О книге Г. Н. Исакова "Тепломассоперенос и воспламенение
в гетерогенных системах"
(Новосибирск, Изд-во Сибирского отделения РАН, 1999)
Монография является обобщением результатов многолетней
работы автора по изучению нестационарных процессов тепломассопереноса
и воспламенения в реакционноспособных гетерогенных средах. Особенность
этой книги, выделяющей ее из многочисленных публикаций на подобную
тему (в основном журнального характера), - комплексный экспериментально-теоретический
подход к рассматриваемой проблеме. Во вводной части первой главы автор
формулирует наиболее продуктивную стратегию достижения конечного научного
результата - получения интегральных соотношений, позволяющих моделировать
процессы зажигания гетерогенных систем в различных практических ситуациях.
Эта стратегия состоит в реализации последовательной исследовательской
цепи "предварительный эксперимент - теория - основной эксперимент".
Предварительный эксперимент дает качественную и некоторую количественную
информацию, необходимую для разработки теоретической модели, а основной
эксперимент позволяет определить интегральные зависимости между параметрами
модели (прямая задача), а также ее микро- и макрокинетические характеристики
(обратная задача).
Объекты исследования, к которым применяется предлагаемый
Г. Н. Исаковым подход, образуют широкий класс прикладных гетерогенных
реагирующих систем, характеризующихся наличием разделенных в пространстве
горючего и окислителя. Последний может быть либо твердофазным наполнителем
в матрице полимерного горючего, как это имеет место в смесевых твердых
топливах, так и газообразным, входящим в состав высокотемпературного
газового потока (системы полимер-газообразный окислитель). Кроме
смесевых твердых топлив к рассматриваемому классу систем относятся
также тепло- и огнезащитные материалы и газовзвеси с твердыми частицами.
Далее, в первой главе, автор подробно обсуждает критерии
и числа подобия, характерные для рассматриваемых существенно нестационарных
физико-химических процессов. В частности, для оценки "каталитичности"
поверхности реагирующего твердого тела и влияния гетерогенных химических
реакций на течение в пограничном слое вводится критерий Дамкеллера
Daw - отношение характерного времени пребывания частицы
в пограничном слое к характерному времени гетерогенной реакции. В
качестве замечания следует отметить, что в монографии комплекс Daw
иногда называется критерием, а иногда - числом. По этому поводу
можно сослаться на рекомендации А. А. Гухмана, по которым критерием
называется такой безразмерный комплекс, который составлен из параметров,
заданных по условию.
Область параметров реагирующей системы газ-твердое
тело, когда возможно протекание процессов воспламенения, определяется
значениями Daw D1, т. е. процесс является неравновесным.
Автор приводит качественный анализ воспламенения на примере простой
гетерогенной каталитической реакции. В соответствии с классическими
работами Д. А. Франк-Каменецкого по тепловым режимам гетерогенных
экзотермических реакций в работе принято определение гетерогенного
воспламенения как скачкообразного перехода от кинетического к
диффузионному режиму протекания гетерогенной реакции. Таким образом,
условие гетерогенного воспламенения определяется как условие касания
кривых теплоприхода и теплоотвода (аналогично с условиями
воспламенения гомогенных систем, сформулированными Н. Н. Семеновым).
Вторая глава посвящена вопросам измерений основных нестационарных
характеристик исследуемых процессов, определению погрешностей измерений
и методов их коррекции. Следует отметить, что для определения ряда
параметров, в частности нестационарного коэффициента теплоотдачи,
автор использует современные методы решения обратных задач теплообмена.
Большой интерес представляют изложенные во второй главе
новые или специально адаптированные к рассматриваемым процессам измерительные
методики. Разработанный автором метод динамического измерения убыли
массы реагирующих веществ при обтекании образца низкоскоростным газовым
потоком обладает достаточно малой инерционностью: быстродействующие
автоматические весы, описанные в этом разделе, имеют разрешающую способность
по времени D 1 / 50 с.
Автор отмечает, что дериватографический метод, широко используемый
при изучении термо- и термоокислительной деструкции, ограничен в целом
сравнительно небольшими скоростями нагрева, не превышающими
D 20-25 К/мин. Поэтому первостепенное значение для развития исследований
быстропротекающих процессов, реализующихся, например, при эксплуатации
тепловой защиты или в современных теплоэнергетических установках, где
скорости нагрева составляют сотни градусов в секунду, имеют динамические
фотометрические и электрофизические методы. Изложение используемых в
монографии измерительных методик завершается анализом
возможностей лазерного зондирования реагирующих материалов, в частности,
с помощью определения нестационарных коэффициентов пропускания и отражения.
