Количественный анализ характеристик воспламенения мелких частиц железа

Воспламенение частиц железа в окисляющей среде обозначает начало самоподдерживающегося горения. Цель настоящего исследования — количественно изучить характеристики воспламенения мелких частиц железа (1 µm–100 µm), определяемые кинетикой твердофазного окисления железа. Скорости окисления обратно пропорциональны толщине оксидного слоя (т.е. подчиняются параболическому закону скорости) и калибруются с использованием экспериментально измеренного нарастания слоев оксида железа во времени. Выполнены стационарный (анализ Семенова) и нестационарный анализы для исследования зависимости критической температуры газа, необходимой для запуска теплового пробега (температуры воспламенения Tign), от размера частицы, начальной толщины оксидного слоя, вида инертного газа, лучистых теплопотерь и коллективного эффекта нагрева в суспензии частиц. Оба анализа показывают, что Tign зависит от δ0, отношения начальной толщины оксидного слоя к размеру частицы, независимо от абсолютного размера частицы. Нестационарный анализ предсказывает, что при δ0 ≲ 0.003 Tign становится независимой от δ0. При стандартных условиях в воздухе Tign составляет примерно 1080 K для любых частиц размером более 5 µm. Температура воспламенения снижается при уменьшении теплопроводности окисляющего газа. Лучистые теплопотери оказывают незначительное влияние на Tign. Показано коллективное влияние суспензии частиц железа в снижении Tign. Систематически исследуется переходное поведение между кинетически контролируемым и контролируемым внешней диффузией режимами горения воспламенённой частицы железа. Параметрически исследованы влияния начальной толщины оксидного слоя и температуры частицы на время задержки воспламенения τign частиц железа. Выявлена зависимость масштабирования τign от размера частицы по закону d2. Обсуждаются возможные источники неточности.