Главная – Журналы – Физика горения и взрыва 2017 номер 5

Интерес к изучению химии горения многотопливных смесей связан с потребностью исследования горения природного газа, который, как известно, является смесью алканов. В настоящей работе методами молекулярно-пучковой масс-спектрометрии и численного моделирования установлено, что ширина зон расходования водорода и метана в пламени H₂/CH₄/C₃H₈/O₂/Ar и ширина зон расходования метана и пропана в пламени CH₄/C₃H₈/C₄H₁₀/O₂/Ar заметно отличаются друг от друга. Анализ результатов моделирования позволил выявить причины этого явления. Установлено, что в присутствии более тяжелых соединений происходит синтез более легких горючих, таких как Н₂ и СН₄, что уменьшает скорость их расходования и, следовательно, расширяет зону их расходования в пламени. Изучено также влияние присутствия водорода в горючей смеси на концентрацию С₂-углеводородов. Установлено, что добавка водорода снижает максимальную концентрацию этана, этилена и ацетилена в пламени, при этом доля ненасыщенных С₂-углеводородов по отношению к насыщенным также снижается.

Исследованы пламена, стабилизированные на противотоках предварительно перемешанной горючей смеси с низким содержанием кислорода и обогащенного кислородом воздуха (ППНК/ОКВ). Получены фотографии исследуемых пламен и проведено численное моделирование с использованием детального механизма реакций GRI-Mech 3.0. Выполнено сравнение результатов, полученных для противоточных пламен ППНК/ОКВ с различной долей кислорода в горючей смеси, с результатами для пламен частично перемешанных реагентов и полностью перемешанных реагентов при одних и тех же коэффициентах избытка горючего (φ_Σ = 0.95, φ_f = 1.4). Показано, что пламена частично перемешанных реагентов и ППНК/ОКВ имеют выраженную двухзонную структуру, однако положение зоны реакций предварительно перемешанного пламени и расстояние от нее до зоны реакций предварительно не перемешанного пламени значительно различаются в этих пламенах. В пламени ППНК/ОКВ максимальная температура в зоне реакций предварительно перемешанного пламени ниже, а сама зона находится дальше от торца трубки с горючей смесью, что приводит к снижению эмиссии NO и СО. Показано, что, изменяя соотношение концентраций кислорода, подаваемого вместе с горючей смесью и вместе с окислителем, можно эффективно влиять на соотношение скоростей химических реакций в различных зонах горения и, таким образом, добиться снижения эмиссии СО и NO.

Выполнено численное моделирование газового потока в плоской вихревой камере с использованием уравнений Навье - Стокса. Модель основана на законах сохранения массы, импульса и энергии для нестационарного двумерного сжимаемого газового потока в случае осевой симметрии с тангенциальной составляющей скорости газа. Учитывались процессы вязкости, теплопроводности и турбулентности. Показано, что переход кинетической энергии газа в тепловую в результате процессов переноса приводит к появлению горячих точек в пограничных слоях у стенок камеры. Температура газа в горячих точках может превышать температуру газового воспламенения, в то время как в соседних областях газ остается достаточно холодным. Это может быть причиной холодного газового самовоспламенения, наблюдаемого в экспериментах. Турбулентность течения, а также процессы перемешивания и диффузии компонентов вносят значительный вклад в возможности газового самовоспламенения.

Исследовалось линейно движущееся диффузионное пламя над бунзеновской горелкой. С помощью высокоскоростной камеры получены последовательные во времени изображения пламени, движущегося с ускорением 3.6 м/с², которые использовались для изучения изменения площади пламени и относительной площади в различных диапазонах температуры. Получено, что в диапазоне экспериментально реализованных скоростей (<0.90 м/с) общая площадь пламени в зоне, контролируемой потоком топлива, увеличивается с ростом скорости движения, быстро уменьшается в переходной области и неизменна в зоне, контролируемой потоком поперечного обдува. Низкотемпературная часть площади пламени доминирует в низкоскоростной зоне, контролируемой потоком топлива. В высокоскоростной зоне, контролируемой потоком поперечного обдува, доминирует площадь высокотемпературной части пламени. Переход между этими двумя режимами осуществляется в переходной области. Поперечный воздушный поток увеличивает высокотемпературную площадь по сравнению со стационарным пламенем. Процесс горения в движущемся пламени также становится более интенсивным.

