Главная – Журналы – Физика горения и взрыва 2018 номер 6

Представлены результаты численных и экспериментальных исследований высокоскоростного течения в плоском канале с внезапным расширением в виде обращенного по потоку уступа, который используется в качестве стабилизатора пламени в сверхзвуковом потоке. Эксперименты проведены в высокоэнтальпийной установке кратковременного действия ИТ-302М при числе Маха на входе в камеру сгорания 2.8, числе Рейнольдса 30х10⁶ м^-1 и полной температуре T₀ = 2000 K для условий, близких к полетным при числе Маха 6. Математическое моделирование выполнено на основе полных нестационарных осредненных уравнений Навье - Стокса, дополненных k-ω SST-моделью турбулентности и блоком химической кинетики, содержащим 38 прямых и обратных реакций горения водородовоздушной смеси. Исследованы три конфигурации уступа: прямой без предварительного воздействия, с предварительным сжатием, с предварительным расширением. Показано, что конфигурация обратного уступа оказывает существенное влияние на размеры отрывных областей, распределение давления и температуру в канале за уступом, от которых зависит самовоспламенение смесей. Расчетные данные показывают, что предварительное сжатие создает условия для эффективного воспламенения смеси и позволяет получить воспламенение подготовленной водородовоздушной смеси и устойчивое горение по всей высоте канала.

Представлены результаты экспериментального исследования пространственной структуры зоны химического реагирования в турбулентном потоке закрученной струи методом панорамной лазерно-индуцированной флуоресценции формальдегида. Рассмотрено горение метановоздушной смеси при атмосферном давлении и различных значениях коэффициента избытка топлива ϕ: горение пламени в виде обращенного конуса при ϕ = 0.7 и 1.4 и горение поднятого пламени при ϕ = 2.5. Помимо мелкомасштабных деформаций, изменение формы области химического реагирования сопряжено с двумя типами крупномасштабных когерентных структур, а именно: практически осесимметричная мода деформации фронта пламени, предположительно обусловленная действием сил Архимеда на продукты горения, и вращение асимметричной моды вследствие прецессии закрученного потока.

На основе модифицированного закона Фурье с учетом релаксации теплового потока и скалярной величины градиента температуры, разработана математическая модель локально-неравновесного процесса теплового воспламенения систем с экспоненциально изменяющимся от температуры внутренним источником тепла. Выполненные исследования при граничных условиях первого рода показали, что учет пространственно-временной нелокальности приводит к возрастанию времени задержки теплового воспламенения. Кроме того, показано, что при учете релаксационных свойств материала граничные условия не могут быть приняты мгновенно, а лишь по истечении определенного времени. Следовательно, количество теплоты, подводимой к системе, имеет предел, зависящий от физических (в том числе и релаксационных) свойств среды.

Проведено теоретическое исследование процессов термической подготовки и зажигания капли водоугольного топлива при интенсивном радиационно-конвективном нагреве в условиях диффузии газообразных продуктов пиролиза твердого топлива во внешнюю газовую среду. Установлено, что газообразные продукты пиролиза воспламеняются на расстоянии от поверхности нагрева, примерно равном радиусу капли, после чего происходит зажигание кокса основного слоя топлива. При этом время между воспламенением летучих и коксового остатка составляет менее 0.5 с. Сравнение времен задержки зажигания, полученных путем математического моделирования и экспериментально, показало удовлетворительное соответствие теоретических и экспериментальных значений.

Разработана физико-математическая модель воспламенения и горения метановоздушной смеси в присутствии микрочастиц угля, учитывающая детальную кинетику окисления газовой смеси метан/водород/воздух и процессы термической деструкции частиц угля с выходом летучих (метан и водород) в газовую фазу, воспламенение и горение летучих в газовой фазе и гетерогенную реакцию окисления углерода. Показано, что добавление частиц угля в метановоздушную смесь в диапазоне температуры 900¸1450 К уменьшает ее время задержки воспламенения. Кроме того, добавление частиц угля в метановоздушную смесь приводит к смещению предела воспламенения газовой смеси в сторону более низких температур. Получено удовлетворительное соответствие расчетных данных по времени задержки воспламенения угля в смеси воздух/уголь и по времени задержки воспламенения метана и угля в смеси метан/воздух/уголь с экспериментальными данными, полученными на установке быстрого сжатия.

