3015 Методические указания к выполнению лабораторной работы 1 по дисциплине «Прикладная физика горения и взрыва» icon

3015 Методические указания к выполнению лабораторной работы 1 по дисциплине «Прикладная физика горения и взрыва»




Скачати 317.01 Kb.
Назва3015 Методические указания к выполнению лабораторной работы 1 по дисциплине «Прикладная физика горения и взрыва»
Дата26.05.2013
Розмір317.01 Kb.
ТипМетодические указания

Министерство образования и науки, молодежи и спорта Украины

Сумской государственный университет

Шосткинский институт


3015 Методические указания

к выполнению лабораторной работы 1

по дисциплине «Прикладная физика горения и взрыва»

на тему «Анализ зонной структуры взрывчатого разложения пороха»

для студентов дневной и заочной форм обучения

специальности «Химическая технология высокомолекулярных соединений»


Сумы

Сумской государственный университет

2011


Методические указания к выполнению лабораторной работы 1 на тему «Анализ зонной структуры взрывчатого разложения пороха» для студентов дневной и заочной форм обучения специальности «Химическая технология высокомолекулярных соединений» / составитель В.П.Нелаев. – Сумы: Сумский государственный университет, 2011. – 23 с.


Кафедра фундаментальных и общенаучных дисциплин ШИСумГУ


Содержание с.

Введение……………………………………………………….

4

Исследование (задание, порядок выполнения работы)…….

12

Анализ результатов, оформление выводов…………………

13

Вопросы для самопроверки………………………………….

13

Список литературы…………………………………………...

13

Тезаурус……………………………………………………….

14

Приложения…………………………………………………..

14


Лабораторная работа 1

^ Анализ зонной структуры взрывчатого разложения пороха

(Методические указания)

Введение

Практическое решение ряда прикладных задач, связанных с метанием артиллерийских нарядов и управлением объектами на реактивной тяге, требует тонкого понимания процессов, происходящих при горении пороха в составе метательного заряда.

В основу данной работы положена статья [1].

Опытные данные получены на основе обработки сведений, изложенных в статье [2].

Порох сжигается в канале ствола орудия или в каморе реактивного двигателя с целью быстрого получения упругого рабочего тела - газообразных продуктов горения пороха.

Горение пороха приближенно можно рассматривать как процесс перемещения поверхности раздела между твердым веществом и газом вглубь порохового элемента по нормали к самой себе в результате послойного нагрева свежей массы и последующих экзотермических реакций взрывчатого превращения конденсированного вещества в газ.

Известна газофазная модель Беляева-Зельдовича [3], которая трактует горение пороха подобно горению летучих конденсированных ВВ (например, метилнитрат, нитрогликоль, нитроглицерин, тэн, тетрил), когда ведущими в процессе горения являются экзотермические реакции в парах над поверхностью к-фазы (рис.1).

Известна и другая крайняя точка зрения, отдающая предпочтение процессам в конденсированной фазе и относящая процессы в газовой фазе в разряд второстепенных.

В связи с этим в литературе имеется ряд работ, в которых затрагивается вопрос о стадийном горении порохов и ведущей стадии процесса распространения горения. Правильное понимание этого аспекта является важным в контексте проблемы логичного объяснения наблюдаемых особенностей горения и эффективного управления процессом горения.

В любом случае можно утверждать, что сначала формируется зона прогрева, которая дает старт взрывчатому разложению вещества суммарно экзотермического характера.

На рис. 1 показано распределение температуры в пространстве для случая газофазной модели. Здесь T0 - начальная температура ВВ, Tk - температура поверхности; Tг - максимальная температура, достигаемая при горении. Поверхность ВВ представлена плоскостью АА.




