Главная – Журналы – Физика горения и взрыва 2009 номер 4

Исследование ламинарных пламен предварительно перемешанных смесей в лабораторных условиях, часто при пониженных давлениях, вызывает большой интерес с точки зрения исследований химии горения и загрязнения окружающей среды. За последнее время достигнут значительный прогресс в изучении горения углеводородов, оксигенатов и их смесей. Применяемые нами методы лазерной диагностики, включая спектроскопию внутрирезонаторного спада сигнала во времени и лазерную индуцированную флюоресценцию, совмещенные с рядом масс-спектрометрических методик для изучения пламен in situ, позволяют измерять концентрации основных компонентов и промежуточных продуктов в пламени. Изучены строение молекулы горючего и влияние состава топлива на состав промежуточных продуктов с точки зрения образования нежелательных и потенциально опасных продуктов горения в пламенах углеводородов и оксигенатов. Выполнено исследование хемилюминесценции с использованием данных о передачи энергии соударения. Изучено низкотемпературное горение сильно разбавленных смесей в проточном реакторе.

Первые экспериментальные работы по изучению структуры пламени в основном были посвящены измерению скорости горения и изучению свойств его излучения. Существенный прогресс, достигнутый как в экспериментальной технике, так и в применении численных методов, сделал анализ структуры пламени мощным инструментом для получения информации о химии, термодинамике и процессах переноса в пламени. Такая информация чрезвычайно ценна для разработки эффективных технических устройств, позволяющих снизить выброс загрязняющих веществ в окружающую среду. Глобальные скорости образования веществ рассчитаны на основе экспериментальных данных по температуре, скорости газового потока и концентрациям химических соединений в направлении, перпендикулярном фронту волны. Для веществ, изменение концентрации которых определяется небольшим числом реакций, можно затем рассчитать константы скоростей данных процессов. Разработка различных программных пакетов для моделирования структуры одномерных ламинарных пламен предварительно перемешанных смесей в начале 1980-х гг. позволила использовать информацию о структуре пламени для прямой проверки предложенных детальных кинетических механизмов химических процессов. Несмотря на вносимое в изучаемые объекты возмущение, до сих пор активно используется отбор локальных проб газа для последующего анализа. В то же время невозмущающие спектроскопические методы значительно расширили возможности анализа структуры пламени. Отметим, что возмущающие методы, основанные на отборе образцов, позволяют анализировать очень широкий класс соединений. Такие методы хорошо подходят для изучения сложных систем с большим количеством различных компонентов: богатых пламен предварительно перемешанных смесей, а также пламен, где топливом служат тяжелые молекулы. Использование новых фотоионизационных источников позволило значительно расширить возможности молекулярно-пучковой масс-спектрометрии, провести идентификацию различных изомеров и получить большой объем важной информации о промежуточных соединениях, участвующих в образовании бензола, полициклических ароматических углеводородов и частиц сажи в пламени. Среди различных спектроскопических методов лазерно-индуцированная флюоресценция наиболее широко применяется для точных измерений концентраций промежуточных радикалов, которые играют ключевую роль в механизме образования "быстрого" NO. Показан вклад исследований структуры пламени в развитие механизмов образования бензола и оксидов азота в процессе горения.

Исследовано пламя реакции разложения дитретбутилпероксида (ДТБП) в смеси 0.376ДТБП + 1.0N₂в ламинарных и турбулентных условиях. Наблюдавшиеся скорости распространения нерастянутого ламинарного пламени хорошо согласуются со значением, полученным из теории Зельдовича— Семенова— Франк-Каменецкого. Показано, что турбулентное горение этой смеси характеризуется рядом особенностей, которые являются общими для всех турбулентных пламен, в частности для процесса в двигателе с искровым зажиганием при сжигании бедных смесей. Пламя распространяется нестационарно и характеризуется массовой скоростью сгорания, увеличивающейся со временем. Ускорение пламени меняется от одного эксперимента к другому. Если, однако, отнести скорость горения к среднему радиусу пламени, то ее вариации между отдельными экспериментами намного меньше. Это явление имеет ярко выраженное сходство с циклическими изменениями в двигателе c искровым зажиганием. Сравнение полученных результатов с данными для смесей совершенно другого состава, с иными химической кинетикой и экзотермичностью, но с аналогичными скоростью ламинарного пламени и числом Льюиса показывает, что данные, полученные в экспериментах в замкнутом объеме, хорошо согласуются в случае, когда учитывается нестационарный характер распространения пламени. По-видимому, различия в деталях кинетических механизмов и термохимии ответственны за поведение пламени только вблизи предела гашения под действием турбулентности.

Изучены одномерные ламинарные пламена предварительно перемешанных смесей бензол/кислород/аргон с коэффициентами избытка горючего 2, 1 и 0.7, стабилизированные на плоской горелке при низком давлении (45 мбар). Отбор проб из пламен проводился коническим кварцевым пробоотборником на различных расстояниях от горелки. Анализ пробы осуществлялся методом газовой хроматографии. Результаты измерений дополняют имеющиеся в литературе экспериментальные данные по богатым и сажистым пламенам бензола и могут быть использованы для дальнейшего совершенствования механизмов окисления бензола. Сопоставление полученных экспериментальных данных с результатами моделирования по двум недавно разработанным кинетическим схемам показало, что обе модели неудовлетворительно описывают процесс горения стехиометрических и бедных смесей бензола.

