Главная – Журналы – Физика горения и взрыва 2010 номер 4

С использованием трехмерной математической модели проведено исследование нестационарных режимов фильтрационного горения. Модель описывает экзотермическое химическое взаимодействие конденсированных систем с активными газами и образованием твердых продуктов. Нестационарность режимов фильтрационного горения обусловлена неустойчивостью плоского фронта горения. Исследовано формирование периодической структуры фронта горения пористых цилиндрических образцов с различной геометрий поперечного сечения. Показано, что в условиях неустойчивости плоского фронта горения, дефицита массы активного газа во внутрипоровом пространстве в зависимости от геометрии поперечного сечения цилиндрических образцов и различных способов тепло- и массообмена образца с внешней газовой средой могут устанавливаться различные периодические режимы распространения фронта горения. Получены периодические режимы колебательного (объемного и поверхностного) горения на образцах с круговым сечением, спиновый на кольцевом сечении и сложные периодические режимы на образцах прямоугольного сечения.

Выполнено математическое моделирование переходов волн фильтрационного горения газа через границу двух пористых сред с различными термодинамическими характеристиками. Рассмотрены закономерности и механизмы изменения структуры волны фильтрационного горения газа и скорости ее распространения при переходе через границу сред. Установлено, что переходный процесс может завершаться не только формированием стационарной волны горения, соответствующей условиям в новой пористой среде, но также стабилизацией волны горения на границе сред или гашением. Показано, что в ряде случаев переход волны фильтрационного горения газа через границу сред сопровождается скачкообразным переносом зоны пламени на несколько миллиметров или даже сантиметров. Из-за тепловой инерционности пористой среды в эксперименте это может выглядеть как распад зоны горения на два сосуществующих очага.

Представлены экспериментальные данные по определению точных условий воспламенения чистого силана при истечении в воздух. Исследованы два режима истечения силана: динамический и стационарный. В динамическом режиме силан подавался из баллона с известным давлением. Установлено, что мгновенное воспламенение не возникает даже при давлении в баллоне ниже 0.15 МПа. Для стационарного режима определено значение критической скорости потока, выше которого истечение силана в воздух может продолжаться сколь угодно долго без воспламенения. С использованием теории ламинарного пограничного слоя показано, что воспламенение возникает только при определенном составе горючей смеси, называемом составом наиболее реакционно-способной смеси. Существование критической скорости истечения и состава наиболее реакционно-способной смеси указывает на то, что истечение силана без воспламенения, возможно, происходит за счет деформации потока или скалярных диссипаций, которые препятствуют протеканию химических реакций окисления силана.

Дан краткий обзор исследований и разработок камер сгорания высокоскоростных ПВРД, выполненных в МАИ. Приведены теневые фотографии, демонстрирующие изменение структуры регулярных скачков в зависимости от уровня теплоподвода в потоке при горении водорода. При помощи визуализации свечения радикалов ОН показано влияние косых скачков уплотнения на горение. Поскольку зависимость эффективности горения от параметров и структуры потока очень существенна, актуальны исследования схем прямоточного воздушно-реактивного двигателя с регулируемой проточной частью камеры сгорания, что позволяет производить «подстройку» рабочего тракта с целью получения требуемых параметров течения и характеристик в широком диапазоне полетных условий. В рамках совместной франко-российской программы выполнена большая серия испытаний камеры сгорания такого типа. Приведены результаты измерений при режимах, соответствующих числам Маха полета 2÷ 7. В качестве горючего использована смесь химически чистого метана и водорода. Представлены характеристики разработанного в МАИ трехступенчатого подогревателя модельного потока для испытания широкодиапазонных камер сгорания.

Обсуждается подход к организации рабочего процесса и формированию проточной части камеры сгорания прямоточного воздушно-реактивного двигателя (ПВРД). Рассмотрены способы сжатия воздуха, воспламенения, стабилизации пламени и горения топлива в потоке с целью реализации эффективного процесса на малой длине при умеренных суммарных потерях давления. Отмечается преимущество характеристик узкорежимных ПВРД. Приведены сравнительные результаты экспериментов по горению углеводородных топлив в камерах сгорания ПВРД.

Рассматривается задача, моделирующая рабочий цикл пульсирующего детонационного двигателя и позволяющая оценить его максимально возможные тяговые характеристики. В рамках модели бесконечно тонкой волны детонации изучаются автомодельные и неавтомодельные течения в осесимметричном канале конечной длины и переменного поперечного сечения, возникающие при распространении детонации от закрытого конца канала. Используются аналитические и численные методы. Исследуются зависимости среднего импульса и среднего удельного импульса от формы боковой стенки канала. Найдены оптимальные формы, соответствующие максимальным тяговым характеристикам рабочего цикла.

