Главная – Журналы – Физика горения и взрыва 2024 номер 3

Численным моделированием показано, что действие добавки СО в малых количествах в богатые смеси диметилового эфира обусловлено только физическим вкладом в значение нормальной скорости распространения пламени. Химический вклад отсутствует. Поэтому экстраполяция линейных участков зависимостей богатых концентрационных пределов распространения пламени до нулевых концентраций азота, CO₂ и СО дает одно и то же значение концентрации диметилового эфира. Получено соотношение между химическим и физическим вкладами действия фиксированной добавки СО во всем диапазоне концентраций диметилового эфира в смеси с воздухом. Добавка СО действует на реализацию сверхадиабатических температур в пламени диметилового эфира так же, как инертные добавки СО₂ и N₂.

Экспериментальные исследования и кинетический анализ воспламенения в воздухе стехиометрических смесей метана с оксидом углерода в области температур ниже 1 000 K и давлений 1 ÷ 15 атм показали сложный характер влияния состава смеси, температуры и давления на задержку воспламенения. Для смесей с различным содержанием оксида углерода давление по-разному влияет на воспламенение, и значения эффективной энергии задержки воспламенения этих смесей сильно различаются, что указывает на серьезные изменения в механизме процесса при изменении всех указанных выше параметров. Наиболее очевидные изменения связаны с влиянием этих параметров на реакции образования и последующую кинетику гидропероксидных радикалов HO₂^•, в том числе роль их взаимодействия с оксидом углерода. Также нужно учитывать вклад высокоэкзотермических процессов с участием оксида углерода в тепловой баланс процесса воспламенения таких смесей. Информация о влиянии основных параметров на воспламенение смесей метана с оксидом углерода в области низких температур необходима для обеспечения безопасности технологических процессов получения и использования синтез-газа и водорода, эксплуатации угольных шахт, а также оптимизации детальных кинетических механизмов окисления легких углеводородов.

Впервые экспериментальные зависимости скорости горения порошковых и гранулированных смесей 5Ti + 3Si, Ti + C ^am , (Ti + C ^am ) + 20 % Cu, (Ti + C ^am ) + 20 % Ni, Ti + C ^cr (с аморфным углеродом в виде сажи и кристаллическим углеродом в виде графита) от размера частиц титана обсуждаются с привлечением разных моделей распространения фронта горения в конденсированной среде. Теория безгазового горения (с учетом механизма капиллярного растекания и без него), микрогетерогенные модели не объясняют даже качественно различие зависимостей скорости горения от размера частиц титана для порошковых смесей титана с сажей и с графитом или увеличение скорости горения порошковых смесей Ti + C ^am при разбавлении никелем и медью, сопровождающемся понижением температуры горения. Изменение структуры среды - гранулирование порошковых смесей - приводит к изменению скорости горения без изменения фазового состава продуктов синтеза. В рамках конвективно-кондуктивной модели горения все эти результаты объяснены единообразно тормозящим влиянием примесных газов, выделяющихся перед фронтом горения в порошковых смесях при выполнении условий прогрева частиц компонентов. Меру влияния примесного газовыделения на скорость горения порошковых смесей можно оценить для каждого состава по разности скоростей горения гранулированных и порошковых образцов. Для всех исследованных составов гранулированных смесей, где влияние примесных газов на скорость горения нивелировано, аналитическая аппроксимация экспериментальной зависимости скорости горения от размеров частиц титана показала качественное согласие с зависимостью, которая следует из конвективно-кондуктивной модели горения.

Разработаны физико-математическая модель и расчетная методика моделирования процесса воспламенения и горения газовзвеси частиц бора в окислителе за ударными волнами различной интенсивности. Расчеты проводились для частиц диаметром 1 ÷ 20 мкм при их объемных концентрациях m₂ = 10^-4 и 10^-5, соответствующих слабозапыленной среде. В качестве окислителя рассматривались кислород и смесь кислорода с водяным паром при массовой концентрации водяного пара 10 ÷ 90 %. Исследована структура волн горения, описано поведение основных параметров газа и частиц. Проанализировано влияние водяного пара на время задержки воспламенения и время горения частиц бора. Выполнено сравнение с имеющимися в литературе экспериментальными данными и получено согласование по времени задержки воспламенения при температуре окружающего газа 2 200 ÷ 3 000 К.