Количественное определение концентраций радикалов важно при изучении структуры пламен. В работе проведен количественный анализ методом лазерно-индуцированной предиссоциативной флюоресценции (OH-LIPF) в плоских пламенах предварительно перемешанных метановоздушных и пропановоздушных смесей (коэффициент избытка горючего φ = 0.7÷1.3) при высоком давлении (1÷5 атм). OH возбуждали (A²Σ⁺, ν'= 3-X²Π, ν''=0, P₂8) при помощи эксимерного KrF-лазера и наблюдали полосы флюоресценции (3,2). Интенсивность флюоресценции OH калибровали по концентрациям OH, вычисленным по результатам моделирования в послепламенной зоне при помощи данных CHEMKIN для пламен предварительно перемешанных смесей с использованием механизма GRI-Mech 3.0. Точность и пространственное разрешение измерений температуры важны для корректности соответствующего моделирования пламени, особенно в реакционной зоне вблизи поверхности горелки. Для определения температуры над поверхностью горелки применена тщательно изготовленная система позиционирования термопары (R-тип, 50 мкм). С учетом скоростей тушения, профилей Фойгта и нормализации измеренных спектров по отношению к интенсивности спектров комбинационного рассеяния азота воздуха определена универсальная калибровочная постоянная (C_T=(1.076±0.174) · 10¹⁶ молекул/см³). Концентрации радикала ОН, вычисленные путем моделирования пламени, хорошо количественно согласуются со значениями, измеренным методом OH-LIPF во всех метановоздушных и в бедных (φ =0.7÷0.8) пропановоздушных пламенах. Однако при φ > 0.9 в пропановых пламенах получено 2–5-кратное расхождение. Это может быть обусловлено недостаточным представлением реакций с участием частиц C₃ в механизме GRI и/или неточностью термохимических данных для больших молекул.

Выполнен анализ публикаций, посвященных изучению горения углеводородовоздушных смесей при воздействии слабым электрическим полем и лазерным излучением. Особенностью экспериментального исследования авторов являлось импульсно-периодическое воздействие электрическим полем и сфокусированным лазерным излучением, не приводящее к электрическому разряду или оптическому пробою. Многочисленные экспериментальные исследования показали заметное влияние слабых электрических полей на процессы горения. Наложение электрического поля может приводить к расширению пределов воспламенения и горения топливовоздушных смесей, изменению (уменьшению или увеличению) скорости горения, смещению стабилизации горения в область бедных смесей, уменьшению концентрации вредных веществ в продуктах сгорания (например, NO_x, CO) и т. д.

Конвективное движение в волнах горения возникает под влиянием естественной и искусственной гравитации (центробежного воздействия) для широкого круга гетерогенных систем, таких как перхлорат аммония с твердыми добавками, порошки металлов и неметаллов с активным газом, высококалорийные системы термитного типа, гибридные слоевые системы. В работе изложены результаты исследования горения гетерогенных систем в условиях интенсивного конвективного движения в волнах горения, полученных автором с коллегами с начала 1970-х годов по настоящее время. Показано, что конвективные процессы в волнах горения гетерогенных систем могут определять структуру и закономерности распространения волн горения, тепло- и массоперенос в них.

На установке адиабатического сжатия проведено экспериментальное исследование влияния степени негомогенности смеси и октанового числа на процесс самовоспламенения и явление стука в стратифицированных смесях воздуха с топливами (n-гептан, изооктан, n-гексан и n-пентан), которые отличаются октановыми числами (0, 100, 25 и 62 соответственно). В нижней части экспериментального сосуда создавалась более богатая топливом смесь. В горизонтальном направлении градиент концентрации топлива отсутствовал. Результаты экспериментов показали, что быстрое сгорание смеси вызвано не распространением пламени, а последовательным послойным самовоспламенением. Несмотря на то, что периоды индукции самовоспламенения стратифицированной смеси не зависят от градиента концентрации топлива в смеси, они постоянны при постоянном среднем эквивалентном отношении и сокращаются с его уменьшением. Начиная с определенного значения градиента интенсивность стука уменьшается с ростом градиента для всех исследованных топлив независимо от их октанового числа.

Численно исследована ячеистая структура детонации в реагирующих смесях, тепловыделение в которых реализуется в два этапа, сильно различающихся характерными временами. Ячеистая структура в смесях такого типа при определенных условиях является двухуровневой. При уменьшении диаметра трубы многоголовая двухуровневая ячеистая детонационная структура сменяется двухуровневой структурой со спином, соответствующим второму (медленному) экзотермическому этапу реакции, затем одноячеистой структурой и, наконец, спиновой модой распространения поперечной волны, соответствующей первому (быстрому) этапу реакции. Впервые представлены результаты трехмерного численного исследования детонации таких смесей. Хотя использовавшееся численное разрешение не позволило описать тонкую структуру в начале больших детонационных ячеек, результаты расчетов качественно согласуются с экспериментом.

