Издательство СО РАН

Издательство СО РАН

Адрес Издательства СО РАН: Россия, 630090, а/я 187
Новосибирск, Морской пр., 2

soran2.gif

Baner_Nauka_Sibiri.jpg


Яндекс.Метрика

Rambler's Top100

Rambler's Top100

Поиск по журналу

Физика горения и взрыва

2006 год, номер 6

1.
Современный прогресс в моделировании горения твердого топлива

М. В. Бекстед
Университет им. Бригама Янга, 84602 Прово, Юта, США;
mwb@caedm.byu.edu
Ключевые слова: моделирование, горение, твердое топливо, химическая кинетика
Страницы: 4-24

Аннотация >>
В последнее десятилетие в моделировании горения твердых топлив достигнут колоссальный прогресс. Значительное увеличение производительности компьютеров позволило использовать вычислительные подходы, которые прежде рассматривались лишь как концептуальные. В работе обсуждаются следующие три направления: численное моделирование пламен предварительно перемешанных газов с привлечением детальных кинетических механизмов; разработка моделей для расчетов геометрических распределений частиц, моделирующих структуру гетерогенного твердого топлива; расчеты эффектов диффузионных пламен, которые играют решающую роль при горении АР/углеводородных твердых топлив. Накопленный опыт моделирования пламен предварительно перемешанных газов с привлечением детальных кинетических механизмов был успешно применен для исследования горения компонентов твердого топлива в одномерном подходе. Множество ранних работ было выполнено в Новосибирске. Названный подход позволяет рассчитывать скорость горения в зависимости от давления, а также температурную чувствительность скорости горения и пространственные распределения температуры и концентраций реагентов. Разработаны обобщенные механизмы, которые были применены ко многим компонентам твердых топлив, таким как HMX, GAP, RDX, NG, AP и др. Газофазные кинетические механизмы, по-видимому, хорошо моделируют химию горения таких монотоплив и псевдотоплив. Значения скоростей горения этих монотоплив различаются почти на порядок, но практически не зависят от температуры пламени. Различные модельные расчеты находятся в разумном согласии между собой и с имеющимися экспериментальными данными. Последние работы, выполненные в США, представляют существенное продвижение по пути описания геометрической упаковки твердого топлива. Однако объединение моделей упаковки с реалистическими моделями пламен по-прежнему остается сложной задачей, хотя предварительные результаты обнадеживают. Также достигнут значительный прогресс в двумерных расчетах диффузионных пламен, включающих реальную кинетику химических реакций. Последние опубликованные результаты вселяют надежду на успех в детальном моделировании скорости горения топлив, содержащих перхлорат аммония.


2.
Образование наночастиц MgO, BaO И Al2O3 в пламени предварительно перемешанной смеси. Cвязь со структурой пламени

П. С. Феннель, Дж. С. Деннис, А. Н. Хейхерст
Факультет прикладной химии Кембриджского университета, Кембридж, CB2 3RA, Великобритания
anh1000@hermes.cam.ac.uk
Ключевые слова: наночастицы оксидов металлов, кислородно-ацетиленовое пламя, структура пламени
Страницы: 25-32

Аннотация >>
С помощью зондового пробоотбора исследованы процессы образования наночастиц оксидов магния, бария и алюминия в бедном (по горючему компоненту) кислородно-ацетиленовом пламени. Измерены распределения частиц по размерам и концентрации в различных зонах пламени. Рассмотрены возможные пути реакции окисления. Показано, что наночастицы MgO и BaO образуются в зоне высокой концентрации радикалов в пламени. Образование частиц Al2O3 затруднено из-за низкой скорости реакции AlO + AlO2 → Al2O3.


