Главная – Журналы – Физика горения и взрыва 2007 номер 5

Методом меченых атомов в численном моделировании процесса распространения пламени показано, что в пламени богатых смесей водорода, метана и воздуха имеет место селективное окисление исходного молекулярного водорода. Образование в продуктах сгорания сверхравновесных концентраций воды из исходного молекулярного водорода и водорода, образующегося в зоне реакции из метана, приводит к сверхадиабатическим температурам рассматриваемых пламен.

Экспериментально методом молекулярно-пучковой масс-спектрометрии (МПМС) и методом микротермопар исследована химическая и тепловая структура стабилизированного на горелке Маха — Хебра пламени предварительно перемешанной богатой горючей смеси СH₄/O₂/N₂ с добавками паров трифенилфосфиноксида ((C₆H₅)₃PO), гексабромциклододекана (C₁₂H₁₈Br₆), а также бромистого этила (C₂H₅Br). Определены профили концентраций стабильных соединений, активных частиц, включая атомы и свободные радикалы, а также профили температуры в пламени при давлении 1 атм. Сопоставление экспериментальных данных и результатов моделирования по структуре пламени показали применимость метода МПМС для исследования структуры пламен, стабилизированных на горелке Маха — Хебра, в близких к адиабатическим условиях. Оценена относительная эффективность ингибирования пламени добавками исследуемых соединений по изменению пиковых концентраций радикалов Н и ОН в пламени, а также по изменению нормальной скорости распространения пламени. Результаты исследования позволяют предположить, что местом действия исследованных антипиренов является газовая фаза.

Экспериментально исследованы закономерности распространения пламени по пленке жидкого топлива на тонкой металлической подложке в условиях свободной конвекции. Мгновенные значения скорости пламени коррелируют с длиной факела. Средняя скорость пламени растет от 2 до 30 ÷ 40 см/с при вариации угла наклона подложки к горизонту в диапазоне 0 ÷ 90°. Для подложки заданной ширины скорость пламени обратно пропорциональна теплоемкости единицы площади системы подложка — топливо и разности между температурой, соответствующей образованию стехиометрической смеси насыщенных паров данного топлива с воздухом, и температурой окружающей среды.

Экспериментально исследована работа высокоэнтальпийной установки кратковременного режима при использовании в качестве рабочего тела продуктов реакций пропана, водорода, закиси азота с воздухом и кислородом. Зажигание смесей производилось либо электрической дугой, либо поджигающим устройством, работающим по форкамерно-факельному принципу при локальном воспламенении смеси от одного очага воспламенения, расположенного в центре форкамеры. Подтверждено, что использование комбинированного (электрического и химического) нагрева рабочего тела позволяет полностью решить вопрос воспроизведения натурных значений давления и энтальпии торможения для условий полета летательного аппарата с числами Маха 4 ÷ 7. Нижние концентрационные пределы зажигания при воспламенении от электрической дуги оказались ниже литературных данных, полученных при нормальных условиях. Сгорание трехкомпонентных (горючее + кислород + воздух) смесей с водородом при молярной доле водорода r_H2 > 0.1 и смесей с пропаном при r_C3H8 > 0.027 завершалось за 5 ÷ 8 мс с полнотой сгорания, близкой к единице. Время завершения химических реакций при зажигании от поджигающего устройства значительно выше, чем при зажигании от электрической дуги. Существенно уменьшить время сгорания при зажигании от поджигающего устройства можно за счет увеличения количества очагов воспламенения; использования смесей с бoльшим содержанием горючего, чем требуется для воспроизведения натурной энтальпии; замены в исходной смеси части горючего закисью азота.

Изучено горение водорода и силана. Установлено, что реакция зарождения цепей на кварце в зоне горения водорода и силана проявляется как автокаталитическая, способная инициировать цепной взрыв и участвовать в инициировании теплового взрыва. Показано, что в случае гремучего газа предположение о разветвленно-цепном характере третьего предела не согласуется с законом Н. Н. Семенова, в котором представлена двойная экспоненциальная зависимость скорости цепной реакции от времени и температуры. Предложен критерий участия разветвленных цепей в сложных процессах по наличию-отсутствию коротких задержек теплового взрыва (≈ 1 с). Взрыв при атмосферном давлении гремучего газа с задержками, заметно превышающими 1 с, согласно критерию протекает без участия разветвленных цепей и непротиворечиво объясняется совместным действием автокаталитических процессов на стенке реактора и газофазных процессов.

