Главная – Журналы – Физика горения и взрыва 2003 номер 1

Экспериментально и численно исследовано развитие турбулентного диффузионного пламени в помещении с вертикальным проемом. Рассмотрен выброс пламени через проем, наблюдавшийся в условиях ограниченной естественно-конвективной вентиляции. Измерения проведены в лабораторном боксе, предназначенном для имитации пожара в помещении. Определен критический (минимальный) расход горючего, вызывающий выброс пламени, а также время задержки между зажиганием горючего и выбросом пламени с последующим установлением режима внешнего горения. Предложены безразмерные переменные для обработки экспериментальных данных. Для разных размеров проема, расположения горелки и размеров бокса получена обобщающая эмпирическая зависимость безразмерного времени выброса от безразмерного расхода горючего. Полученное значение безразмерного критического расхода горючего согласуется с ранее опубликованными результатами измерений, выполненных для газообразных и конденсированных горючих. Идентифицированы и проанализированы нестационарные стадии развития пламени до выброса и сценарии выброса пламени через проем. Разработана трехмерная численная модель для расчета турбулентного диффузионного горения в помещении с проемом, учитывающая сопряженный радиационно-конвективный теплообмен на твердых поверхностях и теплопроводность материала стен и перекрытий. Наблюдавшиеся в экспериментах стадии развития пламени, его выброс через проем и установление внешнего горения воспроизведены в численных расчетах. Расчетные значения времени выброса пламени удовлетворительно согласуются с результатами измерений и с предложенным эмпирическим соотношением.

На основе анализа последних экспериментальных данных с использованием детальной кинетической модели рассмотрено влияние кинетических особенностей ультрабогатых метановоздушных смесей (по сравнению с ультрабедными) на основные характеристики сверхадиабатических волн фильтрационного горения газов. Показано, что ультрабогатым смесям свойственны существенно более низкие концентрации радикалов O, OH и H, что является результатом эффективного ингибирования атомарного водорода, участвующего в реакции разветвления цепей H + O₂ = OH + O, метаном в реакции H+CH₄ = CH₃+H₂. Поэтому для богатых составов характерно увеличение зоны предварительного подогрева и заметное уширение области тепловыделения. Снижение генерации основных радикалов в ультрабогатых смесях приводит к росту максимальной температуры каркаса на ≈ 300 ÷ 350 К и к существенному увеличению скорости распространения фронта волны по сравнению с ультрабедными составами.

Исследовано качество высокоэнтальпийного потока воздуха применительно к моделированию натурных параметров потока при изучении сверхзвукового горения. Показано, что используемый в экспериментах плазмотрон с газовихревой стабилизацией дуги способен в широком диапазоне давлений и температур обеспечивать уровень удельной эрозии электродов 10^-7 ÷ 10^-9 кг/Кл и концентрацию окиси азота менее 0,06%, что практически не влияет на структуру течения и основные характеристики процесса воспламенения и горения.

Исследуется устойчивость спонтанной вихревой структуры, образующейся при горении газа, вдуваемого через круглое отверстие в плоской горизонтальной пластине на ее нижнюю поверхность. Экспериментально и численно изучены нестационарные поля скорости, ротора скорости, температуры и давления в вихревой структуре. Установлено, что в диапазоне чисел Рейнольдса Re ≈ 10 ÷ 75 и Рэлея Ra ≈ 10³ ÷ 10⁴ вихревая структура устойчива к одиночным возмущениям скорости, а при наложении акустических колебаний с частотой 100 ÷ 150 Гц она перестраивается. Мелкие ячейки, размеры которых сравнимы с толщиной фронта пламени, разрушаются, а скорость вихревого движения газа в крупных ячейках изменяется с частотой вынуждающих колебаний. Амплитуда колебаний линейной скорости частиц газа в вихре больше амплитуды колебаний скорости газа в сопле горелки. Предполагается, что рост амплитуды колебаний скорости газа в вихре связан с ускорением продуктов горения в поле сил тяжести и их тепловым расширением. Обнаружено запаздывание колебаний скорости газа в вихревой структуре на четверть периода относительно колебаний расхода газа.