3.
Образование наночастиц оксида металла при горении частиц титана и алюминия

В. В. Карасев1, A. A. Онищук1, С. А. Хромова1, O. Г. Глотов1, В. Е. Зарко1, Е. А. Пилюгина1, Ч.-Цз. Тсай2
1Институт химической кинетики и горения СО РАН, 630090 Новосибирск, karasev@ns.kinetics.nsc.ru.
2Национальный университет Чао Туна, г. Шинчу, Тайвань
Ключевые слова: горение частиц, алюминий, титан, образование оксида, наночастицы, сферулы, агрегаты, морфология, подвижность, заряд, фрактальная размерность
Страницы: 33-47

Аннотация >>
Изучено образование наночастиц оксидов металлов в процессе горения капель алюминия и титана, движущихся в воздухе со скоростью до 3 м/с. В качестве источника горящих частиц использовали пиротехническую смесь, содержащую окислитель, связующее и металлические частицы размером 4 ÷ 350 мкм. С помощью просвечивающей электронной микроскопии показано, что при горении образуются агрегаты фрактальной структуры с размером 1 ÷ 10 мкм, состоящие из первичных частиц (сферул) Al2O3/TiO2 диаметром 5 ÷ 150 нм. Для наблюдения броуновской диффузии агрегатов, а также их движения в электрическом и гравитационном полях использовали видеомикроскопическую регистрацию. Определены распределение по зарядам агрегатов TiO2 и эквивалентный радиус броуновской подвижности. При горении Al зона образования наночастиц удалена от поверхности частицы примерно на расстояние ее радиуса, при горении Ti она расположена непосредственно вблизи поверхности. Коагуляция оксидно го аэрозоля в следе горящей частицы приводит к аэрогелированию с образованием гигантских агрегатов. Предложены аналитические выражения для приближенного расчета параметров оксидных частиц и зон их формирования.


4.
Исследование структуры пламени смесевых топлив на основе нитраминов и глицидилазидполимера методом зондовой молекулярно-пучковой масс-спектрометрии при давлении 1 МПа

Е. Н. Волков, А. А. Палецкий, А. Г. Терещенко, О. П. Коробейничев
Институт химической кинетики и горения СО РАН, 630090 Новосибирск;
korobein@ns.kinetics.nsс.ru
Ключевые слова: структура пламени, смесевые твердые топлива, нитрамины, глицидил-азидполимер, зондовая масс-спектрометрия
Страницы: 48-57

Аннотация >>
Исследована химическая и тепловая структура пламен смесевых модельных топлив на основе циклических нитраминов (гексогена и октогена) и активного связующего (глицидилазидполимера) при давлении 1 МПа. Измерены скорости горения топлив. Химическая структура пламени исследована методом зондовой молекулярно-пучковой масс-спектрометрии, который раньше не применялся при таком высоком давлении. Идентифицировано 11 веществ (H2, H2O, HCN, N2, CO, CH2O, NO, N2O, CO2, NO2 и пары нитраминов), и измерены профили их концентраций, включая состав вблизи поверхности горения. Выделено две зоны химических реакций. Показано, что в пламенах топлив нитрамин/глицидилазидполимер ведущую роль играют те же реакции, что и в пламенах чистых нитраминов.


5.
Изучение структуры пламени методом молекулярно-пучковой масс-спектрометрии с применением ионизации электронным ударом и фотонной ионизации синхротронным излучением

Ф. Р. Вестмореланд1, М. Е. Ло1, Т. А. Кул2, Цз. Ван2, Э. Макилрой3, К. А. Таатьес3, Н. Хансен>sup>3
1Массачусетский университет, Амхерст, Массачусетс 01003, США, westm@ecs.umass.edu.
2Корнельский университет, Итака, Нью-Йорк 14853, США.3Исследовательские лаборатории Сандиа, Ливермор, Калифорния 94551-0969, США.
Ключевые слова: структура пламени, масс-спектрометрия, ионизация, синхротронное излучение, изомеры
Страницы: 58-63

Аннотация >>
Молекулярно-пучковая масс-спектрометрия (МПМС), начиная с первой работы Хомана и Вагнера 1960-х годов, является одним из основных методов исследования структуры пламен, позволяющим измерять концентрации радикалов и стабильных компонентов пламен. В данной работе приведены результаты измерений структуры пламени с помощью квадрупольного масс-спектрометра высокого разрешения с ионизацией электронным ударом и времяпролетного масс-спектрометра с ионизацией вакуумным ультрафиолетом. Изомеры C3H2, C3H4, C4H3, C4H4, C4H5, C6H6, C2H4O, которые ранее не были идентифицированы по отдельности, разделены нами методом МПМС. Качественные и количественные результаты, полученные методом МПМС, привели к прогрессу в области моделирования и приложений химии пламени.


