Главная – Журналы – Физика горения и взрыва 2006 номер 5

Представлены результаты численного моделирования ламинарного водородно-кислородного пламени с добавкой триметилфосфата при различных давлениях и составах горючей смеси. Расчеты проведены с использованием пакета программ PREMIX и CHEMKIN-II. Обнаружены промотирование пламени фосфорсодержащими добавками при субатмосферных давлениях и ингибирование при атмосферном давлении. Кинетический анализ показал, что за оба явления ответственны реакции каталитической рекомбинации. В случае субатмосферных давлений промотирующий эффект и его возрастание с увеличением концентрации добавки связаны с ростом температуры в зоне химических реакций в пламени, вызванным катализом реакций рекомбинации фосфорсодержащими соединениями. С увеличением концентрации добавки растут как скорость реакции разветвления H + O₂ = OH + O, так и скорость реакции обрыва цепей, однако превалирует рост скорости реакции разветвления, вследствие чего увеличивается скорость пламени. В случае пламен при атмосферном давлении, когда температура в зоне реакций близка к адиабатически равновесной, введение добавки приводит к увеличению скорости гибели активных частиц пламени и, как следствие, к падению скорости распространения с увеличением концентрации добавки.

Рассматривается механизм химических превращений в низкотемпературной зоне богатого пропановоздушного пламени. Показано, что при температурах 300 ÷ 700 К протекают интенсивные химические реакции с образованием конечных продуктов и уже при температуре 685 К концентрация воды достигает промежуточного равновесного значения. Определяющую роль в этой зоне фронта играет диффузия атомарного водорода из высокотемпературной зоны, а основными реакциями, приводящими к образованию воды, являются:H + O₂ + M ⇒ HO₂+M, HO₂ + HO₂ ⇒ H₂O₂ + O₂, H₂O₂ (+M) ⇒ 2OH (+M), C₃H₈ + OH ⇒ C₃H₇ + H₂O. Пропан реагирует с активными центрами более эффективно, чем молекулярный водород. Его первичные реакции обусловлены взаимодействием с радикалами ОН и НО₂. Получены аргументы, подтверждающие диффузионно-тепловую природу явления сверхадиабатических температур в пламенах богатых пропановоздушных смесей.

Представлены результаты моделирования структуры пламени HNF. На основе анализа литературных данных по термическому разложению и горению HNF сделан вывод о протекании процесса диссоциативного испарения HNF по каналу HNF_liq → (N₂H₄)_g + (HC(NO₂)₃)_g. При моделировании структуры пламени рассмотрен детальный кинетический механизм, состоящий из 47 компонентов и 283 элементарных реакций. Его составными частями являются механизмы разложения гидразина (N₂H₄)_g и тринитрометана (HC(NO₂)₃)_g (нитроформа, NF_g ), поступающих с поверхности горения по каналу диссоциативного испарения. В процессе моделирования рассмотрены различные каналы разложения NF_g с участием радикалов HC(NO₂)₂, HCNO₂, HC(O)NO₂. Расчеты структуры пламени HNF выполнены при давлениях 0.4, 1 и 5 атм с использованием данных по составам продуктов на поверхности горения, соответствующим развитой реакции в конденсированной фазе и согласованным с химическим составом и энтальпией образования HNF. Как следует из расчетов, газофазная реакция нитроформа с гидразином (и частично с аммиаком) обеспечивает в зоне пламени, прилегающей к поверхности горения, повышение температуры от ее значения на поверхности до ÷ 1300 К. Дальнейший рост температуры в пламени связан с реакцией в смеси H₂O/N₂/N₂O/NH₃/NO/NO₂/HNO₂/CO/CO₂/HCNO/HCN. Результаты расчетов сопоставлены с экспериментальными данными по тепловой и химической структуре пламени HNF.

Измерены скорости горения гексогена и профили температуры в волне при широкой вариации давления и начальной температуры. Найдены параметры волн горения. Показано, что газовая фаза гексогена имеет однозонную структуру. Существует два режима горения гексогена: основной, при p>0.1 МПа, и особый, при p ≤ 0.1 МПа. Получены основные характеристики этих режимов и области волны, главным образом определяющие скорость горения. Оба режима характеризуются широкими зонами реакции в газовой фазе. На горящей поверхности процессы испарения и разложения конденсированной фазы протекают одновременно. Оценена доля термического разложения в реакционном слое этой фазы. Найдены законы газификации (пиролиза) гексогена в волне горения, которые оказались такими же, как и для октогена. Получены распределения скорости тепловыделения в волне горения — в реакционном слое конденсированной фазы и в газовой фазе. Измерена чувствительность скорости горения к начальной температуре.

Дан краткий обзор методов модификации металлического горючего для смесевых твердых топлив, включая нанесение покрытий на частицы алюминия (капсулирование). Сформулированы требования к материалу покрытий. Посредством термодинамических расчетов показано, что некоторые фторсодержащие покрытия понижают содержание конденсированной фазы в продуктах сгорания топлива без уменьшения удельного импульса. Предложена математическая модель воспламенения одиночной капсулированной частицы. Расчетами установлено уменьшение времени воспламенения частицы алюминия с фторсодержащим покрытием.

