Главная – Журналы – Физика горения и взрыва 2005 номер 5

На основе обобщения экспериментальных данных по динамической реакции и прочности простейших оболочек из волокнистых композитов обоснован выбор этих материалов для силовых оболочек взрывозащитных конструкций. Показаны преимущества использования композитов в таких конструкциях для исключения сильного масштабного эффекта энергетической природы, проявления которого ограничивают применение гомогенных металлических сплавов — конструкционных сталей. Предложен и экспериментально обоснован критерий выбора типа волокон, установлены схемы армирования для обеспечения оптимальных по отношению »:прочность — масса« композиций для оболочек силовых корпусов взрывозащитных контейнеров и камер.

Предложена простая феноменологическая модель диффузионно-тепловой неустойчивости перемешанных пламен тройных смесей. Показано, что селективная диффузия может изменять соотношение концентраций топлива и окислителя, а также ее эффективное разбавление инертом. Ключевые параметры модели оценены на основе численного моделирования скоростей распространения пламени. Скорости пламени рассчитаны для смесей водород — кислород — азот, метан — кислород — азот, пропан — кислород — азот. Определены условия возникновения ячеистой неустойчивости в тройных смесях. В хорошем соответствии с экспериментом предсказана диффузионно-тепловая неустойчивость в пламенах водорода при коэффициенте избытка топлива φ ≤ 1.45, в бедных пламенах метана при φ ≤ 1.02 и в богатых пламенах пропана при φ ≥ 1.03. Оценен масштаб изменений локальной скорости пламени, вызванных селективной диффузией. Показано, что в пламенах водорода и метана с воздухом азот диффундирует быстрее, чем кислород, в то время как кислород диффундирует быстрее, чем азот в пламенах пропана и других более тяжелых углеводородов. В пламенах пропана и других более тяжелых углеводородов с воздухом переход между стабильным и неустойчивым режимами предсказан в смесях с коэффициентом избытка топлива меньше значения, соответствующего максимуму кривой скорости распространения пламени, что соответствует экспериментальным наблюдениям.

Исследованы условия флегматизации метановоздушных смесей углекислым газом и азотом с добавлением CF₃Br, C₂F₄Br₂ и CF₃I. При введении в N₂ и CO₂ до 15 об. % этих веществ существенно падает значение минимальной флегматизирующей концентрации флегматизатора. Дальнейшее увеличение содержания CF₃Br и C₂F₄Br₂ не приводит к уменьшению минимальной флегматизирующей концентрации, а увеличение содержания CF₃I выше 15 об. % ведет к ее быстрому росту до значений, превышающих минимальную флегматизирующую концентрацию чистого азота. Установлено, что CF₃I является горючим газом и добавление его в метановоздушную смесь существенно расширяет область распространения пламени. Определены концентрационные пределы распространения пламени CF₃I в воздухе при нормальных условиях, измерены параметры взрыва.

Численно исследовано влияние скорости инжекции жидкого топлива на основные характеристики топливовоздушного облака (такие как объем, форма и скорость роста облака, интенсивность турбулентности, а также распределение концентрации топлива, градиент температуры и время индукции самовоспламенения), определяющие процесс горения. Для проведения расчетов использовалась модифицированная программа KIVA. Решение систем уравнений проводилось методом конечного объема. Для моделирования турбулентности газовой и жидкой фаз применялись соответственно k – ε-модель и модель дискретных капель. Показано, что основным фактором, влияющим на интенсивность турбулентности и равномерность параметров в облаке, является скорость инжекции топлива. С увеличением скорости инжекции детонационноспособная часть облака вращается быстрее и уменьшается время воспламенения. Результаты расчетов сопоставлены с данными экспериментов.

Определены основные стадии развития процесса очагового воспламенения реакционноспособного газа в высокопористой среде при больших значениях параметра Пекле в условиях естественной фильтрации газа и ограниченного внутреннего межфазного теплообмена. В рамках асимптотического анализа при больших значениях температурного напора и параметра Франк-Каменецкого исследовано воспламенение газа в П-образном очаге разогрева. Определена критическая связь параметров, разделяющая режимы воспламенения газа и постепенного охлаждения очага разогрева. Над пределом воспламенения найдена и проанализирована зависимость времени воспламенения от параметров процесса. Показано сильное влияние межфазного теплообмена на предел и время воспламенения. Приведен пример расчета критических параметров очагового воспламенения метана в завале отработанной породы.

Исследуются условия возникновения теплового взрыва в цилиндрическом химическом реакторе, снабженном некоторым количеством симметрично расположенных мешалок, вызывающих вынужденную конвекцию реагирующей смеси. Рассмотрение проведено в приближении бесконечного значения числа Пекле и в предположении о ламинарном движении жидкости. Найдено критическое значение параметра теплового взрыва (параметра Франк-Каменецкого) в зависимости от количества мешалок и расстояния между осями мешалок и реактора. Расчеты показывают, что при увеличении количества мешалок возможность реализации теплового взрыва уменьшается и критическое значение параметра может в несколько раз превзойти его классическое значение. Обнаружена существенная зависимость параметра теплового взрыва от расположения мешалок, которое определяет теплоотвод из реактора.

