Главная – Журналы – Физика горения и взрыва 2002 номер 1

На примере природных пламен с избытком энергии показано, что эти пламена могут существовать в разнообразных системах и режимах горения. Само существование некоторых пламен, таких как ячеистые и спиновые, обусловлено избыточной энергией. Многообразны и механизмы концентрации энергии. Кроме теплообменных процессов—кондукции, конвекции, излучения—концентрация энергии может быть обусловлена массообменными процессами, фазовыми переходами, фильтрацией, сжимаемостью газа и др. Приведенные примеры пламен с искусственно создаваемыми условиями для концентрации энергии демонстрируют широкий спектр возможных приложений этого явления.

Дрейфующие, локализованные в пространстве очаги горения или шарики пламени были недавно обнаружены при численном моделировании горения околопредельных предварительно перемешанных смесей газов с низким значением числа Льюиса. В данной работе прямолинейно движущийся очаг пламени рассматривается как бифуркация стационарного сферического очага горения.

В гидродинамической постановке рассмотрена двумерная стационарная структура течения в пленке горючей жидкости на теплопроводной подложке при распространении волны горения. Проанализирован физический механизм формирования данной структуры. Показано, что важная роль в этом принадлежит термокапиллярному эффекту. Обоснован вывод о том, что существование двумерного режима возможно лишь при достаточно низких значениях градиента температуры на поверхности пленки. Получено критическое условие, определяющее переход к трехмерному режиму. Это условие предполагает равенство скорости потока и скорости, индуцируемой термокапиллярной силой. Если градиент температуры превышает определенное критическое значение, то согласно двумерной модели должна возникнуть зона с возвратным течением. Высказано предположение, что подобный режим не может существовать в силу неустойчивости по отношению к трехмерным возмущениям. Эксперименты с гравитационно стекающей пленкой жидкости при наличии неподвижного источника тепла (без волны горения) подтверждают вывод о переходе к трехмерной регулярной структуре течения при достаточно большом градиенте температуры. Первая часть статьи посвящена моделированию структуры пленки при выполнении критического условия. Вторая часть связана с обобщением задачи на случай подвижного источника тепла, перемещающегося с постоянной скоростью. Эта постановка задачи включает ситуацию с распространением волны горения. Математическая формулировка этой задачи позволяет предположить, что существование двумерного стационарного режима в этом случае ограничено тем же самым критическим условием. Если значение градиента температуры на поверхности пленки больше критического значения, то двумерного стационарного решения не существует. Эта концепция, обосновываемая в настоящей работе, объясняет с общих позиций экспериментально наблюдаемые явления в пленках жидкости при наличии локального источника тепла различной природы.

Проведено экспериментальное исследование зажигания слоев из опада хвои кедра, сосны, пихты, листьев березы, а также из лишайника Кладония и мха Шребера. Установлено, что мох зажигается быстрее других лесных горючих материалов. Показано, что время зажигания опада хвои различных деревьев при одинаковом влагосодержании одинаково в пределах точности экспериментальных данных, а для опада листьев березы оно несколько ниже, чем для опада хвойных пород деревьев. Установлено, что наблюдаемые различия связаны с особенностями взаимодействия лучистого потока со слоями опада хвои и листьев. Оценены минимальные значения теплового импульса зажигания опада хвои и листьев для различной плотности тепловых потоков. Отмечена тенденция к минимизации значений этой величины при плотности потоков 0,50,8 МВт/м²

Проведен параметрический анализ математических моделей процесса нитрования амила в реакторах идеального смешения и вытеснения. Построены зависимости стационарных состояний от определяющих параметров, кривые кратности и нейтральности стационарных состояний, параметрические и фазовые портреты системы. Для трубчатого реактора найдены критические значения входной концентрации и коэффициента теплообмена, при которых происходит срыв стационарного режима нитрования амила.

