Метод модельных агломератов

и его применение для изучения механизма горения частиц Al, Al/B, и Ti

(глава в книге «Инновационные энергетические материалы. Свойства, характеристики горения и применение». Сингапур: Шпрингер, 2020)

Глотов О. Г.

Описан так называемый "метод модельных агломератов" – оригинальный экспериментальный подход, предназначенный для изучения эволюции металлических частиц в процессе горения. Подход основан на использовании специальных образцов, генерирующих горящие частицы определенных размеров и структуры. Это позволяет преодолеть основные трудности обработки и интерпретации экспериментальных данных, обусловленные полидисперсностью агломератов, различиями в их структуре и неопределенностью в описании движения.

Возможности экспериментального подхода для изучения механизма горения продемонстрированы для агломератов различной природы с размерами 100…700 мкм. В результате получена принципиально новая информация, которую невозможно или затруднительно добыть с применением иных методов исследования.

Для агломератов Al диаметром 310…540 мкм определена макрокинетика выгорания металла в среде продуктов горения модельного топлива при давлениях 0.1…7 МПа. Изучена эволюция морфологии 110-мкм агломератов в среде продуктов горения топлива при давлениях 0.7…8 МПа вплоть до полного выгорания с образованием финальной оксидной частицы-остатка. Определена доля оксида, накапливаемого на материнской частице в процессе горения, а также размер и масса финальных частиц оксида. Показано, что доля накапливаемого оксида снижается с размером частицы и для 110-мкм агломератов равна 0.1. Установлено, что горение 110-мкм агломератов Al идентично горению монолитных частиц Al того же размера.

Для Al/B-агломератов с соотношением Al/B = 0.81/0.19 и диаметром 320…780 мкм определена зависимость времени горения от размера при горении в свободном падении в воздухе при атмосферном давлении. Морфологический анализ выявил специфическую структуру горящей частицы и финального остатка горения типа «ядро в оболочке», причём бор содержится в ядре и отсутствует в оболочке. Показано, что масса и диаметр Al/B-агломерата в процессе горения почти не изменяются, что обусловлено более высокой (по сравнению с алюминием) массовой долей накапливаемого на материнской частице оксида. В проведённых экспериментах эта доля составила 0.34.

Для титановых агломератов диаметром 300, 390, 480 мкм при горении в свободном падении в воздухе при атмосферном давлении определена зависимость времени горения от размера. Обнаружен новый режим фрагментации «еловая ветвь», особенностями которого являются отстрел множества мелких фрагментов в течение определенного промежутка времени и сохранение материнской частицы, которая в финале превращается в крупную оксидную частицу-остаток. В случае Ti остаток горения имеет диаметр 0.5…0.8 от начального диаметра материнской частицы, не является структурой типа «ядро в оболочке» и характеризуется осредненным соотношением атомов O/Ti = 2.76.

Для горящих агломератов Al и Ti диаметром 300 мкм и более, движущихся в воздухе при атмосферном давлении, определён коэффициент аэродинамического сопротивления при малых (<10) числах Рейнольдса. Этот коэффициент в 1.5…2 раза выше, чем у негорящих частиц того же размера.

Исследованы конденсированные продукты горения частиц Al и Ti. Обнаружена зависимость дисперсности продуктов горения, а именно – первичных наноразмерных оксидных частиц (сферул) Al₂O₃, от диаметра материнской частицы. При горении в воздухе частиц Al размером 4, 110 и 340 мкм средний арифметический диаметр сферул составляет соответственно 17, 51 и 68 нм. В случае Ti подобная зависимость отсутствует, однако размер сферул зависит от скорости обдува горящих частиц. Для агломератов Ti диаметром 320 мкм при увеличении скорости обдува с 0.9 м/с до 7.9 м/с размер сферул TiO₂ снизился с 30 нм до 19 нм, а время горения уменьшилось с 0.45 с до 0.26 с.

Библиографическая ссылка:

Glotov O. G. Method of Model Agglomerates and Its Application to Study the Combustion Mechanisms of Al, Al+B, and Ti Particles. In: Innovative Energetic Materials: Properties, Combustion Performance and Application. W. Pang, L. DeLuca, A. Gromov, A. Cumming (Eds.). Singapore: Springer, 2020. Chapter 14, pp. 405-455.

https://doi.org/10.1007/978-981-15-4831-4_14