Главная – Журналы – Физика горения и взрыва 2016 номер 6

Теория сильного взрыва использована в качестве базиса для экспериментальной методики определения энергии источника, обеспечивающей инициирование горючей смеси. В качестве теста экспериментально определены критические энергии инициирования сферической детонации E₃* с помощью электроразряда для стехиометрической смеси ацетилена с кислородом, а также для двухтопливных смесей ацетилен - закись азота - кислород, обладающих бифуркационными свойствами ячеистых структур. Установлено, что для двухтопливной смеси стехиометрического по обоим топливам состава с бифуркационной структурой критическая энергия E₃* занижена в несколько раз по сравнению с величиной E₃* для монотопливной смеси, размер ячейки в которой при данном давлении определяется большим масштабом бифуркационных ячеек. Данный результат свидетельствует о снижении значения E₃* при увеличении количества горячих точек, каковыми являются многочисленные области соударения крупно- и мелкомасштабных поперечных волн в смеси с бифуркационными свойствами.

Проведен численный анализ воспламенения и горения смесевых топлив i-C₈H₁₈-H₂ И n-C₁₀H₂₂-H₂в воздухе. Показано, что добавка водорода как к нормальному алкану (n-C₁₀H₂₂), так и к алкану с разветвленной структурой (i-C₈H₁₈) приводит к увеличению времени задержки воспламенения t_ind при начальной температуре смеси T₀ меньше некоторого значения T_l и, наоборот, к уменьшению t_ind при T₀ >T_l. При этом чем больше доля водорода в смеси, тем сильнее изменяется t_ind. При достаточно высокой температуре T₀> T_h небольшая добавка алкана (≈2¸10 %) к водороду уменьшает задержку воспламенения. Значение T_l зависит от давления топливовоздушной смеси и в меньшей степени от типа n-алкана, а значение T_h - еще и от доли алкана в смесевом топливе. При достаточно высоком начальном давлении (10 атм и выше) введение небольшого количества i-C₈H₁₈ или n-C₁₀H₂₂ в водородовоздушную смесь уменьшает t_ind при любом значении T₀. Указанные особенности обусловлены тесным взаимодействием кинетики окисления алканов и водорода. Показано, что смесевые топлива, состоящие из водорода и n-C₁₀H₂₂ (i-C₈H₁₈), имеют более высокую скорость ламинарного пламени и более широкие пределы устойчивого горения, чем сами углеводороды. Однако заметное увеличение скорости ламинарного пламени наблюдается лишь при молярной доле водорода в смесевом топливе, большей 50 %. При этом становится возможным организовать устойчивое горение с меньшим содержанием NO в продуктах сгорания.

Изучен процесс химического превращения SO₂ в элементарную серу в цепной реакции окисления водорода в режиме низкотемпературного пламени. Исходя из термодинамических и кинетических характеристик обсуждены возможные элементарные реакции с участием атомов и свободных радикалов, которые могут быть ответственны за химическое превращение SO₂ с образованием серы в сопряженном радикально-цепном процессе.

Проведен кинетический анализ механизма химического превращения SO₂ в радикально-цепном сопряженном процессе низкотемпературного разреженного пламени водородокислородных смесей. Рассмотрена совокупность возможных элементарных реакций и выявлены основные каналы превращения SO₂ в элементарную серу.

Исследованы особенности структуро- и фазообразования в системах Ti : Nb : 2Al, Ti : Nb : 2.5Al и Ti : Nb : 3Al в процессе cамораспространяющегося высокотемпературного синтеза в режиме теплового взрыва. Изучались морфология, фазовый состав, микроструктура, физические свойства. Обнаружено, что соединения с наибольшим содержанием алюминия имеют наиболее гомогенный состав и наименьшую пористость. Основной фазой продукта синтеза является фаза на основе твердого раствора Nb в γ-TiAl.

Проведены эксперименты по горению порошковых и гранулированных смесей Ti + 0.5C, Ti + 0.75C, Ti + C. Несмотря на отсутствие конвективного теплопереноса и меньшую площадь контакта между частицами, скорость горения гранулированных составов (как линейная, так и массовая) оказалась в несколько раз выше, чем у порошковых смесей того же состава. На основании полученных экспериментальных и расчетных значений адиабатической температуры горения проведена оценка вклада лучистого и кондуктивного теплообмена в распространение волны горения по гранулированным смесям. Эксперименты с прессованными образцами показали, что высокая скорость горения гранулированных смесей связана не со специфическими особенностями исходных реагентов, а с высокой скоростью распространения волны горения по грануле.

Для пылевого пламени микродисперсных частиц металлов диаметром d₁₀<15 мкм с концентрацией частиц ≈10¹⁰÷10¹¹ м^-3 в кислородсодержащих средах при атмосферном давлении рассмотрена возможность определения режима горения отдельных частиц горючего по зависимости скорости пламени от концентраций горючего и окислителя. Режим горения - кинетический или диффузионный - определяет качественно различный характер зависимостей нормальной скорости пламени от основных параметров газовзвеси. Анализ таких экспериментальных зависимостей для богатых горючим смесей показал, что горение частиц циркония (d₁₀ = 4 мкм) в ламинарном пылевом пламени контролируется диффузией окислителя к поверхности частицы, в то время как горение частиц железа близкого размера контролируется кинетикой гетерогенных реакцией. Для частиц алюминия в диапазоне размеров d₁₀ = 5÷15 мкм отсутствуют отчетливо выраженные признаки как кинетического, так и диффузионного режима горения. Для уточнения процессов, контролирующих горение мелких частиц алюминия, исследованы зависимости скорости пламени от размера частиц и начальной температуры газовзвеси. Показано, что в рассмотренных экспериментальных условиях частицы алюминия горят в переходном режиме.

