Главная – Журналы – Физика горения и взрыва 1968 номер 3

Изучено влияние содержания алюминия и дисперсности его частиц на зависимость скорости горения стехиометрической смеси перхлората аммония с полиформальдегидом от давления. С помощью метода тонких термопар измерено распределение температур при горении; показано, что температура поверхности горящей смеси увеличивается с ростом давления и не изменяется при введении алюминия; градиент температуры в газовой фазе у поверхности и, следовательно, поток тепла теплопроводностью увеличиваются с ростом давления и с увеличением скорости горения. С помощью микрокалориметров измерены плотности лучистых потоков, идущих от пламени горящей смеси в к-фазу и при расчете баланса тепла они приняты во внимание. Установлено, что тепловыделение в к-фазе падает при введении алюминия. Количество тепла, подводимое в к-фазу теплопроводностью и излучением от пламени, не превышает 50% общего количества тепла, приходящегося на грамм к-фазы.

На автоматических термовесах и по газовыделению изучена кинетика термического распада перхлората аммония при температурах 320—453°С. Показано, что реакция термического распада протекает в две стадии: сначала относительно быстро разлагается часть вещества, а затем остаток распадается с гораздо меньшей скоростью. Кинетические параметры реакции в обоих случаях сохраняются в широком диапазоне температур, однако выше 300°С глубина распада перхлората аммония в первой стадии падает с 30 до 5—10%. Экспериментально изучен процесс линейного пиролиза перхлората аммония. В зависимости от температуры поверхности вещества процесс идет в двух качественно различных режимах. При температурах T₀ < 500÷550°С осуществляется стационарное беспламенное линейное разложение. Кинетические константы, определенные из экспериментов по линейному пиролизу, в этом режиме (E = 30200 кал/моль, k₀ = 5,9 · 10⁶ сек^-1) соответствуют данным, полученным в изотермических условиях для медленной стадии. При температурах T₀ > 500÷550°С реализуется режим быстрой газификации перхлората аммония, сопровождающейся горением продуктов пиролиза. Обнаружено каталитическое влияние некоторых металлов на линейный пиролиз перхлората аммония.

При горении небронированных образчиков перхлората аммония в области давлений 160—500 ат наблюдаются некоторые аномалии: скорость горения сначала падает с ростом давления до 250 ат, далее она от него не зависит, а само горение имеет пульсирующий характер. Падение скорости горения с ростом давления наблюдалось также в интервале 500—850 ат при горении аммиачной селитры, катализированной окисью хрома. Рассмотрение возможных путей замедления химических реакций при горении этих солей показало, что одним из них может быть замедление горения образующейся водой. В работе изучено влияние добавок окиси кремния, силиконовой жидкости, стеарата кальция и др. на горение перхлората аммония и его смесей, а также на горение нитрата аммония с окисью хрома с целью выяснения причин указанных выше аномалий. Показано, что в определенном диапазоне давлений добавление окиси кремния устраняет наблюдающиеся аномалии (падение скорости горения с давлением и пульсирующий характер его), в то время как добавление стеарата кальция усугубляет их. Отмечено, что одна и та же добавка в зависимости от интервала давлений и условий, в которых горение протекает, может играть роль инертной, катализатора или ингибитора горения, что связано, по-видимому, с изменением ведущих реакций в различных интервалах давления.

Рассмотрен вопрос о горении и воспламенении одиночных частиц мелкодисперсного алюминия в условиях высокотемпературного газового потока. Получены экспериментальные данные по влиянию на время воспламенения и горения алюминия температуры и состава газовой среды, давления и размера частиц. На основании этих результатов получена эмпирическая формула для расчета времени горения частиц алюминия в зависимости от диаметра частиц и окисляющих свойств среды. Формула дает хорошее согласие с экспериментом.

