Главная – Журналы – Физика горения и взрыва 1999 номер 3

Проведено численное моделирование образования, горения и теплового воздействия огненного шара, возникающего при зажигании облака углеводородного топлива вблизи поверхности земли. Осесимметричное нестационарное течение описывается системой осредненных по Фавру уравнений сохранения с привлечением (–)-модели турбулентности, модели турбулентного горения и глобально-кинетической схемы образования и выгорания частиц сажи. Оптические свойства смеси продуктов горения и сажи учитываются с помощью модели взвешенной суммы серых газов. Для расчета радиационного поля использована комбинация приближения объемного высвечивания и диффузионного приближения. Проведены расчеты огненных шаров, образующихся при вертикальных выбросах газообразного пропана массой от 1 г до 10³ кг при зажигании вблизи точки выброса. Подробно проанализирована внутренняя структура огненного шара на различных этапах его эволюции. Представлена динамика подъема огненного шара при скоростях выброса, соответствующих изменению числа Фруда (определенного как квадрат отношения линейной скорости истечения к характерной скорости, обусловленной силами плавучести) в диапазоне 5250. Получены зависимости от времени температуры, концентраций и скорости реакции в огненном шаре. Показано, что для данных диапазонов масс топлива и скоростей выброса при использовании введенных безразмерных параметров можно осуществлять масштабирование результатов и единым образом использовать полученные в работе расчетные зависимости.

Проведено численное моделирование пиролиза и неполного окисления углеводородов с наличием воды при высоких давлениях. Результаты расчетов показывают, что влияние неидеальности газа на состав и температуру продуктов реакции может быть значительным. Результаты расчетов по равновесию и по глобальной кинетике лучше согласованы между собой, однако модель с детальной кинетикой лучше соответствует экспериментальным данным.

Проведено исследование химической структуры водородно - кислородного пламени стехиометрического состава, стабилизированного на плоской горелке при давлении 47 Торр, методом молекулярно - пучковой масс - спектрометрии и компьютерного моделирования. Измерены концентрационные профили стабильных компонентов пламени Н₂, O₂ и Н₂О, а также атомов и радикалов Н, О и ОН. Концентрационные профили, рассчитанные с использованием двух различных кинетических механизмов, с приемлемой точностью согласуются с данными эксперимента. Также было показано, что при использовании пробоотборников с тонкими стенками при вершине ( 0,1 мм) нет необходимости проводить расчеты по заданному температурному профилю, измеренному с помощью термопары, находящейся вблизи отверстия пробоотборника, как это рекомендует ряд авторов.

Анализируются экспериментальные исследования по организации горения керосина в высокоэнтальпийном сверхзвуковом потоке воздуха. Применение промотирующих присадок, а также улучшение процессов распыла, испарения и смешения не всегда способствуют эффективному развитию горения. Показано, что существенное влияние на параметры воспламенения оказывает наличие процесса конверсии. Интенсивность выгорания может быть обеспечена добавлением водорода, при этом существенное значение имеет относительное расположение топливных инжекторов. Отмечается основополагающая роль волновых структур на протяженность зоны горения в канале. Приведено сравнение интегральных характеристик горения водорода и керосина.

Предложен новый способ управления неустойчивым режимом горения в камерах сгорания за счет организации в зоне горения диффузного электрического разряда от специального источника питания с импедансом, изменяющимся в зависимости от задачи управления. Определены максимальные значения токов шнурования в зоне горения пропановоздушных смесей в зависимости от их состава. Экспериментально показано, что в случае наложения на зону горения стабилизированного по току разряда происходит автоматическое подавление неустойчивого режима горения на всех гармониках одновременно за счет внутренней отрицательной обратной связи. В случае воздействия стабилизированного по напряжению разряда наблюдается обратный эффект – возбуждение и усиление неустойчивого режима горения.

Установлены кинетические закономерности термического распада октогена с добавкой купферонатов металлов, в которых важную роль играет реакция нуклеофильного отрыва протона в октогене фенилазотокисным анион - радикалом. Логарифмы констант скоростей распада октогена коррелиуют с отношением заряда катиона металла в купферонате к его радиусу, что свидетельствует о разной реакционной способности анион - радикала, обусловленной поляризующим действием катиона.

