CC BY
30
УДК 544.452
МОДЕЛИРОВАНИЕ ФОРМИРОВАНИЯ ОКСИДА ПРИ ГОРЕНИИ МЕТАЛЛА АГЛОМЕРАТОВ
БАБУК В. А., БУДНЫЙ Н.Л.
Балтийский государственный технический университет «ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф. Устинова, 190005, г. Санкт-Петербург, ул. 1-я Красноармейская, 1
АННОТАЦИЯ. В настоящей статье представлены результаты математического моделирования формирования оксида при горении металла агломератов применительно к металлизированным смесевым твердым топливам. Модель базируется на экспериментальных данных, полученных при изучении эволюции как агломерирующих частиц, так и агломератов в составе потока продуктов сгорания. Проведено сопоставление результатов численного анализа модели с экспериментальными данными, которое позволило сделать вывод о достаточно высоком качестве моделирования. Определены принципы использования разработанной модели для описания эволюции потока продуктов сгорания в камере двигателя.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: агломерат, горение, конденсация, коагуляция, пограничный слой, дисперсность. ВВЕДЕНИЕ
Важной особенностью процесса горения металлизированных смесевых твердых топлив является образование конденсированных продуктов сгорания (КПС). Для топлив, содержащих алюминий, КПС представлены двумя фракциями - агломератами и высокодисперсным оксидом (ВДОК) [1]. Агломераты представляют собой продукты слияния конденсированных веществ в поверхностном слое горящего топлива. Размеры таких образований достигают сотен, а иногда и тысяч микрометров. Агломераты состоят из капель Al и А120з и могут иметь газовые включения, образуя систему со свойствами, близкими к равновесным [2]. Одним из наиболее распространенных типов агломератов является образование, состоящее из капли металла, на поверхности которой находится капля окиси, получившая название «нашлепки» окиси ("cap" oxide). Высокодисперсный оксид представляет собой малоразмерные частицы А1203 диаметром около 1 микрометра. В связи с относительно малыми размерами частиц ВДОК, выявление их внутреннего строения затруднительно, однако косвенные признаки дают основание считать их сплошными [3]. Результаты химического анализа свидетельствуют о практически полном отсутствии в их составе каких-либо других веществ, кроме оксида алюминия.
Образование частиц указанных фракций происходит непосредственно у поверхности горящего топлива. В дальнейшем в составе потока продуктов сгорания осуществляется совокупность физико-химических превращений (процесс эволюции) [4 - 5], в результате чего образуется крупная фракция конденсированных продуктов и трансформированная фракция ВДОК. Таким образом, частицы ВДОК участвуют в разнообразных процессах, имеющих место при функционировании двигателя.
Параметры ВДОК определяют уровень двухфазных потерь удельного импульса тяги, влияют на акустические характеристики двигателя и на оптические свойства продуктов сгорания, т.е. можно говорить о значимом влиянии ВДОК на качество двигателя.
Результаты опубликованных на данный момент работ позволяют сделать вывод об отсутствии единых представлений о процессах образования и эволюции ВДОК, что является стимулом для осуществления новых исследований в указанном направлении. Одним из источников появления ВДОК является горение металла агломератов в газофазном режиме. Естественно, что роль этого процесса возрастает по мере увеличения доли металла, вовлеченного в агломерационный процесс. Настоящая работа посвящена разработке математической модели формирования ВДОК при горении металла агломератов, которая призвана стать составной частью комплексного описания эволюции конденсированных продуктов в камере двигателя.
1. МЕХАНИЗМ ФОРМИРОВАНИЯ ВДОК
Рассмотрим общие принципы формирования ВДОК в камере двигателя. Частицы ВДОК образуются вследствие реализации двух процессов: собственно процесса горения топлива и процесса эволюции конденсированных продуктов в составе потока продуктов сгорания.
