На правах рукописи

Глушков Дмитрий Олегович

ЗАЖИГАНИЕ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ ИСТОЧНИКАМИ

С ОГРАНИЧЕННЫМ ТЕПЛОСОДЕРЖАНИЕМ

01.04.17 – химическая физика, горение и взрыв, физика

экстремальных состояний вещества

01.04.14 – теплофизика и теоретическая теплотехника

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Томск – 2011 www.sp-department.ru 2

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Национальный исследовательский Томский политехнический университет»

доктор физико-математических наук, Научные руководители:

профессор Кузнецов Гений Владимирович кандидат физико-математических наук, доцент Стрижак Павел Александрович доктор физико-математических наук,

Официальные оппоненты:

старший научный сотрудник Ханефт Александр Вилливич доктор физико-математических наук, профессор Ильин Александр Петрович ФГУП Федеральный центр двойных

Ведущая организация:

технологий «Союз», Московская область 2011 г. в 1500 на заседании совета по защите доктор

Защита состоится « »

ских и кандидатских диссертаций Д 212.269.13 при ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский Томский политехнический университет» по адресу: 634050, г. Томск, ул. Усова, 7, корпус 8, ауд. 217.

С диссертацией можно ознакомиться в читальном зале научно-технической библиотеки ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский Томский политехнический университет».

Автореферат разослан « » 2011 г.

Ученый секретарь совета Д 212.269. кандидат технических наук, доцент А.С. Матвеев www.sp-department.ru

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы Общая теория зажигания конденсированных веществ разработана фундаментально (работы Я.Б. Зельдовича, А.Т. Мержанова, В.И. Вилюнова, В.Е. Зарко, Н.Н. Семенова, Д.А. Франк-Каменецкого) для условий конвективного, радиационного и кондуктивного механизмов переноса энергии в зону реакции. Но еще в 60-х годах прошлого столетия отмечалось (М. Саммерфилд, П.Л. Кауан), что условия зажигания твердых ракетных топлив одиночными нагретыми до высоких температур частицами отличаются от условий воздействия массивных энергоёмких источников (например, больших пластин), температура которых может обоснованно приниматься постоянной в течение всего индукционного периода.

В последние годы (2003–2011 гг.) получены результаты, отражающие масштабы влияния локальности источника нагрева конденсированного вещества на условия воспламенения (работы Г.В. Кузнецова, Г.Я. Мамонтова, Г.В. Таратушкиной, П.А. Стрижака, Н.В. Барановского, А.В. Захаревича, О.В. Высокоморной, В.И. Максимова, Р.С. Буркиной). Решены задачи твердофазного зажигания однородных твердых конденсированных веществ, получены экспериментальные данные об условиях и характеристиках зажигания модельных топливных композиций, жидких топлив и легковоспламеняющихся жидкостей при локальном нагреве.

Но до настоящего времени не решены задачи зажигания полимерных материалов (ПМ), широко использующихся в строительстве и при производстве различных промышленных изделий, в случае воздействия локальных источников тепла (например, одиночных «горячих» частиц, образующихся при сварке и резке металлов).

Механизмы физико-химических превращений при высокотемпературном нагреве термопластичных полимеров, жидких топлив и твердых ракетных топлив существенно отличаются. Поэтому разработанные вышеперечисленными исследователями математические модели и методы решения задач зажигания нельзя формально использовать при прогностическом моделировании процессов, протекающих при интенсивном локальном нагреве термопластичных полимеров.

Перспективы развития ракетной техники, необходимой для вывода на орбиту космических аппаратов различного назначения (связи, телерадиовещания, навигации, метеорологии и других), связаны с разработкой новых твердых ракетных топлив с мелкодисперсными частицами алюминия. Экспериментальные исследования показали, что условия и характеристики зажигания таких топливных композиций существенно зависят от фракционного состава металла и его концентрации. Но результатов решения задач зажигания металлизированных смесевых твердых топлив (СТТ) в рамках моделей, учитывающих в явной форме гетерогенную структуру топлив, до настоящего времени не опубликовано.

