Главная – Журналы – Физика горения и взрыва 2023 номер 4

Работа посвящена краткому обзору и систематизации результатов исследований процессов ускорения пламени и перехода горения в детонацию в круглых гладких трубах, выполненных за последние несколько лет в Институте тепло- и массообмена им. А. В. Лыкова (Минск, Беларусь). Показаны и описаны все стадии процесса ускорения пламени, начиная от инициирования горения слабым источником и заканчивая возникновением детонации.

Представлены результаты расчетов высокоскоростного реагирующего течения предварительно не перемешанной водородно-воздушной смеси в канале с резким расширением в форме уступов с поперечной инжекцией водородных струй. Расчеты проведены в пакете Ansys Fluent на основе решения трехмерных нестационарных осредненных по Рейнольдсу уравнений Навье - Стокса, дополненных κ-ω SST моделью турбулентности и блоком уравнений детальной химической кинетики горения водорода в воздухе. Численно получено самовоспламенение водородно-воздушной смеси, переходящее в режим интенсивного горения с движением пламени от зоны воспламенения вверх по потоку. Показано, что горение происходит в толстых дозвуковых зонах, которые в местах повышенного тепловыделения смыкаются на оси канала, образуя тепловое горло. В результате формируется система прямых скачков уплотнения, которые отрывают пограничный слой от стенки канала. Возвратное течение переносит горячие продукты реакции по направлению к торцу уступа, в результате чего тепловое горло и скачки уплотнения смещаются навстречу потоку. Это приводит к выходу волны горения и ударной волны в инжекторную часть, при этом «выбитая» ударная волна объединяется с головным скачком перед струями, в результате чего канал запирается.

Представлены результаты численного моделирования процесса ускорения пламени в полуоткрытом канале, заполненном смесями на основе ацетилена. Расчеты проведены с использованием современного бездиссипативного метода КАБАРЕ. На основе сопоставления результатов, полученных в разных постановках, продемонстрировано влияние ширины канала и степени шероховатости его внутренней поверхности на динамику развития пламени на различных стадиях процесса ускорения пламени. В частности, показано, что при увеличении ширины канала увеличиваются скорость распространения пламени и амплитуда пульсаций скорости на квазистационарной стадии распространения пламени. Также показано, что торможение потока у стенок канала оказывает наиболее существенное влияние на стадии квазистационарного распространения пламени ввиду более стремительного развития пограничного слоя и генерации вихрей в пристеночной области и их взаимодействия с вытянутым вдоль стенок канала пламенем.

Приведены экспериментальные данные по периоду индукции воспламенения синтетических углеводородов при различных температурах и давлениях, полученные при использовании ударной трубы. На основе результатов экспериментов установлено влияние периода индукции воспламенения на полноту сгорания углеводородов в высокоэнтальпийных потоках для диффузионно-кинетических режимов. Представлена интегральная математическая модель, учитывающая влияние кинетических факторов воспламенения и горения на завершенность физико-химических процессов в воздушном потоке. Приведены результаты расчетов полноты сгорания синтетических углеводородов в потоках с различными параметрами.

С использованием разработанных математической модели и вычислительного алгоритма, реализованного в прикладном пакете OpenFOAM, изучена газификация двухслойного твердого пористого горючего в комбинированном заряде низкотемпературного газогенератора. В ходе вычислительных экспериментов исследовалось влияние двухслойности твердого пористого горючего на процесс его газификации на примере газификаторов, содержащих горючее из полиметилметакрилата и полиэтилена с различным взаимным расположением их слоев. Показано, что в двухслойном горючем могут одновременно распространяться две волны газификации, вследствие чего относительный массовый расход продуктов газификации может иметь два локальных максимума. Время работы газогенератора на двухслойном пористом горючем неоднозначно зависит от взаимного расположения слоев и может выходить из диапазона между временами работы газификатора на каждом из горючих.

