Главная – Журналы – Физика горения и взрыва 2015 номер 2

Проведено сопоставление каталитического метода сжигания твердого топлива в псевдоожиженном слое с некаталитическим. Показано, что использование катализаторов приводит к снижению материалоемкости и габаритов тепловых установок примерно на порядок, а удельная нагрузка на объем реактора возрастает более чем в 20 раз. Резко снижается выброс токсичных веществ с продуктами сгорания топлива. Оценена сравнительная стабильность оксидных неплатиновых катализаторов в процессе каталитического сжигания топлива с добавлением инертного материала. Обнаружено, что при сжигании топлива с высоким содержанием серы максимальное уменьшение активности происходит в первые несколько десятков часов и сопровождается накоплением серы в катализаторах. В дальнейшем активность катализаторов практически не меняется. Выявлено, что критическим фактором стабильности катализаторов является устойчивость к истиранию. Показана перспективность процесса сжигания топлива в слое керамометаллических сотовых катализаторов.

На основании литературных данных, математического моделирования химической кинетики и численных экспериментов сделан вывод о существовании нового типа явления сверхадиабатических температур в пламенах и при самовоспламенении, обусловленного конкуренцией химических реакций. Обсуждаются механизмы, условия образования и природа явления. Отмечается перспективность академических и практических приложений.

Представлен обзор современного состояния исследований аэродинамики и тепло- и массопереноса в пристенных реагирующих потоках при вдуве или испарении топлива со стенки. Рассмотрены ламинарные и турбулентные режимы течения при дозвуковых скоростях потока. Проанализировано влияние большого количества факторов на структуру течения, тепло- и массоперенос, стабильность горения.

Исследованию наночастиц алюминия уделяется большое внимание во всем мире, поскольку их физико-химические свойства имеют преимущества по сравнению с микрочастицами. Представлен всесторонний обзор недавних достижений в изучении горения наночастиц алюминия. Исследовано влияние числа Кнудсена на тепло- и массообмен частиц. Выявлены недостатки существующих моделей горения наночастиц алюминия в приближении сплошной среды. Идентифицированы ключевые физико-химические процессы при их горении, проведено сравнение временных масштабов, чтобы описать механизмы горения частиц различных размеров при разных давлениях. Совместно рассмотрены экспериментальные данные из нескольких источников для объяснения влияния размера частиц на температуру пламени. Исследованы структура пламени и механизмы горения частиц алюминия различных размеров при изменении давления и типа окислителя. Рассмотрены ключевые процессы, обусловливающие механизм горения частиц. Проведен обзор данных по времени горения наночастиц алюминия. Обсуждено влияние давления, температуры, концентрации окислителя и размера частиц на время горения. Установлена новая зависимость для определения времени горения частиц наноалюминия. Сформулированы наиболее важные вопросы для будущих исследований.

Представлен обзор современных исследований свойств наночастиц алюминия и особенностей их горения в различных средах. Особое внимание уделено механизму горения наночастиц Al в воздухе и парах воды. Приведены результаты экспериментальных и теоретических исследований, которые свидетельствуют о справедливости газофазной концепции горения наночастиц Al. Значительная часть работы посвящена численному исследованию горения в воздухе композитного топлива, состоящего из углеводорода (метана) и наночастиц Al. Приведен кинетический механизм горения Al в газовой фазе. Анализируются механизмы воспламенения такого топлива. Обсуждается методология моделирования образования конденсированной фазы, состоящей из частиц Al₂O₃. Представлены результаты экспериментальных исследований воспламенения и горения жидких и испаренных углеводородных топлив, содержащих небольшое количество наночастиц Al.

Дан краткий обзор исследований в области механики реагирующих сред, выполненных в ИТПМ СО РАН (АН СССР) с конца пятидесятых годов прошлого века по настоящее время.

Проведены систематические экспериментальные и расчетные исследования энергоэффективности непрерывно-детонационных камер сгорания (НДКС). Разработаны и испытаны малоразмерная и крупноразмерная НДКС, использующие водород в качестве топлива и кислород или воздух в качестве окислителя. Впервые экспериментально доказано, что термодинамический цикл Зельдовича с непрерывно-детонационным горением водородно-кислородной смеси в кольцевой камере сгорания эффективнее, чем термодинамический цикл Брайтона с непрерывным горением той же смеси при прочих равных условиях. Удельный импульс стендового образца малоразмерного ракетного двигателя с НДКС диаметром 50 мм при работе в непрерывно-детонационном режиме оказался на 6÷7 % выше, чем при работе в режиме непрерывного горения. Измеренный удельный импульс по топливу у крупноразмерной НДКС диаметром 406 мм, работающей на водородно-воздушной смеси, оказался на уровне 3000 с. Трехмерные расчеты по оптимизации конструкции и рабочего режима крупноразмерной НДКС показали, что при работе на топливной смеси интегрального состава, близкого к стехиометрическому, удельный импульс может быть увеличен до ≈4200 c.

Для исследования детонации газовых смесей создан специализированный стенд, в котором проточная подача компонентов взрывчатой смеси и интенсификация перехода горения в детонацию в протяженном цилиндрическом канале организованы с использованием систем компьютеризированного детонационного комплекса CCDS2000. Экспериментально определены скорость детонации и размер ячейки детонационного фронта в смесях композиционного топлива на основе метилацетилена и аллена с кислородом, а также определены концентрационные пределы стационарной детонации в трубе диаметром 26 мм. Выполнены расчеты параметров детонации, проведено сопоставление с экспериментом. Для сравнения изучена детонация смесей ацетилена и пропан-бутана с кислородом в аналогичных условиях.

Обсуждаются основные результаты многолетних исследований пламен металлической пыли, направленных на разработку научных основ метода газодисперсного синтеза нанопорошков оксидов металлов. Рассмотрены способы организации сжигания металлической пыли в кислородсодержащих средах, ключевые проблемы газодисперсного синтеза и возможные пути их решения. В работе проанализированы возможности управления дисперсным составом продуктов парофазного или газофазного горения металлических частиц вариацией макропараметров пылевого пламени и ионизацией конденсированной и газовой фаз в зоне горения с помощью добавок к горючему легкоионизирующихся атомов. Показано, что адекватное описание процессов конденсации в пламени невозможно без учета влияния электрофизических процессов на протекание нуклеации и коагуляции в пламени. Установлено, что ионизация конденсированной фазы является наиболее существенным фактором при коагуляции частиц нанооксидов в пылевом пламени. Это позволяет ожидать, что воздействие на процесс ионизации частиц может оказаться наиболее эффективным методом управления дисперсностью целевых продуктов газодисперсного синтеза.

Рассматриваются современные модели необратимых процессов деформирования материалов при их динамическом, в том числе ударно-волновом, нагружении. Модели можно разделить на три группы: 1)макроскопические (континуальные) - традиционные модели механики сплошных сред, в первую очередь классические модели упругопластического деформирования, их разнообразные обобщения на случай описания динамических процессов и модели вязкоупругих релаксирующих сред; 2)микроструктурные модели, основанные на описании микроструктурных механизмов необратимого деформирования (чаще всего - на представлениях о кинетике дислокационного ансамбля); 3)атомистические - молекулярно-динамические модели и расчеты. Особую категорию составляют наиболее перспективные, с точки зрения автора, многоуровневые модели, объединяющие преимущества каждого из перечисленных подходов и рассматривающие механизмы деформирования разных уровней. Приведены примеры расчетов по таким моделям.