Главная – Журналы – Физика горения и взрыва 2017 номер 2

В приближении Буссинеска численно исследуется конвекция Рэлея - Бенара в химически активном газе, находящемся в состоянии химического равновесия. Рассматривается плоский слой с изотермическими и свободными от касательных напряжений горизонтальными границами. Термодинамические параметры газа (водородокислородная смесь) рассчитываются по предложенной ранее модели химического равновесия. Показано, что учет процессов рекомбинации и диссоциации приводит к появлению дополнительного множителя при числе Рэлея. Получено выражение для инкремента нарастания бесконечно малых возмущений и соотношение для критического числа Рэлея как функции температуры. Установлено, что нейтральные кривые состоят из верхней (неустойчивость при подогреве снизу) и нижней (неустойчивость при подогреве сверху) ветвей. Приведены результаты расчетов нелинейного стационарного режима.

Изучается влияние естественной конвекции на тепловой взрыв в пористой среде. Модель состоит из нелинейного уравнения теплопроводности, уравнений движения несжимаемой жидкости и закона Дарси. Для численного решения конечно-разностных уравнений используются метод переменных направлений с одновременным расщеплением по пространственным координатам и быстрое преобразование Фурье. Полученное решение имеет сложную структуру и содержит как периодические, так и апериодические осцилляции, в том числе осциллирующий тепловой взрыв. Показано, что конвекция может уменьшить риск возникновения взрыва, обусловленного перемешиванием и потерей тепла. В то же время осцилляция температуры, возникающая вследствие неустойчивости стационарного режима конвекции, может способствовать возникновению взрыва.

Проведено экспериментальное исследование характеристик частиц сажи, образующихся при сжигании жидких углеводородов в лабораторном образце оригинального горелочного устройства с подачей в зону горения струи перегретого водяного пара. С помощью диффузионного спектрометра аэрозолей измерены концентрация и дисперсный состав частиц сажи, образующихся в факеле горелочного устройства. Показано, что преимущественный размер первичных частиц находится в диапазоне 20-60 нм. При удалении от среза горелки концентрация частиц во внешнем факеле быстро убывает от 10⁸ до 5x10⁶ см^-3. Изображения, полученные с использованием просвечивающего электронного микроскопа, демонстрируют цепочно-разветвленную (фракталоподобную) структуру агрегатов. Составляющие их квазисферические первичные частицы сажи имеют луковичную структуру с межплоскостным расстоянием между слоями менее 1 нм. В охлажденных продуктах сгорания наблюдаются компактные агрегаты размером до 500 нм. Содержание сажи в продуктах сгорания составляет 35 мг/м³ при средней массе частиц 7x10^-12 мг. Проведено сопоставление результатов измерений в режиме сжигания с подачей в зону горения струи перегретого водяного пара и в режиме с подачей струи воздуха.

Вопросы взрыво- и пожаробезопасности силана при его транспортировке и хранении тесно связаны с проблемой его катастрофического истечения из емкостей при возникновении в них трещин. Оказалось, что при некоторых скоростях истечения силан может самовоспламеняться. Отметим также интерес, проявленный в аэрокосмической промышленности к проблемам воспламенения и сгорания силана в композициях с другими горючими. Весьма затратное и трудоемкое экспериментальное исследование подобных задач дает первичную информацию для развития и верификации физико-химических математических моделей, которые позволят предсказывать характеристики процессов, протекающих при истечении силана (перемешивание, воспламенение, горение). В недавних экспериментах профессора Дж. Чена с коллегами (Тайвань) были определены критическая длина струи силана (расстояние от среза трубки, на котором происходило возгорание истекающего силана) и время его воспламенения. В данной работе предпринята попытка моделировать эти явления в рамках концепции критической концентрации силана при исследовании динамики его истечения из трубки.

Представлены экспериментальные зависимости температуры, термоЭДС, скорости и ширины волны горения гетерогенной смеси 5Ti + 3Si от давления квазиизостатического сжатия. Параметры горения рассчитаны на основе данных, полученных при измерении градиента температуры и разности электрических потенциалов в волне горения. Показано, что в условиях квазиизостатического сжатия максимальная скорость горения составляет 90 мм/с, а ширина волны горения - 10 мм. Установлено, что вольт-температурная характеристика горения гетерогенной смеси 5Ti + 3Si имеет форму гистерезиса. Обсуждается причина возникновения гистерезиса, связанная с изменением объемной концентрации носителей электрических зарядов в волне горения.

