Главная – Журналы – Физика горения и взрыва 2001 номер 6

Представлен анализ экспериментов по сжиганию водорода, инжектируемого в канал со сверхзвуковым высокотемпературным потоком на входе. Анализ проведен с помощью специально разработанной двумерной полуэмпирической модели, основанной на численном интегрировании параболизованных уравнений Навье – Стокса с учетом конечных скоростей химических реакций. Показано, что появление в рассматриваемых экспериментах двух режимов горения с «короткой» и «длинной» областями повышенного давления вызвано тем, что тепловыделение может происходить как в непосредственной окрестности инжекторов, так и по всей длине канала с образованием глобальной отрывной (застойной) зоны. Поток в канале в обоих режимах горения, за исключением ограниченных по размерам областей, остается сверхзвуковым.

В рамках теории Зельдовича – Франк-Каменецкого о тепловом распространении пламени рассмотрены термодинамические свойства открытой нелинейной системы и построена неравновесная энтропия стационарной волны горения. Проведен качественный и численный анализ неравновесной динамической системы, построены функции распределения локального производства энтропии по пространственной переменной. Показано, что полное производство энтропии в системе является функционалом на интегральных кривых, обладающим экстремальными свойствами, и его минимум соответствует единственному физически содержательному решению задачи. Методами неравновесной термодинамики обоснована процедура "обрезки" (обращения в нуль) скорости реакции. Представлена вариационная формулировка задачи для расчета стационарной волны горения.

Для базовой модели теории горения с размерными параметрами – динамической модели экзотермической реакции первого порядка в проточном реакторе идеального смешения – реализована процедура параметрического анализа. Построены параметрические зависимости стационарных состояний от размерных параметров, кривые кратности и нейтральности стационарных состояний, параметрические и фазовые портреты системы. Выделены области множественности стационарных состояний и автоколебаний, а также область технологически безопасных режимов. Проведено сопоставление режимов горения в реакторах идеального смешения и вытеснения.

В рамках диффузионной модели переноса излучения изучено влияние лучистого теплообмена в пологе леса на внутреннюю структуру и тепловую устойчивость фронта верхового лесного пожара.

Методами механики реагирующих гетерогенных сред построена математическая модель воспламенения взвеси угольных частиц в газе. Изучены некоторые ее качественные особенности, позволяющие выявить разные характерные варианты тепловой динамики смеси: гетерогенное воспламенение посредством реакции окисления коксового остатка, гомогенное воспламенение, вызванное процессом окисления летучих веществ в газовой фазе, смешанное воспламенение за счет одновременного действия поверхностной и объемной реакций. Проведена верификация модели по известным опытным данным, относящимся к задержкам воспламенения взвесей частиц угля в воздухе и кислороде в отраженных ударных волнах

С использованием модифицированных уравнений и безразмерных параметров тепловой теории воспламенения частиц металлов проанализированы условия воспламенения компактных образцов и фольги из железа, никеля, меди и нержавеющей стали в кислороде при давлении 0.1?70 МПа. Расчетные данные сопоставлены с результатами эксперимента.

Исследован процесс горения сверхтонкого порошка алюминия (среднеповерхностный диаметр частиц 0.1 мкм) в закрытой бомбе при начальном давлении воздуха 1 атм. Горение протекает в две стадии, как и на открытом воздухе. Показано, что в процессе двухстадийного горения сверхтонкого порошка алюминия в бомбе массовое содержание химически связанного азота в конечных продуктах увеличивается на 20% в пересчете на нитрид алюминия. Увеличение фиксации азота в замкнутом объеме подтверждает предложенный ранее механизм связывания азота воздуха с участием газовой фазы при горении алюминия.