6.
Исследование фосфорорганических, фторорганических, металлсодержащих соединений и твердотопливных газогенерирующих составов с добавками фосфорсодержащих соединений в качестве эффективных пламегасителей

А. Г. Шмаков1, О. П. Коробейничев1,2, В. М. Шварцберг1, С. А. Якимов2, Д. А. Князьков1, В. Ф. Комаров3, Г. В. Сакович3
1Институт химической кинетики и горения СО РАН, 630090 Новосибирск, shmakov@kinetics.nsc.ru.
2Новосибирский государственный университет, 630090 Новосибирск.
3Институт проблем химико-энергетических технологий СО РАН, 659322 Бийск.
Ключевые слова: пламегасители, фосфорорганические соединения, огнетушащие смеси, синергетический эффект
Страницы: 64-73

Аннотация >>
Поиск и исследование новых эффективных и экологически безопасных пламегасителей является одним из перспективных направлений в области пожаротушения. Наиболее перспективными кандидатами для замены CF3Br оказались фосфорорганические и металлсодержащие соединения. Однако для многих этих соединений отсутствуют данные об их минимальной гасящей концентрации. В работе методом чашечной горелки и установки с турбулентным очагом пламени и кратковременной подачей пламегасителя определены минимальные гасящие концентрации для ряда новых фосфор- и металлсодержащих соединений и некоторых их смесей, твердотопливных газогенерирующих составов с добавками фосфора.


7.
Структура диффузионных пропиленовых сажистых и бессажевых пламен при облучении лазером

Ч. Б. Ли1, В. Ли2, К. Ч. О1, Х. Д. Шин3, Д.-К. Ён4
1Центр EPRC, Отделение научно-технических исследований КАТЕСН, 74 Ёнгюнг, Пунгзе, Чонан,
Чунгнам, 330-913, Республика Корея, cblee@katech.re.kr
2Отделение механики, Университет Данкок, Республика Корея
3Отделение механики, KAIST, Республика Корея
4Отделение механики, Университет Хансун, Республика Корея
Ключевые слова: лазерный нагрев, переход от сажистого пламени к бессажевому, метод поглощения излучения, двухцветовая пирометрия, температура пламени/сажи
Страницы: 74-81

Аннотация >>
Для изучения влияния излучения сажи проведено экспериментальное исследование изменения структуры пропиленовых диффузионных пламен под воздействием излучения лазера. Объемная доля сажи и температура пламени/сажи измерялись методом лазерного поглощения и двухцветовой пирометрии. Наблюдались переходы от бессажевого пламени к сажистому и наоборот, в зависимости от положения пучка лазера. Изменение структуры можно объяснить следующими процессами. При воздействии лазерным пучком на область образования сажи (нижняя часть пламени) температура частиц сажи повышается благодаря поглощению энергии лазера, что способствует образованию сажи и росту ее локальной объемной доли. Большее количество сажи увеличивает радиационные теплопотери и в конечном итоге снижает температуру пламени вниз по течению. В результате процесс окисления сажи подавляется, и бессажевое пламя переходит в сажистое. При воздействии лазерного излучения на область конкуренции процессов образования и окисления сажи либо на зону окисления (верхняя часть пламени) температура сажи возрастает и в большинстве случаев это способствует ее окислению. Снижение количества сажи уменьшает радиационные потери и поддерживает относительно высокую температуру пламени по сравнению с температурой в отсутствие лазерного излучения. В результате процесс окисления сажи еще более усиливается, и в конечном итоге осуществляется переход от сажистого пламени к бессажевому.


