КОНДЕНСИРОВАННОГО ВЕЩЕСТВА ПРИ ЛОКАЛЬНОМ НАГРЕВЕ ИСТОЧНИКОМ

Д.О. Глушков, Г.В. Кузнецов, П.А. Стрижак

Предполагалось, что разогретая до высоких температур частица инерционно осаждается на поверхность гелеобразного топлива, температура которого близка к криогенной. Топливо содержит окислитель (сжиженный кислород) и горючее (гидразин), благодаря энергии частицы его приповерхностный слой прогревается и ускоряются процессы плавления. При достижении условий парообразования гелеобразная структура горючее – окислитель испаряется и пары поступают в область, заполненную инертным газом. В малой окрестности частицы формируется парогазовая смесь. При достижении достаточных для воспламенения температур и концентраций компонентов смеси происходит зажигание.

Математическая модель исследуемого процесса аналогично [1, 2] представлена системой нелинейных нестационарных дифференциальных уравнений в частных производных, учитывающих нагрев топлива, его плавление и испарение, формирование парогазовой смеси, ее последующее окисление, а также соответствующие начальные и граничные условия.

В результате проведенных численных исследований определены значения основной интегральной характеристики процесса – времени задержки зажигания при взаимодействии металлических (сталь, алюминий) и неметаллических (керамика, углерод) частиц с поверхностью топлива. Установлены зависимости времени задержки зажигания от начальной температуры частицы. Минимальные (пороговые) значения температур металлических и неметаллических частиц, достаточные для зажигания гелеобразной топливной композиции, превышают аналогичные параметры, вычисленные ранее для типичных твердых [3] и жидких топлив [4]. Также выделены начальные температуры источников (T_p≈1100 К), при превышении которых отклонения времен задержки зажигания для металлических и неметаллических частиц минимальны (не более 3 %).

1. Kuznetsov G.V., Strizhak P.A. Computational Investigation of Heat and Mass Transfer Processes in a Gel-Like Fuel Ignited by a Limited-Capacity Source // Journal of Engineering Physics and Thermophysics. – 2013. – V. 86. – N. 3. – P. 694–704.

2. Глушков Д.О., Жданова А.О., Стрижак П.А. Математическое моделирование зажигания гелеобразного конденсированного вещества одиночными разогретыми металлическими и неметаллическими частицами // Бутлеровские сообщения. – 2013. – Т. 34. – № 5. – С. 22–33.

3. Glushkov D.O., Kuznetsov G.V., Strizhak P.A. Solid-Phase Ignition of a Composite Propellant by a Hot Particle under Free-Convection Heat Sink into the Environment // Russian Journal of Physical Chemistry B. – 2014. – V. 8. – N. 2. – P. 196–204.

4. Zakharevich A.V., Strizhak P.A. Analyzing the Characteristic Times of Physical-Chemical Processes Running at Ignition of a Liquid Condensed Substance under Local Heating // Journal of Engineering Thermophysics. – 2013. – V. 22. – N. 2. – P. 157–168.
NUMERICAL RESEARCH OF THE GEL-LIKE CONDENSED SUBSTANCE IGNITION PROCESS AT LOCAL HEATING BY THE SOURCE WITH LIMITED POWER CONSUMPTION

D.O. Glushkov, G.V. Kuznetsov, P.A. Strizhak

It was supposed that the particle warmed to high temperatures is situated on a surface of the gel-like fuel which temperature is close to the cryogenic. Fuel contains an oxidizer (the liquefied oxygen) and fuel (the hydrazine). Due to the energy of a particle the near-surface layer of fuel gets warm. Its melting processes are accelerated. At achievement of conditions of steam formation there is an evaporation of gel structure «fuel – oxidizer». Vapors of fuel and oxidizer arrive in the area with inert gas. Steam-gas mix is formed in a small vicinity of a particle. Ignition happens at achievement of sufficient for ignition temperatures and concentration of gas-mix components.

The mathematical model of studied process similarly [1, 2] is presented by system of the nonlinear non-stationary differential equations in the private derivatives considering fuel heating, its melting and evaporation, formation of steam-gas mix, its subsequent oxidation, and also the corresponding initial and boundary conditions.

As a result of the numerical researches values of the main integrated process characteristic (ignition delay time) are defined at interaction metallic (steel, aluminum) and nonmetallic (ceramics, carbon) particles with a fuel surface. Dependences of ignition delay time on the initial temperature of a particle are established. The minimum values of metallic and nonmetallic particles temperatures , sufficient for ignition of gel-like fuel composition exceed the similar parameters calculated earlier for typical firm [3] and liquid fuels [4]. Besides temperatures T_p≈1100 K at which excess a deviation of ignition delay time for metallic and nonmetallic particles are minimum (no more than 3 %) are allocated.

Research was executed with financial support of a grant of the President of the Russian Federation (the scientific project MK-2391.2014.8).

References

1. Kuznetsov G.V., Strizhak P.A. Computational Investigation of Heat and Mass Transfer Processes in a Gel-Like Fuel Ignited by a Limited-Capacity Source // Journal of Engineering Physics and Thermophysics. – 2013. – V. 86. – N. 3. – P. 694–704.

2. Glushkov D.O., Zhdanova A.O., Strizhak P.A. Mathematical Modeling of Ignition of Gel-Like Condensed Substance by the Single «Hot» Metal and Nonmetallic Particles // Butlerov Communications. – 2013. – V. 34. – N. 5. – P. 22–33 [in Russian].

3. Glushkov D.O., Kuznetsov G.V., Strizhak P.A. Solid-Phase Ignition of a Composite Propellant by a Hot Particle under Free-Convection Heat Sink into the Environment // Russian Journal of Physical Chemistry B. – 2014. – V. 8. – No. 2. – P. 196–204.