Главная – Журналы – Физика горения и взрыва 2007 номер 2

В рамках численного моделирования распространения плоского ламинарного гомогенного газового пламени показано, что в пламени водорода с воздухом быстрый рост концентрации радикала OH начинается в области низких температур и его профиль имеет два максимума. Первый максимум в низкотемпературной области фронта связан с диффузией атома H, образованием радикала HO₂ и реакцией квадратичного разветвления H + HO₂ → OH + OH. Второй максимум в профиле OH обусловлен классическими реакциями высокотемпературного разветвления H + O₂ → OH + O и O + H₂ → OH + H.

Экспериментально и теоретически исследован процесс инициирования горения вкислородно-водородной смеси пучком электронов с энергией ≈10 кэВ и средним поперечным размером ≈10 см. Начальное давление смеси 500 Па. За протеканием реакции наблюдали посредством регистрации временной зависимости интенсивности свечения в линиях молекулярного (λ =310 нм) и атомарного водорода, дублета натрия (λ = 589 нм). Расчеты проведены на основе разработанной полуэмпирической модели в трехтемпературном (T₀,T_e,T_v) приближении. Времена индукции и горения, определяемые в эксперименте и расчетах, хорошо согласуются друг с другом.

Определены концентрационные пределы распространения пламени смесей NH₃/NF₃/воздух, СCl₃H/NF₃/воздух, СCl₄/NF₃/воздух, CF₂ClCCl₂H/NF₃ и С₈F₁₆/NF₃. Определены температуры самовоспламенения смесей СCl/NF$, СCl$/NF$, CF₂ClCCl₂H/NF₃ и С₈F₁₆/NF₃ при атмосферном давлении. Исследован характер взаимодействия аммиака и фтора в зависимости от скорости натекания аммиака в смесь фтора с воздухом.

Ингибирование ламинарных атмосферных пламен метан/кислород различного состава триметилфосфатом изучалось экспериментально и путем численного моделирования с использованием механизмов на основе детальной кинетики. Измерены и рассчитаны профили концентраций H и OH в пламенах без добавок и с добавкой триметилфосфата. Показано, что добавка ингибитора снижает максимальные (в зоне реакций) концентрации Н и ОН в бедном и богатом пламенах. Уменьшение концентраций больше в богатом, чем в бедном пламени. Измерены и рассчитаны профили концентраций фосфорсодержащих продуктов PO, PO₂, HOPO, HOPO₂ и (HO)₃PO в бедном и богатом пламенах, стабилизированных на плоской горелке. Тестирование ранее разработанной модели ингибирования пламен соединениями фосфора показало, что модель с удовлетворительной точностью предсказывает многие экспериментальные результаты.

Изучалось разреженное пламя гремучей смеси, горение которой протекает в изотермическом режиме в диффузионной области гетерогенного обрыва цепей. Задача решена путем сильного пространственного разделения мест развития и гибели цепей. Управляя режимом гибели цепей, авторы получили изотермическое горение смеси в диффузионной области и проверили положение теории Н. Н. Семенова, согласно которому протекание цепного взрыва во времени вблизи предела можно описать линейной моделью. Сравнение результатов расчета с опытами позволило обнаружить взаимодействие газ — поверхность с переменной “константой” скорости и выяснить масштаб изменения этой “константы” в процессе одного воспламенения. Установлено, что причина сильных различий кинетических кривых, полученных ранее в разных режимах обрыва цепей на стенке, связана в основном с гетерогенной реакцией взаимодействия цепей, контролирующей процесс в газе в кинетической области и слабо влияющий на этот процесс в диффузионной области обрыва цепей.

Построена математическая модель автоволновых процессов в неподвижном слое катализатора, учитывающая изменение коэффициентов межфазного тепло- и массообмена и теплопроводности слоя в зависимости от текущих значений параметров системы. Методами качественного и численного анализа исследован характер поведения фазовых траекторий динамической системы, и предложена эффективная методика поиска фазовой траектории, соответствующей автоволновому решению задачи. Проведен цикл численных исследований математической модели автоволновых процессов, и изучено влияние параметров системы на технологические характеристики процесса, такие как максимальная температура и скорость распространения волны.

