Главная – Журналы – Физика горения и взрыва 2020 номер 1

Методом численного моделирования и анализа чувствительности изучались процессы цепного разветвления и тепловыделения, их влияние на скорость распространения предварительно перемешанных богатых и околостехиометрических пламен метанола с воздухом. Впервые в данных пламенах обнаружено явление сверхадиабатических температур, обусловленное кинетическим механизмом горения метанола. Сравнение результатов моделирования структуры пламен метанола и формальдегида показало, что образование в пламенах воды в сверхравновесных концентрациях необязательно приводит к сверхадиабатическим температурам, как полагали ранее. Впервые установлено, что уменьшение разбавления горючей смеси CH₃OH/O₂/N₂ азотом при постоянном коэффициенте избытка горючего способствует увеличению эффекта сверхадиабатических температур. Согласно результатам моделирования, в богатом околопредельном пламени метанола роль реакций цепного разветвления H + O₂ = О + OH и О + H₂ = H + OH пренебрежимо мала из-за их низкой скорости. В условиях сравнительно низких температур разветвление происходит преимущественно в реакциях с участием пероксидных соединений HO₂ и H₂O₂, концентрация которых на порядки выше концентрации основных носителей цепи H, O и OH. Из анализа чувствительности следует, что на скорость пламени метанола положительно влияют преимущественно реакции образования носителей цепи и отрицательно - реакции, в которых носители цепи расходуются. Стадии, вносящие основной вклад в выделение тепла, но не участвующие в образовании и расходовании радикалов, имеют малые значения коэффициентов чувствительности.

Проведен кинетический анализ модели окислительного превращения метана в полезные продукты на основе набора множества возможных элементарных реакций, которые наиболее полно могли бы отразить химизм процесса и для которых имеются данные по константам скорости. Анализ проведен численным методом. Выявлены ключевые стадии механизма, на основе которых предсказаны условия, при которых процесс может быть эффективно осуществлен с целью получения смеси метанола и формальдегида либо в основном метанола. Показано, что высокая эффективность может быть достигнута при повышенных давлениях реагирующей смеси за счет высокого содержания метана. Направленность процесса возрастает с понижением температуры.

Предложены две упрощенные кинетические схемы высокотемпературного окисления пропана, которые подходят для применения в комплексных моделях турбулентного горения. Итеративный процесс оптимизации схем осуществлялся на основе расчетов равновесного состава и температуры, времени задержки самовоспламенения одномерного, свободно распространяющегося пламени и двумерного пламени ламинарной струи топлива в спутном потоке воздуха. Для проверки редуцированных моделей проводилось сравнение расчетов на их основе с результатами расчета по детальному механизму USC Mech II, а также с экспериментальными данными. Показано, что предложенные редуцированные модели удовлетворительно описывают набор исследованных параметров.

Рассматривается новый способ инициирования и эффективного горения керосина при сверхзвуковых скоростях потока в канале постоянного сечения применительно к камерам сгорания переменной геометрии. Режим интенсивного горения реализуется при применении внешнего воздействия пакетом газодинамических импульсов с изменяющейся во времени энергией. Экспериментально установлено, что режим сохраняется при отключении воздействия после организации горения в расширяющейся части камеры сгорания. Показана применимость способа при температурах потока и высоких скоростях, когда горение керосина невозможно без специальных средств для стабилизации пламени.

Экспериментально определены границы устойчивого горения в потоке аэровзвеси частиц алюминия в широком диапазоне изменения коэффициента избытка воздуха (0.1÷2.0). Выявлена характерная особенность зависимости скорости срыва пламени от коэффициента избытка воздуха: зависимость имеет два максимума. С учетом принципа механизма стабилизации пламени, основанного на равенстве скорости потока, при которой происходит срыв пламени, и скорости распространения фронта пламени, сделан вывод о наличии двух максимумов на зависимости скорости фронта от коэффициента избытка воздуха, которые соответствуют максимальным значениям тепловыделения и температуры горения аэровзвеси частиц алюминия при коэффициенте избытка воздуха 0.2 и 1.0. Ранее эти максимумы были получены другими исследователями в термодинамических расчетах.

Изучено горение модельной системы Ca-FeF₃-Fe. Показано, что распространение фронта горения в системе Ca-FeF₃-Fe носит очаговый характер. Перед фронтом возникают очаги воспламенения частиц кальция с последующим расширением зоны реакции до полного слияния очагов между собой и с возникновением новых центров воспламенения в зоне прогрева. Представлены зависимости температуры и скорости горения от степени разбавления железом и давления в системе. Выполнены термодинамические расчеты, проведено сравнение расчетных и экспериментальных данных. При общей тенденции увеличения скорости горения с ростом давления обнаружено ее уменьшение, связанное с фазовым переходом пар - жидкость металлического кальция.

Экспериментально исследованы критические параметры воспламенения аэровзвеси перспективных энергоемких соединений боридов металлов MgB₁₂, AlB₂, ZrB₂, TiB₂, а также механических смесей исходных компонентов, моделирующих состав соединений. Установлено, что бориды магния воспламеняются при температурах значительно ниже таковых для бора, что свидетельствует об активной роли магния в процессе воспламенения. Для других боридов температуры воспламенения близки к таковым для бора, т. е. определяющими являются диффузия кислорода через жидкую пленку оксида бора и скорость испарения оксида.

