Precision measurement of the velocity of propagation SHS wave by the method of chrono-topographical analysis

Full Text

Введение

Пространственная структура волны самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) в микрогетерогенных режимах, близких к неустойчивому горению, характеризуется наличием областей с существенной депрессией реакции, которые способствуют расслоению и даже грануляции продуктов синтеза [1]. Использование данного явления для производства порошков с заданной дисперсностью обуславливает актуальность исследования закономерностей микрогетерогенного режима горения.

Историческое развитие методов анализа экспериментальных данных о процессе СВС связано с изучением макрокинетики этого феномена [2]. Исследования дискретности распространения волны горения позволили объяснить возникновение слоистых структур в продуктах синтеза [1–3]. Однако для изучения термодинамики микрогетерогенных процессов требуется регистрация СВС с высоким разрешением, когда неоднородность фронта волны горения становится сравнима с характерным размером области наблюдения [4]. В этом случае возникает неопределенность выбора направления измерительного сечения в изображениях тепловизионной съемки, что требует разработки новых подходов анализа зарегистрированных данных. Авторами статьи ранее предложен оригинальный способ хроно-топографического представления результатов тепловизионных исследований для совместного анализа микрогетерогенных процессов и макрокинетики явления [5].

Цель настоящей работы заключалась в обнаружении закономерностей термодинамики очагов реакции в волне СВС с помощью хроно-топографического анализа (ХТА) тепловизионных данных высокого разрешения.

Метод хроно-топографического анализа

Современные модели микрогетерогенного режима горения безгазовых систем связывают в уравнении состояния два фактора – глубину химического превращения реакционных ячеек и их температуру [6]. Следовательно, заданный уровень температуры может служить критерием для определения ячеек с одинаковой глубиной реагирования на стадии воспламенения. Причем соответствующие реакционным ячейкам элементы тепловизионного изображения, уровень сигнала которых в первый раз достиг установленного значения, должны составлять фронт волны СВС с соответствующей глубиной реагирования. Определив координаты элементов фронта во всех кадрах тепловизионной съемки, можно построить хронографическую карту, которая отражает пространственно-временное распределение реакционных ячеек с одинаковой глубиной химического превращения во фронте волны горения.

Хронографическая карта на рисунке 1 получена по тепловизионной съемке высокого разрешения: 5.8 мкм и 1 мс (рис. 2). Ее анализ позволяет выявить следующие свойства.

 

Рисунок 1 – Интегральная хронографическая карта процесса СВС

 

Рисунок 2 – Система координат тепловизионной съемки процесса СВС

 

Экспериментальные данные о положении фронта волны СВС Y=f(X,t) хорошо аппроксимируются плоскостью. По отношению к процессу СВС это означает постоянство величины математического ожидания скорости фронта как по разным моментам времени, так и по различным точкам пространства. Из этого факта следует, что процесс СВС в волновом режиме можно считать не только стационарным, но и эргодичным. Таким образом, при определении статистических характеристик процесса СВС данные различных сечений хронографической карты можно объединить в общую выборку. Для современных скоростных камер это позволяет на 3–4 порядка увеличить объем выборки и на 1–2 порядка сократить доверительный интервал оцениваемых параметров макрокинетики процесса.

С учетом эргодичности процесса можно утверждать, что угол между направлением столбцов фотоматрицы и нормалью к фронту волны горения  (рис. 2) равен углу , показанному на рисунке 1. Если при регистрации процесса СВС камера сориентирована неправильно, то фронт горения появится в одном из углов тепловизионного изображения раньше, чем в другом. При постоянной скорости распространения фронта величина временной задержки будет линейным образом зависеть от расстояния между сечениями по оси , и направление нормали к фронту волны горения можно определить по средней временной задержке возникновения очагов в разных сечениях изображений тепловизионной съемки даже в случае больших увеличений оптической системы. Хронографические карты процесса СВС позволяют определять направление нормали к фронту волны горения, совмещая два способа: анализ пространственных данных тепловизионных изображений; контроль времени задержки появления фронта реакции в разных нормальных сечениях.

Дифференциальная форма хронографической карты (рис. 3) позволяет идентифицировать в волне реакции отдельные очаги, изучать их термодинамику и взаимодействие. Совместный анализ данных тепловизионной съемки и дифференциальной хронографической карты позволяет построить топографическую карту процесса СВС, которая отображает области, где происходило развитие отдельных очагов горения за все время регистрации процесса (рис. 4). Топографическая карта позволяет оценить, как депрессия горения в процессе СВС способствует структуризации конечного продукта, и определить характерные размеры областей образца с высокой глубиной реагирования исходных компонент. Методика измерения статистических параметров процесса СВС с помощью хронографической и топографической карт представлена в работах [7, 11, 16].

