Главная – Журналы – Физика горения и взрыва 2012 номер 3

В связи со 100-летним юбилеем К. И. Щёлкина проведен анализ его работ по теории детонационного спина, в которых он впервые указал на газодинамическую природу явления, предсказал наличие излома переднего фронта детонационной волны и создал предпосылки для дальнейших исследований структуры течения при спиновой детонации.

Представлено развитие ряда идей К. И. Щёлкина в исследованиях Института химической физики им. Н. Н. Семёнова РАН, среди которых открытие различного влияния сильной и слабой турбулентности на поверхностное горение, изучение явлений вблизи места возникновения детонации, экспериментальная демонстрация возможности химической самоподготовки взрывчатой смеси и открытие определяющей роли газодинамических факторов при переходе горения в детонацию.

Проанализированы способы оптимизации перехода горения в детонацию в горючих смесях. Изложены некоторые экспериментальные результаты по оптимизации процесса в «плоских» и расходящихся волнах, полученные с высокоэффективными ускорителями

Проведен анализ различных аспектов режима звуковых скоростей, одного из стационарных режимов фильтрационного горения газов. Рассматриваются условия реализации и область существования режима, скоростные и структурные характеристики волны горения, механизмы воспламенения и горения газа, условия стабилизации скорости волны, режимные переходы. Характерная особенность режима - наличие волны давления в зоне турбулентного пламени, обусловленной явлением «запирания» каналов и узостей. Основными факторами, определяющими природу и свойства режима звуковых скоростей, являются гидравлическое сопротивление, пьезодиффузия, энергетика смеси, сжимаемость и турбулентность газа, реакционная способность смеси в условиях повышенных давлений и температур. Режим звуковых скоростей - уникальный, интригующий и перспективный для приложений режим горения.

Прямым численным моделированием задачи о детонации свободного объема газовой смеси исследовано изменение состава продуктов детонации, определены границы применимости модели химически равновесной смеси и проверено доказанное ранее достаточное условие применимости модели химически равновесной смеси. Подтверждены результаты о границах применимости модели химически равновесной смеси, полученные ранее приближенным методом.

Дан краткий обзор полученных в ИТПМ СО РАН результатов математического моделирования распространения волн гетерогенной детонации в смеси мелких частиц алюминия в кислороде, воспламенения мелких частиц металлов в отраженных и проходящих ударных волнах, высокотемпературных потоках газов. Рассматривались одномерные стационарные и одно- и двумерные нестационарные течения реагирующей смеси. Определены течения в виде волн недосжатой, пересжатой детонации и детонации Чепмена - Жуге. Показаны устойчивость течения Чепмена - Жуге и недосжатой детонации относительно взаимодействия с волнами разрежения. Определены режимы сильного и слабого инициирования, для которых получено неплохое соответствие расчетных и экспериментальных значений энергии инициирования. В рамках двумерных нестационарных детонационных течений найдены слоевая детонация и ячеистая детонация для моно- и полидисперсных смесей. Разработаны оригинальные численные коды для решения нелинейных краевых задач воспламенения отдельных частиц. Внимание обращалось на точность передачи интегральных параметров (времени горения) некоторых экспериментальных данных в зависимости от температуры окружающей среды и др. Описано решение однофазной задачи Стефана о плавлении наноразмерной частицы.

Зарегистрированы параметры детонационных волн в гомогенных и гетерогенных взрывчатых веществах, определены зависимости длительности зоны химической реакции от критического диаметра. В жидких взрывчатых веществах исследован переход от устойчивого к неустойчивому режиму детонации, при этом зарегистрирован режим нормальной детонации с затянутым ударным скачком и определен период индукции теплового взрыва.

Определяющая роль формы фронта в процессе распространении детонационной волны в газообразных смесях была обоснована К. И. Щёлкиным при построении теории спиновой детонации. Впоследствии однозначная связь искривления фронта с параметрами детонационной волны была многократно подтверждена в экспериментах, в том числе для конденсированных взрывчатых веществ (ВВ). Существование такой связи легло в основу построения теории динамики детонационного фронта, получившей развитие к концу XX в. В работе приведены результаты исследования распространения фронта детонационной волны в цилиндрических образцах низкочувствительного ВВ различного диаметра при одноточечном и плосковолновом инициировании. Установлена однозначная связь скорости детонации с кривизной фронта детонационной волны. В предположении зависимости скорости детонации от кривизны фронта получены обыкновенные дифференциальные уравнения, описывающие профили стационарного двумерного детонационного фронта для зарядов ВВ в форме пластины, цилиндра и кольца. При этом учитывалось, что краевой угол между нормалью к фронту и краем ВВ уникален для каждой комбинации ВВ и материала облицовки. Обнаружено, что один и тот же профиль детонационного фронта соответствует нескольким комбинациям материала облицовки и определяющего размера заряда (толщины пластины, радиуса цилиндра или внутреннего радиуса кольца). Сравнение экспериментальных профилей фронта вблизи краев зарядов ВВ для этих комбинаций дает данные по зависимости скорости детонации от кривизны фронта для низких скоростей, соответствующих режимам вынужденной детонации. Анализ ранее полученных данных для детонирующих кольцевых зарядов низкочувствительного ВВ показал, что при уменьшении скорости детонации полная кривизна фронта стремится к пределу около 0.05 мм^-1, т. е. порядка обратного критического диаметра. Предел кривизны фронта позволяет предсказывать критический диаметр детонации.