Предложена двухтемпературная математическая модель стационарного процесса фильтрационного горения, учитывающая конечную длину реактора и зависимость теплоемкостей фаз от температуры и состава. Модель описывает процесс газификации твердого горючего в фильтрационном режиме. Представлены результаты расчетов для реакции газификации смеси углерод — инертный компонент. Определен интервал значений доли горючего компонента, в котором не реализуется ни чисто нормальная, ни чисто инверсная волна (для этого интервала предложен подход переходной волны). Показана конечность температуры горения во всем интервале доли горючего компонента.

На примере составов Ni + 13 мас.% Al и Ni + 45 мас. % Ti проведено изучение причин, приводящих к переходу от взаимодействия реагентов с участием жидкой фазы в обычных порошковых СВС-смесях к твердофазному режиму горения после предварительной активации этих же смесей в энергонапряженной планетарной шаровой мельнице. Определены зависимости скорости и температуры горения от продолжительности и режимов механической активации. Установлено, что реализация твердофазного СВС обусловлена образованием из порошковой смеси «слоистых композитов», в которых идет измельчение реагентов до ультрадисперсных размеров, многократно увеличивается площадь их контакта и создается высокая концентрация неравновесных дефектов. Тепловыделение в активированных образцах происходит в несколько стадий и при более низкой температуре, чем в порошковой смеси.

Исследовано влияние режимов механической активации в планетарной шаровой мельнице составов Ni + 13 мас. % Al и Ni + 45 мас. % Ti на основные параметры СВС-процессов и состав продуктов горения. По результатам экспериментов при повышенных начальных температурах сделан вывод о том, что в результате обратной закалки созданные с помощью механической активации дефекты не успевают отжигаться в зоне прогрева и сохраняются в образце до начала химического взаимодействия в ведущей зоне волны СВС. Проведено in situ исследование процесса отжига активированных образцов в просвечивающем электронном микроскопе и на дифрактометре синхротронного излучения. С помощью калориметрических исследований оценена энергия, запасенная в образцах в результате механической активации.

Предложена новая экспериментальная методика исследования механизма перехода от квазигомогенного горения к гетерогенному — горение пружины с изменяющимся шагом. В зависимости от шага пружины, скрученной из циркониевой проволоки, способной самостоятельно гореть в воздухе, возможны два режима горения. Квазигомогенный (послойный) режим горения реализуется при малом шаге витков пружины, при увеличении шага пружины горение переходит в гетерогенный (псевдоспиновый режим горения). Исследованы условия осуществления различных режимов горения в зависимости от диаметра и шага пружины.

Выполнен анализ опубликованных исследований структурно-фазовых изменений в порошковых металлических системах Сu–Al, Ni–Al в процессе горения ( in situ). Выявлены теплозащитные функции различных структурных образований вокруг реакционных ячеек в зонах волны горения. Развиты представления о механизме обеспечения условий горения, близких к адиабатическим. Представлена микроструктурная модель механизма обеспечения условий горения, близких к адиабатическим, дано обоснование правомочности модели.

В линейном приближении теории Зельдовича — Новожилова найдена аналитическая связь между функцией отклика на гармонически меняющееся давление, определенной при некоторой начальной температуре, и функцией отклика на осциллирующий радиационный тепловой поток, найденной при том же давлении, но другой, меньшей, начальной температуре. Разность начальных температур удовлетворяет условию равенства стационарных скоростей горения в отсутствие и при наличии радиационного потока и прямо пропорциональна ему.

Путем сопоставления экспериментальных результатов по устойчивому зажиганию и горению исходных образцов, составляющих огневую цепь пиротехнического заряда, определены критические условия перехода волны горения через поверхность контакта соседних прессовок составного заряда. Методика опробована на 20 зарядах, представляющих собой различные варианты пяти прессовок из пироксилина, дымного ружейного пороха и трех видов пиротехнических смесей. Определены минимальные размеры выступа на поверхности контакта, наличие которого способствует распространению волны горения по всему заряду.

