Главная – Журналы – Физика горения и взрыва 2018 номер 2

Методом молекулярно-пучковой масс-спектрометрии исследована структура пламен предварительно перемешанных смесей этилбутаноат/O₂/Ar, стабилизированных на плоской горелке при атмосферном давлении. Профили молярной доли реагентов, стабильных продуктов и основных промежуточных соединений, а также профили температуры получены в пламенах стехиометрической (φ = 1) и богатой φ = 1.5) горючей смеси. Экспериментальные данные и их анализ представлены в сравнении с экспериментальными и численными данными, полученными ранее в пламенах метилпентаноата. Проведено моделирование структуры пламен этилбутаноата на основе детального химико-кинетического механизма окисления сложных эфиров жирных кислот, представленного в литературе. Полученные экспериментальные профили сопоставлены с расчетными, проведен анализ путей превращения этилбутаноата. На основе сравнительного анализа экспериментальных и расчетных данных выделены основные недостатки представленной в литературе модели и предложены возможные способы улучшения модели. Обсуждаются особенности разложения этилбутаноата и метилпентаноата исходя из анализа их путей превращения, обозначены сходства и характерные различия процесса их окисления, обусловленные разной структурой молекул исходных топлив.

На основе детальной кинетической модели окисления сероводорода проведен анализ получения водорода при пиролизе и частичном окислении H₂S. Показано, что при пиролизе H₂S в адиабатическом проточном реакторе при времени пребывания ≈1 с реализуется весьма небольшой выход H₂. Даже при начальной температуре смеси T₀ = 1400 K молярная доля H₂ хотя и достигает равновесного значения в пределах реактора, но составляет лишь 12 %. При T₀<1200 K химическое равновесие в проточном реакторе не успевает установиться и концентрация H₂ меньше равновесной, а при T₀<1000 K пиролиз практически не идет. Небольшая добавка воздуха к H₂S приводит к выделению энергии, повышению температуры и, как следствие, к ускорению конверсии H₂S. При этом относительный выход H₂ может быть увеличен в несколько раз. Установлено, что для каждого значения T₀ существует оптимальное значение коэффициента избытка топлива φ, обеспечивающее максимальный выход H₂ в смеси H₂S-воздух. Процесс частичного окисления при больших значениях φ>φ_b и низких T₀ существенно неравновесный, в результате чего концентрация H₂ на выходе из реактора конечной длины может быть выше своего равновесного значения, например, при T₀ = 800 K и φ = 6÷10 на 30÷40 %. Определены причины достижения «сверхравновесной» концентрации H₂ на выходе из проточного реактора.

Проведено исследование бис(4-нитрофуразан-3-ил)фуразана (DNTF) и 3,4-бис(4-нитрофуразан-3-ил)фуроксана (DNFF) в качестве потенциальных компонентов смесевых твердых ракетных топлив. Экспериментально определены значения их теплоты сгорания и энтальпии образования. Рентгеноструктурный анализ показал, что кристаллы DNTF и DNFF ортогональные, одной и той же пространственной группы P2₁2₁2₁. Показано, что DNTF и DNFF малоэффективны в ракетных топливах с углеводородным связующим, но для композиций без алюминия с активным связующим можно легко обеспечить при использовании DNTF удельный импульс 254.5 с при давлении в камере сгорания и на срезе сопла соответственно 40 и 1 атм и при плотности 1.77 г/см³, а в случае DNFF - 258 с при плотности 1.79 г/см³.

Определены оптимальные режимы инициирования процесса самораспространяющегося высокотемпературного синтеза с помощью электронных пучков на примере порошковой смеси Ti–Al–C. Использовался импульсный электронный пучок с энергией частиц в десятки килоэлектронвольтов и длительностью в сотни микросекунд. Исследованы морфология, структура и элементный состав образовавшихся продуктов в виде Ti₃AlC₂ и TiC.

Экспериментально показана возможность горения смеси пероксида хрома с нитридом алюминия. Изучено влияние начального давления азота и соотношения реагентов на среднюю линейную скорость горения, а также на относительную потерю массы при горении смеси СrO₃/AlN. Определены концентрационные пределы скорости горения исследуемой смеси. Изучена микроструктура, фазовый и химический состав продуктов горения хромово- и нитридоалюминиевой смеси.

Рассматривается подход, позволяющий обобщать закономерности горения твердотопливных зарядов в газогенераторах двигательных установок на основе одномерной дифференциальной модели. Путем решения обратной задачи теории горения и использования данных измерения параметров газа в газогенераторе выполняется идентификация входящей в дифференциальную модель функции скорости тепловыделения, представленной взаимно ортогональными полиномами Лаггера. Это позволяет установить связь особенностей процесса горения твердого топлива с режимами работы газогенератора и сформулировать граничные условия для численного исследования при проектировании твердотопливного газогенератора.