В рамках модели квазистационарного фронта плавления исследовались критические условия воспламенения одиночной частицы, взаимодействующей с плавящейся средой с образованием интерметаллического соединения на ее поверхности. Для линейного и параболического законов торможения на диаграмме критических параметров выделены три характерные области, трансформирующиеся с изменением критерия Био. Показано, что при малых значениях этого критерия условия саморазогрева частицы идентичны условиям воспламенения в среде с постоянной температурой. При значениях критерия Био больше единицы на критические условия существенное влияние оказывают параметры, определяющие кинетику плавления. Особенности саморазогрева одиночной частицы могут определять качественный характер саморазогрева гетерогенной системы в целом.

Приведены результаты динамической рентгенографии при самораспространяющемся высокотемпературном синтезе порошковой смеси 3Cu–Al в режиме теплового взрыва. Рассмотрена последовательность этапов формирования конечного продукта, начиная с прогрева исходной смеси и взаимодействия ее компонентов и заканчивая фазовыми переходами при охлаждении полученного материала – интерметаллидов Cu₉Al₄ и Cu₃Al, которые являются базовыми составляющими триботехнических материалов на основе Cu. Показано, что при нагреве в температурном интервале 550÷590°С интенсивность дифракционных линий Al падает до уровня фона. Экзотермическая реакция синтеза интерметаллида инициируется при температуре 610÷630°С. В волне горения в период резкого роста температуры до 1040°С одновременно фиксируется наличие исходной меди и вновь образовавшейся высокотемпературной β–фазы со структурой Cu₉Al₄. При охлаждении полученного материала вплоть до 300°С в его составе присутствуют две кубические фазы — Cu₉Al₄ и α–твердый раствор Al в Cu. Дальнейшее остывание сопровождается образованием и ростом пиков фазы Cu₃Al с орторомбической решеткой. Фазовый состав алюминиевой бронзы, полученной методом СВС при горении в режиме теплового взрыва, неравновесный.

На примере конденсированной системы 3Zr+2WO₃ показано, что перед фронтом горения образца, запрессованного в жесткую полузамкнутую неразрушаемую оболочку, наблюдается распространение слабой волны разгрузки. При достаточно большой высоте образца (9 мм) эта волна еще до прихода туда волны горения вызывает появление вблизи торца заметных деформаций.

Определены концентрационные пределы взрываемости смесей CF₃CFH₂/F₂/N₂, C₃F₈/F₂/N₂, C₄F₈/F₂/N₂, C₄F₈/ClF₃/N₂, C₄F₁₀/ClF₃/N₂ и CF₂ClCF₂Cl/F₂/N₂. Для ряда составов первых двух смесей измерены максимальное давление взрыва и максимальная скорость роста давления при взрыве. В неразбавленных смесях, близких к стехиометрическим, наблюдался переход дефлаграции в детонацию. Скорости горения изученных смесей сопоставимы со скоростями горения кислородоводородных смесей.

На примере детонации облака стехиометрической смеси пропана с воздухом численно исследовано влияние положения точки инициирования на параметры поля взрыва. Форма облака (тороид) и соотношение его размеров в расчетах типичны для объемов топливовоздушных смесей, формируемых при авариях. При варьировании места точки инициирования в пределах сечения облака изменялось положение нижней кромки облака относительно подстилающей поверхности.

Выполнен качественный анализ структуры электромагнитного поля при детонации конденсированного взрывчатого вещества в магнитном поле. Распространение детонационной волны в магнитном поле приводит к генерации электрического тока в продуктах взрыва. Физической причиной появления тока являются "вмораживание" магнитного поля в проводящее вещество на детонационном фронте и последующее растяжение вещества с полем в волне разгрузки. Структура токового слоя зависит от характера граничных магнитных полей и условий на поверхности инициирования взрывчатого вещества. Детонация взрывчатого вещества во внешнем магнитном поле B₀ генерирует систему из двух одинаковых по величине, но противоположных по направлению токов. Структура возникающего тока и его абсолютная величина определяются параметром R₁ = μ₀σ₀D²t (μ₀ — магнитная проницаемость вакуума, σ₀ — электропроводность продуктов детонации, D — скорость детонационного фронта, t – время). Величина тока растет по мере движения детонационной волны, линейная плотность тока ограничена сверху величиной 2B₀/μ₀. При R₁ >>1 электрическое поле в проводящем слое существенно неоднородно, для продуктов детонации с политропным уравнением состояния к детонационному фронту примыкает область тока постоянной плотности. Результаты анализа важны для интерпретации проведенных экспериментов и создания новых методов исследования состояния вещества в детонационной волне.

