Главная – Журналы – Физика горения и взрыва 2009 номер 3

Представлены результаты численного исследования влияния тепловых и граничных условий на структуру ламинарного и турбулентного диффузионного пламени при вдуве водорода через пористую поверхность и при его горении в потоке воздуха. Сопоставляются два типа граничных условий — при заданной постоянной по длине температуре пористой поверхности T_w = const при любых интенсивностях вдува горючего; при постоянной температуре подаваемого через пористую стенку горючего T' = const. Первый случай реализуется при горении жидкого топлива, температура испаряющейся поверхности которого остается неизменной. При вдуве газообразного горючего, как правило, реализуется режим T' = const. Показано, что, несмотря на значительное различие профилей скорости и температуры в этих случаях, коэффициенты поверхностного трения в ламинарном потоке для обоих режимов близки. В турбулентном режиме влияние тепловых граничных условий на трение и теплообмен сказывается в значительной мере. Кроме того, установлено, что тепловой поток в стенку характеризуется ярко выраженным максимумом в зависимости от интенсивности подачи топлива. Показано принципиальное отличие влияния горения на трение и теплообмен в ламинарном и турбулентном режимах течения.

В рамках теплодиффузионной двухкомпонентной модели предсказано существование двух фронтов реакции при горении газа в микроканале с подогревом. Показано, что после самовоспламенения пламя разделяется на два фронта с разной светимостью. Один фронт распространяется против потока, другой по потоку, и через некоторое время обе волны горения затухают. После некоторой задержки процесс повторяется и происходит новое самовоспламенение от горячих стенок. Показано, что общепринятая модель с бесконечно узкой зоной химической реакции, не учитывающая явную зависимость скорости реакции от концентрации, не описывает данное явление. С помощью скоростной видеосъемки процесса горения пропановоздушной смеси получены экспериментальные данные, которые подтверждают возможность образования двух фронтов реакции. Кроме того, эксперимент показал возможность образования трех пиков реакции и двух делений волны горения за один цикл периодического воспламенения и затухания.

Методом меченых атомов в численном моделировании исследованы особенности действия добавок оксидов азота NO и NO₂ на пламя богатых смесей водорода с воздухом. Показано, что действие этих добавок не однотипно. Оба оксида ускоряют образование ОН и Н₂О в низкотемпературной зоне фронта. Добавки NO уменьшают первый максимум в профиле ОН и нормальную скорость распространения пламени. Добавки NO₂ увеличивают первый максимум в профиле ОН и не изменяют нормальную скорость распространения пламени.

Моделируется работа импульсной аэрозольной системы пожаротушения (ИАСП), предназначенной для эффективного тушения пожаров на газовых скважинах, на примере гашения метановоздушной дозвуковой струи, истекающей из соплового насадка. Система представляет собой устройство раздельного снаряжения, состоящего из заряда унитарного твердого топлива (газогенератора) и контейнера с мелкодисперсным порошком пламегасящего вещества. Горение смеси описывалось одностадийной брутто-реакцией, влияние концентрации паров пламегасящего вещества на процесс горения учитывалось путем уменьшения предэкспоненциального множителя в законе Аррениуса и описывалось эмпирической зависимостью. Вычислительный эксперимент показал, что применение ИАСП обеспечивает эффективный транспорт мелкодисперсных аэрозольных частиц пламегасящего вещества и его паров в зону горения в количестве, достаточном для подавления очага возгорания.

Проведен численный анализ процесса прогорания пористых огнепреградителей. Показано, что время прогорания пористых пламегасящих элементов канального типа определяется временем входа пламени в пористый элемент, а насыпного типа — временем распространения по нему. Увеличению огнестойкости канального огнепреградителя способствует увеличение теплопроводности материала пористого пламегасящего элемента, его длины, а также уменьшение эффективного размера каналов и пористости пламегасящего элемента. Установлено, что, увеличивая длину пористого элемента или уменьшая диаметр каналов и пористость, можно достигнуть того, что пламя, возникшее за огнепреградителем, будет стабилизироваться на выходной поверхности пламегасящего элемента, не входя внутрь него.

Исследовались стохастические явления в кинетике химических реакций при тепловом взрыве. Статистический анализ проведен на основе нелинейных дифференциальных уравнений для температуры газа и концентрации реагирующих частиц со случайными начальными условиями, а также соответствующих уравнений для плотности распределения вероятностей переменных состояния системы. Результаты численного решения этих уравнений представлены графически в виде статистического набора ансамбля кинетических кривых концентрации реагирующих частиц и температуры газа, а также эволюции их плотности распределения вероятности во времени. Показано, что малые случайные пульсации температуры и концентрации в начале реакции приводят к существенным флуктуациям периода индукции.

Анализируется влияние различия температур газа и частиц на горение предварительно перемешанной горючей смеси, состоящей из летучих частиц, равномерно распределенных в окисляющей газовой среде. Предполагается, что испаряющиеся частицы топлива образуют газообразное топливо, которое окисляется в газовой фазе. Анализ выполнен в асимптотическом приближении, когда значение характерного числа Зельдовича велико. Это означает, что в зоне предварительного нагрева химической реакцией можно пренебречь. Из уравнений для пламен предварительно перемешанных газов с органической пылью выводятся требуемые соотношения для газа и частиц. Затем аналитическим методом решаются основные уравнения. Показано изменение безразмерных температур газа и частиц, массовой доли частиц, эквивалентного отношения φ_g в зависимости от φ_u, температуры пламени и скорости горения газа и частиц. Анализ показывает, что, хотя φ_u ≥ 1, в некоторых случаях вычисленное значение φ_g меньше единицы.

