Главная – Журналы – Физика горения и взрыва 2012 номер 5

Устойчивость горения и узкие пределы стабилизации - наиболее важные вопросы для микрогорелок (характерный размер 1 мм), поскольку увеличение теплопотерь может привести к тепловому гашению пламени. Водород является потенциальным топливом для микрогорелок вследствие его высокой удельной теплотворной способности и широких концентрационных пределов распространения пламени. В работе изучались бедные пламена предварительно перемешанных водородовоздушных смесей, стабилизированные в недавно предложенной кольцевой микрогорелке. Выполнены детальные численные расчеты для осесимметричного случая, учитывающие детальную кинетику, многокомпонентную диффузию, теплоперенос, тепловое излучение из газовой и твердой фаз. Показано, что стабилизация пламени происходит за счет предварительного подогрева смеси, несмотря на то что температура стенки выше температуры самовоспламенения. Показана важность реакций с участием Н в кинетике микропламен в низко- и высокотемпературных областях микрогорелки.

Обсуждаются ранее проведенные экспериментальные и численные исследования, направленные на установление механизма образования малых ароматических соединений, которые являются потенциальными предшественниками полициклических ароматических углеводородов и сажи. В частности, изучены предварительно перемешанные пламена, стабилизированные на плоской горелке при пониженном давлении ≈15÷30 Торр, с целью выявления основных химических путей образования ароматических соединений в пламенах малых углеводородов C₃-C₆. Методом зондовой молекулярно-пучковой времяпролетной масс-спектрометрии исследованы пламена аллена, пропина, 1,3-бутадиена, циклопентена и изомеров C₆H₁₂: 1-гексена, циклогексана, метилциклопентана и 3,3-диметил-1-бутена. Экспериментальные данные по идентификации отдельных изомеров и результаты детального численного моделирования позволили установить основные пути распада горючего, влияние структуры молекулы горючего на образование ароматических соединений и их предполагаемых предшественников. Особое внимание уделено исследованию роли резонансно-стабилизированных свободных радикалов в пламенах топлив, имеющих различную молекулярную структуру. Несмотря на то, что пропаргильные и аллильные радикалы играют главную роль в образовании ароматических соединений в пламенах показано, что в горение 1,3-бутадиена, 3,3-диметил-1-бутена и метилциклопентана вносят также вклад реакции с участием других резонансно-стабилизированных радикалов, таких как i-C₄H₅ и C₅H₅. Процесс дегидрирования горючего является важным шагом на пути образования бензола в пламени циклогексана, а также, возможно, в пламени метилциклопентана.

Рассмотрены наиболее существенные случаи искажения состава газа при отборе пробы для масс-спектрометрического анализа: пламя охлаждается, подходя к входному отверстию относительно холодного торца пробоотборника, происходит это в пограничных слоях до того, как проба достигает в горле входного отверстия местной скорости звука; проба охлаждается благодаря тому, что ее скорость становится равной скорости звука; при сверхзвуковом расширении в первой вакуумной камере происходит резкое падение температуры и плотности. Показано, что возмущения во внешнем пограничном слое существенно уменьшаются при использовании более широкого входного отверстия. Однако увеличение диаметра входного отверстия пробоотборника приводит к большей продолжительности сверхзвукового расширения и тем самым к росту вероятности возмущения при отборе пробы внутри зоны расширения. Эти эффекты были продемонстрированы экспериментально при изучении поведения ионов в различных пламенах, в которых охлаждение в пограничном слое достигало 400 K, а общее охлаждение - по меньшей мере, 700 K. Рассмотрено влияние охлаждения пламени при пониженном давлении и изменения в нем отношения удельных теплоемкостей газа на состав пробы. Для компенсации искажения можно ввести поправки, экстраполируя измерения до условий либо бесконечно большого, либо бесконечно малого диаметра отверстия пробоотборника в зависимости от того, возмущается ли образец в пограничном слое или же при сверхзвуковом расширении. Найдена константа скорости одной из реакций, протекающих в процессе сверхзвукового расширения: H₃O⁺ + H₂O + M →H₃O⁺·H₂O + M.

