Главная – Журналы – Физика горения и взрыва 2014 номер 6

Численно решена задача о стабилизации волны фильтрационного горения предварительно перемешанной смеси газов в пористой цилиндрической горелке. Задача рассматривалась в двух постановках. В первом случае решена одномерная стационарная задача о горении газов в пористой цилиндрической горелке с учетом радиационного теплопереноса внутри пористого каркаса и выходом излучения с поверхности горелки. Во втором случае задача решена в рамках традиционной одномерной стационарной диффузионно-тепловой модели фильтрационного горения газов с учетом радиационных теплопотерь только с внешней поверхности горелки. Проведено сравнение результатов, полученных по двум моделям. Показано, что радиационный теплоперенос оказывает значительное влияние на процесс фильтрационного горения в пористом теле, в частности на распределение температуры в газе и в твердом теле, а также на радиус стабилизации фронта горения. Установлено, что потери тепла в виде излучения во внешнюю среду в значительной степени обусловлены излучением от внутренних слоев пористого тела за счет радиационного телопереноса, а не только излучением с внешней поверхности горелки.

Экспериментально исследовано воспламенение стехиометрической метановоздушной смеси в установке быстрого сжатия при температуре 900÷1200 К и давлении 1÷1.2 МПа. В ходе экспериментов зарегистрировано возникновение ярких точек в тракте установки. Измерения показали, что свечение в объеме появлялось практически сразу после окончания такта сжатия, в то время как воспламенение метановоздушной смеси начиналось только через 4÷5 мс. Предположительно, эти яркие точки вызваны воспламенением мелкодисперсных частиц. Экспериментально получено, что воспламенение этих частиц вызывает уменьшение времени задержки воспламенения газовой смеси. Для теоретического описания этого явления предложена физико-математическая модель воспламенения смесей метан — кислород — азот/аргон в присутствии мелких металлических частиц, учитывающая как детальные кинетические механизмы химических превращений реагирующей газовой смеси, так и приведенные кинетические механизмы окисления металлических частиц. Расчеты по этой модели показали, что при низкой температуре (менее 1100 К) воспламенение частиц приводит к уменьшению периода задержки воспламенения газовой смеси.

Реализованы тепловой взрыв и самораспространяющийся высокотемпературный синтез в низкокалорийных смесях системы SiO₂–Al, прошедших предварительную механическую активацию. Приведены результаты рентгенографического и электронно-микроскопического исследования микроструктуры и фазового состава активированных смесей и продуктов реакции. Установлено, что полное восстановление кварца алюминием реализуется только в режиме теплового взрыва.

Рентгенодифракционным методом с использованием синхротронного излучения впервые исследовано влияние фазового состава порошка сплава на основе алюминия, содержащего 1.3 % бария, и продуктов его взаимодействия с воздушной средой на кинетику и механизм окисления. Установлено, что высокие поверхностная и химическая активность бария приводят к активации окисления алюминия за счет неоднородности фазового состава барьерного слоя продуктов взаимодействия на поверхности частиц.

Исследовался синтез порошка диборида магния MgB₂ в режиме теплового взрыва. В результате экзотермической реакции, возникающей при нагреве смеси порошков магния и бора до температуры ≈600 ºC, образуется качественный продукт. Проведен его рентгенофазовый и термический анализ. Установлено, что из смеси порошков алюминия и бора при тех же температурных условиях диборид алюминия AlB₂ не образуется.

Проведено численное исследование горения пылевых частиц магния микронных размеров на основе модели источников тепла. Определена скорость распространения пламени при изменении концентрации пыли и диаметра частиц. Проведено сравнение результатов экспериментов, полученных при разном времени горения. Исследована минимальная энергия зажигания как функция концентрации пыли для частиц разного диаметра. Результаты расчетов хорошо согласуются с экспериментальными данными.

