Главная – Журналы – Физика горения и взрыва 2023 номер 1

Разработана кинетическая модель воспламенения и горения смесей пропана и н-бутана в воздухе. Модель содержит 348 реакций с участием 72 компонентов и включает в себя как высоко-, так и низкотемпературный механизм окисления пропана и н-бутана. Проведено тестирование кинетической модели по экспериментальным данным по времени задержки воспламенения и скорости распространения ламинарного пламени. Показано хорошее соответствие модели экспериментальным данным по воспламенению пропана и скорости ламинарного пламени в смесях пропана с воздухом, по воспламенению н-бутана при различных начальных условиях (T₀ = 670 ÷ 1 550 K, ρ₀ = 1 ÷ 30 атм, φ= 0.3 ÷ 2.0), по скорости ламинарного пламени в смесях н-бутана с воздухом при T₀ = 298 К, ρ₀ = 1 атм и различных стехиометрических соотношениях (φ = 0.67 ÷ 1.5), а также по воспламенению стехиометрических смесей С₃H₈/C₄H₁₀/N₂/Ar с различными соотношениями С₃H₈/C₄H₁₀ при T₀ = 710 ÷ 910 K и ρ₀ = 17.8 атм. С применением разработанного кинетического механизма выполнено демонстрационное численное моделирование горения пропан-бутанового топлива в гомогенной камере сгорания.

Проведено экспериментальное исследование инициирования горения в сверхзвуковом потоке водородовоздушной смеси при одновременном воздействии сфокусированного импульсно-периодического излучения СО₂-лазера и внешнего электрического поля. На основе данных о собственном свечении пламени на длинах волн излучения возбужденных радикалов ОН^* исследовано горение в сверхзвуковой струе. Инициирование горения смеси зависело от формы электродов и электрических сигналов. Пламя, занимающее все сечение топливовоздушной струи, было реализовано только в условиях одновременного воздействия лазерного излучения и электрического поля. Таким образом, совместное использование оптического и электрического разрядов позволило инициировать горение и стабилизировать пламя водородовоздушной смеси в сверхзвуковом потоке без механических стабилизаторов.

Представлена математическая модель горения газовзвеси угольной пыли в метановоздушной смеси, в которой учитывается неоднородность распределения температуры в частицах. Параметры состояния газовзвеси определяются по модели динамики двухфазной двухскоростной реагирующей газодисперсной среды. Для моделирования горения частиц угольной пыли используется локальная математическая модель гетерогенного реагирования на поверхности частиц и прогрева частицы. Из решения локальных задач горения частиц угольной пыли для всей совокупности частиц определяется скорость тепловыделения в гетерогенной реакции угольной пыли с кислородом, а также теплообмен с газом. Определены зависимости скорости распространения фронта горения от массовой концентрации угольной пыли и объемной концентрации метана. Расчетная скорость распространения фронта горения в метановоздушной смеси без угольной пыли хорошо согласуется с экспериментальными данными. Проведено сравнение результатов расчета скорости пламени в углеметановоздушной смеси по двум моделям - с учетом и без учета неоднородности распределения температуры в частицах. Сравнение показало существенное отличие в значениях расчетной скорости фронта горения быстро горящих составов газовзвесей. Для медленно горящих газовзвесей такое отличие уменьшается. Разработанная модель объясняет смещение максимума скорости распространения пламени в углеметановоздушной смеси в сторону избытка горючего в воздухе.

Проведено экспериментальное исследование распространения пламени над тонкой пленкой различных жидких топлив с температурой вспышки ниже температуры окружающей среды. Исследование проводилось на тонких медных и толстой стеклянной подложках в средах с различным содержанием кислорода. Показано, что с повышением концентрации кислорода скорость пламени растет быстрее, чем нормальная скорость соответствующей гомогенной стехиометрической смеси. Диапазон изменения скорости пламени 0.02 ÷ 2.4 м/с при изменении доли кислорода в смеси с азотом от 0.21 (воздух) до 1. При скоростях распространения пламени выше 0.3 м/с не выполняется условие термической тонкости даже для тонких медных подложек. Скорость пламени перестает зависеть от свойств подложки и толщины слоя топлива, а становится зависимой только от свойств топлива. В этом диапазоне скоростей скорость распространения пламени линейно растет с увеличением теплового эффекта единицы объема стехиометрической смеси паров топлива с окислителем и падает с ростом разности между температурой T_st , при которой образуется стехиометрический состав в равновесных условиях, и температурой окружающей среды T₀.

