Главная – Журналы – Физика горения и взрыва 2011 номер 4

Анализируется современное состояние экспериментальной техники измерения электропроводности при сильном ударном сжатии. Рассматриваются переходы диэлектрик — полупроводник, диэлектрик (полупроводник) — металл, металл — металл (полупроводник). Обсуждаются реализованные разными авторами методы и схемы контактных и бесконтактных измерений для инертных и электрически активных сред. Углубленный анализ измерительных цепей, двумерное и трехмерное моделирование токов, полей и гидродинамического течения, переход от электротехнической к полевой электромагнитной модели и учет переходных электродинамических процессов позволили за последние годы значительно улучшить временное разрешение и расширить пределы регистрации проводимости при ударном сжатии. Характерной особенностью новых методик является решение дифференциального уравнения для электрической цепи или нахождение электропроводности из решения обратной краевой задачи для уравнения магнитной диффузии. В частности, таким способом решена задача регистрации электропроводности при переходах диэлектрик (полупроводник) — металл, известная с 1950-х годов. Обсуждаются трудности, ограничения и нерешенные задачи экспериментальной техники.

Целью данной работы является разработка новых моделей эволюции фронта пламени, способных описывать как явления инициирования, затухания и пульсаций, так и обычный режим распространения. Обычные уравнения, составляющие одномерную диффузионно-тепловую модель, были упрощены до двух обыкновенных дифференциальных уравнений для координаты фронта пламени и температуры на фронте пламени. Полученные уравнения допускают решения, описывающие, например, зажигание, затухание и нелинейные колебания пламени, которые наблюдаются при горении газа в микроканалах с повышенной температурой стенок или в случае тепловой неустойчивости при безгазовом горении конденсированных веществ. Подобие исходных диффузионно-тепловых моделей, предполагающих существование бесконечно тонкой зоны химических реакций, позволило применить общий метод для вывода упрощенных уравнений в физически разных системах. Было показано, что моделирование колебаний пламени требует, как минимум, рассмотрения эффектов, связанных с ускорением пламени (<инерцией> пламени), и скорости изменения температуры фронта пламени. Точность предложенной модели с инерционными эффектами была проверена результатами прямого численного моделирования исходных уравнений.

При проведении термопарных измерений в пламенах газовых или конденсированных систем принято считать, что благодаря малым размерам термопары возмущения пламени, вносимые термопарой, несущественны. Показано, что эти возмущения могут быть значительными. При измерении температуры в ламинарном пламени метана при атмосферном давлении обнаружено систематическое превышение измеренных температур относительно температуры невозмущенного пламени в области градиента температуры, а также в зоне максимума концентрации радикалов. Проведены измерения этих превышений и анализ причин их возникновения. Ранее в литературе данные эффекты практически не обсуждались.

Для изучения возмущений, вызываемых наличием термопары в пламени, выполнено моделирование внешнего течения реагирующей смеси газов около термопары в рамках полной системы нестационарных уравнений Навье—Стокса, модифицированной для приближенного учета влияния тепловыделения вследствие химических реакций. Моделирование проводилось для изучаемого в работе газового пламени метана, а также для пламени конденсированной системы на примере гексогена применительно к условиям экспериментов, имеющихся в литературе. Обнаружено, что торможение потока в окрестности термопары приводит к локальному увеличению тепловыделения вследствие химических реакций и соответствующему повышению температуры термопары относительно невозмущенного значения. Ранее в литературе данный эффект не обсуждался.

Исследованы пути сокращения выхода NO_x котла мощностью 250 МВт, работающего на двух видах топлива, посредством ступенчатой подачи кислорода и острого дутья. В ходе численного моделирования определены наилучшие места на стенках котла для ввода воздуха и топлива. Устанавливая инжекторы в этих местах, можно сократить выход NO_x более чем на 70% без увеличения количества CO. Это значение находится в хорошем соответствии с опубликованными в литературе данными. Результаты моделирования (состав газа и температура) согласуются с данными экспериментов на натурном котле.

Представлены математическая модель и результаты расчета скорости распространения фронта пламени в горючем газе с взвешенными инертными частицами с учетом теплового расширения газа и динамической релаксации частиц. Получены зависимости стационарной скорости пламени от размера частиц и их массовой концентрации.

В рамках диффузионно-кинетической модели газификации пористой частицы углерода в парах воды и диоксида углерода рассмотрены процессы переноса тепла и массы как внутри пористой частицы, так и в газовой фазе над ее поверхностью. Учтен теплообмен излучением частицы со стенками печи. Рассмотрены гетерогенные реакции углерода с парами воды и диоксидом углерода, а также гомогенная реакция оксида углерода с парами воды. Также учтено изменение давления в пористой частице, связанное с увеличением массы газа при протекании гетерогенных реакций. Определены зависимости скорости газификации от состава реакционной смеси, давления, температуры печи, размера частиц и внутренней поверхности пористой частицы углерода.

