In der Flamme: Eine neue Methode zur Untersuchung von reaktiven Hochtemperatursystemen

In der antiken griechischen Mythologie nimmt ein Charakter einen besonderen Platz ein, der die Menschheit eifrig vor der Grausamkeit und Willkür der Götter verteidigte. Unter anderem gab er uns Menschen, Feuer und Wissen darüber, wie man es bewahrt. Der Name dieses Charakters ist Prometheus. Zeus bestrafte ihn auf sehr grausame und raffinierte Weise - Prometheus war für immer und ewig an einen Felsen gekettet, und der Adler pickte jeden Tag auf seine Leber, die sich vollständig regenerierte, und das Mehl wurde erneut wiederholt. Nicht alle physikalischen oder chemischen Phänomene erhalten ihre eigene Mythologie, aber Feuer ist eine andere Sache. Lebensspendend und gleichzeitig alles auf seinem Weg zerstörend, so einfach und so mysteriös. Heute werden wir eine Arbeit kennenlernen, in der Wissenschaftler eine neue Methode zur Untersuchung des Feuers demonstrierten, mit der wir die molekularen Prozesse in den Flammenzungen genauer untersuchen können. Welche Werkzeuge und Instrumente wurden von Wissenschaftlern verwendet, welche neuen Dinge konnten sie über Feuer lernen und wie kann ihre Arbeit der Menschheit in Zukunft helfen? Im Bericht der Forschungsgruppe erwarten uns ausnahmslos Antworten. Lass uns gehen.

Studienbasis

Wenn man die Flamme betrachtet, scheint es manchmal, dass dies ein Lebewesen mit seinen Gedanken und heimtückischen Plänen ist. Das Mythische in der Flamme ist jedoch genauso wie unsere Vorstellungskraft. In Wirklichkeit ist Feuer der gleiche physikalisch-chemische Prozess wie beispielsweise die Kristallisation von Wasser. Feuer ist ein Oxidationsprozess, der von Strahlung im sichtbaren Bereich und der Freisetzung von Wärme, dh Wärmeenergie, begleitet wird. Für die Existenz von Feuer werden bestimmte Zutaten benötigt: Brennstoff, Oxidationsmittel und Temperatur. Stellen Sie sich das gewöhnlichste Lagerfeuer im Touristenlager vor. Holz wirkt als Brennstoff und Sauerstoff, der in der Luft um die Touristen vorhanden ist, und natürlich Holz für ein Feuer als Oxidationsmittel. Ohne Sauerstoff (d. H. Ein Oxidationsmittel im weiteren Sinne) ist der Verbrennungsprozess unmöglich. Der dritte Bestandteil, die Temperatur, wird durch die Eigenschaften der beiden vorhergehenden bestimmt. Es gibt viele Variationen der einzelnen Bestandteile des Feuers sowie deren Kombinationen, von denen jedes seine eigenen Eigenschaften, Merkmale und Besonderheiten aufweist. Wir haben ziemlich viel Wissen über den Verbrennungsprozess, aber nicht alle.

In der heute untersuchten Studie beschlossen die Wissenschaftler, die Temperatur des Feuers mit verschiedenen Eingangsvariablen zu messen: dem Temperaturbereich von 1000 bis 1800 K, dem Druck von 2,0 bis 2,9 bei und 7,6 bis 10,7 bei einer Frequenz von 250 kHz. Hierzu wurde ein Quantenkaskadenlaser (QCL) mit akustooptischer Modulation (nachfolgend AOM) mit einem durchschnittlichen Infrarotbereich des Ausgangssignals von 1975 bis 2260 cm & supmin; ¹ ^verwendet .

Wissenschaftler stellen fest, dass für die vorübergehende Messung nicht-intrusiver Partikel in reaktiven Systemen die Laserabsorptionsspektrometrie im mittleren Infrarotbereich hervorragend ist. Der Vergleich der Absorptionskräfte zweier Zielpartikel mit unterschiedlichen Temperaturabhängigkeiten ist bereits eine zweizeilige Thermometrie. Bei diesem Verfahren ist es aufgrund von Einschränkungen der Abtastgeschwindigkeit und des Wellenlängenbereichs erforderlich, mehrere Laser gleichzeitig für schnellere Messungen zu verwenden. Darüber hinaus sind Schmalbandlaser trotz der Empfindlichkeit von Messungen in Medien mit niedriger Konzentration nicht für Systeme mit einer hohen Konzentration an Zielpartikeln geeignet.