Процесс воспламенения струи распыленного жидкого топлива, часто встречающийся в энергетике и энергетическом машиностроении, является важным фактором при проектировании и эксплуатации камер сгорания. Воспламенение струи распыленного жидкого топлива в значительной мере связано с воспламенением отдельных капель. В большинстве современных исследований процесса воспламенения одиночных капель и распыленного жидкого топлива используется численное моделирование. Однако последующий анализ результатов проведенного численного моделирования не всегда позволяет явно указать механизм воспламенения, что создает сложности для практического использования полученных результатов. В статье представлено экспериментальное и аналитическое исследование воспламенения одиночных капель и струи распыленного жидкого топлива при различных условиях. Результаты расчетов по одномерной аналитической модели сопоставлены с экспериментальными результатами. Установлено, что температура воспламенения одиночной капли уменьшается при увеличении размера капли и возрастает при росте относительной скорости газа. Температура воспламенения двухфазной смеси воздуха с керосином продуктами сгорания пропана повышается при увеличении коэффициента избытка воздуха и уменьшается при увеличении размера капель. Полученные результаты могут быть использованы при проектировании и эксплуатации камер сгорания на жидком топливе.

Термическое разложение бис-R-замещенных гем-динитроэтил-N-нитраминов в растворе дифенилового эфира изучено манометрическим методом в сочетании с масс-спектрометрией и фотоэлектроколориметрией. Реакция протекает по уравнению первого порядка и не осложняется цепными и гетерогенными процессами. Лимитирующей стадией процесса является гомолиз связи C-NO₂ в гем-динитрогруппе. Определены кинетические параметры лимитирующей стадии. Проанализировано влияние строения на реакционную способность изученных соединений. Установлены линейные зависимости между константой скорости, энергией активации термораспада и стерическими константами α-заместителя у реакционного центра.

Исследован фазовый состав продуктов теплового взрыва в прессовках из порошковых смесей Ti-C-Al с эквиатомным cоотношением титана и углерода (сажи) и с содержанием алюминия 10 ÷ 40 % (мас.). Прессовки нагревали со скоростью 40 ± 5 °C/мин в среде аргона. Температура самовоспламенения всех составов была близка к температуре плавления алюминия (660 °C), а пиковые значения температуры и максимальные скорости ее роста повышались с увеличением содержания порошка алюминия в смесях. Продукты синтеза содержали карбид титана и триалюминид титана Al₃Ti, соотношение которых зависело от содержания алюминия в смеси. Предварительная обработка реакционных смесей в планетарной мельнице приводит к расплющиванию частиц алюминия, что предотвращает появление расплава, растекание которого по поверхности титана с последующей реакционной диффузией и образованием Al₃Ti было причиной повышения температуры в прессовках из неактивированных смесей.

Проведены экспериментальные исследования и в макроскопическом приближении построена математическая модель процессов механической активации и высокотемпературного синтеза в режиме горения в системе Nb-2Si. Определены режимы синтеза в зависимости от длительности совместной механоактивации реагентов. На основе экспериментальных данных методом обратной задачи найдены кинетические параметры измельчения исходной порошковой смеси и механохимического синтеза продукта реакции.

Сплавы на основе тройной системы Ti-Al-Mn являются одними из наиболее важных при разработке легированных титановых сплавов различного назначения. В данной работе сплав состава Ti - 42.9 %, Al - 24.3 %, Mn - 32.8 % (по массе) получен методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) в режиме теплового взрыва. Рентгенофазовый анализ показал, что конечный продукт синтеза содержит фазу TiMn_0.32Al_2.68 с кубической упаковкой, фазу TiMn_0.755Al_1.246 с гексагональной упаковкой и бинарную фазу Mn₃Al₂. Синтезированные образцы обладают достаточно высокой пористостью ≈41 %, содержат поры размером до 300 ÷ 400 мкм. Фазообразование может быть следствием того факта, что максимальная температура, достигаемая при горении этой системы в процессе СВС, недостаточна для полного взаимодействия с образованием интерметаллидной фазы Mn₂Ti и растворением в ней алюминия Al с формированием твердого раствора (Mn, Al)₂Ti. Это способствует образованию промежуточных интерметаллических фаз, которые могут находиться в равновесии с жидкой фазой вплоть до температуры плавления титана.

