Моделирование распространения волны твердофазной цепной реакции

• Автор: Боровикова, Анастасия Павловна
• Шифр специальности: 02.00.04
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2012
• Место защиты: Кемерово
• Количество страниц: 157 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ

ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. Зарождение и распространение реакции взрывного разложения АТМ

1.1 Цепной и тепловой взрыв

1.2 Горение и детонация

1.3 Модель лазерного инициирования теплового взрыва АТМ

1.4 Модели твердофазных цепных реакций

1.5 Распространение реакции в АТМ

1.6 Модели распространения реакции в АТМ

1.7 Природа взрывного свечения АТМ

1.8 Выводы
ГЛАВА 2. Методика экспериментального и теоретического
исследования
2.1 Методика исследования быстропротекающих процессов в энергетических веществах
2.2 Методика обработки осциллограмм взрывного свечения
2.3 Экспериментальное определение ширины и пространственного распределения интенсивности свечения в волне реакции
2.4 Методика расчета стационарной скорости
2.5 Методика расчета ширины фронта волны реакции
2.6 Методика расчета ширины переднего фронта волны реакции на полувысоте
2.7 Единственность скорости распространения реакции
2.8 Выводы
ГЛАВА 3. Определение пространственновременных характеристик волны твердофазной цепной реакции в АТМ
3.1 Кинетические закономерности зарождения и развития реакции взрывного разложения азидов тяжелых металлов
3.2 Скорость и ширина фронта волны реакции в нитевидных кристаллах АС
3.3 Зависимость скорости реакции от предварительного облучения образца
3.4 Измерение скорости фронта реакции в образцах с переменным сечением
3.5 Выводы ГЛАВА 4. Моделирование развития и распространения реакции
цепного и теплового горения
4.1 Модель теплового горения
4.2 Модель диффузионного цепного горения
4.3 Численное моделирование движения волны диффузионного цепного горения в АТМ
4.4 Моделирование движения волны диффузионного цепного горения в кристаллах с градиентом сечения
4.5 Выводы 3 ГЛАВА 5. Моделирование процесса взрывного разложения в рамках механизма, включающего нелокальное развитие цепи
5.1 Модель разветвленной цепной реакции с нелокальным характером стадии развития цепи
5.2 Моделирование кинетики процесса разложения при локальном инициировании
5.3 Зависимость скорости и ширины волны реакции от параметров модели
5.4 Моделирование процесса очагового инициирования реакции
5.5 Распространение реакции в кристаллах переменного сечения
5.6 Выводы
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ РАБОТЫ
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА


В этой главе рассматриваются общие закономерности, присущие механизмам цепного и теплового взрыва. Обсуждаются модели распространения взрывного разложения энергетических материалов, в первую очередь горения и детонации. Рассмотрены модели инициирования АТМ лазерным излучением. Приведен краткий обзор экспериментальных данных по распространению реакции взрывного разложения азидов тяжелых металлов, рассмотрены режимы распространения реакции, их характерные отличия и условия реализации. Рассмотрены модели распространения реакции в АТМ с малой дозвуковой скоростью, в том числе модели теплового и цепного горения и модель движения волны разветвленной цепной реакции, скорость которой определяется нелокальным характером стадии развития цепи. Инициирование взрыва, воспламенение и развивающееся горение являются примерами химических реакций с прогрессирующим самоускорением. Кинетика таких реакций на начальной сталии характеризуется возрастанием как скорости, так и ускорения 5. Одним из факторов, определяющих инициирование взрывного разложения, является положительная обратная связь между скоростью реакции и саморазогревом. Тепловой взрыв, вызванный только этой причиной, реализуется, если скорость тепловыделения 7 превалирует над скоростью теплоотвода д. Скорость теплоотвода в простейшем случае может быть принята пропорциональной разности температуры реактора и стенки Т Т0
а коэффициент теплоотдачи, 5 и V соответственно площадь поверхности и объем реакционной камеры. В теории теплового взрыва и горения химический процесс обычно представляют в виде бруттопроцесса, скорость которого зависит от температуры по закону Аррениуса. Так как скорость реакции а значит и тепловыделения с повышением температуры возрастает нелинейно, в отличие от скорости теплоотвода, то при повышении температуры до определенного значения, накопление тепловой энергии в реакционной системе приобретает прогрессирующий характер, что вызывает ускоренное повышение температуры происходит тепловой взрыв 5. Цепной взрыв, в отличие от теплового, вызван лавинным размножением активных промежуточных продуктов переносчиков цепи в их быстрых реакциях с исходными реагентами и между собой. Такое размножение происходит, если скорость генерации переносчиков цепей ГГЦ больше скорости их гибели. ПЦ, и0 скорость зарождения цепей,. ПЦ. На начальных стадиях процесса, когда снижение концентрации исходных веществ еще не существенно, но уже можно пренебречь величиной ио, при концентрация ПЦ возрастает во времени с усиливающимся самоускорением. Таким образом, цепное самоускорение вызвано положительной обратной связью между скоростью процесса и концентрацией ПЦ см. Самоускорение переходит в режим цепного воспламенения, если размножение активных промежуточных частиц приобретает лавинный характер, вызванный превышением скорости их размножения над скоростью гибели. Для цепного воспламенения саморазогрев не является необходимым. В ходе прогрессирующего самоускорения достигаются большие скорости реакции, которая, будучи экзотермической, при скольконибудь значительных концентрациях реагентов сопровождается заметным выделением тепла и света. Но это лишь следствие цепного воспламенения 5. Рассмотрим ситуацию существования порога инициирования, связанного с необходимостью накопления критической концентрации ПЦ. Л 8 и. Легко показать , что существование минимальной концентрации ПЦ, необходимой для перехода реакции в самоускоряющсйся режим, означает выполнение неравенства т к. Различие между тепловым и цепным самоускорением может быть рассмотрено с молекулярнокинетической точки зрения. При повышении температуры кривая распределения молекул по энергии смещается вправо в сторону более высоких температур, и число молекул исходного вещества, способных преодолеть энергетический барьер, возрастает. В случае разветвленной цепной реакции число частиц, способных преодолеть энергетический барьер и вступить в реакцию, увеличивается. Это объясняется размножением свободных атомов и радикалов в их реакциях с исходными веществами, протекающих с преодолением потенциальных барьеров.