Главная – Журналы – Физика горения и взрыва 2020 номер 3

Предложена реакционная модель воспламенения диборана в смесях с воздухом. В модели обобщены и развиты разработанные ранее кинетические модели окисления диборана, бора, а также низших окcидов и гидрооксидов бора. Особенностью модели является использование физически обоснованных констант скоростей важнейших реакционных каналов, которые были получены либо расчетным путем, либо на основе имеющихся опытных данных. Разработанный механизм протестирован на экспериментальных данных по периоду задержки воспламенения диборана и скорости пламени в смесях диборан/кислород и диборан/воздух. Получено разумное соответствие между результатами расчетов по предложенной модели и экспериментальными данными. Разработанная модель может быть использована в технических расчетах, а также для численного моделирования процессов горения диборана в бедных и стехиометрических смесях с воздухом.

Рассматриваются процессы горения и воспламенения с позиции теории теплового воспламенения и кинетики протекающих реакций. Получено аналитическое решение задачи об очаговом тепловом воспламенении для описания процессов зажигания реакционноспособных газовых смесей. В результате такого решения определены критические условия и время индукции воспламенения. Приведено решение задачи о воспламенении метановоздушной смеси, характерной для условий шахтных выработок.

Теоретически исследуются образование и динамика сферического газового пузыря (»1 нм ¸ 1 мкм) в жидкой зоне газификации твердого высокоэнергетического материала при высоких давлениях. Предложена простая модель, в которой все термодинамические параметры, за исключением давления в жидкости, а также скорости жидкости, не зависят от пространственных переменных. Стационарный радиус пузырьков уменьшается с ростом давления, но стационарное состояние неустойчивое: большие пузырьки растут относительно медленно и впоследствии в них происходит тепловой взрыв, маленькие пузырьки быстро исчезают.

Представлена упрощенная алгебраическая модель для вычисления концентраций ОН^*, СН^* и СО₂^* на базе результатов численных расчетов пламен пропана с помощью редуцированного механизма его окисления. Концентрации возбужденных частиц и их предшественников вычислены путем постобработки основных результатов моделирования с использованием алгебраических выражений, полученных в предположении квазистационарности с учетом детальной кинетики образования хемилюминесцентных соединений. Обнаруженные расхождения компенсированы применением поправочных функций, полученных из сопоставления с расчетами по детальной модели химических реакций. Проведены расчеты по предложенному подходу серии модельных ламинарных пламен с целью расширения его применимости к системам с турбулентным горением.

Проведено экспериментальное исследование процесса испарения капли водометанольного раствора. Сформулирована математическая модель этого процесса. По результатам сравнительного анализа результатов физического и численного исследования определены параметры процесса испарения капли водометанольного раствора для использования в математическом моделировании процесса его сжигания. Представлены результаты численных исследований процесса горения газового факела с впрыском в него капель водометанольного раствора в промышленной установке. Полученные результаты удовлетворительно коррелируют с экспериментальными данными.

Впервые экспериментально определены теплота сгорания и энтальпия образования бис(4''-нитро[3,3':4',3'']терфуразан-4-ил)-диазена (DNFNF) и (бис(4''-азидо-[3,3':4',3'']терфуразан-4-ил)-диазена (DAzFNF). Найдено, что энергетический инкремент замещения нитрогруппы на азидную группу в фуразановом цикле составляет в среднем 290 кДж/моль и близок к инкременту аналогичного замещения -NO₂ на -N₃ в тринитроэтане. Проведен термодинамический анализ зависимости энергетических параметров ракетных топлив без металла с активным связующим и смесью перхлората аммония с DNFNF или с DAzFNF в зависимости от содержания высокоэнтальпийного компонента в рецептуре.

Процесс синтеза проводился в смеси Ti + Al, подготовленной двумя методами - предварительной механической активации (МА) или предварительного нагрева. Процесс синтеза реализован в двух режимах - послойного горения (СВС) и теплового взрыва. Исследованы зависимости скоростей горения активированных смесей Ti + Al от времени МА. Определены зависимости скоростей и максимальных температур горения исходных смесей, а также удлинения образцов после горения от начальной температуры. Исследован фазовый состав исходных смесей после активации и продуктов синтеза. Экспериментально определено время МА (12 мин), при котором скорость горения смеси максимальна. Для этой смеси (МА 12 мин) исследованы зависимости скоростей и максимальных температур горения, а также удлинения образцов после горения от начальной температуры. Определен режим синтеза, при котором содержание основных фаз (TiAl, Ti₃Al) в продуктах максимально.

Исследованы особенности горения, структуро- и фазообразования в системе 2Co-Ti-Al в процессе самораспространяющегося высокотемпературного синтеза в режиме теплового взрыва. Установлено, что в данной системе возможно получение однофазного продукта - соединения Гейслера Co₂TiAl. Изучены морфология, микроструктура, физические и магнитные свойства продуктов горения системы.

