая а0>1, т. е. для приближения источника тепловыделения к горящей поверхности необходимо поле противоположного направления по отношению к потоку газа. Обратное направление поля приводит к отходу пламени и уменьшению скорости горения.

Ситуация при а&bdquo-<1, прямо противоположная — поле вдоль потока будет увеличивать скорость горения, а противоположное — уменьшать.

Характерной стадией горения СТТ является процесс разложения и газификации твердой фазы. Этот процесс существенно зависит от интенсивности теплоотвода к поверхности твердого топлива. Все факторы, увеличивающие те-плоотвод, ускоряют разложение и газификацию поверхностного слоя.

Таким образом, результатом диссертационной работы является экспериментально полученное распределение температуры и электрических потенциалов, местоположение источников выделения тепла и локализации положительных и отрицательных зарядов в диффузионном пламени коаксиальных струй в зависимости от коэффициента избытка окислителя и природы инертного разбавителя. Показано, что для всех рассматриваемых инертных добавок в составе окислителя, зона выделения тепла в пламенах с недостатком окислителя, заряжена отрицательно, а при избытке окислителя положительно. Определено влияние внешнего электрического поля на геометрию, тепловую структуру, максимальную температуру диффузионного пламени в зависимости от величины коэффициента избытка окислителя при различных инертных разбавителях. На основании полученных результатов предложен механизм действия электрического поля на скорость горения СТТ.