Главная – Журналы – Физика горения и взрыва 2011 номер 5

Проведено математическое моделирование каталитического мембранного реактора для термодинамически сопряженных процессов на примере эндотермического процесса дегидрирования пропана и экзотермического процесса горения (окисления) водорода. Теоретически показано преимущество использования мембранного реактора для увеличения выхода целевых продуктов за счет смещения равновесия. Исследовано влияние реакции горения водорода на основные характеристики эндотермического процесса дегидрирования. Реакция горения водорода позволяет дополнительно увеличить конверсию пропана и компенсировать энергетические затраты на проведение эндотермического процесса дегидрирования.

Принимая состояние в химпике детонационной волны в качестве исходного состояния для дефлаграционного горения за ударным фронтом волны, можно получить зависимость скорости горения от исходных параметров смеси. Установлено, что основное влияние на скорость горения оказывает начальная температура, зависимость от давления весьма слабая. Приведены расчетные данные для ряда смесей в диапазоне давлений 0.001÷100 атм и температур 200÷1800 К.

На основе диффузионно-кинетической модели рассмотрено горение частицы углерода в воздухе. Показано существование двух режимов горения: высокоскоростного и низкоскоростного. При высокоскоростном режиме горения кислород полностью потребляется в гомогенной реакции над поверхностью частицы и не достигает частицы, при этом потребление углерода осуществляется за счет реакции с диоксидом углерода. При низкоскоростном режиме горения кислород достигает поверхности частицы и реакция углерода с кислородом с образованием диоксида углерода происходит внутри пористой структуры частицы.

Представлена простая кондуктивная модель ламинарного пламени в мелкодисперсных пылях, частицы которых горят в диффузионном режиме. В основу модели положено предположение о широких зонах горения в пылях, так что основной вклад в формирование теплового потока в предпламенную зону вносит тепло, выделяющееся на горящих частицах вблизи границы зоны горения и предпламенной зоны. Показано, что нормальная скорость пламени возрастает с уменьшением размера частиц и увеличением концентрации горючего и окислителя. Максимальные скорости достигаются при условии равенства объемных теплоемкостей твердой и газовой фаз, что соответствует концентрации горючего, в несколько раз превышающей ее стехиометрическое значение. Результаты расчетов подтверждены экспериментальными данными по зависимости нормальной скорости пламени от концентрации горючего для газовзвесей магния, алюминия, циркония, железа и бора.

Показано влияние диаметра и высоты реакционного объема на горение смесей CrO₃/Cr₂O₃/C/Al и CrO₃/Cr₂O₃/B₂O₃/Al. Определены пределы гравитационной сепарации по высоте и диаметру металлической и оксидной фаз в расплаве продуктов горения. Для объяснения полученных результатов предложена качественная модель процесса, в которой жидкофазное состояние среды во фронте и за фронтом горения определяет особенности процессов, протекающих в изученных системах.

Метод гомотопического анализа использован для определения профилей концентрации и скорости частиц при распространении пламени по двухфазной среде, состоящей из пылевидных микрочастиц железа и воздуха. Показано, что концентрация частиц возрастает при приближении к ведущему фронту горения. Рост концентрации частиц над зоной горения оказывает заметное влияние на нижний предел воспламенения пылевидного облака горючей смеси. Полученные результаты находятся в хорошем согласии с опубликованными экспериментальными данными.

На основе статистического подхода исследовано влияние случайного поля температуры среды на границы тепловой устойчивости частицы с химической экзотермической реакцией. Флуктуации температуры среды моделируются пространственно-однородным статистически-стационарным случайным процессом Гаусса с конечным временем затухания автокорреляционной функции. Методом функционального дифференцирования получено замкнутое уравнение для плотности вероятности температуры частицы. С использованием обратного уравнения Колмогорова для плотности вероятности перехода исследован стохастический дрейф в пространстве температур, приводящий частицу к достижению критической температуры начала теплового взрыва. На основе численного решения уравнения для плотности вероятности температуры частицы показано, что стационарное распределение вероятности имеет бимодальную структуру. Исследовано влияние времени тепловой релаксации частицы и временного интегрального масштаба флуктуаций температуры среды на процесс потери тепловой устойчивости частицы с объемным тепловыделением.

Выполнен анализ работ, опубликованных в российских журналах в 2008&ndash:2010 гг. и посвященных установлению механизма горения октогена. Высказаны предположения о причинах расхождения трактовок экспериментальных и теоретических результатов. На основании проведенного анализа сделан вывод, что наиболее обоснованным представляется механизм горения октогена, в котором ведущая роль в широком интервале давлений отводится реакции разложения в расплаве при температуре поверхности.