Проведено расчетное исследование воздействия предварительной инжекции (прединжекции) газа (подогретого воздуха, метана и этилена) перед входом высокоскоростного воздухозаборника пространственной конфигурации в условиях обтекания его сверхзвуковым потоком с числами Маха М_∞ = 2¸4, температурой торможения T* = 300 К и расходами инжектируемого газа, соответствующими 0¸6 % расхода воздуха через воздухозаборник. Газ инжектировался через отверстия, расположенные за торцами пилонов, установленных перед входом воздухозаборника. Расчет выполнен с использованием программного пакета ESI-FASTRAN, позволяющего рассчитывать пространственные вязкие трехмерные турбулентные течения газа в процессе установления по времени с использованием осредненных по Рейнольдсу уравнений Навье - Стокса. Экспериментальное исследование прединжекции проведено на маломасштабной и крупномасштабной моделях входных устройств при М_∞ = 3¸4 и 6, подтверждено ее положительное влияние на устойчивое (без срывов) торможение набегающего потока при массоподводе и на инициирование воспламенения и стабильное горение в камере сгорания.

Предложен новый критерий теплового взрыва в экзотермически реагирующих системах для случая произвольных одностадийных превращений. Метод расчета основан на анализе уравнения максимальных температур, полученного для закрытых систем с учетом потребления реагентов. Показано, что зависимость максимальной температуры от параметров Семенова и Тодеса носит характер бистабильности и критические условия определяются условиями экстремумов на соответствующих параметрических диаграммах. Проведен расчет демаркационных линий воспламенения на параметрической плоскости критерий Тодеса - критерий Семенова для экзотермических реакций второго порядка. Сравнение численных и аналитических расчетов показало их удовлетворительное согласие.

В макроскопическом приближении построена математическая модель теплового взрыва и синтеза продуктов в механоактивированной смеси 3Ni + Al. Показано, что активация исходных компонентов существенно увеличивает скорость образования интерметаллида Ni₃Al. С использованием экспериментальных данных определены теплофизические и кинетические константы процесса.

Предложена модель газификации твердого топлива, содержащая на промежуточной стадии двухфазную среду. Образование газовой фазы идет двумя путями: в результате химических реакций образуются газовые продукты, они, в свою очередь, инициируют появление пузырьков, в которых происходит парообразование из жидкой фазы топлива. Газовые продукты играют существенную роль только на самой начальной стадии развития пузырька, по их критическому давлению определяется минимальный размер зародыша газовой фазы. Основной рост объема пузырька происходит за счет испарения жидкой фазы. Сформулированы кинетическое уравнение для концентрации пузырьков и необходимые граничные условия. Предложены аргументы для обоснования невозможности образования максимума температуры в зоне газификации и возможности генерации "собственной" турбулентности разрушающимися пузырьками. Образующийся при горении твердых ракетных топлив звук объясняется разрушением огромного числа микроскопических пузырьков. Сформулированная система уравнений в случае игнорирования процессов в двухфазной зоне переходит в уравнения модели Беляева - Зельдовича.

Метод молекулярно-пучковой масс-спектрометрии применен для исследования продуктов горения твердых ракетных топлив при давлении 40 атм. Создана установка с четырехступенчатой системой формирования молекулярного пучка. На примере смесевого топлива на основе динитрамида аммония и поликапролактона показана возможность количественного определения состава продуктов горения.

Рассмотрены пять вариантов расчета скорости горения твердого топлива в зависимости от давления в твердотопливном ракетном двигателе. Для аппроксимации реальных зависимостей предложено два варианта аналитических выражений. Показано, что во всех вариантах расчета давление в двигателе может быть представлено простыми аналитическими выражениями в зависимости от параметров твердого топлива, условий заряжания и конструктивных факторов заряда и двигателя.