1.1. Образование ВДОК у поверхности горящего топлива
В процессе агломерации участвует лишь часть исходного металлического горючего. Неагломерирующий металл сгорает в надповерхностной зоне газовой фазы, следствием чего является образование ВДОК. Другим источником ВДОК является горение агломерирующего металла в газофазном режиме в каркасном слое [3].
Результаты экспериментальных исследований показывают, что степень вовлеченности металлического горючего в процесс агломерации может существенно отличаться в зависимости от состава топлива и внутрикамерных условий. Так массовая доля исходного металла, формирующего агломераты (2та), может изменяться в широких пределах. Например, для топлив на основе активного связующего, перхлората аммония и нитраминов при высоких давлениях этот параметр составляет величину порядка 0,02 - 0,04 [6], в то время как для топлив на основе инертного связующего и нитрата аммония он равен ~ 0,8 [7]. Таким образом, в зависимости от степени вовлеченности металлического горючего в процесс агломерации, закономерности образования ВДОК будут определяться закономерностями горения либо агломерирующего, либо неагломерирующего металла. Кроме того, количество образующегося оксида у поверхности топлива зависит ещё и от характеристик эволюционного процесса агломерирующих частиц [3].
Практическая невозможность прямого наблюдения процессов горения неагломерирующего металла затрудняет их описание. Однако, основываясь на общих представлениях о горении частиц металла, можно предложить общую картину протекания этого процесса. На рис. 1 представлена схема реализации процесса горения неагломерирующего металла [3].
Первой стадией горения частицы металла является горение в гетерогенном режиме [8]. Окисляющие газы взаимодействую с металлом на поверхности частиц, в результате чего образуется оксид, который может накапливаться на частицах. Первоначально взаимодействие осуществляется по местам растрескивания защитной оксидной пленки, а после плавления оксида вся частица покрывается расплавленной пленкой, в результате чего кинетика процесса определяется диффузией окисляющих компонентов через неё. Процесс носит нестационарный характер.
В случае достижения определенного перегрева происходит вскипание частиц: газообразные продукты реакции разрушают окисную пленку, что с высокой вероятностью приводит к дроблению частиц [8].
После дробления частицы металла перегреты, происходит их интенсивное испарение и взаимодействие металлов с окисляющими компонентами. При этом может происходить падение температуры частицы. В зависимости от величины этого падения, дальнейшее горение может протекать как в гетерогенном, так и в газофазном режиме. Следствием того, что горение частиц неагломерирующего металла может происходить в одном или другом режиме, является двухмодальный характер функции плотности распределения ВДОК у поверхности горящего топлива [3]. Отметим, что подобная ситуация реализуется в том случае, когда основная масса ВДОК образуется именно за счет горения неагломерирующего металла. Результаты проведенного анализа позволили сделать вывод, сгорание неагломерирующего металла в основном осуществляется в гетерогенном режиме [3].
Формирование оксида при горении металла агломерирующих частиц (рис. 2) осуществляется вследствие конденсации субоксидов алюминия, являющихся промежуточными продуктами горения, на «зародышах» конденсированной фазы, а также коагуляции образующихся частиц в области горения. Конденсированные частицы оксида под действием газодинамических сил выносятся в так называемый «шлейф», который отчетливо фиксируется при визуализации агломератов.
Рис. 2. Образование ВДОК при горении агломерирующих частиц у поверхности топлива [9]
Отметим наличие различных точек зрения на процесс конденсации при горении металла агломератов. К примеру, в работе [10] предполагается механизм гомогенной конденсации. В работе [3] делается предположение о гетерогенном механизме конденсации, при котором «зародыши» новой фазы попадают в зону реакции из окружающей среды. В качестве «зародышей» выступают частицы ВДОК, образовавшиеся при горении неагломерирующего металла, а также частицы сажи.
