Главная – Журналы – Физика горения и взрыва 2017 номер 3

Проведено численное исследование горения водородно-воздушной смеси в модельной камере сгорания прямоточного воздушно-реактивного двигателя с раздельной подачей водорода и воздуха при активации молекул О₂ резонансным лазерным излучением с длиной волны 762.3 и 193.3 нм. Расчет выполнен на основе параболизованных уравнений Навье - Стокса с учетом химических превращений, воздействия лазерного излучения, а также неравномерности параметров воздуха на входе в камеру сгорания за счет сложной газодинамической структуры потока в воздухозаборнике. Показано, что перераспределение подачи водорода через систему топливных пилонов может обеспечить рост полноты сгорания на выходе из камеры сгорания в 2.8 раза. Облучение узкой области потока резонансным лазерным излучением позволяет дополнительно повысить полноту сгорания, причем более эффективно при длине волны 193.3 нм. Применение такого воздействия совместно с перераспределенным подводом водорода повышает полноту сгорания более чем в 4.7 раза по сравнению с базовым вариантом. При этом на 95 % увеличивается составляющая продольной силы по участку внутреннего проточного тракта двигателя, обеспечивающему положительный вклад в тягу. Оценка энергетической эффективности использования лазерного излучения показала, что количество подведенной энергии лазерного излучения, необходимой для получения данного эффекта, в 40¸80 раз (в зависимости от способа подачи топлива) меньше прироста химической энергии (по сравнению со случаем отсутствия излучения), выделяющейся при сжигании топлива. Ключевые слова: прямоточный воздушно-реактивный двигатель, камера сгорания, водород, горение, полнота сгорания, резонансное лазерное излучение.

Проведено экспериментальное исследование воздействия сфокусированного импульсно-периодического излучения СО₂-лазера на инициирование и развитие процесса распространения горения в до- и сверхзвуковом потоке гомогенных топливовоздушных смесей (Н₂ + воздух, СН₄ + воздух). Излучение СО₂-лазера распространялось поперек потока и фокусировалось линзой на оси струи. Для регистрации структуры течения применялась теневая схема со щелью и плоским ножом, расположенным вдоль потока. Изображение фиксировалась скоростной камерой с временем экспозиции 1.5 мкс и частотой кадров 1000 с^-1. Изучена структура зоны горения на примере собственного свечения пламени на длинах волн радикалов ОН и СН. В проведенных экспериментах методами эмиссионной спектроскопии исследовано распределение интенсивности излучения компонентов в области оптического разряда.

Необходимость поиска химически активных добавок, способных снизить горючесть диметилового эфира, является актуальной задачей в связи с расширяющимся применением эфира в качестве экологически чистого альтернативного моторного топлива. В настоящей работе численными методами изучена химия самовоспламенения смесей диметилового эфира с воздухом в присутствии атомарного железа. Установлено, что атомарное железо, являющееся эффективным ингибитором предварительно перемешанных ламинарных пламен углеводородов, сокращает период индукции. При этом добавка влияет только на первую стадию периода индукции. Механизм промотирования атомарным железом низкотемпературного окисления диметилового эфира в смеси с воздухом заключается в образовании гидроксилов в реакциях с участием соединений железа. Поскольку добавка практически не изменяет продолжительность второй стадии периода индукции, можно предположить, что радикалы OH играют незначительную роль в низкотемпературном окислении диметилового эфира на этой стадии.

Исследовалось влияние температуры силана и влажности окружающей среды на характер воспламенения. Измерена критическая скорость истечения, при которой воспламенение происходит с задержкой при различных температурах силана и влажности окружающего воздуха. Получено, что логарифм критической скорости истечения пропорционален обратной температуре силана. Установлено, что влага, содержащаяся в воздухе, оказывает сильное ингибирующее действие на самовоспламенение силана. Сделан вывод о том, что быстрому воспламенению силана способствуют его высокая температура и низкая влажность окружающей среды.

Дано описание экспериментальной установки и методики определения полноты сгорания газовой и конденсированной фаз продуктов газификации борсодержащих энергоемких конденсированных составов в высокоэнтальпийном дозвуковом воздушном потоке. Приведены результаты исследования процессов горения двухфазной топливной смеси в канале постоянного сечения при различных температурах, давлениях и соотношениях компонентов. Выявлены закономерности горения борсодержащей конденсированной фазы в высокоэнтальпийном воздушном потоке. Представленные данные могут быть полезны при проведении расчетных и экспериментальных исследований рабочих процессов в энергосиловых установках.