Рисунок 1 - Схема распределения температуры

и протекания реакции при горении летучих ВВ по Беляеву:

I-исходное ВВ, II-прогретый слой конденсированного ВВ;

III-зона прогрева паров (темная зона); IV-зона химической

реакции в парах; V-зона продуктов горения


Будем рассматривать процесс в системе координат, движущейся вместе с фронтом горения. В такой системе плоскость АА неподвижна, а взрывчатое вещество проходит через нее справа налево со скоростью u, равной скорости горения. Превратившись в пары, ВВ будет течь со скоростью, во столько раз большей, во сколько раз плотность паров меньше плотности конденсированного вещества. По мере разогрева паров за счет передачи тепла из соседних слоев и выделения тепла при химической реакции скорость движения будет расти и после завершения реакции достигнет своего максимального значения. Поскольку процесс стационарен, массовая скорость uρ сохраняет постоянное значение на всем пути следования ювенильных газов.

К плоскости АА справа прилегает прогретый слой ВВ, за толщину которого математически удобно принимать участок, на котором температура ВВ уменьшается в e раз:

e. (1)

Уравнение теплового баланса для элемента объема реагирующего газа, расположенного на некотором расстоянии от плоскости АА, можно написать в виде


(2)

где - соответственно теплоемкость при постоянном давлении, плотность и теплопроводность газа, которая предполагается не зависящей от температуры;

Ф - количество тепла, выделяемого реакцией в единице объема в единицу времени (объемная скорость тепловыделения).

Слева в уравнении стоит скорость изменения тепловой энергии элемента объема. Справа - вклад в изменение за счет прихода свежей массы со скоростью uρ, вклад за счет теплопроводности и вклад за счет выделения тепла при химической реакции.

Для стационарного процесса производные по времени обращаются в ноль, и уравнение принимает вид

(3)

В зоне прогрева скорость реакции ничтожно мала и тепловыделением от нее можно пренебречь. Для этой зоны

(4)

Введя переменную , получим




или

,

откуда, после интегрирования, находим

.

Так как , где æ - температуропроводность,

,

откуда

.

Постоянные интегрирования определяются из условий, что при x = ∞ T = T0, а при x = 0 T = Tk. Тогда C2 = T0 и

.

Подставляя эти постоянные в уравнение, получим зависимость температуры от расстояния, измеряемого от плоскости АА вправо, в виде

. (5)

Это соотношение применительно к горению было впервые выведено Михельсоном.


При перемещении от плоскости АА влево (по так называемой «темной зоне») температура будет еще больше возрастать и наконец достигнет того уровня, при котором становятся заметными химические реакции и тепловыделение от них.

Скорость тепловыделения Ф зависит от температуры и концентрации реагирующих веществ, которые можно связать между собой некоторым соотношением и представить Ф как функцию температуры.

При рассмотрении уравнения (2) Зельдович предложил воспользоваться свойством закона Аррениуса, согласно которому скорость реакции сильно зависит от температуры, если выполняется условие

.

В таком случае можно считать, что вся реакция протекает в узком температурном интервале θ, т.е. между температурами - θ и , причем

.

Поскольку интервал узок, то для зоны реакции расходом тепла на нагрев реагирующего вещества можно пренебречь, т.е. положить

.

но .

Поскольку также равно нулю, то и будет равно нулю.

Тогда уравнение теплового баланса (3) примет вид

. (6)

При помощи уравнения (6) можно определить величину потока тепла


.

Для этого снова вводим переменную . Очевидно, что


.

Подставляя это значение в уравнение (6) и разделяя переменные, получим


.

Интегрирование по зоне реакции дает


,

откуда получаем

. (7)


Что касается порохов, то наличие стадии экзотермических реакций в конденсированной фазе теперь уже никто не оспаривает. Вопрос лишь в том, как эта стадия в сравнении со стадией газофазных экзотермических реакций влияет на скорость горения конденсированной системы - влияние какой стадии доминирует?

