The methodological aspects covering the development of mathematical models of metal particles combustion in air

Abstract

Ключевые слова: математическое моделирование, экспериментальное исследова-ние, горение частиц металла, фронт пламени, камера дожигания, закон горенияВведение. Для совершенствования прямоточных воздушно-реак-тивных двигателей (ПВРД) и ракетно-прямоточных двигателей (РПД) требуется, во-первых, повысить энергетические характеристи-ки используемых топлив и, во-вторых, эффективность рабочего про-цесса в камерах сгорания двигателей. Для решения первой задачи все шире используют высокометаллизированные твердые топлива (ВМТТ). Решение второй задачи неразрывно связано с реализацией высоких значений полноты сгорания ВМТТ [1].В РПД имеет место двустадийный рабочий процесс: первая ста-дия -первичное горение (газификация) ВМТТ в газогенераторе; вторая стадия -горение внутри камеры сгорания в воздушной среде поступающих из газогенератора газообразных и конденсированных продуктов первичного процесса [2]. В целях исключения неточной трактовки излагаемого материала для продуктов первичного горения воспользуемся термином «продукты газификации» ВМТТ, понимая при этом, что они включают в себя и конденсированные частицы. Следует отметить, что в качестве перспективных рассматриваются также и схемы ПВРД с прямой подачей псевдоожиженного порошко-образного металлического горючего (ПМГ) в камеру сгорания [3, 4].Конденсированные продукты газификации представляют собой мелкодисперсные высокометаллизированные частицы. В зависимо-сти от состава ВМТТ в частицах могут содержаться алюминий, маг-Инженерный журнал: наука и инновации # 1·2017 ний, бор, а также их соединения, сплавы и образовавшиеся при пер-вичном горении оксиды. Поскольку концентрация горючих элемен-тов в частицах достаточно высока, будем называть их частицами. Учитывая сложный химический состав ПМГ, при моделировании рабочего процесса в реальных РПД целесообразно использовать упрощенные эмпирические законы горения частиц ПМГ [5, 6]. В этом случае основной проблемой становится уточнение констант и общего вида этих законов. Решение данной проблемы возможно при модели-ровании процессов, близких по своей природе процессам в камере сгорания РПД, для которых имеются необходимые эксперименталь-ные данные. В качестве одного из таких приближений может быть рассмотрен процесс распространения фронта пламени в газовзвесях ПМГ в установках постоянного объема (УПО) [7, 8].Разумеется, для подобного моделирования желательно было бы иметь частицы ПМГ, отобранные непосредственно на выходе из газо-генератора. Однако база данных по таким продуктам практически от-сутствует, что определяется в первую очередь большой сложностью осуществления на практике процесса гашения частиц непосредствен-но за соплом газогенератора. В связи с этим на начальной стадии ра-бот целесообразно провести исследование по построению и уточне-нию эмпирических законов горения для конкретных металлов, из которых состоят частицы ПМГ.Экспериментальная установка. Прежде чем перейти к описа-нию математической модели, рассмотрим конструктивные особенно-сти УПО и методику проведения эксперимента.Моделируемый эксперимент был выполнен н...