ТЕМПЕРАТУРА ЧАСТИЦ МЕТАЛЛА В ПЛАМЕНИ КОНДЕНСИРОВАННЫХ СИСТЕМ

Аннотация: Экспериментально изучено распределение температур горящей частицы металла в пламени конденсированных систем фотопирометрическим методом. Были применены современные информационные коммуникационные технологии.

Ключевые слова: горение, частица, металл, температура.

Легкие металлы используются для повышения энергетических характеристик топлив. Воспламенение и горение частиц изучалось в разных средах Федосеевым, Мальцевым, Похилом, Мачеком, Бржтужевским и другими исследователями [1,3-5]. Определены такие параметры как время задержки до воспламенения, время горения в зависимости от диаметра частиц, определен режим горения: парофазный или поверхностный. В качестве активных сред брались кислород, хлор, углекислый газ, пары воды или смеси газов. При горении металлической частицы в составе ракетного топлива или порохов в качестве окислительной среды являются продукты горения, параметры которых как по химическому составу, так и по температуре меняются в разных зонах пламени.

Определение температуры горящей частицы в пламени является трудной экспериментальной задачей. В данной работе разработан фотопирометрический метод определения яркостной температуры частицы с применением информационных коммуникационных технологий (ИКТ) . В основе метода лежит сравнение яркостей нити накала эталонной лампы с яркостью горящей частицы. В качестве регистрирующего датчика служили чувствительные элементы ПЗС-матрицы. Регистрация изображения проводилось в определенном спектральном диапазоне. Для квазимонохроматической регистрации выполняется отношение яркостей и температур согласно уравнению: Отсюда можно определить температуру любой точки изображения: Индекс 0 соответствует эталону с известной температурой Т0. Калибровка регистрирующего прибора проводилась в пределах линейной зависимости изменения освещенности ПЗС-матрицы от падающего излучения.

В качестве объекта исследования брались частицы алюминия в пламени модельного топлива на основе перхлората аммония и полибутадиенового каучука. Количество металла не превышало 15% по массе. Изображения отдельных горящих частиц и край пламени приведены на рисунке 1. Некоторые частицы, выпавшие из пламени, горят по отдельности, а край пламени представляет собой совокупность частиц, затеняющих друг друга.

На правом верхнем углу изображения отмечены две частицы, горящие в парофазном режиме. Поверхность частицы под номером 2 имеет почти одинаковую яркость и соответственно одинаковую температуру (рис. 2а). Курсор, подведенный к разным точкам поверхности, показывает одну и ту же температуру. 2D-график распределения температуры (рис. 2б) позволяет определять геометрические размеры температурных неоднородностей.

На графике Т(у) приведено распределение температуры вдоль оси оу при х = 1,5 мм (рис.2в). Температура по всей светящейся поверхности почти одинакова и равна 1820 К.

Частица №1 имеет иное распределение яркости по поверхности. Внутри сферического пламени находится частица размером ~1 мм и температурой 1750  К. Максимальная температура пламени, равная 1767 К, достигается в середине зоны активного реагирования (рис. 3а). 2d-график распределения температуры показывает на наличие температурных неоднородностей в пределах частицы (рис. 3б). В распределении температуры вдоль оси оу (рис. 3в) можно увидеть перепады температур в 100 – 150 К в пределах размеров частиц. Сферическое на вид пламя вокруг частицы содержит много температурных неоднородностей.

Вдоль края пламени на расстоянии ~ 5 мм проведены измерения температуры, и как оказалось, что она во всех точках равна 1820 К. Таким образом, при высоких концентрациях частиц область пламени становится оптически плотной, и яркостная температура пламени равняется истинной.

Распределение температуры близко расположенных частиц зависит от степени перекрытия пламен между собой. На рисунке 1 три частицы находятся вне пламени. В местах перекрытия пламен яркостная температура равна 1758 К, а максимальная температура пламени частицы составляет 1690 К. Температура поверхности частицы равна 1750 К.