Процесс горения пороха можно схематически представить в виде, показанном на рис.1, с одной лишь существенной разницей - зона II распадается на две части: субзона II-1 (стадия прогрева) и субзона II-2 (стадия экзотермических реакций, протекающих в конденсированной фазе с образованием газообразных продуктов). Далее, уже за поверхностью раздела фаз, следует «темная зона», в которой газообразные продукты реакций разложения к-фазы вступают во взаимодействие друг с другом, выделяя при этом дополнительное тепло и образуя новые промежуточные газообразные продукты (зона ΙΙΙ). И, наконец, при достижении достаточно высокой температуры газообразные продукты активно реагируют между собой, выделяется основное тепло, температура резко возрастает, и мы видим пламя (зона IV).


Уравнение (3) может быть записано в виде

(8)

с граничным условием , где .


В отличие от (7) решением уравнения (8) является

. (9)

Здесь принято допущение о слабом изменении отношения .

В частности, если по-прежнему точку x=0 разместить в конце зоны прогрева (т.е. во фронте начала экзотермических реакций), тепловой поток определится выражением

. (10)

Этот поток тепла приводит к повышению температуры свежего вещества в области x<0 от начальной T0 до некоторой критической Tк , при которой начинаются самоускоряющиеся экзотермические реакции, т.е. расходуется на подготовку к химическому превращению поступающих с постоянной скоростью u слоев свежего вещества. Следовательно,

. (11)

Приравнивая (10) и (11), получим выражение

, (12)

позволяющее при известных теплофизических свойствах среды и функции Ф(x) определить путем последовательных приближений величину скорости горения.

Экспонента под знаком интеграла является функцией Грина и может быть названа функцией влияния. Действительно, ее


значение в каждой точке определяет ту долю выделяемого тепла, которая расходуется на подогрев свежего вещества, обеспечивая тем самым продвижение пламени. Другими словами, ее численное значение в каждой точке x является своеобразным к.п.д. реакционного слоя dx. В точке x=0 эта функция равна единице и с ростом координаты монотонно убывает. Это значит, что зоны химического превращения по мере их удаления от фронта начала экзотермических реакций оказываются все более «бесполезными» для распространения горения. Темп убывания функции влияния больше, если скорость горения к-системы выше; с ростом же теплопроводности среды он уменьшается, так как при этом становится возможной передача в точку x=0 из более удаленных зон пламени. На некотором расстоянии от фронта экзотермических реакций тепловыделение практически не оказывает влияния на скорость горения.

Обозначим подынтегральное выражение через F(x). Область, внутри которой F(x) имеет ненулевое значение, назовем «зоной влияния». Эта зона, в зависимости от условий, горения пороха (давление, начальная температура) может охватывать различные стадии экзотермического превращения пороха. Именно через эту зону можно эффективно управлять скоростью газообразования рецептурно-технологическими или физическими приемами.

В процессе выполнения данной работы студенту надлежит:

- получить навыки анализа опытных данных при исследовании зонной структуры пламени горящего пороха;

- сформировать представление о физической структуре пламени горящего пороха и основных закономерностях распространения фронта экзотермических реакций.


Исследование

Задание

Для каждого из значений начальной температуры пороха -140 oC, 0 oC и

+120oC

а) расчетным путем:

оценить пространственную протяженность всех четырех зон пламени в мм согласно модели, учитывающей наличие экзотермических реакций в к-фазе. За протяженность прогретого слоя можно взять толщину той его части, которая содержит 99% приобретенного за счет теплопроводности пороха тепла, а протяженность темной зоны определяется, если принять за порог светимости продуктов разложения пороха температуру, равную 650oC;

оценить значения теплового потока q(0) в точке начала реакций;

получить оценочные значения протяженности зоны влияния;

б) получить оценочные значения температурного градиента скорости горения пороха при заданном давлении;

в) дать графическую интерпретацию характера изменения функций Ф(x) и F(x), исключив зону высоких температур;

показать графически, как зависит протяженность зоны влияния от начальной температуры;

г) сформулировать свои выводы о физических закономерностях, наблюдаемых при анализе зонной структуры пламени (в свободном изложении).


Порядок выполнения работы

1.Ознакомиться с введением и заданием.

2.Включить компьютер и загрузить Excel-файл «Lab1_PFGV.xls».