1. 2. Образование ВДОК в потоке продуктов сгорания
При движении потока продуктов сгорания частицы ВДОК участвуют в процессе эволюции, который применительно к данным частицам включает следующие явления [5]:
• образование этих частиц в зоне горения металла агломератов (рис. 3);
• осаждение частиц ВДОК несущей газовой фазы на поверхности агломератов с последующим взаимодействием с «веществом » агломератов;
• попадание частиц ВДОК несущей газовой фазы в зону конденсации и выполнение ими функции «зародышей» новой фазы;
• при локальном увеличении концентрации частиц ВДОК в потоке продуктов сгорания их коагуляция, обусловленная броуновским движением и наличием турбулентных пульсаций.
В ходе экспериментальных работ, выполненных в БГТУ «Военмех», установлено, что в процессе эволюции имеет место снижение дисперсности ВДОК (рис. 4).
Образование ВДОК
1 мм
Р = 0,1 МПа
Р = 1,2 МПа
«Шлейф»
300 мкм 300 мкм
Рис. 3. Образование ВДОК при горении агломератов в ходе их эволюции в потоке продуктов сгорания
/т-103, -1
нм
4
3 2
1 0
12 3
10 10 103 а, нм
Рис. 4. Массовые функции плотности распределения частиц ВДОК по размерам на различном удалении от поверхности топлива в условиях одномерного потока для одного из исследованных топливных составов (Х8 - расстояние от поверхности горящего топлива)
В целом результаты проведенного анализа свидетельствуют о значительной роли горения металла агломератов (агломерирующих частиц) в формировании ВДОК в камере двигателя. Уместно говорить о связи этого процесса с процессом агломерации.
2. ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ
Формирование ВДОК является одним из проявлений процесса горения металла агломератов. В общем случае свойства ВДОК определяются реализацией следующих явлений:
• перенос продуктов химического взаимодействия;
• собственно химическое взаимодействие;
• образование (появление) «зародышей» конденсированной фазы;
• конденсация;
• коагуляция частиц оксида.
Математическое моделирование предполагает создание описания всех указанных явлений. Однако подобный подход не представляется целесообразным. Проблемы с информационным обеспечением делают бессмысленным создание сложного описания, поскольку оно не обеспечивает получение результатов, отличающихся достаточно высоким качеством. Нам представляется разумным использование упрощающих предположений, которые базируются на имеющемся экспериментальном материале и позволяют выявить наиболее существенные черты рассматриваемого процесса, и, в конечном итоге, получить практически значимые результаты.
Результаты экспериментальных исследований процесса эволюции потока агломератов, выполненных в БГТУ «Военмех», [4 - 5] позволили сделать важный вывод: горение металла агломератов в среде продуктов сгорания топлива осуществляется в диффузионном режиме. Данное обстоятельство позволяет считать целый ряд процессов, составляющих собственно процесс горения, «быстрыми» процессами.
Среда, в которой осуществляется процесс горения, образно говоря, является «грязной» средой: газовая фаза насыщена жидкими частицами оксида металла и твердыми частицами углерода (сажи). Подобные свойства среды делают весьма вероятным гетерогенный характер процесса конденсации.
При взаимодействии газового потока с агломератом имеет место образование разнообразных пограничных слоев (динамического, теплового, диффузионного и т.д.). Наличие характеристик одного из этих слоев позволяет оценивать пространственное положение других.
Обтекание агломерата и, как следствие, формирование характерного «шлейфа» (рис. 3) сопровождается реализацией элементов струйных течений, для которых характерен переход течения в турбулентный режим при весьма малых числа Рейнольдса [11 - 12]. Однако сравнение результатов расчетов в ламинарной постановке газодинамической картины течения вокруг агломерата (расчеты проводились для описания взаимодействия химически не реагирующих потоков) свидетельствует об их близости с результатами визуализации агломератов (рис. 5).
Учитывая сказанное выше, при моделировании были использованы следующие положения:
• конденсация осуществляется в гетерогенном режиме;
• «зародышами» новой фазы являются частицы ВДОК и сажи окружающей среды;
• конденсация является «быстрым» процессом;
• коагуляция определяется броуновским движением;
• подвод веществ в «шлейф» определяется диффузионной моделью горения металла;
• пространственное положение зоны конденсации определяется параметрами динамического пограничного слоя.