Экспериментально исследована модельная слоевая система “химическая дуга”, состоящая из твердых компонентов, между торцевыми поверхностями которых происходит стационарное горение. Измерены скорости сгорания компонентов в системах перхлорат аммония (ПХА) – полиэфир, ПХА – полиэтилен, ПХА – бутилкаучук с каталитическими добавками (диэтилферроцен, эпоксиэтилферроцен, оксид железа) в зависимости от расстояния между компонентами. Показано существование максимума массовой скорости горения, обусловленное переходом от низкоскоростного (кинетического) к высокоскоростному режиму реагирования. Полученные данные качественно согласуются с теорией. Проведен анализ механизма влияния катализаторов на характеристики горения.

Исследуется горение уплотненных смесей Ni + 16 % Al, Ni + 50 % Al, Co + 30 % S, Ti + 58 % FeB, Ti + 20 % C, FeO + 10 % Fe + 18 % Al в постоянном магнитном поле. Показано отсутствие влияния магнитного поля на скорость горения исследуемых систем. Обнаружено увеличение глубины превращения и укрупнение геометрических размеров фазовых составляющих конечного продукта реакции под действием поля в системах, содержащих ферромагнитный металл. Изменения продукта реакции связаны с дополнительным массопереносом за волной самораспространяющегося высокотемпературного синтеза.

Результаты экспериментальных исследований свидетельствуют о восприимчивости процесса термохимического разрушения композиционных материалов к малым периодическим возмущениям внешнего потока и вибрациям стенки. Получены устойчивые, неустойчивые и автоколебательные режимы горения материалов, найдены предельные условия для концентрации связующего и интенсивности колебаний, когда появляется возможность снижать тепловые нагрузки к стенке и управлять процессом тепло- и массообмена. Построены границы моностационарности и устойчивости, проведено сравнение с теорией.

Приведены результаты теоретического анализа равновесного состояния смеси газа с твердыми несжимаемыми инертными частицами за косыми скачками уплотнения с учетом конечности объема, занимаемого дисперсной фазой. Получены зависимости для предельных (максимальных) углов отклонения потока равновесной смеси за сильными и слабыми косыми скачками уплотнения. Исследовано влияние объемного содержания частиц в смеси на степень предельного досжатия газа при отражении плоской ударной волны от жесткой стенки.

На основе численного моделирования течений реагирующей двухфазной среды в двухскоростном двухтемпературном приближении исследуются процессы ударно - волнового инициирования детонации в аэровзвеси частиц алюминия в кислороде. Получены условия на параметры в камере высокого давления, при которых возможно развитие детонации после разрушения диафрагмы. Установлены два сценария инициирования в зависимости от локализации очага воспламенения. Показано, что в результате инициирования происходит выход на самоподдерживающийся режим детонации (Чепмена – Жуге либо недосжатый в зависимости от параметров релаксации). Получены оценки необходимой энергии инициирования и сформулирован критерий инициирования. Показана возможность инициирования детонации при отражении недостаточно сильных ударных волн от жесткой стенки.

Выполнено экспериментальное исследование низкоскоростных режимов детонации в смесях ацетилена с кислородом. Получены данные по кинематике детонационных волн и границам областей существования высокоскоростной, галопирующей и низкоскоростной детонации. Показано, что в бедных смесях нижний предел по давлению для детонационных режимов в узких каналах на порядок ниже значений, принимавшихся ранее на основе утверждения, что предельной всегда является спиновая детонация. Приведены расчеты основных характеристик структуры низкоскоростной детонации. Показано, что граница между низкоскоростным и галопирующим режимами детонации почти точно соответствует равенству времени индукции в частице и времени ее движения от ударной волны до пламени. Обнаружены почти гармонические колебания пламени, период которых связан с продольным размером низкоскоростной детонационной волны.