Разработана физико-математическая модель искрового зажигания аэровзвеси угольной пыли, основанная на двухфазной двухскоростной модели реагирующей газодисперсной среды. Представлены результаты численного решения задачи об искровом зажигании аэровзвеси угольной пыли с учетом ее движения, обусловленного расширением газа при разогреве. Получены зависимости минимальной энергии искрового зажигания аэровзвеси угольной пыли от массовой концентрации и размера частиц угольной пыли. С увеличением размера частиц минимальная энергия искрового зажигания повышается. Существует массовая концентрация частиц угольной пыли, при которой энергия искрового зажигания минимальна. Проведенное сравнение результатов расчетов минимальной энергии искрового зажигания угольной пыли с известными экспериментальными данными показало их удовлетворительное согласие.

Представлена физико-математическая модель детонации газовзвеси частиц алюминия нанометрового диапазона размеров с учетом перехода от континуального к свободномолекулярному режиму обтекания и теплообмена частиц. Предложена формула логарифмической интерполяции для времени тепловой релаксации в переходном режиме. Развита полуэмпирическая модель приведенной кинетики горения аррениусовского типа, обеспечивающая согласование с известными экспериментальными данными. Проанализированы стационарные структуры (Чепмена - Жуге, пересжатые), а также волны ослабляемой детонации нанодисперсных взвесей. Установлены характерные свойства детонации наноразмерных взвесей: режимы нормальной детонации соответствуют решениям в плоскости Чепмена - Жуге с конечным состоянием, звуковым по равновесной скорости звука; горение происходит практически в равновесной по скоростям и температурам смеси; имеется сильная зависимость протяженности зоны горения от амплитуды лидирующей ударной волны.

Предложены физико-математические модели для описания процессов распространения, ослабления и подавления детонации в смесях водород - кислород, метан - кислород и силан - воздух с инертными микро- и наночастицами. На основе этих моделей найдены зависимости дефицита скорости детонации от размера и концентрации инертных микро- и наночастиц. Выявлены три типа детонационных течений в газовзвесях реагирующих газов и инертных наночастиц: стационарное распространение ослабленной детонационной волны в газовзвеси, распространение галопирующей детонационной волны вблизи концентрационного предела, разрушение детонационного процесса. Определено, что механизмы подавления детонации микро- и наночастицами близки и заключаются в распаде детонационной волны на ослабляющуюся замороженную ударную волну и отстающий фронт воспламенения и горения. Концентрационные пределы детонации в рассматриваемых реагирующих газовых смесях с частицами диаметром от 10 нм до 1 мкм также сопоставимы. Оказалось, что при переходе от микрочастиц к наночастицам эффективность подавления детонации не увеличивается.

Проведено экспериментальное и теоретическое исследование детонации смесей ацетилена, этилена и пропилена с кислородом в области концентраций топливного компонента, когда возможно выделение углеродного конденсата в продуктах. В отличие от традиционного способа исследования детонации в закрытой трубе и покоящейся смеси, в данной работе исследования выполнены в трубе с открытым торцом (для истекающих продуктов детонации) в условиях раздельной подачи компонентов смеси и их перемешивания при проточной подаче в детонационную трубу через камеру зажигания. Для напуска смеси в трубу использована многоканальная система газопитания установки детонационного напыления CCDS2000 с компьютерным управлением. Измерены размеры ячеек и скорости детонации, проведены расчеты этих параметров с использованием компьютерной программы «Безопасность». Сравнение расчетных и экспериментальных зависимостей свидетельствует о сложном характере трансформации продуктов детонации из чисто газового состояния в гетерогенное и его обратном влиянии на детонационную волну.

Рассмотрены экспериментальные данные по однократному и двукратному ударному сжатию исходно жидких и газообразных (поджатых начальным давлением) изотопов водорода протия и дейтерия при давлениях ≈10÷180 ГПа и температурах ≈3000÷20000 К. Средние значения измеренных величин (давление, плотность, внутренняя энергия, температура) показывают, что при давлении ≈41 ГПа в интервале температур ≈3500÷5700 К и при давлении ≈74 ГПа в интервале температур ≈5000÷7500 К водород характеризуется отрицательным коэффициентом Грюнайзена. Подобная аномалия может иметь важное значение при рассмотрении ряда процессов, в том числе протекающих в газовой оболочке Юпитера, состоящей в основном из смеси протия (≈90 %) и гелия ( ≈10 %). В диапазоне давлений (глубин) ее проявления конвекция в оболочке из протия запрещена при увеличении в ней температуры с ростом давления. Возможно, что относительно небольшое содержание гелия не подавляет аномалию и она является барьером для широкомасштабной конвекции в оболочке Юпитера. Для подтверждения аномалии требуются уточняющие опыты.

