Главная – Журналы – Физика горения и взрыва 2020 номер 4

В промышленном оборудовании часто реализуется струйное сжигание газа в поперечном потоке, способствующем смешению и горению. В предыдущих исследованиях уделялось недостаточно внимания взаимосвязи параметров струи горючего и поперечного потока, а также их влиянию на излучение энергии пламенем. Предлагается новое теоретическое соотношение, связывающее долю излученной энергии с расходом горючего и скоростью поперечного потока. В экспериментах для всех рассматриваемых пламен наблюдалось увеличение длины пламени с ростом скорости потока. Результаты измерений показывают, что коэффициент растяжения пламени равен 0.08 с. В случае малой скорости поперечного потока доля излученной энергии практически не зависит от диаметра сопла. Поперечный поток оказывает наиболее сильное влияние на долю излученной энергии в случае малого диаметра сопла. Это связано с влиянием скорости струи горючего и скорости поперечного потока на время пребывания сажи в пламени, которое пропорционально доле излученной энергии.

В случае разрушения литий-ионной ячейки и истечения электролита в атмосферу формируется облако горючей смеси газа с воздухом. При сгорании электролита выделяется 65 ¸ 70 % энергии, содержащейся в ячейке. Определены скорость ламинарного пламени и длина Маркштейна для диметилкарбоната и пропана в 20-литровой сферической бомбе при начальном давлении 100 кПа и температуре 300 К. Пять разных моделей, учитывающих влияние растяжения ламинарного пламени на скорость его распространения, дали практически идентичный результат. Экспериментальные данные хорошо согласуются с ранее опубликованными результатами и лежат несколько ниже результатов теоретических расчетов. В отличие от опубликованных данных, скорость ламинарного пламени для диметилкарбоната измерена в смеси, близкой к состоянию насыщения при начальных условиях.

Численно исследована динамика формирования и погасания ламинарных диффузионных пламен метана и этилена, образующихся в окислительной среде в невесомости над поверхностью плоской пористой горелки. Расчеты воспроизводят условия экспериментов, выполняющихся в рамках проекта BRE - Фламенко программы ACME, нацеленной на исследование горения при отсутствии гравитации. Трехмерная нестационарная модель, учитывающая многостадийные и многокомпонентные химические механизмы окисления горючих, образование и окисление сажи, а также тепловое излучение продуктов сгорания, апробирована для струйного ламинарного диффузионного пламени метана в условиях нормальной гравитации и для пламени этилена в условиях кратковременной невесомости при свободном падении в испытательной башне. Расчеты пламен, формирующихся при длительной невесомости, выполнены для диапазона расходов горючего, характерного для горения твердых и жидких горючих материалов. Во всех рассмотренных случаях горение протекает в нестационарном режиме, несмотря на постоянный расход горючего. Стадия роста пламени сопровождается непрерывным снижением температуры в зоне реакции из-за теплопотерь излучением с последующим локальным погасанием, пульсациями пламени и полным прекращением горения. Показано влияние вида и расхода горючего на длительность существования пламени и динамику его распада. Выявлена чувствительность результатов расчетов к используемому химическому механизму. Установлено, что доля энергии, излучаемой пламенем в невесомости, на порядок превышает соответствующее значение для пламени в условиях нормальной гравитации. Показано, что лучистые теплопотери являются причиной потери устойчивости и погасания пламени.

Исследовано зажигание фтор-этилен-пропиленовой (ФЭП) изоляции электропроводки при постоянном токе в условиях вынужденной конвекции в невесомости и при нормальной гравитации. Как в невесомости, так и при нормальной гравитации плавление и разложение ФЭП-изоляции вызывает взрывное формирование струи. Вынужденная конвекция и гравитация не оказывают существенного влияния на нагрев провода и на время задержки до взрыва. При этом длительность процесса пиролиза увеличивается при повышении скорости воздуха. В условиях невесомости возрастает интенсивность деформации поля скоростей потока газа. Как вынужденная конвекция, так и гравитация существенно влияют на время индукции, которое зависит от деформации поля скоростей и от числа Дамкёлера. Время индукции увеличивается при росте скорости воздуха и в условиях невесомости. Время задержки зажигания определяется темпом нагрева проволоки и временем, необходимым для взрыва. Увеличение времени задержки зажигания, связанное с увеличением скорости воздуха, обусловлено в условиях невесомости изменением времени индукции.