Рис. 5. Сравнение расчетной и экспериментальной картин течения
3. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ФОРМИРОВАНИЯ ВДОК
Модель формирования ВДОК призвана обеспечить описание дисперсности образующихся частиц оксида.
Основой для модели формирования ВДОК является модель газофазного горения металла агломерата [4]: она позволяет определить скорость горения металла, содержания реагирующих веществ и температуры в характерных зонах области горения, геометрические размеры этих зон (рис. 6). В рамках этой модели обдув агломерата внешним газовым потоком учитывается в приближении приведенной пленки.
Рис. 6. Схема области горения в рамках модели газофазного горения металла агломерата (радиальные распределения температуры и парциальных давлений реагирующих веществ и направления переноса вещества и энергии, ик - окислительный потенциал окружающей среды, ОС - радиус приведенной пленки, ЕЕ - зона конденсации; индексы А, В, С, Е, Е - границы характерных зон области горения, индексы с, й, g, М, о, ох. й соответственно обозначают конденсированное вещество, диссоциированное вещество, газообразное вещество, металл, окисляющие компоненты газовой фазы,
оксид диссоциированный)
Скорость горения металла обеспечивает возможность определения потока «псевдопара» А1203, поступающего в зону конденсации ЕЕ (рис. 6). «Псевдопар» обладает дуализмом свойств: с одной стороны, испарение 1 молекулы А/203К происходит с образованием нескольких молекул газообразных веществ (то есть, «псевдопар» - это смесь различных веществ); с другой стороны, продукты испарения одной молекулы неделимы и составляют единое целое, то есть компоненты, образующие смесь продуктов диссоциации, лишены индивидуальности и существуют только в составе псевдовещества А/203^. «Псевдопар» нейтрален по отношению к другим компонентам газовой смеси и способен лишь претерпевать фазовое превращение - конденсироваться с образованием А/20зк. Данное допущение позволяет достаточно просто описать диффузию и равновесную конденсацию диссоциированного оксида в зоне ЕЕ.
3.1. Зона конденсации
Для формализации пространственного положения области конденсации был проведен анализ картины течения и данных по визуализации агломератов в потоке продуктов сгорания, который, на базе принятых основных положений, позволил схематизировать область, в которой происходят взаимодействие горючих и окисляющих компонентов с
образованием оксида. В зависимости от ориентации агломерата в пространстве, принимается следующая схематизация:
• В случае обдува агломерата набегающим потоком со стороны капли металла, принимается, что зона конденсации расположена вдоль ближайшей к агломерату линии тока, берущей свое начало в области невозмущенного течения;
• В случае обдува агломерата со стороны «нашлепки» окиси, принимается, что зона конденсации расположена вдоль линии тока, «истекающей» из точки контакта металла и «нашлепки» окиси.
Ширина области конденсации в обоих случаях принимается равной ширине зоны Е¥ (рис. 6), рассчитанной при использовании модели газофазного горения. На рис. 7 представлена схема области конденсации (¿к=Е^) для двух случаев ориентации агломерата в потоке. Естественно, что это описание применимо только для одного типа агломерата, когда он представляет собой каплю металла с находящейся на ней каплей окиси.
Принятая схематизация позволяет определить геометрические размеры зоны конденсации и скорость газовой фазы в этой области. Выполненные расчеты показали, что инерционность частиц ВДОК при движении в газовой фазе вблизи агломерата крайне незначительна. Вследствие этого скоростной неравновесностью частиц ВДОК и газовой фазы можно пренебречь.
3.2. Дисперсность ВДОК
Для описания процесса изменения дисперсности формирующегося оксида дисперсный состав дискретизируется на фиксированное число фракций. Считается, что дисперсность ВДОК может изменяться в ходе реализации двух явлений - конденсации и коагуляции.