Исследовано разрушение стальной частицы диаметром 2 мм при ударе по нормали со скоростью 1.5 ÷ 7.3 км/с по пластинкам–экранам толщиной 1 мм. Использовались два типа экранов: сплошные из дюралюминия и высокопористые из медного порошка. На пластине–свидетеле измерялись глубина наибольшего кратера, положение, площадь и эффективный диаметр всех кратеров. Получены значения пороговых скоростей удара для начала разрушения стальной частицы, распределения числа кратеров по размеру и радиусу от точки удара при различных скоростях удара. Показано, что вблизи порога разрушения при одинаковом давлении соударения низкоплотные высокопористые экраны дробят стальную частицу лучше, чем экран из дюралюминия. Возможная причина этого эффекта – тепловой взрыв материала экрана в области соударения и, как следствие, увеличение времени взаимодействия ударника с экраном.

Представлены результаты измерений ударно–волновых профилей скорости свободной поверхности образцов диоксидциркониевой керамики пористостью 16÷22%, изготовленных из составов с размером крупной фракции 0.5÷2.0 мм. Ударно–волновое нагружение образцов ZrO₂ толщиной 5÷20 мм осуществлялось алюминиевыми ударниками толщиной 3÷12 мм со скоростью 10÷100 м/с. Измеренные профили скорости свободной поверхности использовали для оценки динамической прочности керамики на сжатие, растяжение и проявления ею признаков демпфирующих свойств.

Разработан метод исследования прочностных свойств многофазных сред, основанный на построении гистограмм микротвердости. Показано, что для стали Ст. 3 в зависимости от типа применяемого взрывчатого вещества гистограммы микротвердости исследуемых образцов бывают двух типов: с одним и двумя максимумами. По данной методике для Ст. 3 определен вклад областей с преобладанием ферритных и перлитных зерен и зон множественного искажения в упрочнение материала. Исследовано поведение этих областей при отжиге, различных импульсных воздействиях и длительном хранении. Показано, что при ударно–волновом воздействии области с преобладанием перлитных и ферритных зерен упрочняются синхронно.

Теоретически рассмотрено влияние предварительного нагрева облицовки на пробивное действие кумулятивных зарядов. Показано, что для пластически разрушающихся кумулятивных струй предварительный нагрев облицовки в целом приводит к увеличению эффективной длины струи и глубины пробития кумулятивного заряда. Установлены ограничения по параметрам предварительного нагрева кумулятивной облицовки в связи с возможным тепловым инициированием взрывчатого вещества. Отмечено, что при чрезмерном разупрочнении кумулятивной струи возможен переход от пластического к объемному разрушению с соответствующим уменьшением пробития кумулятивного заряда. Приведены оценки предельных возможностей теплового способа повышения пробивного действия кумулятивных зарядов. Расчетные результаты сопоставлены с известными экспериментальными данными.

Экспериментально исследованы дисперсные, структурные и электрофизические характеристики высокодисперсной фазы оксида алюминия, образующейся при горении капель–агломератов металла. Данные получены с помощью просвечивающей электронной микроскопии, а также системы видеорегистрации подвижности аэрозольных частиц в однородном электрическом поле. Аэрозольные частицы представляют собой агрегаты с размерами от долей до нескольких микрометров и фрактальной размерностью 1.60±0.04, состоящие из первичных сферических частиц размерами от единиц до сотен нанометров. Большинство агрегатов имеют электрические заряды, как положительные, так и отрицательные. Характерный заряд агрегатов составляет несколько единиц элементарного заряда. Некоторые крупные агрегаты вращаются при смене полярности электрического поля, т. е. представляют собой диполи.