В работе исследовались характеристики воспламенения, горения и окисления порошков аморфного и кристаллического бора с использованием лазерной инициирующей системы и термогравиметрического анализа. Наблюдались пламена желтого, зеленого и белого свечения. При массовой доле порошка аморфного бора K < 0.33 горение смеси находилось в стадии воспламенения, постепенно с ростом K наступала стадия горения. Интенсивность спектра излучения снижалась на 3/4 при уменьшении K от 1 до 0.75. При K< 0.33 видимого спектра эмиссии не обнаружено. Найдено, что время задержки воспламенения существенно уменьшается с увеличением K, но при K < 0.8 меняется слабо. При более высоких значениях K пик температуры в методе дифференциальной термогравиметрии ниже, а прирост массы и максимальная скорость реакции выше. Для изучения кинетики реакции окисления таких смесей применялся метод Сатавы – Сестака. При повышении K от 0 до 1 расчетная кажущаяся энергия активации снижалась от 297 до 191 кДж/моль. В диапазоне K = 0.23÷0.75 кажущаяся энергия активации преимущественно составляла 280 кДж/моль.

Выполнено численное моделирование твердофазного зажигания смесевого топлива одиночной, нагретой до высокой температуры металлической частицей в форме диска малого размера. В координатах "амплитуда теплового потока — время задержки зажигания" выделена область устойчивого инициирования горения типичного смесевого твердого топлива при локальном нагреве источником ограниченной энергоемкости. Проведено сопоставление предельных амплитуд тепловых потоков при зажигании конденсированного вещества в условиях кондуктивного и радиационного нагрева.

Представлены физико-математическая модель и метод расчета параметров выхода РДТТ на рабочий режим с учетом конструктивных особенностей заряда, начальных условий в двигателе и взаимосвязанных процессов: формирования и движения по каналу заряда волн сжатия и ударных волн; движения и смешения продуктов сгорания воспламенителя, содержащих конденсированную фазу, с начальным газом и продуктами горения заряда; постепенного прогрева и воспламенения поверхности заряда. Разработанная программа применена к обоснованию различающихся экспериментальных зависимостей давление — время на участке выхода на рабочий режим крупногабаритного модельного двигателя, полученных на стенде при атмосферных условиях и в баростенде при начальном давлении в двигателе 0.25·10⁵ Па. Показано, что при зажигании заряда в вакууме создаются более благоприятные условия для теплоотдачи, чем при атмосферном давлении: в канале — за счет повышения скорости движения продуктов сгорания воспламенителя за прошедшей ударной волной, в утопленной области и щелях заряда — за счет минимального поглощения излучения продуктов сгорания находящимся там разреженным начальным газом (воздухом).

Разработана физико-математическая модель ударно-волнового инициирования взрыва кислородсодержащих пузырьков, находящихся в жидких углеводородных горючих. Модель использована для расчета взрыва пузырьков, в которых начальная концентрация паров горючего находится вне концентрационных пределов воспламенения. Показана принципиальная возможность конденсации паров горючего при сжатии переобогащенного горючим пузырька, находящегося в жидком циклогексане при относительно высокой начальной температуре. Конденсация приводит к снижению концентрации горючего в газе меньше верхнего концентрационного предела воспламенения. В результате становится возможным взрыв первоначально негорючего пузырька. Сделана оценка скорости конденсации. Она достаточно велика, чтобы существенно изменить химический состав газа за время первой пульсации пузырька. Выполнен расчет взрывных пределов пузырька в зависимости от начального давления, температуры и амплитуды ударной волны. Учет конденсации приводит к расширению области взрывных пределов. Рассмотрены пузырьковые жидкости (2–этилгексанол и кумол), в которых концентрация паров горючего изначально меньше нижнего концентрационного предела воспламенения. Показано, что испарение жидкости, вызванное механическим перемешиванием фаз, может сместить химический состава газа внутрь области воспламенения, что при соответствующем росте температуры газа приводит к взрыву пузырька. Результаты расчетов соответствуют экспериментальным данным. Впервые на качественном уровне рассмотрены взрывные процессы в пузырьковых средах, содержащих жидкое монотопливо. Высказано предположение о возможности многократного взрыва одиночного пузырька при его нагружении серией ударных волн и многократного прохождения детонационной волны по жидкости с распределенными в ней пузырьками, что может быть использовано для генерации серии мощных акустических сигналов в окружающем пространстве.