Daher kann ein ähnliches Verfahren nicht für Temperaturmessungen in Systemen energieintensiver Materialien wie C ₄ H ₈ N ₈ O ₈ (Oktogen) und C ₃ H ₆ N ₆ O ₆ (Hexogen) verwendet werden, da die Zielelemente (H ₂ O) , usw.) werden in sehr hoher Konzentration hergestellt. Daher ist eine neue Methode erforderlich, um solche Systeme zu untersuchen, die Wissenschaftler in ihrer Arbeit beschreiben.

Versuchsaufbau vorbereiten

Bild Nr. 1

Abbildung 1a zeigt den Versuchsaufbau eines Quantenkaskadenlasers mit akustooptischer Modulation (AOM QCL):

• Spiegel - ein Spiegel;
• Beugter Strahl bei gewünschter Wellenlänge - reflektierter Strahl bei der gewünschten Wellenlänge;
• Undiffracted Beam - nicht reflektierter Strahl;
• AOM - akustooptischer Modulator;
• Linsen - Linsen;
• QCL-Quantenkaskadenlaser;
• AR-Beschichtung - Antireflexionsschicht;
• HF-Generator - Hochfrequenzgenerator;
• Ausgang - Ausgangssignal.

Das spektrale Ausgangssignal AOM QCL wurde als Funktion des Eingangs-AOM RF unter Verwendung von Infrarotstrahlung mit Fourier-Transformation mit einer spektralen Auflösung von 0,2 cm & supmin; ¹ ( 1b ) gemessen.

Die Halbwertsbreite des Ausgangssignals hängt von den Betriebsbedingungen ab: Impulsdauer sowie QCL- und AOM-Frequenzen. In diesem Experiment betrug der Halbwertsindex ungefähr 12–15 cm ^–1 .

In den Experimenten wurde ein Stoßrohr aus rostfreiem Stahl mit einem Innendurchmesser von 14 cm verwendet, und es wurden auch Polycarbonatmembranen mit einer Dicke von 0,18 und 0,76 mm verwendet. Fünf piezoelektrische Druckwandler entlang der letzten 1,4 m des Stoßrohrs wurden verwendet, um die Aufprallgeschwindigkeit zu messen, die linear auf die Stirnwand extrapoliert wurde. Die Temperatur und der Druck im reflektierten Schockbereich (P5 und T5) wurden unter Verwendung der Anfangstemperatur und des anfänglichen Drucks in diesem Bereich und der extrapolierten Schockgeschwindigkeit unter Verwendung eindimensionaler Schockverhältnisse unter Berücksichtigung chemisch gefrorener, schwingungsausgeglichener Gase berechnet. Die Dämpfung der Geschwindigkeit betrug ungefähr 1,5% / m und der Fehler in T5 und P5 betrug weniger als 2%.


Bild Nr. 2: Versuchsaufbau in Verbindung mit dem Testbereich des Stoßrohres.

Erklärungen für das Bild oben:

• AOM QCL System - Installation eines Quantenkaskadenlasers mit akustooptischer Modulation;
• HF-Generator - Hochfrequenzgenerator;
• Funktionsgenerator - Funktionsgenerator $
• Sync - Synchronisation;
• Gepulste Stromquelle - gepulste Stromquelle;
• Iris - Öffnung;
• I (Intensität des übertragenen Signals) Detektor - Sensor der Intensität (I) des übertragenen Signals
• Gebogener Spiegel - ein gebogener Spiegel;
• I0 Detektor - Referenzstrahlintensitätssensor;
• Strahlteiler - Strahlteiler;
• Spiegel - ein Spiegel;
• Stirnwand - Stirnwand;
• ZnSe Windows - Linsen aus Zinkselenid;
• Stoßrohr - Stoßrohr.