Для описания изменения дисперсности используется модифицированный непрерывный подход, в соответствии с которым изменение параметров фракций за дискретный промежуток времени приводит к необходимости перераспределения частиц по фракциям для описания эволюции частиц за следующий промежуток времени. Необходимость модификации общепринятого непрерывного подхода [13] обусловлена тем, что укрупнение частиц ВДОК вследствие реализации явления конденсации является весьма существенным.
Использование указанного подхода осуществляется следующим образом. На каждом шаге интегрирования описываются процессы двух видов - процессы, приводящие к изменению числа частиц в пределах фракции, и процессы, приводящие к изменению массы частиц в пределах фракций. При описании коагуляции взаимодействие частиц фракции с большими и меньшими частицами происходит по-разному: частица сохраняет свою индивидуальность (продолжает принадлежать той же фракции) при столкновении с более малой частицей, при этом происходит приращение массы, а при столкновении с более крупной частицей индивидуальность утрачивается. При описании конденсации принимается, что в единицу времени на единице площади любой частицы конденсируется одинаковая
Область
Подвод "зародышей" конденсации конденсиро
Подвод "зародышей
Область конденсации
Рис. 7. Схематизация области конденсации для двух положений агломерата
масса А1203. Ввиду значительного увеличения массы, а, следовательно, и размеров частиц, на каждом шаге интегрирования обыкновенных дифференциальных уравнений производится их «перераспределение» - увеличившиеся в размерах частицы ВДОК из малых фракций направляются в более крупные.
Изменение числа частиц в каждой фракции описывается системой обыкновенных дифференциальных уравнений вида:
— _—1— - П • У К ■ п1 + N + wi , (1)
^ Vgх)^ , 4 1 , 7
где N - количество фракций, ,, 1 - индексы соответствующих фракций, п, - число частиц ,-й фракции в единице объема, Хк - криволинейная координата, связанная с линией тока, вдоль которой располагается область формирования ВДОК (рис. 7), Vg(xk) - средняя скорость газовой фазы в области формирования ВДОК в текущем сечении, К - коэффициент броуновской коагуляции между частицами ,-й и 1-й фракций, N1, - изменение числа частиц ,-й фракции в единице объема за счет подвода новых «зародышей» конденсированной фазы из окружающей среды, Wi - изменение числа частиц ,-й фракции в единице объема за счет «перераспределения» - поступления в ,-ю фракцию укрупнившихся частиц более мелких фракций и ухода из ,-й фракции некоторого количества частиц в более крупные фракции. Величина wi определяется исходя из изменения масс частиц различных фракций, которое описывается системой уравнений вида:
йт 1
Л- Л
У К • п1 • Ш1 + *, • I* , (2)
йХк Vg (Хк) 1 * 1 1 1 * у ^
где *, - площадь поверхности частицы ,-й фракции ВДОК, ш, - масса частицы ,-й фракции, I* - масса «псевдопара» оксида, присоединяемого единицей площади поверхности частицы в единицу времени.
Коэффициент броуновской коагуляции между частицами -й и 1-й фракций определяется формулой:
К _ 2(й, + й1)2 кТ (3)
К,1 _Т—ТЗ--, (3)
1 3 а1й1 т
где й,, й - диаметры частиц ,-й и 1-й фракций, к - постоянная Больцмана, Т - температура в зоне коагуляции, / - коэффициент динамической вязкости газа.
Масса оксида, присоединяемая единицей площади поверхности частицы, рассчитывается по формуле:
, (4)
У пг *,
,_1
где - поток «псевдопара» оксида, поступающего в единицу объема.