Измерения во взрывных бомбах с вентиляторными мешалками показали, что скорость турбулентного горения первоначально линейно растет при увеличении скорости вращения лопаток и среднеквадратичных значений турбулентных пульсаций скорости. Затем зависимость изгибается и выходит на плато высоких значений, соответствующих максимальной скорости горения. При дальнейшем увеличении скорости вращения лопаток возможно полное гашение пламени за счет увеличения числа очагов гашения вследствие интенсивного растяжения пламени. Чем больше число Маркштейна, тем легче происходит гашение. Проведен одномерный анализ распространения пламени вдоль канала, закрытого с одного конца, с учетом и без учета препятствий, увеличивающих турбулентность. Пламя инициируется у закрытого конца длинного канала. В силу механизма обратной связи для турбулентного горения пламя ускоряется, создавая впереди себя ударную волну, и достигает максимальной для данной смеси скорости турбулентного горения. Смесь, ограниченная стенками, сжимается между пламенем и плоскостью ударной волны до точки, где возможно самовоспламенение, что может сопровождаться переходом дефлаграции в детонацию. Максимальная интенсивность ударной волны достигается при максимальной скорости турбулентного горения, что и определяет предел самовоспламенения смеси. В более реакционноспособных смесях самовоспламенение может произойти при скоростях турбулентного горения ниже максимальных. Самовоспламенение может сопровождаться квази- или полностью развитой детонацией. Обсуждаются вопросы устойчивости возникающей детонации, а также условия ее возможного срыва.

Растворы на основе нитрата гидроксиламмония (HAN) представляют интерес для улучшения экологических характеристик ракетного монотоплива. Однако этому препятствует высокая скорость горения. Чтобы прояснить механизм предельно высоких скоростей горения растворов на основе HAN, изучались характеристики горения их водных растворов. Обнаружено, что роль двухфазной области очень важна, интенсивное кипение воды за счет перегрева служит причиной высокой скорости горения. Рассмотрена гидродинамическая неустойчивость и оценена ее зависимость от давления. Обнаружено, что на неустойчивость сильно влияет число Маркштейна. Монотопливо на основе HAN было применено в двигателях небольшой экспериментальной модели сверхзвукового летательного аппарата и использовано в первом испытании его свободного падения. Испытание оказалось успешным, и в деталях описано в данной статье.

Развита газодинамическая модель течения в горящей двухфазной среде. Модель основана на расширенной теории низкоплотной гетерогенной среды, в которой дискретная фаза термодинамически моделируется как некоторый газ (с давлением p₂, температурой T₂ и внутренней энергией u₂, которая для твердых сфер определяется в соответствии с кинетической теорией при γ₂ = 5 / 3). Для этого «дискретного газа» определены законы сохранения массы, импульса и полной энергии. Кроме того, для частиц определяются собственная температура T_s , связь теплоемкости с внутренней энергией их материала e_s = c_s T_s и соответствующий закон сохранения энергии. В данной формулировке уравнения для обеих фаз являются гиперболическими и разделены, так что для каждой фазы определяется свой полный набор собственных значений и собственных векторов. Законы сохранения для каждой фазы могут быть проинтегрированы с применением схемы Годунова высокого порядка. Уравнения фаз связаны только законами сопротивления, тепло- и массообмена. В рамках модели проведены численные расчеты горения частиц алюминия при взрыве зарядов ударно-диспергируемого горючего. В силу присущей задаче точечной симметрии, поля течений осреднялись азимутально в направлениях θ и ϕ, откуда были определены средние значения и среднеквадратичные отклонения радиальных распределений термодинамических параметров, полей скорости и параметров в зоне реакции. Установлено, что давление в «дискретном газе» влияет на поток только на начальной стадии ускорения частиц, когда через порошок проходит сначала волна уплотнения, а затем волна разрежения от свободной поверхности. Затем давление в фазе частиц быстро убывает и ускорение частиц определяется главным образом сопротивлением. Тем не менее это оказывает влияние на процесс диспергирования, поскольку форма облака горящих частиц несколько отличается от результатов предыдущих исследований.

Представлены оригинальные результаты в области синтеза фуллеренов, углеродных нанотрубок и супергидрофобной сажи в углеводородных пламенах, а также данные по самораспространяющемуся высокотемпературному синтезу наноматериалов, полученные за последние годы в Институте проблем горения.

Экспериментально исследовано влияние температуры окружающей среды в диапазоне от -42 до 25 C на скорость распространения пламени над пленками жидкого и твердого топлива на металлической подложке в термически тонкой системе. Показано, что предложенная ранее модель процесса распространения пламени удовлетворительно описывает зависимость скорости пламени от начальной температуры. Не обнаружено сильного влияния фазового перехода топлива в твердое состояние на скорость пламени. Предел стационарного распространения пламени обусловлен невозможностью обеспечить достаточную толщину испаряющейся пленки вследствие эффекта Марангони.

Методами молекулярно-пучковой масс-спектрометрии, динамического масс-спектрометрического термического анализа, микротермопар, термогравиметрии, газовой хромато/масс-спектрометрии исследовано термическое разложение и горение сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ) с добавками трифенилфосфата (ТФФ) при атмосферном давлении. Изучена кинетика термического разложения чистого СВМПЭ и в смеси с ТФФ при высоком (≈150 К/с) и низком (0.17 К/c) темпах нагрева. Определены эффективные значения константы скорости и энергии активации реакции термического разложения. Измерены скорости горения и профили температур в пламени СВМПЭ и СВМПЭ + ТФФ. Определен состав продуктов горения в зоне пламени, прилегающей к поверхности горения образцов. Обнаружены пары ТФФ в пламени. Установлено, что добавление ТФФ к СВМПЭ приводит к снижению горючести полимера. Показано, что ТФФ как антипирен действует как в конденсированной, так и в газовой фазе.