Для изучения механизма действия добавки V₂O₅ на скорость горения составов с окислителем NH₄ClO₄ и металлическими горючими было проведено измерение скоростей горения составов NH₄ClO₄ + Fe, NH₄ClO₄ + Zn, N NH₄ClO₄ + Cd и скоростей горения этих же составов с добавкой 1% V₂O₅ в интервале давлений 1—120 кг/см². Опыты проводились в бомбе. Давление создавалось азотом. Размер частиц алюминия был ≤ 1μ, железа, цинка, кадмия < 50Х и перхлората аммония 50—100μ. Скорость горения измерялась с помощью фоторегистра. В результате проведенного исследования показано, что добавка V₂O₅ действует на окисную пленку тех металлов, для которых критерий Пиллинга — Бэдворса а несильно превышает единицу. Введение в состав NH₄ClO₄+Cd добавки V₂O₅ в количестве 1% увеличивает скорость горения этого состава. Добавка V₂O₅ не действует на окисную пленку металлов, для которых а значительно превышает единицу. Введение в составы NH₄ClO₄ + Fe и NH₄ClO₄ + Zn добавки V₂O₅ в количестве 1% не увеличивает скорости горения этих составов. Чтобы выяснить, каким образом происходит взаимодействие пятиокиси ванадия с окисной пленкой металлов и почему даже незначительные количества пятиокиси ванадия могут оказывать заметное влияние на скорость горения составов, был приготовлен чистый алюминий и алюминий с добавкой 0,5% V₂O₅. Больший процент V₂O₅ в алюминий ввести не удалось. Из этих сортов алюминия была изготовлена проволока диаметром 0,3 мм и получены на ней окисные пленки в пламени вольтовой дуги. Структура окисных пленок алюминия изучалась под микроскопом (увеличение в 6 раз). Действие пятиокиси (ванадия на окисную пленку металлов (проявляется на поверхности раздела «металл—окисел», где образуются ванадаты Al(VO₃)₃, Cd(VO₃)₂), разлагаясь, они выделяют V₂O₅, которая вновь воздействует на металл. Происходящее при этом соответствующее изменение объема вызывает образование пористой, плохо связанной с металлом, пленки. Для увеличения скорости горения составов на основе перхлората аммония и горючих, для которых а немного превышает единицу, достаточно введения очень небольших количеств пятиокиси ванадия (от 0,5 до 2%), так как последняя в процессе реакции регенерируется.

Рассматривается разогрев металлической частицы в среде, содержащей кислород. Образующийся в результате реакции окисел металла не учитывается. Полагается, что процессы тепло- и массообмена частицы со средой протекают квазистационарно внутри приведенной пленки, что гомогенная «и гетерогенная реакции имеют первый порядок по кислороду и подчиняются температурной зависимости Аррениуса. Кроме того, реакция в паровой фазе имеет первый порядок по парам металла, а реакция на поверхности — нулевой. Распределения температуры и концентраций паров металла и кислорода вблизи частицы описываются системой дифференциальных уравнений шестого порядка. На ЭВМ «Урал-2» рассчитаны температурные кривые разогрева и скорости испарения магниевых частиц в кислородазотной среде. Для частиц, которым обеспечены условия воспламенения, обязателен переход с режима испарения в инертную среду на режим диффузионного горения. Такой переход можно наблюдать и по изменению со временем распределения температуры в приведенной пленке. Если же условия воспламенения частицы не обеспечены (температура среды ниже предельной), то упомянутого выше перехода в расчетах не наблюдается. За момент воспламенения металлической частицы был принят момент выхода ее на режим диффузионного горения. Исходя из такого признака воспламенения были рассчитаны времена индукции магниевых частиц в кислородазотной среде в зависимости от размера частицы, температуры среды и от содержания кислорода в среде.

Рассматривается один из предельных режимов (самовоспламенение) протекания процесса в газовой фазе при горении конденсированных взрывчатых веществ на примере пороха Н и прессованной пироксилиновой массы. При горении пироксилина под давлением азота 30 и 40 ати оптическим методом измерено распределение температуры в газовой фазе и скорость горения в диапазоне начальных температур от —60° до +150° С. По предложенному методу определены эффективные кинетические константы (энергия активации и предэкспонент) для реакций в газовой фазе при горении пироксилина и пороха Н в исследуемом режиме. Обнаружено увеличение роли газофазных реакций при горении в области отрицательных начальных температур. Делается вывод о сохранении режима самовоспламенения в рассмотренном диапазоне давления и начальных температур, а также об отсутствии резкой границы с другим предельным газофазным режимом — режимом горения.

