Главная – Журналы – Физика горения и взрыва 2021 номер 4

Обзор посвящен возможностям комбинации самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) и электроискрового спекания (ЭИС) для получения монофазных керамических материалов и композиционных материалов с керамическими и металлическими матрицами. Материалы, рассмотренные в данном обзоре, содержат соединения, образующиеся в режиме СВС: карбиды, бориды и силициды металлов, а также интерметаллиды. Анализируются факторы структурообразования материалов, полученных спеканием продуктов СВС, а также влияние условий ЭИС на характеристики материалов (относительную плотность, размер зерна). Рассматриваются преимущества объединения методов СВС и ЭИС, в том числе возможность дополнительной обработки продукта СВС (измельчение, добавление компонентов) для модификации состава материала и его свойств.

Представлены результаты численного исследования смешения, воспламенения и горения струи холодного водорода, распространяющейся вдоль нижней стенки канала параллельно сверхзвуковому (M = 2) потоку инертной газовой смеси / влажного горячего воздуха. Расчеты проведены с использованием коммерческого пакета ANSYS CFD Fluent на основе решения нестационарных осредненных по Фавру уравнений Навье - Стокса, дополненных k-w SST моделью турбулентности и несколькими кинетическими схемами горения водорода. Рассмотрены две брутто-схемы и три детальные кинетики, включающие в себя 16, 38 и 37 прямых и обратных реакций. Целью работы является выбор методики расчета и кинетического механизма, обеспечивающих хорошее совпадение с экспериментальными данными по сверхзвуковому горению спутной струи водорода. Показано, что в случае нереагирующего течения расчетный алгоритм позволяет достаточно точно предсказать параметры смешения струи водорода и внешнего потока. В случае реагирующего течения существенное влияние на характеристики течения оказывают крупные вихревые структуры, развивающиеся на границе слоя горения с внешним течением. Учет нестационарности в комбинации с детальной кинетической схемой, содержащей 37 реакций, позволяет получить хорошее совпадение средних характеристик течения с экспериментальными данными о распределении давления, температуры, числа Маха и концентраций компонентов на выходе из камеры сгорания.

Исследовалось распространение пламени над поверхностью жидкого топлива, нанесенного на подложку с низкой температуропроводностью. Показано, что такая система-топливо и подложка-не является термически тонкой. Выполнен анализ переноса тепла перед кромкой пламени, обусловленного движением жидкости и возникающего за счет градиента температуры в слое жидкости (эффект Марангони). Приведены оценки градиентов температуры в конденсированной фазе, толщины слоя жидкого топлива перед и под фронтом пламени. Сделана оценка скорости диффузионного потока топлива в газовой фазе вблизи кромки пламени. Показано, что от градиента температуры вдоль поверхности жидкой пленки зависят скорость движения пленки и скорость диффузии испарившегося топлива к кромке пламени.

Проведено моделирование и установлены особенности начального (линейного) этапа развития вращающихся поперечных детонационных волн в плоскорадиальной кольцевой камере сгорания. Решена возникающая на данном этапе задача линейной модовой устойчивости цилиндрического фронта дефлаграционного горения Чепмена-Жуге в радиально расходящемся дозвуковом потоке с малым числом Маха при наличии волн возмущения энтропии потока. Стационарный фронт пламени описывается разрывом газодинамических параметров при условии, что продукты сгорания находятся в химическом равновесии. Обнаружено, что фронт пламени неустойчив для некоторых типов малых возмущений основного потока горючей смеси и фронта пламени. Обнаружена неустойчивость при условии постоянного расхода в системе подачи смеси. Численно-аналитическими методами получены пространственные формы колебаний и волн возмущения фронта горения в кольцевой камере сгорания.

Проведены нульмерные расчеты наносекундной динамики процесса воспламенения под действием наносекундного разряда в условиях двух типов вычислительных ограничений. Определено влияние этих ограничений на оценку начальных стадий экспериментально наблюдаемой динамики давления. Расчеты проведены в рамках следующих ограничений: постоянные внутренняя энергия и объем (U&V) и постоянные энтальпия и давление (H&P). Обнаружены различия в полученных решениях. Поскольку давление постоянно в условиях H&P, общая концентрация всех частиц уменьшается в процессе воспламенения. При этом радикалы O образуются и расходуются в малых количествах. В случае U&V развитие реакций и рост температуры происходят более динамично, чем в условиях H&P. Обнаружены существенные различия между результатами расчета в условиях U&V и H&P. Следовательно, значительные отклонения результатов расчета от экспериментальных данных могут быть вызваны некорректным учетом теплопотерь за счет падения давления.