Выполнено CFD-моделирование процесса горения синтетического топлива, образованного в системах термохимической регенерации тепла отходящих дымовых газов за счет паровой конверсии метана. Исследования проведены в программном продукте ANSYS Fluent. Выполнено научное обоснование и верификация заложенных в ANSYS Fluent физико-математических подходов для задачи моделирования горения многокомпонентных водородсодержащих газовых смесей. Для верификации численных результатов использованы экспериментальные данные. Выполнено визуальное сравнение контуров факела, полученного при сжигании синтез-газа при числах Рейнольдса 600, 800, 1000. Во всех случаях наблюдается очевидная сходимость результатов. Установлено, что изменение температуры топливно-воздушной смеси на входе в камеру сгорания не оказывает существенного влияния на температуру продуктов сгорания. Полученные результаты имеют практическую значимость для проектирования горелочных узлов теплотехнологических установок с термохимической регенерацией тепла.

Приближенным аналитическим методом возмущений исследовано влияние скорости деформации, коэффициента избытка горючего и диаметра частиц на горение в противотоках бедной смеси микрочастиц алюминия с воздухом. Пламя было аппроксимировано тремя зонами: зоной предварительного подогрева, фронтом пламени и зоной продуктов горения. Наблюдается приемлемое согласие между результатами расчета и экспериментальными данными по температуре пламени. Получены безразмерные значения максимальной температуры и температуры воспламенения, положения и толщины пламени в зависимости от скорости деформации при разных диаметрах частиц и коэффициентах избытка горючего. Результаты показывают, что с ростом скорости деформации максимальная температура и температура воспламенения, а также толщина пламени уменьшаются. С уменьшением скорости деформации увеличивается зона предварительного подогрева. С ростом диаметра частиц увеличивается ширина пламени, а температура воспламенения и максимальная температура пламени снижаются. Увеличение коэффициента избытка горючего приводит к повышению конечной температуры пламени и уменьшению зоны предварительного подогрева и ширины пламени.

Представлены результаты экспериментального исследования процессов зажигания и горения конденсированных систем, содержащих энергетические наполнители - порошки алюминия, бора, боридов алюминия и титана. Рассмотрены составы на основе углеводородного и активного горючего-связующего с комбинированным окислителем - перхлоратом и/или нитратом аммония. Проведена термодинамическая оценка баллистических характеристик исследуемых композиций. Показано, что единичный импульс увеличивается на 3.5 % при замене алюминия на бор в рассмотренных составах. Экспериментально обнаружено снижение времени задержки зажигания борсодержащих составов в условиях кондуктивного и лучистого теплообмена, а также увеличение стационарной скорости горения составов, содержащих бор и бориды алюминия. Определена эффективность влияния энергетических наполнителей на характеристики конденсированных систем в зависимости от состава комбинированного окислителя.

Изучена зависимость удельного импульса безметалльных энергетических композиций на базе высокоэнтальпийных органических окислителей от элементного состава и энтальпии образования окислителя, природы и объемного содержания смесевого связующего, состоящего из углеводородной и активной составляющих. При заданном объемном содержании связующего можно увеличить удельный импульс композиций на базе окислителей с коэффициентом обеспеченности кислородом 0.6¸1.3 путем нахождения оптимального массового соотношения углеводородной и активной составляющих в связующем. Оптимальное содержание углеводородной составляющей растет от 0 до 100 % при росте коэффициента обеспеченности окислителя кислородом от 0.6 до 1.3.