Рисунок 3 – Дифференциальная форма (a) и поперечное сечение А (b) хронографической карты процесса СВС (V_t – скорость распространения очага вдоль фронта волны СВС; t_exp – время существования отдельного очага; t_ind – время индукции в измерительном сечении нового очага; L_n – размер очага в направлении нормали к фронту горения)

 

Рисунок 4 – Топографическая карта процесса СВС (L_d – размер области депрессии горения между очагами)

 

Экспериментальная оценка погрешности измерения скорости распространения волны СВС методом ХТА для тепловизионных данных высокого разрешения при размерности датчика 1 МП составила 0.05 %. При использовании датчиков большей размерности или подхода следящего тепловизионного контроля можно достичь уровня погрешности 5·10^-4 %.

Экспериментальные результаты и обсуждение

Для изучения закономерностей микрогетерогенного режима горения на базе системы Ni-Al выполнено экспериментальное исследование эволюции отдельных очагов в волне СВС. Для управления тепловым эффектом реакции в шихте варьировалась массовая доля Ni от стехиометрии Ni₃Al до NiAl с шагом 0.5 %. Плотность шихты при комнатной температуре была подобрана так, чтобы горение с образованием Ni₃Al являлось критическим [7]. Контроль высокотемпературного синтеза осуществлялся оригинальной тепловизионной системой с пространственным и временным разрешением 5.8 мкм и 1 мс соответственно [11].

Развитие очагов горения в волне СВС

На температурных изображениях рисунка 5 представлено развитие очага горения вдоль фронта волны СВС – ось X, в то время как сам фронт реакции синтеза Ni₃Al перемещался в направлении оси Y. Размер области наблюдения по X составлял 7.3 мм, а по Y – 1.87 мм.

 

Рисунок 5 – Развитие очагов горения вдоль фронта волны СВС Ni₃Al

 

По дифференциальной хронографической карте на рисунке 5 отчетливо видно, что развитие очагов вдоль фронта волны подобно распространению самого фронта реакции – имеется стадия быстрого смещения границы очага в направлении оси X с резким повышением температуры в нем (стадия вспышки) и стадия депрессии реакции, сопровождающаяся понижением температуры. В качестве примера на рисунке 5 подчеркнута одна из областей быстрого смещения границы очага вдоль фронта волны СВС и одна из областей депрессии реакции горения в очаге.

Хронографическая карта процесса СВС также показывает, что переход от стадии депрессии реакции к стадии вспышки сопровождается появлением вторичного очага, который распространяется вдоль фронта волны СВС, но в обратном направлении по отношению к первичному очагу. Пример возникновения и развития вторичного очага, отраженный на хронографической карте, связан с кадрами микротепловизионной съемки, которые были зарегистрированы в моменты времени: 0.094, 0.106 и 0.119 секунды (рис. 5).

В целом на основе анализа дифференциальной хронографической карты процесса СВС можно сделать несколько выводов. Во-первых, скорость распространения границы очагов вдоль фронта волны СВС конечна и ее можно измерить по тепловизионной съемке высокого разрешения при условии малого теплового эффекта реакции, близкого к критическому. С ростом теплового эффекта скорость распространения очагов вдоль фронта увеличивается, но выявить движение границы очага становится очень сложно. Увеличение временного разрешения тепловизионной камеры ведет к снижению уровня сигнала датчика вплоть до его потери на фоне шума [8]. При малом временном разрешении граница смещается так быстро, что зарегистрировать фазы этого движения у отдельного очага не удается. Уменьшение пространственного разрешения тепловизионной системы способствует росту уровня сигнала датчика, но приводит к «потере» очага из-за дискретности фотоматрицы. Во-вторых, во фронте волны СВС присутствуют как минимум два типа очагов, имеющих разную динамику распространения. В развитии первичных очагов можно отметить две стадии: когерентное горение (область вспышки) и торможение распространения реакции (рис. 5). На стадии торможения зависимость координаты границы первичного очага X_bp от времени подобна логарифмическому закону. Координата границы вторичных очагов X_bs, вплоть до момента прекращения горения, линейным образом зависит от времени. В-третьих, вспышки, наблюдаемые на тепловизионной съемке волны СВС, скорее всего не являются отдельными очагами горения, а представляют собой лишь стадию развития первичного очага, который подобно фронту волны СВС также имеет дискретный характер распространения. Собственно, развивающиеся первичные очаги и формируют фронт волны горения. В-четвертых, вторичные очаги, распространяясь в обратном направлении по отношении к первичным, выжигают области, которые становятся препятствием для развития первичного очага. Этот барьер может ограничить ареал распространения первичного очага и повлечь дробление фронта волны горения на отдельные сектора. Данная гипотеза подтверждается топографической картой процесса СВС (рис. 4). Таким образом, каждый слой образующихся продуктов может формироваться несколькими первичными очагами одновременно.

