Главная – Журналы – Физика горения и взрыва 2014 номер 2

Получена аналитическая зависимость в критериальном виде для длины отрыва диффузионного пламени при истечении топливной струи в атмосферу. Зависимость позволяет определять предельные значения параметров, при которых происходит срыв, более детально описать изменение длины отрыва на предсрывных режимах и хорошо коррелирует с ранними обобщениями экспериментальных данных. Выполненные эксперименты с горением пропан-бутана и природного газа подтверждают корректность предлагаемой формы аналитического обобщения, демонстрируют заметное влияние внешней формы газового сопла на параметры отрыва, свидетельствуют о медленном по сравнению с характерным временем горения развитии процесса срыва турбулентного диффузионного пламени.

Разработан скелетный механизм ингибирования и гашения метановоздушных пламен добавкой триметилфосфата. В него входят механизм окисления метана, состоящий из 19 элементарных стадий с участием 15 компонентов (включая N₂), и 4 элементарные реакции с участием 3 фосфорсодержащих соединений (PO₂, HOPO, HOPO₂). Разработанный скелетный механизм удовлетворительно предсказывает скорость распространения пламен с добавкой ингибитора в диапазоне коэффициента избытка горючего 0.7÷1.4 и может применяться при моделировании гашения пожаров.

Представлены дополнительные данные о параметрах детонации монотопливных компонентов, обладающих положительным энерговыделением при разложении. Такие вещества, будучи добавлены в горючую смесь, могут обеспечить развитие неустойчивостей непосредственно на головном фронте детонационной волны. При этом энерговыделение смеси становится двухстадийным. Как основная, так и бифуркационная структуры возникают скачкообразно (спонтанно), что слабо согласуется с гипотезой о постепенном усилении слабых возмущений, принятой при численном моделировании ячеистых структур.

Приведены результаты сравнительного анализа способов имитации воздушного потока, соответствующего заданным условиям полета, при входе в высокоскоростной воздушно-реактивный двигатель на испытательных стендах с огневым подогревом рабочего тела. Установлены условия адекватности сравниваемых способов нагрева по полученным значениям тяги двигателя.

Проведены эксперименты по сжиганию в пористой горелке разбавленного сжиженного нефтяного газа, предварительно перемешанного с воздухом. Установлено, что смеси с низкой теплотой горения способны к устойчивому горению в пористой горелке. Измерены распределения концентраций компонентов и температуры пламени. По результатам этих измерений найдено, что наилучшая устойчивость горения наблюдается при значении эквивалентного отношения 0.8. Для улучшения параметров горелки проведены эксперименты с разными характеристиками пористой среды. Численные расчеты подтвердили полученные оптимальные свойства среды. Показано, что при горении в пористой среде можно достичь лучших параметров по сравнению со "свободным" пламенем.

Изучено горение смесей узкой фракции частиц перхлората аммония (ПХА) с углеводородными связующими и катализаторами горения диэтилферроценом и 1,1'-бис(диметилоктилоксисилил)ферроценом, а также с наноразмерным Fe₂O₃. Показано, что эффективность ферроценовых соединений в увеличении скорости горения зависит от соотношения окислитель/горючее в топливе и от местоположения ведущей реакции горения. В композициях с высоким коэффициентом избытка окислителя, горение которых подчиняется газофазной модели, катализаторы проявляют слабую эффективность. В системах с низким коэффициентом избытка окислителя, в которых вклад к-фазных реакций в скорость горения системы значителен, эффективность катализаторов заметно выше и напрямую связана с возможностью образования при горении сажистого каркаса. Близость каталитической активности ферроценов и Fe₂O₃ при их небольшом содержании в таких составах свидетельствует о том, что основной вклад в увеличение скорости горения топлив вносит Fe₂O₃, образующийся при быстром окислении ферроцена на поверхности ПХА и накапливающийся на сажистом каркасе. Проведены термопарные исследования топлив с низким кислородным коэффициентом и показано, что температура их поверхности определяется испарением пластификатора. Предложена феноменологическая модель горения исследуемых топлив.