Приведены экспериментальные зависимости ширины зоны реакции и критического диаметра детонации от начальной плотности при изменении плотности эмульсионного взрывчатого вещества (ВВ) от 0.5 до 1.33 г/см³. В качестве сенсибилизатора использовались микробаллоны из стекла. Для эмульсионного ВВ характерна U-образная зависимость критического диаметра от плотности, а время реакции и ширина зоны реакции монотонно увеличиваются с плотностью ВВ. Давление детонации исследуемых композиций изменяется в диапазоне 0.6 ÷ 12 ГПа.

Критические условия инициирования детонации в прессованном тротиле алюминиевыми и медными ударниками различной толщины использованы для определения модели его горения в условиях ударного сжатия. Численные значения входящих в нее констант определены из сравнения экспериментальных результатов с теоретическими зависимостями, описывающими поведение кривых потухания, разделяющих области инициирования и отказа детонации тротила. Теоретические выражения получены с использованием теории нестационарного горения порохов. При давлении 6 ГПа зависимость скорости горения от давления имеет излом.

Исследован вопрос о возможных стационарных режимах детонации, рассматриваемых как фазовый переход с точкой Чепмена - Жуге. Применена теорема Гленсдорфа - Пригожина о минимальном производстве энтропии для отбора стационарного режима Чепмена - Жуге.

Радиографическим методом исследован процесс возбуждения детонации пластифицированного ТАТБ при ударно-волновом нагружении от накладного заряда-инициатора из взрывчатого состава на основе октогена. В экспериментах варьировался размер инициатора и начальная плотность заряда ТАТБ. При инициировании детонации ТАТБ часть вещества не реагирует, образуя так называемые «темные» зоны. По мере развития процесса детонация огибает «темные» зоны, не инициируя вещество внутри них. Проведено сравнение эволюции площади «темных» зон для образцов разной начальной плотности и для инициаторов различных размеров. По изображениям взрывного процесса построены контуры характерных границ и X-t-диаграммы распространения фронта детонационной волны при разных режимах нагружения. Получены и проанализированы распределения плотности за фронтом расходящейся детонационной волны в различные моменты времени.

Представлены результаты экспериментального исследования структуры зоны реакции при стационарной детонации в нитрометане и его смесях с метанолом. Для чистого нитрометана определены характерное время реакции и детонационные параметры. Для смеси нитрометан/метанол представлена зависимость параметров детонации смеси от концентрации метанола. Показано, что в чистом нитрометане и при малых добавках метанола детонационный фронт устойчив либо размер неоднородностей фронта не превышает 1 мкм. При концентрации метанола 10 % и выше наблюдается неустойчивость фронта.

Продолжены исследования, связанные с выяснением природы и механизма предела распространения детонации по концентрации при разбавлении жидких взрывчатых веществ невзрывчатыми жидкостями. В широком диапазоне концентраций разбавителя исследовано влияние на процесс детонации разбавления тетранитрометана метанолом. В экспериментах по подрыву смесей в стальных трубах различного диаметра получены данные по критическим (предельным) диаметрам. Проведено сопоставление с результатами выполненных ранее исследований смесей нитрометана с метанолом и нитробензолом. Рассмотрены отличия, обусловленные химическим взаимодействием тетранитрометана как активного окислителя с метанолом в качестве горючего компонента.

Исследованы вероятность взрыва, а также давление продуктов взрывного разложения при импульсном лазерном воздействии (1 060 нм, 20 нс) на образцы тэна плотностью 1.73 г/см³ с различным содержанием наночастиц Al. Экспериментально установлено, что максимальная чувствительность и максимальное давление продуктов взрыва достигаются при массовой концентрации наночастиц 0.1 %. При этом чувствительность смеси увеличивается в ≈100 раз относительно образцов, не содержащих наночастиц. Наблюдаемый эффект связан с поглощением излучения непосредственно наночастицами с образованием «горячих точек», что приводит к инициированию экзотермической реакции в основном веществе. Показано, что при добавке 0.1 % Al чувствительность к удару уменьшается относительно образцов без добавки. Это позволяет рассматривать данный смесевой состав как перспективный материал для светодетонаторов. Ключевые слова: лазер, инициирование, тэн, наноматериалы, взрыв.

Экспериментально исследовано инициирование пузырьковой детонации короткой ударной волной от взрыва проволочки, находящейся в химически активной пузырьковой среде. Определены критические энергии инициирования детонации при различной объемной концентрации пузырьков. Показано, что при таком способе инициирования волна сжатия выходит на детонационный режим на длине ≈0.3 м. Установлено, что при взрыве проволочки внутри газожидкостной среды можно уменьшить критическую энергию инициирования пузырьковой детонации более чем на два порядка по сравнению с ее инициированием волной газовой детонации.
Ключевые слова: взрыв проволочки, ударная волна, скорость звука, жидкость, пузырьковая среда, пузырьковая детонация.