Методом зондовой молекулярно-пучковой масс-спектрометрии исследована структура пламени CL-20 при давлении 0.1 и 0.5 МПа. При давлении 0.1 МПа вблизи поверхности "пенного" углеродистого каркаса определен состав газообразных продуктов, содержащий 8 компонентов — NO, NO₂, CO, CO₂, N₂, H₂O, HCN и HNCO. При давлении 0.5 МПа NO₂ не обнаружен, для остальных 7 веществ измерены профили концентраций в зависимости от расстояния до углеродистого каркаса. Ширина зоны пламени CL-20 при давлении 0.5 МПа, в которой происходит расходование NO и HNCO с образованием N₂ и CO₂, составила ≈0.8 мм от поверхности углеродистого каркаса. Состав конечных продуктов сгорания CL-20 на расстоянии 3÷4 мм при давлении 0.5 МПа не соответствует термодинамически равновесному.

Осуществлена реализация метода измерения полей температур светящихся зон горения безметалльных конденсированных веществ (сажистых пламен) в виде автоматизированной информационно-измерительной системы, обеспечивающей компьютерную обработку цифровых видеоизображений при разделении видеосигнала на монохроматические составляющие. Система использована при изучении горения низкотемпературной твердотопливной композиции с охладителем. На основе стохастического моделирования информации видеофильмов получены оценки статистических параметров температурных полей, позволившие расширить представления об очагово-пульсационном механизме горения таких композиций.

Предложен алгоритм расчета параметров стационарной одномерной детонационной волны в смесях газа с химически инертными частицами и оценки размера детонационной ячейки в таких смесях. Результаты расчета параметров детонации и размера ячейки в стехиометрических водородокислородных смесях с частицами W, Al₂O₃ и SiO₂ использованы для анализа способа подавления многофронтовой газовой детонации инжекцией химически инертных частиц перед передним фронтом волны. Для оценки предела гетерогенной детонации в рассматриваемых смесях привлечено соотношение между диаметром канала и размером детонационной ячейки. Рассчитаны минимальная масса частиц и характерный размер облака, необходимые для подавления детонации. Впервые проанализировано влияние термодинамических параметров частиц на процесс подавления детонации. Наиболее эффективны частицы, имеющие высокую теплоемкость и (при наличии плавления) большую теплоту фазового перехода.

Для топливно-кислородных смесей водорода и типичных углеводородов при их разбавлении азотом обнаружено более быстрое увеличение размера ячейки и других важнейших параметров многофронтовой детонации по сравнению с предсказываемым кинетическими расчетами. Установлено, что при разбавлении стехиометрической водородно-кислородной смеси дополнительным количеством кислорода или водорода также проявляется расхождение экспериментальных и расчетных данных по мере возрастания концентрации добавляемого компонента. В то же время разбавление этих смесей гелием или аргоном не приводит к подобному эффекту. Высказано предположение о причине подобного расхождения. Сделан вывод о необходимости корректировки кинетических данных применительно к детонационным условиям.

С использованием лазерного интерферометра VISAR проведены измерения профилей массовой скорости в стационарных детонационных волнах в тетранитрометане и его смесях с метанолом. Показано, что в экспериментах с тетранитрометаном давление в химпике в 1.7 раза превышает давление Чепмена — Жуге. При исследовании смесей с концентрацией метанола, близкой к стехиометрической, устойчивость детонационного фронта сохраняется, но наблюдается резкое уменьшение амплитуды химпика и уширение ударного скачка, что, возможно, обусловлено разложением взрывчатого вещества во фронте. Увеличение концентрации метанола до 50% приводит к потере устойчивости детонационного фронта, проявляющейся в появлении осцилляций на профилях массовой скорости.

Представлено теоретическое обоснование корреляционных соотношений между критическим диаметром зарядов ВВ и характеристиками их ударно-волновой чувствительности. С использованием разработанной автором теории критического диаметра и обобщенной кинетической характеристики разложения ВВ, определяемой по экспериментальной зависимости расстояния перехода инициирующей ударной волны в детонационную от амплитуды волны, получены соотношения для критического радиуса кривизны фронта детонационной волны и для критического диаметра детонации. Количественный анализ этих соотношений показал хорошее согласие с известными экспериментальными данными.

Приведены результаты экспериментального изучения детонации низкоплотных (3÷40 мг/см³) вторичных взрывчатых веществ (ВВ) в вакуумированной и в газонаполненной инертной пористой среде. Показано, что для всех исследованных режимов наблюдается конвективно-струйный механизм распространения детонации. Выяснено влияние типа ВВ и начального давления газа на критическую плотность ВВ и параметры детонации. Показано, что при наличии воздуха детонация возможна при меньшей, чем в случае вакуумированной среды, среднеобъемной плотности ВВ, и при этом существуют два предела (минимальный и максимальный) по начальному давлению газа. С уменьшением среднеобъемной плотности ВВ пределы сближаются, и для некоторого критического значения плотности ВВ детонация существует лишь при одном значении начального давления.

Измерены скорости метания пластин из разных материалов продуктами взрыва с торца плоского заряда малой толщины. Скорости метания непористых металлических пластин равной массы из алюминия, стали, меди и тантала отличаются не более чем на 5%. Различие скоростей метания пористых пластин из одного материала и пластин из слоев разных материалов при равной массе достигает 20%. Слоистые пластины из алюминия разной пористости удается ускорить до больших скоростей, чем сплошные. При помещении под стальную пластину слоя талька той же толщины, т. е. при возросшей суммарной массе, уменьшение скорости метания не зафиксировано. Наблюдаемые эффекты могут быть объяснены при волновом подходе к рассмотрению процесса метания.