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