В качестве альтернативы широко распространенному гидразину для двигателей с управляемой тягой разработано новое многообещающее монотопливо— композиция на основе нитрата гидроксиламмония, содержащая нитрат аммония, метанол и воду. По сравнению с гидразином композиция-раствор характеризуется на 20% более высоким расчетным удельным импульсом, в 1.4 раза большей плотностью, более низкой температурой замерзания и меньшей токсичностью. Раствор имеет умеренную линейную скорость горения при давлениях, характерных для двигателей малой тяги. Обнаружено, что реализация линейной скорости горения (распространение волны горения) происходит вследствие специфических механизмов. Механизм горения раствора исследован с использованием видеосъемки и измерений профиля температур в волне горения термопарами диаметром 2.5 мкм. Результаты исследований показали, что нестабильность поверхности раздела жидкость— газ может приводить к внезапному значительному увеличению скорости горения, а метанол является эффективным компонентом, понижающим скорость роста пузырей в растворе. В опытах с горением в открытом сосуде оценена активность нескольких катализаторов; лучшим среди исследованных оказался катализатор S405, разработанный для гидразина. Эксперименты на модельном двигателе проведены с катализатором S405 при вариации массовой скорости подачи топлива, конфигурации слоя катализатора, соотношения длины и диаметра камеры сгорания. В результате выбраны параметры, обеспечивающее продолжительное время работы двигателя. Модельный двигатель непрерывно стабильно работал до 100 с с удельным импульсом I_sp = 240 с, что составляет 90% от расчетного значения.

Многочисленные экспериментальные данные свидетельствуют о том, что внешнее воздействие электромагнитных, магнитных полей на волну горения СВС изменяет кинетику процесса, структуру и свойства продуктов реакции. Эмиссионные явления в волне горения изучены в меньшей степени. Высокие скорости диссипации химической энергии СВС (10¹² Вт/м³) сопровождаются такими физическими явлениями, как возникновение разности потенциалов между фронтом горения и продуктами реакции, эмиссией свободных электронов из волны горения, акустической эмиссией. Детальное изучение этих неравновесных явлений позволяет глубже понять механизм реакции в твердом пламени, применять нетепловые методы управления горением.

Проанализированы литературные и полученные в настоящей работе данные по горению циклотетраметилентетранитрамина (октогена, HMX) при различных начальных температурах. Показано, что при давлениях 0.1÷10 МПа температурная чувствительность скорости горения октогена увеличивается с ростом начальной температуры, что характерно для горения вещества с ведущей реакцией в конденсированной фазе к-фазная модель). Экспериментальные значения температурной чувствительности скорости горения в области давлений 0.1÷1 МПа превосходят значения, рассчитанные по к-фазной модели, однако это свидетельствует не о наличии в этой области неустойчивости горения, а о переходе процесса горения на другой режим. С помощью тонких вольфрам-рениевых термопар в интервале давлений 0.025÷1 МПа исследована структура пламени октогена с различными добавками. Установлено, что по крайней мере до давления 1 MПa газовое пламя загорается в индукционном режиме. На основании экспериментальных данных в широком интервале давлений получена зависимость температуры поверхности от давления: lnp = -14092/T+21.72 (p, атм). Сделано предположение, что колебательный режим горения HMX, обнаруженный при атмосферном давлении, обусловлен, с одной стороны, возникновением резонансных явлений при горении неоднородной газовой смеси в трубке, а с другой стороны, связан с несоответствием между скоростью химической реакции в газовой фазе в момент резонанса и ее энергетическими возможностями, не позволяющими задать нужную скорость газификации HMX. Предложен механизм горения октогена, корректно описывающий его закономерности в широком интервале давлений вплоть до 10 МПа. Механизм основан на ведущей роли реакции распада октогена в расплаве при температуре поверхности.

С помощью скоростной макровидеосъемки и компьютерной покадровой обработки изображений исследованы режимы безгазового горения на примере системы титан— кремний. Проведена реконструкция трехмерной формы фронта горения, и на ее основе предложены объяснения режимов распространения фронта горения по поверхности цилиндрических образцов. Форма фронта внутри образца оказалась близкой к параболоиду. Обнаружено принципиально разное поведение волны горения при избытке титана или кремния. Наблюдаемым явлениям дано объяснение с позиций микрогетерогенной модели горения.

По результатам проведенных экспериментов выполнен анализ свойств поверхностного слоя при горении металлизированных твердых топлив. Разработаны общие физические представления о процессах в поверхностном слое. Показана ключевая роль структуры, названной каркасным слоем. Определены факторы, определяющие свойства каркасного слоя, и изучено влияние последних на свойства конденсированных продуктов и закон скорости горения топлива.

В систематизированном виде представлены результаты исследований, выполненных авторами в области теоретического и численного моделирования гетерогенной детонации реагирующих газовзвесей за период с 2005 г.