Тест отпечатка - один из простейших инструментов для быстрого определения давления детонации. Тест основан на корреляции давления детонации с глубиной вмятины, создаваемой взрывчатым веществом на металлической пластине-свидетеле. Настоящее исследование направлено на разработку модели для оценки глубины отпечатка, которая используется не только для определения давления, но и для оценки бризантности относительно эталонного взрывчатого вещества. Показано, что экспериментальные значения глубины отпечатка для взрывчатых веществ на основе CHNO и CHNOClF могут быть успешно воспроизведены с использованием модели, основанной на нескольких параметрах, а именно: исходной плотности взрывчатого вещества, количестве молей газообразных продуктов детонации на 1 г взрывчатого вещества и средней молекулярной массы газообразных продуктов, причем число молей и средняя молекулярная масса газообразных продуктов рассчитываются в соответствии с предположением о произвольном разложении [H₂O-CO₂]. Предсказанные значения глубины отпечатка и метод Камлета - Джейкобса использованы для оценки давления детонации 37 взрывчатых веществ. Результаты показывают, что давления, полученные по глубине отпечатка, лучше согласуются с данными экспериментов и термохимическими расчетами, чем определенные методом Камлета - Джейкобса.

Проведена регистрация теплового излучения слоя воды, ударно-сжатого падающей и отраженной от окна из LiF волнами в диапазоне интенсивности падающей волны 28-36 ГПа. Сделаны оценки потерь светового потока на границах. Выполнен расчет температуры воды при ее сжатии одной и двумя ударными волнами, результаты которого хорошо согласуются с экспериментальными данными.

Экспериментально исследовано распространение пламени при взрыве горючего газа в закрытой трубе длиной 12 м и внутреннего диаметра 0.125 м при разной энергии зажигания. Показано, что увеличение энергии зажигания приводит к большей интенсивности взрыва, более высоким значениям максимального пика давления и динамической деформации тонкой стенки в целом. Динамическая деформация тонкостенной трубы начинается вследствие прихода ударной волны-предвестника и затем колеблется в течение долгого времени, что связано с приходом отраженных прямых и обратных волн. Имеет место хорошее соответствие между сигналами динамической деформации и волны давления. Результаты исследований могут послужить теоретическим базисом при экспертизе аварий с промышленными взрывчатыми веществами, а также при проектировании конструкций, устойчивых к взрыву и ударным волнам, и могут стать основой методических рекомендаций по промышленной безопасности, а также по предотвращению или смягчению последствий аварий, связанных с взрывами.

Выполнено трехмерное численное моделирование взаимодействия ударника, направленного под углом, с двухслойной преградой с внешним керамическим слоем. Показано, что наличие керамического слоя нормализует процесс пробития: основное деформирование и перемещение элементов преграды происходит так, как если бы воздействие ударника осуществлялось по нормали к поверхности преграды. Обнаружен достаточно интенсивный разворот остатков ударника на заключительных стадиях взаимодействия. С использованием экспериментальных данных и предположения о трансформации удара под углом в эквивалентный удар по нормали разработана приближенная аналитическая методика расчета предельной скорости пробития двухслойной керамико-металлической преграды при воздействии ударником под углом.

Предложена модель взрывной нагрузки, которая генерирует несколько кривых импульса в зависимости от масштабированного расстояния и, таким образом, точно рассчитывает распределение взрывной нагрузки по поверхности структуры. Пригодность модели исследована путем численного моделирования методом конечных элементов экспериментов по нагружению стальных пластин взрывом и сравнения рассчитанных прогибов с измерениями. Результаты показывают, что предлагаемая модель точно вычисляет распределение взрывной нагрузки по поверхности структуры, прогнозируемые профили прогиба стальных пластин оказались ближе к измеренным профилям, чем рассчитанные по моделям прогиба, генерирующим только одну кривую нормированного импульса.

Естественный разрыв горной породы оказывает сильное влияние на прохождение ударной волны и распространение трещины при проведении взрывных работ. На основе волновой теории напряжений проанализирован наиболее важный механизм прохождения волны напряжения через разрыв, а также рассмотрено влияние естественного разрыва и водоструйной выемки на распространение трещины. Для понимания особенностей распространения трещины под воздействием ударной волны проведены эксперимент и численное моделирование с помощью программного комплекса ANSYS/LS-DYNA. Показано, что наличие водоструйной выемки способствует не только генерации основной трещины вдоль направления выемки при воздействии ударной волны, но и образованию вторичной трещины вблизи выемки. Естественный разрыв оказывает значительное влияние на направление распространения основной и вторичной трещин. При уменьшении расстояния между шпуром и естественным разрывом формируется область разрушений. При увеличении этого расстояния площадь зоны разрушений уменьшается, а влияние ударной волны на индуцированную взрывом трещину ослабевает.