8.
Образование ионов, кластеров, нанотрубок и частиц сажи в углеводородном пламени

Х. Яндер, Г. Дж. Вагнер
Институт физической химии, 37077 Геттинген, Германия;
hjander@gwdg.de
Ключевые слова: ионы, кластеры, частицы углерода, углеводородное пламя
Страницы: 81-88

Аннотация >>
Рассмотрено современное состояние исследований механизма образования ионов, полиароматических углеводородов, нанотрубок, фуллеренов и частиц сажи в пламени предварительно перемешанных смесей. Представлена схема эксперимента для обнаружения и количественного исследования ионов в пламени. Рассмотрено влияние ионов на химию пламени и на образование углеродных частиц в несажеобразующих и сажеобразующих условиях. Проведено исследование канала возникновения фуллеренов, нанотрубок и частиц сажи из полиароматических углеводородов. В этой связи изучены свойства арочных “аромеров” — метастабильных молекул с высокой реакционной способностью, наиболее вероятных прекурсоров возникновения сажи и фуллеренов. По-видимому, они являются некоторым видом “переключателя”, позволяющего производить либо фуллерены, либо частицы сажи в зависимости от условий реакции. При низкой температуре пламени и высокой счетной концентрации малых молекул ненасыщенных углеводородов протекают преимущественно бимолекулярные реакции и преобладает образование частиц сажи по сравнению с фуллеренами. Также показан дальнейший механизм роста частиц сажи, а именно за счет увеличения массы сажи и за счет коагуляционных процессов в пламенах c интенсивным сажеобразованием. Приведены типичные значения объемной доли и диаметра частиц сажи при различных реакционных условиях.


9.
Экспериментальное исследование структуры пламени, богатой, предварительно перемешанной смеси 1,3-бутадиен/CH4/O2/Ar

Х. А. Гениш, П. А. Глод, Р. Фурне, Ф. Баттэн-Леклерк
Национальный политехнический институт Лотарингии, Отделение химической физики реакций,
54001 Нанси, Франция, glaude@ensic.inpl-nancy.fr
Ключевые слова: ламинарные пламена, 1,3-бутадиен, прекурсоры сажеобразования
Страницы: 89-95

Аннотация >>
Исследована структура ламинарного пламени богатой, предварительно перемешанной смеси 1,3-бутадиен/CH4/O2/Ar в пропорции 0.033/0.2073/0.3315/0.4280, коэффициент избытка топлива 1.80. Пламя было стабилизировано на плоской горелке при давлении 6.7 кПа. Профили концентраций стабильных соединений в пламени (оксида и диоксида углерода, метана, кислорода, водорода, этана, этилена, ацетилена, пропена, аллена, пропина, циклопропана, 1,3-бутадиена, бутенов, 1-бутина, винилацетилена, диацетилена, С5-углеводородов, бензола, толуола) измерены с использованием газовой хроматографии. Измерено также распределение температуры в пламени.


10.
Влияние разбавителей различной химической природы на концентрационные пределы распространения пламени в газовых смесях

В. В. Азатян1, Ю. Н. Шебеко2, И. А. Болодьян2, В. Ю. Навценя2
1Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения РАН
142432, Черноголовка;azatyan@ism.ac.ru.
2ВНИИ противопожарной обороны МЧС России, 143903 Балашиха
Ключевые слова: водород, метан, флегматизация, ингибирование, галоидсодержащие разбавители, характеристики взрыва
Страницы: 96-102

Аннотация >>
Экспериментально исследовано влияние разбавителей различной химической природы (галоидоуглеводороды, ингибиторы ИСМАН, аэрозоль перегретой воды) на концентрационные пределы распространения пламени водорода и метана в воздухе. Найдено, что ингибиторы ИСМАН, представляющие собой алифатические углеводороды, эффективно снижают верхний концентрационный предел распространения пламени водорода даже по сравнению с таким известным ингибитором, как 1,2-дибромтетрафторэтан. Получены кривые флегматизации водорода и метана указанными выше разбавителями. Дана качественная интерпретация полученных результатов на основе представлений о различных кинетических режимах неизотермических цепных реакций.


