Главная – Журналы – Физика горения и взрыва 2012 номер 1

На примере горения порошка титана исследован ячеистый режим фильтрационного горения пористых энергетических составов, взаимодействующих с активным газовым реагентом и образующих конденсированные продукты реакции. Предложен простой и визуально доступный квазидвумерный экспериментальный анализ нелинейной динамики распространения фронта горения с регулируемым фильтрационным транспортом газа. В условиях недостатка газового реагента и неустойчивости плоский фронт фильтрационного горения распадается на изолированные ячейки экзотермического химического взаимодействия, распространяющиеся в пульсирующем режиме. Дана трактовка полученных результатов в рамках модели теплофильтрационной устойчивости фронта фильтрационного горения.

Представлена математическая модель фильтрационного горения газов, учитывающая теплопроводность, диффузию и интенсивный межфазный теплообмен. Используется аппроксимация температурной зависимости скорости химической реакции в виде δ-функции и учитывается коэффициент термического расширения газов за фронтом горения. Методом малых возмущений проведен анализ нестационарных режимов горения. Найдены границы продольной и пространственной устойчивости стационарных режимов волны фильтрационного горения. Наряду с другими соотношениями, вдоль границы устойчивости получена зависимость числа Льюиса от коэффициента термического расширения смеси газов.

В рамках одномерной диффузионно-тепловой модели теоретически исследованы характеристики радиационного теплового потока из расширяющегося микроканала, в котором происходит горение предварительно перемешанной смеси газов. Полученные результаты обобщены на случай горения газа в пористой среде, состоящей из набора отдельных, регулярно упакованных микроканалов. Показано, что при расчете эффективности радиационных пористых горелок и при моделировании стабилизации пламени внутри пористой среды необходимо учитывать радиационный поток из подповерхностных слоев пористого тела.

Разработаны методика и система отбора пробы химически активного газа из гиперзвукового потока с высокими параметрами торможения. Приведены результаты экспериментального исследования состава рабочего тела на срезе сопла импульсной аэродинамической трубы ИТ-302М ИТПМ СО РАН. При нагреве в форкамере установки воздуха до 3000 К только за счет электрической дуги объемная концентрация кислорода в рабочей части установки уменьшается с 21 до 18%, что в ряде испытаний газодинамических моделей с горением может потребовать введения в форкамеру кислорода, компенсирующего его уменьшение. При использовании, наряду с электрической дугой, водорода с целью увеличения энергетики установки определена степень завершения в форкамере реакции сгорания водорода с воздухом. При минимально возможном для установки ИТ-302М вкладе электрической энергии (из условий обеспечения стабильности горения дуги) полнота сгорания водорода составляет ≈0.9 для очень бедных водородовоздушных смесей, в которых концентрация водорода значительно ниже концентрационных пределов воспламенения при нормальных условиях. Полнота сгорания быстро приближается к единице при росте концентрации водорода в форкамере и увеличении вклада электрической энергии.

Создан программный комплекс для сопряженной задачи моделирования внутрикамерных процессов функционирования скрепленного с корпусом осесимметричного заряда твердого топлива, позволяющий прогнозировать внутрибаллистические, прочностные и газодинамические характеристики ракетного двигателя в течение полного времени его работы. Проведенными исследованиями расчетных и экспериментальных внутрибаллистических характеристик удалось продемонстрировать качественно новые возможности расчетного метода для прогнозирования и исследовать ряд интересных закономерностей внутренней баллистики ракетного двигателя на твердом топливе. Обосновано снижение или исключение согласующих коэффициентов в законе скорости горения топлива при прогнозировании, уменьшение разбросов и сокращение количества испытаний двигателей, необходимых для отработки характеристик, а также показано, что режим газодинамически устойчивой работы двигателя определяется модулем упругости топлива.

Предложена математическая модель для описания воспламенения и горения углеводородного топлива (пара керосина в воздухе). На основе анализа экспериментальных данных по зависимости времени задержки воспламенения от температуры получены аппроксимационные формулы для задержки воспламенения в зависимости от концентраций компонентов, давления и температуры смеси. Предложен метод определения предэкспоненциального множителя в уравнении кинетики горения керосина как функции локальной температуры смеси, что позволило удовлетворительно описать время горения смеси. На основе данной кинетики описана структура детонационной волны в стехиометрической и обедненной

Изучен процесс синтеза мезопористых нанокристаллических пленок TiO₂ в пламени предварительно перемешанной горючей смеси H₂/O₂/Ar (12.9/14.4/72.7% по объему) с добавкой 0.1% тетраизопропоксида титана (Ti(OC₃H₇)₄). Стабилизация пламени и осаждение наночастиц TiO₂ осуществляются на плоскости вращающегося диска. Исследовано пространственное распределение температуры и концентрации основных соединений в пламени. Проведена проверка применимости использованной кинетической схемы реакций и метода расчета для описания структуры исследуемого пламени. Установлено, что данный метод позволяет синтезировать сферические кристаллические наночастицы TiO₂ со средним диаметром 12 нм, узким распределением по размеру (σ = 1.45) и полиморфной модификацией анатаза, которые могут быть использованы для производства солнечных батарей и датчиков газоанализаторов.

Методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) синтезированы керамические пигменты шпинельного типа. Получение алюмоникелевых и алюмокобальтовых пигментов в мелкодисперсном состоянии представляет собой сложный стадийный (комбинированный) процесс, протекающий с восстановительной стадией и одновременной естественной фильтрацией воздуха. Установлено, что в случае образцов малого диаметра наблюдается плоский фронт горения, который переходит в многоочаговый на больших образцах. Представлена зависимость скорости горения от пористости. Максимальные значения скорости горения данных систем зарегистрированы при пористости 50 ÷ 60%. СВС-пигменты в порошкообразном состоянии получены впервые.

Предложено и обосновано модельное уравнение для нестационарной скорости горения твердого ракетного топлива. В диапазоне частот, представляющем практический интерес, предложенная модель согласуется с феноменологической теорией нестационарного горения, однако она более удобна для практических расчетов, так как сводится к обыкновенному дифференциальному уравнению второго порядка относительно скорости горения. Проведено параметрическое исследование переходного процесса в РДТТ при изменении площади минимального сечения сопла в широком диапазоне параметров твердого ракетного топлива. Модель предсказывает колебательные режимы горения и погасание топлива при сбросе давления. Определена граница устойчивости переходного процесса в координатах <чувствительность скорости горения к изменению давления — чувствительность скорости горения к изменению начальной температуры>. Показано, что расчеты, выполненные по этой модели, качественно и количественно согласуются с экспериментальными данными для натурного РДТТ.

С целью качественного моделирования результатов экспериментов по зажиганию и гашению энергетических материалов световым импульсом проведены численные расчеты с использованием модели нестационарного горения плавящихся энергетических материалов. Для обеспечения устойчивости режимов самоподдерживающегося горения после прекращения облучения были специально подобраны параметры модельного состава, соответствующие режиму горения с ведущей ролью газовой фазы. В координатах <амплитуда потока излучения — время облучения> получена область устойчивого зажигания для составов с различной прозрачностью при трех формах поджигающего импульса: прямоугольной, линейно убывающей до нуля и экспоненциально убывающей. Рассчитаны также условия гашения стационарно горящего состава прямоугольным световым импульсом.

Рассмотрена модель горения с ведущей реакцией в конденсированной фазе (к-фазная модель горения). На основе анализа результатов многочисленных термопарных исследований горения энергетических материалов показано, что в волне горения вещество в конденсированной фазе прогревается до максимально возможной температуры — температуры кипения при данном давлении. Установлено, что горение таких представителей класса ониевых солей, как перхлорат аммония, нитрат аммония, динитрамид аммония и нитроформат гидразина, в широком интервале давлений и начальных температур подчиняется к-фазной модели. Приведены кинетические параметры ведущей реакции горения этих солей.

Численным решением уравнений Максвелла в трехмерной постановке изучены основные закономерности распространения электромагнитного импульса в твердотопливной энергетической установке. Рассмотрен случай, когда вектор электрического поля в воздействующем импульсе направлен параллельно оси симметрии конструкции. Показано влияние свойств твердого топлива на особенности формирования электрических полей внутри твердотопливной энергетической установки и в окружающем ее пространстве.

С использованием электромагнитного метода определен набор данных, характеризующих процесс детонации в смесях нитрометана с нитробензолом. Установлена зависимость давления продуктов детонации от концентрации нитробензола. В экспериментах по подрыву смесей в стальных трубах различного диаметра получена информация о влиянии степени разбавления нитрометана нитробензолом на способность детонировать. Результаты работы сопоставлены с результатами выполненных ранее аналогичных исследований смесей нитрометана с метанолом.

Приведены результаты измерения двумя методами скорости звука в ударно-сжатых образцах олова с начальной плотностью 7.28 г/см³ и содержанием примесей не более 0.085%. В диапазоне давлений 30 ÷ 150 ГПа скорость звука определена методом догоняющей разгрузки с использованием индикаторных жидкостей. Для регистрации свечения жидких индикаторов использовались оптические датчики на основе фотодиода. При давлениях ударного сжатия 5÷18 ГПа скорость звука в олове измерена методом встречной разгрузки с применением манганиновых датчиков. Проведено сравнение экспериментальных данных с расчетами и результатами других авторов. Выявлены границы области плавления олова на ударной адиабате.