Главная – Журналы – Физика горения и взрыва 1999 номер 6

На установке быстрого сжатия со свободно движущимся поршнем экспериментально определялась эффективность термомеханического преобразования энергии при детонационном режиме сжигания водородо-воздушной смеси стехиометрического состава в условиях, близких к тем, которые реализуются при работе поршневого двигателя внутреннего сгорания в режиме пуска. Показано, что такой режим тепловыделения характеризуется не только резким возрастанием давления в камере сгорания, но и его быстрым последующим спадом, обусловленным теплоотдачей в стенки цилиндра и частичной конденсацией паров воды. Эти составляющие теплового процесса идут тем интенсивнее, чем выше давление и температура продуктов сгорания, в свою очередь прогрессивно зависящие от параметров смеси непосредственно перед ее поджогом. Но относительное повышение давления сгорания оказывается минимальным при инициировании воспламенения вблизи верхней мертвой точки. Показано также, что коэффициент термомеханического преобразования энергии (аналог индикаторного КПД двигателя внутреннего сгорания) достигает своего максимального значения 31 % при поджигании смеси в момент времени, отстоящий примерно на 3/4 периода колебаний поршневой группы от начала сжатия воздушного заряда.

Рассматривается задача о самовоспламенении двухкомпонентного аэрозоля, состоящего из равномерно перемешанных капель окислителя и горючего, реагирующих в газовой фазе. Процесс самовоспламенения такого аэрозоля разделяется на два этапа – испарение компонентов аэрозоля и затем химический разогрев смеси. Получена приближенная аналитическая формула для периода самовоспламенения двухкомпонентного аэрозоля, учитывающая различия теплофизических характеристик жидкостей аэрозоля, массовых концентраций, размеров капель компонентов аэрозоля, отличие начальной температуры этих капель от начальной температуры газовой фазы. Результаты вычисления периода самовоспламенения по полученной аналитической формуле и результаты численного решения задачи в нуль-мерной постановке совпадают с точностью 20 % в широком диапазоне изменения определяющих параметров задачи.

Экспериментально исследовано зажигание слоя лесных горючих материалов световым излучением. Определены минимальные значения плотности лучистого теплового потока от неодимового лазера и вольфрамовой лампы, необходимые для зажигания лесных горючих материалов. Установлено, что плотность теплового потока увеличивается с ростом влагосодержания и плотности слоя лесных горючих материалов и падает с ростом диаметра светового пятна, а критическая плотность потока от лазера превышает соответствующие значения плотности потока от лампы накаливания.

Зарегистрировано регулярное самовоспламенение водорода и керосина при их перемешивании с обогащенным кислородом воздухом в вихревой проточной камере плоскорадиальной геометрии. Указанные топливные компоненты подавались в камеру из сосудов с комнатной температурой под давлением 410 МПа. Исследовано поле скоростей, давлений и температур в камере экспериментальными методами, а также численным моделированием на основе полных уравнений Навье–Стокса. Измерения и расчет показали возникновение области повышенных температур в вихревом нестационарном потоке. Расчет проводился при значениях числа Рейнольдса задачи до 510³ и показал рост температуры с его увеличением. Однако как рассчитанные, так и измеренные температуры ниже известных температур самовоспламенения. Природа наблюдавшегося воспламенения осталась невыясненной.

Экспериментально исследовано окисление и горение одиночных частиц магния в среде СО₂ в диапазоне температур окружающей среды 8981323 К. Обнаружен режим медленного гетерогенного горения, разделяющий области медленного окисления и быстрого паро-фазного горения. Обсуждается связь процесса воспламенения и горения летучего металла со структурой и свойствами поверхностной пленки.

Исследуется горение порошка хрома в реакторах СВС. Показано, что максимальная температура в центральной части образцов превышает адиабатическую. Наблюдаемое явление связано с неодномерностью фронта горения. Перегрев центральной части приводит к расплавлению продукта и уменьшению глубины превращения, что должно учитываться при азотировании образцов большого диаметра.

Неизотермическим термогравиметрическим методом исследованы кинетические закономерности окисления ультрадисперсных порошков алюминия, меди, железа, молибдена, цинка и олова, полученных методом электрического взрыва проводников. Установлено, что процесс окисления носит многостадийный характер, однако на начальной стадии окисления продукты не образуют сплошной пленки и окисление всех металлов протекает по линейному закону. Температуры начала окисления с заметной скоростью определяются температурами десорбции газовых компонентов ультрадисперсных порошков. Температуры самовоспламенения порошков определены методом дифференциального термографического анализа. Показано, что эти температуры зависят от теплофизических свойств металла и кинетики начальной стадии окисления.

Представлены результаты исследования процесса горения аэрогелей смесей сверхтонких порошков алюминия и бора (окислитель – воздух). Показано, что горение происходит в две различающиеся по температуре стадии. Добавка бора влияет на содержание AlN, остаточного Al и -Al₂О₃ в конечных продуктах горения аэрогелей сверхтонких порошков (Al B). При фиксированной навеске массой 4 г максимальное содержание AlN наблюдается при сгорании смеси сверхтонких порошков (Al 20 % B), температура горения при этом также максимальна. Существует критическая масса навески, меньше которой горение протекает в одну стадию. Увеличение массы навески исходной смеси сверхтонких порошков (Al B) приводит к увеличению содержания AlN в продуктах горения при одновременном увеличении температуры горения. Значительная часть продуктов горения стабилизируется в виде игольчатых поликристаллов микронных и субмикронных размеров, формирующихся с участием газовой фазы при горении.

