Главная – Журналы – Физика горения и взрыва 2019 номер 1

Представлен обзор работ, относящихся к физико-математическому моделированию процессов детонации газовзвесей мелкодисперсных, субмикронных и наноразмерных частиц алюминия в рамках механики сплошных и гетерогенных сред. Обсуждаются вопросы описания тепловой динамики, транспортных свойств и механизмов воспламенения, а также особенности режимов горения микро- и наноразмерных частиц. Приведены замыкающие соотношения для полуэмпирической модели детонации наноразмерных взвесей частиц алюминия в кислороде.

Сообщается о первом экспериментальном наблюдении сигналов оптической свободной индукции свободных радикалов. Сигналы наблюдались на линии вращательного перехода радикала OH, лежащей в терагерцовой области. Радикалы OH генерировались в химической реакции возбужденных атомов кислорода с молекулами воды. Возбуждение радикалов осуществлялось импульсами излучения лазера на свободных электронах. Излучение свободной индукции регистрировалось в реальном времени с помощью сверхбыстрых приемников терагерцового излучения. Обсуждается возможность использования сигналов оптической свободной индукции радикалов в качестве нового метода регистрации свободных радикалов в процессах горения.

Проведено изучение серии ди-, три- и тетраазидозамещенных азинов в качестве потенциальных энергоемких диспергирующих компонентов твердых ракетных топлив, предназначенных для ракетно-прямоточных двигателей. Экспериментально определены энтальпия сгорания и энтальпия образования нескольких азидов (2,4,6-триазидопиримидина, 2,4,6-триазидопиридина, 3,4,5-триазидопиридин-2,6-дикарбонитрила и 3,4,5,6-тетраазидопиридин-2-карбонитрила). Проведено сравнение одиннадцати изучаемых азидов с октогеном по величине энтальпии сгорания в кислороде до CO₂ и воды (в случае наличия водорода в компоненте), а также по температуре продуктов адиабатического превращения исследуемых компонентов за счет высокой энтальпии образования в отсутствие внешнего окислителя и по количеству выделяющихся в этом процессе газов. Установлено, что все исследованные азиды имеют энтальпию сгорания при сжигании в воздухе существенно выше, чем октоген, а у семи из одиннадцати существенно выше и температура горения. По объему выделяющихся газов (24¸31 моль/кг) исследованные азиды уступают октогену (41.9 моль/кг). По совокупности свойств исследованные азиды можно рассматривать в качестве перспективных диспергирующих компонентов твердых топлив для ракетно-прямоточных двигателей.

С помощью термохимических расчетов изучены энергетические возможности композиций на основе ряда гипотетических производных тетразола с очень высоким массовым содержанием азота (73¸75 %. Установлены количественные зависимости энергетических параметров смесевых твердых ракетных топлив от природы высокоэнтальпийного полиазотистого окислителя и наличия металла в составе композиции.

Исследовано горение монодисперсных частиц титана с характерным размером 38 и 320 мкм при движении в воздухе. Чтобы придать горящим частицам начальную скорость, сжигание пиротехнических образцов, генерирующих монодисперсные частицы, проводили в камере с соплом. Частицы разгонялись в истекающий из сопла струе газообразных продуктов горения образца. Максимальная средняя по траектории скорость движения частиц относительно окружающего воздуха достигала 7.9 м/с. Горение движущихся частиц осуществлялось в кварцевой трубе длиной 2 м. По окончании горения из трубы отбирали продукты горения - пробы оксидного аэрозоля - с использованием термофоретического преципитатора. В результате обработки электронно-микроскопических изображений проб определены функции распределения нанометровых частиц-сферул по размерам. Посредством видеосъемки со скоростью 300 кадр/с определены скорость движения горящих частиц и время их горения. Установлено, что увеличение скорости движения частиц-агломератов диаметром 320 мкм относительно газа от 0.9 до 7.9 м/с приводит к снижению размера сферул с 28 до 19 нм и времени горения с 0.45 до 0.26 с.

Представлены математическая модель и результаты расчетов горения частиц борсодержащей конденсированной фазы в каналах с распределенным подводом воздуха. Рассмотрен процесс горения в каналах с дискретно и с непрерывно распределенной подачей воздуха. Выявлены основные закономерности влияния на коэффициент полноты сгорания частиц в канале следующих параметров: соотношения компонентов топливной смеси, места подвода и температуры воздуха на входе. Определены условия, при которых распределенный подвод воздуха дает возможность увеличить коэффициент полноты сгорания частиц в канале. Полученные данные могут быть использованы на этапе проектирования и экспериментального исследования перспективных энергосиловых установок с использованием борсодержащих энергоконденсированных составов в качестве горючего.

Исследуется структура пламени двухфазной смеси частиц алюминиевой пудры субмикронного размера и воздуха, горящей в условиях противоточной конфигурации. Разработана математическая модель для оценки положения пламени и скорости его распространения в условиях фиксированного коэффициента растяжения. В предложенной модели горения частиц рассматривается трехзонная структура пламени, включающая в себя зону предварительного подогрева, зону реакций и зону продуктов горения. Уравнения сохранения для каждой зоны решаются с учетом соответствующих граничных условий. Исследовано влияние термофореза и броуновского движения частиц горючего. Рассмотрено влияние размера частиц, а также их полидисперсности на скорость горения и положение пламени. Результаты расчета скорости распространения пламени находятся в разумном согласии с известными из литературы экспериментальными данными.

