Главная – Журналы – Физика горения и взрыва 1968 номер 2

В работе излагаются результаты проверки тепловой модели зажигания пороха, развитой ранее А. А. Ковальским и сотрудниками, на примере нагрева его накаленными проволочками. Такое исследование восполняет представления о протекании зажигания, так как значительно расширяет диапазон наблюдения процесса (по крайней мере, на два порядка по времени), дает возможность исключить из рассмотрения прозрачность пороха и тем самым получить сведения, дополняющие экспериментальный материал, накопленный в опытах со светом. В опытах источником нагрева пороха служили тонкие никелевые проволочки разного диаметра, накаливаемые электрическим током. Исследовалась зависимость теплового импульса зажигания и температуры зажигания пороха Н + сажа от плотности тепловых источников в проводнике. Эксперимент подтвердил тепловую теорию зажигания пороха в конденсированной фазе. Весь материал хорошо согласуется с экспериментальными результатами по зажиганию пороха светом.

В работе исследуется возможность применения тепловой теории воспламенения, предполагающей, что основные процессы, приводящие к зажиганию, имеют место в конденсированной фазе. Переменный тепловой поток к образцу создается за счет теплоотдачи от продуктов горения воспламенителя. В качестве последних используется пироксилин и смесь перхлората аммония с полиэтиленом. Определяемыми параметрами являются давление и температура газа в двух точках камеры и температура поверхности воспламеняемого образца. Экспериментально наблюдаемые задержки зажигания находятся по срыву кривой температуры поверхности. Для точного определения теплового потока к образцу исследуется известный метод «инертного тела», температура поверхности которого записывается тонкими термопарами. Временная зависимость этой температуры аппроксимируется степенным рядом с последующим пересчетом на тепловой поток. В качестве объектов исследования выбраны вещества с известными кинетическими параметрами: пироксилин и поливинилнитрат. По полученному значению q(t) и известным кинетическим параметрам, используя критерий воспламенения, предполагающий, что зажигание имеет место в момент, когда тепловыделение в веществе за счет химической реакции равно потоку извне, определяется время зажигания. Кроме того, время зажигания определяется из решения на ЭВЦМ точной задачи распределения температуры в образце с учетом тепловыделения за счет химической реакции в веществе и граничным условием на поверхности q = q(t). Эти расчетные времена задержек зажигания сравниваются с экспериментально наблюдаемым. Показано, что для всего диапазона полученных задержек зажигания от 0,04 до 1,5 сек эти величины совпадают с точностью до 10%.

В работе предпринята попытка учесть влияние гидродинамических и диффузионных процессов, а также влияние зависимости коэффициентов теплопроводности и диффузии от температуры на характеристики зажигания. Рассматривалась газовая смесь, способная к экзотермической реакции и имеющая полубесконечную протяженность, приводимая в начальный момент времени в соприкосновение с горячей стенкой, температура которой не меняется во времени. Предполагалось, что горючая смесь и продукты реакции являются смесью идеальных газов. В начальный момент времени горючая смесь неподвижна. Соответствующая этой модели нестационарная система уравнений решалась на электронно-вычислительной машине разностным методом. Находилось пространственно-временное распределение переменных и рассчитывались следующие характеристики зажигания: время «прогрева» (промежуток времени, по истечении которого тепловой поток у поверхности обращается в нуль), время задержки зажигания, количество тепла, полученное газовой смесью от нагретой стенки за время прогрева. Влияния диффузии, гидродинамических эффектов и зависимости коэффициентов теплопроводности и диффузии от температуры рассматривались отдельно. При малых степенях выгорания влияние диффузии незначительно. Эффекты гидродинамики и учета температурной зависимости коэффициентов переноса направлены противоположно друг другу. В работе делается вывод, что для невырожденных режимов при расчете времени задержки можно пользоваться простейшей моделью, не учитывающей этих эффектов.

Термохимическими расчетами было показано, что реакция высококалорийных металлов — магния, сплава алюминий — магний и алюминия с органическими веществами общей формулы С_xН_yО_z могут протекать с выделением значительного количества тепла (1500—1900 ккал/кг). Для эксперимента были выбраны: пентаэритрит, полиформальдегид, сахароза, древесная мука, дигидрат щавелевой кислоты и малеиновый ангидрид. В соответствии с расчетами содержание металла в стехиометрических смесях составляло 40—50% (весовых). Все исследованные смеси оказались способными к горению при р = 1 атм. Критический диаметр для различных смесей колеблется в пределах 6—46 мм, массовая скорость горения 0,03—0,23 г/см² · сек. Эти же смеси воспламенялись под возрастающим давлением в манометрической бомбе от навески черного пороха 0,2—4,0 г. По уменьшению воспламеняемости и скорости горения изученные органические вещества располагаются в такой последовательности: дигидрат щавелевой кислоты, малеиновый ангидрид, древесная мука, сахароза, полиформальдегид и пентаэритрит. Даны представления о предполагаемом механизме горения и влиянии физико-химических свойств компонентов смесей на их воспламеняемость и скорость горения.

