Главная – Журналы – Физика горения и взрыва 2016 номер 2

С единых позиций рассмотрены явления, сопровождающие вырожденно-разветвленные и сплошь разветвленные цепные реакции. В случае вырожденно-разветвленных цепных реакций к таким явлениям относятся отрицательный температурный коэффициент, холодные пламена и осцилляции, имеющие место при медленном горении углеводородов. Еще одно явление - прерывистые пламена - сопровождает сплошь разветвленную цепную реакцию низкотемпературного горения водорода при пониженном давлении в присутствии добавок SO₂. Эти кинетические проявления цепных разветвленных процессов характеризуются многообразием элементарных реакций с участием промежуточных соединений и свободных радикалов различного строения. Кинетической особенностью цепных реакций обоих типов является одновременное участие активного центра, ответственного за разветвление цепей, в реакции разветвления и параллельно в реакции продолжения ординарной цепи.

Измерены нормальные скорости распространения пламени в смесях метанол/воздух, а также при добавлении в эти смеси 4.5 и 7.2 % водорода в качестве второго горючего, в широком диапазоне коэффициента избытка горючего и при начальных условиях 0.16 МПа и 354 К. Показано, что предложенный ранее механизм горения смесей СО, СН₂ О и СН₃ ОН с воздухом с удовлетворительной точностью применим для многокомпонентных смесей, содержащих водород и метанол.

Методом зондовой молекулярно-пучковой масс-спектрометрии измерены профили молярных концентраций реагентов, основных продуктов реакции и промежуточных веществ, в том числе прекурсоров полициклических ароматических углеводородов, в пламени предварительно перемешанной богатой (коэффициент избытка горючего1.75) смеси н -гептан/толуол/O₂/Ar, стабилизированном на плоской горелке при атмосферном давлении. Отношение объемов жидкостей н -гептан/толуол в топливной смеси составляло 7 : 3. Проведено моделирование химической структуры пламени с применением детального механизма химических реакций, проверенного на экспериментальных данных других авторов по горению смеси н -гептан/толуол и включающего в себя реакции образования полициклических ароматических углеводородов. Механизм расширен перекрестными реакциями с участием производных н -гептана и толуола. В целом получено удовлетворительное согласие новых экспериментальных данных и результатов численного моделирования, однако обнаружены расхождения между измеренными и рассчитанными профилями молярных долей некоторых соединений. Анализ показал, что в пламени смеси н -гептан/толуол основными реакциями, приводящими к образованию соединений низшего ароматического ряда (бензол и фенил), являются реакции, типичные для пламени чистого толуола.

При изучении методом PIV бунзеновского конического пламени предварительно перемешанной метановоздушной смеси установлено наличие сложной газодинамической структуры внутренней части конуса. В данной системе скорость набегающего на фронт пламени потока газа в различных частях конуса пламени непостоянная, а трубки тока не являются прямолинейными. Обсуждается эффект Ландау - Маркштейна при интерпретации экспериментальных данных. Предложенная авторами методика обработки результатов PIV-измерений позволила повысить точность определения скорости горения и количественно определить каталитическое влияние субмикронных частиц TiO₂, которое пропорционально площади поверхности частиц. Относительное увеличение скорости горения составило 2 % на каждые »0. 01 см²/см³ (поверхность частиц / объем газа) суммарной удельной площади поверхности частиц. Моделирование с использованием известных в литературе данных по детальному механизму химических реакций и механизму каталитического окисления метана кислородом на оксидах металлов хорошо описывает полученные экспериментальные данные.

Выполнено экспериментальное исследование влияния электрического поля, вектор напряженности которого вращается вокруг оси факела, на форму диффузионного пламени пропана. Применение спектрозональной регистрации позволило получить информацию о распределении интенсивности излучения на длинах волн промежуточных продуктов реакции (ОН, СН и С₂). Изменение положения максимума интенсивности собственного излучения пламени на различных длинах волн свидетельствует о влиянии такого электрического поля на процессы смешения, а именно об их интенсификации в сравнении с режимом без воздействия. Это может оказаться полезным для повышения эффективности сжигания газообразного углеводородного топлива.

Проанализированы экспериментальные данные по критическому давлению возгорания в газообразном кислороде фрагментов титановых сплавов, полученных при разрушении образцов в динамическом режиме (p₂*) и в условиях естественной конвекции (p₁*), в сопоставлении с коэффициентами теплоотдачи от инициаторов возгорания материалов в аналогичных условиях. Из вида экспериментальных термограмм охлаждения пластин установлен коэффициент теплоотдачи α₂ ~ 11 кВт/(м² · К) от микрократеров с ювенильной поверхностью, образующихся в результате вырывания из пластины высокоскоростным потоком частиц металла. Величина α₂ близка к значению этого показателя, рассчитанного с использованием коэффициента теплоотдачи α₁ ~ 5 кВт/( м² · К) от микрофрагментов (порядка размера зерна металла) титановых стержней, образованных при их разрыве в кислороде в условиях естественной конвекции, с учетом соотношения p₂*/p₁*.

Представлена математическая модель горения смесевого твердого топлива ALICE (замороженной суспензии нанодисперсного алюминия в воде), в которой учитывается горение наночастиц алюминия в парах воды, движение продуктов сгорания, отставание скорости частиц от газа. Результаты расчета скорости горения соответствуют экспериментальным данным по зависимости скорости горения ALICE от давления.

