Главная – Журналы – Физика горения и взрыва 1998 номер 3

Предложена взрывная модель расчета скорости стационарного распространения ламинарного горения в смесях воздуха с комбинированным топливом, составленным из различных газообразных углеводородов. Необходимые формулы получены из рассмотрения структуры фронта пламени на основе диффузионно-тепловой теории. В отличие от известных соотношений предлагаемая модель не содержит неопределенности в выражении для скорости тепловыделения при горении углеводородов. Расчеты проведены для метановодородовоздушных смесей. Модель описывает основные качественные результаты экспериментов по стационарному распространению ламинарного горения и дает приемлемое количественное согласование с экспериментом для смесей газообразных углеводородов с воздухом.

Представлены результаты численных расчетов нестационарным методом Монте-Карло одномерного распространения гомогенного пламени в среде с изотропной турбулентностью. Метод Монте-Карло представляет собой статистический метод слежения за жидкой частицей для моделирования турбулентности. Чтобы избежать решения полных уравнений движения, в предлагаемом методе используется функция распределения вероятности (PDF). Модель описывает распространение пламени в гомогенной турбулентной среде с использованием гауссовского распределения функции PDF для описания поля пульсаций скорости и концентрации топлива. Рассматриваемая модель уникальна в том смысле, что не требует моделирования сложных химических процессов и проведения сложных и дорогостоящих вычислений. Решение было получено для начальной стадии искрового воспламенения бедной метановоздушной смеси в турбулентной, сферически-симметричной среде. Простой и надежный метод Монте-Карло правильно предсказывает такую тенденцию, как рост скорости распространения пламени с увеличением интенсивности турбулентности. Данные по расчету турбулентной скорости пламени, полученные в настоящей работе, хорошо согласуются с опубликованными в литературе экспериментальными и численными результатами. Выражение, устанавливающее связь между турбулентной скоростью пламени и интенсивностью пульсаций скорости, хорошо согласуется с корреляционными соотношениями других исследователей.

Исследовано распространение волны горения над пленками жидкого топлива (к-бутанола, н-ундекана) на подложках из меди, алюминия, молибдена, ниобия в условиях термически тонкой слоевой системы. Показано, что кромка пламени располагается над поверхностью жидкости там, где температура слоевой системы достаточна для образования в газовой фазе смеси стехиометрического состава. Пленка топлива испаряется при температурах ниже температуры кипения. Скорость пламени не зависит (в широком диапазоне изменения) от угла наклона плоскости подложки относительно горизонтали и определяется долей теплоемкости подложки в системе подложка — топливо. В механизме распространения пламени важную роль играет передача тепла по металлической подложке в предпламенную зону. Рецикл тепла по подложке приводит к увеличению энтальпии газовой фазы за счет химической составляющей, связанной с поступлением паров топлива с поверхности пленки.

В рамках двумерной теплодиффузионной постановки выполнено прямое численное моделирование распространения фронта горения в заданном периодическом поле скорости среды. Расчеты показали, что при увеличении амплитуды скорости фронт пламени распадается на отдельные горящие участки: происходит пространственная локализация горения. Только при введении в модель тепловых потерь наблюдается прекращение горения при определенной амплитуде скорости среды, причем чем больше амплитуда скоростных возмущений, тем меньший уровень тепловых потерь нужен для гашения пламени. Полученные численные результаты в целом согласуются с результатами асимптотического анализа.

Для однотемпературных моделей нестационарных процессов в диссипативной среде с химическими реакциями аррениусовского типа указан корректный метод построения автоволновых решений, основанный на расширении температурного диапазона до 0 К и на использовании подхода Колмогорова–Петровского–Пискунова. Из полученного ограниченного спектра автоволновых решений отбираются не противоречащие теореме Нернста. Для квазигомогенной модели фильтрации газа в диссипативной гетерогенной среде с одной необратимой химической реакцией такое автоволновое решение единственное. Найден безразмерный параметр, критическое значение которого для выбранного числа Зельдовича определяет условие существования этого автомодельного решения. Получен критерий диапазона начальных температур, в котором химические превращения в реакциях пренебрежимо малы для автоволновых процессов.