Проведена оценка энергетических возможностей гипотетического цвиттер-ионного нитрогидразина H₃N⁺N^-NO₂ в качестве компонента смесевых твердых ракетных топлив. Рассмотрены двухкомпонентные составы с углеводородным или активным связующим, а также трехкомпонентные составы с добавкой алюминия или гидрида алюминия. Наибольшую расчетную баллистическую эффективность показывают составы с активным связующим и гидридом алюминия. Их удельный импульс превышает 280 с и с учетом двухфазных потерь максимальный эффективный импульс 3-й ступени ракетного комплекса достигает 265.4 с, тогда как для оптимизированного подобного состава на основе динитрамида аммония это значение значительно ниже (262.5 с).

Детонационная способность смесей твердых и жидких взрывчатых веществ (суспензий ВВ) исследована мало, хотя они являются частью пластизольных и пастообразных взрывчатых композиций, широко используемых на практике. В данной работе экспериментально исследованы критические диаметры детонации суспензий тэна, гексогена, октогена, FOX-7 различной дисперсности (удельная поверхность 350 ÷ 7 000 см²/г) в нитрометане. Содержание кристаллических ВВ в суспензиях составляло 3 ÷ 60 % (мас.). Суспензии готовились вибровакуумным способом. Седиментационная устойчивость и однородность суспензий обеспечивалась их загущением небольшой добавкой аэросила (2.0 ÷ 2.5 %). Заряды суспензий изготавливались в тонкостенных лавсановых трубках различного диаметра. Таким образом, критический диаметр детонации суспензий ВВ определялся практически для зарядов без оболочки. Установлено, что зависимости критического диаметра детонации суспензий от объемной доли твердых ВВ имеют одинаковый, близкий к S-образному вид. Показано влияние дисперсности ВВ на эти зависимости. Полученные зависимости для суспензий твердых ВВ в нитрометане сопоставлены с аналогичными экспериментальными зависимостями для других взрывчатых систем: растворов жидких ВВ в нитрометане; растворов твердых ВВ в нитрометане; бинарных смесей высокодисперсных твердых ВВ; бинарных смесей грубодисперсного и высокодисперсного ВВ; составов, содержащих смеси грубодисперсного и высокодисперсного ВВ и инертное связующее. Показано, что такой же вид, как для суспензий, имеют зависимости для бинарных смесей грубодисперсного и микронного ВВ и составов на основе этих смесей (отчетливо выраженных гетерогенных систем).

Опасность утечки и взрыва водорода при высоком давлении представляет серьезную угрозу безопасности установки гидрирования. На основе программного комплекса FLACS были смоделированы процесс взрыва и масштаб воздействия утечки водорода в установке гидрирования. Создана высокоточная трехмерная физическая модель установки гидрирования, и исследовано влияние эквивалентного соотношения (ER) на избыточное давление при взрыве облака водорода. Показано, что в диапазоне ER = 0.8 ÷ 1.4 пиковая температура, скорость распространения пламени и пиковое избыточное давление, генерируемые взрывом облака водорода, сначала повышаются, а затем уменьшаются с увеличением эквивалентного соотношения ER. При ER = 1.05 пиковые температура и избыточное давление достигают максимума, при этом скорость распространения пламени на 38.2 и 31.7 % выше, чем в случае ER = 0.8 и 1.4 соответственно. В то же время ускорение пламени во время его распространения может эффективно способствовать увеличению избыточного давления взрыва внутри пламени. Результаты моделирования позволили предложить рекомендации по инженерному преобразованию зданий химических заводов в ударостойкие сооружения.

Представлены наиболее полные данные о детонационной опасности водорода в смеси с кислородом и воздухом в области концентраций от нижнего до верхнего предела при варьировании начального давления и температуры (по отдельности или совместно). Наиболее важным параметром является критическая энергия инициирования детонации, которая служит мерой взрывоопасности горючих систем: чем меньше ее значение, тем опаснее смесь. В научной литературе количество достоверных измерений критической энергии инициирования ограничено (тем более для волн различной симметрии), что обусловлено как трудностями измерения этого параметра, так и несовершенством математических моделей передачи энергии от внешнего инициатора к горючей смеси.