Изучена радиационная электропроводность твердых топлив смесевого и баллиститного типа при импульсном (2.5 · 10^-6 с) и непрерывном (1 ÷ 100 с) облучении потоком быстрых электронов. Определены условия, при которых возможно развитие электрического пробоя в процессе электронного облучения, и рассмотрена его связь с составом смесевого топлива. В случае баллиститного топлива исследована радиационная электропроводность как в высокоэластическом, так и в стеклообразном состоянии. По результатам экспериментов для обоих типов топлив определены параметры полуэмпирической модели радиационной электропроводности.

С целью проверки адекватности различных моделей тепловыделения в пламени динитрамида аммония реальным процессам проведено численное моделирование химических процессов в продуктах термического разложения при давлении 10 Торр и в пламени динитрамида аммония (ADN, NH₄N(NO₂)₂) при давлении 0.4 ÷ 60 атм. Расчеты выполнены на основе детального кинетического механизма и граничных условий, согласованных с экспериментальными данными, термодинамическими свойствами и химическим составом ADN. Кинетический механизм включает субмеханизмы, описывающие высокотемпературные химические процессы в смесях NH₃/N₂O/NO/NO₂/HNO₂/HNO₃ и NH₃/HN(NO₂)₂, а также брутто-стадии разложения аэрозолей. На основе расчетных и экспериментальных данных оценена роль динитразовой кислоты HN(NO₂)₂, аэрозолей и пара ADN в процессе тепловыделения в прилегающей к поверхности горения зоне пламени ADN. Согласно расчетам основным источником тепловыделения в холодной зоне пламени при p ≥ 3 атм является динитразовая кислота, поступающая в соответствии с каналом диссоциативного испарения ADN_liq → NH₃ + HN(NO₂)₂ с поверхности горения. В высокотемпературной зоне пламени тепловыделение обусловлено реакцией в смеси NH₃/N₂O/NO/NO₂/HNO₂/HNO₃. При невысоких давлениях высокотемпературная зона отделена от низкотемпературной зоной индукции. Ведущей в производстве радикала OH, играющего важную роль в процессе горения, в зоне индукции является стадия HNO₃ + M → OH + NO₂ + M. Вследствие высокой энергии активации стадии малые температурные возмущения в индукционной зоне при низких давлениях приводят к конечному изменению расстояния отхода высокотемпературной зоны пламени от поверхности горения. Поэтому малые температурные возмущения в индукционной зоне, обусловленные присутствием примеси в образце или теплообменом реагирующего газа с окружающей средой, могут быть причиной расхождения как между экспериментальными, так и между расчетными и экспериментальными данными по отходу высокотемпературной зоны пламени от поверхности горения. В расчетах положение высокотемпературной зоны эффективно регулируется вариацией в допустимых пределах констант скоростей элементарных стадий.

Энтальпия образования в стандартном состоянии нового перспективного высокоэнергетического материала [1,2,5]оксадиазоло[3,4-е][1,2,3,4]-тетразин-4,6-ди-N-диоксида (фуразано-1,2,3,4-тетразин-1,3-диоксида) была вычислена с использованием теоретически рассчитанной теплоты образования в газовой фазе и экспериментально измеренной теплоты (энтальпии) сублимации. Теоретические расчеты проводились с использованием высокоточных многоуровневых квантово-химических методов G2, G3 и CBS-QB3.

Представлены результаты экспериментов по распространению детонации в прямоугольном горизонтальном канале с высокими ребрами на нижней стенке. Опыты проводились с ацетиленокислородными смесями. Обнаружен интервал начальных давлений, в котором существует низкоскоростная детонация со стационарной скоростью 0.38 ÷0.55 от скорости детонации Чепмена — Жуге без потерь. Эта детонационная волна является комплексом, состоящим из ударной волны и пламени. Пламя за счет оттока газа в слой, занятый ребрами, удерживается на постоянном расстоянии от ударного скачка, примерно равном свободному поперечному размеру канала. Это расстояние слабо уменьшается с ростом начального давления и почти не зависит от скорости горения газа при нормальной температуре.

Представлены результаты исследований природы свечения, возникающего при возбуждении тетранитропентаэритрита электронным пучком со средней энергией электронов ≈ 250 кэВ и длительностью импульса тока 15 нс. Средняя за импульс плотность мощности пучка варьировалась в диапазоне 10⁶ ≤ P ≤ 10¹⁰ Вт/см². Показано, что при 10⁶ ≤ P ≤ 10⁸ Вт/см² основным видом свечения является импульсная катодолюминесценция тэна. В преддетонационном режиме (P ≈ 10⁹ Вт/см²) на заднем фронте пика люминесценции формируется более инерционное свечение, идентифицированное как свечение продуктов взрывчатого превращения тэна, образующихся в области пробега электронного пучка. При P ≥ 5 · 10⁹ Вт/см² формируется дополнительный импульс свечения, связанный с образованием и разлетом плотной плазмы, возникающей в результате детонации всей массы образца.