При атмосферном давлении изучалась зависимость скорости горения (u) от диаметра заряда (d) для жидких метилнитрата (I) и нитрогликоля (II) и порошкообразных тетрила (III), гексогена (IV) и октогена (V) в цилиндрических кварцевых трубках, погруженных в воду. Для I и II и растет при увеличении it>d в соответствии с выводами теории горения газов Я. Б. Зельдовича. Скорость горения I в критических условиях в 1,5 раза ниже, чем в адиабатических (u_oб). При горении I и II в стеклянных трубках на воздухе и уменьшается ори увеличении а. Величина 0,045 г/см² · сек, обычно принимаемая в качестве u_oб для II при атмосферном давлении и комнатной температуре, выше истинной величины u_oб на 20—30%. III, IV, и V не обнаруживают сколько-нибудь заметного влияния а на и. По мнению авторов, это происходит потому, что по поверхности порошка под действием сил поверхностного натяжения интенсивно движется слой расплава, турбулизующий горение и приводящий к затуханию задолго до достижения теоретического значения критического диаметра.

Теплеровским скоростным кинематографированием исследовалась устойчивость нормального пламени в пропано-воздушной смеси в камере малого объема при начальных давлениях от 1 до 9 ата. Одновременно регистрировалось давление. Получено значение числа Рейнольдса пламени, при котором начинается неустойчивость порядка 10³. Число Рейнольдса пламени, в котором за характерный размер принят поперечный размер ячеек, оказалось порядка (1—4) · 10², что приблизительно согласуется с теорией, учитывающей вязкость. По мере распространения фронта пламени в условиях повышающегося давления в камере средний размер ячеек пламени, возникших в результате неустойчивости, уменьшается так, что число Рейнольдса, в котором за характерный размер принят размер ячейки, сохраняется приблизительно постоянным. При появлении неустойчивости в сферическом пламени критерий К, равный отношению времени движения возмущения по продуктам сгорания к характерному времени нормального пламени, переходит через единицу.

Для случая развитого турбулентного потока пламя гомогенной смеси можно описать одним критерием (для данной геометрической системы), в который входит характерное время горения, представляющее величину, пропорциональную отношению коэффициента температуропроводности к квадрату нормальной скорости распространения пламени. В статье приводится описание экспериментальной установки и методики определения характерных времен горения топливо-воздушных смесей. Приведены результаты измерений и составлены таблицы для пяти топлив (метана, технических пропана и окиси углерода, водорода и бензина Б-70) при атмосферном давлении в диапазоне температур от 20 до 300° С и изменении коэффициента избытка воздуха от 0,65 до 1,70.

В статье излагаются результаты экспериментальных исследований влияния различных параметров потока (давления, температуры, концентрации кислорода) на условия срыва пламени с капель топлива, движущихся со средней скоростью потока. Показано, что при постоянных значениях указанных выше параметров и размера капель условия срыва определяются значениями пульсационных скоростей. На основании обобщения экспериментальных данных удалось получить зависимость, определяющую возможность горения вокруг капли в турбулентном потоке, по форме аналогичную зависимости Сполдинга для условия срыва пламени со сферы в ламинарном потоке u_rρ/L < Km_r. Установлено, что значение коэффициента К в сильной степени зависит от концентрации кислорода и растет с ростом концентрации последнего. Полученные результаты качественно согласуются с выводами диффузионной теории горения капли.

Определение энергии активации Е образования возбужденных радикалов С₂, СН, ОН и CN в ацетилено-воздушном пламени при атмосферном давлении производилось с использованием формулы 0,4343 Е lg I_абс = К — 0,433 Е /RT где I_абс — абсолютная интенсивность испускания; К — постоянная; T — температура пламени; R — универсальная газовая постоянная. Испускание полос С₂, СН, ОН и CN регистрировалось фотографическим методом с помощью спектрографа ИСП-28. Интенсивность моду акания полос (кроме полосы ОН) приводилась в соответствие абсолютной интенсивности испускания стандартного источника света — лампы с вольфрамовой полоской с известным распределением энергии испускания в спектре. Температура пламени измерялась методом обращения линии Na. На зону реакции пламени также накладывался высокочастотный разряд. Получены следующие значения энергии активации образования возбужденных радикалов в невозмущенном пламени: С₂ при 5165Å — 34,75 ккал/моль, СН при 4315Å — 37,6 ккал/моль, ОН при 3064Å — 19 ккал/моль и в пламени, усиленном высокочастотным разрядом: С₂ — 36,8 ккал/моль, СН — 31,8 ккал/моль, ОН — 19,8 ккал/моль, CN при 4216Å — 23,5 ккал/моль. Показано, что возмущение пламени высокочастотным разрядом не должно вызывать изменения энергии активации образования возбужденных радикалов С₂ и ОН и должно несколько уменьшать ее значение для радикала СН, что и соответствует результатам опытов. Проведено сопоставление энергии активации образования возбужденных радикалов с энергией активации процесса ценообразования в зоне реакции пламени. Близость значения энергии активации образования возбужденного радикала СН со значением энергии активации ионообразования в зоне реакции ацетилено-воздушного пламени служит указанием на то, что возбужденный радикал СН принимает непосредственное участие в реакции первичного образования ионов в реакционной зоне углеводородного пламени.

