english version   ☼ Наша продукция ☼    Home    Регулирование осадков    Противоградовые работы    Исследования    Контакты  
NEWS
18.11.2012  Тестирование наземных систем контроля осадков
 
08.11.2011  Всероссийская конференция по физике облаков и активным воздействиям на гидрометеорологические процессы
 
22.11.2010  Наземный аэрозольный генератор
 
21.11.2010  Фильм:
"Час "Х". Избежать апокаллипсиса"
 
03.10.2010  Фильм:
"Жара, сделано вручную"
 
16.05.2010  Статья: studying an effect of salt powder seeding.....
 
12.04.2010  "Sky Clear 1" система увеличения осадков
 
12.04.2010  "Sky Clear 2" ракета малого радиуса действия
 
12.04.2010  "Sky Clear 3" наземный генератор
 
23.02.2010  "Sky Clear 5 (CP)" система контроля осадков
 
20.02.2010  "Sky Clear 6 (AH)" противоградовая ракета повышенной дальности
 

Численное моделирование процессов горения неоднородных пиросоставов

Дривотин О.И., Дрофа А.С., Савченко А.В., Шилин А.Г., Шилин В.А.
Государственный университет, г. Санкт-Петербург; ФГБУ «НПО «Тайфун», г. Обнинск

Знание выхода активных аэрозольных частиц в продуктах сгорания пиросоставов не-обходимо для оценки льдообразующей эффективности пиротехнических средств, разрабатываемых для проведения работ по активным воздействиям на переохлажденные облака с целью регулирования осадков или защиты от града. Теоретическая оценка выхода актив-ных льдообразующих частиц обычно производится на основе термодинамических расчетов горения пиротехнической смеси с заданной рецептурой [1,2]. При этом предполагается, что в процессе горения в системе устанавливаются фазовые и химические равновесия или некоторое формальное приближение к ним. Предполагается также, что пиротехническая смесь однородна по структуре и горение происходит плоскопараллельными слоями, что в реальных условиях обычно не выполняется. Вследствие неоднородной структуры вещества, из которого сформирован пиросостав, в области горения реализуется процесс фрагментированного горения отдельных участков смеси.

Фрагментация горения может быть обусловлена гранулированностью (зернистостью) состава или его компонентов, локальными отклонениями от рецептуры, наличием дефектов или зон повышенных механических напряжений в пиросоставе. По этим причинам скорость реакций в различных частях заряда несколько различается, что приводит к созданию неоднородного поля температур – максимум в зоне интенсивного прохождения реакций и резкое понижение температуры по мере удаления от них. При этом реализуется широкий диапазон режимов перехода активного вещества в паровую фазу в зависимости от существующего поля температур, геометрии фронта горения и физических процессов, характерных для этих условий. Так, в процессах моделирования процессов горения гетерогенных систем, принято рассматривать следующие механизмы, существенным образом различающиеся между собой [3]:

  1. Традиционное кондуктивное горение
  2. Конвективное горение
  3. Фильтрационное горение
Хотя теория фрагментированного горения достаточно хорошо разработана для аэро-зольобразующих составов (АОС) применяемых в средствах порошкового пожаротушения, требования к средствам проведения активных воздействий несколько другие, прежде все-го это касается длительности действия генераторов и режимов перехода активных льдообразующих веществ в паровую фазу. Так, например, при расчете выхода AgJ в паровую фазу при горении 2% составов (на примере рецептуры ”Silver Spare”, КНР) при температуре 2376оК расчетное содержание соединений серебра в продуктах горения следующее (см. таблицу.1 ):

Таблица 1
Результаты расчета содержания соединений серебра в продуктах горения

Соединение серебра Содержание (моль/кг) %
Ag (металл) 0,98222E-01 95,7
AgO 0,81135E-06 0,001
AgJ 0,44148E-02 4,3
Хотя существует вероятность рекомбинации Agмет и свободного иода, впоследствии, после того как продукты сгорания покинут высокотемпературную зону, их разбавление окружающим воздухом значительно снижает вероятность такой реакции. В то же время расчет перехода AgJ в газовую фазу при более низких температурах для модельных композиций, не содержащих окислитель или содержащих его заниженное количество приводит практически к 100 % сохранности AgJ в температурной зоне 1350-1700оК (рисунок 1)

Разложение иодистого серебра в зависимости от температуры газовой фазы

Рисунок 1. Название Содержание AgJ в газовой фазе в зависимости от температуры горения

Таким образом, исходя из сказанного, должна существовать оптимальная дисперсность компонентов пиросостава, при которой момент перехода льдообразующее-активных компонентов в газовую фазу происходит при более оптимальных температурах, чем температурах, реализующихся во фронте горения.

