Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Моделирование связанных процессов в реагирующих средах. Монография
.pdf
4.5.Исследованиесверхбыстрыхпроцессовнафронтеударногоимпульса
На рисунке 30 представлены зависимости концентрации зон
реализации нестационарного режима уплотнения (согласно
комплексному критерию (3.1)) от параметров структуры для
исходной и уточненной модели. Видно, что в обоих случаях характер кривых практически не изменился. Учет кинетики развития повреждаемости привел к смещению прогнозируемой зависимости концентрации в сторону больших значений пороговой величины
средней пористости, ее преодоление вызывает
существенный рост объема материала, в котором возможна
реализация сверхбыстрых превращение (рис. 30).
0.6
0.8
0.4
0.2
0
0.2 0.3 0.4 0.5
0.6
0.4
0.2
1.1 1.21.3 1.4 1.5
b/a
Рис. 30. Относительный объем зон реализации
сверхбыстрых превращений:
серые линии — без учета повреждаемости; черные линии —
с учетом повреждаемости при b/a = 1,3 (а), П0 = 0,4 (б)
Как следует из рисунка 31, влияние модели на зависимости
от величины b/a мало и проявляется в существенно неодно-
родных смесях (b/a = 1,3—1,5).
Зависимости массовой доли продукта реакции относительно массы исходных реагентов от времени синтеза представлены на рисунке 31 для различных параметров исходной структуры порошкового компакта, полученных с использованием
исходной
и уточненной модели. Наблюдается увеличение вы-
хода продукта реакции на момент окончания действия ударно-
191
4.Вычислительныйэксперимент
го импульса с уменьшением параметра структуры концентрационной неоднородности (рис. 31, а) и укрупнением средней
пористости исходного компакта (рис. 31, б). Неучет кинетики
развития повреждаемости приводит к существенной погрешности прогноза скорости выхода продукта реакции.
0.6
0.4
0.2
0
01234
8
b/a = 1,3;
1, 5 — П
2, 6 — П
3, 7 — П
4, 8 — П
= 0,25
0
= 0,3
0
= 0,4
0
= 0,45
0
б
7
4
6
3
5
2
1
t,
MKC
0.6
0.4
0.2
0
01234
П0 = 0,4;
1, 4 — b/a = 1,5
2, 5 — b/a = 1,3
3, 6 — b/a = 1,1
а
6
5
3
4
2
1
t,
MKC
Рис. 31. Прирост массовой доли продукта синтеза
в процессе ударного нагружения:
серые линии — без учета повреждаемости;
черные линии — с учетом повреждаемости
Таким образом, кинетика развития повреждаемости материала порошковых частиц является определяющим фактором
механической активации порошковых компонентов реагирующей смеси на фронте ударного импульса. Как следует из
результатов вычислительного эксперимента, введение параметра инкубационного времени разрушения приводит к существенно отличающимся результатам прогноза (относительно
исходной модели) времени выполнения критерия и относительного
объема зон реализация нестационарных процессов
уплотнения.
192
4.5.Исследованиесверхбыстрыхпроцессовнафронтеударногоимпульса
4.5.4.Учетинкубационныхвременфазовыхпереходов
Для исследования важности учета кинетики фазового перехода (плавления алюминия) моделируется процесс ударного
синтеза в порошковой системе Ni-Al, характеризуемой исходными распределениями концентраций компонентов и пористости, изображенными на рисунке 32.
C,
0.4
0.3
Al
0.2
0.1
0
Ni
12
b
2b
Рис. 32. Распределения концентраций компонент
по толщине исходного компакта
На рисунке 33 представлена зависимость температуры
от времени для сечений реагирующего модельного слоя 1 и
2, отмеченных на осях абсцисс на рисунке 32. Тонкими черными линиями выделены кривые, полученные с использованием исходной модели без учета инкубационного периода
фазового перехода, более толстыми линиями серого цвета
— по уточненной модели (рис. 33). В обоих
случаях на кривых хорошо заметна площадка, отвечающая процессу плавления алюминия. Неучет инкубационного времени фазового
превращения приводит к заметной погрешности в определении длительности перехода и кинетики роста температуры (свыше 30
%). Результат вычислительного эксперимента
свидетельствует о существенном влиянии факторов кинетики фазового перехода на кинетику физико-химических процессов.
193
4.Вычислительныйэксперимент
T, K
1
1200
800
400
0
04812
2
t,
MKC
Рис. 33. Изменение температуры во времени
в сечениях 1 и 2 реагирующего слоя
Таким образом, учет инкубационных времен фазовых превращений материала компонентов существенен для адекватного моделирования физико-химических процессов в реагирующих средах при динамическом нагружении.
