Главная – Журналы – Физика горения и взрыва 2000 номер 2

Сформулирована физико-математическая модель распространения пламени по газовзвеси, состоящей из смеси газов (окислителя, горючего и инертного) и частиц конденсированного вещества, гетерогенно реагирующих с окислителем. На основе численного анализа получены зависимости скорости распространения пламени от параметров, характеризующих массовую концентрацию частиц, их размер, энергию активации гетерогенной реакции на поверхности частиц, тепловой эффект гетерогенной реакции и массообмен частиц. В зависимости от соотношения параметров дисперсной фазы скорость распространения пламени в такой среде может увеличиваться в несколько раз по сравнению со скоростью пламени в незапыленной газовой смеси либо уменьшаться, и тогда влияние частиц аналогично влиянию инертной дисперсной фазы.

Экспериментально исследовано горение частиц магния и титана в акустически пульсирующем потоке для случая, когда размеры частиц меньше амплитуды смещения газа в акустической волне. Обнаружено увеличение времени горения частиц магния и уменьшение времени горения частиц титана при наложении акустических колебаний. Выявлены характерные особенности колебаний интенсивности светового потока горящей частицы магния как отклика парофазно горящей капли металла на внешнее акустическое воздействие. Предлагается объяснение формы регистрируемых колебаний на основе предположения о срыве фронта пламени с лобовой точки капли. Обсуждаются условия, необходимые для срыва пламени в пульсирующем потоке, а также эффекты, к которым может привести срыв пламени с капли при сжигании распыленных топлив в устройствах пульсирующего горения.

В рамках асимптотического анализа исследуется воспламенение реакционноспособного вещества цилиндрической формы, в котором в начальный момент времени имеется периодическая система очагов разогрева. Изучено влияние теплоотдачи в боковую поверхность цилиндра и соседства очагов на режимы процесса. Найденное решение показывает существенную зависимость критических условий воспламенения от режима теплоотдачи. Соседство очагов приводит к конечным изменениям параметров лишь при их достаточно близком расположении. Для случая теплоизолированной боковой поверхности результаты сопоставлены с известными решениями.

Предлагается упрощенная модель распространения пламени по одиночному капилляру в режиме низких скоростей. В основе модели лежит представление о том, что основные закономерности распространения пламени в режиме низких скоростей определяются потоком тепла по стенке трубки от продуктов сгорания в свежую смесь. Получено качественное согласие с экспериментальными результатами.

Изложен метод описания и анализа процессов тепло- и массообмена углеродной частицы, находящейся в поле лазерного излучения. Найдены и проанализированы закономерности зависимостей критических диаметров и температур от поглощенной интенсивности лазерного излучения при низких и высоких значениях температуры воздуха, а также условия, при которых имеют место гистерезисные зависимости температуры частицы от ее диаметра и интенсивности лазерного излучения.

Исследовались пламена одиночных углеводородных капель (бензол, бензин, гексан, октан). Предложен комплексный подход к исследованию горения этих веществ спектральными методами, которые позволяют выявить структуру пламени, концентрацию и дисперсность конденсированной фазы, температуру в зоне горения, радиационные характеристики. Исследовались также излучательные характеристики частиц сажи и их спектральные особенности в диапазоне длин волн λ = 0,25 ÷ 0,75 мкм.

С помощью сканирующей дифференциальной калометрии, электронной металлографии и микроанализа определены основные макрокинетическии стадии безгазового теплового взрыва в системе Nb – Al при различных стехиометрических соотношениях реагентов. Химическое взаимодействие начинается после плавления алюминия (993 К) и протекает медленно вплоть до температуры 1020÷1040 К, при которой начинаются резкий саморазогрев и ускорение реакции (тепловой взрыв). На стадии медленной реакции наблюдаются миграция расплава из центра образца в приповерхностные слои и рост капель на поверхности образца, а на стадии теплового взрыва капли расплава вновь впитываются в образец. Независимо от исходной стехиометрии состава при тепловом взрыве образуются фазы NbAl₃ и Nb₂Al, различия проявляются лишь в соотношении этих фаз, а также в количестве остаточного (непрореагировавшего) ниобия.

Впервые проведено исследование теплового взрыва в безгазовой смеси металлических порошков методом динамического рентгеноструктурного анализа. Определена динамика образования новых кристаллических фаз на всех стадиях процесса. Показано, что после плавления алюминия в системе начинается растворение ниобия в расплаве и кристаллизация промежуточного продукта NbAl₃, при этом расплав не смачивает частицы ниобия. Резкое улучшение смачивания наступает при температуре ≈1040 K (по-видимому, вследствие разрушения оксидных пленок), при этом происходит тепловой взрыв и образуется фаза Nb₂Al. Реакция во время теплового взрыва также происходит по механизму растворение – кристаллизация.

Исследованы закономерности инициирования и горения системы 3SiO₂ — 4Al — 3C в условиях активации реакции горения высокоэнергетической добавкой Al + αKNO₃. Показано, что горение данной системы возможно лишь при введении определенного количества добавки в исходную смесь. Установлен механизм активации реакции, в которой ведущая роль придается процессам, протекающим в восстановительной стадии горения. Найдены оптимальные условия синтеза композиционного порошка состава SiC/Al₂O₃, содержащего волокна SiC.

Исследован химический состав продуктов горения в воздухе смесей порошков промышленного цирконийалюминиевого сплава циаль (массовое содержание циркония 84 %, алюминия 16 %) и ультрадисперсного порошка Al, полученного с помощью электрического взрыва проводников в аргоне. Проанализирована способность таких смесей к химическому связыванию азота воздуха. Установлено, что при определенных условиях конечные продукты могут содержать до 60 % смеси AlN + ZrN.

