НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ

Файл статьи: SE-BMSTU...o462.pdf (1025.38Кб)

УДК 536.46

Россия,  МГТУ им. Н.Э. Баумана

Разработана математическая модель воспламенения одиночной частицы диборида алюминия как сплава алюминия с бором в окислительной среде сложного химического состава, содержащей кислород, водяной пар, диоксид углерода. В основе математической модели используется теория параллельных химических реакций, протекающих на соответствующих частях поверхности частицы, занимаемых каждым из элементов пропорционально их мольной доле в сплаве. Рассматривается возможность установления в газовой фазе над поверхностью частицы квазитермодинамического равновесие между компонентами, состав которых выбран в результате термодинамического расчета: В^газ, В₂О₃^газ, ВО, В₂О₂, ВО₂, Al^газ, AlO, Al₂O, N₂. Математическую модель образует система дифференциальных уравнений баланса энтальпии, массы частицы диборида алюминия и образующихся оксидов, которые замыкаются начальными и граничными условиями по температуре и размеру частиц, концентрации окислителя и температуры газа. Разработан программный комплекс «ALB2», являющимся самостоятельным законченным модулем, написанным на алгоритмическом языке Fortran, с помощью которой и пакета подпрограмм SPARKS выполняется расчет методом Рунге-Кутта параметров горения частицы диборида алюминия.
Для стехиометрии химических реакций взаимодействия алюминия и бора с кислородом рассчитана динамика изменения температуры частицы и толщины оксидной пленки на ее поверхности. В качестве начальных условий принят радиус частицы диборида - 100 мкм и начальная температура окружающей среды 500 К, 1000 К, 2300 К, 3000 К, в зависимости от которой рассчитывалась температура частицы диборида алюминия. Изменение толщины оксидной пленки на поверхности частицы при различных начальных температурах газа характеризует ее увеличение на начальном периоде нагрева ~0,01 с и постепенное замедление процесса окисления, обусловленное повышением защитных свойств оксидной пленки. Показано, что в качестве критерия воспламенения может быть принято условие срыва теплового равновесия, в соответствии с которым суммарное тепловыделение в момент воспламенения частицы в результате химических реакций должно превышать  тепловые потери на частице.

1. Бакулин В.Н., Дубовкин Н.Ф., Котова В.Н., Сорокин В.А., Францевич В.П., Яновский Л.С. Энергоемкие горючие для авиационных и ракетных двигателей / под ред. Л.С. Яновского. М.: Физматлит, 2009. 400 с.
2. Исследование ракетных двигателей на твердом топливе: сб. статей / под. ред. М. Саммерфилда; пер. с англ. под ред. И.Н. Козловского. М.: Иностранная литература, 1963. 440 с.
3. Гетерогенное горение: пер. с англ. / Под. ред. А.В. Ильинского. М.: Мир, 1967. 522 с.
4. Похил П.Ф., Беляев А.Ф., Фролов Ю.В., Логачаев В.С., Коротков А.И. Горение порошкообразных металлов в активных средах. М.: Наука, 1972. 294 с.
5. Ягодников Д.А. Воспламенение и горение порошкообразных металлов. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2009. 432 с.
6. Combustion of Boron-based Solid Propellants and Solid Fuels / K.K. Kuo, R. Pein, eds. Boca Raton: CRC Press, 1993. 526 p.
7. Химический энциклопедический словарь / под ред. И.Л. Кнунянца. М.: Советская энциклопедия, 1983. 792 с.
8. Елшина, Л.А., Кудяков В.Я., Молчанова Н.Г. Высокотемпературный синтез диборида алюминия из хлоридного расплава, содержащего В4С // Расплавы. 2007. № 6. С. 73-79.
9. Яковлева Т.А., Киро С.А., Киро А.Н. и др. Горение частиц диборидов металлов (титана и алюминия) в пламени газовой горелки // III Всес. школа-семинар «Макроскопическая кинетика, химическая и магнитная газовая динамика»: тез. докл. Ч. 2. Томск, 1991. С. 43-44.
10. Ягодников Д.А., Воронецкий А.В., Девятуха Д.Ю., Гусаченко Е.И., Сарабьев В.И.Особенности использования нано- и ультрадисперсных порошков диборида алюминия в пиротехнических составах // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение. 2009. № 2. С. 115-122.
11. Золотко А.Н., Ушакова Н.А., Демирова М.В. Гетерогенное воспламенение одиночной частицы с параллельными химическими реакциями на ее поверхности // Физика аэродисперсных систем: межвед. науч. сб. Вып. 47 / Одесский национальный университет им. И.И. Мечникова. Одесса, 2010. С. 91-99. Режим доступа: http://dspace.onu.edu.ua:8080/handle/123456789/2234 (дата обращения 01.11.2014).
12. Семенов Н.Н. Тепловая теория горения и взрыва // Теория горения и взрыва: сб. тр. / под ред. Ю.В. Фролова. М.: Наука, 1981. С. 33-149.