Представлены результаты исследования закономерностей электротеплового взрыва (ЭТВ) смеси титан - сажа в условиях квазиизостатического сжатия. Получены экспериментальные зависимости тепловых и электрических параметров ЭТВ от мощности электрического нагрева. Показано, что скорость нагрева реакционной смеси оказывает существенное влияние на температуру воспламенения и максимальную температуру ЭТВ. Установлено, что на стадии предвзрывного нагрева электрическое сопротивление смеси уменьшается на 90¸95 %, а скорость роста температуры на стадии теплового взрыва не зависит от скорости нагрева смеси. Предложена методика определения времени и температуры воспламенения, основанная на измерении тепловых и электрических параметров ЭТВ. Обсуждаются механизмы жидкофазного и твердофазного взаимодействия в смеси порошков титана и сажи.

Представлены результаты экспериментального исследования кинетики высокотемпературного взаимодействия при электротепловом взрыве (ЭТВ) смеси титана и сажи в условиях квазиизостатического сжатия. Получены зависимости скорости нагрева смеси образца от температуры и рассчитаны эффективные значения энергии активации воспламенения и теплового взрыва. Показано, что на стадии воспламенения мощность электрического нагрева оказывает существенное влияние на температуру воспламенения и эффективную энергию активации. Изучено формирование микроструктуры промежуточного и конечного продуктов взаимодействия. Показано, что формирование конечного продукта протекает по механизму оболочка - ядро. Высокая скорость твердофазного взаимодействия титана и сажи объясняется образованием в промежуточном продукте микропор и микротрещин, которые обеспечивают высокоскоростной режим поверхностной диффузии атомов углерода.

Аналитически и численно исследуется влияние термокапиллярной конвекции на теплопередачу в волне безгазового горения с плавящимся реагентом. Приведены оценки скорости конвекции. Получены формулы для скорости горения при кондуктивной и конвективной теплопередаче. Численные расчеты подтвердили выводы аналитического анализа. Получены расчетные зависимости скорости горения от пористости и параметров фазового перехода. Обнаружено развитие неустойчивости распространения волны горения в автоколебательных режимах, вызванное действием термокапиллярной конвекции.

Смеси порошков SiO₂/C/Mg, механически обработанные в планетарной шаровой мельнице в течение 60, 90, 120 и 150 мин, использовались для проведения самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) с целью получения композита Si-SiC. Термические свойства механически обработанных смесей исследовали методами дифференциальной сканирующей калориметрии и термогравиметрии. Состав и микроструктуру синтезированных материалов и материалов, полученных после обработки продуктов СВС в кислоте, исследовали соответственно методами рентгенофазового анализа и растровой электронной микроскопии. Установлено, что увеличение времени механической обработки исходных порошковых смесей оказывает существенное влияние на их термические свойства, диффузионные процессы в смесях, механизм СВС-реакции, а также на фазовые превращения и выход продуктов реакции.

В макроскопическом приближении построена математическая модель синтеза в механоактивированной системе 3Ni-Al. Установлены различные режимы горения в зависимости от длительности механической активации и времени изотермической выдержки механоактивированной смеси. С использованием экспериментальных данных определены кинетические константы, характеризующие превращение вещества на стадии механической обработки.

Проведены электромагнитные измерения массовой скорости при выходе детонационной волны на границу раздела порошкового взрывчатого вещества (ВВ) и инертного окна из оргстекла. Исследовались тэн, гексоген и октоген при плотности, близкой к естественной насыпной. Имея в виду необходимость регистрации не только осредненного профиля скорости, но и возможных флуктуаций на масштабах порядка размера зерна ВВ, отлажена методика измерений с малыми датчиками при размере рабочего плеча около 1 мм. В большинстве опытов получены профили с четким химпиком, однако в части записей химпик не выделялся на фоне резких пульсаций сигнала, что может быть проявлением неклассического механизма распространения волны (взрывное горение по А. Я. Апину). Результаты в сопоставлении с предыдущим исследованием приводят к представлению о параллельной работе ударного и конвективного механизмов, каждый из которых может преобладать на отдельных участках фронта волны.

Исследовано неравновесное излучение, возникающее при воспламенении 10%-й стехиометрической водородокислородной смеси с добавками ингибиторов горения, разбавленной аргоном, за ударными волнами. Вместо ожидаемого уменьшения сверхравновесного излучения активных радикалов в зоне воспламенения при добавлении галогенсодержащих ингибиторов обнаружено усиление УФ-излучения в районе длин волн 220 и 411 нм, характерных для радикала НО₂ и молекул H₂O₂ и H₂O. Поэтому гипотеза о механизме ингибирования путем тушения возбужденного радикала НО₂* не подтверждается, и действие ингибирующих добавок обусловлено связыванием атомов Н и О.