Представлены наиболее полные данные о детонационной опасности водорода в смеси с кислородом и воздухом при дополнительном разбавлении смеси инертными газами, а также при наличии в смеси водяного пара. Наиболее важными являются данные о критической энергии инициирования детонации, которая служит мерой взрывоопасности горючих систем: чем меньше критическая энергия, тем опаснее смесь. В научной литературе имеется лишь ограниченное количество достоверных экспериментальных данных о критической энергии инициирования детонации (тем более, для волн различной симметрии).

Представлена физико-математическая модель гибридной детонации в смеси водород - кислород - аргон с добавками микродисперсных частиц алюминия. Горение водорода и алюминия описывается в рамках приведенной кинетики. В реакции горения алюминия учитывается образование субоксидов и частиц твердого оксида алюминия. Методами численного моделирования двумерных течений в плоском канале шириной 10 см исследованы процессы формирования и распространения ячеистой детонации в смеси 0.72H₂ + O₂ + 2.58Ar при начальном давлении 0.26 атм с добавками частиц алюминия размером 3.5 и 5 мкм. Установлены свойства регуляризации и уменьшения размера ячеек, увеличение скорости фронта, пиковых давлений и температур в гибридной смеси в сравнении с газовой детонацией. Получены двухфронтовые режимы, существующие ограниченное время. После слияния фронтов происходят ускорение детонации и переход к мелкоячеистой структуре. Зависимость между размером ячейки и средней скоростью детонации аналогична формуле пересжатой газовой детонации.

В проточной кольцевой камере диаметром 503 мм реализованы и исследованы режимы непрерывной многофронтовой детонации водотопливной эмульсии (вода - керосин ТС-1) при смешении ее с горячим воздухом, предварительно нагретым огневым способом в форкамере от 600 до 1 200 К. Наблюдали режимы с одной и двумя парами сталкивающихся волн в диапазоне удельных расходов воздуха через щель 600 ÷ 1 400 кг/(с · м²) при коэффициенте избытка горючего 0.53 ÷ 1.0. Частота вращения поперечных детонационных волн составляла 1.0 ± 0.1 кГц для одной пары детонационных волн и 2.4 ± 0.2 кГц для двух пар детонационных волн. При температуре воздуха до 800 К определен предел режимов непрерывной многофронтовой детонации по массовой доле воды в керосине - в диапазоне 0.38 ÷ 0.53. Показано, что увеличение содержания воды в водотопливной эмульсии снижает степень диссоциации продуктов детонации, а при высоких температурах воздуха (1 200 К) удельный импульс тяги возрастает и приближается к 2 150 с при учете импульса тяги холодных компонентов (без горения).

Представлены результаты расчетов детонации однородной газовзвеси ультрадисперсных углеродных частиц с окислителем (кислородом или воздухом) в предположении химического равновесия в продуктах детонационного сгорания. Численно исследовано влияние массовой доли углерода в таких смесях на скорость детонационного фронта и основные газодинамические параметры продуктов сгорания. Установлено, что расчеты коррелируют с имеющимися экспериментальными данными по скорости детонации во взвеси частиц угля в кислороде и воздухе.

Проанализировано влияние влажности древесной биомассы на механизмы ее зажигания и горения. Исследования проводились на экспериментальной установке в условиях, соответствующих по температуре топочному пространству типичных котельных агрегатов (873 ÷ 1 273 K). Установлено, что зажигание происходит в газовой фазе на расстоянии, зависящем от температуры внешней среды. Чем выше температура воздуха, тем больше расстояние от поверхности частицы до зоны начала горения газообразных продуктов пиролиза древесины. По результатам экспериментов установлено влияние вида древесной биомассы на характеристики и условия зажигания топливных частиц. Проведен анализ влияния ориентации волокон древесины в пространстве относительно направления вектора теплового потока на характеристики и условия зажигания.

Выполнено численное моделирование зажигания конструкции из древесного материала набором «горячих» частиц. Задача рассматривается в декартовых координатах в трехмерной постановке. Найдено, что зажигание исходного реагента определяется процессами теплообмена с очагом пожара, сушки, пиролиза сухой древесины, реакциями окисления оксида углерода, метана и водорода. Установлены зависимости времени задержки зажигания древесного материала от начальных температур реагента, нагретых частиц и количества «горячих» частиц, при которых реализуются условия зажигания. Приводится качественное сравнение результатов расчета с известными данными.