По этим причинам численное исследование макроскопических закономерностей процессов зажигания полимерных материалов и структурно-неоднородных смесевых топлив одиночной нагретой до высоких температур частицей является актуальной, нерешенной до настоящего времени задачей.

Работа выполнена при поддержке гранта Президента Российской Федерации (МК-330.2010.8) и федеральной целевой программы «Научные и научнопедагогические кадры инновационной России» на 2009–2013 г. (госконтракт № П2225).

Цель диссертационной работы Целью диссертационной работы является численное исследование макроскопических закономерностей газофазного зажигания термопластичных полимерных материалов и твердофазного зажигания структурно-неоднородных металлизированных смесевых топлив одиночной нагретой до высоких температур частицей малых размеров в рамках математических моделей, учитывающих двумерный теплоперенос, термическое разложение полимера, диффузию и конвекцию газообразных продуктов пиролиза в среде окислителя, кинетику процессов пиролиза и воспламенения ПМ.

Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:

1. Разработаны математические модели газофазного зажигания термопластичного полимерного материала и твердофазного зажигания структурно-неоднородного смесевого твердого топлива источниками с ограниченным теплосодержанием.

2. Разработаны алгоритмы численного моделирования и оценки достоверности полученных результатов.

3. Выделены масштабы влияния группы значимых факторов (температура, размеры, теплофизические характеристики источника энергии, процесс конвекции газообразных продуктов пиролиза ПМ и окислителя, неидеальный контакт на границе «частица – СТТ») на условия и характеристики зажигания.

Научная новизна работы 1. Впервые поставлены и решены задачи газофазного зажигания полимерного материала и твердофазного зажигания структурно-неоднородного металлизированного смесевого топлива одиночной нагретой до высоких температур частицей малых размеров в рамках моделей, учитывающих теплоперенос, диффузию, конвекцию, пиролиз, кинетику процессов газификации и воспламенения. Сформулированы системы нелинейных нестационарных дифференциальных уравнений в частных производных с соответствующими начальными и граничными условиями. При постановке задачи зажигания ПМ впервые учтено совместное протекание группы процессов: нагрев и термическое разложение вещества, диффузионно-конвективный перенос газообразных продуктов пиролиза в среде окислителя. При постановке задачи зажигания СТТ впервые учтена гетерогенная структура вещества и возможное влияние газового зазора на границе «частица – СТТ». Решенные задачи не имеют аналогов по постановке, методу решения и полученным результатам.

2. Выявлены масштабы влияния на времена задержки зажигания КВ значимых параметров, определяющих теплосодержание локального источника ограниченной энергоемкости, в частности – начальной температуры, размеров и теплофизических характеристик частицы.

3. Установлено, что при совместном влиянии конвекции и диффузии интенсивность химической реакции окисления газообразных продуктов пиролиза ПМ характеризуется в большей степени переносом тепла вместе с горючими газами за счет конвекции.

4. Показано, что усреднение по объему СТТ теплофизических характеристик всех компонентов топлива приводит к значительному возрастанию по сравнению с известными экспериментальными данными времени задержки зажигания и предельной температуры зажигания вещества при прочих равных условиях.

5. Сформулированные теоретические следствия являются основой прогностического моделирования пожарной опасности технологических процессов, технических систем и условий работы различных специальных объектов с использованием полимерных материалов и смесевых твердых топлив.

Практическая значимость работы 1. Разработанные математические модели в сочетании с адаптированными к новым задачам зажигания методами численного решения могут быть использованы для оценки пожарной опасности процессов взаимодействия типичных полимерных материалов с одиночными горячими частицами, а также оптимизации технологий зажигания смесевых твердых топлив локальными источниками энергии в специальных энергетических системах. Результаты исследований создают объективные предпосылки для прогнозирования последствий и объяснения механизмов пожароопасного взаимодействия полимерных материалов с источниками ограниченной энергоемкости.

2. Получены 2 свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ.

Достоверность полученных результатов численного моделирования подтверждается удовлетворительной согласованностью с известными экспериментальными данными и проверкой консервативности разностной схемы. Тестирование выбранных методов и разработанных алгоритмов решения систем нелинейных нестационарных дифференциальных уравнений в частных производных выполнено при решении менее сложных задач теплопроводности и конвективного тепломассопереноса.