Дисперсные металлические горючие являются энергоемкими компонентами различных гелеобразных и смесевых твердых топлив, существенно повышающими характеристики двигательных установок. В данной статье представлены характеристики горения высокоэнергетического материала (ВЭМ), содержащего окислитель, полимерное горючесвязующее вещество и дисперсное металлическое горючее - алюминий Al, бориды алюминия AlB₂ и AlB₁₂, аморфный бор. В бомбе постоянного давления измерены скорости горения ВЭМ в диапазоне давления 0.7 ÷ 4.0 МПа, установлено влияние дисперсности алюминия и природы металлического горючего на скорость и температуру горения, чувствительность топлива к изменению давления в камере и состав конденсированных продуктов горения. Увеличение дисперсности частиц Al в ВЭМ существенно повышает скорость горения и чувствительность топливной композиции к изменению давления. Замена микроразмерного порошка Al на аморфный бор, AlB₂ или AlB₁₂ в ВЭМ повышает скорость горения в 2.1 ÷ 2.2 раза при давлении 4.0 МПа, при этом степенной показатель в законе скорости горения u(p) = Bp^ν увеличивается с 0.22 до 0.45.

Проанализированы процессы, протекающие в период индукции теплового взрыва в смесях порошков титана и алюминия. Рассмотрена роль оксидной пленки на частицах алюминия и скорости нагрева образцов при взаимодействии титана с алюминием, и предложены различные механизмы разрушения оксидной пленки при температурах вблизи температуры плавления. Показано, что в зависимости от скорости нагрева образцов возможна реализация трех механизмов формирования непосредственного контакта между титаном и алюминием: механическое разрушение оксидной пленки на алюминии, реакция оксида алюминия с титаном, реакция оксида алюминия с алюминием. Механическая активация смеси порошков понижает температуру воспламенения на 20 ÷ 30 °C. Уменьшение среднего размера частиц титана от 90 до 10 мкм понижает температуру воспламенения на 100 °C. Показано, что в ряде случаев наблюдается двухстадийный механизм воспламенения. После изотермического участка плавления алюминия начинается стадия медленного роста температуры до 700 ÷ 800 °C, после чего скорость роста температуры увеличивается на порядок.

Перспективным направлением в ствольной баллистике для повышения дульной скорости метаемого элемента является использование новых топлив в качестве присоединенного заряда. В работе представлена экспериментально-теоретическая методика определения закона горения топлива в манометрическом эксперименте (в замкнутом объеме), позволяющая по небольшому числу опытов определить изменение закона горения по мере сгорания топлива и в зависимости от давления. Методика продемонстрирована на примере обработки трех опытов с модельным высокоплотным топливом. Полученные законы горения высокоплотных топлив в дальнейшем могут быть использованы для расчета газодинамических параметров выстрела из ствольной системы или сопловой бомбы (в полузамкнутом объеме) с использованием данных топлив.

Представлена методика бесконтактной диагностики ракетных двигателей на твердом топливе (РДТТ) на основе анализа акустических колебаний, генерируемых истекающей из сопла сверхзвуковой струей продуктов сгорания. Проведено экспериментальное исследование по определению давления в камере сгорания модельного ракетного двигателя на твердом топливе Е-5-0 с помощью неинвазивного метода контроля, использующего динамический микрофон, расположенный на заданном расстоянии от объекта исследования и регистрирующий акустические поля, создаваемые работающим двигателем. Экспериментально подтверждена возможность бесконтактного определения давления в камере сгорания по частоте акустических колебаний и уровню звукового давления, создаваемого струей продуктов сгорания модельного РДТТ. Показано удовлетворительное согласование результатов расчета давления со значением, зарегистрированным датчиком внутрикамерного давления.

Проведено исследование электроискрового инициирования термитных смесей на основе наноразмерных порошков алюминия и оксида меди. Получены данные о влиянии энергии электроискрового разряда на задержку воспламенения. При инициировании длинных цилиндрических образцов смеси искрой с малыми значениями тока зафиксированы два вида нестационарного горения. Первый вид определяется экспоненциальным характером достижения постоянной скорости горения. Второй вид характеризуется участками с неполным завершением реакции вдоль основного направления распространения. Для получения стационарных режимов с минимальным временем задержки воспламенения термитной смеси необходимо использовать разряд с энергией более 5 мДж на 1 мм² поверхности смеси.

