Раздел 4 Кинетические теории взрывчатого превращения
Тема 8. Нестационарный режим горения
Ранее переходные процессы от горения к взрыву были слабо изучены, поскольку не находили практического применения. Интерес к ним начал проявляться в связи с появлением новых направлений в разработке ПЗ и ТРТ.
Первые работы по исследованию переходных процессов были выполнены в конце 30х начале 40х годов. Данные исследования получили развитие и внесли существенную ясность в понимание физической сущности переходных явлений. Согласно этим исследованиям стадийность перехода горения ВВ, пороха, ТРТ в детонацию можно представить следующим образом:
- устойчивое послойное горение;
- конвективное горение;
- низкоскоростная детонация;
- нормальная (высокоскоростная) детонация.
Известные газодинамические теории предполагают существование только двух режимов: нормального горения и нормальной детонации. Считалось, что процессы конвективного горения (КГ) и низкоскоростной детонации являются нестационарными, преимущественно ускоряющимися процессами. Проведенные в институте химической физики РАН исследования позволили определить условия, при которых распространение КГ и низкоскоростной детонации осуществляется с постоянной скоростью. В результате стало возможным изучение механизма и закономерностей распространения каждого из них в отдельности.
Систематические исследования КГ пористых систем были начаты в 60х годах. В первых работах опыты проводились с ВВ, которые порционно прессовали в плексигласовые и стальные оболочки. Возникновение режима КГ обеспечивали поджиганием верхнего открытого торца заряда и производили фотографирование его боковой поверхности. Полученные фоторегистрограммы и кадры скоростной киносъёмки позволили сделать ряд важных выводов:
1. Фронт воспламенения перемещается не равномерно. Это связано с тем, что первоначально воспламеняются крупные поры которые оказываются наиболее подготовленными к воспламенению. Дальнейшему распространению горения по крупной поре способствует повышение давления в ней, что приводит к проникновению горения в более мелки поры. Таким образом, распределение пор по размерам имеет существенное значение при распространения КГ.
2. Характерной особенностью режима КГ является то, что горение сопровождается диспергированием вещества в виде отдельных гранул, так и их конгломератов, которые уносятся оттекающими от поверхности заряда газообразными продуктами. Диспергирование является следствием наличия в порохах избыточного давления и предотвращает его дальнейшее возрастание. Последнее является одним из стабилизирующих факторов, делающих возможным горение с высокими скоростями без перехода во взрыв.
3. В отличие от нормального горения на скорость КГ существенное влияние оказывает диаметр заряда. Увеличение скорости КГ с ростом диаметра особенно ярко выражено при низких плотностях.
Полученные в ходе экспериментов данные позволяют определить основные зоны процесса КГ:
- фильтрации, в которой газы, отдавшие тепло на прогрев вещества, теряют в результате газодинамических потерь напор давления;
- прогрева, где твёрдая фаза нагревается фильтрующимися газами;
- горение диспергированной взвеси, образующейся после прохождения фронта воспламенения.
Протяжённость зон КГ зависит от свойств пористой системы и условий сжигания. Конвективный режим горения включает: возбуждение, развитое горение и переход в детонацию.
Возбуждение КГ. Срыв послойного горения или возбуждение КГ происходит при движении фронта горения и достижении некоторых пороговых условий. Для самопроизвольного проникновения горения в поры предложен критерий:
dпU/ӕ > const
где dп – диаметр пор;
U – скорость послойного горения;
ӕ - температуропроводность;
const – различная величина для ВВ различных классов.
При этом факторами, обеспечивающими переход от нормального горения к КГ, являются возрастание давления, узость зоны химических реакций горения (химико-кинетический фактор) и высокая температура продуктов горения.
Развитое КГ. При исследовании были выявлены следующие особенности и основные закономерности:
- механизм конвективной теплопередачи, основанный на принципе опережающей фильтрации, является определённым для мелкодисперсных систем;
- развитие КГ происходит в две стадии:
1- ускоряющееся КГ, когда скорость фронта пламени быстро увеличивается, достигает сотен метров в секунду;
2- стабилизированное КГ со скоростями 400- 500 м/с, давление в зоне горения возрастает в обоих случаях;
- давление в зоне горения нарастает по закону близкому к экспоненциальному;
- эффекты уплотнения вещества существенно влияют на характер КГ.
Переход КГ в детонацию. Для возбуждения детонации требуется достижение определённых предельных, пороговых условий по давлению, скорости горения и т.п. Причём в зависимости от пористости и дисперсности вещества возможно развитие нормальной, либо низкоскоростной детонации.
В основу механизма КГ пористых систем положен принцип опережающей фильтрации газа относительно распространения фронта пламени (рисунок 3). При этом на стадии распространения сгорает лишь незначительная часть вещества (не более 10-30%) основная же часть после прохождения фронта воспламенения диспергирует с образованием как отдельных частиц так и конгломератов. Размеры конгломератов со временем уменьшаются в результате горения с поверхности и разрушения их избыточным давлением в порах. В завершении процесса происходит догорание отдельных частиц в послойном режиме.
Рисунок 3 – Физическая модель горения блочных БЗ.
1- воспламенение; 2- послойное горение; 3- переход в конвективное горение; 4- развитие конвективного горения; 5- развал БЗ на отдельные частицы; 6- догорание в послойном режиме.
Как уже было сказано ранее повышение начальной скорости снаряда, обеспечивается, как правило, тремя путями, третий - повышение плотности заряжания. Которую в свою очередь можно регулировать разными путями, один из них изменение пористости заряда. Что в первую очередь влияет на плотность заряжания, во вторую оказывает сильное влияние на процесс конвективного горения.