Для обеспечения безопасности и надежности вооружения важно знать влияние внутреннего и наружного диаметров замедлителя (элемента задержки) на время задержки. В статье разработана сопряженная модель жидкости и твердого тела для элементов задержки в виде металлической перегородки с составом задержки на основе кремния. Поле потока при горении в элементе задержки с внутренним диаметром 3, 4 и 5 мм рассчитано в программном комплексе STAR-CD. Предложен новый метод расчета времени задержки теплопроводящим замедлителем. Изучено влияние внешнего и внутреннего диаметров такого элемента на время задержки. Результаты показали, что после сгорания состава задержки температура основного состава постепенно повышается за счет теплопроводности металлической перегородки и в ее центре достигает самого высокого значения. Влияние размера внутреннего и внешнего диаметров замедлителя на время задержки имеет критическую точку равновесия, которая может быть обусловлена балансом между приращением тепла за счет горения и тепловыми потерями.

Методом математического моделирования изучается процесс распространения верховых лесных пожаров при наличии противопожарных разрывов и заслонов конечных размеров. Математически данная задача сводится к решению уравнений Рейнольдса для турбулентного течения с учетом химических реакций. Для получения дискретного аналога использован метод контрольного объема. Рассчитаны поля температуры, концентраций кислорода и летучих продуктов пиролиза и горения, объемных долей конденсированной фазы. Модель позволила в динамике установить контуры распространения верховых лесных пожаров, которые зависят от запаса и вида лесных горючих материалов, влагосодержания, скорости и направления ветра и т. д. Также определена зависимость размеров противопожарных разрывов и заслонов от вышеуказанных параметров, при которых верховой пожар прекращает распространение.

Численно исследуется инициирование и стабилизация детонационного горения паров керосина в сверхзвуковом воздушном потоке, поступающем в расширяющееся осесимметричное сопло с коаксиальным центральным телом. В расчетах используется редуцированная кинетическая модель горения, включающая в себя 68 реакций для 44 компонентов. Энтальпия и энтропия компонентов определяются с использованием аппроксимирующих полиномов из базы данных NASA. В основе гидродинамической модели лежат двумерные нестационарные уравнения Эйлера для осесимметричного течения многокомпонентного реагирующего газа. Расчеты выполняются с использованием конечно-разностной схемы Годунова и ее b-модификации повышенной точности на гладких решениях. Определены параметры потока, обеспечивающие стабильное детонационное горение паров керосина в рассматриваемом сопле. Детонационное горение керосина дает более высокую тягу, чем сжигание водорода, но заметно проигрывает по удельной тяге. Расчеты выполнены на суперкомпьютере "Ломоносов" Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова.

Исследовался процесс газовой детонации этилен- и пропиленокислородных взрывчатых смесей в широком диапазоне соотношений концентраций топлива и окислителя. С помощью программного кода DETON рассчитаны параметры детонации. Эксперименты проведены на усовершенствованном детонационном стенде, в котором проточная подача компонентов взрывчатой смеси и интенсификация перехода горения в детонацию за счет стратификации зарядов организована в протяженном цилиндрическом канале с использованием систем компьютеризированного детонационного комплекса CCDS2000. Получены экспериментальные данные по скорости детонации и размеру ячейки детонационного фронта. Установлены концентрационные пределы существования стационарной детонации в цилиндрическом канале диаметром 26 мм. С использованием пропилена и этилена в качестве топлива для детонационного напыления реализовано формирование покрытий из карбида вольфрама с кобальтовой связкой и оксида алюминия и исследованы их свойства. Покрытия, полученные на пропилене со стратификацией заряда взрывчатой смеси, по свойствам и эксплуатационным характеристикам не уступают напыляемым по двухтопливной (ацетилен/пропан) технологии, что позволяет рассматривать пропилен в качестве приемлемого топлива для детонационного напыления.

Для измерения температуры кумулятивной струи были изготовлены трехслойные медь-медь-константановые облицовки, состоящие из сплошной медной конической воронки с углом при вершине 45°, толщиной стенки 1.5 мм и впрессованной в него воронки, свернутой из медного листа толщиной 1.0 мм, плакированного сваркой взрывом с внутренней стороны константаном толщиной 0.5 мм. Затем константановый слой частично удалялся так, чтобы облицованной константаном оставалась только верхняя треть внутренней поверхности воронок. Толщина константанового слоя выбиралась такой, чтобы носовая часть кумулятивной струи состояла только из константана, а хвостовая - из меди, что устанавливалось по микрошлифу сохраненного песта. В результате образовывалась медь-константановая термопара. В момент соударения биметаллической струи с мишенью осциллографом измерялся сигнал термоЭДС. Полученное значение термоЭДС соответствует температуре 800 ± 80 °C.