Построена математическая модель неизотермического синтеза прекурсоров в смеси двух реагентов при механической обработке в мельницах. Модель учитывает измельчение и агломерацию частиц, формирование межфазной реакционной поверхности, кинетику химического превращения, изменение

Развивается подход к управлению процессами горения газов, включая переход дефлаграции в детонацию на основе использования систем с сопротивлением—пористых сред, периодических препятствий, шероховатых труб и др. При горении газов в этих системах возможны разнообразные физико-химические взаимодействия горения с ними: межфазный теплообмен, включая срыв горения, гашение пламени в наиболее быстрых пульсациях (струях), турбулизация смеси, генерация волн давления в зоне пламени, образование "горячих очагов" и др. В результате этих взаимодействий в системах с сопротивлением реализуется ряд стационарных режимов с равномерной скоростью распространения тепловых волн—режимы низких, высоких и звуковых скоростей, низкоскоростная детонация, нормальная детонация с потерями тепла и импульса. В качестве примеров систем с сопротивлением рассмотрены системы с пористыми средами и периодическими препятствиями. Показано, что при учете эффектов чисел Льюиса стационарные скорости в режиме высоких скоростей для систем CH₄/воздух, C₃H₈/воздух, H₂/воздух в широких диапазонах параметров объединяются в координатах (Re–Pe) в виде единой зависимости Re = 6&mdot:10^-4Pe³ для систем с пористыми средами. Стационарные скорости в режиме звуковых скоростей для систем C₃H₈/воздух, H₂/воздух объединяются в тех же координатах в виде единой зависимости Re = 120Pe^4/3 для систем с пористыми средами и периодическими препятствиями. Аналитически найдено условие генерации давления в зоне пламени режима звуковых скоростей. Обсуждаются проблемы, возникающие при практической реализации подхода управления высокоскоростными процессами горения в системах с сопротивлением.

Формирование ячеистой детонации в полидисперсных взвесях мелких частиц алюминия в кислороде исследуется методами численного моделирования. Анализируется влияние распределения частиц по размерам на характер и масштаб ячеистых структур. Переход плоской детонации в ячеистую моделируется двумя способами: путем развития малых возмущений на фронте и при прохождении детонационного фронта через разрыв сечения канала. Характер ячеистых структур не зависит от способа формирования и имеет признаки вырождения в полидисперсных смесях. С увеличением разброса в размерах частиц ячеистая детонация приближается к плоской. В смесях со значительной дисперсией размеров частиц происходит устойчивое распространение плоской волны детонации. Критическая доля доминирующей фракции для реализации полного вырождения в трех- и пятифракционных взвесях одинакова.

Численно и приближенно-аналитически исследованы динамика прогрева и параметры теплового зажигания прозрачного конденсированного вещества импульсом излучения, поглощаемого находящимися в веществе оптическими микронеоднородностями, в широком диапазоне длительностей импульса. Для квазистационарного режима нагрева микронеоднородностей получена аналитическая зависимость критической для зажигания плотности мощности излучения от формально-кинетических параметров химического процесса и радиуса поглощающей излучение частицы. Проведено сравнение полученных критических энергетических характеристик зажигания с экспериментальными данными по порогам инициирования азида свинца лазерными импульсами различной длительности.

Исследовано поведение азидов серебра и свинца (пластинчатые и нитевидные кристаллы, прессованные порошки) при инициировании взрывного разложения под действием импульса лазерного излучения. Измерены энергетические пороги инициирования при облучении на длинах волн 1064, 532, 354.7 и 266 нм, соответствующих четырем гармоникам лазерного излучения. Облучение проводилось в условиях, когда поверхность образцов была открытой либо прикрыта прозрачным диэлектриком (кварцевая пластина) с усилием прижатия до 5&mdot:10⁸ Н/м². В области прозрачности матрицы азидов тяжелых металлов (первая и вторая гармоники излучения) прикрытие поверхности не оказывало большого влияния на энергетический порог инициирования, тогда как в области собственного поглощения (четвертая гармоника) обнаружена сильная зависимость порога инициирования от условий воздействия на поверхность (открыта/закрыта). Результаты обсуждаются с позиции влияния прозрачной подложки на газодинамическую разгрузку теплового очага, который в области собственного поглощения формируется при поглощении лазерного излучения в тонком приповерхностном слое.

Проведены экспериментальные исследования параметров детонации в монокристаллах тэна и октогена. Зарегистрированы параметры состояния

Экспериментально исследована структура меди после высокоскоростного нагружения до давления 20÷80 ГПа со скоростью деформирования 10⁵÷10⁹с^-1. Выше значений 20 ГПа и 10⁶ с^-1 деформационные двойники группируются в пакеты, которые в оптическом микроскопе видны как параллельные полосы локализованной деформации внутри отдельных зерен. Количество полос в структуре растет с увеличением размера зерна, скорости деформирования, с понижением температуры образца и увеличением времени нагрузки вещества. Характерное время формирования двойниковых полос в меди оценивается в 0.3 мкс.