11.
Экспериментальное и численное исследование пламен предварительно перемешанных смесей CH4/CH3Cl/O2/N2 с высоким содержанием кислорода

С. С. Шин, Е. В. Вега, К. Й. Ли
Национальный университет Андонга, 760-746 Андонг, Республика Корея;
kylee@andong.ac.kr
Ключевые слова: структура пламени, пламена с высоким содержанием кислорода, ингибирование, численное моделирование, хлорзамещенные углеводороды
Страницы: 103-111

Аннотация >>
Проведено всестороннее экспериментальное и численное исследование влияния добавки хлористого метила CH3Cl на пламена предварительно перемешанных смесей CH4/O2/N2 с большим избытком кислорода. Измерена нормальная скорость распространения ламинарных пламен CH4/O2/N2 с помощью горелки Бунзена при комнатной температуре и атмосферном давлении в зависимости от концентрации добавки CH3Cl, коэффициента избытка горючего в исходной смеси и концентрации кислорода. Измерены также концентрации основных компонентов и NO в конечных продуктах горения. Для моделирования структуры пламени использовался кинетический механизм, включающий 89 компонентов и 1,017 элементарных реакций с их участием. Предсказанные с помощью данной модели значения скорости распространения пламени хорошо согласуются с результатами эксперимента. Атомы хлора, образующиеся при горении хлористого метила, ингибируют пламена с повышенным содержанием кислорода, что приводит к снижению скорости пламени. Этот эффект сильнее проявляется в богатых пламенах, чем в бедных. Результаты моделирования показали, что увеличение мольной доли CH3Cl в метановом пламени не приводит к заметному изменению его конечной температуры. Однако, как показали измерения, при мольной доле кислорода 0.3 и тех же количествах метилхлорида и метана в смеси концентрация NO в пламени снижается приблизительно на 35%. Это происходит благодаря уменьшению концентрации свободных радикалов в пламени, связанных с образованием NO. По данным моделирования в пламенах, обогащенных кислородом, при увеличении концентрации добавки CH3Cl сильно уменьшается выделение тепла. Скорость реакции OH + H2 → H + H2O, по-видимому, уменьшается за счет снижения концентрации ОН. Тем не менее эффективность CH3Cl как ингибитора углеводородных пламен падает с увеличением коэффициента избытка кислорода от 0.21 до 0.5.


12.
Экспериментальное и численное исследование нестационарных явлений при пожарах в помещении

Г. М. Махвиладзе1, А. В. Шамшин1, С. Е. Якуш2, А. П. Зыков2
1Университет Центрального Ланкашира, PR1 2HE Престон, Великобритания.
2Институт проблем механики РАН, 119526 Москва, yakush@ipmnet.ru
Ключевые слова: пожар, выброс пламени, эксперименты, численное моделирование, метод крупных вихрей
Страницы: 112-120

Аннотация >>
Приведены результаты экспериментов и численных расчетов пожаров в объемах малого и среднего масштаба в условиях недостаточной вентиляции, приводящей к выбросу пламени в атмосферу. В экспериментах для трех видов топлив (метан, пропан, пропилен) при заданной скорости подачи горючего измерены времена задержки от момента зажигания до появления устойчивого пламени вне помещения. Введены характерные масштабы, зависящие от расхода горючего, положения источника топлива, геометрии помещения и параметров вентиляционных отверстий, при помощи которых установлена единая безразмерная зависимость времени выброса пламени от расхода топлива. Для наименьшего и наибольшего объемов, использовавшихся в экспериментах, проведены трехмерные численные расчеты динамики развития пожара на основе метода крупных вихрей. Представлены полученные в расчетах изоповерхности скорости реакции, демонстрирующие эволюцию пламени в помещении и его осцилляции после выброса в атмосферу. Показано, что результаты расчетов находятся в качественном согласии с экспериментальными наблюдениями, а времена выброса пламени хорошо согласуются с установленной в экспериментах корреляцией.