Исследована микроочаговая модель лазерного инициирования взрывного разложения, учитывающая плавление матрицы энергетического материала и содержащегося в ее объеме нанометаллического включения. Исследованы закономерности разогрева наночастицы в инертной матрице, построена зависимость максимальной температуры на поверхности включения от его радиуса. Показано, что процессы плавления приводят к уменьшению максимальной температуры нагрева и незначительному изменению радиуса наиболее прогретой наночастицы. Рассчитаны зависимости критической плотности энергии инициирования взрывного разложения пентаэритриттетранитрата (тэна) с наночастицами алюминия от радиуса включения с учетом и без учета плавления. При учете плавления модель дает повышенные значения критической плотности энергии инициирования взрывного разложения. В случае включений большого радиуса формирование очага реакции взрывного разложения происходит раньше полного плавления металлического включения, что приводит к его затвердеванию на стадии индукционного периода.

Исследованы метательная способность и скорость расширения продуктов детонации взрывчатых веществ на основе гексогена и октогена, а также их смесей с дисперсным Al. Измерения проводили как в воздухе при атмосферном давлении, так и в разреженной атмосфере. Сравнение полученных результатов показало, что продукты детонации взрывчатых веществ, в том числе без добавок Al, реагируют с окружающим воздухом. Полнота реакции возрастает с увеличением скорости движения продуктов детонации в воздухе.

Определена ударная адиабата эмульсионной матрицы на основе водного раствора аммиачной селитры при давлениях до 30 ГПа, существенно превышающих расчетное давление детонации, на которой в диапазоне 13÷15 ГПа зарегистрирована "скачкообразная" особенность, связанная с возможным разложением эмульсии при высоком ударном давлении.

На примере алюминия рассмотрены варианты постановки экспериментов, в которых предварительно разрушенные образцы (в опытах на откольное разрушение) в дальнейшем компактируются при повторном ударном нагружении. По результатам экспериментально-расчетного исследования и металлографического анализа сохраненных в опытах образцов определено давление компактирования алюминия ≈2 ГПа.

Представлены результаты экспериментов по безоткольному и откольному (со смыканием откола) метанию стальных пластин зарядами октогенсодержащего ВВ различной исходной толщины при наличии и отсутствии воздушного зазора между шашкой ВВ и метаемой пластиной. Динамику разгона пластины одновременно регистрировали двумя независимыми лазерно–интерферометрическими методиками, построенными по разным схемам с использованием лазеров с различными длинами волн. Опыты проводили в интересах метрологической аттестации новой лазерно-гетеродинной методики по данным ранее метрологически аттестованной лазерно-интерферометрической методики по схеме Фабри — Перо.

Разработаны новые расчетно-экспериментальные методы исследования тепловых процессов, протекающих при сварке металлов взрывом, основанные на применении естественных и локальных термопар и позволяющие достоверно строить температурные поля в околошовной зоне и термические циклы сварки. Выявлены основные закономерности тепловых процессов в околошовной зоне при сварке взрывом. Теоретически показано и экспериментально подтверждено, что в этой зоне теплота, выделяющаяся при детонации взрывчатого вещества, может существенно повышать температуру контактирующих слоев металла и приводить к оплавлению последних.

Представлена информация о разработке нового бесконтактного метода измерения нестационарной массовой скорости газификации, основанного на динамической регистрации количества исследуемого вещества в микроволновом датчике резонаторного типа. Конструкция датчика обеспечивает измерение скорости газификации при интенсивном обдуве поверхности образца, имеющего канальное отверстие для прохода газового потока.

При изучении поднятого диффузионного пламени в режиме, переходном от ламинарного к развитому турбулентному, зарегистрированы структуры во фронте горения, обладающие пониженной интенсивностью собственного свечения с ярко выраженным контуром. Возникновение таких структур в пламени носит спонтанный характер и может происходить на значительном удалении от точек поджога (области стабилизации поднятого пламени).