Главная – Журналы – Физика горения и взрыва 2005 номер 6

Рассмотрены особенности воспламенения и горения газовзвесей. Показано, что способность этих систем к накоплению тепла определяется не только их кинетическими и теплофизическими свойствами, но и соотношением между их реакционной поверхностью и поверхностью теплоотвода (f). С использованием параметра f обработана экспериментальная информация о температурах и временах задержки воспламенения и о распространении пламени по газовзвесям, подтвержден тезис о стимулирующей роли развитой реакционной поверхности в активизации этих процессов. Показано, что при объемном горении диффузионный режим горения частиц реализуется только при относительно малых значениях f. Противоположное влияние параметра f на процессы воспламенения и горения определяет необходимость оптимизации дисперсности и концентрации горючего для эффективной работы энергетических устройств. Проанализирована роль макропараметров двухфазных пламен тугоплавких металлов при синтезе нанопродуктов горения.

Представлена двумерная нестационарная численная модель горения алюминиевой частицы, учитывающая процессы диффузии, испарения и кинетики химических реакций. Модель основана на решении уравнений сохранения с учетом образования и расходования компонентов. Кинетический механизм включает 15 реакций. Две основные особенности процесса горения частицы алюминия, отличающие его от процесса горения углеводородной капли: образование конденсированного оксида алюминия и последующее частичное осаждение его на частице — рассматриваются в соответствующих субмоделях. В модели учитываются искажения полей концентраций и температур вокруг частицы, обусловленные наличием оксидного колпачка. Проведено сравнение результатов расчетов по модели, в том числе двумерных профилей температуры и концентрации компонентов, с экспериментальными данными. Для рассматриваемых окислителей (O₂, CO₂ и H₂O) и условий процесс горения приближенно соответствует диффузионно контролируемому. Показано, что толщина и местоположение зоны пламени меняются в зависимости от природы окислителя. По модельным расчетам величина показателя степени при диаметре в выражении для времени горения не постоянна и меняется от &8776;1.2 для малых диаметров частиц до &8776;1.9 для больших диаметров. Скорость частицы колеблется вследствие осаждения оксида алюминия на поверхности частицы. Для некоторых окислителей проанализировано влияние давления.

Представлен критический обзор современных работ по механизмам генерации внутренних и воздействия внешних электромагнитных полей на самораспространяющийся высокотемпературный синтез гетерогенных систем. Генерация внутреннего электромагнитного поля обусловлена различной скоростью диффузии заряженных дефектов через слой растущего продукта в условиях сильной неравновесности протекающих реакций. Возможное возникновение остаточных магнитных полей при этом связано с ориентацией магнитных доменов в возникающем внутреннем тепловом и электромагнитном поле волны синтеза. Внешнее электромагнитное воздействие характеризуется факторами теплового, магнито- и электродинамического и кинетического влияния. Тепловое влияние обусловлено джоулевым эффектом, электро- и магнитодинамическое — электромиграцией, магнитным сжатием и изменением электропроводности конденсированной фазы, эффектом ионного ветра в газе пор. Фактор кинетического влияния вызван генерацией сверхравновесных носителей заряда в конденсированных частицах (дефектов) и эмиссией высокоэнергетических электронов в окружающий частицы газ.

