Главная – Журналы – Физика горения и взрыва 2008 номер 2

Построена математическая модель автоволновых процессов в гетерогенной среде с химическими реакциями в газовой фазе и на катализаторе. Коэффициенты межфазного тепло- и массообмена и теплопроводности твердой фазы определяются по текущим значениям параметров системы. Модель описывает три вида автоволн: при фильтрационном горении газов в режиме низких скоростей, с каталитической реакцией и гибридные. Методами качественного и численного анализа исследован характер поведения фазовых траекторий динамической системы и разработана эффективная методика поиска физически содержательного автоволнового решения задачи. Проведено численное исследование закономерностей распространения автоволн фильтрационного горения газов и гибридных автоволн, изучено влияние параметров системы на основные технологические характеристики автоволновых процессов.

Представлены результаты экспериментального исследования и численного моделирования влияния коэффициента избытка горючего (φ=0.6 ÷ 1.6) на скорость распространения ламинарных, предварительно перемешанных атмосферных метано- и пропановоздушных пламен без добавки и с добавкой 0.06% триметилфосфата (ТМФ). Путем моделирования изучено влияние состава (φ =0.7 ÷ 4.5) на скорость распространения водородовоздушных пламен без добавки и с добавкой 0.1% ТМФ. Результаты расчетов и экспериментов показали, что в пламенах углеводородов с добавкой ТМФ эффективность ингибирования резко уменьшается с ростом φ в диапазоне его изменения от 1.2 ÷ 1.3 до 1.4 ÷ 1.6, тогда как в водородовоздушном пламени эффективность ингибирования возрастает с увеличением φ от 1.5 до 4.5. Анализ коэффициентов чувствительности скорости распространения пламен к константам скорости реакций позволил выделить реакции, определяющие характер зависимости эффективности ингибирования от избытка горючего в этих пламенах.

В реакторе полупериодического действия исследована конверсия одиночных сферических частиц угля диаметром 1 ÷ 5 мм в сверхкритическом флюиде H₂O/O₂ при массовой доле кислорода 0 ÷ 6.6%, давлении 30 МПа и температуре 673 ÷ 1,023 K. Уменьшение массы частицы наблюдалось в двух параллельных процессах: газификации угля водой и окисления угля кислородом. В предположении нулевого порядка по концентрации H₂O и аррениусовской зависимости для скорости газификации водой получены значения энергии активации 19 ± 7 кДж/моль и предэкспоненциального фактора 10^{-2 ± 0.4} с^-1. Установлено, что окисление кислородом при температуре выше 780 K лимитируется скоростью диффузии O₂ к органической массе угля. Ниже 780~K скорость гетерогенного окисления кислородом описана реакцией первого порядка по концентрации O₂ и нулевого порядка по концентрации H₂O c энергией активации 150± 27 кДж/моль и предэкспонентом 10^7.6±1.9 см³/(г · с).

Проведено расчетно-экспериментальное исследование непрерывной спиновой детонации смеси Н₂ — О₂ в кольцевых камерах сгорания с форсуночной подачей компонентов топлива. В кольцевой камере диаметром 4 см осуществлено сжигание газовой водородокислородной смеси в режиме непрерывно вращающейся детонации. При варьировании расходов компонентов смеси, длины и формы камеры исследована структура течения. В двумерной нестационарной постановке задачи при соответствующих экспериментам геометрических параметрах камер численно получена и исследована динамика поперечной детонационной волны. Проведено сравнение с экспериментами, и получено удовлетворительное соответствие по скорости детонации и давлению в камере. Заметно отличаются от расчетных экспериментальные размеры и форма детонационных фронтов.

Численно анализируются инициирование и распространение плоских волн гетерогенной детонации в бидисперсной стехиометрической газовзвеси частиц алюминия и кислорода. Установлено, что детонация неидеальна, а стационарная часть ударно-волновой структуры ограничивается равновесно-замороженной звуковой точкой. Критерии инициирования зависят от фракционного состава смеси. При инициировании взрывными ударными волнами возможно формирование неустойчивых двухфронтовых структур. Добавка малого количества мелких частиц в дискретную фазу приводит к значительному уменьшению энергии инициирования.

Предложена расчетная модель слабонеидеальной детонации пластифицированного ТАТБ, позволяющая снизить требования к расчетной сетке и сократить затраты вычислительных ресурсов. Выполнено тестирование модели по результатам экспериментальных исследований зависимости скорости детонации от диаметра заряда и распространения детонации в кольцевом заряде.

Описано полуэмпирическое уравнение состояния металлов. Его возможности продемонстрированы на примере разработки уравнения состояния алюминия. Представлены новые экспериментальные данные о положении изоэнтропы алюминия при разгрузке из состояния p=229.71 ГПа на ударной адиабате в аэрогель (SiO₂) плотностью 0.08 г/см³.

Впервые экспериментально исследована зависимость критической плотности энергии инициирования взрывного разложения азида серебра от размера образца. Показано, что зависимость критической плотности энергии определяется диффузией реагентов на поверхность кристалла, где скорость их рекомбинации значительно превышает объемную. Полученные значения коэффициента диффузии и константы скорости объемной рекомбинации электрон-дырочных пар в условиях взрывного разложения в пределах ошибки эксперимента совпадают с определенными ранее при исследовании фотопроводимости.

Экспериментально исследовано влияние дисперсности октогена в сплавах с тротилом на процесс синтеза наноалмазов в детонационной волне. Изучены смеси с содержанием ТНТ от 40 до 90 %, удельная площадь поверхности октогена варьировалась в диапазоне 5 ÷:510 м²/кг. Показано, что для всех смесей с ростом дисперсности октогена увеличивается выход наноалмазов, при этом максимальный выход смещается в сторону сплавов с повышенным содержанием тротила. Для объяснения результатов предложена модель, основанная на отсутствии термодинамического равновесия между компонентами гетерогенного взрывчатого вещества при детонации.

