Главная – Журналы – Физика горения и взрыва 2021 номер 2

Проведено численное моделирование воспламенения и горения гомогенной стехиометрической метановоздушной смеси при локальном одновременном тепловом и фотохимическом воздействии, приводящем к образованию либо молекул O₂( a ¹Δ _g ), либо атомов O. Применен двумерный нестационарный многокомпонентный подход с использованием известного детального кинетического механизма окисления метана, учитывающего реакции с участием электронно-возбужденных молекул кислорода O₂( a ¹Δ _g ) и O₂( b ¹Σ _g⁺). Показано, что дополнительное фотохимическое воздействие обеспечивает воспламенение смеси в ситуации, когда только теплового воздействия недостаточно. Причем при одинаковой вложенной энергии более высокая скорость горения на начальной стадии реализуется при создании атомов O. Этот способ фотохимического воздействия представляется более эффективным с точки зрения инициирования горения. Результаты расчетов распространения турбулентного горения удовлетворительно согласуются с известными экспериментальными данными.

Методом численного моделирования исследованы особенности воспламенения метановоздушной смеси с добавками ClF₅, ClF₃, OF₂, H₂O₂ (содержание добавки в смеси ≤1 %). Определена температура воспламенения смеси в зависимости от начального давления и количества добавки. Показано, что введение в смесь добавок приводит к значительному снижению температуры воспламенения вследствие ускорения образования активных частиц и интенсификации цепного механизма процесса. Наиболее эффективной из рассмотренных добавок является пентафторид хлора, наименее - перекись водорода.

Проведено сравнение двух подходов к описанию расширяющегося сферического пламени. Обработка достаточно большого количества экспериментальных данных показала, что подход, в котором в качестве малого параметра используется параметр, пропорциональный скорости деформации, дает меньшую точность аппроксимации, чем подход, основанный на использовании в качестве малого параметра отношения толщины пламени к радиусу кривизны.

Метилметакрилат (ММА) является основным продуктом пиролиза широко распространенного полимера полиметилметакрилата, поэтому для CFD-моделирования распространения пожара по данному полимеру представляет интерес компактный механизм окисления ММА. На основе детального химико-кинетического механизма реакций окисления ММА в пламенах разработан сокращенный механизм горения этого вещества, состоящий из 263 элементарных реакций для 66 компонентов. При его разработке использован программный комплекс Chemical Workbench. Проверка разработанного механизма выполнена путем сопоставления результатов расчета с полученными экспериментальными данными по скорости пламени предварительно перемешанных смесей ММА с воздухом в диапазоне коэффициента избытка горючего 0.9 < ϕ < 1.3 и с данными по структуре пламени смеси MMA/O₂/Ar (ϕ = 1), стабилизированного на плоской горелке при давлении 1 атм, взятыми из литературы. Предложенная сокращенная кинетическая модель ММА с удовлетворительной точностью описывает экспериментальные данные, а результаты моделирования по полному и сокращенному механизмам окисления ММА хорошо согласуются между собой как по концентрациям основных компонентов пламени, так и по концентрациям большинства промежуточных продуктов горения, включая водород, метан, этилен, ацетилен, пропан, ацетальдегид, метилакрилат и др.

Предложена общая модель горения перемешанных газов с учетом химической работы, в которой предполагается протекание одной химической реакции. Уравнение энергии записано для произвольной смеси горючее/окислитель/продукт горения. На основе модели рассмотрено горение смеси H₂/O₂. Моделирование проведено для двух вариантов: с учетом и без учета зависимости теплоемкости компонентов смеси H₂, O₂ и H₂O от температуры. Химическая работа имеет положительный знак, ее относительный вклад в основные характеристики процесса (температура и скорость горения) оценивается в 3.9 и 19 %.

Выполнено расчетно-экспериментальное исследование перехода безгазовой волны горения через клинообразную инертную преграду. Исследовалась устойчивость переходного процесса горения к изменению теплофизических, геометрических параметров преграды и энергокинетических параметров химически активных слоев. Под областью устойчивого переходного процесса горения подразумевалась область параметров, при которых переход волны горения через границу контакта завершается выходом на установившийся режим ее распространения по поджигаемому составу. Исследована динамика переходного режима горения в околокритических условиях его существования.

Экспериментально исследовано влияние добавок K₂CO₃ и KCl на процесс высокотемпературного окисления и воспламенения конгломератов частиц порошкообразного бора и алюминия, а также на критические условия воспламенения газовзвесей этих металлов. Установлено, что взвеси частиц бора и алюминия, покрытые (капсулированные) солями, воспламеняются при температурах, меньших температур воспламенения механических смесей металлов с этими солями в соответствующих пропорциях и существенно меньших температур воспламенения чистого бора и алюминия. Это свидетельствует об активной роли солей в процессе гетерогенного воспламенения. Обнаружено, что для конгломератов бора ускоряющее влияние добавок солей на окисление конгломератов заметно при всех исследованных концентрациях и составах начиная с 1 % (по массе). Для алюминия увеличение скорости реагирования было заметно только для добавок KCl при концентрациях 3 % и выше.

Методом электротеплового взрыва под давлением 96 МПа синтезирован композиционный материал на основе Ni-Al-C. В процессе электротеплового взрыва в порошковой реакционной среде (Ni + Al + C) формируется расплав на основе Ni и Al, в котором происходит растворение углерода. Показано, что в процессе кристаллизации конечного продукта углерод, вследствие низкой растворимости в NiAl, располагается на поверхности интерметаллидных зерен NiAl в виде многослойных графитовых нанопленок толщиной 50 ÷ 80 нм, заполняя межзеренное пространство. Микротвердость синтезированного материала составляет 3 084 МПа.