При реакции прессованных образцов из порошка хрома с азотом в диапазоне давлений 1<!ndash!>8 МПа и диапазоне относительных плотностей 0,47<!ndash!>0,55 наблюдалась не встречавшаяся ранее нестационарность процесса горения нетепловой природы. Показано, что нестационарность обусловлена образованием трещин перед фронтом горения. Причиной разрушения образца является увеличение объема конденсированной фазы при образовании нитридов.

Построена трехмерная математическая модель безгазового горения сплошного кругового цилиндрического образца. Численными методами проведено исследование полученных установившихся спиновых режимов. Иллюстрируются и обсуждаются структура и механизм спинового горения. Показано, как усложняется пространственно-временная картина распространения спиновой волны по мере увеличения радиуса цилиндра. Спиновое распространение фронта может происходить в режиме, при котором структура фронта не меняется (при малых радиусах образца), или в нестационарном режиме, при котором структура фронта претерпевает за период многочисленные видоизменения. Во втором случае на поверхности цилиндра наблюдается <!ldquo!>мерцание<!rdquo!> очагов, которое может быть синхронным и поочередным. Обнаружена неединственность режимов горения. Показано, что средняя скорость распространения фронта горения в спиновом режиме порядка скорости стационарного распространения фронта в адиабатических условиях.

Экспериментально исследован механизм горения в многослойной системе дисков, прессованных из смеси 5Ti+3Si, при воздействии на образец сжимающих напряжений. В исследованном интервале параметров процесса обнаружено существование только эстафетного режима горения. Определены времена передачи горения между дисками.

Приведены результаты исследования горения системы SiO₂ +Al стехиометрического состава после механохимической обработки в мельницахактиваторах двух типов: с преобладающим силовым воздействием на сдвиг и сдвиг + динамическое сжатие. Показано, что различие энергетического состояния материала после обработки при разных режимах силового воздействия, а также использование модифицирующих органических добавок существенно изменяют температуру воспламенения и горения смесей. Модификация поверхности частиц кварца при механохимической обработке в присутствии бутанола или полистирола и алюминия интенсифицирует процесс горения, одновременно обеспечивая более полное протекание окислительно-восстановительной реакции.

Исследованы закономерности горения молибдена с углеродом в условиях активации реакции горения высокоэнергетической смесью магний + фторопласт. Проведен расчет адиабатической температуры горения и равновесных составов продуктов сгорания, получены экспериментальные зависимости температуры и скорости горения от основных параметров процесса. Показано, что активация реакции карбидизации молибдена имеет теплокинетическую природу. Выявлено, что два наблюдаемых механизма образования карбидов молибдена различаются температурой горения: при T2470 К формирование карбидов протекает по диффузионному механизму, а при T=2470 К кристаллизацией из расплава. Показана возможность синтеза однофазного Мо₂С в режиме горения.

Предложена новая методология экспериментального изучения процессов горения конденсированных веществ, основанная на постановке и решении обратных задач. Поставлена обратная задача восстановления скорости эрозионного горения твердых топлив по экспериментальным данным. Проведено обоснование выбора подхода к решению задачи на основе совместного рассмотрения известных методов решения обратных задач и специфики экспериментальных исследований процессов горения, в частности эрозионного горения. Решение задачи проиллюстрировано численным примером. В ходе тестирования проведен сравнительный анализ двух оптимизационных методов: при одинаковой точности обоих методов для задач данного класса метод быстрейшего спуска обладает более высокой скоростью сходимости по сравнению с методом сопряженных градиентов.

Представлены результаты оценки динамических характеристик нестационарного горения твердого ракетного топлива в камере сгорания, в которой давление автоматически регулируется по заданной программе. Оценка проведена по экспериментальным данным методом математического моделирования с использованием упрощенной модели нестационарных процессов в камере сгорания. Получены линейное приближение передаточной функции скорости нестационарного горения и аналитические выражения для определения ее коэффициентов через параметры упрощенной модели нестационарных процессов. Приведены результаты идентификации модели для нескольких фрагментов экспериментальных процессов. Построены семейства приближенных частотных характеристик скорости нестационарного горения, дан их анализ и выполнено сравнение с результатами других исследований.