3.Произвести обработку исходных данных в соответствии с формулами введения и данными таблиц А.1 и Б.1 (приложение А и приложение Б).

4.Оформить отчет в виде брошюры (образец титульного листа приведен в Приложении В).


^ Анализ результатов, оформление выводов

Структура отчета должна включать:

- название выполненной работы;

- что дано (исходные данные);

- что требуется определить (вычислить, проанализировать, представить…);

- основные положения алгоритма обработки информации (средства, методы, формулы…);

- полученные результаты по каждому пункту задания;

- выводы (что сделано в процессе выполнения работы и какие физические закономерности обнаружены).


Вопросы для самопроверки

  1. Недостаток модели Беляева-Зельдовича.

  1. Какие существуют стадии горения пороха?

  1. Где начинается «зона влияния»?

  1. Как деформируется «зона влияния» с ростом начальной температуры пороха?

  1. Какова «зона влияния» в модели Беляева-Зельдовича?


Список литературы

1. Барсуков В.Д., Нелаев В.П. О тепловом влиянии зон химического превращения на скорость горения конденсированной системы // ИФЖ.- 1975. – Т. ХХIХ, №6.

2. Зенин А.А., Нефедова О.И. О горении баллиститного пороха в широком диапазоне начальных температур // ФГВ: - 1967. - №1.

3. Андреев К.К., Беляев А.Ф. Теория взрывчатых веществ. М.: Оборонгиз, 1960.


Тезаурус

Беляев А.Ф.- профессор, доктор наук, крупный специалист в области химической физики, в т.ч. физики горения и взрыва.

Зельдович Я.Б.- академик, трижды герой Соцтруда, ученый-ядерщик, основатель газофазной модели горения порохов.

Стадии горения пороха - последовательно сменяющие друг друга процессы химического превращения пороха в газообразные продукты, отличающиеся друг от друга характерными физическими проявлениями.

Ведущая стадия - стадия, играющая ключевую роль в процессе горения пороха при данных условиях.

Зона влияния - пространство, в котором происходят процессы термохимического превращения, ответственные за продвижение реакций вглубь пороха.


Приложение А.

(обязательное)

Таблица А.1. - Параметры горения пороха Н

при давлении 20 атм. и различных начальных температурах

(по данным Зенина А.А. и Нефедовой О.И.)


Параметры процесса, размерность

Начальная температура, oC




-140

0

120

u, см/с Tк , oC Tп , oC Tг , oC

0,18 150
252 1510

0,26 150 300 1650

0,62 150 370 1760


Положим плотность пороха равной 1,6 г/см3, теплоемкость пороха =0,35 кал/г*град, теплопроводность пороха =4*10-4кал/см*с*град, теплоемкость порохового газа
=0,37 кал/г*град, теплопроводность газа=6.8*10-4кал/см*с*град.


Приложение Б

(обязательное)

Таблица Б.1. - Опытные данные по изменению температуры (oC) при прохождении через зону горения пороха Н для различных начальных температур

T = -140 oC

x, см

T, oC

Ф, кал/см3 с

0

150

0

0,0010

180

5465,1

0,0021

216

6976,7

0,0021

218

7034,9

0,0031

267

4941,9

0,0042

312

3546,5

0,0052

372

3255,8

0,0063

420

3430,2

0,0073

480

3953,5

0,0083

540

4360,5

0,0094

585

4593,0

0,0104

632

4534,9

0,0115

671

4244,2

0,0125

701

3720,9

0,0135

728

3372,1

0,0146

755

3023,3

0,0156

782

2558,1

0,0167

800

2151,2

0,0177

818

1860,5

0,0188

830

1627,9

0,0198

845

1337,2

0,0208

860

1104,7

0,0219

872

930,2

0,0229

878

755,8

0,0240

887

523,3

0,0250

896

329,5

0,0292

926

174,4

0,0333

947

96,9

0,0375

968

38,8

0,0417

980

19,4

0,0500

1000

0

^ Продолжение табл. Б.1.