Рассмотрены закономерности горения и химического превращения высокоэкзотермических смесей MoO₃/NiO/Al/C и MoO₃/NiO/Al/B на поверхности титановой основы под действием центробежного ускорения. Показано, что химические реакции протекают не только в волне горения, но и на поверхности титановой основы, между продуктами горения и материалом основы (титаном). Изучены динамика и механизм формирования слоевых (градиентных) материалов титан - керамика (Mo-Ni-С-Ti или Mo-Ni-B-Ti).

Композиционные материалы на основе Nb c функциональными (Si, C, B) и легирующими добавками (Hf, Ti, Al и др.) перспективны для промышленного освоения в авиационном двигателестроении. Ранее авторами было показано, что такие композиционные материалы можно синтезировать в автоволновом режиме (режиме горения), используя высокоэкзотермические смеси Nb₂O₅ с Al, Si, Hf и Ti. Было обнаружено, что в волне горения Hf активно участвует в восстановлении Nb₂O₅, что усложняет его введение в композиционный материал, а также приводит к избытку Al в сплаве. В настоящем исследовании изучена возможность замены Hf в исходной смеси менее активным соединением HfAl₃, а также определено влияние дисперсности HfAl₃ на содержание Hf в композиционном материале.

Методами численного моделирования исследовано распространение плоской детонационной волны в стехиометрической смеси газа и частиц алюминия в плоском канале с участком линейного расширения. Углы наклона стенки варьировались от 15 до 60°. Проанализированы основные режимы распространения детонации: закритический (без срыва), критический (режим с частичным срывом и реинициированием) и докритический (режим с полным разделением ударного фронта и фронта горения и срывом детонации). В расширяющейся части может иметь место образование как ячеистой структуры с большим разбросом размеров ячеек при больших углах расширения, так и структуры, близкой к равномерной при угле 15°.

Статья посвящена синтезу, экспериментальному и теоретическому исследованию энергетического материала, представляющего собой сокристаллическую форму тринитротолуол/тринитробензол (TNT/TNB). Испытания показали, что этот материал характеризуется высокой скоростью детонации и меньшей чувствительностью к удару по сравнению с TNT и TNB. Проведено молекулярно-динамическое моделирование сокристаллической формы TNT/TNB с использованием силового поля COMPASS в NPT-ансамбле. Методом теории функционала плотности исследованы зонная структура и плотность состояний при различных давлениях и температурах. Показано, что чувствительность кристалла TNT/TNB повышается в интервале давления 35¸50 ГПа, температура плавления кристалла составляет »320 К. Полученные результаты расчета хорошо согласуются с экспериментальными. Для исследования слабых взаимодействий в кристалле проведен анализ поверхностей Хиршфельда и их двумерных разверток. Показано, что упаковку кристалла обеспечивают контакты H···O, C···O и O···O.

Приведены результаты численного моделирования экспериментов Е. Зарецкого по нагружению природного урана в диапазоне температуры 27¸862 °С в области фазового перехода. Моделирование этих опытов представляет интерес из-за обнаруженных особенностей откольного разрушения урана в области фазовых переходов. В качестве модели откольного разрушения и компактирования использовалась модель динамики роста и компактирования в жидкой среде - ДРК-L, учитывающая влияние прочностных свойств, давления, поверхностного натяжения, вязкости материалов, а также силы инерции на рост и схлопывание пор. Расчеты проведены по программе УП - лагранжевой методике расчета задач деформирования механики сплошной среды в одномерном приближении.

В диапазоне частот электрического поля от 40 до 1.2·10⁹ Гц экспериментально исследованы особенности диэлектрической релаксации в энергетических конденсированных системах на основе эфируретанового каучука, пластифицированного тринитратом глицерина, а также порошков перхлората аммония, октогена и алюминия. В зависимости от частоты поля обнаружены процессы релаксации, обусловленные дипольной поляризацией, объемной электропроводностью полимерного связующего и влиянием поверхности частиц алюминия.