С применением эмульсионного взрывчатого вещества получено сваркой взрывом соединение сталей различной твердости через пластичную прокладку. В зоне соединения обнаружены два типа волн - крупные и мелкие, ранее экспериментально не наблюдавшиеся. Предложены эмпирические зависимости для расчета размеров волн, учитывающие влияние на них прочности и плотности соударяющихся материалов. Трещинообразования в зоне соединения можно избежать путем снижения размеров волн.

Для свариваемых взрывом металлических пластин характерно формирование на межслойных границах локальных микрообъемов, в пределах которых происходит перемешивание взаимодействующих материалов. Эти микрообъемы могут располагаться дискретно вдоль границ волнообразной формы либо непрерывно в виде тонких прослоек вдоль плоских границ. На основании множества опубликованных работ было показано, что материал в этих зонах оплавляется, а последующее его затвердевание происходит с высокой скоростью, приводящей к формированию метастабильных фаз. В данной работе выполнен анализ формирования метастабильных фаз в соединениях сталь-сталь, Ta-сталь, Nb-Al и Zr-Cu. Проведена оценка скоростей охлаждения указанных материалов в зонах перемешивания. Расчетным путем показано, что скорость охлаждения расплавов, возникающих в зонах сварных швов исследуемых композитов, находится в диапазоне 10³÷10⁶ К/с. В результате охлаждения зон перемешивания с такими высокими скоростями в них формируются метастабильные структуры. В отдельных случаях кристаллизация материалов подавляется и в зонах расплава формируются металлические стекла и квазикристаллические фазы.

При помощи специального устройства сохранены расширяющиеся под действием продуктов детонации металлические цилиндрические оболочки в промежуточной фазе, когда трещины проникают на всю толщину стенки. Для определения необходимого внутреннего диаметра устройства сохранения процессы расширения и разрушения оболочек из стали 40CrMnSiB регистрировались высокоскоростной камерой. Численное моделирование взаимодействия расширяющейся оболочки и устройства сохранения, а также влияния толщины стенки этого устройства проведено при помощи программы Autodyn-3D. Диаметр оболочки, сохраненной в промежуточной фазе разрушения, увеличился в 1.77 раза по сравнению с исходным, в то время как радиальная деформация составляла 5 мм. Установлено, что распределение трещин, расстояние между проникающими трещинами и число окружных разделений изменяются вдоль оси оболочки.

Наше научное направление и наш журнал понесли невосполнимую утрату. После тяжелой болезни скончался один из ведущих специалистов страны в области исследования детонационных процессов в конденсированных средах доктор физико-математических наук, член редакционного совета журнала «Физика горения и взрыва» Борис Григорьевич Лобойко. Журнал выражает глубокое соболезнование родным и близким, сотрудникам Бориса Григорьевича.

В издательстве <Литео> опубликована монография: А. И. Бенин Программный комплекс <Тепловой взрыв> (TSS). Научные основы и методология. (ISBN 978-5-00071-913-8). Цель монографии — изложить научные основы, методологию и технологию использования программного комплекса <Тепловой взрыв> (далее — комплекс TSS), представляющего собой мощный инструмент для решения проблем анализа реакционных опасностей и термической безопасности на базе применения методологии математического моделирования. Программный комплекс TSS имеет широкую известность и используется в США, Германии, Франции, Китае, Японии, Израиле и других странах. Информацию о комплексе TSS можно найти на сайте www.cisp.spb.ru. Монография является первым изданием не только в отечественной, но и в мировой практике, в котором с единых позиций системного анализа с применением математического моделирования описаны научные основы, методики, способы и средства исследования термической опасности химической продукции и химических процессов. Имея в своей основе классическую теорию теплового взрыва, созданную Н. Н. Семёновым, Д. А. Франк-Каменецким, О. М. Тодесом и А. Г. Мержановым, комплекс TSS расширяет ее возможности на химические процессы со сложной многостадийной кинетикой, на объекты со сложной геометрией, на сложные неизотермические режимы. Впервые публикуются результаты разработки новой технологии исследования термической безопасности производства важного практического химического продукта - перекиси водорода. Книга может быть полезна всем, кто в своей научной и практической деятельности связан с исследованиями и практическим использованием высокоэнергетических химических веществ и химических процессов, обладающих опасностью теплового взрыва. Книга выпущена в формате электронного издания. Объем книги - 672 с. С информацией о монографии можно ознакомиться на сайте www.tss-book.ru. ИНФОРМАЦИЯ 9-й Международный семинар по структуре пламени (9ISFS)

В номере 4 за 2017 год на странице 3 в списке организаций допущена опечатка. Напечатано: ⁴Институт вычислительной математики СО РАН, 630090 Новосибирск Следует читать: ⁴Институт вычислительных технологий СО РАН, 630090 Новосибирск