На основе равновесной диаграммы состояния системы Ti—Al разработана модель процессов фазообразования в режиме статического теплового взрыва порошковой смеси при температурах, превышающих температуру плавления легкоплавкого компонента. Построены расчетные диаграммы критических параметров системы для различного соотношения исходных компонентов. Рассчитана динамика движения границ областей гомогенности фаз. Показано, что при соотношении компонентов смеси, соответствующем соединению TiAl, состав конечного продукта синтеза зависит от условий теплообмена системы с окружающей средой, что может дать принципиальную возможность управления процессами фазообразования в указанной системе.

Разработан новый способ получения порошковых нанокомпозитов, состоящих из металлической или интерметаллической матрицы и содержащих в качестве упрочняющей фазы наноразмерные частицы керамической фазы. Данный способ заключается в последовательном проведении следующих процессов: кратковременной механической активации смеси порошковых реагентов в высокоэнергетической планетарной шаровой мельнице, самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, дополнительной механоактивации продуктов синтеза. На примере систем TiB₂—Cu и TiB₂—TiNi исследованы особенности синтеза упрочняющей фазы в матрицах. Определены условия компактирования, позволяющие получать объемные наноструктурные материалы с высокими прочностными характеристиками.

Дан критический обзор проблемы погасания порохов при уменьшении диаметра образца за счет теплоотвода. Приведены также результаты собственных экспериментальных исследований критического диаметра горения. Сопоставление всех экспериментальных данных оказалось особенно наглядным в виде зависимости критического диаметра от скорости горения. Эти зависимости подчиняются степенному закону с показателем степени -1.15 ÷ -1.17. Такому же закону подчиняются зависимости размеров ячеек (очагов), образованных совокупностью поперечных волн на поверхности горения, от скорости горения. Размеры ячеек меньше критического диаметра горения в 2.1 ÷ 2.3 раза. Установлено также, что поперечная волна гаснет, если ее кривизна превышает критическое значение.

Изучено влияние гидроксидов групп IA и IIA на воспламеняемость хлопчатобумажной ткани. Показано, что оптимальное содержание гидроксидов щелочных металлов, необходимое для предотвращения воспламенения ткани, уменьшается с увеличением их молекулярной массы, в то время как для гидроксидов щелочно-земельных металлов наблюдается обратная тенденция. На основе данных термического анализа и с должным учетом существующих теорий подавления воспламенения предложено объяснение полученных результатов.

Экспериментально исследован процесс инициирования пузырьковой детонации в системе “инертная жидкость — пузырьки взрывчатого газа” с помощью детонационной волны в газе. Определены профили давления в волне сжатия в зависимости от длины секции инициирования и начального давления в ней взрывчатой смеси газов. Показано, что из-за влияния объема взрывчатого газа между диафрагмой и верхней границей пузырьковой среды давление во фронте инициирующей волны растет существенно медленней, чем начальное давление. Найдена оптимальная длина секции инициирования, и определены критические (минимальные) давления инициирования в ней и во фронте взрывной волны. Получено, что для фиксированной объемной концентрации газа в пузырьковой среде давление в секции инициирования незначительно возрастает с уменьшением длины секции.

Изложена методика исследования распределения плотности во фронте детонации и его окрестности для конденсированных взрывчатых веществ, основанная на использовании синхротронного излучения. Получены конкретные данные о структуре фронта детонации в тротиле, гексогене и сплаве тротила с гексогеном, сопоставление которых с аналогичными данными других методик подтверждает корректность реализованной методики. Сделан вывод о возможности получения адекватной информации о структуре зоны химической реакции при проведении исследований с зарядами малого диаметра. Вместе с тем показано, что реализуемые в таких зарядах параметры Чепмена—Жуге достаточно далеки от их прогнозируемых значений для безграничной среды. Результаты работы, в том числе и о кривизне фронта детонации в зарядах малого диаметра, дополняют существующие представления об особенностях детонационного превращения в конденсированных взрывчатых веществах.