Это же подтвердили и наши экспериментальные исследования. Данные проведенных в НПО «Тайфун» измерений выхода аэрозольных частиц, генерируемых пиросоставами различной степени дисперсности, показали, что активность одного и того же пиросостава зависит от степени измельчения пиротехнической смеси, и существует определенная степень измельчения, при которой активность пиросостава наибольшая. Результаты получены при сжигании льдообразующего пиросостава АД-1, применяемого в России в противоградовых работах.

Компоненты данного состава измельчались в шаровой мельнице. В зависимости от времени измельчения реализовывалась различная дисперсность пиротехнической смеси – с увеличением времени помола размеры частиц пиросостава уменьшаются. Полученный состав прессуется в таблетки и сжигается в закрытой аэрозольной камере. Дозированные пробы аэрозольных частиц отбираются в климатическую камеру с переохлажденным ту-маном при температуре -10°С. Льдообразующая активность состава определялась подсчетом числа образовавшихся кристаллов, при этом высокая степень измельчения компо-нентов пиротехнической смеси не является оптимальной для получения максимальной активности образующегося аэрозоля (рисунок 2).

Зависимость льдообразующей активности  от дисперсности (времени измельчения) пиросоставов.

Рисунок 2. Зависимость льдообразующей активности от дисперсности (времени измельчения) пиросоставов.

Приведенные результаты не позволяют провести однозначную интерпретацию в зависимости от размеров частиц пиротехнической смеси, так как измельчение различных компонентов смеси в шаровой мельнице определяются механическими свойствами отдельных компонентов. Однако экспериментальные данные свидетельствуют, что неоднородная структура распределения отдельных компонентов в пиросоставе существенным образом влияет на выход генерируемых активных частиц и этот эффект необходимо учитывать при рассмотрении режима горения пиросоставов.

В настоящем сообщении приводятся результаты численного моделирования процессов фрагментированного горения пиротехнических составов, содержащих активное вещество для генерации аэрозольных частиц. Целью моделирования является исследование зависимости выхода активного вещества от дисперсного состава компонентов пиротехнической смеси. Условия проведения моделирования и построения 3-мерной численной модели предполагают, что:

  • пиросостав состоит из 2-х компонентов – горючего вещества, реализующего процесс горения, и активного вещества, испаряющегося в сформировавшемся внутри состава поле температур.
  • эти вещества представляются в виде сферических гранул различного диаметра. Распределения гранул по размерам принимается нормальным с заданными модальными диаметрами и дисперсией распределений.
Гранулы обоих типов размещаются в цилиндрической области пространства случайным образом при условии минимизации свободного пространства между гранулами. Моделирование размещения гранул в цилиндре осуществляется с помощью генетического алгоритма [4]. Конкретные численные расчеты проведены для пиросостава с горючим веществом с известными физико-химическими и термодинамическими характеристиками, активным веществом является AgJ.

Моделирование процессов горения, переноса тепла в среде и испарения компонентов пиросостава осуществляется на основе численного решения уравнения изменения тепла в пространстве. Зажигание горючего вещества моделируется соприкосновением гранулы с горячей поверхностью. При этом с поверхности гранулы из-за химической реакции горения происходит отток тепла с интенсивностью, рассчитываемой с использованием уравнения теплопроводности при нестационарной экзотермической реакции. Для расчета сублимации активного вещества в неоднородном температурном поле использовалась расчетная зависимость степени разложения активного вещества AgJ от температуры, полученная с использованием программ для расчета термодинамического равновесия.

Численные расчеты проведены для пиросоставов, содержащих 8% активного вещества AgJ, при различных размерах гранул горючего (6-250 мкм) и активного вещества (1-30 мкм). Результаты расчета выхода неразложившегося AgJ в паровой фазе при горении пиросоставов показывают немонотонную зависимость выхода AgJ при изменениии исходных размеров частиц пиросостава. При определенной степени измельчения компонентов состава наблюдается наибольший выход AgJ в паровую фазу без разложения.

Приведенные результаты показывают, что процессы фрагментированного горения пиросоставов существенным образом могут влиять на эффективность работы пиротехнических генераторов аэрозолей и при разработке генераторов этот эффект необходимо учитывать.

Литература:

  1. Cruise D. R., Theoretical Computations of Equilibrium Composition, Thermodynamic Properties, and Performance Characteristics of Propellant Systems. NWC TP 6037, Naval Weapons Center, China Lake, CA 93555-6001, 1991.
  2. Трусов Б.Г. Моделирование химических и фазовых равновесий при высоких температурах. АСТРА 4. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1994.- 50с.
  3. Самборук А.Р. Горение пористых газогенерирующих и аэрозольобразующих составов для средств пожаротушения. Дисс. на соискание ученой степени доктора технических наук., Самарский университет 2006.
  4. Lakhmi C. Jain; Martin N.M., Fusion of Neural Networks, Fuzzy Systems and Genetic Algorithms: Industrial Applications. CRC Press LLC, 1998.