Представлен анализ возможностей и выполнено экспериментальное исследование гибридного газогенератора для использования в ракетно-прямоточном двигателе. Такая система имеет ряд преимуществ в части безопасности, технических характеристик, стоимости, доступности топливных компонентов, надежности хранения и управления тягой. Комбинация парафинового воска и кислорода в газогенераторе обеспечивает высокую скорость эрозии и малое соотношение расхода окислителя к топливу (на уровне 0.14 по сравнению со стехиометрическим соотношением 3.4). Полученная зависимость скорости выгорания горючего от удельного расхода окислителя демонстрирует главное преимущество рассматриваемого типа газогенератора в плане динамического регулирования скорости горения по сравнению с классическим твердотопливным газогенератором, где требуется механически воздействовать на сопло для изменения давления в камере и соответствующего изменения скорости горения. Сравнение характеристик ракетно-прямоточного двигателя (с различными видами окислителя) и классического прямоточного воздушно-реактивного двигателя показывает более высокую удельную тягу первого типа двигателя и более высокий удельный импульс - для второго.

Исследуется распространение цилиндрической ударной волны в запыленном газе звездной атмосферы при воздействии монохроматического излучения постоянной интенсивности на единицу площади. Газ считается серым и светонепроницаемым, ударная волна - прозрачной. Запыленный газ рассматривается как смесь неидеального газа и мелких твердых частиц. Для определения особенностей распространения ударной волны мелкие твердые частицы рассматриваются как псевдожидкость и условия равновесности принимаются постоянными во всем поле течения жидкости. Исследуется влияние изменения параметров неидеальности газа, массовой концентрации твердых частиц в смеси, отношения плотности твердых частиц к начальной плотности газа и параметра излучения на параметры потока. Установлено, что увеличение параметра неидеальности газа и параметра излучения способствует ослаблению ударных волн, в то время как с ростом отношения плотности твердых частиц к начальной плотности газа интенсивность ударной волны увеличивается. Увеличение параметра неидеальности газа и отношения плотности твердых частиц к начальной плотности газа оказывает противоположное влияние на скорость жидкости, давление и интенсивность ударной волны. Показано, что увеличение параметра излучения приводит к уменьшению параметров течения и интенсивности ударной волны. Ключевые слова: ударная волна, автомодельное течение, запыленный газ, неидеальный газ, монохроматическое излучение.

Приведены результаты экспериментов по исследованию ударного сжатия образцов дейтеридов и гидридов ванадия следующих составов: VХ_0.51, VХ_{0.7- 0.9} и VХ _{≥ 1.6}, где Х - это Н или D. Эксперименты проводили в диапазоне давления 20÷140 ГПа. Описана технология синтезирования образцов с использованием электролитического ванадия с содержанием основного вещества не менее 99.7 %. Для определения ударных адиабат дейтеридов и гидридов ванадия использовался известный метод отражения. Для сжатия образцов применялись генераторы ударных волн, основанные на использовании зарядов взрывчатых веществ разной мощности. Полученные экспериментальные данные описаны уравнением состояния, разработанным с использованием модели, в которой теплоемкость, коэффициенты Грюнайзена ионов и электронов являются функциями плотности и температуры. При низкой температуре теплоемкость меняется в соответствии с теорией Дебая. Учитывается снятие вырождения электронного газа при повышении температуры. Эффективно учитывается влияние процессов ионизации на термодинамические функции.

Испытания нового органо-неорганического энергетического материала - метиламин-триэтилендиамин триперхлората (МТ), синтезированного быстрым однореакторным методом, показали высокую скорость детонации этого материала и меньшую чувствительность по сравнению с контрольным энергетическим материалом - TНT. Рентгенодифракционным методом определена молекулярная и кристаллическая структура МТ. Вещество кристаллизуется в моноклинную систему (пространственная группа Pn) с размерами ячейки a = 8.975(18), b = 17.836(4), c = 10.455(2) Å. Зонная структура и плотность состояний рассчитаны при помощи кода CASTEP. Зонная структура, плотность состояний и энергия Ферми рассчитаны из первых принципов в приближении сильной связи и обобщенного градиентного приближения. Результаты показали, что основной механизм сокристаллизации связан с образованием водородных связей Cl-O^…H между -ClO₄ и -NH₂.