Исследованы процессы алюмотермического восстановления некоторых оксидных систем в режиме твердофазного горения в среде азота в установке высокого давления с целью получения нитридсодержащих композитов. Определены свойства продуктов синтеза, полученных при различных давлениях азота.

Проведено численное моделирование горения при проявлении эффекта Вилюнова - Дворяшина, заключающегося в снижении скорости горения при обдуве поверхности газификации топлива газообразными продуктами горения. Рассмотрены случаи эндотермической и экзотермической реакций газификации твердого топлива. Эффект Вилюнова - Дворяшина может приводить к прекращению горения еще до достижения коэффициентом эрозии минимального значения 0.61. Возможно также возникновение автоколебательного горения. Моделирование горения топлива, близкого по свойствам к пороху Н, показало качественное согласие теоретических и экспериментальных результатов. Но оно также выявило необходимость более точных данных по условиям проведения и результатам экспериментов. В значительном усовершенствовании нуждаются и существующие модели горения твердых ракетных топлив.

Исследована кинетика реакции окисления алмазного порошка, сажи П-803 и ОСУНТ-сырья (материал, получаемый в процессе электродугового синтеза однослойных углеродных нанотрубок) в потоке водяного пара в диапазоне температуры 600-1315 К. Определены параметры кинетических уравнений. Установлено, что зависимость скорости окисления от температуры состоит из трех участков с различными значениями энергии активации.

На основе численного моделирования двумерных нестационарных течений газовзвеси анализируется вклад столкновений частиц в процессы диспергирования при взаимодействии ударных волн с плотными пылевыми слоями. Используется модель столкновительной динамики двухфазной среды, основанная на молекулярно-кинетических подходах. Модель тестирована на задаче о прохождении ударной волны вдоль плотного слоя частиц, получено согласование с известными данными экспериментов. Рассмотрена также задача о взаимодействии взрывной волны с плотным слоем на плоской поверхности. Проведен сравнительный анализ различных механизмов воздействия на частицы и влияния начальных параметров слоя на динамику подъема частиц. Показаны слабое влияние силы Саффмана и неоднородности поверхности слоя (волнистости) и существенная роль силы Магнуса в диспергировании слоя непосредственно за ударной волной. Вклад столкновительной динамики частиц в некоторых случаях сопоставим с влиянием силы Магнуса. Подъем пыли за счет развития неустойчивости Кельвина - Гельмгольца имеет место на поздних стадиях процесса.

В макроскопическом приближении построена математическая модель синтеза в предварительно механоактивированной смеси SiO₂ + Al. Показано, что предварительная механоактивация позволяет реализовать твердофазное воспламенение и провести синтез продуктов Al₂ O₃ и Si в режиме теплового взрыва. С использованием экспериментальных данных определены теплофизические и термокинетические константы процесса.

Реализован сверхадиабатический режим теплового взрывав механически активированных стехиометрических смесях вольфрама с сажей. Определены режимы предварительной механической активации смесей и последующего теплового взрыва, позволяющие получать монофазный карбид WC с субмикронным размером зерна. Проведена оценка запасенной образцом в результате предварительной активации механической энергии. Представлены результаты рентгенографического и электронно-микроскопического исследования механоактивированных образцов и продуктов теплового взрыва.

В рамках микроочаговой модели теплового взрыва рассчитаны зависимости критической плотности энергии инициирования взрывного разложения азида свинца и радиуса наиболее прогретой наночастицы от длительности импульса первой гармоники неодимового лазера (1064 нм). Расчет проведен с учетом зависимости коэффициента эффективности поглощения лазерного импульса от радиуса наночастицы свинца. Радиус наночастицы свинца (в азиде свинца) при максимальном значении коэффициента эффективности поглощения (1.18) составил 74 нм. При коротких длительностях импульса (менее 40 нс) радиус наиболее прогретой наночастицы свинца в матрице азида свинца изменяется незначительно (менее 15 % ) и составляет 63.5 нм в пределе коротких длительностей импульса. Учет зависимости коэффициента эффективности поглощения лазерного импульса от радиуса наночастицы позволяет разрешить парадокс малых частиц.

С использованием лазерного интерферометра VISAR измерены профили массовой скорости в детонационных волнах в смесях нитрометана с ацетоном и метанолом с добавкой сенсибилизатора диэтилентриамина. Показано, что даже малые, порядка 1 %, концентрации инертных разбавителей ацетона и метанола приводят к потере устойчивости одномерного детонационного фронта в нитрометане. Из результатов экспериментов следует, что сенсибилизатор является эффективным методом стабилизации течения, причем, если концентрация инертного разбавителя не превышает 10 %, детонационный фронт становится устойчивым при добавлении 1 % диэтилентриамина. При более высокой концентрации разбавителя сенсибилизатор не подавляет неустойчивость, однако в несколько раз уменьшает амплитуду осцилляций. Обнаружено увеличение скорости детонации при добавлении в смесь диэтилентриамина.

Для измерения температуры ударного сжатия обратной эмульсии на основе водного раствора аммиачной и натриевой селитр применены две экспериментальные методики: планарная термопара в диапазоне давления 3.4-12 ГПа и метод оптической пирометрии в диапазоне 9-22 ГПа. Экспериментальные данные, полученные при помощи термопары, согласуются с расчетными. Результаты оптических измерений существенно превышают данные расчета и указывают на наличие объемно-неоднородного температурного поля за фронтом ударной волны в эмульсии, обусловленного структурной неоднородностью исследуемой среды.