МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ГОРЕНИЯ МЕТАЛЛИЗИРОВАННОГО СМЕСЕВОГО ТВЕРДОГО ТОПЛИВА С УЧЕТОМ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ЧАСТИЦ- АГЛОМЕРАТОВ ПО РАЗМЕРАМ

АННОТАЦИЯ 3
Введение 3
1. Литературный обзор 6
2. Физико - математическая постановка задачи моделирования горения смесевого металлизированного твердого топлива с учетом распределения частиц по размерам ....15
2.1. Физико-математическая постановка задачи 15
2.2. Методика и алгоритм численного решения 20
3. Параметрическое исследование влияния дисперсности частиц алюминия на
скорость горения 26
4. Расчет скорости горения смесевого твердого топлива на основе ПХА с
добавлением наноразмерного порошка алюминия 39
4.1. Влияние добавок наноразмерного порошка алюминия на скорость горения смесевого твердого топлива 39
4.2. Математическое моделирование горения металлизированного смесевого твердого топлива с добавлением наноразмерного порошка алюминия с привлечением
экспериментальных данных о распределении частиц-агломератов по размерам 40
Заключение 46
Литература 47

Купить

Ракетные двигатели на базе смесевого твердого топлива имеют широкое применение в ракетно-космических системах из-за относительной простоты, надежности и возможности долговременного хранения, что приводит к разработке новых компонентов топлива, отвечающих требованиям повышенной энергоэффективности.
Основной метод повышения характеристик ракетных двигателей на твердом топливе заключается в повышении их энергетических характеристик твердых топлив, применяемых в них. Теплофизические свойства смесевых твердых топлив напрямую влияют на такую характеристику ракеты как ее удельный импульс, который определяет такие ее параметры, как дальность полета, масса полезной нагрузки и скорость полета. Получение оптимальных данных СТТ связано с определением и прогнозированием их свойств в ходе исследования рецептуры.
Добавки металла в виде высокодисперсных порошков считаются основным горючим СТТ. Наиболее распространенным и наиболее дешевым горючим является порошок алюминия.
Известно, что добавление порошка металла в состав твердого топлива оказывает влияние не только на его энергетические характеристики, но и на линейную скорость горения, что непосредственно связано с определением общего массового расхода топлива с поверхности горения.
С целью определения линейной скорости горения смесевых составов проводят большой объем экспериментов.
Увеличение температуры и теплоты горения - это главная роль металлического горючего, которая содействует нагреванию до более высокой температуры газообразных продуктов сгорания органического горючего и увеличивает общую энергетику топлива.
Использование тонко измельченного порошка алюминия в смесевых топливах не только увеличивает удельную тягу двигателей, но, и улучшает безопасность их запуска, и увеличивает стабильность горения топлива. При этом эффект агломерации частиц металла на поверхности твердого топлива значительно затрудняет процедуру прогнозирования его характеристик в процессе горения.
Агломерация - явление, при котором в поверхностном слое горящего твердого топлива формируются агломераты конденсированных продуктов, превышающие размеры исходных частиц металлического горючего.
Агломерация связана с наличием в топливе и на его поверхности горения 3
контактирующих частиц алюминия, которые при определенных условиях могут объединяться в крупные капли - агломераты.
Процесс агломерации начинается в конденсированной фазе СТРТ с инертного прогрева исходных частиц алюминия в тепловой волне и заканчивается горением агломератов в газовом потоке после их отрыва от поверхности горения топлива.
Анализ показывает, что любые меры, способствующие уменьшению размеров агломератов, покидающих поверхность горения СТРТ, в конечном счете, повышают баллистическую эффективность РДТТ.
Проблема горения металлизированных твердых топлив остается актуальной многие десятилетия, несмотря на достаточно большое число исследований, проведенных в рамках этого научного направления. Это связано с перспективами замены ракет- носителей с жидкостными двигателями на системы аналогичного назначения, но с твердотопливными двигателями. Перспективность данного направления обусловлена преимуществами твердотопливных ракет перед жидкостными в части их подготовки к запуску, хранения и транспорта. Широкое внедрение смесевых топлив с микро- и наноразмерными частицами металлов на настоящее временя осуществляется в основном эмпирически. Технологи разрабатывают рецептуры и технологии производства металлизированных ТРТ на основе микро- и нанопорошков металлов путем экспериментального подбора параметров на всех стадиях изготовления топлив. Можно достаточно обосновано констатировать, что в настоящее время не разработана общая теория горения металлизированных ТРТ, учитывающая особенности механизма газофазного горения топливных композиций на основе микро- и нанодисперсных порошков металлов (в первую очередь алюминия). В настоящее время созданы различные технологии получения наноразмерных порошков металлов, используемых в качестве добавок в высокоэнергетические вещества. К таким металлам относятся алюминий, бор, магний, в качестве катализаторов используется порошок железа. Например, в Томском государственном университете освоен выпуск композиционных порошков металлов, когда наночастица алюминия пассивирована органическим веществом либо покрыта никелем. Современные возможности получения ультра- и нано-дисперсных порошков металлов и других веществ создали возможности для разработки металлизированных смесевых твердых ракетных топлив на новой компонентной основе.
В связи с этим, возникла необходимость разработки адекватных физикоматематических моделей для предварительного анализа макрокинетических свойств горения металлизированных твердых ракетных топлив, прогнозирования их линейной скорости горения в зависимости от компонентного состава и давления над поверхностью горения с целью сокращения дорогостоящих экспериментов.
Целью работы является определение механизмов влияния добавок порошков алюминия на скорость горения высокоэнергетических конденсированных материалов (ВЭМ), в частности, смесевых твердых топлив на основе перхлората аммония.
Предлагается на основе статистического анализа экспериментов по изучению образования и эволюции частиц и агломератов для различных топливных рецептур металлизированных твердых топлив получить эмпирические функции распределения частиц алюминия по размерам на поверхности горения Совместное использование полученных функций и представленных в научной литературе физико-математических моделей горения металлизированных твердых топлив позволяет получать точный расчет скорости горения в широком диапазоне параметров рецептур топлив и условий камеры сгорания.
Разработанная модель горения ВЭМ будет относиться к классу детерминированных моделей горения смесевых твердых топлив.

Купить