Частицы угля под воздействием ударных волн могут подвергаться быстрой фрагментации, пиролизу и горению, в результате чего повышаются интенсивность и эффективность сжигания, при этом фрагментация играет решающую роль в данном процессе. Воздействие ударной волны моделировалось в настоящей работе как совместное воздействие конвекции и излучения через поверхность и теплопроводность внутри частицы угля. Для исследования разрушения определяли локальные температуры внутри угольной частицы и соответствующие термические напряжения. Разлом частицы моделировался тремя параметрами вероятности Вейбулла, позволяющими предсказывать место и время разлома. Моделирование показало, что частицы распыленного угля размером до 250 мкм под действием ударных волн при различных операционных, тепловых и физических параметрах могут испытать первоначальное разрушение в течение 150 мкс. Для частиц размером d ≥ 50 мкм или при использовании более сильных ударных волн (с числами Маха M ≥5) преобладает поверхностное отшелушивание, в то время как при меньших размерах (d le 25 мкм) доминирует внутренняя фрагментация. Исследование первичных разломов показало, что распыленный уголь с основным размером частиц d ≤ 100 мкм сортов от бурого до битумного потенциально пригоден для детонационного сгорания в волнах с числами Маха 3÷6. Частицы угля при непрерывном воздействии условий за ударной волной подвергаются рекурсивному процессу отслоения до ядра размером 20÷40 мкм, после чего следует фаза внутренней фрагментации, которая протекает до тех пор, пока размер ядра не составит 1÷3 мкм. Значительно более мелкие частицы угля, порядка таких внутренних фрагментированных ядер, практически не разрушаются по причине низких тепловых напряжений, вызванных быстрым равномерным нагревом. Валидация модели разлома выполнена путем сравнения расчетных задержек воспламенения с данными экспериментов. История фрагментации указывает на существенное увеличение площади поверхности частиц, а также температуры при ударном воздействии, в отличие от обычного процесса. В результате скорости реакций при установлении воспламенения возрастают на порядки величины, что может сохраняться на протяжении всей стадии горения.

Представлены результаты численного анализа вязкопластической модели процесса формирования горячих точек, базирующейся на твердофазном механизме очагового воспламенения пористого энергетического материала при ударно-волновом нагружении. Изучен сильновязкий режим схлопывания пор, представляющий наибольший интерес в теоретических исследованиях процесса ударно-волнового инициирования гетерогенных энергетических материалов. Описание межфазного теплообмена проводилось в предположении, что газ является совершенным и допустимо использование условия его гомобаричности (однородности по давлению). Проведен параметрический анализ и установлены специфические особенности влияния теплопереноса и межфазного теплообмена на критические условия ударно-волнового инициирования химической реакции в пористом энергетическом материале.

Реакционно-активные материалы представляют собой новый класс энергетических материалов, которые чрезвычайно эффективно высвобождают энергию под действием сильной ударной нагрузки. Исследовалось ударное инициирование смеси алюминий/политетрафторэтилен. Определены значения давления инициирования этой смеси при различных условиях. Критическое давление инициирования составляет приблизительно 1.44 ГПа. Установлено, что при длительности ударной нагрузки порядка нескольких миллисекунд критическое давление инициирования реакции в этом материале слабо зависит от плотности образца. При ударном инициировании существенную роль играют работа пластической деформации и теплота внутреннего трения. Показано, что при ударном инициировании скорость высвобождения энергии выше, чем при поверхностном зажигании.

В реальном масштабе времени измерены спектрально-кинетические характеристики свечения тэна с включениями наночастиц железа при лазерном инициировании взрыва (длина волны 1 064 нм, длительность импульса 14 нс). Во время действия импульса лазерного излучения наблюдается свечение образцов, в микросекундном временном интервале происходит взрывчатое разложение. Методом спектральной пирометрии установлена тепловая природа взрывчатого свечения. Оценка температуры взрыва дала значение 3 400 ± 100 K.

Проведено измерение близких к идеальным скоростей детонации относительно больших зарядов высокодисперсного перхлората аммония (ПХА) и его смесей с различными взрывчатыми веществами (ВВ) в толстостенных стальных трубах. Найдены зависимости скорости детонации ПХА от его плотности и скорости детонации смесей от соотношения компонентов и кислородного коэффициента смесей. Впервые предложен расчет скорости детонации трехкомпонентных составов ПХА/ВВ/Al.

Приведены результаты экспериментального исследования влияния конструктивных параметров (диаметр, высота, плотность) на развитие взрывчатого превращения энергоемкого металлокомплекса НКТ при мостиковом инициировании. Проведено их сравнение с результатами, полученными при ударно-волновом инициировании.

С использованием коммерческого кода LS-DYNA проведено моделирование внедрения струи от линейного кумулятивного заряда в пластину титанового сплава TC4 (Ti-6Al-4V) средней толщины. Полученные профили разрушения находятся в хорошем соответствии с экспериментальными наблюдениями, что подтверждает правильность кода и модели Джонсона - Кука, используемой для описания титановой пластины. На основе сравнения результатов моделирования и экспериментов построена картина разрушения пластины.