Определение дисперсности ВДОК, образующегося в зоне конденсации производится посредством интегрирования по криволинейной координате системы уравнений (1) с учетом реализации алгоритма «перераспределения» частиц между фракциями, которое определяется путем решения системы уравнений (2) с использованием соотношений (3) - (4). В качестве криволинейной координаты выступает линия тока, ограничивающая зону конденсации (рис. 7). Время протекания исследуемого процесса может быть рассчитано как:
к
г
1
_ [-йхк
Л V (у \ к
о К(Хк) , (5)
где /к - значение криволинейной координаты, определяющее протяженность зоны конденсации; величина /к определялась из условия близости Vg(/k) скорости невозмущенного потока.
4. ЧИСЛЕННЫЙ АНАЛИЗ МОДЕЛИ
Для осуществления численного анализа модели было принято решение об ее использовании для описания формирования ВДОК при эволюции агломерирующих частиц. Данная ситуация привлекательна тем, что параметры окружающей подобные частицы среды за время эволюции практически остаются неизменными.
4.1. Исходные данные
Было выбрано одно из топлив на основе нитрата аммония (НА), для которого имеются экспериментальные данные о характеристиках всех конденсированных продуктов, образующихся у поверхности горящего топлива. Результаты проведенных исследований [7, 14] дают основания сделать вывод, что при горении топлив на базе НА практически все металлическое горючее участвует в процессе агломерации, а ВДОК образуется только вследствие реализации процесса эволюции агломерирующих частиц.
На рис. 8 и рис. 9 представлены массовые функции плотности распределения агломератов и ВДОК по размерам у поверхности топлива, полученные экспериментально.
В связи с тем, что для исследуемого состава практически весь металл вовлечен в процесс агломерации, т.е. отсутствует ВДОК, образующийся при горении неагломерирующего металла, считается, что единственным источником «зародышей» конденсированной фазы в данном случае является сажа.
-г -1
и, мкм
О, мкм
Рис. 8. Массовая функция плотности распределения агломератов по размерам для исследуемого состава (р = 6 МПа)
2 2 К
500 1000 1500 ё, нм
2000
2500
Рис. 9. Массовая функция плотности распределения частиц ВДОК по размерам для исследуемого состава (р = 6 МПа)
1
0
В работе [15] приводятся сведения о функции распределения частиц сажи по размерам, а также модальный диаметр этих частиц. Эта функция представлена на рис. 10. Информация о дисперсности частиц в несущем газовом потоке является исходной для модели формирования ВДОК.
При выполнении численного исследования характеристики окружающей среды определялись при использовании подходов, описанных в работе [16]. Условия горения соответствовали условиям эксперимента.
й, нм
Рис. 10. Функция плотности распределения частиц сажи по размерам в потоке продуктов сгорания
4.2. Результаты анализа
Произведен расчет параметров ВДОК, формирующегося при горении агломератов различного размера. Результаты этих расчетов при известных параметрах агломератов, массовой функции плотности распределения агломератов у поверхности, параметрах состава, можно использовать для оценки дисперсности всей совокупности ВДОК, образующегося при горении металла агломерирующих частиц. Результаты этой оценки приведены на рис. 11. Они позволяют сделать вывод о качественной и количественной близости расчетных и экспериментальных данных. Расчетный среднемассовый размер формирующегося высокодисперсного оксида достаточно близок к экспериментально полученному значению. Можно говорить о некотором отличии других моментов распределения, что предположительно связано с неточностью информации о характеристиках сажи в составе продуктов сгорания рассматриваемого топлива.
В целом, полученные результаты позволяют с оптимизмом смотреть на возможность использования разработанной модели для описания формирования ВДОК при горении металла агломератов в составе потока продуктов сгорания.
й, нм
Рис. 11. Расчетная массовая функция плотности распределения частиц ВДОК по размерам, образующихся при горении агломерирующего металла у поверхности, й43 = 1162 нм
5. ПРИНЦИПЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МОДЕЛИ ДЛЯ ОПИСАНИЯ ЭВОЛЮЦИИ ПОТОКА ПРОДУКТОВ СГОРАНИЯ
Разработанная в настоящей работе модель решает одну из частных задач при описании эволюции агломерата. В дальнейшем необходимо интегрирование полученной модели в комплекс средств для описания всей совокупности физико-химических процессов, происходящих в ходе формирования и эволюции КПС.
