ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СИНТЕЗА МЕТАСТАБИЛЬНЫХ (НЕРАВНОВЕСНЫХ) ПРОДУКТОВ В ВОЛНЕ БЕЗГАЗОВОГО ГОРЕНИЯ

Аннотация

В первой части статьи рассматривается проблема получения в волнах горения неравновесных продуктов. Приведены основные теоретические представления о синтезе метастабильных фаз в бинарных системах. Предложено объяснение многократного волнового процесса в эвтектических системах, основанное на идеи синтеза и разложения неустойчивых фаз. Такое явление наблюдается в системах, равновесная фазовая диаграмма которых имеет простой эвтектический вид, т.е. не имеет стабильных фаз: Al-Ge, Al-Si, Al-S и др. При медленном охлаждении конечные продукты – исходные вещества, при быстром происходит закалка образующихся в волне горения метастабильных фаз, в частности для системы Al – Ge этоAl₅Ge₃, AlGe . Эти факты указывают, что обнаруженное явление многократного волнового процесса обусловлено синтезом и распадом неравновесных фаз. Существует температура, выше которой реализуется волновой синтез метастабильного продукта, ниже – ее волновой распад. В этом случае в зависимости от исходных параметров смеси и условий горения, формирующийся продукт реакции может быть либо стабильным, либо метастабильным. Как показывает термодинамический анализ, вероятность образования метастабильного продукта в системе растет с уменьшением масштаба гетерогенности. В точке смены режима химического взаимодействия осуществляется скачкообразное изменение характеристик горения: температуры, интенсивности химического превращения и скорости горения. Проводится сопоставление расчетных и известных экспериментальных данных. Разработана методика оценки эффективных термодинамических, кинетических констант и параметров модели по экспериментальным данным. Во второй части статьи построена и исследована нестационарная математическая модель твердопламенного горения в двухкомпонентной безгазовой системе, образующей метастабильную фазу.
Модель включает уравнение баланса тепла, уравнение химической реакции, которое учитывает процессы синтеза и разложения метастабильной фазы, а также граничные и начальные условия. Проведено численное исследование математической модели. Определены характерные режимы волновых процессов. Обнаружены три характерных режима: отрыва, слияния и гашения. Режимы отличаются расположением фронтов синтеза и разложения продукта. Показано, что автоколебательные режимы в такой системе разделены границей температурной устойчивости фаз. Не удается реализовать автоколебательный режим, в котором одновременно существуют синтез (в период вспышек) и разложение (в период депрессий). Обнаружено, что в области разложения продукта автоколебательный режим существует как промежуточный между стационарными режимами.