Описан новый зондовый метод определения количественного состава продуктов сгорания смесевого твердого ракетного топлива при температурах 2500-3200 К и давлениях 4-8 МПа в условиях, близких к условиям в ракетном двигателе. Описано двухступенчатое зондовое устройство, позволяющее замораживать пробу, минуя основные скачки уплотнения внутри пробоотборника. Для оценки корректности отбора проб проведено моделирование газодинамики течения и кинетики химических реакций. Показано, что в процессе отбора пробы из пламени относительное изменение концентраций большинства стабильных газовых компонентов не превосходит 3, а Н₂ и О₂ 12&percnt. Метод предусматривает возможность проводить с отобранной пробой дополнительные операции, в частности разделение СО и N₂, с последующим анализом на времяпролетном массспектрометре. Определено содержание СО и СО₂ в продуктах горения модельного смесевого ракетного твердого топлива динитрамида аммония (ADN) с поликапролактоном (pCLN) при давлении 4 МПа.

Исследовано влияние газообразной среды сжигания на гранулометрический и химический составы частиц конденсированных продуктов горения модельного топлива, содержащего перхлорат аммония, связующее и 23,4 % алюминия. Эксперименты проведены при давлениях 0,6; 4,0 и 7,5 МПа. Исследованы оксидные частицы в диапазоне размеров 1,2<!ndash!>60 мкм и агломераты размером от 60 мкм до максимального. Различие средних размеров отобранных агломератов в экспериментах с азотом и гелием не превышает экспериментальной погрешности. Разница в количестве непрореагировавшего (металлического) алюминия в агломератах в случае отборов в азоте и гелии также незначительна. Замена азота гелием оказывает влияние на распределение оксида, увеличивая массовую долю частиц в диапазоне размеров 1,2<!ndash!>10 мкм, причем эффект усиливается с давлением.

На основе математической модели реагирующей двухфазной среды в двухскоростном двухтемпературном приближении численно исследуется процесс вхождения плоской ударной волны в облако частиц алюминия. Падающая ударная волна может иметь как прямоугольный, так и треугольный профиль, т. е. может сопровождаться волной разрежения. В результате анализа расчетных данных определены условия, при которых возможно установление режима стационарной детонации в облаке. Определены сценарии возникновения и типы детонационных течений в облаке в зависимости от амплитуды падающей ударной волны и энергии инициирования. Получены критерии инициирования детонации для различных фракций частиц, выражающие зависимость запасенной энергии ударной волны от ее числа Маха.

В рамках односкоростной модели Иорданского<!mdash!> Когарко численно исследованы динамика формирования и особенности структуры двумерной зоны реакции детонационной волны, распространяющейся в двухслойной пузырьковой среде.

Показана возможность химического взаимодействия кумулятивного потока, содержащего углерод, с титановой мишенью. Проведено рентгенодифрактометрическое исследование верхних слоев мишеней, полученных в серии опытов. Исследована зависимость фазового состава от условий проведения эксперимента и состава исходной пористой облицовки.

Экспериментально исследовано метание пластин скользящей детонационной волной при значениях скорости детонации <!ap!> 950<!ndash!> 2000 м/с. Обнаружено, что в процессе полета пластины, изготовленной из достаточно прочного материала, на ее поверхности появляются регулярные упругие волны, которые исчезают при достижении верхнего предела по скорости детонации.

Исследованы свойства электровзрывного сверхтонкого порошка алюминия, частицы которого стабилизированы покрытием из диборида алюминия, нанесенного непосредственно в процессе синтеза порошка. Сверхтонкий порошок алюминия, стабилизированный таким способом, имеет особенности в сравнении с другими сверхтонкими порошками: узкое распределение частиц по размерам, повышенную дисперсность и одновременно более высокую устойчивость к окислению при нагревании.