Рассмотрены результаты исследования стабилизации пламени предварительно перемешанной боровоздушной смеси на срезе сопла горелки типа бунзеновской. С помощью спектрозональной киносъемки определено значение нормальной скорости горения газовзвеси частиц бора. Выполнен качественный спектральный анализ газодисперсного пламени, в результате которого установлено наличие флуктуационных полос в интервале 508÷600 нм, обусловленных излучением молекул ВО₂, что подтверждает реализацию газофазного горения частиц бора в составе газовзвеси. Проведенный химический, дисперсионный и морфологический анализ конденсированных продуктов сгорания порошкообразного бора в воздухе показал наличие частиц субмикронных и микронных фракций со среднесчетными диаметрами 100 нм и 14 мкм соответственно.

Предложена континуальная модель гетерогенной среды для описания диспергирования и горения облака частиц алюминия при взрыве. Газодинамические законы сохранения рассмотрены совместно с моделью сплошной среды для дисперсной фазы в соответствии с подходом Нигматулина. Процессы межфазного обмена массой, импульсом и энергией описываются в рамках феноменологической модели Хасаинова. Модель горения основана на законах сохранения масс горючего, воздуха и продуктов горения. Источниковые члены представлены для предельного случая мгновенной реакции, что согласуется с моделью массопереноса от частиц к газу в данном газодинамическом поле течения. В модели учтены как дожигание в воздухе продуктов детонации бустерного заряда, так и горение частиц алюминия. Численное интегрирование уравнений для газа и для дискретной фазы проводилось по схеме Годунова высокого порядка. Численно моделировались течения при взрыве заряда ударно-диспергируемого горючего массой 1.5 г в трех различных камерах. При использовании модели критической температуры воспламенения расчетные кривые давления соответствуют записям давления в экспериментах. Однако предсказанное выгорание горючего оказалось несколько выше экспериментального. Возможно, это связано с нестационарными кинетическими эффектами, не включенными в модель.

Рассмотрены особенности разогрева механически активированной смеси 3Ni + Al при проведении синтеза в режиме теплового взрыва. На основе предложенного авторами критерия минимума кривизны зависимости логарифма скорости разогрева от обратной температуры определены энергии активации процесса синтеза в указанной системе, установлены температурные интервалы аррениусовской зависимости и участков самоторможения на термограммах. При анализе структуры кинетической функции установлено, что синтез происходит в соответствии с законами гомогенной кинетики при порядке реакции, близком к первому. Рассчитанные значения энергии активации являются аномально низкими по сравнению с традиционным режимом СВС в данной системе.

Проведено исследование влияния механической активации на структурное состояние и реакционную способность порошковой смеси Ni-Al. Показано, что механическая активация смеси Ni-Al характеризуется индукционным периодом, в течение которого происходит накопление деформационных дефектов кристаллической структуры компонентов и не регистрируется фаза продукта реакции NiAl. Выявлена частичная аморфизация Al при обработке, приводящая к повышению реакционной способности системы. На основе результатов дифракционного анализа предложен количественный критерий состояния компонентов в процессе активации - величина напряжений второго рода. Система становится нестабильной и автогенерирует прохождение реакции синтеза после накопления в исходном материале микронапряжений, равных пределу текучести соответствующего вещества.

Экспериментально исследованы особенности импульсного, с длительностью фронта 0.2 мкс, электрического пробоя смесевых энергетических композиций, в которых полимерное связующее способно к самостоятельному горению. Показано, что электрический пробой образцов толщиной 2÷4 мм не приводит к воспламенению всего образца, однако способен вызывать его сильное разрушение. Обсуждаются особенности влияния дисперсных наполнителей на электрическую прочность и особенности разрушения энергетических конденсированных систем в сравнении с негорючими полимерными композициями.

Изложена модифицированная модель уравнения состояния Ван-дер-Ваальса и основанная на ней модель коэффициентов переноса (вязкости, теплопроводности, диффузии и электропроводности). Подход использован для описания характеристик жидкого и газообразного аргона. В целом результаты модельных расчетов удовлетворительно согласуются с данными различных экспериментов до давлений порядка 100 ГПа.

Предложена модель макрокинетики химических реакций в детонирующих гетерогенных ВВ, основанная на предположении, что под действием инициирующей ударной волны образуются не только точечные, но и поверхностные микроочаги ("горячие поверхности"). Причиной возникновения поверхностных очагов может быть локальное повышение температуры вблизи микротрещин и на границах зерен. Проведено тестирование модели по результатам измерения профилей давления при возбуждении детонации во взрывчатом составе на основе ТАТБ.

Показана принципиальная возможность сжигания углеводородных топлив непосредственно в водном теплоносителе. Представлены первые экспериментальные результаты на примере сжигания ацетилена в воде с инициированием зажигания газа в пузырьке электрическим разрядом, показывающие возможность перехода на новые принципы работы тепловых генераторов.

Назначение - измерение временных интервалов между стартовым импульсом и сигналами остановки. Основная модификация состоит из собственно хронометра и встроенного питания контактных датчиков на замыкание. Используется для измерения скоростей ударных и детонационных волн и синхронизации фаз исследуемого процесса с другими измерениями. Предусмотрена комплексная защита измерений от сетевых и входных помех.