Исследуется характер распространения пламени и влияние агломерации частиц полиметилметакрилата при изменении размера. Используются частицы с очень узким распределением по размерам. Показано, что при уменьшении размера частиц минимальная взрывоопасная концентрация увеличивается, скорость распространения пламени также увеличивается. Таким образом, минимальная взрывоопасная концентрация и скорость распространения пламени зависят от размера частиц противоположным образом. Предполагается, что минимальная взрывоопасная концентрация может сильно зависеть от расстояния между частицами, в то время как скорость распространения пламени определяется удельной площадью поверхности частиц. Следует подчеркнуть, что сила взрыва может быть значительной в случае очень малых частиц, несмотря на то, что минимальная взрывоопасная концентрация достаточно велика.

Негорючие материалы в качестве инертных добавок играют важную роль в предотвращении взрывов. Несмотря на очевидную важность и прикладное значение таких материалов, механизмы, приводящие к подавлению взрыва, до сих пор изучены недостаточно. Это относится, в частности, к инертным материалам с высокой удельной площадью поверхности, а также к влиянию содержания влаги в инертном материале. Работа посвящена экспериментальному и численному исследованию влияния инертных добавок на зажигание и распространение пламени во взвесях диспергированного ликоподия в воздухе. Влияние удельной площади поверхности исследовано для инертного порошкового материала клиноптилолит (Clinoptilolith).

Благодаря своей мезоскопической природе, дискретный метод Больцмана может применяться для исследования нестационарной детонации с существенной гидродинамической и термодинамической неравновесностью. В работе применяется эффективный и точный метод для анализа влияния амплитуды и длины волны начального возмущения, а также теплоты сгорания на развитие нестационарной детонации в условиях неравновесности. Показано, что начальная амплитуда возмущения влияет только на начальную стадию нестационарной детонации, которая становится автомодельной, с небольшими фазовыми отличиями на более поздних стадиях. При малых длинах волны возмущения давление растет быстрее в начальный период времени, но вскоре уменьшается до малых значений. При увеличении химического тепловыделения давление и его осцилляции возрастают, неравновесные эффекты усиливаются, а период осцилляций уменьшается. При малых длине волны или химическом тепловыделении поперечные волны и ячейки не образуются, а двумерная нестационарная детонация трансформируется в одномерную.

Быстрые фазовые переходы, протекающие с резким увеличением удельного объема, могут сопровождаться газодинамическими явлениями взрывного типа. Представлена модель для расчета ударных волн, возникающих в атмосфере при взрыве резервуара высокого давления со сжиженным газом, основанная на предположении о термодинамически равновесном состоянии парожидкостной смеси, в которой пар и жидкость имеют равные скорости и находятся в состоянии насыщения при локальном давлении. Выполнены расчеты сферически-симметричного разлета облака вскипающей жидкости; проведены сравнение профилей давления при различных начальных условиях и валидация параметров первичной ударной волны по результатам имеющихся экспериментальных данных. Представлены двумерные расчеты ударных волн при разрушении цилиндрического резервуара у подстилающей поверхности при различной степени заполнения.

Работа посвящена изучению природы синергетического эффекта в пламенах смесей метана и формальдегида с воздухом. Горение смесей различных топлив представляет большой интерес как в плане решения практических задач, так и с точки зрения фундаментальной науки. Установлено, что добавка формальдегида к богатому пламени метан/воздух при постоянной концентрации метана сначала снижает его скорость распространения, а затем начинает увеличивать ее. Механизм синергизма в данном случае объясняется преимущественным и полным расходованием формальдегида, благодаря его большей реакционной способности и его отрицательному влиянию на скорость расходования метана. В результате преимущественного сгорания одного из топлив в пламени существуют две пространственно разделенные зоны выделения тепла. Выделение тепла в первой зоне происходит в основном в реакции окисления формальдегида и формильного радикала, а во второй зоне - в основном в реакции рекомбинации метильных радикалов. Анализ чувствительности скорости пламени показал, что ключевыми реакциями, влияющими на скорость пламени, являются стадии образования радикалов (в основном гидроксила) или продуктов, которые приводят к их образованию. Реакции, вносящие основной вклад в выделение тепла, как правило, не оказывают влияния на скорость пламени. Установлено, что взаимодействие двух горючих CH₄ и CH₂O в смеси с воздухом приводит к заметному усилению явления сверхадиабатических температур.

