Теория теплового воспламенения

После изучения главы 9 бакалавр должен: знать

• • математическую модель теплового воспламенения;
• • режимы воспламенения;
• • стационарную и квазистационарную теории воспламенения;
• • очаговое воспламенение; уметь
• • выполнять математические постановки задач воспламенения; владеть
• • известными математическими методами решения краевых задач теплового воспламенения.

Знание процессов теплового воспламенения твердых топлив, порохов и взрывчатых веществ имеет важное значение для безопасного изготовления, хранения и применения изделий, содержащих указанные вещества. В процессе снаряжения изделий могут возникать неоднородности сплошной структуры, приводящие в некоторых случаях к преждевременному тепловому воспламенению (тепловому взрыву).

Тепловым воспламенением называется протекание экзотермической реакции в условиях прогрессивного самоускорения, обусловленного накоплением выделяющегося в ходе реакции тепла. Экзотермическая реакция в зависимости от условий осуществляется двояким образом. Она может протекать с малой скоростью и с небольшим разогревом (до нескольких десятков градусов). В этом режиме наблюдается тепловое равновесие между реагирующей системой и окружающей средой. Такой режим называется стационарным, так как теплоприток от реакции компенсируется теплоотводом в окружающую среду. Однако при изменении условий возможен переход к другому режиму — нестационарному, когда теплоприток от реакции превышает теплоотвод в окружающую среду. Скорость реакции в этом случае возрастает по экспоненциальному закону, температура системы также возрастает, и при определенных условиях происходит тепловое воспламенение (тепловой взрыв). Резкий переход от одного режима к другому может происходить при малом изменении внешних условий. Условия, при которых происходит переход к режиму воспламенения при незначительном изменении внешних воздействий, называются критическими.

При исследовании процессов теплового воспламенения различают реакции нулевого, первого и второго порядков. Для реакций нулевого порядка считают, что их скорость не зависит от степени превращения вещества (от числа прореагировавших молекул), а зависит только от температуры. Математическая постановка задачи в этом случае включает уравнение теплопроводности с нелинейным источником теплоты. В случае реакций первого и второго порядков, когда учитывается изменение скорости реакции от степени превращения вещества, к уравнению теплопроводности добавляется еще уравнение химической кинетики. Математическая постановка задачи в этом случае значительно усложняется, так как интегрированию подлежит система нелинейных дифференциальных уравнений в частных производных.

Ниже будут рассмотрены элементарная модель теплового взрыва, его критические условия и период индукции, стационарная и квазистациопарная теории теплового воспламенения, а также такие режимы теплового воспламенения, как самовоспламенение, зажигание и очаговое воспламенение.