Проведен обзор работ по термическому разложению и горению динитрамида аммония (ADN). В широком диапазоне внешних условий анализируются основные термические свойства и механизмы химических реакций в газовой и конденсированной фазах. Детально обсуждены структура волны горения и характеристики скорости горения. Выявлены специфические особенности горения ADN, и проведено сравнение с аналогичными свойствами других энергетических материалов. В частности, изучено влияние различных процессов в конденсированной и газовой фазах на чувствительность скорости горения по давлению и температуре. В конденсированной фазе разложение происходит по механизмам ADN → NH₄NO₃+N₂O и ADN → NH₃+HNO₃+N₂O, где первый из перечисленных является основным. В газовой фазе преобладают механизмы ADN → NH₃+HDN и ADN → NH₃+HNO3+N2O. Структура волны горения в газовой фазе в диапазоне давлений 5 ÷ 20 атм включает в себя приповерхностную первичную зону пламени, темную зону при температуре 600 ÷1000 °С и зону вторичного пламени с последующей темной зоной при 1000 ÷1400 °С. При более высоких давлениях (60 атм и выше) наблюдается конечное пламя при температуре 1800 °С без температурных плато в темных зонах. Горение ADN устойчиво в диапазоне давлений 5 ÷ 20 атм, и скорость горения зависит от давления по закону r_b = 20.72 p^0.604 [мм/с] (p = 0.5 ÷ 2.0 МПа). Характеристики горения определяются экзотермическими реакциями в конденсированной фазе. При давлениях свыше 100 атм скорость горения следует закону r_b = 8.50 p^0.608 [мм/с] (p = 10 ÷ 36 МПа). Горение устойчивое, и скорость горения определяется интенсивным теплоприходом из газовой фазы. В диапазоне 20 ÷100 атм зависимость скорости горения от давления носит нерегулярный характер. Наблюдаемая нестабильность горения может быть приписана конкурирующему влиянию экзотермических реакций в конденсированной и газовой фазах на процессы на поверхности горения и результирующую скорость горения.

Проведено тестирование и сравнение эффективности ряда наноразмерных алюминиевых порошков с целью оценки возможности их применения в твердотопливных ракетных двигателях. Свойства порошков исследованы методами БЭТ, электронной микроскопии, рентгенодифракционного анализа и рентгеновского фотоэлектронного спектроскопического анализа. Определены параметры внутренней баллистики, и исследован механизм горения нескольких топливных композиций. С помощью высокоскоростной цветной видеосъемки высокого разрешения изучены явления агрегации и агломерации частиц металла на поверхности горения и вблизи нее. Все использованные нанопорошки произведены в России; изучение их физических свойств проведено в Институте Ж. Донегани (Новара, Италия); измерения баллистических параметров выполнены в лаборатории горения твердых топлив (SPLab) Миланского политехнического университета (Милан, Италия), для сравнения использованы промышленные твердые топлива на основе перхлората аммония. Результаты, полученные при широкой вари ции внешних условий, показывают, что с увеличением массовой доли наноалюминия или с уменьшением его размера скорость горения существенно возрастает при сохранении барического показателя в зависимости скорости горения от давления. Для топлив с выраженной агломерацией ее интенсивность может быть понижена посредством использования наноалюминия вместо алюминия микронного размера.

Дан обзор экспериментальных исследований горения слоевых топлив, состоящих из твердого окислителя (в основном, перхлората аммония) и углеводородного горючего. Приведено подробное описание слоевых систем, являющихся упрощенной моделью гетерогенных топлив, а также обоснование интереса к изучению таких систем. Проанализирована эволюция знаний о горении слоевых систем. Рассмотрены экспериментальные методы, используемые для количественного и качественного изучения конденсированной фазы, структуры поверхности, структуры пламени в газовой фазе, скорости горения, концентраций продуктов горения и распределений температуры. В результате этих исследований получено большое количество экспериментальных данных, которые могут быть использованы для обоснования и проверки численных и аналитических моделей.

В обзоре представлен итог многолетнего теоретического изучения процесса горения газифицирующихся конденсированных систем при периодически меняющемся давлении. В большинстве случаев результаты получены в рамках теории Зельдовича — Новожилова. Обсуждаются основные свойства линейной функции отклика скорости горения на гармонически меняющееся давление. Введено понятие нелинейных функций отклика, которое проиллюстрировано явным видом ряда функций отклика второго порядка. Описано новое явление — бифуркации функций отклика при изменении амплитуды или частоты колебаний давления. Для простейшей модели пороха, содержащей лишь три параметра, исследована последовательность бифуркаций удвоения периода колебаний скорости горения, которая в конечном счете приводит к хаотическому режиму горения. Указано на аналитическую связь между линейными функциями отклика на гармонически меняющееся давление и на осциллирующий радиационный тепловой поток. Приведен пример вычисления функции отклика при учете тепловой инерционности газовой фазы.