Установлено, что при взаимодействии компонентов в системе Si—C—N₂ в режиме горения можно получить композит Si₃N₄/SiC с массовым содержанием SiC 5 ÷ 60% и доминирующим содержанием β-модификации нитрида кремния. Выявлено, что путем разбавления исходной смеси конечными продуктами можно повысить долю α-Si₃N₄, однако это приводит к появлению некоторого количества непрореагировавшего кремния в продуктах. Показано, что применение химической активации позволяет в одностадийном режиме получить композит Si₃N₄/SiC с любым содержанием индивидуальных компонентов (от 0 до 100%), а также чистый карбид кремния.

Задача о распространении стационарного фронта превращения в вязкоупругой среде решается методом сращиваемых асимптотических разложений в приближении малых деформаций. Предполагается, что поток тепла удовлетворяет закону Фурье, а компоненты тензоров напряжений и деформаций связаны соотношениями Максвелла, включающими сдвиговый коэффициент вязкости. Найдены температура продуктов и скорость распространения стационарного фронта реакции. Решение задачи получено для предельных случаев малого и большого времени релаксации вязких напряжений. Показано, что в модели существуют различные режимы распространения фронта реакции, как и в связанных моделях твердофазного горения для термоупругого тела, а вязкие напряжения вносят дополнительные особенности.

Выполнены дилатометрические исследования при фронтальном горении в воздушной среде прессованных образцов состава 3Cu—Al. Полученные результаты сопоставлены с данными по структурным превращениям, происходящим в горящих образцах того же состава. Предложен неравновесный механизм процессов, протекающих в горящих и остывающих образцах. Проанализированы причины изменения размеров образцов при их горении.

В сверхзвуковом потоке водородно-воздушной смеси детально исследованы поля газодинамических параметров и химической однородности смеси в различных сечениях канала, а также процессы возбуждения и распространения детонационной волны в направлениях навстречу и вдоль потока. Установлено, что скорость детонационной волны относительно потока смеси отличается от расчетной скорости Чепмена — Жуге для покоящейся смеси: при распространении вверх по потоку скорость волны завышена, а при движении вниз по потоку — занижена. Высказаны некоторые гипотезы о причинах отклонения экспериментальной скорости от расчетной.

Измерены уровни вибраций стенки детонационной камеры кольцевой цилиндрической геометрии проточного типа в области вращения детонационной волны и шумов на расстоянии 1 м. Выяснено, что при непрерывной спиновой детонации смеси водород — воздух они не превышают значений, присущих обычному турбулентному сжиганию в этой камере тех же расходов топлива.

Для ряда порошковых материалов, материалов подложки, размеров стволов установок и составов взрывчатых газовых смесей рассчитаны максимально достижимые прочности адгезии и когезии. Эти данные дают наглядное представление об областях применимости детонационно-газового напыления.

Предлагается физическая модель макрокинетики ударно-волнового инициирования детонации в пластифицированном ТАТБ, основанная на предположении об электронном переносе энергии из горячих точек. Представлены результаты численного моделирования экспериментов по ударно-волновому инициированию детонации LX-17.

Изучался синтез ультрадисперсного оксида алюминия. Рентгенофазовый анализ показал, что при взрыве суспензионных взрывчатых веществ с нулевым кислородным балансом, приготовленных смешением нитрата алюминия, гексогена и карбамида, образуются ультрадисперсные фазы оксида алюминияγ-Al₂O₃, (θ + α)-Al₂O₃ и α-Al₂O₃. Установлено, что наночастицы Al₂O₃ имеют сферическую форму и однородны, а размеры гранул составляют 10 ÷ 30 нм. При помощи уравнения Шеррера вычислен средний размер нанокристаллов ультрадисперсного Al₂O₃. На основе упрощенного подхода рассчитаны температуры взрыва смесевых взрывчатых веществ. Показано, что чем выше температура взрыва, тем больше размер нанокристаллов.

Соударение металлических пластин рассматривается в рамках модели вязкой несжимаемой жидкости. Начало процесса волнообразования эквивалентно при этом начальному этапу возникновения неустойчивости стационарного течения по сценарию Л. Д. Ландау. С целью установления соответствия модели реальному процессу проведена серия экспериментов по симметричному соударению пластин из алюминиевого сплава при одинаковых углах соударения и различных скоростях точки контакта. Показано, что при больших значениях числа Рейнольдса Re, а следовательно, при больших скоростях точки контакта возбуждение волнообразования имеет мягкий характер, при меньших значениях Re существует область метастабильности, где режим возбуждения жесткий, а при еще меньших значениях Re никакое воздействие не приводит к волнообразованию, как это и следует из теории. Таким образом, установлено соответствие модели Ландау появления неустойчивости стационарного течения жидкости процессу возникновения волнообразования при соударении металлических пластин под углом.

Проведены испытания трех многослойных камер, изготовленных из одних и тех же материалов, имеющих одинаковые размеры, но отличающихся углами намотки стальных лент. Исследовались динамический отклик и характеристики разрушения камер при взрыве заряда ТНТ, размещенного в центре полости. Все камеры были разрушены вблизи места расположения заряда взрывчатого вещества. Как показали результаты экспериментов, камера с меньшим углом намотки лент лучше выдерживает внутренний взрыв. При этом в продольном направлении стальных лент существуют в основном растягивающие напряжения, а в поперечном — сжимающие.