Рассмотрены методики определения теплоты взрыва взрывчатых веществ (ВВ) с идеальным и неидеальным процессами взрывного разложения. Показано, что теплота взрыва имеет существенное значение для оценки эффективности промышленных ВВ и входит в энергетическое определение работоспособности. Теплота взрыва бризантных ВВ является лишь частью фугасной теплоты взрыва и теплосодержанием газообразных продуктов детонации при их изоэнтропическом расширении из начального состояния до определенной (условиями эксперимента) степени расширения. Термодинамический расчет на основе физически обоснованных уравнений состояния флюидов (газообразных продуктов детонации, находящихся в зоне химических реакций детонационной волны в сверхкритическом состоянии), а также конденсированных фаз наноуглерода (нанографита, наноалмаза и жидкого углерода) позволяет рассчитать теплоту взрыва. Приведены экспериментальные и расчетные значения теплоты взрыва. Термодинамический расчет неприменим к промышленным ВВ ввиду неидеальности детонации. Теплота взрыва промышленных ВВ может быть вычислена по закону Гесса. Теплота взрыва бризантных ВВ не является мерилом мощности. Мощность ВВ характеризуют метательной способностью. Показано, что даже скорость детонации не может характеризовать мощность ВВ. Мощность бризантных ВВ и его параметры детонации определяются плотностью энерговыделения в единице объема зоны химической реакции детонационной волны и мощностью энерговыделения ударного фронта, а не теплотой взрыва, которая не может считаться универсальной характеристикой.

Теория Жуге позволяет оценить скорость детонации по известной ударной адиабате продукта твердофазной химической реакции, инициированной ударной волной. На примере халькогенидов марганца и цинка показано, что полученные оценки близки к экспериментальным значениям скоростей детонации в этих системах.

Проведены расчеты адиабат Гюгонио смесей кварца с алюминием с учетом и без учета химического взаимодействия компонентов за фронтом волны. Показано, что результаты экспериментов при давлении выше 25 ГПа могут быть объяснены не только более быстрым фазовым переходом кварца в стишовит в смеси, но и образованием за фронтом волны оксидов алюминия и кремния.

Ультраплотные ITO (оксид индия с добавкой олова) керамические мишени являются необходимым материалом в производстве оптико-электрических пленок способом распыления. Трудность изготовления мишеней состоит в том, что при высокой температуре ITO-керамика распадается. В данной работе коммерческие нанопорошки ITO-керамики использованы для взрывного компактирования в двух различных сборках и с различными взрывчатыми веществами. Согласно данным эксперимента скорость ударной волны должна быть меньше 4000 м/с, а ударное давление больше 6 и даже 12 ГПа для того, чтобы получить хорошую консолидацию. Образцы быстро спекались при высокой температуре после ударной обработки. С помощью дифференциального термического анализа была определена наиболее подходящая температура спекания ITO-образцов после взрывного компактирования — ≈1000°. Изображения образцов, полученные на сканирующем электронном микроскопе, показали, что ITO-керамика распадалась и сублимировалась при высокой температуре. Измерены оэффициенты расширения: для образцов, спеченных при температуре 1000°, α_l = 7.81 · 10^-6K^-1, при температуре 900° — α_l = 8.8 · 10^-6 K^-1; для коммерческих образцов, полученных горячим изостатическим прессованием, α_l = 6 . 89 ·: 10^-6 K^-1.

Описано взрывное устройство для формирования высокоскоростного фрагмента, позволяющее в полевых условиях имитировать кинетический удар по модели тактической ракеты. Формируемый фрагмент из железа имеет массу около 45 г и скорость 2500 м/с. Для оптимизации параметров формы метаемой оболочки выполнено численное моделирование детонации взрывного устройства и формирования фрагмента с использованием трехмерного метода конечных элементов, реализованного в программе LS-DYNA3D. Для подтверждения результатов предварительного расчета проведены опыты по определению скорости и массы формируемых фрагментов. Для измерения формы и скорости фрагмента использована техника импульсного рентгенографирования. Разработанный генератор фрагментов, формируемых взрывом, может быть использован для проверки эффективности антиракетного оружия. Он также полезен при исследовании стойкости военных сооружений и герметичности строений атомных станций при их ударном поражении.