Главная – Журналы – Физика горения и взрыва 2007 номер 3

Представлены результаты экспериментального исследования горения водорода в сверхзвуковом высокоэнтальпийном воздушном потоке в осесимметричных каналах постоянного и переменного сечения. Исследованы условия перестройки течения при организации теплоподвода в каналах различной геометрии. Показано, что при газодинамическом воздействии достигается устойчивое самовоспламенение и появляется возможность управления горением в расширяющихся каналах специального профиля.

Представлены результаты измерений и расчета скорости распространения пропано- и метановоздушных пламен различного состава без добавки и с добавкой 600 ppm триметилфосфата при атмосферном давлении. Скорость распространения пламен определялась методом нулевого потока тепла в горелку, позволяющего стабилизировать пламя на плоской горелке в условиях, близких к адиабатическим. Результаты эксперимента сопоставлены с результатами расчета скорости распространения пламен с помощью программ PREMIX и CHEMKIN с использованием механизма Вестбрука деструкции триметилфосфата и механизма Курана окисления углеводородов. При моделировании метановоздушного пламени также использовался механизм GRI 3.0.

С использованием метода прямого численного моделирования (DNS — direct numerical simulation) разработана база данных для расчета турбулентных пламен смесей сжимаемых неперемешанных газов пиролиза древесины. Для моделирования горения смеси пиролизного газа и воздуха использовался редуцированный кинетический механизм. Исследовалось уравнение эволюции мгновенной поверхностной плотности пламени, основанное на понятии относительной скорости. Нормальная составляющая этой скорости почти постоянна относительно кривизны, в то время как составляющая, связанная с кривизной, стремится привести фронт пламени к плоской форме. Скорость деформации служит основным источником растяжения пламени. Нормальная составляющая ответственна как за положительный, так и за отрицательный вклад в площадь пламени. А составляющая, связанная с кривизной, является прежде всего стоком, поскольку в нем преобладает эффект кривизны. Влияние деформации и кривизны анализируется путем рассмотрения их корреляций со скоростями реакций. Скорости реакций растут с увеличением положительных скоростей деформации вследствие увеличения площади поверхности пламени, а также с уменьшением кривизны. Проанализированные результаты полезны при разработке моделей турбулентного горения. Наконец, предложена и рассмотрена новая модель для средней вариации скалярной скорости диссипации, основанная на подходе скалярного подобия. Сравнение с результатами прямого численного моделирования показывает, что предложенная модель обеспечивает значительное улучшение по сравнению с существующими моделями.

Исследована структура фильтрационного фронта горения с двумя зонами реакции, разделенными слоем инертного газа, сосредоточенность которого во фронте обусловлена особенностями структуры фронта. Продемонстрирован процесс инициирования фильтрационного фронта горения с указанной структурой, и рассмотрена его квазистационарная динамика. Изучена возможность использования данной структуры фронта в реакторе вытеснения с пористой средой, движущейся со скоростью горения. Приведено приближенное аналитическое описание полей температуры, давления и концентрации реагентов в стационарном режиме работы реактора. Обсуждаются возможности использования данного реактора в процессах высокотемпературного синтеза.

Обсуждены методики расчета задержки воспламенения (времени индукции) горючих систем, содержащих несколько индивидуальных топливных компонентов. Предложен способ модернизации уравнения Аррениуса для многотопливных смесей, позволяющий улучшить соответствие расчетных и экспериментальных данных. Предлагаемый способ проанализирован на двухтопливных системах, представляющих смесь оксида углерода с воздухом, к которой в качестве второго топлива добавляется водород, ацетилен, этилен или гексан.

Существующие модели эрозионного горения гомогенных энергетических материалов не учитывают возможность радикального изменения режима горения под влиянием обдува горящей поверхности горячим газом. Речь идет о переходе от <режима газификации> при очень высоких скоростях обдува (когда скорость горения определяется в основном теплоподводом из ядра потока) к <режиму саморазогрева конденсированной фазы> при малой или нулевой скорости обдува, когда в конденсированной фазе выделяется количество тепла, достаточное для нагрева ее до температуры поверхности. Предлагается возможный путь решения проблемы. Предложенный подход позволил также дать правдоподобное объяснение известной из опытов специфической (с изломом) зависимости величины эффекта <отрицательной эрозии> от начальной температуры.

На примере модельных систем с известной кинетикой элементарных реакций (CH₃NO₂ и HN₃) установлены температурные интервалы, в которых лимитирующими являются либо реакция первоначального эндотермического распада исходного вещества, либо последующие вторичные реакции. Для того чтобы установить кинетические параметры и природу ведущих реакций, определяющих процессы в газовых пламенах нитросоединений, моделировалось тепловыделение в реакциях NO₂, NO и N₂O с различными горючими, такими как CH₂O, CO, H₂ и HCN. Показано, что энергия активации реакции тепловыделения, обусловленной взаимодействием NO₂ с углеводородным горючим (что характерно для первого пламени нитросоединений), в зависимости от типа горючего находится в интервале 29÷33 ккал/моль. Энергия активации ведущего тепловыделяющего процесса, обусловленного раскислением NO и N₂O (что типично для второго пламени нитросоединений) согласно проведеным расчетам составляет 43÷58 ккал/моль. При высоких давлениях, когда пламена сливаются, кинетические параметры тепловыделения определяются реакциями наиболее реакционноспособного оксида азота NO₂.