С использованием интерферометра VISAR исследована зона реакции в стационарных детонационных волнах в прессованном TNETB при различных начальной плотности (1.23 ÷ 1.71 г/см³) и дисперсности (5 и 80 мкм) исходного порошка взрывчатого вещества (ВВ). Показано, что границы интервала начальной плотности, в котором вместо предсказываемого теорией химпика наблюдается рост давления, зависят от дисперсности ВВ. Необычное изменение параметров в зоне реакции объясняется гетерогенной структурой прессованных ВВ, разложение которых носит очаговый характер и частично происходит во фронте волны сжатия. Отработана методика регистрации волновых профилей с использованием окон из LiF, которая подтвердила, что все качественные особенности, наблюдаемые при использовании алюминиевых фольг толщиной ≈ 200 мкм и водяного окна, достоверно отражают структуру детонационной волны.

Проведен анализ известных результатов экспериментальных исследований методом изотопных индикаторов механизма детонации и образования алмазной фазы углерода в продуктах взрыва тротила, гексогена, октогена и их смесей. Приведены зависимости относительного выхода и фазового состава углерода в продуктах детонации компонентов смесевых взрывчатых веществ от размеров частиц взрывчатых веществ.

Оценены диапазоны скоростей твердофазной детонации исходя из объемной скорости звука в реагирующей среде (нижний предел) и волновой скорости, соответствующей давлению полиморфного превращения продукта с образованием более плотной фазы (верхний предел). Последние значения согласуются с газодинамическими оценками скоростей детонации и коррелируют со скоростями детонации типичных взрывчатых веществ.

Проведен анализ локализации источников излучения, возникающих при ударном нагружении фторопласта до высоких давлений. Установлено сильное влияние состояния контактной поверхности границы экран — образец на профиль импульса излучения. Проведена коррелированная по времени регистрация профилей давления и излучения, а также профилей электросопротивления образца фторопласта, позволившая определить моменты возникновения и длительность сигналов излучения. Проведен расчет формы импульса излучения с некоторыми упрощающими предположениями об излучательной способности ударно-сжатой части образца. Установлено, что в зависимости от состояния контактной поверхности перед фронтом ударной волны возникает зона, в которой электросопротивление фторопласта уменьшается на 9 – 10 порядков величины. Высказано предположение о возникновении впереди фронта ударной волны волны фотопроводимости, индуцированной светом.

Для исследования конденсированных веществ, приобретающих при ударном сжатии высокую проводимость, используется электродный датчик массовой скорости. В веществе располагаются тонкие металлические электроды. Ударная волна распространяется по веществу вдоль электродов в поперечном магнитном поле. Движущееся проводящее вещество замыкает электроды и генерирует на них ЭДС. Для обоснования принципа действия электродного датчика выполнены измерения электропроводности порошков селена и алюминия. Высокая электропроводность порошков (до ≈ 10⁴ Ом^-1 · см^-1) позволяет использовать электродный датчик для определения кинематических характеристик ударной волны. Напряжение на электродах пропорционально среднему значению массовой скорости в зондирующем проводящем слое, располагающемся непосредственно за ударным фронтом. Введение в измерительную ячейку дополнительных электродов позволяет найти волновую скорость. Данная техника использована для построения ударной адиабат порошков селена и алюминия различной плотности. Полученные экспериментальные данные представлены в виде линейных зависимостей волновой скорости от массовой скорости. Для порошка с крупными частицами толщина зондирующего слоя оказывается сравнимой с шириной ударного перехода. Это открывает возможность использования электродного датчика для исследования структуры ударного перехода и фазы металлизации вещества.

Изучается процесс взаимодействия волны разрежения со слоем твердых частиц, находящихся вблизи торца ударной трубы. В качестве математической модели используется одномерное нестационарное приближение механики гетерогенных сред с одинаковыми давлениями фаз и учетом конечной объемной концентрации частиц в слое. Определены волновая картина течения и механизм взаимодействия волны разрежения со слоем, в том числе динамика границы слоя в зависимости от его толщины и ширины волны разрежения. Проведена верификация предлагаемой математической модели по зависимости координаты границы слоя от времени, а также по зависимости скорости подъема слоя от перепада давления в камере высокого и низкого давления.

Предлагается объяснение повышенной эффективности внедрения группы твердых тел в твердые преграды при умеренной скорости множественного соударения.