Главная – Журналы – Физика горения и взрыва 2021 номер 3

Представлен обзор работ, посвященных математическому и численному моделированию ударно-волновых и детонационных процессов в мелкодисперсных газовзвесях инертных/реагирующих частиц. Перечислены и проанализированы основные модели механики сплошных сред для описания разреженных газовзвесей и насыщенных порошковых сред. Выделены модели с внутренним давлением в фазе частиц, в том числе с описанием столкновительной динамики частиц в рамках молекулярно-кинетических подходов. Обсуждаются проблемы межфазных взаимодействий и уравнения состояния. Затронуты вопросы качественного анализа характеристических свойств моделей и теоретического анализа ударно-волновых структур (условия на скачках, классификация ударных волн и комбинированных разрывов). Указаны численные алгоритмы, наиболее широко используемые при моделировании ударно-волновых процессов. Отмечены некоторые результаты численных исследований процессов инициирования и распространения детонации, взаимодействия ударных волн с облаками и слоями частиц, диспергирования слоев.

Исследованы четыре детальных химических механизма для описания детонационного горения водорода в кислороде. Найдены задержки воспламенения при различных температурах и давлениях, определена скорость Чепмена-Жуге, рассчитано решение Зельдовича-Неймана-Дёринга для различных моделей. Дана оценка влияния разбавления стехиометрической смеси водорода и кислорода инертным газом. Выполнено прямое численное моделирование распространения детонационной волны в канале, исследован процесс возникновения неустойчивости плоской волны и формирования ячеистой (многофронтовой) структуры. Проведены анализ и сравнение результатов, полученных с использованием различных химических моделей, и их сопоставление с экспериментальными данными.

Экспериментально исследуется влияние препятствий, свободного от препятствий пространства, потоков газа и пристенной турбулентности на ускорение пламени при возгорании в замкнутом пространстве, транспорте, помещениях. Обнаружено, что два ряда препятствий, сходных по форме с сиденьями (моделирующими сиденья в транспортных средствах), вызывают увеличение скорости пламени в пространстве между препятствиями. Интенсивность турбулентности выше в локальных областях, где скорость газа близка к скорости звука и немного превышает ее, что увеличивает скорость пламени. В потоке, ускоряющемся под влиянием фронта пламени до сверхзвуковой скорости, могут сформироваться ударные волны, которые увеличивают скорость пламени. Учет геометрических ограничений может замедлить распространение пламени и предотвратить катастрофу.

Изучение баллистических свойств энергетических материалов жизненно важно для обеспечения безопасности их транспортировки, перемещения, хранения и использования. Экспериментальная оценка баллистических свойств может оказаться сложным, дорогим и длительным процессом. В настоящей работе предлагается простой численный метод предсказания баллистических свойств горючих энергетических материалов. Для выведения формул использовалась теоретическая оценка и обратная связь уравнений Ренкина - Гюгонио в приближении адиабатического и одномерного распространения волн. Формулы для определения баллистических свойств, таких как давление, температура и скорость частицы, получены с учетом массы реагентов в точке воспламенения. Скорость частиц и волны горения корреляции определяли в зависимости от массы и расстояния от точки воспламенения. Достоверность результатов теоретических расчетов проверена сопоставлением с экспериментальными данными. Расхождение не превышало 2 %. Применение этого простого расчета позволяет без проведения сложных экспериментов оценивать и сравнивать баллистические свойства различных горящих энергетических материалов.

Представлены результаты экспериментального исследования характеристик зажигания и шлакообразования при горении борсодержащих твердых топлив с перхлоратом аммония в качестве окислителя, в условиях, моделирующих рабочие процессы в газогенераторе и в камере дожигания ракетно-прямоточного двигателя. Показано, что введение фторсодержащих добавок в состав топлива снижает содержание и адгезионную способность первичных конденсированных продуктов горения (шлаков). Получены зависимости времени задержки зажигания от плотности лучистого теплового потока в диапазоне 20 ÷ 180 Вт/см² модельных твердых топлив, содержащих бор, углерод, карбид бора и частицы шлака, отобранного в газогенераторе.