Ранее была создана модель эволюции одиночного агломерата, которая описывает горение металла, изменение структуры, взаимодействие веществ агломерата, осаждение на
агломерат частиц ВДОК несущей газовой фазы и его движение [4]. Правомерность этой модели была подтверждена сопоставлением результатов анализа модели с многочисленными экспериментальными данными [4 - 5]. Вполне разумным представляется интегрирование в её состав в качестве частной модели разработанной модели формирования ВДОК. На рис. 12 представлена блок-схема, отражающая взаимосвязи частных моделей.
Модель эволюции агломерата (рис. 12) призвана стать составной частью общего математического описания эволюции потока продуктов сгорания, которое должно обеспечить возможность прогнозирования разнообразных характеристик этого потока в произвольном сечении камеры двигателя: параметров дисперсности КПС, их химического состава и структуры, температуры и параметров химического состава газовой фазы и т.д. Подобное описание предполагает синтез различных моделей внутрикамерных процессов: моделей динамики газовой и конденсированных фаз, моделей эволюции КПС и газовой фазы.
Очевидно, что для моделирования процессов эволюции потока продуктов сгорания необходимо проведение значительного количества однотипных расчетов. Однако на данном этапе использование разработанной модели формирования ВДОК для массовых расчетов является достаточно затруднительным. Одним из путей решения этой проблемы может стать создание макромоделей, описывающих часть процессов, протекающих при образовании оксида, и отражающих основные закономерности и зависимости между параметрами.
Рис. 12. Блок-схема взаимосвязи частных моделей процессов, имеющих место при эволюции агломерата
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В ходе выполнения настоящей работы получены следующие основные научные результаты.
1. Установлены основные закономерности формирования ВДОК при горении смесевых твердых топлив содержащих алюминий.
2. Показана значимость процесса горения металла агломератов при формировании КПС для широкого круга топлив.
3. Разработана модель формирования ВДОК при горении металла агломератов.
4. Выполнен численный анализ модели, установлено качественное и количественное соответствие его результатов экспериментально полученным данным.
5. Определены направления применения модели для описания формирования КПС.
В дальнейшем планируется совершенствование полученной модели, ее тестирование при использовании экспериментальных данных об эволюции потока продуктов сгорания и создание с ее помощью средств для описания эволюции КПС в камере двигателя.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Babuk V.A., Vasilyev V.A. and Malakhov M.S. Condensed Combustion Products at the Burning Surface of Aluminized Solid Propellant // Journal of Propulsion and Power. 1999. V. 15, № 6. Р. 783-793.
2. Бабук В. А., Белов В.П., Ходосов В.В., Шелухин Г.Г. Исследование структуры агломератов при горении смесевых конденсированных систем // Физика горения и взрыва. 1988. Т. 24, № 5. С. 52-57.
3. Бабук В. А. Проблемы исследования образования высокодисперсного оксида при горении алюминизированных твердых топлив // Физика горения и взрыва. 2007. Т. 43, № 1. С. 45-53.
4. Babuk V.A., Vasilyev V.A. Model of Aluminum Agglomerate Evolution in Combustion Products of Solid Rocket Propellant // Journal of Propulsion and Power. 2002. V. 18, № 4. Р. 814-824.
5. Babuk V.A., Vasilyev V.A. and Naslednikov P.A. Experimental Study of Evolution of Condensed Combustion Products in Gas Phase of Burning Solid Rocket Propellant // In: «Combustion of Energetic Materials», ed. by K. Kuo and L. De Luca, N.Y., 2002. Р. 412-426.
6. Babuk V.A., Glebov A.A., Dolotkazin I.N. Burning Mechanism of aluminized solid rocket propellants based on energetic binders // Propellants, Explosives, Pyrotechnics. 2005. V. 30(4). P. 281-290.