Экспериментально измерены стандартные энтальпии образования четырех соединений: 4,6-диазидо-N-(2,2,2-тринитроэтил)-1,3,5-триазин-2-амина, 6-азидо-N²,N⁴-бис(2,2,2-тринитроэтил)-1,3,5-триазин-2,4-диамина, 6-азидо-N²,N⁴-динитро-N²,N⁴-бис(2,2,2-тринитроэтил)-1,3,5-триазин-2,4-диамина и N²,N⁴,N⁶-тринитро-N²,N⁴,N⁶-трис(2,2,2-тринитроэтил)-1,3,5-триазин-2,4,6-триамина - соответственно 690.1 ± 5.9, 326.2 ± 13.6, 630.1 ± 6.1, 415.9 ± 9.3 кДж/моль. На основании этих величин определен энергетический эквивалент замещения атома водорода и азидогруппы на тринитроэтиламинную и тринитроэтилнитроаминную группы в триазине и азидозамещенных триазина. Расчетным путем установлено, что на базе 6-азидо-N²,N⁴-динитро-N²,N⁴-бис(2,2,2-тринитроэтил)-1,3,5-триазин-2,4-диамина и N²,N⁴,N⁶-тринитро-N²,N⁴,N⁶-трис(2,2,2-тринитроэтил)-1,3,5-триазин-2,4,6-триамина при коэффициенте обеспеченности кислородом больше 1.0 можно создать составы с невысоким содержанием алюминия, удельный импульс которых равен 257÷260 с.

Выполнена сравнительная оценка использования различных металлов и неметаллов в качестве горючих компонентов твердого топлива, содержащего перхлорат аммония в качестве окислителя и каучук в качестве связки, по критерию дальности полета летательного аппарата с ракетно-прямоточным двигателем с учетом ожидаемой полноты сгорания отдельных компонентов. Учитывалось также влияние энергетических свойств топлива на технико-экономические и летно-технические показатели летательного аппарата. Расчет дальности полета осуществлялся численным интегрированием уравнений динамики полета. На основе полученных результатов ряд горючих компонентов рекомендован для более детального изучения, в частности для полной или частичной замены используемого в настоящее время бора в твердых топливах ракетно-прямоточных двигателей.

Приведены результаты экспериментального исследования процессов тепло- и массопереноса и фазовых превращений при подавлении термического разложения и пламенного горения конденсированных веществ (КВ) на примере типичных лесных горючих материалов (смеси листьев, хвоинок и веточек) путем воздействия на них нераспыленным водяным массивом на разных стадиях его трансформации. Объем жидкости и высота сброса относительно поверхности КВ варьировались с учетом известных стадий трансформации водяных массивов для иллюстрации возможных отличий площадей поперечного сечения последних, которые определяют площадь контакта воды с КВ. Получены зависимости характеристик прекращения горения КВ от высоты начала движения водяного массива.

Рассматривается устойчивость детонационных волн (ДВ), распространяющихся в плоском или прямоугольном канале, по отношению к двумерным и трехмерным возмущениям. Приняв простую гипотезу о том, что наиболее неустойчивая мода линейной теории продолжает доминировать даже в нелинейном режиме, из линейной теории устойчивости можно получить ряд вполне определенных предсказаний о структуре развитой ДВ. В частности, теория предсказывает размер и количество детонационных ячеек, формирующихся в канале заданного размера; минимальный размер канала, в котором еще может существовать многофронтовая структура ДВ; параметры, при которых скачком изменяется число ячеек. Все эти предсказания находятся в качественном согласии с экспериментальными данными и результатами численных расчетов.

Представлены результаты анализа экспериментальных данных по условиям инициирования взрывчатого превращения в образцах флегматизированного октогена при ударе индентором со сферическим торцом. Показано, что условия инициирования взрывчатого превращения в широком диапазоне варьирования параметров индентора и скоростей удара описываются эмпирическими зависимостями, связывающими массово-геометрические параметры ударника с его минимальной скоростью, вызывающей инициирование взрывчатого превращения. Полученные зависимости могут быть использованы при практическом анализе исходов воздействия на взрывчатый состав, при построении адекватных физических моделей инициирования и их верификации.

Рассмотрены примеры расчета ударного сжатия жидкой воды и водяного пара с использованием некоторым образом скорректированного упрощенного уравнения состояния воды Нигматулина - Болотновой. Основное внимание уделено достижению тех параметров численного моделирования (прежде всего, температуры воды), которые могут быть полезными при синтезе алмаза из графита. Показано, что благоприятным фактором для достижения требуемой температуры является ударное сжатие предварительно нагретого слоя жидкой воды. Еще более перспективным представляется использование вместо жидкой воды слоя нагретого водяного пара. В последнем случае для достижения нужных температур и давлений требуется существенно меньшая скорость ударника.

Исследовалась эффективность подавления взрывной волны пеной из натурального каучука с открытыми порами в лабораторных и полевых условиях. Ослабление взрывной волны оценивалось в терминах пикового избыточного давления и положительной фазы импульса. Для измерения падающего и передаваемого через пену давления использовались пьезоэлектрические датчики давления, устанавливаемые в полевых испытаниях заподлицо с верхней поверхностью опорной плиты из композитного материала, а в лабораторных тестах - на торцевой пластине генератора взрывной волны. В полевых испытаниях взрывная волна генерировалась при детонации взрывчатого вещества, в лабораторных испытаниях она создавалась при разрыве диафрагмы в генераторе взрывной волны. Из результатов испытаний следует, что передаваемое через пену давление и соответствующие импульсы зависят от формы волны нагрузки, а также от тестовой конфигурации, используемой в лабораторном методе. Таким образом, лабораторные тесты с использованием генератора взрывной волны показывают только тенденцию трансформации передаваемого давления и в лучшем случае могут использоваться для сравнительной оценки ослабления взрывной волны при прохождении через различные материалы. Фактические значения передаваемого давления и импульса могут быть получены только в полевых испытаниях при взрывных нагрузках, создаваемых взрывчатыми веществами.