На основе данных термогравиметрического эксперимента определены энергия активации E = 205.9 кДж/моль, предэкспоненциальный фактор A = 2.275x10^-15 м³/c и порядок реакции по окислителю m = 1 процесса окисления частицы диборида алюминия, идущего с образованием бората алюминия на поверхности. С использованием теории воспламенения металлических частиц, протекающего по механизму теплового взрыва, выполнена оценка условий воспламенения одиночной частицы диборида алюминия в воздухе. Показано, что следствием образования боратов алюминия в период индукции является сильная положительная зависимость температуры воспламенения частиц от их размера и парциального давления кислорода.

Проведено исследование различных макрокинетических режимов взаимодействия (самовоспламенение или горение) компактных образцов из непассивированных (пирофорных) и пассивированных нанопорошков железа с воздухом. Эксперименты показали, что режимы взаимодействия с воздухом зависят от типа используемой газообразной среды (аргон или воздух), в которой предварительно находились бюксы с образцами, а также от длительности нахождения бюксов на воздухе. Впервые экспериментально установлена возможность пассивации прессованных образцов из пирофорного нанопорошка железа при нахождении бюксов с образцами на воздухе. Различными экспериментальными методами изучена динамика разогрева образца и влияние на нее неоднородности плотности по длине образца. Установлено, что разогрев пирофорных образцов имеет неоднородный характер, хотя начинается одновременно по всей поверхности образца.

Исследовано влияние содержания поливинилбутираля (0 ÷ 2.3 %) на горение гранулированной смеси Ti + C с титаном разных марок. Эксперименты проводились в отсутствие внешнего потока газа, поэтому из-за низкой температуры разложения и небольшого количества поливинилбутираля ожидался кондуктивный режим горения. Однако для быстро горящих смесей обнаружен конвективный режим горения за счет поджигания поверхности гранул горячими газообразными продуктами разложения поливинилбутираля. Объяснен механизм попадания неразложившегося поливинилбутираля за фронт воспламенения. Установлено, что режим горения гранулированной смеси Ti + C зависит от скорости ее горения в отсутствие потока газа через образец. На основании экспериментального и теоретического анализа процесса горения установлено, что воспламенение гранул в конвективном режиме происходит при температуре α®β-перехода в титане. Дано качественное объяснение различного влияния содержания поливинилбутираля на медленно и быстро горящие смеси Ti + C.

С использованием многоточечного лазерного интерферометра исследована структура детонационных волн в смесях тетранитрометана с метанолом и нитробензолом. Наблюдается плохая воспроизводимость профилей массовой скорости, измеренных в разных опытах при фиксированном составе смесей. Одновременная регистрация волновых профилей в нескольких точках детонационного фронта и различных сечениях образца показала, что при этом течение является одномерным и устойчивым по отношению к продольным возмущениям. Это означает, что в каждом эксперименте реализуется стационарный детонационный режим, параметры которого отличаются от опыта к опыту. Наряду с отсутствием воспроизводимости профилей массовой скорости, в исследуемых смесях зарегистрированы неклассические режимы детонации, проявляющиеся в отсутствии химпика в зоне реакции. Обсуждается возможная взаимосвязь этих двух явлений.

Взрывчатое вещество тетразен (1-амино-1-(тетразол-5-ил-диазенил)гуанидин моногидрат) с начала XX в. активно используется в инициирующих составах, но обладает низкой термической и гидролитической стабильностью. Для замены тетразена предлагается 2-(тетразол-5-ил-диазенил)гуанидин (MTX-1), являющийся его более термостойким производным. Однако решение о применимости того или иного взрывчатого вещества принимается, в первую очередь, по его взрывным свойствам, которые как для тетразена, так и для MTX-1 изучены недостаточно. Цель настоящей работы - определение скорости детонации и теплоты взрыва MTX-1 в сравнении с тетразеном и объяснение полученных результатов. Калориметрические измерения проводились в модифицированной стальной бомбе. Образцы MTX-1 и тетразена ≈1 г) взрывались в среде гелия с целью определения теплоты взрыва и объема газов. Получены экспериментальные данные по критическому диаметру обоих веществ. Скорость детонации MTX-1 и тетразена определялась электромагнитным методом.

