Парафин как основа легкоплавкого твердого топлива: экспериментальное исследование процессов самовоспламенения и уноса массы под воздействием воздушного потока

Институт проблем механики им. А.Ю. Ишлинского РАН

При обдуве твердых материалов высокотемпературным газом на поверхности происходят физико-химические превращения, и продукты разложения или испарения могут самовоспламеняться при наличии окислителя и подходящих температурных условиях. Особый интерес вызывают легкоплавкие вещества, например парафин, у которых температура плавления ниже температуры газа. В отличие от газифицирующихся материалов (например, ПММА), где конвективный тепловой поток блокируется продуктами пиролиза, легкоплавкие материалы образуют слой расплава, который под действием потока диспергирует и интенсивно поступает в газовую фазу. Это значительно увеличивает скорость регрессии топлива, что особенно важно для использования такого топлива в промышленности. Исследование процессов плавления, диспергирования и горения легкоплавкого топлива является комплексной научно-технической задачей, характеризующейся сопряжённостью межфазных взаимодействий и фазовых превращений.

Для решения задачи, поставленной выше, было проведено большое количество экспериментов на установке, которая позволяет создавать высокотемпературный поток окислителя, в качестве которого используется атмосферный воздух. В качестве объекта исследования был выбран парафин марки П-2, из которого были сделаны опытные образцы, представляющие из себя прямоугольный брусок со скошенной под 30 градусов входной кромкой, которые помещались в рабочую камеру. Температура воздуха на входе в рабочую камеру варьировалась в диапазоне 600–1000 К, расход воздуха – в пределах 0.05–0.22 кг/с, давление в рабочей камере варьировалось в диапазоне 0.4–2.0 МПа.

В результате установлено, что самовоспламенение образца парафина происходит при определенных значениях параметров T_in (температура потока на входе в рабочую камеру) и G_a (массовый расход потока). Самовоспламенение происходит, когда T_in превышает 770 К, а его расход G_a превышает 0.1 кг/с. По результатам экспериментов построена граница области устойчивого самовоспламенения парафина в координатах (G_a, T_in). Также была определена задержка воспламенения, которая присутствовала в каждом случае, но в зависимости от параметров эксперимента, задержка была разной. В результате анализа экспериментальных данных и теоретических исследований была предложена модель воспламенения парафина. Проведены исследования влияния геометрических размеров образца, а также наличия искусственных преград на параметры плавления и самовоспламенения образца

Как указывалось выше, одним из важных параметров является скорость регрессии топлива. Установлена зависимость скорости регрессии образца от параметров набегающего потока горячего воздуха. Под воздействием потока происходит прогрев верхнего слоя парафина и его расплавление, образование тонкого слоя в 2-3мм, основная масса которого стекает к задней кромке образца, где образуется застойная зона. На поверхности расплавленного материала под действием касательных напряжений со стороны воздушного потока образуются волны. С помощью высокоскоростной камеры с объективом высоко увеличения были определены амплитуды и длины этих волн, средние значения которых составляли 0,1-0,3мм и 0,5-2 мм соответственно. Разработана модель регрессии образца в высокотемпературном потоке воздуха.

Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 24-19-00703, https://rscf.ru/project/24-19-00703/

Владислав Александрович Усанов

• Подробнее...

Численное исследование распространения пламени в периодически неоднородных средах

Сколковский Институт Науки и Технологий

Рассматривается проблема распространения одномерной волны горения в периодически неоднородной среде. Проблема мотивирована явлением регуляризации колебаний скорости детонационной волны, обнаруженным в недавних исследованиях детонации в неоднородных смесях [1]. Известно, что как детонационные волны [1], так и медленные волны горения [2], распространяющиеся в однородных средах, обладают сложной нелинейной динамикой. В этом случае скорость волны может колебаться регулярно или хаотически в зависимости от параметров смеси (например, энергии активации). Вопрос о влиянии периодических внешних условий на такие колебания представляет научный и практический интерес.

В данной работе исследуется явление регуляризации динамики волны горения при ее распространении в периодически неоднородной среде. Изучается модельная система уравнений реакции-диффузии для безразмерной температуры T и концентрации топлива C с Aррениусовской кинетикой выделения энергии.

Мы исследуем, как пространственная неоднородность начальной концентрации топлива, C(x, 0), а также коэффициента тепловых потерь, q=q(x), влияет на динамику волн. В частности, мы рассматриваем случаи, когда начальная концентрация следует профилю C=C0 + a sin(k x), или коэффициент тепловых потерь изменяется как q(x)=q0 + a sin(k x), где a и k представляют собой амплитуду и волновое число возмущений соответственно. Влияние этих параметров на динамику волн горения анализируется путем численного решения системы уравнений для различных значений волнового числа и амплитуды неоднородности и определения соответствующей скорости волны для каждого случая.

Проведенный анализ позволил выявить явления регуляризации и синхронизации колебаний, а также существование областей синхронизации при определенных значениях волнового числа. Установлено, что характер колебаний существенно зависит от k. При приведении двухпараметрического исследования и одновременном изменении волнового числа и амплитуды неоднородности были получены структуры, напоминающие языки Арнольда. Были проанализированы области внутри и вне языков и описаны различные режимы синхронизации пламени в неоднородной среде.

Марьюш Здиславович Сорока

• Подробнее...