Выполнен анализ подходов к обеспечению эффективности рабочего процесса в камере сгорания (КС) прямоточного воздушно-реактивного двигателя (ПВРД) с использованием нетрадиционного метода измерения осевого усилия при испытании экспериментальной модели КС на жидком топливе в имитируемых огневым подогревателем условиях полета. В ходе огневых испытаний на присоединенном воздухопроводе с применением измерителя осевых усилий реализованы измерения реактивной тяги и сопротивления КС. Тяга является параметром, характеризующим энергетический потенциал любого двигателя. В рамках традиционной методики для получения представления о тягово-экономической характеристике тепловой машины требуются длительные многопараметрические исследования и расчеты эффективности процесса. Новая методика позволяет непосредственно в процессе огневых испытаний фиксировать эффективность воздействия любого параметра или элемента конструкции на физический процесс в КС в единицах реализованной силы тяги и оценивать изменение любого параметра уровнем тяги. Предлагаемая система измерения тяги на начальной стадии испытаний позволяет уточнить направления поиска организации рабочего процесса и снизить объем промежуточных расчетов, сэкономив огромное количество времени и средств. Благодаря этому в совокупности с результатами измерения статического давления по длине КС можно гарантированно предсказать направление поиска повышения эффективности рабочего процесса. Показаны пути повышения эффективности рабочего процесса в КС ПВРД с использованием возможности с помощью измерителя тяги оценить интегральную эффективность двигателя в условиях ограниченных технических и методических возможностей в огневых испытаниях КС.

С помощью разработанного авторами кода HyCFS-R, предназначенного для моделирования на гибридных вычислительных системах, выполнено трехмерное численное моделирование детонационной волны, распространяющейся в круглой трубе, заполненной газовзвесью частиц алюминия в кислороде. Воспроизведен режим распространения с одноголовым спином, показано, что горение происходит в некоторой локализованной зоне фронта, вращающейся при его распространении, что характерно для спиновой детонации как в чисто газовых смесях, так и в гетерогенных средах. Получены данные об основных параметрах распространения детонационной волны в газовзвеси частиц алюминия в режиме спиновой детонации, проведено сравнение с теоретическими предсказаниями, численными и экспериментальными результатами других авторов.

Промышленный гексагидро-1,3,5-тринитро-1,3,5-триазин микронного размера (m-гексоген) широко используется в производстве пластических взрывчатых веществ (ПВВ) на основе гексогена. Однако механические и адгезивные свойства основанного на m-гексогене ПВВ (m-ГПВВ) недостаточно удовлетворительны. Применение частиц нанометрового размера (n-гексоген) с большой эффективной площадью поверхности обеспечивает больший контакт с полимерным компонентом. Таким образом, использование n-гексогена приводит к улучшению пористости и сжимаемости m-ГПВВ. Исследованы микроструктура, состав, сжимаемость, чувствительность и детонационные характеристики ГПВВ на основе m-гексогена и n-гексогена. Показано, что n-гексоген делает ГПВВ более компактным, чем m-гексоген. Деформация n-ГПВВ увеличилась на 39.7 % по сравнению с m-ГПВВ при тех же пропорциях каждого компонента. n-ГПВВ обладает более низкой чувствительностью по сравнению с m-ГПВВ, а их скорости детонации, давление и теплота детонации одинаковы.

Взрывчатые вещества (ВВ) часто подвергаются воздействию различных температур в боевых условиях. Характеристики ударного инициирования ВВ связаны с их свойствами и температурой окружающей среды. В настоящей работе определены параметры модели Ignition and Growth для состава LX-04 при различных температурах на основе экспериментов по ударному инициированию. Методом имитационного моделирования чувствительности к удару LX-04 при начальных температурах 25, 60, 100, 150 и 170 °C определена критическая скорость удара - 325, 280, 233, 201 и 194 м/с соответственно. На основе этих данных предложена новая модель, устанавливающая соотношение между критической скоростью удара и начальной температурой. Показано, что начальная температура значительно влияет на детонационные характеристики ВВ: чем она выше, тем выше ударная чувствительность LX-04 и пиковая температура детонации.

Анализируются экспериментальные данные по электросопротивлению алюминия при сильном сжатии. При помощи электроконтактного метода выполнены измерения электросопротивления алюминиевой фольги двух типов, размещенной в диэлектриках с различными ударными импедансами. Найденные зависимости электросопротивления алюминия от давления ударной волны являются монотонно возрастающими функциями давления. В то же время зависимость удельного электросопротивления алюминия от давления ударной волны оказывается монотонной (фольга в оргстекле) или немонотонной (фольга во фторопласте). В последнем случае при росте давления удельное электросопротивление сначала немного уменьшается, а далее увеличивается. Такое поведение объяснено конкурирующим влиянием на удельное электросопротивление сжатия и температурного нагрева. Ударное сжатие металлической фольги в диэлектрике с меньшим ударным импедансом (оргстекло) приводит к увеличению регистрируемого электросопротивления по сравнению с диэлектриком, имеющим больший ударный импеданс (фторопласт). Полученный результат обусловлен б́óльшим температурным разогревом металлической фольги, помещенной в оргстекло. Обсуждаются причины качественного отличия поведения удельного электросопротивления металла при статическом и динамическом сжатии.