Проведены спектроскопические измерения констант распада нитрометана и метилнитрита в падающих и отраженных ударных волнах в температурном интервале 1000—1400° К. По поглощению света в ультрафиолетовой и видимой областях спектра измерялись концентрации исходного вещества и продуктов распада. Опытные данные интерпретируются в пользу возможности внутримолекулярной перегруппировки нитрометана в метилнитрит перед распадом.

Предложен метод расчета параметров одномерной нестационарной волны сжатия, а также детонационной волны, инициируемой плоской ударной волной в заряде ВВ при плавном (вырожденном) характере развития взрыва, основанный на использовании экспериментального материала, полученного электромагнитным методом. Рассчитаны параметры (давление и удельный объем) для стекла и плавленого кварца. Построены фазовые траектории. По характеру фазовых траекторий можно судить о наличии области пластических течений и об эндотермическом характере следующих за ними фазовых переходов.

Описан метод сохранения образцов пористых ВВ после ударного нагружения до 1,5—2,0 тыс. атм. Приведены результаты гранулометрического анализа сохраненных образцов. Описана структура отмеченных очагов разложения. Сведения о степени возможного изменения исходной структуры пористого ВВ и механизме образования очагов реакции имеют прямое отношение к вопросу о механизме детонационного превращения.

Рассматривается сферически симметричное движение песчаного грунта при электровзрыве в условиях камуфлета. С помощью индукционной методики получено распределение массовой скорости по пространству и ее изменение во времени. Результаты сравниваются с аналогичными результатами по взрыву ВВ. Показано, что качественно движение грунта при электровзрыве и движение при взрыве ВВ не отличаются, что делает электровзрыв удобным источником для исследования взрывных волн. Полностью совместить картины движения при электровзрыве и взрыве ВВ путем введения постоянного тротилового эквивалента не удалось ввиду отсутствия между ними энергетического подобия. Однако, если удовлетвориться точностью не ниже 35% в величине массовой скорости, то картины движения совмещаются при введении тротилового эквивалента электровзрыва, равного 0,3.

Рассматривается изотропное упругое однородное полупространство, на дневной поверхности которого имеется насыпь — однородный слой мелких частиц. От точечного источника к поверхности приходит волна сжатия заданной формы. Считаем, что частицы насыпи имеют скорости, равные скоростям точек дневной поверхности до тех пор, пока напряжение σ_zz на поверхности не станет равным нулю. После этого частицы отрываются от поверхности упругого полупространства и движутся под действием силы тяжести, не взаимодействуя между собой. Определена дальность и высота полета частиц насыпи, картина развития купола из слоя частиц, картина образования воронки. Рассмотренная задача может служить простой моделью разрушения верхнего непрочного слоя грунта при подземном взрыве на выброс.

Работа посвящена получению вещества, подвергнутого ударному сжатию, свободного от загрязнений материалом ампулы. Выяснено, что наиболее эффективными средствами защиты вещества от загрязнений в процессе взрыва являются торцовые и всесторонние прокладки из молибдена, тантала и вольфрама.

В статье приведен материал по экспериментальному изучению влияния теплопроводящих стенок на гидродинамическую устойчивость жидких ВВ. При низком давлении наблюдается конвективное горение жидкого ВВ с повышенной скоростью. При достижении некоторого критического давления происходит переход конвективного горения на турбулентный режим, причем критическая скорость сгорания вещества превосходит в несколько раз критическую скорость горения жидкого ВВ в сосуде без теплопроводящих стенок (неустойчивость по Ландау), а критическое давление не изменяется. В наших опытах со стехиометрической смесью бензола с тетранитрометаном критическое давление равнялось 4,5 атм, а отношение критических скоростей — 5—7. На пороге устойчивости наблюдается пульсирующее горение жидкого ВВ. В статье приводится объяснение этого явления.