Экспериментально определены стандартные энтальпии образования 1,1-бис(метокси-NNO-азокси)-3-нитро-3-азабутана и 1,1,8,8-тетракис(метокси-NNO-азокси)-3,6-динитро-3,6-диазаоктана: соответственно 87.7 ± 3.9 и 283.8 ± 6.2 кДж/моль. Расчетным путем установлено, что смесевые твердые ракетные топлива, содержащие эти два соединения в качестве газифицирующих компонентов в композициях без металла на базе активного связующего и перхлората аммония, по максимально достижимому значению эффективного импульса на третьей ступени ракетной системы I_ef(3) уступают композициям с октогеном, но при создании специальных композиций, где должно быть ограничено содержание органического взрывчатого вещества (не выше 30 ¸ 35 %), эти два соединения позволяют достигнуть более высоких (на 5 ¸ 10 с) значений I_ef(3), чем при применении октогена.

Выполнено математическое моделирование процесса горения в воздухе частиц бора микронного и нанометрового диапазонов с учетом изменения механизма тепло- и массообмена при уменьшении размера частиц. В качестве индикатора перехода от одного режима к другому принято число Кнудсена: при Kn < 0.01 для описания механизмов переноса тепла и массы справедливо допущение сплошной среды; при Kn > 10 имеет место свободномолекулярный режим; при 0.01 < Kn < 10 реализуется переходный режим. Выполнена оценка размеров частиц, при которых применительно к условиям горения бора в воздухе при давлениях 0.1 ¸ 4 МПа реализуется тот или иной режим тепло- и массообмена. Получены значения времени горения частиц бора в рамках допущения сплошной среды и в свободномолекулярном режиме. Показано, что расчетные модели для определения времени горения частиц бора с начальными размерами, близкими к микронным и нанодисперсным, должны учитывать изменение механизма переноса тепла и массы при изменении текущего радиуса частицы при выгорании.

Методом микроволновой диагностики с использованием радиоинтерферометров с длинами волн 3.2 и 2.1 мм исследованы кинематические и электрофизические характеристики плазмы ударно-сжатого аргона, изначально находившегося при атмосферном давлении. Исследование проведено в диапазонах давления 12 ¸ 56 МПа, скорости ударных волн 3.1 ¸ 6.2 км/с, температуры 9 000 ¸ 19 000 K, плотности 0.006 ¸ 0.012 г/см³ при степенях кулоновской неидеальности от 10^-4 до 0.2. Полученные данные об ударно-волновой сжимаемости аргона согласуются с известными результатами измерений и расчетов по модифицированной модели Ван-дер-Ваальса и модели химической плазмы. Получен массив значений коэффициента отражения электромагнитного излучения от фронта ударной волны на длинах волн 3.2 и 2.1 мм, на основании которого оценены проводимость и концентрация электронов за фронтом ударной волны. Экспериментальные данные согласуются с результатами расчетов в диапазоне волновых скоростей 3.1 ¸ 3.6 км/с. Обнаружено, что при дальнейшем увеличении скорости коэффициент отражения остается постоянным.

Представлен обзор способов и устройств высокоскоростного метания, предназначенных для экспериментального исследования защиты приборов и конструкций от высокоскоростного удара компактными элементами, в частности защиты космических аппаратов от соударения с метеоритными частицами естественного происхождения. Приведены схемы взрывных метательных устройств, используемых в экспериментах по отработке защитных конструкций при высоких скоростях соударения. Представлены результаты численных и экспериментальных исследований этих схем.