Исследованы процессы горения смесей ультрадисперсного электровзрывного порошка алюминия с водой, загущенной 3%-й добавкой полиакриламида. Реакция в режиме горения сопровождается образованием перегретого вспенивающегося слоя в гелеобразной воде. Обнаружена неполнота сгорания алюминия в стехиометрической смеси, объясняемая выкипанием воды из реакционной зоны. Термопарными измерениями и расчетом по составу продуктов сгорания определены максимальные температуры горения в различных условиях. Показана возможность получения ультрадисперсного или монолитного корунда в качестве продукта реакции.

Экспериментально исследовано окисление и горение одиночных частиц магния в среде СО в диапазоне температур окружающей среды 898÷1323 К. Обнаружены различные режимы взаимодействия магния с СО: низко- и высокотемпературный режимы медленного гетерогенного горения, низко- и высокотемпературный режимы парофазного горения, пульсирующее горение. Возможные причины существования различных режимов обсуждаются на основе анализа процессов в поверхностной пленке и в газовой фазе с учетом термодинамических особенностей системы Mg – CO.

На основании анализа соотношения тепловых потоков при горении одиночной частицы магния в кислородсодержащей среде показано, что парофазное горение возможно лишь в случае конденсации заметной части оксида на поверхности капли.

Излагается метод решения пространственного уравнения поверхности горения. Рассмотрен вариант численного решения задачи и для грибообразной конфигурации приведен пример расчета, когда реализуется аналитическое решение. Показано, что при использовании грибообразных конструктивных элементов зависимость площади поверхности горения от величины сгоревшего свода может быть более сильной, чем кубическая парабола.

Рассмотрен метод экспериментальной оценки температуры переднего фронта электропроводной зоны волны горения неэлектропроводных конденсированных систем. Эксперименты с использованием системы Zr + WO₃ показали эффективность метода. Получено, что температура переднего фронта равна 2000÷2400 K при температуре горения системы на уровне ≈3000 K.

Представлено унифицированное описание термодинамических свойств углерода в виде комплекта однотипных аналитических выражений для изохорно-изотермических потенциалов алмаза, жидкого углерода и графита, а затем на основе полученных результатов рассчитана фазовая диаграмма углерода в области давлений ∼3÷100 ГПа и температур ∼300÷6000 K.

Представлена модель ударно-волнового нагрева конденсированных взрывчатых веществ (ВВ), в которой используется уточненная зависимость теплоемкости ВВ от температуры и учитывается влияние начальной плотности ВВ. Проведены расчеты зависимости нагрева ВВ — тротила, тэна, ТАТБ — от давления на фронте ударной волны. Моделирование нагрева ТАТБ представляет интерес для понимания процесса ударно-волнового инициирования детонации, в том числе зависимости ударно-волновой чувствительности от начальной плотности и температуры ВВ.

Представлены результаты исследований скорости и критического диаметра детонации сыпучих и водонаполненных взрывчатых веществ на основе нитрата аммония, сенсибилизированных алюминиевым порошком и содержащих хлорид натрия и сульфат бария. Предложено объяснение полученных результатов.

Исследуются макродефекты структуры образцов, полученных взрывным компактированием алюминиевого порошка. Стереологическими методами измерены площади новых, созданных при высокоскоростной деформации контактных поверхностей частиц. Для измерения макроскопической электрической проводимости компактов использован метод вихревых токов. По этим данным рассчитаны средние размеры и количество макродефектов на единицу объема компакта. Применяемые методики могут быть полезны для анализа структуры композиционных материалов, полученных различными способами.

Исследована структура и определены критические параметры появления неустойчивости пластического течения в образцах титана, имеющих разные размеры зерен и исходную плотность дефектов, после больших высокоскоростных деформаций. Установлено, что формирование структуры титана и обусловленные ею критические параметры появления неустойчивости пластического течения определяются в основном процессом двойникования. Двойникование в ударно-нагруженном титане является механизмом пластической деформации, при котором происходят наименьшие изменения его внутренней энергии. Двойникование в титане при высокоскоростном деформировании развивается на ранних стадиях по всем допускаемым системам двойникования и приводит к фрагментации структуры. Двойники не представляют собой структурные элементы, способствующие развитию однородной пластической деформации. Фрагментирование структуры при образовании двойников приводит к уменьшению критических параметров появления неустойчивости пластического течения. Установлено существование некоторой предельной наполняемости материала двойниками с ростом деформации, после которой релаксация энергии осуществляется за счет образования полос адиабатического сдвига и/или трещинообразования. Структура титана, сформированная в процессе деформирования, является высоко стабильной.

Показано, что для кумулятивных зарядов с пористыми облицовками возможно существование двух типов кумулятивных течений – с распыленной струей, заполняющей всю полость кумулятивной выемки, и с монолитной струей. Получены оценки условий перехода от одного типа течения к другому и показано, что путем изменения начальной пористости можно управлять физико-механическими свойствами материала облицовки в процессе ее обжатия продуктами детонации заряда взрывчатого вещества. Для течения с монолитной струей экспериментально показано, что кумулятивные заряды с пористыми облицовками могут обладать большей проникающей способностью в стальные преграды, чем аналогичные по конструкции заряды с монолитными облицовками. Течение с распыленным потоком используется для нанесения покрытий на преграду-подложку и синтеза новых соединений. Приведены результаты экспериментов, в которых при использовании кумулятивных облицовок из механической смеси порошков W или Ti с углеродом на стальных или титановых подложках получены слои, содержащие карбиды указанных металлов.