В рамках двухмасштабного подхода для описания процессов физико-химической конденсации в двухфазных системах проведен теоретический анализ макрокинетики фазовыделения на микроскопическом уровне в изотермических и неизотермических условиях. Установлены сценарии превращения конденсированных частиц в химически активной среде, учитывающие экзотермичность реакций, конечность скоростей тепло- и массопереноса, фазовые превращения. Показано существенное влияние константы равновесия гетерогенных реакций на условия испарения или роста зародышей конденсированной фазы. Получен аналитический критерий направления фазового превращения в реакционноспособной среде, подтвержденный численными расчетами.

Исследованы прессованные из порошка титана образцы, сгоревшие в атмосфере азота. Обнаружены каналы под поверхностью образцов, сгоревших в спиновом режиме. Проведена оценка размера спинового очага горения, и определено влияние давления азота в диапазоне 100÷1800 Торр на размер очага. Получены данные по степени азотирования металла и фазовому составу слоя, где проходил спиновый очаг, и других слоев образца в зависимости от их расстояния от поверхности.

Для прессованных образцов титана изучены критические условия горения по плотности образцов и концентрации кислорода в смеси О2 — Ar. Показано существование минимальной плотности образцов, при которой характер горения существенно меняется. Полнота сгорания монотонно убывает с ростом плотности. Рассматриваются возможные причины описанных явлений.

Порошки металлов и их оксидов могут гореть в фосфоре с образованием фосфидов, а образующиеся фосфиды — гореть в кислороде с получением оксидов металла и пентоксида фосфора. В первом приближении о возможности протекания реакции горения в фосфоре или кислороде можно судить по зависимости величины Δ_fH₂₉₈⁰ для оксидов и фосфидов от атомного номера элементов таблицы Д. И. Менделеева. С использованием значений энергии Гиббса реакции горения, плотности исходных и конечных продуктов горения, выделяемой теплоты горения, коэффициента Пиллинга и Бэдворса показано, что наиболее перспективными горючими следует считать фосфиды алюминия и магния.

В рамках модели, полученной на основе уравнений механики многофазных сред и учитывающей изменения макроструктуры, связанные с различием плотностей металла и продукта, жидкофазным спеканием и действием фильтрующегося в порах газа, анализируется горение бронированных и небронированных образцов. Исследовано влияние степени разбавления смеси на параметры волны горения и структуру продукта. Определены условия сохранения проницаемости шихты при плавлении металла и получены выражения для скорости горения и конечной пористости. На качественном уровне описано горение небронированных образцов. Найдены условия подвода газа через исходную смесь и продукты.

Исследовано поведение интегральных кривых задачи о распространении волны горения по модельной гетерогенной системе. Рассмотрено влияние теплопередачи излучением на установившиеся режимы горения. Показано, что при достаточно больших зазорах между пластинами в системе (когда еще существует квазигомогенное распределение температуры) в режиме слабого торможения слоем нарастающего продукта излучение может приводить к заметному ускорению волны горения. В режиме сильного торможения при прочих равных условиях излучением можно пренебречь.

Рассмотрена математическая модель распространения фронта горения гетерогенных конденсированных составов, для которых адиабатическая температура горения ниже температуры плавления исходных реагентов и конденсированных продуктов, а также ниже минимальной температуры их эвтектики. Химическое взаимодействие во фронте горения осуществляется путем газотранспортного механизма, который обеспечивается за счет газификации примесных оксидов. В рамках исследованной модели получены значения скорости распространения фронта порядка экспериментально наблюдаемых. Периодические нестационарные режимы горения (пульсирующий и спиновый) возникают при сильной активированности макрокинетики химического превращения. Показано, что активированность может зависеть от энергии газификации, и, следовательно, испарение примесных оксидов влияет на устойчивость стационарного режима горения.

Рассмотрены особенности механизма теплопереноса в слое вспучивающегося теплоогнезащитного материала в рамках модели, учитывающей кондуктивный, конвективный и радиационный переносы. Установлено, что радиационный теплообмен играет доминирующую роль в формировании температурного поля. Структура кокса (наличие поперечных прослоек) оказывает незначительное влияние на интенсивность и глубину прогрева материала.

