Главная – Журналы – Физика горения и взрыва 2007 номер 4

Показана возможность моделирования состава и параметров состояния газа, образующегося в результате равновесного сгорания авиационного керосина в воздухе, путем определения тех же величин для определенной смеси углеводородных горючих. В качестве таковой может быть смесь равных количеств метана и ацетилена. Рассчитанный равновесный состав для модельной смеси в точности совпадает с составом продуктов сгорания керосина при одинаковых значениях давления (или плотности), температуры и коэффициента избытка окислителя. При сгорании керосина и модельной смеси в режиме с постоянным давлением (или плотностью) можно обеспечить удовлетворительное совпадение температур конечных продуктов и их составов, если в качестве окислителя для смеси использовать обедненный кислородом воздух.

Приведены результаты анализа экспериментальных данных, полученных при исследовании сжигания бензоводородовоздушной смеси в цилиндре поршневого двигателя. Показана зависимость полноты сгорания смеси от количества водорода в топливной композиции, ее состава и физико-химических свойств, в частности, определены условия добавок водорода в бензовоздушную смесь с активным химическим действием на процесс горения и действием водорода как дополнительного горючего компонента. Предложена безразмерная универсальная зависимость, позволяющая однозначно определять исходный состав топливной композиции (соотношение водорода и бензина) для обеспечения процесса сжигания топливной смеси на бедной границе горения.

Исследованы стационарные режимы горения и выполнены оценки эффективности энергопреобразующей системы, представляющей собой канал с термоэлектрическими преобразователями, расположенными в стенках. Внутри канала происходит горение предварительно перемешанной смеси газов. Показано, что для достижения максимальной эффективности энергопреобразования в малоразмерном устройстве свойства термоэлектрических материалов, геометрия устройства и другие параметры должны быть согласованы с внутренней структурой пламени. В частности, показано, что эффективность энергопреобразования в малоразмерном устройстве может быть выше, чем у аналогичного крупномасштабного устройства, и что максимальная эффективность достигается вблизи пределов существования пламени.

Изложены результаты испытаний опытного образца огнепреградителя на проскок пламени и прогорание. Дана интерпретация результатов в рамках нестационарной модели фильтрационного горения газа. Показано, что процесс прогорания огнепреградителя состоит из трех стадий с соизмеримыми характерными временами: стадии входа пламени в пористый блок, стадии распространения по нему и стадии выхода пламени из пористого блока. Описаны механизмы, действующие в каждой стадии, и установлены определяющие параметры. На основе теоретического анализа процесса прогорания рассмотрены пути улучшения характеристик огнепреградителя.

Предложен механизм процесса возгорания компактных металлов при их разрушении в кислороде. Предполагается, что инициатором возгорания выступают микрофрагменты разрушения образца в момент прохождения через объем металла разрушающей трещины, а лимитирующей стадией взаимодействия является диссоциативная химическая адсорбция молекул кислорода на поверхности микрофрагментов, что определяет существование зависимости между способностью материалов к возгоранию при разрушении и давлением кислородсодержащей среды.

Спектральными методами исследуются излучательные характеристики конденсированной фазы в зоне горения ламинарного диффузионного факела частиц алюминия. Показано, что слабая зависимость температуры конденсированной фазы от массовой концентрации горючего обусловлена тепловыми потерями, которые сильно возрастают с повышением массовой концентрации и могут превышать 20% от общего тепловыделения. Обнаружена сильная зависимость мнимой части комплексного показателя преломления от температуры, что в конечном итоге приводит к ограничению температуры во фронте факела. На практике это должно приводить к более сильной, чем T⁴, зависимости теплопотерь от температуры частиц конденсированной фазы. Экспериментально определена зависимость мнимой части комплексного показателя преломления от длины волны при температуре горения.

Экспериментально установлено, что в качестве промежуточных продуктов горения смесей нанопорошков алюминия и вольфрама в воздухе образуются нитриды алюминия, остатки металлических вольфрама и алюминия, сложные оксиды и, возможно, нитриды вольфрама. Продукты получены остановкой процесса горения при достижении температуры, близкой к максимальной.

В линейном приближении феноменологической теории нестационарного горения найдена с учетом тангенциального обдува (эрозии) функция отклика скорости горения твердого ракетного топлива (пороха) на периодически меняющееся давление. Численные результаты получены для простейшей модели пороха, содержащей минимальное число параметров. Рассмотрено элементарное акустическое возмущение — плоская монохроматическая бегущая звуковая волна. Выяснена роль стационарной и нестационарной составляющих тангенциального обдува при малых и больших значениях эрозионного отношения.