Защищаемые положения 1. Математическая модель процесса газофазного зажигания полимерного материала источником с ограниченным теплосодержанием, отличающаяся от известных описанием комплекса совместно протекающих процессов: двумерного теплопереноса в системе «полимерный материал – окислительная среда – одиночная нагретая до высоких температур частица», термического разложения ПМ, диффузии и конвекции газообразных продуктов пиролиза в среде окислителя, непосредственного воспламенения газовой смеси.

2. Математическая модель процесса твердофазного зажигания смесевого топлива одиночной нагретой до высоких температур частицей малых размеров, отличающаяся от известных учетом существенной структурной неоднородности топлива (детализацией конфигурации и теплофизических свойств частиц алюминия, интегрированных в структуру топливной композиции).

3. Время задержки зажигания смесевого металлизированного топлива существенно выше аналогичной характеристики для неметаллизированного состава с неизменными кинетическими параметрами твердофазной реакции зажигания.

4. Учет неоднородной структуры смесевой топливной композиции создает объективные предпосылки для более точного расчета времён задержки зажигания СТТ.

5. Установлена возможность зажигания полимерного термопластичного материала при локальном нагреве одиночной нагретой до высоких температур частицей.

Личный вклад автора Состоит в постановке задач газофазного зажигания полимерного материала и твердофазного зажигания структурно-неоднородного смесевого топлива источниwww.sp-department.ru ком с ограниченным теплосодержанием, выборе методов и разработке алгоритмов решения, проведении теоретических исследований влияния различных факторов на характеристики процессов зажигания КВ, обработке и анализе полученных результатов, формулировке основных выводов диссертационной работы.

Апробация работы Основные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на II Всероссийской научно-практической конференции «Теплофизические основы энергетических технологий» (Томск, 2011), VII Всероссийском семинаре ВУЗов по теплофизике и энергетике (Кемерово, 2011), Международной молодежной конференции «Энергосберегающие технологии» (Томск, 2011), XVII Всероссийской научно-технической конференции «Энергетика: эффективность, надежность, безопасность» (Томск, 2011).

Публикации Основные результаты диссертации представлены в 9 работах, включающих статьи в журналах, рекомендованных ВАК для публикации научных результатов диссертации на соискание ученой степени кандидата наук. Список публикаций приведен в автореферате.

Структура и объём работы Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы, включающего 155 наименований, содержит 37 рисунков, 15 таблиц, 135 страниц.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулирована цель и задачи исследований, отражена практическая значимость и новизна полученных численных результатов, представлены защищаемые автором положения.

Первая глава отражает современное состояние теоретических и экспериментальных исследований процессов зажигания конденсированных веществ в условиях локального подвода энергии. В ней описаны основные результаты работ по зажиганию высокоэнергетических твердых веществ, легковоспламеняющихся и горючих жидкостей источниками с ограниченным теплосодержанием. Установлено отсутствие результатов теоретических и экспериментальных исследований процессов зажигания полимерных материалов при локальном нагреве, а также результатов численных исследований процессов зажигания структурно-неоднородных металлизированных смесевых топлив одиночными горячими частицами малых размеров.

Во второй главе представлена постановка задач газофазного зажигания полимерного материала и твердофазного зажигания смесевого структурно-неоднородного топлива одиночной нагретой до высоких температур частицей в форме параллелепипеда. Приведено описание используемых численных методов и алгоритмов решения задач. Для оценки достоверности получаемых результатов при решении систем дифференциальных уравнений, описывающих исследуемые процессы, приведены алгоритмы проверки консервативности разностных схем. Представлены результаты решения тестовых задач теплопроводности для верификации используемых методов и разработанного алгоритма. Решение тестовых задач показало удовлетворительное соответствие полученных теоретических следствий с результатами других авторов.

Общая постановка задачи зажигания представляет следующую последовательность стадий исследуемого процесса. Частица, нагретая до температуры, существенно превышающей температуру ПМ, инерционно выпадает на его поверхность (рис. 1, а).

Рис. 1. Схема области решения задачи в начальный (=0) момент времени (a) и