Учёные раскрыли двойной характер горения алюминиевой пыли

Специалисты Тольяттинского государственного университета (ТГУ) установили, что поведение пламени в облаках алюминиевой пыли зависит не только от состава смеси, но и от размера частиц, который определяет один из двух принципиально разных режимов горения. Результаты исследования позволяют по-новому взглянуть на процессы горения порошков алюминия, что имеет значение как для использования их в качестве горючего в энергетических установках, так и в промышленной безопасности.

Эксперименты провела группа специалистов научно-образовательного центра «Физика горения энергоемких материалов» кафедры «Прикладная механика и инженерная графика» ТГУ под руководством профессор Александра Егорова. Работы велись на уникальной установке, позволяющей создавать управляемый поток аэровзвеси – смеси воздуха и алюминиевого порошка. В центре внимания учёных оказались два промышленных порошка: АСД-4 с размером частиц 7,4 микрометра и более крупный АСД-1 с частицами 17,4 микрометров.

– Мы фактически нашли объяснение к интерпретации многих противоречивых данных, опубликованных ранее, – комментирует результаты работы профессор кафедры «Прикладная механика и инженерная графика» ТГУ Александр Егоров. – Оказалось, что в спорах о том, как скорость пламени зависит от состава смеси, были правы все, просто говорили о разных режимах. Мелкие частицы горят в кинетическом режиме, и их скорость горения зависит от скорости химических реакций. Пламя ведёт себя почти как газовое, однако имеет два пика скорости. Крупные частицы переходят в диффузионный режим, где всё решает доступ окислителя, и максимум скорости только один. Теперь, зная размер частиц, мы можем предсказать характер кривой зависимости скорости распространения пламени от состава алюминиево-воздушной смеси.

Исследование также показало, что на скорость и устойчивость пламени по-разному влияют начальная температура и турбулентность потока. Например, повышение температуры воздуха выступает универсальным ускорителем горения для обоих порошков.  А вот влияние турбулентности оказалось неоднозначным и зависело от размера частиц: в некоторых случаях рост интенсивности турбулентности увеличивал скорость распространения пламени, в других уменьшал.

– Это имеет прямое практическое значение, – добавляет Александр Егоров. – Например, при проектировании камер сгорания или оценке пожарной опасности на производстве нельзя применять единый подход к «алюминиевой пыли» вообще. Нужно чётко понимать, с какой дисперсностью мы имеем дело. Одна и та же система подавления пламени может быть эффективна для мелкой пыли и бесполезна для крупной, и наоборот.

Полученные данные свидетельствуют, что ключевым фактором, определяющим скорости пламени, является именно состав аэровзвеси, а не газодинамические параметры потока. Однако интерпретировать эту зависимость правильно можно, только зная режим горения, который однозначно определяется размером частиц.

Эти выводы позволяют унифицировать подход к анализу процессов горения алюминиевых порошков, как в движущихся потоках, так и в неподвижных облаках. Результаты работы могут быть использованы для уточнения расчётных моделей горения аэровзвесей частиц алюминия, а также для разработки более эффективных мер противопожарной защиты на производствах, связанных с получением порошкообразных энергоемких материалов. Статья об исследовании учёных ТГУ опубликована в научном журнале «Физика горения и взрыва». Основанный в январе 1965 года Сибирским отделением Российской академии наук, журнал является одним из немногих в мире, специализирующихся в области исследований по физике горения и взрыва.