4.5.5.Полидисперсность
Исследовалось влияние размера частиц реагирующих компонентов на кинетику физико-химических превращений. Моделировался процесс ударного синтеза в порошковом компакте Ni-Al
с массовым содержанием Al 30 % NiAl, предварительно спрессованном до значения средней пористости П
= 0,4, характеризую-
0
щийся степенью концентрационной неоднородности b/a = 1,5
под действием ударного импульса с амплитудой 2 ГПа и длительностью 1 мкс. О кинетике химических превращений позволяют судить зависимости массовой доли алюминида никеля, отнесенной к исходной массе реагирующих компонентов, от времени синтеза, приведенные на рисунке 34. Максимальный выход
продукции к определенному моменту времени
наблюдается для
порошковых систем, содержащих мелкие частицы никеля, причем, как видно из рисунка 34, а, размер частиц алюминия практически не влияет на кинетику ударного синтеза. Механохими-
194
4.5.Исследованиесверхбыстрыхпроцессовнафронтеударногоимпульса
ческие процессы обусловлена скоростью превращений заданной
массовой доли xx реагирующих компонентов
xx
[1/с].
0.4
d1=5
0.2
0
01020
d1=5
d1=5
MKM
MKM
MKM
а
, d2=5
, d2=7,5
, d2=10
MKM
MKM
MKM
t,
MKC
0.4
d1=5
MKM
, d2=5
0.2
0
01020
d1=7,5
d1=10
MKM
MKM
, d2=5
, d2=5
t,
MKM
MKM
MKM
MKC
б
Рис. 34. Зависимость массовой доли продукта реакции
от времени синтеза для различных значений исходного размера
частиц компонентов (d
— Ni; d2 — Al)
1
Зависимости стартовой интенсивности
от размера по-
2,0
рошковых частиц, характеризующие стартовую интенсивность
химических превращений, приведены на рисунке 35.
Наблюдается возрастание скорости горения с уменьшением среднего размера тугоплавкого реагента (никеля). Таким
образом, от дисперсности легкоплавкого реагента практически не зависит на скорость горения. Влияние размеров частиц тугоплавкого компонента на кинетику процесса синтеза
существенно и
не монотонно. Полученные результаты хорошо согласуются с экспериментальными данными по горению
смеси Ni-Al в режиме СВС [4].
На рисунке 36 отражены моменты выполнения критерия
перехода к нестационарному режиму уплотнения в микрослоях модельных образцов, характеризуемых различной дисперсностью исходных компонентов. Видно, что расположе-
195
4.Вычислительныйэксперимент
ние зон выполнения критерия в пространстве и во времени
практически не зависит от дисперсности исходной порошковой смеси.
.
0,2
, 1/
0.03
MKC
1
2
3
0.02
0.01
0
5678910
Рис. 35. Зависимость стартовой интенсивности химических
превращений от размера частиц Ni для частиц Al размером
5(1), 7,5 (2) и 10 (3) мкм
d
Ni
, мкм
На рисунке 37 представлены зависимости относительного
объема зон реализации критерия нестационарности от дисперсности исходного порошкового компакта. Влияние размера частиц одного из исходных реагентов на процесс синтеза
становится тем более заметным, чем крупнее частицы второго компонента смеси. В случае мелких частиц алюминия
(рис. 37, а, линия 1) или никеля (
рис. 37, б, линия 1) размер
частиц второй фазы практически не влияет на относительный
объем реализации сверхбыстрых физико-химических превращений. В случае равенства размеров частиц обоих компонентов (рис. 37, в) эта зависимость оказывается существенно
немонотонной. При этом существует диапазон изменения
размеров частиц порошковой смеси, в котором величина относительного объема реализации
сверхбыстрых превращений
остается постоянной.
