Первичная термическая фрагментация угольных частиц, индуцируемая ударной волной

Частицы угля под воздействием ударных волн могут подвергаться быстрой фрагментации, пиролизу и горению, в результате чего повышаются интенсивность и эффективность сжигания, при этом фрагментация играет решающую роль в данном процессе. Воздействие ударной волны моделировалось в настоящей работе как совместное воздействие конвекции и излучения через поверхность и теплопроводность внутри частицы угля. Для исследования разрушения определяли локальные температуры внутри угольной частицы и соответствующие термические напряжения. Разлом частицы моделировался тремя параметрами вероятности Вейбулла, позволяющими предсказывать место и время разлома. Моделирование показало, что частицы распыленного угля размером до $250$ мкм под действием ударных волн при различных операционных, тепловых и физических параметрах могут испытать первоначальное разрушение в течение $150$ мкс. Для частиц размером $d\ge50$ мкм или при использовании более сильных ударных волн (с числами Маха $\mathrm{M}\ge5$) преобладает поверхностное отшелушивание, в то время как при меньших размерах ($d\le25$ мкм) доминирует внутренняя фрагментация. Исследование первичных разломов показало, что распыленный уголь с основным размером частиц $d\le100$ мкм сортов от бурого до битумного потенциально пригоден для детонационного сгорания в волнах с числами Маха $3\div6$. Частицы угля при непрерывном воздействии условий за ударной волной подвергаются рекурсивному процессу отслоения до ядра размером $20\div40$ мкм, после чего следует фаза внутренней фрагментации, которая протекает до тех пор, пока размер ядра не составит $1\div3$ мкм. Значительно более мелкие частицы угля, порядка таких внутренних фрагментированных ядер, практически не разрушаются по причине низких тепловых напряжений, вызванных быстрым равномерным нагревом. Валидация модели разлома выполнена путем сравнения расчетных задержек воспламенения с данными экспериментов. История фрагментации указывает на существенное увеличение площади поверхности частиц, а также температуры при ударном воздействии, в отличие от обычного процесса. В результате скорости реакций при установлении воспламенения возрастают на порядки величины, что может сохраняться на протяжении всей стадии горения.