13.
Эффективность горения ударно-диспергируемого горючего в калориметрических сосудах различной емкости

А. Л. Кул1, П. Нойвальд2, Н. Рейкенбах2
1Ливерморская национальная лаборатория им. Лоуренса, Университет Калифорнии,
94551 Ливермор, Калифорния, США, kuhl2@llnl.gov.
2Фраунгоферовский институт быстропротекающих процессов, Фрайбург, Германия
Ключевые слова: твердое горючее, алюминий, энерговыделение, горение, взрыв
Страницы: 121-125

Аннотация >>
Исследовано горение заряда твердого горючего массой 1 г, состоящего из чешуек алюминия, диспергируемых ударной волной в калориметрах объемом 6.6, 21.5 и 40.5 л. Записи давления на стенке сосуда были использованы для того, чтобы определить влияние энерговыделения за счет горения турбулентно перемешанной смеси продуктов взрыва с воздухом. Зафиксировано увеличение в четыре раза пика квазистатического давления при тестировании в камере объемом 6.6 л. Спад давления, регистрируемый после взрыва, обусловлен потерями энергии за счет теплопередачи излучением к стенкам калориметра.


14.
Теоретическое и численное исследование процессов детонации в газовзвесях частиц алюминия

А. В. Федоров, В. М. Фомин, Т. А. Хмель
Институт теоретической и прикладной механики им. С. А. Христиановича СО РАН,
630090 Новосибирск; fedorov@itam.nsc.ru
Ключевые слова: газовзвеси, гетерогенная детонация, воспламенение, горение
Страницы: 126-136

Аннотация >>
Систематически представлены некоторые аналитические и численные результаты авторов, полученные в области механики реагирующих гетерогенных сред в Институте теоретической и прикладной механики СО РАН в течение ряда лет.


15.
Неклассические режимы дифракции волн в горючих смесях

А. А. Васильев1, М. С. Дроздов2, С. Г. Хидиров3
1Институт гидродинамики им. М. А. Лаврентьева СО РАН, 630090 Новосибирск, gasdet@hydro.nsc.ru.
2Филиал Института энергетических проблем химической физики РАН, 142432 Черноголовка;
drozdov@binep.ac.ru
Ключевые слова: горение, детонация, переход горения в детонацию, дифракция волн, критический диаметр дифракции, критерий дифракционного реинициирования
Страницы: 137-143

Аннотация >>
Представлены экспериментальные и расчетные результаты исследований дифракции волн горения и детонации, включая дифракцию нестационарных режимов перехода горения в детонацию.


16.
Эйлеров метод Монте-Карло решения уравнения для совместной плотности вероятностей скорости и концентраций в турбулентных течениях реагирующих газов

O. Сулард, В. А. Сабельников
ONERA, Палезо, Франция, vladimir.sabelnikov@onera.fr
Ключевые слова: метод Монте-Карло, турбулентное течение, плотность вероятности скорости и концентраций
Страницы: 144-155

Аннотация >>
Ранее нами был предложен новый эйлеров (полевой) метод Монте-Карло решения уравнения, описывающего одновременную одноточечную плотность вероятностей концентраций в турбулентных течениях реагирующего газа. В настоящей статье этот метод обобщен на случай уравнения для совместной плотности вероятностей скорости и концентраций. Основу метода составляет переход от лагранжевых переменных, используемых в лагранжевых методах Монте-Карло, к эйлеровым переменным. В результате такого преобразования стохастические обыкновенные дифференциальные уравнения для лагранжевых траекторий жидких частиц переходят в стохастические уравнения в частных производных. По сравнению с классической гидродинамикой стохастическое поле скорости не удовлетворяет мгновенному уравнению неразрывности, а только осредненному. Эта трудность преодолевается введением стохастической плотности, которая будучи отличной от физической плотности, имеет то же среднее значение. Заново рассмотрен также случай плотности вероятностей концентраций. Полученные уравнения отличаются от выведенных ранее тем, что могут быть записаны в дивергентной форме. Но новая и прежняя формулировки статистически эквивалентны.