Показано, что разогрев фрагментов разрушения стержней из технического титана ВТ1-0 и его сплавов ОТ4-1, ПТ3В в газообразном кислороде при давлении p_О2, принимаемом в экспериментах автора и других исследователей в качестве критического давления p*, приводит только к оплавлению отдельных участков образовавшейся ювенильной поверхности, отличающихся затрудненным теплоотводом, без перехода процесса взаимодействия металла с кислородом в стадию горения. И лишь при значительно большем давлении p**, которое может быть рассчитано из уравнения теплового взрыва для температуры T*, совпадающей с температурой плавления титана, с учетом диссоциативной адсорбции молекул кислорода на поверхности расплава и коэффициента теплообмена, соответствующего случаю отвода тепла от полусферы расплава в полуограниченное твердое тело, взаимодействие металл - кислород переходит в стадию горения, в ходе которого сгорает основная масса металла.

Исследованы механизм воспламенения и зависимость состава образующихся продуктов горения или теплового взрыва в смеси 2Zr + Al + C от температуры инициирования и условий теплообмена. Условия теплообмена изменяли, варьируя размеры образцов и газовую среду, в которой проводили эксперименты. Обнаружены два режима горения: низкотемпературный, при котором формировались алюминиды циркония и оставались углерод и часть циркония, и высокотемпературный режим, при котором продуктами реакции были карбид и алюминид циркония. Продукты низкотемпературного режима горения при повторном инициировании реагировали в высокотемпературном режиме. Обнаруженные зависимости обусловлены протеканием параллельных реакций в трехкомпонентной системе.

Выполнено численное исследование влияния выгорания на время задержки зажигания типичного термопластичного полимера (полиметилметакрилата) металлической частицей, нагретой до высокой температуры. Начальная температура источника энергии варьировалась в диапазоне 960¸1150 К. Выделено три режима зажигания полимера, характеризующиеся температурой источника тепла, временем задержки и положением зоны зажигания в окрестности горячей частицы. Установлено, что в условиях локального нагрева выгорание прогретой области приповерхностного слоя полимера несущественно (менее 5 %) влияет на увеличение основной характеристики процесса - времени задержки зажигания. При этом в момент инициирования горения степень термического разложения полимера (глубина превращения вещества) не достигает даже 15 % в сечении, соответствующем максимальному тепловому потоку от источника нагрева. Показано, что при учете зависимости теплофизических свойств полиметилметакрилата от температуры время задержки зажигания возрастает более существенно, чем при учете фактора выгорания. Длительность индукционного периода увеличивается на 15¸25 % за счет повышения аккумулирующей способности полимера и интенсивности теплоотвода из прогретой области приповерхностного слоя в глубь вещества.

В проточной кольцевой цилиндрической камере диаметром 503 мм реализованы многоволновые режимы непрерывной спиновой детонации смесей синтез-газ - воздух. В экспериментах использовались смеси оксида углерода и водорода с соотношением компонентов 1/3, 1/2 и 1/1. Варьировались расходы воздуха, синтез-газа и их соотношение, а также длина камеры. Показана масштабируемость процесса непрерывной спиновой детонации: при одинаковых значениях удельного расхода воздуха и коэффициента расширения канала камеры сгорания число поперечных детонационных волн возрастает с увеличением диаметра камеры. В исследованных диапазонах длин камер и удельных расходов воздуха частота этих волн не зависит от длины камеры, за исключением узких областей смены режимов по числу волн. Структуры поперечных детонационных волн при регулярных режимах практически идентичны для всех исследованных составов синтез-газа. Показано, что инициирование детонации возможно струей продуктов сгорания. Получены оценки минимального диаметра детонационной камеры с увеличением расхода смеси.

С использованием методики VISAR проведены исследования структуры зоны реакции в тэне при различной начальной плотности и дисперсности образцов. Течение в прессованных зарядах соответствует классической модели детонации, тогда как при насыпной плотности регистрируются особенности, которые в большей степени согласуются с моделью взрывного горения. В окрестности начальной плотности 1.7 г/см³ обнаружен излом на зависимости скорости детонации от плотности и исследован характер ударно-волнового инициирования тэна выше и ниже точки излома.