Рассматривается предпламенный разогрев частицы металла в среде, содержащей кислород. Образующийся в результате химической реакции окисел металла не учитывается. Предполагается, что все процессы тепло- и массообмена частицы со средой протекают квазистационарно в пределах приведенной пленки и что реакция взаимодействия металла с кислородом происходит только на поверхности частицы. Распределения температуры и концентраций паров металла и кислорода вблизи частицы описываются системой дифференциальных уравнений шестого порядка. В уравнения входит еще один неизвестный параметр — скорость испарения паров с поверхности частицы. Поэтому при интегрировании системы используются семь граничных условий. В статье рассчитаны кривые роста температуры частиц магния в кислородо-азотной среде.

Разработан и подробно обоснован метод измерения лучистого потока q от пламени горящего конденсированного вещества микрокалориметрами с малой тепловой инерционностью. Измерены величины д, приходящие от пламени на поверхность моделей стехиометрической смеси перхлората аммония с полиформальдегидом с добавками алюминия разного содержания и дисперсности. Показано, что q увеличивается с ростом давления и содержания алюминия. Предложено объяснение непрерывного роста q с увеличением давления. Сделана оценка излучательной способности 8 горящих частиц алюминия и корунда в пламени излученных составов; при 40 ат ε = 0,13÷0,15. Показано отсутствие влияния лучистого потока на измерения распределений температур у поверхности рассмотренных горящих составов с помощью тонких термопар.

В работе рассматривается модель горения нелетучих конденсированных веществ со свободно расширяющейся зоной реакции в предположении термодинамического равновесия между исходным конденсированным веществом и газообразными продуктами в ней. Для этой модели приводится полная система уравнений горения, состоящая из уравнений сохранения массы, количества движения и энергии и уравнений состояния и кинетики превращения вещества. Из исследования систем вытекает, что существует нижний предел по давлению, ниже которого стационарное решение отсутствует. Выше по давлению имеются два решения: дозвуковое и сверхзвуковое. Показано, что сверхзвуковое решение не осуществляется. В пренебрежении «вязкостными» членами в уравнениях системы приближенное выражение для скорости горения получено аналитически. Однако показано, что наличие вязкости будет оказывать заметное влияние на горение быстрогорящих конденсированных веществ вследствие возрастания давления внутри фронта горения. Высказывается гипотеза о том, что появление пика скорости, наблюдаемого у ряда быстрогорящих веществ вблизи предела затухания, вызвано газодинамическими факторами: ростом давления внутри фронта горения и увеличением доли кинетической энергии продуктов горения.

При горении предварительно перемешанных смесей в проточной системе на границе устойчивости наблюдается проникновение пламени в зону смешения при скоростях истечения, более чем на порядок превышающих скорость проскока при горении в открытом факеле. Особенностью горения на границе устойчивости является возможность возникновения чередующихся воспламенений и погасаний пламени, что приводит к пульсациям давления в камере горения. Специально поставленные опыты показали, что если при таком пульсационном горении давление в камере горения возрастет до величины, превышающей давление в камере смешения (или величина амплитуды пульсации давления станет больше стационарного перепада давлений на сопле), то возникнет обратный ток горячего газа и пламя «забрасывается» в зону смешения. В результате проведенных экспериментов по изучению «забросов» пламени при горении метано-воздушных смесей в проточной системе установлена зависимость амплитуды пульсации давления от свойств горючей смеси, размеров камеры горения и сопротивления системы на выходе газов из камеры горения.

Ацетилено-воздушное предварительно смешанное пламя горело при давлении 20 мм рт. ст. в горелке плоского пламени диаметром 60 мм. Эквивалентное отношение γ =1,0 и 0,73. Температура пламени измерялась платина-платинородиевой (10%Rh) термопарой с диаметром спая 0,006 см. Изменение температуры пламени достигалось за счет изменения скорости подачи горючей смеси. Определены спектральным методом энергии активации образования возбужденных радикалов С₂(5165Å) —35,6 ккал/моль; СН(4315Å) — 41,5 ккал/моль; ОН(3064Å) — 18,6 ккал/моль. Сравниваются полученные результаты с аналогичными результатами других авторов.

В работе экспериментально и теоретически исследуется горение и стабилизация водорода в осесимметричном ламинарном и турбулентном потоке при низких давлениях. В опытах с помощью газового анализа и измерения температур определяется скорость выгорания по длине водородо-кислородного атомарного пламени и пределы срыва при разных способах стабилизации в турбулентном потоке. При Re = 3500—15000 обнаружена корреляция между пределами срыва и полнотой сгорания на малом расстоянии от стабилизатора, где вкладом турбулентного обмена можно пренебречь. Это позволило, используя известный механизм окисления водорода, произвести расчеты полноты сгорания и пределов стабилизации на электронно-вычислительной машине, результаты которых находятся в удовлетворительном соответствии с опытными данными.

