Главная – Журналы – Физика горения и взрыва 2011 номер 3

Разработана детальная кинетическая модель воспламенения и горения пропана в воздухе, содержащая 599 реакций с участием 92 компонентов и включающая как высоко-, так и низкотемпературный механизм окисления. Проведено тестирование модели на экспериментальных данных по времени задержки воспламенения, по конверсии пропана при низкотемпературном окислении, по изменению концентраций компонентов при пиролизе пропана, а также по скорости распространения ламинарного пламени. Тестирование модели выполнено в широком диапазоне начальной температуры смеси T₀=680÷1900 K, давления p₀=0.17÷30 атм и коэффициента избытка топлива &phis; =0.13÷2.

Численно исследовано распространение пламени в облаке капель н-гептана в условиях микрогравитации при различных температурах окружающей среды и расстояниях между каплями. Характерными параметрами, влияющими на режим распространения пламени, являются безразмерное расстояние между частицами, тип горючего и температура окружающей среды. Изменение расстояния между каплями влияет на количество газообразного топлива на средней линии капель, и в зависимости от этого пламя может либо попасть между каплями, либо пройти над межчастичным пространством. С увеличением температуры окружающей среды скорость распространения пламени возрастает. Достигнуто хорошее качественное соответствие между результатами численного моделирования и микрогравитационными экспериментами по поведению пламени. Получена зависимость скорости распространения пламени от расстояния между каплями. Она имеет максимум аналогично результатам, полученным экспериментально.

Исследовано турбулентное инверсное диффузионное пламя в заглубленной соосной горелке и горелке с обратным уступом. Изучение проводилось на основе видимой формы пламени, его длины, устойчивости, распределений температуры и концентрации кислорода вдоль осевой линии, а также эмиссии NO_x. Показано, что горелка с обратным уступом дает компактную форму пламени с меньшим свечением при более высоком соотношении скоростей воздуха и топлива, а также несколько лучшие тепловые характеристики и немного меньшие выбросы NO_x, чем заглубленная соосная горелка. Несколько выше в горелке с обратным уступом и концентрация кислорода вдоль осевой линии из-за большего вовлечения окружающего воздуха. Более низкий предел устойчивости пламени в горелке с обратным уступом по сравнению с соосной можно объяснить более интенсивным перемешиванием воздуха и топлива.

Представлена математическая модель теплообмена и горения одиночной угольной частицы. Модель позволяет корректно определить время стадий реагирования и температуру угольной частицы в процессе ее воспламенения и горения. Приведены результаты расчета горения одиночных угольных частиц антрацита и бурого назаровского угля при различных концентрациях кислорода и температурах окружающей среды. Результаты экспериментов на огневом стенде при сжигании ирша-бородинского угля хорошо согласуются с результатами численного пространственного моделирования пылеугольного факела.

Предложена точечная математическая модель процесса горения наночастиц алюминия в смеси кислорода и азота. Явление моделируется в рамках однофазной задачи Стефана. Исследовано влияние давления газа и состава окружающей среды на время горения частиц. Проведена верификация модели по известным экспериментальным зависимостям времени горения от температуры и давления окружающей среды.

Проведено исследование закономерностей горения смесей титана с сажей насыпной плотности, помещенных в кварцевую трубку, при продуве засыпки азотом (спутная фильтрация). Поток азота обеспечивался фиксированным перепадом давлений на торцах засыпки, не превышающим 1 атм. Определена зависимость скорости горения от количества добавки нитрида титана к исходной смеси и от давления на торцах образца. Проведенные эксперименты показали, что при горении порошковой смеси Ti + 0.5С (сажа) в потоке азота помимо фронта карбидизации формируется фронт азотирования. Обнаружены и описаны различные режимы распространения фронтов карбидизации и азотирования. Предложена классификация режимов горения порошковой смеси Ti + 0.5С (сажа) в потоке азота.

Расчетным путем определены температурные зависимости ряда физико-химических свойств октогена: удельной теплоемкости жидкой фазы, изменения энтальпии при нагреве конденсированной фазы до заданной температуры, теплоты парообразования, давления насыщенных паров, коэффициентов диффузии пара в среде низкомолекулярных газов. Полученные данные использованы для расчета количества тепла, необходимого для прогрева конденсированной фазы до температуры поверхности горения в диапазоне 560÷900 К при различной глубине разложения. Приведен расчет теплоты реакции разложения октогена в условиях горения по известному составу продуктов реакции при давлении 1 бар. Представлены результаты экспериментального определения тепловых эффектов разложения октогена методом дифференциальной сканирующей калориметрии. По результатам расчетов и экспериментов сделано предположение о том, что при глубине разложения ≥0.6 тепловыделение в конденсированной фазе может обеспечить затраты тепла на прогрев и испарение октогена без теплоприхода из газовой фазы. Показано, что рассчитанные значения давления насыщенных паров октогена, более высокие по сравнению с представленными в литературных источниках, обеспечивают лучшее соответствие имеющимся экспериментальным данным по профилям концентрации паров октогена вблизи поверхности горения.

Построена и исследована математическая модель теплового взрыва в механоактивированной гетерогенной системе. Модель включает уравнения теплового баланса, химического превращения, динамики избыточной энергии в конденсированных веществах. Проведен анализ модели аналитическими методами. Получены соотношения, определяющие характеристики теплового взрыва. Точность аналитических оценок проверена численным моделированием.