Рассмотрены теоретическое обоснование и практические способы повышения точности измерения скорости горения энергетических конденсированных систем СВЧ-методом. Проанализированы факторы, снижающие точность измерения, в частности краевые эффекты, незапредельность волновода, изменение эффективного диаметра волновода вследствие неполного выгорания бронирующего состава, уровень внутрикамерного давления, искривление поверхности горения (шероховатость). Определены составляющие, рассчитана систематическая погрешность измерения и предложен метод численной коррекции с целью ее уменьшения до 4.5 %.

Представлены оптические методы, использующие ИК- и видимый (VIS) диапазоны для исследования распространения зоны горения твердых горючих материалов, таких как пиротехнические составы, помещенные в пиролитические графитовые (пирографитовые) трубки и инициируемые с одного конца пучком CO₂-лазера. Пирографитовая трубка используется в качестве теплового управляющего передатчика, который дает возможность детектировать перемещение зоны горения благодаря уникальной анизотропии теплопроводности пирографита, приводящей к низкой теплопроводности трубки вдоль ее оси и высокой теплопроводности вдоль ее радиуса. В первом методе тепловая (ИК) камера применялась для детектирования движения тепловой зоны, индуцируемой на внешней поверхности пирографитовой трубки зоной горения, распространяющейся внутри трубки. Во втором методе VIS-камера и термохромный слой, покрывающий наружную боковую поверхность пирографитовой трубки, используются для визуализации перемещения тепловой зоны, которое регистрируется в виде границы изменения цвета, перемещающейся вдоль термохромного слоя. Изменение цвета вызвано откликом термохромного вещества в слое на воздействие тепла, поступающего из горячей зоны. В качестве термохромного вещества использовались лейкокрасители или хиральные нематические жидкие кристаллы. Рассмотренные методы представляются перспективными, в частности, для непрерывного измерения скорости горения твердых горючих материалов, таких как ракетное топливо и пиротехнические соединения.

Проведено численное исследование взаимодействия гетерогенной ячеистой детонации, распространяющейся в плоском канале, с облаком инертных частиц. Показано, что влияние инертных частиц приводит к изменению детонационной структуры волны и ее скорости.

Описан способ получения наноразмерного диоксида титана посредством газовой детонации с использованием этанола, водорода и кислорода в качестве исходных компонентов взрыва и тетрахлорида титана в качестве титансодержащего компонента. Полученные результаты свидетельствуют о высоком содержании фазы рутила в продуктах, при этом чистую фазу рутила можно получить путем добавления небольшого количества водорода. Большинство частиц, образовавшихся в двух различных условиях синтеза, были сферическими (или сфероподобными), имели малые размеры, обычно около 30 нм, и очень хорошее распределение по размерам.

Представлена модель реагирующей двухфазной среды газ — несжимаемые частицы, в которой учитывается столкновительная динамика хаотического движения частиц. Для описания привлечены молекулярно-кинетические подходы теории гранулированной среды. Проведен анализ ударных волн, получены условия на сильных разрывах в двухфазной смеси. Установлено два типа разрывов: без генерации и с генерацией хаотической энергии на скачке. Для ударных волн второго типа амплитуда концентрации частиц не зависит от скорости распространения. Модель верифицирована по данным измерения скорости звука в засыпках при их разлете из камеры высокого давления ударной трубы.

Экспериментально и теоретически исследовано влияние условий на поверхности стенок туннеля на взрыв смеси метан — воздух. Наличие препятствий на стенках канала приводило к увеличению турбулентности при взрыве метановоздушной смеси. В туннеле с гладкими стенками, в котором часть пространства была заполнена смесью метан — воздух, интенсивность турбулентности менялась с расстоянием вдоль оси: была выше в зоне предварительного смешивания метана с воздухом и в дальней зоне распространения ударной волны в воздухе, а между ними наблюдалось ослабление интенсивности. В зоне смешивания метана с воздухом турбулентность приводила к значительному увеличению давления в детонационной волне. В дальней зоне распространения ударной волны в воздухе турбулентность ослабляла ударную волну, но здесь влияние турбулентности трудно отделить от действия других факторов. В туннеле с шероховатыми стенками в зоне первоначального смешивания метана с воздухом давление взрыва смеси было выше, а за пределами этой зоны ударная волна в воздухе была слабее, чем в туннеле с гладкими стенками.