Дано аналитическое решение задачи о тепловом взрыве плоского слоя реагента при несимметричных граничных условиях третьего рода. Определены критические параметры Франк-Каменецкого для общего и частных случаев. Проведено сравнение результатов расчетов с литературными данными. Показано, что значения критических параметров, определенные прямым и обратным методами, при малых значениях критерия Био не совпадают и зависят от масштабной температуры. Особенностью подхода в данной работе является применение обратного метода к решению задач теплового взрыва.

Исследовано влияние износа контактирующих поверхностей на фрикционный разогрев материала в импульсно-периодическом режиме теплового воздействия. Предложен аналитический метод решения задачи, основанный на расщеплении обобщенного интегрального преобразования Фурье по пространственной переменной. Показано, что изнашивание контактирующих поверхностей в процессе фрикционного нагрева приводит к снижению величины максимально достижимого разогрева. Теоретически обосновано, что для высокоплавящихся энергетических материалов температура плавления является верхней границей максимально достижимого разогрева на нестационарном контакте скольжения.

Изучено влияние добавок озона и перекиси водорода на длину зоны индукции водородовоздушных смесей. Численное моделирование проводили в рамках модели Зельдовича—Неймана—Дёринга с учетом детального механизма химических реакций. Обнаружен эффект немонотонного изменения длины зоны индукции. Резкое уменьшение длины зоны индукции обусловлено изменением ведущего механизма реакции горения водорода.

На основе закона сохранения количества движения вещества в ударно-волновом импульсе пилообразной формы построены соотношения, описывающие эволюцию плоских и сферических слабых ударных волн в плотных средах. По мере удаления от центра места зарождения сферического ударно-волнового импульса зависимости, описывающие его эволюцию, асимптотически переходят в аналогичные зависимости, описывающие эволюцию плоского импульса.

Экспериментально зарегистрирована многоступенчатая форма импульса давления в установке для динамического компактирования ультрадисперсных алмазов. Плавное нарастание давления до максимума свидетельствует о безударном характере сжатия пористого углерода.

Приведены результаты численного счета процесса нестационарного двумерного осесимметричного волнового истечения инертной монодисперсной газовзвеси из канала ударной трубы в окружающее газовое пространство под действием сжатого в камере высокого давления газа. Анализируется разгон дисперсных частиц внутри трубы и в затопленном пространстве за фронтом

В рамках односкоростной двухфазной среды предложена методика и выполнены расчеты метания массивного тела без уплотняющей прокладки нестационарным потоком газодисперсной смеси. Установлены качественные закономерности и количественные зависимости скорости и кинетической энергии метаемого тела от его относительной длины и отношения плотностей тела и газодисперсной среды. Расчеты подтверждаются экспериментальными данными.

Осуществлен самораспространяющийся высокотемпературный синтез цилиндрических образцов относительно большой длины (l/D ≫ 1) из пенообразной металлокерамики. Использовалась шихта Ti + 0,6С, содержащая газообразующую добавку Na₂B₂O₇ ·10H₂O. Исходные прессовки были заключены в сгорающие бумажные оболочки, что позволяло при самораспространяющемся высокотемпературном синтезе получать прямые стержни из пенокерамики, отличающиеся ровной поверхностью. Установлена зависимость относительного удлинения образцов от толщины оболочки. Рассмотрена возможность управления формой пенообразного СВС-продукта путем вариации угла наклона плоскости фронта горения к оси образца.

На основе метода молекулярной динамики исследованы особенности прохождения солитонообразных волн, инициированных высокоскоростным сжатием, через области с пониженной атомной плотностью. Показано, что форма этих волн во многом определяется структурой той области материала, в которой они распространяются. Обнаружено, что уменьшение амплитуды уединенной волны определяется концентрацией дефектов. Обнаруженный эффект представляет интерес и с точки зрения развития методов контроля за накоплением микроповреждений в материалах.

Численно изучено поведение границ зёрен специального типа в материале при высокоскоростном сдвиговом нагружении. Обнаружено два пути эволюции моделируемой системы: при высоких скоростях деформации происходит интенсивная перестройка структуры межзёренной границы; при понижении интенсивности нагружения процесс релаксации закачиваемой в материал энергии осуществляется перемещением границы. Расчеты показали, что межзёренная граница может смещаться с аномально высокой скоростью. Вихревое коллективное движение атомов обусловливает высокие скорости перемещения границы зёрен.