Рассмотрены характеристики горения алюминия, при этом основное внимание уделено времени горения индивидуальных частиц. Собраны, систематизированы и подвергнуты корреляционному анализу данные более чем 10 источников (свыше 400 точек). Для выявления тенденций зависимостей характеристик горения от параметров среды также использованы имеющиеся математические модели. Обсуждены общие принципы описания горения алюминия, начиная с «закона Dⁿ». Показано, что для частиц алюминия в законе Dⁿ показатель n < 2 и его типичные значения лежат в диапазоне ≈ 1.5 ÷ 1.8. Рассмотрено влияние окружающей среды на время горения. Показано, что кислород как окисляющий агент примерно в два раза эффективнее воды и примерно в пять раз эффективнее углекислого газа. Влияние давления и начальной температуры среды незначительно.

Проведен анализ структуры фронта горения в многослойной системе с учетом лучистого теплопереноса в газовой прослойке. Исследовано влияние лучистых теплопотерь на структуру и характеристики эстафетного режима превращения. Определены характеристики фронта и динамика превращения элементов дискретной системы. При наличии теплопотерь в окружающую среду обнаружена неединственность «установившихся режимов» — «высокотемпературный» и «низкотемпературный» эстафетные фронты горения. С помощью вычислительного эксперимента в нестационарных условиях показана абсолютная неустойчивость низкотемпературного режима и изучена динамика установления высокотемпературного режима. Установлено существование критических теплопотерь, превышение которых ведет к «срыву горения». Проанализировано изменение термокинетических характеристик за период процесса, показано, что в процессе горения достигаются сверхадиабатические уровни температур.

Построена математическая модель механосинтеза в системе «твердое — газ», включающая уравнения теплового баланса механореактора, измельчения, динамики избыточной энергии в конденсированных веществах, определяющей влияние механической активации на скорость химической реакции, и кинетики химического превращения. Дан краткий анализ модели. Описаны имеющие самостоятельное значение две упрощенные модели, полученные из общей, которые можно исследовать аналитическими методами. Подробно исследован синтез в предварительно активированной системе. Получены соотношения, определяющие характеристики синтеза. Точность аналитических оценок проверена численным моделированием.

Представлены результаты экспериментальных исследований неизотермического механохимического превращения в системе «титан — азот». Опытные данные сопоставляются с результатами моделирования. На основе аналитических соотношений определены эффективные кинетические параметры механической активации реагента и химической реакции. Показана применимость разработанной математической модели для анализа макрокинетики неизотермического химического превращения в системах «твердый реагент — активный газ».

На основе экспериментальной информации о кинетике роста электропроводности ударно-сжатого ТАТБ предложена модель его электронной теплопроводности. Показано, что электронная теплопроводность может быть основным механизмом передачи энергии из горячих точек в детонирующем взрывчатом веществе.

Показано, что для взрывчатых веществ, используемых в синтезе наноалмазов, параметры Чепмена — Жуге находятся в области жидкого наноуглерода, поэтому в зоне химической реакции детонационной волны образуются нанокапли углерода, которые затем кристаллизуются в наноалмазы на участке изоэнтропы расширения продуктов детонации, проходящем через область стабильности наноалмазов в интервалах давления 16.5 ÷ 10 ГПа и температуры 3400 ÷ 2900 К. Сажа в получаемой шихте — продукт аморфизации нанокапель, а не графитизации ультрадисперсного алмаза. Анализируется влияние на синтез наноалмазов условий детонации зарядов взрывчатых веществ во взрывной камере.

Экспериментально исследован процесс синтеза детонационных алмазов из смеси меченного изотопом C¹⁴ гексогена с сажей. Показано, что значительная часть алмазов (24.7 ± 3.4 %) образуется из углерода, входящего в состав молекул гексогена. Степень перехода углеродных атомов сажи в алмазную фазу составляет (16.0 ± 1.6) %.

Измерена скорость детонации эмульсионного взрывчатого вещества, содержащего в качестве сенсибилизатора полые алюмосиликатные микросферы — ценосферы. Размер микросфер 50 ÷ 250 мкм. Выполнено сравнение зависимостей скорости детонации от плотности и диаметра заряда для эмульсионного взрывчатого вещества, содержащего ценосферы или стеклянные микробаллоны как сенсибилизатор. Показано, что максимальная скорость детонации состава с ценосферами размером 70 ÷100 мкм составляет 5.5 ÷ 5.6 км/с при диаметре заряда 55 мм, как и для микробаллонов из стекла производства компании 3М. Критический диаметр эмульсионного взрывчатого вещества с ценосферами в 1.5 ÷ 2 раза больше критического диаметра эмульсионного взрывчатого вещества с микробаллонами из стекла и составляет 35 ÷ 40 мм.

Электроконтактным методом выполнены измерения электропроводности ряда металлических порошков при ударном сжатии. Первоначально металлические частицы покрыты оксидной пленкой и порошок является непроводящим. При ударном сжатии порошок приобретает макроскопическую проводимость. Электропроводность ударно-сжатого порошка существенно зависит от металла, пористости, размера частиц и давления ударной волны. В пределах экспериментальной погрешности макроскопическая электропроводность за фронтом ударной волны однородна. Найдены зависимости алюминиевой пудры и порошка от давления ударной волны. Показано, что эти зависимости немонотонны. При большом давлении ударной волны электропроводность вещества уменьшается. Предполагается, что такое поведение связано с сильным температурным разогревом вещества при ударном сжатии. Оценки температуры показывают, что при ударном сжатии могут происходить плавление и частичное испарение металла. На это же указывает значение электропроводности, которая для мелких частиц близка к электропроводности расплава. Электропроводность крупного порошка гетерогенна, что связано с сильной тепловой неравновесностью частицы за время ударного сжатия. Анализ результатов опытов с различными металлами показывает, что основным параметром, определяющим электропроводность ударно-сжатого порошка, является относительная плотность.