Представлены зависимости скорости горения от давления для нескольких топливных составов на основе перхлората аммония (ПХА) и полибутадиена с концевыми гидроксильными группами, отвержденного с помощью изофорондиизоцианата. Многие из этих составов имеют очень низкие (близкие к нулю или отрицательные) значения барического показателя в зависимости скорости горения от давления в некоторых диапазонах давлений. В таких случаях говорят, что топливо имеет плато на зависимости скорости горения от давления. Перхлорат аммония, входящий в состав топлив, состоял из двух фракций, имевших узкие распределения частиц по размерам. Одновременно использовались крупная и мелкая фракции частиц ПХА со значительно отличающимися средними размерами частиц. В данной работе исследовались две фракции мелких частиц ПХА с разными средними размерами, а именно 5 и 20 мкм. Размеры были выбраны на основе анализа экспериментально определенных пределов по давлению для горения матрицы, состоящей из смеси горючего-связующего и мелких частиц ПХА. Давление и размер мелких частиц ПХА в этих экспериментах варьировались в широких диапазонах. Смеси горючего и мелких частиц ПХА, не горящие в среднем диапазоне давлений, характеризуются наличием плато на зависимости скорости горения от давления в соответствующем диапазоне давлений. Для некоторых составов плато на зависимости скорости горения от давления наблюдалось также при повышенных давлениях, что связано с уменьшением влияния переднего фронта диффузионного пламени окислителя и горючего в газовой фазе вблизи поверхности горения. Размер крупной фракции частиц ПХА в составе топлива влияет на положение и протяженность плато на зависимости скорости горения от давления в пределах той области давлений, в которой не горит матрица.

Экспериментально определены скорости образования и роста частиц дисперсного углерода при пиролизе этилена, бензола и нафталина в отраженной ударной волне в диапазоне температур 1920 ÷ 2,560 К и концентраций углеводородов в аргоне 1.8 ÷ 20%. Проведена оценка диаметра образующихся частиц (30 ÷ 600Å). По результатам измерений времени реакции (пребывания) определены максимальная скорость образования частиц при различной температуре ((0.7÷96) · 10¹⁶ см^-3 · с^-1) и скорость роста частиц (0.002 ÷ 0.036 см · с^-1). Энергия активации брутто-процесса образования частиц при пиролизе бензола составляет 410 кДж/моль, энергия активации брутто-процесса роста частиц для всех исследованных углеводородов 5 ÷ 50 кДж/моль. С ростом концентрации исходного углеводорода при постоянной температуре наблюдается рост среднеповерхностного диаметра образующихся частиц.

В двумерной нестационарной постановке сформулирована математическая модель вращающейся детонации в кольцевой цилиндрической камере сгорания типа ракетного двигателя. Численно исследована динамика волны в камере сгорания для водородно-кислородной смеси.

Рассматривается процесс прохождения импульса треугольной формы небольшой интенсивности через контактный разрыв. Проведен анализ затухания ударной волны, прошедшей во второй газ. Затронуты вопросы демпфирования детонационной волны после выгорания горючей смеси.

С помощью пирометра на основе оптических волокон на длинах волн 678 и 487 нм зарегистрирована температура детонационного фронта прессованных шашек тэна с относительной объемной концентрацией воздушных пор 0.0047 ÷ 0.147. Показано, что неравновесный характер излучения детонационного фронта можно объяснить наличием двух источников излучения с различной температурой. Одним источником являются продукты взрыва, другим — сильно сжатые воздушные поры, в которых воздух нагревается до температуры более 10⁴ К.

В специально разработанном взрывном устройстве, имитирующем шпур, проведены эксперименты с зарядами мелкозернистой и крупнозернистой (гранулированной) смеси тротил/аммиачная селитра 30/70, которые при одинаковой плотности 0.89 г/см³ детонировали в стальной оболочке с внутренним диаметром 28 мм и толщиной стенок 3 мм со скоростями 4.13 и 2.13 км/с соответственно. Несмотря на значительное различие в скоростях (давлениях) детонации, наблюдалось одинаковое расширение оболочек зарядов. С другой стороны, численные расчеты, моделирующие распространение детонации во взрывном устройстве с соответствующими скоростями без учета возможности выделения энергии за фронтом волны, показывают, что расширение оболочки заряда всегда больше в случае высокоскоростного режима. Сделан вывод о том, что в исследуемых условиях, имитирующих распространение детонационного процесса и работу продуктов взрыва в шпуре, за фронтом детонации низкоскоростного (неидеального) режима имеет место эффективное довыделение энергии.

Приведены результаты исследования фазовых превращений при ударном сжатии в железе (полиморфный (α – ε)-переход) и церии (изоморфный (γ – α)-переход) методом ПВДФ-датчика.

В данном исследовании предпринята попытка приспособить комбинированную методологию конечных дискретных элементов для объединения уравнений газовой динамики и состояния деформирования твердого тела с целью разработки численного метода моделирования процессов в хрупких твердых средах, таких как горные породы. Используется стандартный метод конечных элементов с учетом разупрочнения при моделировании инициирования и распространения трещин в твердом теле, возникающих под действием высокого давления в газе. Это переменное высокое давление определяется уравнениями сохранения массы и импульса газа. Поведение газа полностью увязано с деформациями в твердом теле, которые изменяют плотность и пористость, входящие в уравнения газовой динамики, и основано на новых модификациях подхода, предложенного авторами данной работы в их недавних публикациях. Модель течения детонационного газа учитывает пространственное распределение давления и массы детонационного газа в пределах сложной геометрии трещиновато-раздроблнной твердой (горной) породы. Полные нелинейности геометрии и материала учитываются за счет использования полностью деформируемой сетки метода конечных элементов и анализа трещиновато-раздробленных дискретных элементов. Используются методы локальной адаптивной перестройки (обогащения) сетки для геометрического моделирования распространения трещин.