На основе анализа кинетического механизма определены ключевые реакции горения синтез-газа при повышенных начальных температурах (T₀ = 500÷700 K) и давлении (p = 10÷30 атм). Разработан сокращенный механизм реакций окисления синтез-газа, состоящий из 14 элементарных реакций при участии 13 соединений, который удовлетворительно описывает результаты экспериментов по скорости распространения пламени смесей синтез-газа с кислородом и инертными разбавителями при T₀ = 300÷700 K, p = 10÷30 атм и соотношениях CO/H₂ = 0.05÷0.95, а также удовлетворительно предсказывает структуру пламени и зависимость концентрационных пределов распространения пламени от начальной температуры при атмосферном давлении.

Предложена модель зажигания реакционноспособного конденсированного вещества мощным импульсом излучения из высокотемпературной области через переходный слой, образующийся у поверхности вещества. Проведено численное исследование процесса в зависимости от параметров переходного слоя при различных длительностях импульса излучения. Проанализированы закономерности роста переходного слоя, характер изменения температурного поля в веществе и переходном слое, определены предельные режимы зажигания.

Методом молекулярно-пучковой масс-спектрометрии с фотоионизацией синхротронным излучением исследована структура плоских, предварительно перемешанных пламен C₂H₄/O₂/Ar и C₂H₄/C₂H₅OH/O₂/Ar при давлении 30 Tорр (4 кПа) с коэффициентами избытка горючего φ = 1 и 2. Показано, что замена части этилена этанолом в исходной смеси понижает концентрацию ряда промежуточных частиц пламени, в том числе и предшественников образования сажи C₃H₃ и C₆H₆. Полученные данные важны для разработки, анализа и дальнейшего усовершенствования детальных кинетических механизмов горения смесей углеводородных и оксигенированных топлив

Приведены результаты численного моделирования процесса самораспространяющегося высокотемпературного синтеза на основе модели, учитывающей гетерогенность смеси порошков реагентов и взаимную диффузию, зависящую от температуры. Получены зависимости скорости фронта горения от размера осредненного элемента гетерогенной структуры при различных значениях энергии активации диффузии. Выявлено, что при увеличении энергии активации диффузии распространение фронта горения переходит в колебательный режим. Определена граница перехода от стационарного режима распространения фронта горения к колебательному.

Представлены результаты исследования влияния дисперсности порошка алюминия в составе конденсированных систем на характеристики зажигания, нестационарного горения и на акустическую проводимость поверхности горения. Анализ экспериментальных данных показал, что задержка зажигания и температура поверхности горения исследуемых составов гетерогенных конденсированных систем уменьшаются при увеличении дисперсности порошка алюминия, а характер зависимости нестационарной скорости горения от времени сброса давления в камере сгорания для составов, содержащих микронный или ультрадисперсный порошок алюминия, качественно соответствует феноменологической теории нестационарного горения. Замена микронного порошка алюминия на ультрадисперсный в составе гетерогенной конденсированной системы увеличивает акустическую проводимость.

Рассматривается образование композиционного материала при безгазовом горении слоевого пакета. Горение внешних донорных слоев вызывает плавление внутреннего инертного слоя с последующим затеканием расплава в поры каркаса. Глубина затекания, определяющая структуру композиционного материала, зависит от размера пор, поверхностного натяжения, параметров фазового перехода и изменения поля температур.

Представлены результаты экспериментального исследования скорости стационарного горения и содержания твердых веществ в продуктах сгорания смесевых композиций с бесхлорным окислителем и активным горючим-связующим в диапазоне давлений 0.025÷6.0 МПа. Проанализировано влияние каталитических добавок (диоксида кремния и сажи), дисперсности порошка алюминия и технологии изготовления образцов на характеристики горения рассмотренных смесевых композиций.

Численно исследовано взаимодействие одиночного, химически активного пузырька в воде с акустическими волнами в рамках модели двумерного нестационарного течения идеальной сжимаемой среды. Границы между фазами явно выделены. Показано, что инициирование взрыва пузырька может определяться характером его деформации. Несферичность деформации и образование струй приводят к взрыву даже в отсутствие коллапса пузырька. Показана возможность взрыва пузырька в волне разрежения, передачи детонации от одного пузырька к другому и, таким образом, возникновения пузырьковой детонации.