Основные научные результаты, приведенные в монографии,
сосредоточены в третьей и четвертой главах, посвященных теоретическому
и экспериментальному моделированию гетерогенного зажигания для двух
типов систем. В третьей главе рассматривается зажигание горючих материалов,
находящихся в контакте с неподвижной или подвижной газовой фазой,
содержащей окислитель, а в четвертой - зажигание твердых гетерогенных
систем, включающих в свой состав окислитель, а также зажигание сложных
смесевых систем в потоке газообразного окислителя.
Одна из исследуемых в монографии задач посвящена зажиганию
полимеров в атмосфере неподвижного кислорода при повышенном давлении.
Предполагается отсутствие газофазных реакций. Получены простые аналитические
выражения, связывающие температуру и время гетерогенного воспламенения
с теплофизическими и макрокинетическими характеристиками топливной
пары. Следует отметить несколько неточностей в постановке этой задачи,
которые, по-видимому, возникли при оформлении книги. В частности,
хотя автор говорит о неподвижной газовой атмосфере, в уравнении диффузии
кислорода присутствует конвективный член. Можно было бы предположить
наличие стефановского потока на границе твердого топлива и окислителя,
однако в записи граничных условий для уравнения диффузии этот поток
отсутствует.
Для экспериментального моделирования рассматриваемого процесса
воспламенения автором и его коллегами создана лабораторная установка,
основанная на методе адиабатического сжатия. С целью более детального
обоснования эквивалентности эксперимента и теоретической модели было
бы желательно привести оценки времени затухания вихревого течения
газа, возникающего, возможно, при заполнении камеры воспламенения.
Тем не менее автор далее демонстрирует хорошее совпадение экспериментальных
данных с расчетом по теоретической модели (с использованием кинетических
параметров, найденных в результате обработки экспериментальных зависимостей).
В третью главу включены также материалы по исследованию
зажигания полимерсодержащих материалов в потоке газа-окислителя (с
помощью теоретической модели и экспериментальной установки), моделированию
зажигания тепловыми волнами и зажиганию влажной древесины.
Подчеркнем оригинальность исследования процесса зажигания
тепловыми волнами, позволившего выявить связь условий зажигания с
частотными характеристиками физико-химических процессов и частотно-фазовыми
параметрами инициирующего нагрева.
Анализируя процесс зажигания влажной древесины, автор вводит
в модель два режима сушки образца. Поверхностный режим характеризуется
испарением влаги со свободной поверхности и описывается законом
Герца-Кнудсена-Ленгмюра, а второй - испарение влаги в объеме древесины -
подчиняется формальному кинетическому уравнению. Несмотря на сложность
рассматриваемых процессов, использование сравнительно простой физико-химической
модели, основанной на полученных из эксперимента кинетических данных, позволило
достаточно точно описать зависимость температуры поверхности образца
от времени и предсказать время зажигания.
Заключительная, четвертая, глава монографии посвящена зажиганию
сложных конденсированных гетерогенных топлив, а также смесевых систем
типа ПММА (полимелметакрилат) + ПХА (перхлорат аммония) или с добавками
металлизированных частиц. Проанализированы влияние гетерогенной реакции
конденсированного топлива с газообразным окислителем на зажигание
таких систем, роль свободной и вынужденной конвекции, колебательные
режимы зажигания.
Разработанные в монографии физико-математические модели
могут быть использованы не только при анализе зажигания и горения
смесевых твердых топлив, являющихся основным объектом представленных
в ней исследований, но и при анализе многих других технологических
процессов, таких как сжигание-утилизация промышленных отходов химических
производств, разработка новых теплоизоляционных материалов, переработка
древесины и т. д.
Книга не свободна от некоторых недостатков. В ней отсутствует
список обозначений и сокращений, что иногда затрудняет чтение; изложение
некоторых разделов очень сжато, как в журнальном варианте; редакторам
не удалось избежать ряда опечаток.
Однако в целом монография Г. Н. Исакова оставляет хорошее
впечатление и может быть полезна ученым и инженерам, практически работающим
в области теплофизики, механики реагирующих систем, физики горения
и взрыва, а также преподавателям и студентам этих специальностей.
Н. В. Павлюкевич, О. С. Рабинович
IFZH7492020018
IFZH749208