Представлены экспериментальные данные по скорости изменения давления при горении аэровзвеси угольной пыли в замкнутом сферическом объеме при различных массовых концентрациях угольной пыли. На основе уравнений механики дисперсных сред в односкоростном однотемпературном приближении сформулирована физико-математическая модель горения аэровзвеси угольной пыли в замкнутом сферическом объеме. Скорость распространения волны горения относительно газовзвеси и скорость горения частицы угольной пыли являются параметрами модели и определяются путем согласования результатов расчетов с экспериментальными данными. Получено хорошее их согласие. Предложенный подход может быть использован для оценки влияния горения угольной пыли на интенсивность ударных волн в угольных шахтах при аварийных взрывах метана с участием угольной пыли.

На примере дизельного топлива впервые исследованы характеристики горения жидких углеводородов в струе перегретого водяного пара в условиях закрытого топочного пространства. Представлена модернизированная конструкция оригинального горелочного устройства малой мощности, основанная на принципе распыла топлива высокоскоростной струей пара, с возможностью регулировки подачи первичного и вторичного воздуха. Определены показатели вредных выбросов при изменении коэффициента избытка воздуха внутри топки. Впервые проведено сравнение разработанного горелочного устройства с серийным образцом жидкотопливного горелочного устройства- дизельной горелкой Weishaupt. Показано, что добавление перегретого водяного пара обеспечивает высокую полноту сгорания топлива и низкое содержание СО и NO_x в продуктах сгорания, отвечающее самым строгим европейским стандартам.

Проведены эксперименты с целью изучения процесса ударно-волнового инициирования детонации в чистом тетранитрометане и его смесях с ацетоном, нитробензолом и метанолом. Свечение детонационного фронта фиксировалось скоростными камерами в режиме щелевой развертки и покадровой съемки. Зафиксирован очаговый режим инициирования детонации как в чистом тетранитрометане, так и в его смесях с разбавителями. Установлено, что количество очагов, характер их возникновения, закономерности их роста и слияния зависят от природы разбавителей. Эволюция волновых профилей регистрировалась многоточечным лазерным интерферометром VISAR. Полученные профили скорости существенно отличаются от предсказываемых классической схемой инициирования и развития детонации при ударно-волновом воздействии.

С использованием интерферометра VISAR и электронно-оптической камеры НАНОГЕЙТ-22 проведены экспериментальные исследования структуры детонационных волн в смесях тетранитрометана с ацетоном. Показано резкое изменение характера течения в зоне реакции при концентрации разбавителя 10 ÷ 40 %, проявляющееся в уменьшении амплитуды химпика вплоть до его полного исчезновения. Практически во всем интервале концентраций, за исключением диапазона вблизи предельного значения 52 %, детонационные волны устойчивы. При приближении к предельной концентрации они теряют устойчивость, что проявляется в формировании как ячеистой структуры фронта, так и волн срыва реакции. Полученные экспериментальные зависимости скорости детонации от концентрации ацетона хорошо согласуются с термодинамическими расчетами.

При использовании метода многоточечного инициирования боковой поверхности цилиндрического заряда в сечении, перпендикулярном оси, формируется детонационная волна со сложной газодинамической структурой, имеющая форму многоугольника с вершинами в местах сопряжения волн. Стороны многоугольника всегда выпуклые по направлению к оси заряда. Для получения гладкой цилиндрической детонационной волны с обратной кривизной предложено использовать в точках инициирования специальные устройства- линзы из инертного материала. Экспериментально определены динамические характеристики материала, и обоснован метод построения профиля линзы. Проведено математическое моделирование работы узла инициирования и формирования цилиндрической детонационной волны в заряде. Показаны особенности работы одиночного узла инициирования и узла, входящего в состав экспериментальной сборки. Представлена динамика осесимметричного сжатия сходящейся детонационной волной, проведено ее сравнение с расчетами.

Зарегистрированы условия прекращения пламенного горения и термического разложения модельного лесного и торфяного пожара при воздействии водой, эмульсией пенообразователя (5 %), раствором бишофита (10 %), раствором ФР-Лес 01 (20 %), раствором антипирена (об. 5 %), раствором ОС-5 (15 %) и суспензией бентонита (5 %). Зарегистрированы температуры в процессе разгорания модельных очагов и тушения последних специализированными составами на основе воды. Установлены минимальные объемы огнетушащих составов и время, необходимое и достаточное для подавления пиролиза растительной биомассы. Определены минимальные плотности орошения модельных лесных и торфяных очагов составами на основе воды со специализированными добавками.