Горение смесевых топлив исследовалось на установке для гашения и отбора частиц в диапазоне давлений 2 ÷ 8 МПа. Определяли гранулометрический состав алюминиевых агломератов в погашенных продуктах горения. Основными компонентами топлив являлись перхлорат аммония, алюминий, полибутадиеновый каучук с концевыми гидроксильными группами и диизоцианат толуола. Исследовались пять топливных составов, два из которых содержали добавки катализаторов. Составы исследуемых топлив отличались соотношением фракций крупных и мелких частиц перхлората аммония, общим содержанием твердых компонентов, массовой долей катализатора и алюминия, что позволило оценить влияние этих параметров на агломерацию алюминия при различных давлениях. При движении агломератов в потоке продуктов разложения топлива непрореагировавший алюминий продолжает окисляться. Крупные агломераты состоят как из Al₂O₃, так и из несгоревшего алюминия. В исследованном диапазоне давлений большая часть агломератов имеет сферическую форму, а их размеры варьируются от 31 до 115 мкм (для топлив без катализатора) и от 28 до 136 мкм (для топлив с катализатором). Полученные результаты позволяют улучшить представление об агломерации алюминия в топливах, как содержащих, так и не содержащих катализаторы, а также повлиять на выбор соотношения компонентов топлива с целью уменьшения агломерации алюминия, поскольку она приводит к двухфазным потерям удельного импульса и накоплению шлака в полноразмерных твердотопливных ракетных двигателях.

Проводится анализ зависимости диаметра пористой углеродной частицы от стационарной температуры при различных давлениях газовой смеси. Рассматриваются случаи самовоспламенения частицы в нагретой азотно-кислородной смеси и вынужденного воспламенения (зажигания) в холодной азотно-кислородной смеси, приводящие к квазистационарному горению, которое сменяется самопроизвольным погасанием. Показано, что температура горения мелких частиц диаметром d < 200 мкм, для которых характерен переходный режим протекания химических реакций, возрастает с ростом давления газовой смеси. Получена аналитическая зависимость, качественно описывающая эту динамику. Наибольший рост приходится на интервал давления 0.1 ÷ 0.3 МПа. Представлен аналогичный анализ для частиц различных углей. С учетом внутреннего реагирования аналитически получена зависимость критических концентраций кислорода, соответствующих воспламенению и погасанию, от диаметра углеродной частицы. Показано, что повышение давления в смеси приводит к понижению критических концентраций кислорода.

Приведены результаты исследования взрывов алюминизированных взрывчатых веществ (ВВ) на основе октогена в ограниченной сферической камере. Изучалось влияние размера частиц алюминия и окружающей газовой среды на дожигание, а также на взрывные характеристики ВВ. Результаты показали, что концентрации кислорода в воздухе недостаточно для полного сгорания частиц алюминия. По оценкам степень окисления частиц алюминия составляет 87 ÷ 93 % и имеет тенденцию к снижению при увеличении размера частиц. Часть частиц алюминия окисляется вместе с продуктами детонации, и реакция может длиться сотни микросекунд. Однако степень окисления крупных частиц алюминия продуктами детонации невелика. Для оценки начальной энергии детонации применяется новый метод, основанный на определении разницы во времени между началом свечения и приходом волны давления. Этот метод позволил сделать вывод, что некоторые частицы алюминия окисляются во время детонации и обеспечивают дополнительную энергию для первичной взрывной волны. Мелкие частицы алюминия микронного размера в диапазоне 48.9 нм ÷ 46.7 мкм увеличивают длительность существования огненного шара.

Разработан способ получения детонационных наноалмазов из тетрила путем подрыва последнего в водной оболочке при массовом соотношении взрывчатое вещество / вода = 1/(10 ÷ 14). Предложенный процесс обеспечивает выход целевого продукта в количестве 6 ÷ 7 % от исходной массы реагента при содержании наноалмазов в образовавшейся шихте 57 ± 6 %. Показано, что в плане экономичности и безопасности процесса подготовки зарядов использование индивидуальных взрывчатых веществ имеет преимущества по сравнению с известными многокомпонентными составами.

Методом растровой электронной микроскопии обнаружено, что воздействие ударно-волнового импульса микросекундной длительности вызывает в сферопластиках на основе кремнийорганического эластомера формирование нитевидных структур длиной до 10 мкм. Нитевидные структуры образуются на поверхности разрушенных микросфер. Их образованию способствует металлизация поверхности стеклосфер. Представлены результаты экспериментального изучения изменений диэлектрических и механических характеристик металлизированного сферопластика, вызванных ударно-волновым воздействием. Обсуждаются возможные причины образования нитевидных структур при ударно-волновом воздействии на сферопластики.

Всесторонне исследовано естественное дробление (фрагментация) стальных цилиндров с различными размерами заряда взрывчатого вещества, проанализирована корреляция результатов для различных цилиндров. Распределение осколков Мотта имеет некоторые очевидные недостатки, в числе которых сложность точного определения количества осколков. Кроме того, не существует единого и удобного метода описания дробления оболочек различных конструктивных схем. Результаты показали, что поведение цилиндра при фрагментации статистически автомодельно и может быть описано обобщенной линейной зависимостью C_L = a + b ( C / M ). Из-за наличия торца и зазора на торце заряда осколочные характеристики цилиндра снижались до некоторого постоянного значения, а влияние толщины стенки было небольшим. Механизм влияния торца и торцевого зазора на фрагментацию оболочки исследовался с помощью трехмерного моделирования, которое хорошо подтвердило экспериментальные данные.