Изучена динамика развития теплового самоускорения реакции и разогрева для безгазовых конденсированных составов в индукционном и послеиндукционном периодах вплоть до полного превращения вещества. Показано, что в широком диапазоне значений критерия Био Bi и макрокинетики "слабого" торможения распространение реакции по образцу имеет ярко выраженный фронтальный характер. Обнаружено два качественно различных механизма распространения фронта. Для больших значений Bi – это нормальное распространение фронта горения, инициированного зоной воспламенения. При малых значениях Bi распространение фронта – кажущийся эффект, обусловленный последовательным адиабатическим самовоспламенением отдельных порций вещества, неоднородно прогретого в течение индукционного периода. В последнем случае скорость распространения имеет смысл "фазовой" скорости.

Предложен способ регистрации флуктуаций физико-химических параметров в волне горения конденсированных систем, позволяющий экспериментально оценивать частоту этих флуктуаций. На примере пиротехнической смеси ZrWO₃ с помощью этого способа экспериментально показано, что в волне горения возникают флуктуации физико-химических параметров двух видов: с частотой 200 и 20 Гц, отвечающие двум значениям характерных размеров неоднородностей системы порядка 0,1 и 1 мм соответственно.

Представлены результаты исследований, посвященных горению смесевого твердого топлива на основе перхлората аммония. Изучено влияние добавок оксидов металлов на процессы высоко- и низкотемпературного разложения, на линейный пиролиз и горение перхлората аммония, разложение HClO₄, на окисление изобутилена кислородом и хлорной кислотой, а также на горение топлива с различными органическими горючими. Установлена связь эффективности оксидов металлов в реакциях окисления изобутилена и горения топлива с энергией разрыва связи Me — O в поверхностном слое оксида или с энтальпией образования этой связи. Наблюдаемый при этом экстремальный характер каталитического влияния оксидов металлов на скорость горения топлива связан с малым временем пребывания частиц оксида в зоне интенсивных реакций окисления – восстановления. По этим причинам топливо с различными органическими горючими индивидуально откликается на одни и те же добавки оксидов металлов, а наиболее эффективный катализатор может подбираться по упрощенному алгоритму. В пользу перспективности воздействия на смесевое твердое топливо через реакции окисления – восстановления в газовой фазе свидетельствует влияние добавок органических источников активных частиц – аминов, галогенидов.

В рамках общей математической модели реагирующей смеси газа, жидких капель и твердых частиц рассмотрено неадиабатическое движение газовзвеси частиц магния за ударной волной. Дана классификация возможных типов течения смеси за фронтом замороженной ударной волны. Задержки воспламенения, полученные расчетным путем, имеют хорошее соответствие с опытными данными. Выполнено сравнение параметров течения, найденных по адиабатической и неадиабатической моделям.

Проведено численное моделирование отражения нестационарной многофронтовой двумерной волны газовой детонации от клина для смеси 2H₂O₂. Определено значение критического угла клина, при котором происходит переход от регулярного отражения детонационной волны к маховскому при = 0,2 бар. В случае маховского отражения для различных углов клина установлено, что рост ножки Маха не является автомодельным, т.е. траектория тройной точки не есть прямая линия. Численное исследование показало зависимость предельной высоты ножки Маха от угла клина. Изучено влияние размера детонационной ячейки и градиентов параметров в падающей волне на закономерности роста ножки Маха и значение критического угла клина.

Сформулирована модель, описывающая поведение керамики Al₂O₃ при динамическом и ударно-волновом сжатии. За основу принята модель вязкоупругого тела максвелловского типа, ранее успешно применявшаяся для моделирования сжатия металлических пористых сред. Рассчитаны ударные адиабаты, в том числе и для случая высокой пористости, проанализирована эволюция импульсов сжатия конечной длительности, распространяющихся по пористому полупространству. Расчеты подтверждают вывод о влиянии размера зерен (пор) на ударно-волновой процесс и конечный результат.

Проведено молекулярно-динамическое моделирование поведения трехмерного кристаллита, содержащего границу зерен специального типа в условиях сдвигового нагружения. Обнаружено, что аккомодация смещений зерен материала может осуществляться за счет структурных изменений межзеренных границ. Кристаллообразная структура зерен может восстанавливаться после прекращения внешнего воздействия. Полученные результаты позволяют глубже понять природу структурного отклика материала при механических нагружениях на атомном уровне.

Проведены эксперименты по определению динамического предела текучести алюминия марки АД-1 при безударном нагружении методом главных напряжений. Полученные результаты свидетельствуют о повышении предела текучести при безударном нагружении по сравнению с ударным.

Задача о движении кумулятивной струи в пористой среде эквивалентна задаче обтекания затупленного цилиндра гиперзвуковым потоком, имеющим на бесконечности скорость, равную скорости струи в пористой среде. Картина движения среды при обтекании такая же, как и при распространении взрывной волны от точечного взрыва цилиндрического заряда. Используя приближенную теорию сильного взрыва, получены основные соотношения для ударной волны и расширяющейся каверны при обтекании затупленного цилиндра гиперзвуковым потоком пористой среды. Проведено сравнение с экспериментом при движении медной кумулятивной струи в пористом алюминии.

Совместно исследована динамика генерации свечения и развития кавитации в поле сферически фокусируемых и плоских ударно-акустических волн в воде, глицерине и их смесях. Показано, что первый импульс свечения при сферической фокусировке ударно-акустических волн коррелирует с кавитационным разрывом жидкости. Предполагается, что регистрируемое свечение обусловлено электрокинетическими процессами при образовании и росте кавитационных пузырьков.