Исследовалось инициирование детонации в потоке топливовоздушной смеси, формируемой в камере кольцевой цилиндрической геометрии диаметром 306 мм. В качестве источника инициирования использовалась детонационная волна, входящая в кольцевой канал из вихревой камеры плоскорадиальной геометрии, а также струя продуктов или тепловой импульс малой мощности. Показано, что непрерывную спиновую детонацию (НСД) водородовоздушных смесей можно осуществить всеми указанными способами. Ее формирование сопровождается переходным процессом длительностью до 10 мс, связанным с нарушением подачи компонентов смеси (инициирование детонационной волной) или со временем развития тангенциальной неустойчивости в НСД (струйное инициирование продуктами или искрой). Реализована передача детонации в поток химически малоактивных топливовоздушных смесей (пропано-, метано-, керосино- и бензиновоздушной) инициирующей детонационной волной, сформированной в течение долей миллисекунды импульсом малой энергии или в результате самовоспламенения водородовоздушной смеси в вихревой плоскорадиальной камере. Установлено, что для организации НСД этих смесей необходимы камеры большего, чем 306 мм, диаметра. Показана возможность реализации НСД химически малоактивных керосино- и бензиновоздушных смесей путем обогащения воздуха кислородом перед входом в камеру сгорания.

Проведено исследование взрывчатых свойств смеси бензотрифуроксана и антрацена в виде молекулярного комплекса (смешение компонентов на молекулярном уровне) и в виде механической смеси с тем же молярным соотношением компонентов. Показано, что молекулярный комплекс является индивидуальным взрывчатым веществом с модифицированными свойствами.

С целью исследования фазовых превращений иттербия при ударном сжатии выполнены измерения электросопротивления иттербия при начальных температурах 77 и 290 К и ударном давлении p ≤ 20 ГПа. Зависимость электросопротивления иттербия от давления носит немонотонный характер и свидетельствует о трех последовательных фазовых переходах. При p ≈ 2 ГПа иттербий переходит в состояние с большим электросопротивлением, которое имеет полупроводниковый характер. Оценка ширины запрещенной зоны иттербия при p ≈ 1.8 ГПа приводит к значению ≈ 0.02 эВ. При p ≈ 3 ГПа электросопротивление иттербия уменьшается, что обусловлено полиморфным фазовым переходом. При дальнейшем повышении давления электросопротивление сначала растет, а при p > 11 ГПа практически не меняется. Для определения природы третьего перехода выполнены расчеты температуры образца при ударном сжатии. Анализ зависимости температуры образца от ударного давления вместе с фазовой диаграммой иттербия позволяет сделать вывод, что третий переход обусловлен плавлением иттербия.

Моделировались траектория движения медной оболочки, скорость ее полета, давление продуктов взрыва на внутренней поверхности медной оболочки. Обнаружено существенное отличие поведения давления в эксперименте и в расчетах, выполненных с применением штатных уравнений состояния взрывчатых веществ и продуктов взрыва. Скорее всего, имеет место заметный вклад кинетических процессов в энерговыделение за точкой Жуге. При этом наряду с экзотермическими реакциями в ходе превращения взрывчатых веществ в продукты взрыва, по-видимому, также протекают процессы эндотермического характера.

Впервые показана возможность и описаны механизмы низкотемпературного окисления твердого науглероженного остатка угля в смеси NH₄NO₃ — сверхкритическая вода (723 К, 30 МПа). Обнаружено протекание сопряженных процессов окисления науглероженного остатка и образования горючих газов Н₂ и СН₄, вызванного участием молекул Н₂О в окислительно-восстановительных реакциях. Установлено, что зольный остаток имеет высокую пористость и состоит из агломерированных наночастиц оксидов кремния и металлов.