При малом тепловом эффекте реакции в системе Ni-Al практически все вторичные очаги гаснут. С ростом величины теплового эффекта наблюдались случаи, когда вторичный очаг превращался в первичный, т. е. менялось на противоположное направление распространения первичных и вторичных очагов.

Динамика горения в реакционных ячейках

Методом ХТА изучалось влияние очагов горения, находящихся во фронте волны СВС, на термодинамику реакционных ячеек, входящих в ранее образовавшиеся очаги горения. Для этого в анализируемом сечении X₀ велось наблюдение за динамикой максимальной температуры отдельных очагов, идентифицированных на кадрах тепловизионной съемки (рис. 6). Типичные результаты этих исследований представлены на рисунке 7.

 

Рисунок 6 – Принцип анализа термодинамики реакционных ячеек по температурным изображениям

 

Установлено, что в режимах, близких к неустойчивому горению, термограммы реакционных ячеек имеют несколько характерных пиков. Причем возникновение каждого пика очень хорошо синхронизовано во времени с моментами появления новых очагов горения в сечении X₀. На основе этих данных можно предположить, что рост слоя продуктов между частицами горючего и окислителя происходит не непрерывно в результате реакционной диффузии, а дискретно, т. е. процесс диффузии и перемешивания исходных компонент отделен от процесса горения, который испытывает стадии депрессии и вспышки.

После возникновения слоя продуктов горение в ячейке прекращается. В соответствии с теорией реакционной диффузии горение должно возобновиться через промежуток, за который горючее (и/или окислитель) преодолеют слой продуктов. Однако эксперимент показывает, что горение в ячейке возобновляется только с образованием нового очага в сечении X₀.

Подобный сценарий вероятен [11], когда на процессы в реакционной ячейке велико влияние как внутреннего, так и внешнего теплоотвода. Тогда диффузионное перемешивание горючего и окислителя в реакционной ячейке не приводит к горению. Образование нового очага во фронте волны, как минимум, блокирует со стороны исходной смеси внешний теплоотвод ячейки, входящей в область ранее образованного очага, и создает в ней условия для возобновления реакции горения, которая может протекать в режиме теплового взрыва.

 

Рисунок 7 – Динамика максимальной температуры в анализируемом сечении очагов

 

В рассмотренном случае посредством изменения периметра образца можно попытаться управлять временем диффузионного смешивания горючего и окислителя в реакционной ячейке. Наличие в ней стадий погасания и взрыва должно приводить к расслоению продукта. Следовательно, изменяя время смешивания, можно контролировать дисперсность продукта.

Выводы

Дискретный характер процесса СВС проявляется не только при распространении фронта волны горения. В микрогетерогенном режиме горения он обнаруживается как при развитии очагов, формирующих фронт волны синтеза, так и на масштабе реакционных ячеек. Опираясь на знание о расслоении продуктов в волне высокотемпературного синтеза [9–12] и результаты настоящих экспериментальных исследований [15–16], можно сделать вывод, что рост дефицита теплоты в микрогетерогенных режимах горения приведет к увеличению дисперсности образующегося продукта.

About the authors

Alexey Viktorovich Dolmatov

Yugra State University

Author for correspondence.
Email: ADolmatov@bk.ru

Candidate of Engineering Sciences; Professor, Institute of Oil and Gas

Russian Federation, 16, Chehova street, Khanty-Mansiysk, 628012

Pavel Yurievich Gulyaev

Yugra State University

Email: p_gulyaev@ugrasu.ru

Doctor of Technical Sciences; Professor, Institute of Oil and Gas

Russian Federation, 16, Chehova street, Khanty-Mansiysk, 628012

References

Supplementary files