x, см

T, oC

Ф, кал/см3 с

0,0750

1068

0

0,1000

1104

0

0,1269

1132

0

0,1519

1144

0

0,1769

1152

0

0,2019

1152

0

0,2269

1152

0

0,2519

1156

0

0,2769

1164

0

0,3019

1176

0

0,3269

1204

55,4

0,3395

1220

75,9

0,3519

1244

102,7

0,3645

1268

122,3

0,3769

1288

145,5

0,3895

1312

165,2

0,4019

1336

174,1

0,4132

1361

175,9

0,4145

1364

176,8

0,4269

1384

173,2

0,4395

1400

161,6

0,4519

1428

147,3

0,4645

1444

129,5

0,4769

1460

108,9

0,4895

1472

81,3

0,5019

1510

53,6

T = 0 oC

x, см

T, oC

Ф, кал/см3 с

0

150

0

0,0021

222

4511,7

0,0042

297

9433,6

0,0046

310

10664,1

0,0063

381

3339,8

0,0071

414

3105,5

0,0084

474

4101,6

^ Продолжение табл. Б.1.

x, см

T, oC

Ф, кал/см3 с

0,0105

558

6269,5

0,0127

656

7793,0

0,0134

687

7851,6

0,0148

743

7265,6

0,0169

809

5566,4

0,0190

863

4160,2

0,0211

911

3164,1

0,0232

947

2460,9

0,0253

977

1875,0

0,0274

1004

1406,3

0,0295

1022

1054,7

0,0316

1043

703,1

0,0338

1064

410,2

0,0359

1079

214,8

0,0380

1097

117,2

0,0401

1106

19,5

0,0500

1089

0

0,0749

1167

0

0,1000

1209

0

0,1249

1233

0

0,1500

1251

0

0,1749

1269

0

0,2000

1275

0

0,2249

1281

0

0,2500

1287

0

0,2749

1293

0

0,3000

1299

0

0,3249

1317

0

0,3500

1341

0

0,3749

1365

0

0,4000

1395

0

0,4249

1419

76,7

0,4500

1455

104,7

0,4749

1485

145,2

0,5000

1515

189,6

0,5249

1545

209,9

^ Продолжение табл. Б.1.

x, см

T, oC

Ф, кал/см3 с

0,5257

1546

210,4

0,5500

1581

197,3

0,5749

1605

161,7

0,6000

1623

118,6

0,6249

1635

75,5

0,6500

1650

0

T = 120 oC

x, см

T, oC

Ф, кал/см3 с

0

150

0

0,0008

177

2837,3

0,0016

207

6309,5

0,0024

250

10773,8

0,0037

312

15595,2

0,0046

349

20119,0

0,0050

370

16607,1

0,0064

426

13571,4

0,0068

446

13511,9

0,0077

480

14821,4

0,0090

534

16845,2

0,0103

585

15833,3

0,0116

636

14285,7

0,0130

693

12738,1

0,0143

741

11607,1

0,0156

786

10535,7

0,0169

831

9702,4

0,0182

873

8809,5

0,0196

906

7916,7

0,0209

939

7321,4

0,0222

969

6666,7

0,0235

999

6131,0

0,0248

1023

5535,7

0,0262

1044

5059,5

0,0275

1068

4583,3

0,0288

1083

4166,7

0,0301

1098

3750,0


^ Продолжение табл. Б.1.


x, см

T, oC

Ф, кал/см3 с

0,0314

1116

3333,3

0,0328

1131

2916,7

0,0341

1143

2500,0

0,0354

1152

2202,4

0,0367

1164

1746,0

0,0555

1186

0

0,1046

1294

0

0,1551

1342

0

0,2056

1366

0

0,2549

1372

0

0,3052

1390

0

0,3557

1414

0

0,4050

1420

0

0,4555

1444

0

0,5046

1468

0

0,5551

1486

0

0,5798

1504

237,6

0,6044

1528

367,3

0,6291

1552

610,9

0,6549

1594

848,5

0,6758

1630

937,6

0,6794

1636

937,6

0,7052

1684

795,0

0,7299

1714

569,3

0,7545

1738

331,7

0,7792

1744

83,2

0,8050

1760

0



Приложение В

Форма титульного аркуша


Міністерство освіти і науки, молоді та спортуУкраїни

Шосткинський інститут

Сумського державного університету


Кафедра фундаментальних та загальнонаукових дисциплін


ЛАБОРАТОРНА РОБОТА 1

з дисципліни „ Прикладна фiзика горiння та вибуху ”