Проведен обзор работ, опубликованных в последние годы по сажеобразованию при горении углеводородов: феноменология, кинетика и механизм сажеобразования; рассмотрено влияние различных факторов на образование полициклических ароматических углеводородов, фуллеренов и сажи, а также низкотемпературное холоднопламенное сажеобразование, горение в электрическом поле и парамагнетизм частиц сажи с точки зрения экологии.

Для определения динамических параметров детонации (пределов распространения, энергии прямого инициирования, критического диаметра трубы и т. д.) требуется знание характерного масштаба длины для детонационной волны в направлении ее распространения. Однако большинство процессов детонации неустойчивы, течение в зоне реакции турбулентное и структура потока значительно отличается от идеализированной одномерной модели Зельдовича — Неймана — Дёринга. Показано, что наиболее подходящим масштабом длины для турбулентной детонационной волны является расположение звуковой поверхности, которая отделяет статистически стационарный поток структуры зоны реакции от нестационарного расширения позади волны. Проанализированы предшествующие физические и численные эксперименты с целью определения соотношения между положением средней звуковой поверхности и химическими, механическими и термодинамическими процессами релаксации в детонационной волне. Анализ экспериментальных данных показал, что возможно моделирование структуры турбулентных детонаций в одномерной постановке Зельдовича — Неймана — Дёринга с учетом влияния турбулентности через источниковые члены в уравнениях энергии и импульса. Источниковые члены включают скорости релаксации механических и тепловых флуктуаций и тепловыделения при стремлении системы к равновесию. В рамках идеализированной одномерной структуры с источниковыми членами положение звуковой поверхности определяется балансом между конкурирующими источниковыми членами, удовлетворяющими обобщенному критерию Чепмена — Жуге. Рекомендуется будущие исследования детонации проводить с целью: 1) получения большой экспериментальной базы данных о средних параметрах детонации (скорость детонации, положение звуковой поверхности и средних профилей параметров в зоне реакции), 2) развития (уточнения) соответствующих источниковых членов, учитывающих турбулентные пульсации в осредненных уравнениях движения.

Ударно-волновое инициирование — одно из важнейших свойств энергетических материалов, которые должны детонировать точно, как предполагается, при преднамеренном ударном нагружении и не должны детонировать при случайном ударном нагружении. Развитие техники манганиновых датчиков, помещенных внутри заряда взрывчатого вещества и регистрирующих рост давления под действием ударного импульса, значительно расширило информацию о таких реагирующих потоках. Эти экспериментальные данные вместе с аналогичными записями электромагнитных датчиков массовой скорости дали нам возможность сформулировать модель ударно-волнового инициирования «Ignition and Growth» и детонации в гидродинамических компьютерных кодах для предсказания тех сценариев ударного инициирования, которые нельзя проверить экспериментально. Важная проблема при ударном инициировании — это изменение чувствительности твердых взрывчатых веществ при их нагревании (или охлаждении). Представлены экспериментальные записи давления, полученные при помощи манганиновых датчиков, и соответствующие расчеты по модели «Ignition and Growth» для двух твердых взрывчатых веществ — LX-17 (массовое содержание — 92.5% триаминотринитробензола и 7.5% связующего Kel-F) и LX-04 (85% октагидро-1,3,5,7-тетранитро-1,3,5,7-тетразина (октогена) и 15% связующего Viton) при различных начальных температурах.

Приведены результаты экспериментальных исследований динамики структуры жидких образцов в интервале изменения вязкости 0.001 ÷ 2.6 Па · с при их разрушении в результате динамической декомпрессии. Исследование процесса разрушения жидких смесей, а также жидкостей, насыщенных углекислым газом, показало, что практически во всем указанном диапазоне значений вязкости развитие процесса разрушения идет по комбинационному механизму: развитие пузырьковой кавитации, формирование системы крупных пузырьковых кластеров и газовых снарядов в них в результате коалесценции пузырьков. При этом структура течения заметно меняется: развивается разрывное течение с расслоением потока по вертикали, делением на струи при их последующем разрушении на капли. Обсуждается вероятность наличия кристаллических кластеров в магме и их влияние на структуру течения типа «кавитирующая магма — кристаллические кластеры».