3.4. Горение заранее перемешанной газовой смеси и гомогенных энергетических материалов (эм)

Это может быть смесь газов в бунзеновской горелке (рис. 1), смесевое твердое топливо (СТТ) или смесь для СВС- процесса и гомогенное (однородное) жидкое или твердое топливо, которое уже нельзя назвать смесью, поскольку в нем идут реакции не соединения горючего и окислителя, а наоборот разложения крупной молекулы на более мелкие.

3.4.1. Поверхность горения. По перечисленным выше гомогенным или квазигомогенным средам может распространяться волна горения, в которой исходное вещество превращается в окончательные продукты. За исключением некоторых разновидностей СВС (где высокая теплопроводность обеспечивает значительный поперечный размер волны) толщина волны обычно мала по сравнению с характерным размером устройства, где эта волна распространяется. В этом случае можно использовать понятие фронта (или поверхности) горения. Фронт распространяется с нормальной (направленной по нормали к фронту) скоростью u_n по исходному веществу. В устройствах с движущимся веществом фронт относительно устройства распространяется с нормальной скоростью u_n - v_n, где v_n – нормальная скорость набегания исходного вещества на фронт горения. Во многих случаях исходное вещество можно считать однородным и изотропным, тогда u_n = const.

Независимо от природы волны (звуковая, световая или волна горения) для эволюции формы кривого в общем случае фронта, распространяющегося с нормальной скоростью u_n, выполняется принцип Гюйгенса, разработанный более 300 лет назад. Согласно этому принципу для получения формы фронта волны в момент t + t (при известной форме в момент t) следует для каждой точки фронта в момент t построить сферу с центром в этой точке и с радиусом u_n t. Огибающая сфер и дает новое положение фронта (см. рис. 24).

Рис. 24. Демонстрация принципа Гюйгенса

На рис. 24 показано, как изменяется форма первоначально конического фронта волны. Если волна распространяется внутрь конуса, он не меняя своей формы движется вниз со скоростью

u_c = u_n / sin (45)

(получите это выражение с использованием рис.24). Если волна распространяется вовне, на вершине движущегося вверх (с той же скоростью) конуса появляется сферическое затупление, расширяющееся с течением времени. Вершина затупления распространяется по веществу со скоростью u_n.

Коническая форма пламени реализуется в бунзеновской горелке (рис. 1). Газовая смесь истекает из нее в виде струи со скоростью u_c и на выходе непрерывно поджигается по периферии раскаленным элементом ограждения, получающим тепло из пламени. В системе координат, связанной с газом, по нему движется со скоростью u_c кольцевой поджигающий элемент, инициирующий волну горения. Горение распространяется вовнутрь струи, что соответствует на рис. 24 движению вниз конического фронта с острой вершиной. Угол раствора образовавшегося конуса пламени соответствует уравнению (45).

Правильный расчет формы горящей поверхности очень важен при проектировании ракетных двигателей на твердом топливе (РДТТ), так как от формы поверхности зависит ее площадь, а площадь горящей поверхности определяет собой массовую скорость поступления газа в камеру сгорания и, следовательно, величину давления в этой камере. На рис. 25 показано сечение заряда

Рис. 25. Поперечное сечение заряда РДТТ

РДТТ в виде цилиндрической шашки с крестообразным вырезом. Изображена ситуация в начальный момент времени и в момент достижения стенки камеры сгорания «передовыми» участками горящей поверхности.