Экспериментально исследована возможность прохождения пламени разложения ацетилена через систему упорядоченно расположенных и смоченных водой колец, диаметр которых больше критического. Сравнение экспериментальных данных, полученных при гашении пламени разложения ацетилена при его прохождении через сухие и смоченные жидкостью кольца, показало, что в последнем случае критический диаметр сильно возрастает. Увеличение критического диаметра при смачивании объяснено возрастанием тепловых потерь за счет нагревания и испарения в зоне химической реакции капель жидкости, срываемой газовым потоком за волной сжатия.

В статье рассматривается вопрос о детонационной способности смесей на основе перхлората аммония с инертными горючими: полиметилметакрилатом и полистиролом. Исследуется влияние соотношения компонентов, размера частиц перхлората аммония и горючего и пористости на детонационную способность смесей. Показано, что зависимость критического диаметра от соотношения компонентов смеси имеет минимум, местоположение которого зависит от размера частиц компонентов, природы горючего и слабо зависит от пористости. Установлено, что незначительная добавка (1,5—2%) мелкоизмельченного горючего в чистый перхлорат аммония существенно снижает величину критического диаметра. При детонации в критических условиях наблюдается значительное недореагирование, которое возрастает при увеличении размера частиц компонентов смеси.

Обнаружена аномальная ударная сжимаемость пористых образцов стекла, мрамора и окиси магния, которая заключается в том, что в отдельных местах р—v-диаграмм ударные адиабаты с увеличением начальной пористости опускаются вниз по давлению. В частности, ударные адиабаты одного вещества для разной начальной пористости пересекаются между собою. Показано, что в случае окиси магния и мрамора за ударным фронтом не достигается состояния термодинамического равновесия. Сделан вывод о том, что наблюдаемую выше аномалию нельзя объяснить неравновесностью ударных адиабат и, следовательно, на равновесном уравнении состояния исследованных веществ имеется область отрицательных значений коэффициента Грюнайзена.

Рассматривается решение динамической задачи о нагружении сферической полости в безграничной упругой среде внутренним давлением. Приводятся теоретические графики радиальных и тангенциальных напряжений и деформаций, смещений и скоростей смещений. В массивах горных пород, сложенных гранитом и алевролитом, проведены замеры параметров волн напряжений при взрыве зарядов взрывчатого вещества весом 1 кг. Отмечается близкое совпадение формы теоретических и экспериментально наблюдавшихся волн напряжений.

Попытка качественно описать процесс деформирования трубы при взрывном нагружении для сварки взрывом вызвана необходимостью определения основных параметров, характеризующих качество сварки. В качестве основной физической модели принята одномерная схема истечения продуктов взрыва. Идеализация газодинамической картины разлета продуктов ВВ реального процесса вызвана тем, что в математическом отношении решение задачи в целом весьма затруднено. На основании решения о распределении давления по длине трубы получены значения скорости радиального перемещения стенок трубы как функции времени и расстояния от места инициирования заряда ВВ. Получены выражения по определению перемещения и уравнение движения стенки трубы, скорости перемещения u, скорости точки контакта u_k и угла накатывания γ. На основании приведенного анализа показано, что с ростом длины трубы значения u, u_k и tgγ стремятся к постоянным величинам, т. е. процесс радиального перемещения трубы является практически установившимся.

Скоростное фотографирование воспламенения, гашения, появления светимости диффузионных пламен позволило получить некоторые новые результаты, характеризующие формирование зон образования сажи в пламенах. Путем скоростной съемки быстрых последовательных рассечений пламен измерены линейные скорости газа в пламени. Показано, что для большинства пламен, верхняя часть которых управляется законами диффузионной модели, скорости газа в пламени равны скоростям исходных топливных смесей в горелке.

Изучалось разложение взрывчатых растворов в ударной волне. Показано, что в растворах на основе нитрометана, а также в растворе тетранитрометана с четыреххлористым углеродом скорость разложения определяется мономолекулярным распадом взрывчатой компоненты. Скорость разложения растворов тетранитрометана с бензолом, толуолом и нитрометаном определяется взаимодействием молекул тетранитрометана и углеводородов, приведены некоторые факты в пользу предположения, что это взаимодействие зависит от подвижности атома водорода в молекуле горючего.

Изучались возможности сохранения монокристаллических образцов галита (NaCI) в «плоском» и «цилиндрическом» вариантах ударного сжатия с зарядами насыпного гексагена 100,200 и 300 г. Показано, что для ударно обжатых кристаллов имеет место увеличение микротвердости в 1,5—2 раза и плотности дислокаций на несколько порядков. Монокристалличность образцов, подвергнутых динамическому воздействию, подтверждалась, во-первых, при съемке лауэграмм и, во-вторых, металлографическими и визуальными исследованиями.