7. Babuk V.A., Vasilyev V.A., Glebov A.A., Dolotkazin I.N., Galeotta M. and DeLuca L.T. Combustion Mechanisms of AN-Based Aluminized Solid Rocket Propellants // In: «Novel Energetic Materials and Applications», ed. by L.T. DeLuca, L. Galfetti and R.A. Pesce-Rodriguez, Grafiche GSS, Bergamo, Italy, 2004. Р. 44.
8. Бабук В. А. Горение металлического горючего в поверхностном слое твердого ракетного топлива // Сб. лекций 2 междунар. шк.-семинара «Внутрикамерные процессы, горение и газовая динамика дисперсных систем», СПб., 1997. Т. 1. С. 194-219.
9. Babuk V., Glebov A., Dolotkazin I., Conti A., Galfetti L., De Luca L., Vorozhtsov A. Condensed Combustion Products from Burning of Nanoaluminum-Based Propellants: Properties and Formation Mechanism // EUCASS Advances in Aerospace Sciences. Vol. 1 - Propulsion Physics, EUCASS, Torus Press, EDP Sciences, Paris, 2009. Р. 3-16.
10. Liang. Y. and Beckstead. M.W. and Pudduppakkam K. Numerical Simulation of Unsteady Single Aluminum Particle Combustion // 36th JANNAF Combustion Meeting, CPIA. 1999. V. 1, № 691. Р. 283-309.
11. Теория турбулентных струй / под ред. Г.Н. Абрамовича. М. : Наука, 1984. 716 с.
12. Турбулентное смешение газовых струй / под ред. Г.Н. Абрамовича. М. : Наука, 1974. 272 с.
13. Стернин Л.Е., Шрайбер А.А. Многофазные течения газа с частицами. М. : Машиностроение, 1994. 320 р.
14. Babuk V.A., Glebov A., Arkhipov V.A., Vorozhtsov A.B., Klyakin G.F., Severini F., Galfetti L. and DeLuca L.T. Dual-Oxidizer Solid Rocket Propellants for Low-Cost Access to Space // In: «In-Space Propulsion», ed. by L.T. DeLuca, R.L. Sackheim, B.A. Palaszewski, Grafiche GSS, Italy, 2005. Paper 15. Р. 15-1 - 15-20.
15. Архипов В.А., Ратанов Г.С. Лазерные методы диагностики конденсированных продуктов сгорания // Физика горения и взрыва. 1979. Т. 15, № 2. С. 185-187.
16. Babuk V.A., Dolotkazin I.N. and Nizyaev A.A. Analysis and Synthesis of Solutions for the Agglomeration Process Modeling // In: «EUCASS Book Series Advances in Aerospace Sciences». Vol. 4 - Progress in Propulsion Physics. EUCASS, Torus Press, EDP Sciences, Paris, 2013. P. 33-58.
MODELING OF OXIDE FORMATION DURING BURNING OF AGGLOMERATE METAL
Babuk V.A., Budnyi N.L.
Baltic State Technical University «Voenmeh» named after D.F. Ustinov, Saint Petersburg, Russia
SUMMARY. The article presents the result of mathematical modeling of oxide formation during burning of agglomerate metal applied to metalized composite solid propellants. The model is based on experimental data obtained by study of evolution of agglomerating particles as well as agglomerates in combustion products flow. The comparison of results of numerical analysis of the model with experimental data led to conclusion about sufficiently high quality of modeling. The principles of using of developed model for description of combustion products evolution in chamber of motor were defined.
KEYWORDS: agglomerate, burning, condensation, coagulation, boundary layer, dispersity.
Бабук Валерий Александрович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой БГТУ «ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф. Устинова, тел. (812) 315-15-18, e-mail: [email protected]
Будный Никита Леонидович, аспирант БГТУ «ВОЕНМЕХ» им. Д. Ф. Устинова, e-mail: nranges@,gmail. com