Классические способы возбуждения детонации в объеме реагирующей смеси изучены достаточно хорошо, но не всегда приемлемы с точки зрения практической реализации. В работе исследовано влияние различных стадий перехода горения в детонацию в трубе малого диаметра на эффективность возбуждения газовой детонации при выходе в полуограниченное пространство. Описанные способы инициирования имеют важное значение для оценки рисков пожаро- и взрывобезопасности в быту и особенно на производстве.

Приведены результаты экспериментального исследования непрерывной спиновой и пульсирующей детонации водородовоздушной смеси в проточной кольцевой камере диаметром 306 мм с расширением сечения канала в режиме эжекции воздуха. При варьировании площади проходного сечения щели для подачи воздуха, количества и площади сечения отверстий в форсунках горючего, размера ресивера горючего и начального давления горючего определена область существования детонационных режимов в координатах <размер щели подачи воздуха — удельный расход водорода>. Для данной камеры и топлива установлена ширина щели подачи воздуха (10÷ 12 мм), при отклонении от которой область существования детонационных режимов сужается. Обнаружена необходимость установки уступа в тракте подачи воздуха. Также выяснено, что существует оптимальная геометрия отверстий форсунок, расширяющая область существования детонационных режимов. Грубое смешение водорода с воздухом, как и слишком быстрое их смешение, сужает область существования детонации. При увеличении расхода водорода установлена следующая последовательность процессов: горение переходит в продольную пульсирующую детонацию, затем в непрерывную спиновую, далее снова в пульсирующую и наконец в обычное горение. Проведены испытания длительной работы камеры без охлаждения.

Приведены результаты исследования работы импульсного детонационного реактивного двигателя с сужающимися-расширяющимися соплами различной конфигурации. В качестве горючего и окислителя использовались соответственно жидкий керосин и газообразный кислород, в качестве продувочного газа — азот. Частота рабочего цикла варьировалась в диапазоне 10$#0247;40 Гц. Изменение степени заполнения достигалось изменением длины двигателя. Эксперименты выполнены при давлении подачи реагентов и противодавлении, равных 1 атм. Установлено, что при степени заполнения 0.73 и частоте 40 Гц все исследованные сопла увеличивали эффективность работы двигателя. При этом при степени сужения сопла 5.325 и степени расширения 12 достигалось максимальное увеличение тяги — примерно 21%. Влияние частоты цикла на эффективность работы сопла оказалось незначительным. Установлено, что исследованные сопла со степенью сужения 5.325 уменьшали тягу двигателя при степени заполнения 0.29 и увеличивали ее при степени заполнения 0.37.

Выполнены расчеты структуры волны пузырьковой детонации в химически активной газожидкостной среде с послойно расположенными пузырьками. При учете в расчетах сжимаемости жидкости амплитуда пульсаций давления уменьшается и они смещаются к переднему фронту. Показано, что профиль волны слабо зависит от способа вычисления периода индукции химически активной смеси и способа учета теплопотерь. Проведено сопоставление расчетных и экспериментальных профилей давления волны пузырьковой детонации.

Радиографическим методом на протонном ускорителе У-70 исследован процесс возбуждения детонации в смесевом взрывчатом составе на основе октогена и ТАТБ при нагружении расходящейся ударной волной. Получены распределения плотности за фронтом инициирующей ударной волны в различные моменты времени. На образце из пластифицированного ТАТБ радиографическим методом исследован процесс срыва детонации при столкновении ударной и детонационной волн. Полученные изображения позволили определить характерные особенности развития взрывчатого превращения при ударно-волновом нагружении.

В рамках волнового подхода предложена схема расчета затухания ударных волн в среде, граничащей с детонирующим зарядом малой толщины, и скорости метания пластины продуктами взрыва заряда малой толщины. Приведены приближенные аналитические решения, которые полезны для качественных оценок и выделения основных факторов, определяющих процесс, а также при отработке программ для более сложных вариантов течения. Проведено сравнение результатов расчета с экспериментальными данными для образцов и пластин из материалов различной плотности и сжимаемости.

Выполнено исследование экономичного и экологически чистого метода утилизации нитроцеллюлозных порохов, извлекаемых из боеприпасов с истекшим сроком хранения. Пороха использованы для замены порошка алюминия в эмульсионных взрывчатых веществах. Проведено сравнение результатов измерения детонационных параметров ряда составов, состоящих из взрывчатых материалов и порохов, с аналогичными данными для обычных эмульсионных взрывчатых веществ, которые содержат алюминий в качестве энергетического компонента.

Образцы нанокристаллической меди получены путем интенсивного пластического деформирования при взрывном нагружении крупнокристаллической меди. Динамические механические свойства нанокристаллической меди исследованы методом разрезного стержня Гопкинсона. Результаты экспериментов показывают, что размер зерна при взрывном нагружении крупнокристаллической меди может быть меньше 100 нм. Двойникование и образование дислокаций являются основными механизмами измельчения зерен. Динамический предел текучести нанокристаллической меди возрастает с уменьшением среднего размера зерна и ростом скорости деформирования.