196
4.5.Исследованиесверхбыстрыхпроцессовнафронтеударногоимпульса
t,
MKC
MKC
MKC
4
2
0
= 5; d2 = 5 мкм
d
1
t,
MKC
4
2
0
= 5; d2 = 7,5 мкм
d
1
MKC
t,
4
b 2b
а
b 2b
г
4
2
0
d1 = 7,5; d2 = 5 мкм
MKC
t,
4
2
0
d
= 7,5; d2 = 7,5 мкм
1
MKC
4
b 2b
б
b 2b
д
4
2
0
b 2b
d1 = 10; d2 = 5 мкм
в
MKC
t,
4
2
0
d1 = 10; d2 = 7,5 мкм
е
MKC
4
b 2b
2
0
= 5; d2 = 10 мкм
d
1
ж
b 2b
2
0
d1 = 7,5; d2 = 10 мкм
b 2b
з
2
0
d1 = 10; d2 = 10 мкм
Рис. 36. Моменты выполнения критерия нестационарности
Ni (d
) и Al (d2)
1
b 2b
и
197
4.Вычислительныйэксперимент
1
0.4
2
0.4
1
2
0.2
0.2
3
3
0
46810
1 — d
= 5; 2 — dAl = 7,5;
Al
3 — d
= 10 мкм
Al
a
dNi,
MKM
0.4
0.2
0
46810
dNi = d
0
dAl,
46810
1 — d
= 5; 2 — dNi = 7,5;
Ni
3 — d
= 10 мкм
Ni
MKM
б
d,
Al
MKM
в
Рис. 37. Зависимости концентрации микрослоев
порошковых компактов с нестационарным режимом
физико-химических процессов от дисперсности реагентов
4.5.6.Определяющиефакторы
сверхбыстрыхфизико‐химическихпревращений
С целью изучения влияния исходных параметров ударно-нагруженных порошковых смесей на возможность реализации
сверхбыстрых превращений на фронте ударного импульса был
смоделирован процесс синтеза в порошковой системе Ni-Al с
198
4.5.Исследованиесверхбыстрыхпроцессовнафронтеударногоимпульса
массовым содержанием Ni 31,5 % под действием ударного длительностью 1 мкс. Рассмотрена модельная структура исходного
порошкового компакта с различными значениями средней пористости П
с параметром концентрационной неоднородности
0
b/a и размером частиц 5—10 мкм. Результаты вычислительного
эксперимента приведены для слоя реагирующей порошковой
смеси с объемом элемента структуры 9 · 10
–9 м3
.
Выполнение критерия (3.1) в микрослоях проверяется на
каждом шаге по времени вплоть до окончания действия ударного импульса.
На рисунках 38—40 представлены моменты выполнения
критерия перехода к нестационарному режиму уплотнения в
микрослоях модельного образца для различных параметров исходной структуры порошкового компакта. Из полученных результатов видно, что в однородных смесях с
высокими значениями исходной пористости (рис. 38, а, 39, б) зоны выполнения
комплексного критерия (3.1) равномерно распределены по объему реагирующего компакта. С увеличением неоднородности
смеси (рис. 38, в, д; 40, в, г) относительный объем модельного
образца, в котором возможна реализация сверхбыстрых превращений, уменьшается и концентрируется в области с высоким содержанием тугоплавкого компонента. Снижение
исходной пористости модельного порошкового компакта приводит к сокращению относительного количества областей выполнения критерия, вплоть до их полного исчезновения (рис. 38, а, б, 39, а, б).
Результаты, приведенные на рисунках 38—40, хорошо согласуются с результатами прогноза моментов инициирования и окончания процесса синтеза, представленными на рисунках 41—43.
Области реализации сверхбыстрых превращений (
временами порядка 10
–7
мкс) совпадают с зонами выполнения
с характерными
комплексного критерия (3.1). На рисунке 44 изображены зоны выполнения критерия (выделенные серым цветом), полученные в результате расчета, на фоне исходных распределений концентраций
компонентов и удельного объема пор по толщине реагирующего
слоя из двух реакционных ячеек длиной b. Для ультрадисперсных
порошковых смесей в этих зонах возможно
формирование нано-
структуры продукта механохимических превращений.
199
4.Вычислительныйэксперимент
t,
MKC
3
2
1
0
b/a = 1,1; П
t,
MKC
3
2
1
0
b/a = 1,3; П
t,
MKC
3
2
1
а
в
b
0
b
0
= 0,4
= 0,4
Нет химических
превращений
2b
b/a = 1,1; П0 = 0,3
б
t,
MKC
3
2
1
2b
0
b
2b
b/a = 1,3; П0 = 0,3
г
t,
MKC
3
2
1
0
b/a = 1,5; П
д
b
0
= 0,4
2b
0
b
b/a = 1,5; П0 = 0,3
е
Рис. 38. Моменты выполнения критерия нестационарности
для параметров структуры концентрационной неоднородности
b/a = 1,1; 1,3; 1,5 и исходной пористости П
= 0,3 и 0,4
0
200
2b
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]