Изучены и проанализированы параметры и стадии процесса перехода горения в детонацию (ПГД) в аэрозоле изопропилнитрата (ИПН). Наблюдалось формирование самоподдерживающейся детонационной волны, которой свойственны наличие поперечной волны и структура, характерная для спиновых волн. Определены длина области ПГД и размер шага спиральной траектории, по которой движется центр воспламенения в самоподдерживающейся спиновой детонационной волне. В процессе ПГД наблюдалось формирование волны ретонации. Обнаружены и проанализированы два режима распространения комплекса <ударная волна — зона реакций> в аэрозоле ИПН: высокоскоростного горения и самоподдерживающейся детонации. Изучено влияние концентрации аэрозоля на механизм распространения этого комплекса. Определена минимальная и оптимальная для возникновения ПГД концентрация аэрозоля ИПН. Измерены и рассчитаны скорость и избыточное давление самоподдерживающейся детонационной волны в диспергированном в воздухе ИПН.

Переход дефлаграции в детонацию сопровождается сильной волной давления, которая может неблагоприятно воздействовать на близлежащие элементы конструкции. Давление, создаваемое многократным детонационным импульсом, является достаточно сильным, чтобы вызвать поверхностную эрозию металла и скол края конструкции. В работе исследуется разрушительное воздействие детонации и на основе численного моделирования уравнений гидродинамики оценивается структурное повреждение медной форсунки угольного распыла в угольно-кислородной печи. Для совершенствования модели разрушения металлической форсунки при многократном воздействии детонационного импульса привлекаются экспериментальные данные.

Исследуются условия подавления детонации путем введения инертных частиц в реагирующую газовую смесь, по которой распространяется детонационная волна. Определены картина детонационного течения и сценарий его подавления. Рассчитана минимальная длина облака частиц, которое полностью гасит детонационную волну. Исследовано влияние изменения объемной концентрации частиц в облаке на эффективность подавления детонации. Оказалось, что определяющим параметром является не столько масса частиц и градиент их объемной концентрации, сколько длина облака, на котором происходит гашение волны воспламенения/горения, образующейся при распаде детонационной волны. Показано, что для различных конфигураций распределения объемной концентрации частиц в облаке эта длина примерно одинакова.

Приведены результаты экспериментального исследования непрерывной и пульсирующей детонации угольно-воздушной смеси с добавкой водорода в вихревых плоскорадиальных камерах диаметром 204 и 500 мм. Использовался измельченный древесный активированный уголь. Найден способ подачи угольного порошка через узкие каналы путем подмешивания газа на входе в форсунку. В камере диаметром 204 мм впервые реализованы устойчивые режимы непрерывной спиновой детонации с одной или двумя поперечными детонационными волнами со скоростью 1.8÷1.6 км/с. Частота пульсирующей детонации с радиальными волнами составляла 4÷4.8 кГц. В камере диаметром 500~мм расширены пределы непрерывной детонации: реализованы режимы непрерывной спиновой детонации, протекающие с большим количеством поперечных волн (5÷8), движущихся со скоростью 1.8÷ 1.5 км/с, снижено количество подмешиваемого к углю водорода до 2.8%, осуществлено сжигание более крупных частиц топлива благодаря увеличению времени пребывания смеси в камере. В плоскости камеры реконструированы структура волн и течение в их окрестности.

Экспериментально исследовано влияние формы частиц алюминия, плотности образцов, небольших добавок органического горючего (полиметилметакрилата) на возникновение и развитие конвективного горения в насыпных и подпрессованных смесях перхлората аммония с алюминием. Показано, что замена сферических частиц алюминия АСД-4 на чешуйчатые ПАП-2, увеличение плотности смеси выше определенного значения приводят к возрастанию минимальных длин образцов, при которых начинается конвективное горение и регистрируется его переход во взрывной режим. С введением небольших количеств (до 4%) полиметилметакрилата эта длина уменьшается.

Получен аналитический критерий зажигания конденсированного взрывчатого вещества коротким лазерным импульсом с гауссовым распределением энергии по сечению пучка с учетом зависимости коэффициента поглощения от температуры. Зависимость критической плотности энергии зажигания от радиуса пучка обусловлена радиальной составляющей теплоотвода из реакционного объема. Оценки критической плотности энергии лазерного импульса по критерию хорошо согласуются с результатами численного решения уравнения теплопроводности.