Der Strahl vom AOM QCL wurde mittels eines Strahlteilers aus Calciumfluorid (CaF ₂ ) in Referenz- und Signalstrahlen unterteilt. Die Intensität des Referenzstrahls wurde unter Verwendung eines thermoelektrisch gekühlten photoelektrischen Sensors gemessen. Wie aus dem Diagramm ersichtlich ist, tritt der Strahl vor dem Rohr durch eine Linse aus Zinkselenid mit einer Dicke von 3 mm und einem Durchmesser von 12,7 mm. Beide Linsen befanden sich in einem Abstand von 2 cm von der Stirnwand und waren aufeinander gerichtet. Nach dem Passieren der zweiten Linse wird der Strahl durch einen gekrümmten Spiegel auf den Intensitätssensor des übertragenen Signals gerichtet.

Der Einrichtungslaser arbeitete in einem gepulsten Modus mit einer Wiederholungsrate von 500 kHz und einer Pulsdauer von 100 ns. AOM wurde verwendet, um Impulse zwischen den Spektralbändern von 2030 cm & supmin; ^¹ und 2080 cm & supmin; ¹ zu wechseln, indem der Hochfrequenztreiber mit einem Mäander * mit einer Periode von 250 kHz moduliert wurde, der mit dem Laserpulstreiber synchronisiert wurde.

Der Mäander * ist ein periodisches Signal mit rechteckiger Form.

Solche präzisen Spektralbänder wurden speziell ausgewählt, um eine hohe Temperaturempfindlichkeit im untersuchten Temperaturbereich bei relativ geringer Empfindlichkeit gegenüber dem Molenbruch und dem CO-Druck bereitzustellen. Zusätzlich wurden AOM und QCL für mehr spektrale Stabilität temperaturgesteuert.

Versuchsergebnisse

Und jetzt gehen wir direkt zu den Ergebnissen der Installation über.

Während der Experimente variierte die gemessene Temperatur von 1000 bis 1800 K und es wurden zwei Druckoptionen verwendet: niedrig - 2,0-2,9 at. Und hoch - 7,6-10,7 at. Die analysierte Mischung bestand aus in Helium (He) und Argon (Ar) verdünntem CO. Eine Mischung aus 10% CO, 25% He und 65% Ar wurde bei niedrigem Druck und 3% CO, 15% He und 82% Ar bei hohem Druck verwendet. Um die Homogenität (Homogenität) der Proben sicherzustellen, wurde der Mischvorgang 8 Stunden lang fortgesetzt.


Bild Nr. 3

Um das erwartete Spektrum des Signalstrahls für jedes der beiden Bänder entlang der Wellenlänge zu berechnen, verwendeten wir eine Kombination aus dem simulierten Absorptionsspektrum und dem gemessenen Ausgangsspektrum AOM QCL. In diesem Fall wurde das monochromatische Behr-Lambert-Gesetz für jede einzelne Wellenlänge berücksichtigt ( 3a ).

Die Absorption für zwei Banden wurde für jede Kombination von T5, P5 und der Molfraktion unter Berücksichtigung des 14-cm-Pfades (Stoßrohrlänge) simuliert für: Temperaturbereich 600-2600 K in Schritten von 50 K, Bereich der Molenbrüche von CO von 1% bis 50% in Schritten 1% und ein Druckbereich von 0,001 bis 13,0 bar in Schritten von 1 bar.

Wie in Bild 3b zu sehen ist, beeinflusst die Temperatur den Absorptionskoeffizienten stark, jedoch nur geringfügig den Molenbruch und den Druck. Die Temperatur und der Molenbruch wurden unter Verwendung eines iterativen Verfahrens berechnet, d. H. Diese Indikatoren wurden zuerst getrennt voneinander bestimmt und verwendet, um die theoretisch erwarteten Absorptionswerte für die beiden Ausgangsbänder bei dem experimentell gemessenen Druck (P5) zu berechnen. Danach wurde die Temperatur durch Vergleichen der theoretischen und gemessenen Absorptionskoeffizienten geändert. Der Molenbruch von CO wurde unter Verwendung der Differenz zwischen den gemessenen und theoretischen Werten der Absorptionsbande von 2080 cm & supmin; ^{¹ verändert} .


Bild Nr. 4

In Bild 4a sehen wir einen Vergleich von gemessenen und bekannten Temperaturen in Experimenten mit einem Stoßrohr unter Berücksichtigung der Auswirkungen von niedrigem und hohem Druck. Wie wir sehen können, stimmen die Temperaturen, die mit dem AOM QCL-System erhalten wurden, nahezu perfekt mit den Schocktemperaturen über den gesamten Bereich von 1000–1800 K und in beiden Druckbereichen überein. Das nebenstehende Diagramm ( 4b ) zeigt das Verhältnis des gemessenen und des tatsächlichen Molenbruchs von CO. Bei diesem Indikator wird auch eine hervorragende Übereinstimmung zwischen den ursprünglich bekannten Daten und denen beobachtet, die durch Messungen mit dem experimentellen AOM QCL-System erhalten wurden.