Детонация тэна и октогена с размером частиц около 1 мкм исследована электромагнитным методом. При начальной плотности 0.9 ÷ 1.2 г/см³ химпик был или слабо выражен, или вообще не наблюдался. Это указывает на быструю реакцию, время которой находится за пределами экспериментального разрешения (около 5 нс). Измерения электропроводности позволили получить лишь достаточно грубую оценку времени реакции сверху (менее десятков наносекунд). Диагностика плотности с помощью синхротронного излучения показала, что инициирование тэна воздушной ударной волной приводит к практически мгновенному возбуждению детонации, без какого-либо разгонного участка. В целом результаты исследования подтверждают ускорение химической реакции в ультрадисперсных ВВ.

Приведены результаты исследования процессов инициирования взрывного превращения плоских зарядов диаметром 40 мм и толщиной 5 мм из низкоплотного (ρ ≈ 0.9 г/см³) светочувствительного взрывчатого состава (СВС) на основе высокодисперсных гексогена и алюминия. Показана возможность использования лазерного излучения (ЛИ) для инициирования взрывного превращения на большой площади (≈1 000 мм²) с малой разновременностью выхода фронта детонационной волны. Определено значение плотности энергии ЛИ (Q_опт = 10 Дж/см²), достижение которой по всему пятну ЛИ на поверхности заряда способно обеспечить разновременность выхода фронта детонационных волн на тыльную поверхность заряда не более 50 нс.

Экспериментально исследована зажигательная способность реакционных ударников, состоящих из политетрафторэтилена, алюминия и вольфрама, при ударном взаимодействии с топливными баками. В ходе баллистических экспериментов реакционные и стальные ударники вылетали с разной скоростью из гладкоствольной пороховой пушки и сталкивались с заполненным топливом баком. Весь процесс записывался высокоскоростной видеокамерой. Показано, что реакционные ударники обладают большей зажигательной способностью по сравнению со стальными ударниками. При попадании реакционного ударника в бак, заполненный топливом, воздействие оказывают как кинетическая энергия ударника, так и высвобождающаяся при ударе химическая энергия, что повышает вероятность воспламенения топлива. В частности, пламя, возникающее под воздействием реакционного ударника и выполняющее роль очага воспламенения, существует дольше и распространяется на бóльшую область.

Обсуждается вопрос о том, является ли физическое состояние ударно-сжатой меди равновесным. Для этого экспериментальные данные о дефектном электросопротивлении используются для оценки концентрации точечных дефектов. Количественная информация о концентрации дефектов может быть получена, если известен тип возникающих дефектов. В предположении преимущественного образования вакансий получена зависимость концентрации дефектов в меди от давления ударной волны. Показано, что количество дефектов монотонно возрастает при увеличении давления ударной волны. Найденная концентрация вакансий (≈0.8 % при давлении 20 ГПа) превышает на десять порядков соответствующее равновесное значение. Таким образом, состояние меди при ударном сжатии является высокодефектным и сильно неравновесным. Сравнение данных для ударно-сжатых меди и серебра показывает общие особенности состояния этих металлов. Сопоставление данных, полученных непосредственно после прохождения ударной волны по образцу (in situ), с известными результатами для сохраненных после эксперимента образцов демонстрирует, что в первом случае регистрируются заметно большие (до двух порядков величины) концентрации дефектов. Таким образом, техника сохраненных образцов не дает объективной информации о состояния вещества непосредственно за ударным фронтом. Кратко обсуждается проблема построения уравнения состояния в условиях неравновесности физического состояния.