Изучение структуры пламен конденсированных систем на основе перхлората аммония и полибутадиенового каучука

Горение смесевых твердых топлив (СТТ) и других конденсированных систем (к-систем) представляет собой взаимодействие сложных физико-химических процессов, идущих в конденсированной (к-фазе) и в газовой фазах. Наименее изученной стороной горения СТТ являются химические превращения, идущие вблизи контакта горючего и окислителя. Из-за малых размеров зон горения (десятки — сотни микрон) экспериментальное изучение реальных СТТ крайне затруднено. Модельные СТТ существенно упрощают решение этих задач. Целью данной работы являлось изучение химических процессов в пламенах модельных СТТ и слоевых систем на основе перхлората аммония (ПХА) и полибутадиенового каучука с карбоксильными концевыми группами (ПБК).

Для изучения механизма и кинетики химических реакций использовался подход, включающий экспериментальное исследование структуры пламени гомогенизированного СТТ и её теоретическое моделирование на основе решения уравнений течения реагирующего многокомпонентного газа с учетом многостадийного кинетического механизма. Моделирование взаимодействия микропламен, имеющего место при горении реального СТТ, осуществлялось путем исследования химической структуры слоевых конденсированных систем (СКС). Геометрическая упорядоченность расположения компонент в слоевых системах, состоящих из чередующихся слоев окислителя и горючего, значительно упрощает изучение горения таких систем. В то же время это позволяет понять и смоделировать влияние дисперсности окислителя на скорость горения реальных СТТ.

Диссертация состоит из четырех глав.

В первой главе дан обзор литературы по горению смесевых и слоевых систем на основе ПХА, на основании анализа которых сделаны выводы об отсутствии в литературе данных по исследованию химии горения, структуры пламени СТТ на основе ПХА и необходимости таких исследований для разработки моделей горения.

Во второй главе дано описание методики изучения структуры пламен конденсированных систем.

В третьей главе дано описание результатов экспериментов по исследованию структуры пламен гомогенизированных составов и результатов их математического моделирования. Предложено краткое описание химических превращений в пламени СТТ на основе анализа и сопоставления результатов эксперимента и моделирования.

В четвертой главе приведены результаты экспериментального исследования тепловой и химической структуры пламен слоевых систем, а также структуры их поверхности горения.

Программа для математического моделирования горения смесевых и слоевых систем создана Ермолиным Н. Е. Им же проведены расчеты по моделированию структуры пламени слоевых и смесевых систем, за что автор приносит ему благодарность.

ВЫВОДЫ.

1. Идентифицированы основные компоненты, измерены их концентрации, а также профили их концентраций и температуры в пламенах слоевых систем на основе ПХА и «активного» связующего, октогена и «активного» связующего в трёх сечениях соответствующих середине слоя ПХА (октогена) середине слоя «активного» связующего и границе контакта слоёв. Изучена структура поверхности слоевой системы.

2. Полученные данные о структуре пламени в сечениях, соответствующих середине слоёв ПХА и октогена, подтвердили полученные ранее данные о структуре пламён ПХА и октогена.

3. Предложенный возможный механизм химических превращений в пламени СТТ на основе ПХА применён не только для моделирования структуры пламени СКС на основе ПХА при низком давлении, но и для получения качественной картины взаимодействия пламён активного связующего и крупной частицы ПХА, находящейся на поверхности горения СТТ при высоком давлении.

Заключение

.

1. Разработана методика исследования структуры пламени СТТ и слоевых систем с применением усовершенствованной системы пробоотбора и дальнейшего анализа пробы на масс-спектрометре, облегчающая расшифровку масс-спектра.

2. Идентифицированы основные компоненты, измерены их концентрации, а также профили их концентраций и температуры в пламенах гомогенизированных СТТ на основе ПХА различного состава. Установлены основные продукты реакций в к-фазе гомогенизированного СТТ на основе ПХА, дальнейшие реакции которых в газовой фазе ответственны за тепловыделение в пламени.

3. Экспериментально обнаружен факт конкуренции расходования окислителя в реакциях с аммиаком и углеводородами. Замечено, что углеводороды реагируют активнее, чем NH3 и азотистые соединения. В результате в конечных продуктах горения образуется значительное количество аммиака.

4. В результате сопоставления данных эксперимента и моделирования структуры пламени гомогенизированного СТТ на основе ПХА предложен возможный механизм химических превращений в пламени. Выделены наиболее существенные стадии, влияющие на поведение профилей температуры и концентраций промежуточных и конечных продуктов реакций в пламени.

5. Идентифицированы основные компоненты, измерены их концентрации, а также профили их концентраций и температуры в пламенах слоевых систем на основе ПХА и «активного» связующего, а также октогена и «активного» связующего в трёх сечениях, соответствующих середине слоя ПХА (октогена), середине слоя «активного» связующего и границе контакта слоев. Изучена структура поверхности горения слоевой системы.

6. Полученные данные о структуре пламени в сечениях, соответствующих середине слоёв ПХА и октогена, подтвердили полученные ранее данные о структуре пламён ПХА и октогена.

7. Предложенный механизм химических превращений в пламени СТТ на основе ПХА применён не только для моделирования структуры пламени СКС на основе ПХА при низком давлении, но и для получения качественной картины взаимодействия пламён активного связующего и крупной частицы ПХА, находящейся на поверхности горения СТТ при высоком давлении.

8. Результаты представленные в диссертации использованы для моделирования горения СТРТ российскими и западными исследователями.