Ergebnisse der Forscher

Wissenschaftler haben herausgefunden, dass die Temperaturänderung unabhängig von den Verschiebungen des Laserstrahls ist, die von den Partikeln der Membran ausgehen. Diese Schlussfolgerung wird durch die Tatsache gerechtfertigt, dass diese Vorspannung beide Spektralkomponenten des Ausgangssignals aufgrund variabler Impulse beeinflusst, die durch denselben Strahl laufen. Dadurch wird der Offset kompensiert.

Berücksichtigt man die Immunität von Temperaturmessungen gegenüber thermischen Hintergrundemissionen und die oben beschriebene Verschiebung des Laserstrahls, eignet sich die entwickelte Methode hervorragend zur Untersuchung von Gasphasenreaktionen von Energiematerialien (z. B. Octogen und Hexogen), bei denen CO erzeugt wird und heiße Partikel und Druckwellen Wärme verursachen können Emissionen und Strahlverschiebung.

Zusätzlich können angesichts der Bandbreite des AOM QCL von 12-15 cm & supmin; ¹ viele Absorptionseigenschaften einer Komponente des Testmediums gleichzeitig analysiert werden. Schmalbandlaser weisen eine erhöhte Empfindlichkeit auf, sind jedoch aufgrund der Sättigung in dem Konzentrationsbereich begrenzt, in dem sie verwendet werden können.

Die HITEMP-Spektrummodellierung berücksichtigt nur CO. Dementsprechend erfordert die Verwendung des AOM-QCL-Systems bei Strukturen, bei denen die Komponenten der Mischung unterschiedlich sein können, eine weitere Verbesserung des Systems, um seine Genauigkeit zu erhöhen.

Um die Nuancen der Studie genauer kennenzulernen, empfehle ich dringend, dass Sie sich den Bericht von Wissenschaftlern ansehen.

Nachwort

Diese experimentelle Studie ist eine Demonstration eines neuen Werkzeugs zur Untersuchung der Temperatur und der Komponentenkonzentration in reaktiven Hochtemperatursystemen. Wissenschaftler, die dieses Werkzeug verwendeten, konnten erfolgreich Gemische mit 3% und 10% CO im Temperaturbereich von 1000 ... 1800 K bei einem Druck von 2,0-2,9 at und 7,6-10,7 at untersuchen.

Das AOM QCL-System ist laut den Entwicklern selbst sehr flexibel und ermöglicht es Ihnen, es für verschiedene untersuchte Umgebungen in einem weiten Temperaturbereich zu konfigurieren. Darüber hinaus kann das System mehrere Komponenten des Mediums gleichzeitig messen, indem ihre Absorptionseigenschaften gemessen werden.

Feuer ist nicht nur ein Herd in einem Dorfhaus, ein Kamin in einem Herrenhaus oder eine Kerze auf einem Kuchen. Feuer ist ein komplexer physikalischer und chemischer Prozess, dessen Verständnis einem Menschen mehr Werkzeuge gibt, um seine schöpferische Kraft zu kontrollieren und gegen seine zerstörerische Kraft zu kämpfen.

Ich übertreibe nicht, dass wir alle von dem Feuer in der Kathedrale Notre Dame schockiert waren. So viele Jahrhunderte wissenschaftlicher Forschung, Entdeckungen und Durchbrüche, aber wir konnten eine der größten und schönsten Perlen der Architektur nicht vor rebellischem Feuer retten. Dieser Verlust hat uns erneut daran erinnert, dass der Mensch so großartig ist und wir noch viel über die Welt um uns herum lernen müssen, um uns vollständig vor den Problemen zu schützen, die er uns bereiten kann. Die einzige zerstörerische Kraft, mit der wir dies höchstwahrscheinlich niemals kontrollieren können, sind wir selbst.

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit, bleiben Sie neugierig, erinnern Sie sich an die Regeln des Brandschutzes und eine gute Arbeitswoche, Leute.

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