Экспериментально исследованы взрывчатые характеристики составов октогена с добавкой 15% Al (по массе). Измерены скорость детонации, профили давления и температуры, скорость торцевого метания пластин и теплота взрыва плотных прессованных образцов. Сравнивались результаты как для составов на основе механических смесей исходных частиц октогена микронного размера с порошками алюминия различного размера, так и нанокомпозиты. Введение наноалюминия снижает скорость детонации в большей степени, чем алюминий микронного размера. Механические смеси имеют близкие скорости детонации, в то время как у композитов, содержащих разные партии наноалюминия, они отличаются почти на 200 м/с. Для всех составов, за исключением наиболее однородного нанокомпозита, наблюдаются двухпиковые профили давления. Давления во вторых пиках для зарядов из композита и механической смеси с наноалюминием одного типа практически совпадают, но достигаются за различное время. Вместе с тем с уменьшением размера частиц алюминия давление в пике возрастает. Профили температуры качественно согласуются с профилями давления. Скорость торцевого метания пластины линейно зависит от активности используемого порошка алюминия. Нанокомпозиты и механические смеси, содержащие одинаковые порошки алюминия, имеют близкие теплоты взрыва. Наноалюминий практически полностью окисляется в условиях испытаний в калориметрической бомбе, и основным фактором, определяющим теплоту взрыва композиций с наноалюминием, также является содержание активного металла в порошке алюминия.

В полевых условиях исследованы характеристики взрыва топливовоздушных взрывчатых веществ. Эксперименты проводились с топливами различной рецептуры (полностью состоящие из твердых компонентов; являющиеся смесью твердых и жидких компонентов), а также с зарядом тротила той же массы. Результаты показывают, что на расстоянии 3 ÷6 м от центра взрыва взрывное действие топлив бесспорно лучше, чем заряда тротила той же массы, причем среди топлив составы только из твердых компонентов проявили себя лучше, чем смеси жидких и твердых компонентов. Предложена новая формула для максимального избыточного давления во фронте воздушной ударной волны, полученная на основе анализа большого количества экспериментов. Максимальное значение тротилового эквивалента для исследуемых топлив составило 5.35. Эффект диспергирования в воздухе смесевых топлив лучше, чем у тротила той же массы; пламя в случае топлив также существовало дольше. Высокоскоростная фотосъемка показала, что время существования огненных шаров в случае твердых топлив подходящей рецептуры близко к времени существования огненных шаров топлив, состоящих из смеси твердых и жидких компонентов. Анализируется причина разновременности двух моментов — достижения максимального избыточного давления, вызванного взрывом смесевого топлива, и достижения максимального диаметра огненного шара. Обсуждается механизм однократного инициирования.

С целью исследования механизма ударно-волновой магнитной кумуляции проведены эксперименты с порошками алюминия, меди и кремния. Для всех исследованных веществ зависимость магнитного поля от площади полости описывается степенной зависимостью с постоянным показателем α. Найденный показатель α существенно зависит от пористости вещества и размера частиц. Для порошков меди, кремния, а также мелкого алюминиевого порошка показатель α соответствует отношению массовой скорости u к волновой D, как и предсказывается простой моделью магнитной кумуляции. Для пудры и крупного алюминиевого порошка показатель α заметно меньше отношения u /D. Меньшая эффективность магнитного сжатия объясняется недостаточно высокой электропроводностью (пудра) и возникновением проводимости при неполном сжатии вещества (крупный порошок). В первом случае заметными являются диффузионные потери магнитного потока в сжатом веществе. Во втором случае работу против сил магнитного поля совершает слой в области ударного перехода, обладающий меньшей массовой скоростью. Механизм магнитной кумуляции состоит в металлизации вещества при ударном сжатии и вытеснении части магнитного потока в непроводящую область перед ударным фронтом. Известный по литературе двухступенчатый механизм кумуляции (металлизация в упругом предвестнике, “дожатие” поля в основной волне) не находит подтверждения в экспериментах по измерению массовой и волновой скорости, электропроводности и в опытах по магнитной кумуляции.

Проведены экспериментальные исследования процессов импульсного диспергирования жидких объемов в широком диапазоне геометрических и физических параметров системы “жидкий цилиндрический объем — нагружающий цилиндрический заряд взрывчатого вещества, расположенный на оси симметрии жидкого объема”. На основе анализа экспериментов построены зависимости динамики размеров расширяющегося газокапельного облака, дисперсного состава и времени дробления капель в облаке от исходных параметров системы. Построена аналитическая зависимость, определяющая относительное объемное распределение капель по размерам в формирующемся облаке. Установлено, что в импульсном режиме нагружения можно диспергировать в капли размером менее 15 мкм не более половины жидкого исходного объема, даже в случае достижения предельно больших значений среднеобъемной дисперсности газокапельной системы.

Приведен анализ результатов экспериментов на баллистической установке по соударению (со скоростями 0.6 ÷ 6.26 км/с) ударников из капролона, полиэтилена, а также составных ударников (из капролона с шариками из стали или алюминия) с мишенями из эпоксидной смолы с наполнителем (Al₂O₃) и без него. Исследовался удар по торцевой поверхности цилиндрических мишеней с характерным размером 0.05 м. При скоростях выше 1 км/с зафиксировано полное разрушение мишеней. Проведен статистический анализ собранных осколков по массам и размерам. Вычислены средние значения размеров осколков и удельной поверхностной энергии разрушения.