для студентів 2-го курсу денної форми навчання

зі спеціальності 7.091605 „Хімічна технологія високомолекулярних сполук”


(звiт)


Виконав:

Студент групи _________ ______________________ (Iндекс групи) (П. Ι. П/б. студента)


Викладач дисципліни Нелаєв В.П.


201__




Схожі:

3015 Методические указания к выполнению лабораторной работы 1 по дисциплине «Прикладная физика горения и взрыва» iconМетодические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплине "Физика" для студентов всех специальностей
Методические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплине “Физика” для студентов всех специальностей (Разделы: “Механика”,...
3015 Методические указания к выполнению лабораторной работы 1 по дисциплине «Прикладная физика горения и взрыва» iconМетодические указания к выполнению курсовой работы по дисциплине " Техническая термодинамика" для студентов энергетических специальностей
Методические указания к выполнению курсовой работы по дисциплине «Техническая термодинамика»/ Составители
3015 Методические указания к выполнению лабораторной работы 1 по дисциплине «Прикладная физика горения и взрыва» iconМетодические указания к выполнению контрольной работы по дисциплине «Основы программирования и алгоритмические языки»
Методические указания к выполнению контрольной работы по дисциплине «Основы программирования и алгоритмические языки» для студентов...
3015 Методические указания к выполнению лабораторной работы 1 по дисциплине «Прикладная физика горения и взрыва» iconМетодические указания
Методические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплине «Прикладная гидроэкология» (для студентов 3 курса дневной формы...
3015 Методические указания к выполнению лабораторной работы 1 по дисциплине «Прикладная физика горения и взрыва» iconИ в свет Разрешаю на основании "Единых правил", п. 14 Заместитель первого проректора начальник организационно методического управления В. Б. Юскаев методические указания
Методические указания к выполнению курсовой работы по дисциплине «Техническая термодинамика»/ Составители
3015 Методические указания к выполнению лабораторной работы 1 по дисциплине «Прикладная физика горения и взрыва» iconМетодические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплине "Физика" для студентов всех специальностей
Ы: “Колебания и волны”, “Волновая оптика”, “Квантовая оптика”, “Физика твердого тела”
3015 Методические указания к выполнению лабораторной работы 1 по дисциплине «Прикладная физика горения и взрыва» iconМетодические указания по организации выполнения контрольной работы рисунок 1 Пример оформления таблицы
Методические указания к выполнению контрольной работы по дисциплине «Локальные информационные сети» для студентов специальности 090803...
3015 Методические указания к выполнению лабораторной работы 1 по дисциплине «Прикладная физика горения и взрыва» iconГородского хозяйства методические указания
Методические указания к выполнению контрольной работы (ргр) по дисциплине «Объектно-ориентированное программирование» (для студентов...
3015 Методические указания к выполнению лабораторной работы 1 по дисциплине «Прикладная физика горения и взрыва» iconМетодические указания к выполнению курсовой работы по дисциплине "Программирование в Unix" для студентов специальности "Информатика"
move to 0-20604619
3015 Методические указания к выполнению лабораторной работы 1 по дисциплине «Прикладная физика горения и взрыва» iconЕ. А. Маковкин рисунок детали головы методические указания
Методические указания к выполнению практического задания и самостоятельной работы
Додайте кнопку на своєму сайті:
Документи


База даних захищена авторським правом ©zavantag.com 2000-2013
При копіюванні матеріалу обов'язкове зазначення активного посилання відкритою для індексації.
звернутися до адміністрації
Документи