Приведены результаты исследования влияния характеристик пористых включений на параметры детонации эмульсионного взрывчатого вещества (ЭмВВ). В качестве сенсибилизаторов использовались микробаллоны из стекла и полимера, гранулы перлита, пустотелые ценосферы и газогенерирующая добавка. Показано, что полимерные микробаллоны с ультратонкой стенкой, наполненные изобутаном, являются наиболее эффективным сенсибилизатором, позволяющим практически полностью реализовать потенциальные возможности ЭмВВ.

Проведено численное моделирование зажигания гексогена, октогена и TATБ наносекундным лазерным импульсом. Решалось уравнение теплопроводности в цилиндрической системе координат с учетом многократного отражения светового пучка, экзотермической реакции нулевого порядка и плавления. Несмотря на малый градиент температуры, обусловленный малостью коэффициента поглощения излучения, нарушение теплового равновесия вследствие аррениусовской нелинейности приводит к зажиганию энергетических материалов с поверхности. Определена критическая плотность энергии зажигания тэна, гексогена, октогена и TATБ наносекундным лазерным импульсом. Расчеты показали, что при одинаковых коэффициентах поглощения и отражения наиболее чувствительным является тэн, а наиболее термостойким - TATБ.

Проведено исследование микроочаговой модели лазерного инициирования энергетических материалов. Рассчитаны зависимости критической плотности энергии и температуры очага реакции в пентаэритриттетранитрате (тэн) от радиуса наночастиц 12 металлов при длительности импульса на полувысоте 14 нс. Получено, что при радиусах наночастиц порядка 10 нм критическая плотность энергии стремится к определенному значению, не зависящему от теплоемкости металла. Это связано с уменьшением отношения объема наночастицы к объему прогреваемого слоя тэна, что приводит к преимущественному расходу энергии импульса на нагрев матрицы. Показано, что критическая температура очага зависит как от длительности импульса, так и от радиуса наночастицы. Получены аналитические выражения для зависимостей критических параметров инициирования реакции от радиуса и теплоемкости металлических наночастиц и для зависимости критической температуры очага от длительности импульса. Обнаружен инвариант, связывающий критическую плотность энергии и характерное время развития реакции. Результаты работы необходимы для оптимизации состава капсюля оптического детонатора.

Представлены данные по лазерному инициированию низкоплотных смесей тэна с металлическими добавками при варьировании дисперсности тэна и размера частиц добавки. Использовался лазер с длиной волны 1.06 мкм и длительностью импульса 30 и 40 нс. Показано наличие минимумов на зависимостях пороговых параметров инициирования от содержания добавок. Для крупнодисперсных добавок не обнаружено существенной зависимости порога инициирования смесей от природы металла при оптимальном его содержании (кроме алюминия). Для смесей тэна с оптимальным количеством тонкодисперсного алюминия обнаружено существенно большее снижение пороговых параметров инициирования (6.2 раза) по сравнению с прямым инициированием тэна. Показана независимость порогов инициирования смесей от дисперсности тэна при оптимальном содержании добавки. Зарегистрировано расширение зависимостей пороговых параметров от содержания добавки с увеличением дисперсности тэна при одновременном смещении количества оптимальной добавки в область больших значений. Выявлена сильная зависимость порогов инициирования от плотности заряда смеси. Сформулированы основные положения механизма лазерного инициирования смесей тэна с добавками.

Представлены результаты экспериментального исследования влияния поврежденности и начальной пористости образцов флегматизированного октогена на предельные условия инициирования и параметры взрыва при воздействии стальными сферическими ударниками массой 2-100 г. Показано, что предварительное механическое повреждение образцов ВВ, так же как и снижение начальной плотности, приводит к качественно одинаковому результату - увеличению предельной скорости ударника, вызывающей инициирование взрывчатого превращения. Получены данные по структуре повреждения образцов при отсутствии инициирования и по зависимости физико-механических характеристик образцов от их плотности.

В зависимости от геометрии и амплитудно-временных характеристик внешнего воздействия в образцах возможна кумуляция энергии ударной волны, что приводит к уменьшению времени сохранения функциональных свойств конструкционных материалов. Рассмотрены процессы диспергирования со свободной поверхности металла образцов без нанесенных и с предварительно нанесенными возмущениями в виде пирамидок. При определенных амплитудно-временных характеристиках внешнего воздействия происходит диспергирование из вершин пирамидок. Определены количественные характеристики динамических деструктивных процессов при различных амплитудно-временных характеристиках внешнего воздействия для введения в расчетные коды двух- и трехмерных программ с целью прогнозирования поведения металлов в экстремальных условиях.