Обеспечение устойчивости рабочего процесса в РДТТ является неотъемлемой задачей при проектировании и эксплуатации двигателя. В данной работе представлена расчетно-экспериментальная методика определения линейной устойчивости рабочего процесса в РДТТ с осесимметричной камерой сгорания, основанная на решении линеаризованной системы уравнений, описывающих динамику продуктов сгорания твердого ракетного топлива, в частотной области. В качестве граничных условий используются полученные в импульсной Т-камере значения акустической проводимости зоны горения твердого топлива. Верификация методики проводится по расчетно-экспериментальным данным, полученным для шести модельных двигателей. Представлены расчеты устойчивости рабочего процесса в двигателе большого удлинения, работающего на металлизированном топливе.

Изучено влияние соотношения компонентов смесей оксида никеля (II) с титаном на режимы и скорость горения составов на их основе. Установлено, что в нормальных условиях при изменении массового содержания оксида никеля от 75 до 30 % происходит закономерная смена режимов горения: огненный факел, многоочаговый режим и автоколебательный режим с периодическим срывом продуктов горения с горящей поверхности. Показано, что максимальная скорость горения таких смесей (82 мм/с) достигается при равном массовом соотношении оксида никеля и титана. В конденсированных продуктах горения смеси оксида никеля с титаном идентифицированы интерметаллид Ti₂Ni и двойной оксид Ni₂Ti₄O _х .

Изучена стадийность химического превращения в волне горения экзотермической смеси Fe₂O₃/Al/AlN в среде азота c использованием оригинальной методики остановки фронта горения. Установлено, что в стехиометрической смеси Fe₂O₃/6Al, разбавленной 35 % (мас.) AlN, остановка фронта горения происходит после сгорания столба смеси 30 ÷ 40 мм. Методами локального анализа исследованы зоны остановленной волны горения. Показано, что алюмотермическое восстановление оксида железа (III) до алюминида железа протекает стадийно, через образование двойного оксида (FeAl) _x O_y, имеющего переменный химический состав. Конечные продукты синтеза включают в себя оксинитрид алюминия, алюминид железа и непрореагировавший нитрид алюминия.

С помощью построенных в макроскопическом приближении математических моделей проведено теоретическое исследование процессов объемного и волнового синтеза в гибридной смеси, состоящей из неактивированных и активированных порошков одного и того же состава. Исследована динамика синтеза в зависимости от доли активированного порошка при различных значениях параметров предварительной механоактивации. Получены аналитические формулы для приближенных оценок температуры и времени синтеза в неактивированном и активированном составах.

Предложена и численно исследована модель синтеза композита в режиме горения. Предполагается, что комплекс химических превращений можно описать кинетической схемой с двумя суммарными параллельными реакциями. Одна из реакций соответствует синтезу матрицы, вторая - синтезу включений. Учитывается, что плавление компонентов смеси происходит в некотором интервале температур, а не при фиксированной температуре плавления. Показана возможность распространения фронта реакции в автоколебательном режиме. Найдены критические значения параметров, разделяющие стационарный и автоколебательный режимы распространения фронта реакции. Результаты расчетов в предельных случаях соответствуют известным теоретическим представлениям.

Приведены результаты экспериментального исследования ударного сжатия образцов гидрида титана TiH₂, дейтеридов циркония ZrD₂ и тантала TaD_0.8, дейтеридов титана TiD₂, TiD_1.6, TiD_1.1 в диапазоне давления 30 ÷ 220 ГПа. Описана технология синтезирования образцов дейтеридов титана и циркония из порошков титана и циркония, а также дейтеридов тантала из танталовых прутков. Эксперименты по определению ударных адиабат дейтеридов и гидридов выполнены с использованием известного метода отражения. Для сжатия образцов применялись генераторы ударных волн, формирующие волны зарядами взрывчатых веществ разной мощности. Предложен вариант описания полученных экспериментальных данных простыми уравнениями состояния.

Представлены результаты численного моделирования методом молекулярной динамики разрушения нанокристаллов титана, алюминия при одноосном растяжении в широком диапазоне температур 300 ÷ 1 270 K. Показано, что при растяжении нанокристаллов титана, нагретых до температуры выше 0.7 от температуры плавления в ненапряженном нанокристалле, сначала происходит фазовое превращение из кристаллического в жидкое состояние, а затем их разрушение. При растяжении нанокристалла алюминия данный эффект отсутствует.

На основе численного моделирования, проведенного с использованием двух различных вычислительных комплексов, исследовано влияние на размеры кратеров, формируемых в стальных преградах различной прочности, скорости компактных металлических ударников сферической и цилиндрической форм в диапазоне 2 ÷ 10 км/c. Для описания поведения материалов ударника и преграды использована модель сжимаемой упругопластической среды с постоянным пределом текучести. В качестве материала ударников рассмотрены медь, титан и тантал. При задании массы и скорости ударников обеспечивалась неизменность их кинетической энергии. Установлено, что зависимости глубины кратера от скорости ударников с постоянной кинетической энергией имеют точку максимума, а объем кратеров с увеличением скорости монотонно снижается.