Проведены измерения критического диаметра детонации нитрогликоля и растворов динитротолуола в нитрогликоле в бумажной оболочке. Определена частота пульсаций при детонации. Результаты экспериментов в стеклянной и бумажной оболочках одинаковы. Частота пульсаций не зависит от концентрации раствора и составляет 7 МГц. Проведено сравнение детонационных параметров изученных растворов с параметрами систем, детонирующих в низкочастотном (2 МГц)

Численно исследована зависимость минимальной энергии инициирования от толщины слоя вязкой взрывчатой жидкости, помещенной в узкий зазор между плоскопараллельными поверхностями ударника и наковальни. Постановка задачи моделирует условия реальных испытаний взрывчатых материалов на чувствительность к удару. Показано, что при заданной силе удара существует слой жидкости с “мягким” типом механического поведения, который наиболее интенсивно отбирает энергию от ударника и нагревается изза вязкой диссипации механической энергии. Он и образует слой критической толщины, характеризующийся абсолютным минимумом энергии инициирования. Наличие в ипытываемых образцах более толстого слоя с “жестким” типом механического поведения объясняет существенно немонотонный ход зависимости.

Рассматривается развитие детонации низкочувствительного взрывчатого вещества при инициировании расходящейся ударной волной через инертную преграду. Экспериментально и расчетно показано, что в случае, когда начинают влиять свойства веществ и геометрические факторы, первичный очаг разложения исследуемого взрывчатого вещества, находящегося в условиях, близких к критическим по возбуждению детонации, располагается в периферийной зоне вблизи преграды и имеет осесимметричную кольцеобразную форму.

Экспериментально определены зависимости скорости детонации плоских зарядов толщиной 10÷60 мм из аммиачной селитры и ее смесей с различными жидкими и твердыми горючими с добавлением инертных компонентов при варьировании их содержания и дисперсности. Данные взрывчатые вещества использовали при плакировании сваркой взрывом плоских металлических заготовок площадью до 12 м² с толщиной плакирующего слоя от 1 до 30 мм и основного слоя от 4 до 120 мм.

Рассмотрен процесс фрагментации малого космического тела в форме прямоугольного параллелепипеда в атмосфере планеты. С помощью разработанной авторами модели взаимодействия тела с атмосферой и его фрагментации проведены расчеты на примере Сихотэ - Алинского метеороида. Их результаты близки к аналогичным для сферического метеороида и удовлетворительно согласуются с фактическими данными. Это позволило констатировать, что влияние формы малого космического тела на процесс его фрагментации в атмосфере планеты несущественно.

Рассмотрено защитное действие тонких экранов из металлокомпозитов на основе матрицы из алюминия с дисперсными включениями SiO₂ и Аl₂O₃ при высокоскоростном ударе сферической частицей из стали в схеме одноэкранной защиты. Показано, что экраны из этих материалов обладают худшим защитным действием, чем экраны из гомогенного сплава алюминия.

Проведено экспериментальное исследование взаимодействия сплошных и пористых цилиндров с налетающей пластиной при скорости соударения 3,3÷4,6 км/с. Выявлены качественные различия процессов, связанные с механикой деформирования компактных пористых тел. Установлена двухстадийность процесса сжатия пористых образцов. Полученные данные могут быть привлечены для объяснения особенностей строения ударных кратеров на поверхности планет.

На основе эффекта кумуляции энергии ударной волны при прохождении ступеньки плотности ксенона во взрывной ударной трубе получен двухпиковый импульс светового излучения мощностью 10 МВт в ультрафиолетовой, синей и зеленой полосах спектра с полушириной 30, 70 и 60 нм соответственно. Максимальная энергия излучения бегущего источника в указанных полосах составляет 3,6, 4,1 и 6,5 кДж соответственно.

С использованием волоконных световодов диаметром 0,125 мм измерена скорость струи, формируемой в микроканале внутри пластического взрывчатого вещества. Показано, что в заполненных воздухом микроканалах, ось которых перпендикулярна фронту детонации, скорость головы струи может превышать скорость нормальной детонации в два раза.

Рассмотрены особенности получения компактов из ультрадисперсных алмазов. Предложены методы предварительной очистки образцов от примесей и способы ударно - волнового компактирования, позволяющие получать компакты, соответствующие по прочности синтетическим алмазам марки АС2.