Методами оптической и сканирующей электронной микроскопии, а также рентгеноструктурного анализа исследовано изменение структуры сварных швов, выполненных новой сварочной проволокой и подвергнутых высокоскоростному удару. Показано, что после сварки в металле шва формируется структура из мартенсита, d-феррита и метастабильного аустенита. Последующее интенсивное воздействие приводит к упрочнению металла шва, обусловленному превращением метастабильного аустенита в мартенсит деформации. Проведено кинетическое микроиндентирование сварного соединения.

Редколлегия журнала "Физика горения и взрыва" с прискорбием сообщает, что 10 апреля 2020 г. скончался главный редактор журнала академик Владимир Михайлович Титов. Владимир Михайлович Титов родился 19 сентября 1933 г. в Ленинграде. Он окончил Московский физико-технический институт (МФТИ) в 1957 г., аспирантуру при МФТИ в 1960 г., кандидат технических наук (1961), доктор физико-математических наук (1969), профессор (1971), академик АН СССР (1990), академик РАН (1991, Отделение энергетики, машиностроения, механики и процессов управления РАН). В 1958 г. В. М. Титов вслед за своим учителем академиком М. А. Лаврентьевым переехал в Новосибирский Академгородок. Вся его последующая жизнь связана с Институтом гидродинамики, где он прошел путь от младшего научного сотрудника до директора. В. М. Титов является известным в мировой науке специалистом в области физики и механики импульсных, в том числе взрывных, процессов и методики эксперимента в этих научных направлениях, автор и соавтор около 200 научных работ, изобретений и патентов. Основные направления исследований В. М. Титова — физика взрыва, механика кумулятивных и высокоскоростных процессов, поведение конденсированного вещества при экстремальных параметрах, синтез новых материалов. Под его руководством были поставлены первые космические эксперименты серии "Сполох" по зондированию магнитосферы Земли струями ионизированного бария. В области интересов В. М. Титова — структура ядра Земли. В механике кумулятивных процессов им впервые экспериментально исследовано аномально большое удлинение металла в кумулятивной струе, получены численные оценки такого удлинения и на этой основе даны предельные значения эффективности кумулятивных зарядов. Позднее им было установлено существование неизвестного ранее режима обратной кумуляции и дан анализ всех возможных струйных режимов кумуляции. В. М. Титовым совместно с учениками был детально изучен процесс кумуляции продуктов детонации конденсированных ВВ и на этой основе создан оригинальный метод высокоскоростного ускорения твердых тел. Это позволило создать отечественную школу по экспериментальному исследованию процессов высокоскоростного удара (в интервале скоростей 1 ¸ 15 км/с) и получить ряд важных научных и практических результатов в материаловедении, космофизике, ракетной и космической технике, в оборонных приложениях. Вместе с профессором А. М. Ставером и академиком Г. В. Саковичем он был одним из руководителей работ по созданию метода синтеза ультрадисперсного алмаза при взрыве ВВ, который был доведен до промышленного производства этого алмаза. Последние годы В. М. Титов являлся одним из руководителей работ по применению синхротронного излучения для диагностики ударно-волновых и детонационных процессов. В. М. Титов вел большую научно-организационную работу: с 1973 по 1986 г. — заместитель директора по научной работе, с 1986 по 2004 г. — директор Института гидродинамики им. М. А. Лаврентьева СО РАН, с 2004 г. — советник РАН. В. М. Титов был членом Бюро Отделения энергетики, машиностроения, механики и процессов управления РАН, Национального комитета по теоретической и прикладной механике, председателем Объединенного ученого совета по механике и энергетике СО РАН, членом Президиума СО РАН. В. М. Титов принимал активное участие в подготовке научных кадров: он был деканом физического факультета НГУ (1968‑1971 гг.), многие годы возглавлял кафедру физики сплошных сред в НГУ, среди его учеников 4 доктора и 14 кандидатов наук. Владимир Михайлович Титов до последних дней активно занимался редакционно-издательской деятельностью: с 1976 по 1981 г. — заместитель главного редактора, с 1981 по 1993 г. — главный редактор, с 1993 по 2001 г. — член редакционной коллегии, с 2002 г. — главный редактор журнала "Физика горения и взрыва". Владимир Михайлович Титов — лауреат Государственной премии РФ в области науки и техники за разработку технологии и создание промышленного производства ультрадисперсных алмазов (1994), лауреат премии имени М. А. Лаврентьева РАН за цикл работ "Исследование механики процессов кумуляции и высокоскоростного удара" (1997), лауреат премии имени М. А. Лаврентьева Национальной академии наук Украины (2003), лауреат премии Сибирского фонда имени М. А. Лаврентьева "За выдающийся вклад в развитие исследований в области математики, механики и прикладной физики" (2003), кавалер двух орденов Трудового Красного Знамени (1967, 1986), орденов Октябрьской Революции (1975), "Знак Почета" (1981), "За заслуги перед Отечеством" IV степени (1999) и III степени (2007). Жизнь и деятельность Владимира Михайловича Титова неотделимы от истории Института гидродинамики и Сибирского отделения РАН. Он надолго останется в памяти его учеников и коллег.