Представлены результаты экспериментальных исследований расширяющейся многофронтовой детонационной волны, в которых обнаружены две стадии спонтанного образования новых возмущений и поперечных волн на расширяющемся фронте детонационной волны. Обсуждены основные механизмы реинициирования детонационных волн. Проведено двумерное численное моделирование динамики многофронтовой детонационной волны в линейно расширяющемся канале. Эффект спонтанного образования новых возмущений и новых поперечных волн подтвержден расчетами, причем основным механизмом размножения поперечных волн является неустойчивость участков фронта детонационной волны при их выходе из пересжатого состояния и ослаблении при своем расширении.

С использованием шлирен-киносъемки в пропанокислородной смеси исследован процесс перехода волны горения в резко расширяющуюся часть плоского канала, в которой сформировалась квазистационарная сверхзвуковая недорасширенная струя несгоревшего газа. Зарегистрированы два режима возбуждения взрыва: сильный и слабый. В первом случае в момент входа фронта пламени в расширение происходит практически мгновенное зарождение детонационной волны, скорость которой вначале приблизительно в 1,5 раза превышает скорость детонации Чепмена — Жуге (D_CJ), а в дальнейшем снижается до значения, соответствующего самоподдерживающейся детонации. Во втором случае скорость фронта постепенно возрастает от ≈ 0,4 D_CJ до ≈ 1,0 D_CJ. Установлено, что стартовый импульс, инициирующий процесс трансформации турбулентного режима горения во взрывные и детонационные, создается при взаимодействии фронта пламени с волнами разрежения, являющимися элементами структуры начального участка струи.

Предложен метод расчета термодинамических параметров органического вещества, сжатого ударной волной в области, для которой невозможно независимое построение изоэнтроп из-за отсутствия соответствующих исходных значений энтропии. Метод основан на том, что в пространстве, где на известном массиве исходных термодинамических величин с помощью ударно-волновых экспериментов без разрывов и изломов определены зависимости скорости волны, давления и внутренней энергии от массовой скорости в каждой точке пространства, возможно однозначное вычисление всех термодинамических параметров состояния без введения дополнительной информации. Параметр Грюнайзена и скорость звука находятся дифференцированием семейства ударных адиабат, полученных при разной начальной температуре, теплоемкость, температура и энтропия — интегрированием вдоль ударной адиабаты в координатах «массовая скорость — температура», причем массовая скорость рассматривается как независимая переменная, такая же, как классические параметры состояния (давление, температура, удельный объем и др.). Метод применен для термодинамического описания ударно-сжатого нитрометана.

Впервые экспериментально определена теплопроводность взрывных компактов, полученных из смеси порошков меди и молибдена. Измерения проведены с помощью кoмпаратора-измерителя теплопроводности КТ-6, разработанного в Сибирском государственном НИИ метрологии. Показано, что теплопроводность взрывных компактов зависит от содержания компонентов исходной смеси порошков и значительно возрастает после трехчасовой выдержки в вакуумной печи при температуре 900°С. Разработан способ получения взрывным компактированием цилиндрических образцов диаметром 30 мм с однородными свойствами без особенности в центральной зоне.

Установлено, что в условиях высокоскоростного осесимметричного нагружения монокристаллов методом взрывного коллапса полого толстостенного цилиндра в процесс деформирования включаются все активные плотноупакованные системы скольжения. Пространственное положение макроскопических очагов локализации деформации определяется кристаллографией действующих систем в монокристаллических образцах. Установленное соответствие наблюдаемых полос сдвига в микроструктуре монокристалла меди активным системам скольжения {111} (110)ГЦК-кристаллов и симметрия в их расположении свидетельствуют о том, что процессы деформирования при скоростях деформации ≈ 5 · 10⁴ с^-1 происходят в соответствии с кристаллической природой материала.

Проведено изучение эффекта рыхления с помощью решения упрощенных задач о схождении и движении наружу сферического слоя, а также путем экспериментального исследования плоского движения вещества, испытывающего сдвиговые деформации. Получено выражение для функции рыхления, позволяющее описывать изменение плотности в диапазоне 1,67<ρ<2,3 г/см³ при сдвиговых деформациях в условиях постоянного давления.