Предложен новый путь возникновения "собственной" турбулентности в механизме Гусаченко - Зарко отрицательного эрозионного эффекта при горении топлива. Показано, что зона газификации твердого топлива может генерировать гидродинамическую неустойчивость, если его скорость горения при постоянной температуре зависит от давления. Условия возникновения гидродинамической неустойчивости горения топлив, разлагающихся по схемам твердая фаза - жидкая фаза - газ и твердая фаза - газ, сильно различаются. Зона газификации в топливах первого типа более склонна к генерации неустойчивости, чем зона газификации в топливах второго типа. Гидродинамическая неустойчивость возникает при превышении критического значения числа Рейнольдса, которое зависит от свойств топлива и внешних условий.

Выполнено математическое моделирование твердофазного зажигания металлизированного смесевого топлива (перхлорат аммония + 14 % бутилкаучука + 5 % порошка алюминия + 6 % пластификатора) в условиях локального нагрева несколькими источниками ограниченной энергоемкости (размеры горячей частицы x_p = 4 мм, y_p = 2 мм). При варьировании температуры нагретых стальных частиц и расстояния между ними соответственно в диапазонах 700>T_p>1500 К и 0.1x_p>Δx>1.5x_p установлены значения T_p и Δx, при которых время задержки зажигания соответствует условиям инициирования горения смесевого топлива одиночной частицей, пластиной с постоянной температурой или несколькими частицами. В области невысоких начальных температур локальных источников (T_p<1100 К) выявлены предельные значения Δx - 0.1x_p и Δx>1.5x_p, при которых исследование характеристик и закономерностей зажигания топлива группой нагретых частиц можно выполнять в рамках соответственно модели пластина - топливо - газ и модели одиночная частица - топливо - газ. Уменьшение расстояния Δx при T_p<1100 К ведет к уменьшению индукционного периода до 50 % и снижению минимальной начальной температуры источника, необходимой для инициирования горения топлива, с 830 до 700 К. При T_p>1100 К для исследования процессов зажигания металлизированного смесевого твердого топлива одиночными и несколькими частицами можно использовать относительно простые одномерные модели зажигания конденсированных веществ пластиной с постоянной температурой. При этом изменение времени задержки зажигания не превышает 5 %.

Исследованы режимы непрерывной спиновой детонации частиц антрацита и бурого угля в потоке воздуха в вихревой радиальной камере диаметром 500 мм с постоянной (вдоль радиуса) площадью сечения. Использован измельченный уголь размером 1÷12 мкм. Для транспортирования угля в камеру и промотирования химической реакции на поверхности твердых частиц подмешивали водород или синтез-газ в соотношении CO/Н₂ = 1/1, 1/2 и 1/3. Впервые реализована непрерывная спиновая детонация двухфазных смесей дисперсных частиц антрацита и бурого угля с воздухом при добавке водорода до 4 % от расхода угля. Количество подмешиваемого к углю синтез-газа возрастало с уменьшением в нем доли водорода - 14, 21 и 27 % для антрацита и 11, 20 и 29 % для бурого угля при СО/Н₂ = 1/3, 1/2 и 1/1 соответственно. Структура детонационных волн и течение в их окрестности принципиально не отличались от наблюдаемых ранее для длиннопламенного каменного и древесного углей. Более высокие скорости детонации зафиксированы для более энергоемких углей (антрацита). В холостых запусках по сравнению с детонацией при одинаковых удельных расходах угольно-воздушных смесей наблюдалось повышенное давление у цилиндрической поверхности камеры.

Исследована зависимость критической плотности энергии взрывного разложения тэна от массовой концентрации включений ультрадисперсных частиц Al (100÷120 нм) в интервале 0.025÷1 % при воздействии первой и второй гармоник неодимового лазера (12 нс; 1064, 532 нм). Показано, что критическая энергия инициирования взрыва первой и второй гармониками лазерного излучения достигает минимального значения при одинаковых показателях поглощения излучения, но различных концентрациях включений. Оптоакустическим методом показано, что при поглощении энергии лазерного излучения амплитуда давления в нагретом слое становится максимальной при концентрации включений, соответствующей минимальному значению критической плотности энергии.

На основе грибовидного теста проведены эксперименты по изучению процесса обтекания угла детонационными волнами во взрывчатых веществах на основе ТАТБ и CL-20 (PBX-I, PBX-II, PBX-III). Определены угол первого выхода детонационной волны на поверхность заряда, угол срыва детонации и время задержки ее распространения при диаметре инициирующего заряда 10 и 15 мм. Показано, что в случае PBX-I эти параметры возрастают при увеличении диаметра инициирования. Углы первого выхода и углы срыва детонации в PBX-II и PBX-III равны 90º при диаметре инициирования 10 мм, в то время как в PBX-I при таком же диаметре инициирования эти углы составляют 22.7 и 31.9^o. Это свидетельствует о том, что взрывчатые вещества на основе CL-20 имеют прекрасные характеристики обтекания угла даже при наличии 13.5 % (масс.) алюминиевой пудры в PBX-III. На основе модели Ли - Тарвера проведено двумерное численное моделирование для PBX-I. Результаты моделирования хорошо согласуются с данными экспериментов.

Проведено исследование химического состава, физико-технических свойств, структуры и строения различных видов гранулированной аммиачной селитры (высокоплотной, пористой и "поризованной"), изготовленных в России и за рубежом. Показано, что при термической обработке гранул высокоплотной селитры ГОСТ 2-2013 происходят изменения в кристаллической структуре ("поризация"), способствующие увеличению удерживающей способности по отношению к дизельному топливу. Измерена скорость детонации составов типа аммиачная селитра / дизельное топливо, изготовленных на основе "поризованной" аммиачной селитры.