Зависимость скорости горения от плотности тока

 

Плотность тока, характеризующая режим течения в канале твердого блока гибридного топлива, является одним из факторов, наиболее существенно влияющим на скорость горения. Экспериментальные значения скорости горения топлива: полиэтилен + 85% Н₂О₂ в зависимости от плотности тока, полученные при установке шнекового завихрителя (рис. 4.30) на входе в блок твердого горючего показаны на рис. 10.1 (кривые 1,2,3). Начальные и конечные диаметры канала блока полиэтилена находились в диапазоне 50¸120 мм.

 

 

Рис. 10.1.

 

На том же рис. 10.1 приведены значения скоростей горения полиэтилена в парогазе 85%-ной перекиси водорода без закрутки (кривые 4, 5, 6). Условия проведения экспериментов в остальном были одинаковыми. Во всех случаях экспериментальные зависимости могут быть удовлетворительно аппроксимированы степенной функцией вида . При этом в закрученном потоке реализуются следующие законы горения:

V _гмас = 0,202 (ru)^0,52;

V _гmin = 0,0108 (ru)^0,63,

V _гmax = 0,446 (ru)^0,42.

При горении без закрутки соответствующие законы горения имеют вид:

V _гмас = 0,0425 (ru)^0,78,

V _гmin = 0,0425 (ru)^0,72,

V _гmax = 0,0575 (ru)^0,72.

Как показывают экспериментальные данные, приведенные законы не являются общими. Они характеризуют закономерности горения данной топливной пары только в том диапазоне изменения определяющих параметров ( r u, Р, d, j₃), в котором они были получены. Тем не менее, они иллюстрируют тот факт, что в закрученном потоке скорость горения существенно увеличивается. Причем это возрастание связано с увеличением скорости горения по всей поверхности канала, в том числе и с существенным возрастанием V _гmin.

На рис. 10.2 представлены скорости горения того же топлива, полученные в схемах с закруткой (G ₀ = 1,65 кг/с, p _к = 4,0 МПа, a = 0,65) и без закрутки (G ₀ = 2,0 кг/с, p _к = 4,0 МПа). Видно, что введение закрутки приводит к увеличению скорости горения в 1,5…2,0 раза (при изменении плотности тока от 100 до 800 кг/м²с).

 

Рис. 10.2.

 

Анализ данных, представленных на рис. 10.1 и 10.2 позволяет выявить особенности горения с закруткой:

– уменьшение зависимости скорости горения от плотности тока: показатель n в законе горения уменьшается от n = 0,78¸0,7 до n = 0,45¸0,52 при p _к = const;

– уменьшение разницы в скорости горения с закруткой и без закрутки потока окислителя по мере увеличения r u.

Это подтверждается экспериментальными данными других авторов (гл. 3, рис. 3.17)

Анализируя данные, можно проследить тенденцию к возрастанию показателя в законе скорости горения при увеличении давления. Значение показателя степени при данном давлении в условиях разгорающегося канала, как показывают эксперименты, также является переменным и увеличивается с увеличением времени горения, т.е. рост n связан также с диаметром канала.

 

Рис. 10.3.

 

По результатам, представленным на рис. 10.3, можно судить лишь об уровне скоростей горения гибридных топлив с закруткой, поскольку условия, в которых они получены, существенно отличаются. Несмотря на это, некоторые выводы могут быть сделаны. Отношение максимальных скоростей горения (в целом по рассматриваемой группе топлив) к минимальным в диапазоне  не превышает 2,2¸2,3. В то время как отношение собственных скоростей горения тех же топлив в подобных условиях (рис. 10.1) составляет 7¸8. Эти оценки охватывают и форсированные горючие, в состав которых входит твердый окислитель (типа каучук СКД+15% КСlО₄), скорость горения которых существенно выше остальных топлив. Однако эффект от введения закрутки для этих топлив незначителен. В то же время, чистые полимерные горючие (каучуки, полимеры), имеющие относительно низкую собственную скорость горения, при введении закрутки горят существенно быстрее. Этим и объясняется не столь значительное отличие скоростей горения рассмотренных топлив с закруткой (рис. 10.3). Горючие на основе гидридов металлов, например, LiAlH₃+Н₂О₂ (кривая 1 на рис. 10.3) обладают скоростями горения, существенно превышающими скорости горения полимерных горючих. Как показали исследования, этот факт связан с образованием на поверхности указанных горючих расплавленной пленки, которая под действием обтекающего поверхность газа теряет устойчивость и уносится потоком. При этом возникает проблема повышения полноты сгорания этих топлив.

Представляет интерес также сравнить экспериментальные данные по уносу (возгонке, газификации) плексигласа в потоке высокотемпературного инертного газа (t = 1500 ⁰С, данные 7) и в кислороде. Скорость уноса плексигласа пропорциональна r u ^0,8 при разных давлениях во всем диапазоне изменения r u = 200¸2000 кг/м²с. При горении ПММА в кислороде (p _к = 3,7 МПа) V _г ~ r u ^0,7 (данные 6). Это значит, что существуют области плотности тока, когда горение ПММА в кислороде при данном давлении происходит медленнее, чем уносы в потоке инертных газов, что подтверждается экспериментальными данными. Наиболее вероятным объяснением этому факту является то, что при больших значениях плотности тока уменьшение температуры в зоне пламени становится столь существенным, что уменьшается тепловой поток в стенку, определяющий скорость горения. При малых r u температура в зоне пламени кислородного топлива увеличивается, и растет скорость горения ПММА. Аналогичные выводы можно сделать, рассматривая результаты горения других топлив.

Таким образом, в большинстве практически интересных случаев на скорость горения с закруткой наиболее сильно влияет режим течения (плотность тока). Вместе с тем усматривается влияние и других факторов, не связанных с плотностью тока, в частности, через давление в камере сгорания на кинетику химических реакций в газовой фазе. В пользу этого говорят следующие факты:

– при переходе от большего давления к меньшему существенно уменьшается зависимость скорости горения от плотности тока;

– при одном и том же давлении по мере увеличения плотности тока степень зависимости скорости горения от плотности тока уменьшается;

– влияние закрутки (гидродинамический фактор) на скорость горения при высоких давлениях существенно больше (до 3 раз), чем при низких давлениях (~ 10%);

– для горючих, содержащих твердый окислитель, похожих на смесевые твердые ракетные топлива, для которых главным фактором, влияющим на скорость горения, является давление, эффект от введения закрутки значительно меньше.