Приведены экспериментальные значения скоростей горения при вариации давления и начальной температуры и показана идентичность законов газификации в волне для гексогена и октогена. Найдены дифференциальные параметры (чувствительности) скорости горения и температуры поверхности, по которым рассчитаны функции отклика скорости горения на пульсации давления. Расчет проведен как с учетом плавления к-фазы, так и без него. Показано, что учет плавления снижает амплитуду реальной части функций отклика, а толщина расплавленного слоя не оказывает существенного влияния на функции отклика. Приведены ошибки вычисления функций отклика. Результаты расчета функций отклика сопоставлены с экспериментальными данными.

При давлениях 0.15 и 4.6 МПа исследованы характеристики горения топлив, содержащих ПХА, октоген, энергетическое связующее и частицы алюминия с различными полимерными покрытиями. Установлено, что покрытия влияют на скорость горения, распределение частиц конденсированных продуктов горения по размерам, полноту сгорания алюминия. Показана возможность снижения агломерации путем использования алюминия с фторсодержащими покрытиями. Применение некоторых покрытий приводит к уменьшению массы агломератов при незначительном увеличении их размера. Наибольший эффект достигнут при использовании алюминия с покрытием (CH₂ = CН — CH₂ — O)₂Si[OCH₂(CF₂ — CF₂)₂H]₂ — бис-(аллилокси)-бис-(2,2,3,3,4,4,5,5-октафторпентилокси)силан. Для этого покрытия также зарегистрировано уменьшение размера оксидных частиц микронного диапазона размеров.

В системах, наполненных инертными добавками, горение нитрата целлюлозы (НЦ) протекает в беспламенном низкотемпературном режиме с малой линейной скоростью. При нормальной температуре показатель степени в законе горения НЦ в балластированных смесях в интервале давлений 0.1÷10 МПа в несколько раз ниже, чем в случае чистого НЦ, и составляет 0.23. Установлен качественный и количественный состав газообразных продуктов беспламенного превращения НЦ. Отмечено, что он примерно соответствует литературным данным для продуктов термического разложения НЦ при относительно низких температурах. Исходя из этого, а также из факта слабой зависимости скорости горения НЦ от давления в балластированных системах высказано предположение, что процесс в данных условиях контролируется превращением энергетического компонента преимущественно в конденсированной фазе. Показано, что в случае композита на основе НЦ, карбида кремния и полимерного связующего для образцов диаметром 10÷25 мм наличие бронировки практически не сказывается на параметрах горения. Горение этой же смеси при меньших диаметрах небронированных образцов происходит в неустойчивом режиме. Наличие бронировки приводит к четкому проявлению критического диаметра горения в исследованных системах.

На примере гетерогенной системы Ti + C + 20 % TiC изучена динамика роста высоты прессованных образцов при горении в условиях воздействия на торцы образцов сжимающего усилия постоянной величины. Получено, что в исследованном диапазоне сжимающих усилий 0.1÷2 кг/см² рост высоты горящих образцов во времени подчиняется линейному закону, причем при воздействии сжимающего усилия ≈0.1 кг/см² рост высоты образца составляет ≈100%, а при воздействии усилия ≈2 кг/см² — около 25%. При этом использованный метод измерения динамики роста высоты образцов при горении оказался полезным инструментом для экспериментального определения как времени горения образцов, так и времени задержки передачи горения через преграду.

Впервые в управляемом режиме раздельной подачи топлива водород — воздух в плоскорадиальную вихревую камеру осуществлены режимы самовоспламенения образующейся топливной смеси с быстрым (0.2 мс) переходом в детонацию. Самовоспламенение возникает в области стехиометрии с небольшим (до 6÷30%) обогащением смеси водородом и, как правило, в дозвуковом потоке. Определены энергии гарантированного инициирования детонации для камер различной геометрии с различным соотношением топливных компонентов путем использования теплового импульса при пережигании проволочки электрическим током. Гарантированное возбуждение детонации реализуется энергией 0.1 Дж. Выяснено, что основной вклад энергии в поток смеси происходит на стадии испарения (ионизации) меди пережигаемой проволочки. Обнаружено затухание непрерывного спинового детонационного режима при уменьшении выходного сечения камеры. В режиме горения, как детонационного, так и обычного турбулентного, давление на периферии вихревой плоскорадиальной камеры уменьшается, а у выхода из отверстия увеличивается по сравнению с режимом истечения холодных топливных компонентов.

Приводятся описание методики и результаты применения скоростной рентгеновской томографии для восстановления распределения плотности продуктов детонации конденсированных взрывчатых веществ по данным измерений, проводимых с помощью синхротронного излучения. Данные, полученные для цилиндрического заряда диаметром 12.5 мм из прессованного тротила плотностью 1.6 г/см³, сравниваются с результатами решения соответствующей газодинамической задачи о стационарной детонации. Установлено качественное и удовлетворительное количественное согласие экспериментальных и расчетных результатов. Анализируются особенности использованной методики и полученного распределения. Указывается, что методика в целом и полученные результаты могут быть использованы для тестирования, уточнения известных и построения новых уравнений состояния продуктов детонации.

Приведены результаты экспериментальных исследований методом импульсной рентгенографии процесса столкновения ударных и детонационных волн во взрывчатом веществе на основе октогена. По рентгеноснимкам определены характерные особенности процесса взаимодействия волн, выявлены качественные отличия процессов формирования и развития детонации во взрывчатом веществе, предварительно сжатом слабой ударной волной, и в невозмущенном взрывчатом веществе.