Главная – Журналы – Физика горения и взрыва 2018 номер 4

Проведен численный анализ самовоспламенения смеси водород - воздух - водяной пар при различных начальных давлениях. По результатам анализа составлен сокращенный список реакций, вносящих максимальный вклад в скорость процесса в период индукции. Предложено упрощенное аналитическое описание состояния системы перед самовоспламенением, позволяющее рассчитать тепловую мощность и скорость адиабатического разогрева системы. Представлен способ оценки пределов самовоспламенения по скорости адиабатического разогрева смеси.

Экспериментально определен верхний предел распространения пламени этановоздушных и этанокислородных смесей при различных начальных температурах и давлениях. Эксперименты показали, что с ростом начальной температуры и давления значение верхнего предела увеличивается, что согласуется с литературными данными. Предел определялся в замкнутом сосуде при центральном зажигании. Полученный предел соответствует гашению пламени при его распространении вниз после всплытия под действием силы Архимеда.

Экспериментально изучено распространение пламени в закрытом сосуде, содержащем стехиометрическую смесь пропана с воздухом и частично заполненном пористой средой. В качестве пористой среды использовались засыпки из стальных шаров диаметром 3.2 и 6 мм, а также из керамических шаров диаметром 6 мм. Получена экспериментальная зависимость максимального давления при распространении пламени в сосуде от коэффициента наполнения сосуда пористой средой. Найдены теоретические оценки давления, которые удовлетворительно согласуются с экспериментальными данными. Оценки, наиболее близкие к данным эксперимента, основаны на предположении, что газ горит адиабатически в свободном пространстве и изотермически сжимается в пористой среде. Проанализировано влияние потерь тепла из газа в пористую среду и стенки сосуда на максимальное давление.

На основе модифицированной физико-математической модели воспламенения смесей силан/водород/воздух рассчитано время задержки их воспламенения при низких начальных температурах (300-900 К) и давлениях (0.4-1 атм) смеси. Показано, что на графиках зависимости времени задержки воспламенения от температуры присутствует область так называемого отрицательного температурного коэффициента. Выявлено влияние давления смеси и содержания силана в смеси на протяженность данной области. Показано, что повышение концентрации силана в смеси, так же как и рост давления смеси, приводит к увеличению протяженности области отрицательного температурного коэффициента.

Предложена физико-математическая модель конвекции Рэлея - Бинара в химически равновесном газе при наличии химически инертных микрочастиц (Al₂O₃). Проведен линейный анализ конвекции в приближении Буссинеска. Показано, что добавление химически инертных микрочастиц увеличивает критическое значение числа Рэлея и повышает устойчивость конвективного процесса. Таким образом, на примере химически равновесного газа показана возможность использования химически инертных микрочастиц для управления и контроля конвекции в химически реагирующем газе.

Методом теплового взрыва смеси алюминия с бором, механически активированной в планетарной шаровой мельнице, получен монофазный диборид алюминия. Установлено, что дополнительная механическая обработка продуктов теплового взрыва позволяет уменьшить размеры областей когерентного рассеяния AlB₂ до нанометровых значений. Приведены результаты рентгенофазового и электронно-микроскопичекого исследования механокомпозитов и продуктов теплового взрыва.

Исследовалось влияние добавки NiO на процесс горения и структурообразование в системе Ni-Al-W в условиях самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС). Показана стадийность процесса горения составов, содержащих высокоэнергетическую добавку NiO. В результате взаимодействия частиц W с расплавом Ni-Al в процессе СВС на поверхности частиц W образуется глобулярное декорирование из частиц на основе твердых растворов вольфрама. Данный эффект наблюдается только в составах с эквимолярной смесью Ni-Al. При содержании в исходной шихте добавки NiO даже в количестве 1 ат. % глобулярное декорирование на поверхности недореагировавших частиц W не происходит. Этот эффект может быть связан с изменением температуры горения, отклонением состава фазы NiAl в сторону большего содержания Ni и с влиянием оксидных фаз на диффузионные процессы.

Высокая массовая и объемная теплота сгорания делают бор перспективным компонентом твердого топлива для воздушно-реактивных двигателей. Его применение ограничивается сложностью организации горения с высокой полнотой сгорания. Экспериментальные исследования горения одиночных частиц бора демонстрируют массу уникальных особенностей, нехарактерных для других материалов: плавающую температуру воспламенения, две стадии горения, радикальное снижение скорости горения при переходе к размеру частиц в несколько микрометров и менее. Модели, пытающиеся охватить весь диапазон температур, концентраций и размеров частиц, физически не очевидны, сложны для воспроизведения и не обладают необходимой для решения практических задач точностью. В работе предлагается простая диффузионная модель горения частиц бора, хорошо описывающая горение частиц размером 34.5 и 44.2 мкм при температурах выше 2240 К.

Проведено исследование порошков бора и его соединений, полученных различными методами - металлотермическим, электролитическим и крекингом бороводородов. Детально исследованы кристаллическое состояние, размер и микроструктура частиц, наличие и состав примесей, а также химический состав оксидного слоя частиц бора. Проведен анализ влияния указанных характеристик на параметры окисления частиц при нагревании с постоянной скоростью. Установлено определяющее влияние химического состава поверхностного слоя частиц на температуру начала их интенсивного окисления. Показано, что максимальный прирост массы и величина тепловыделения при окислении порошков бора практически не зависят от особенностей микроструктуры, кристаллического состояния, химического состава частиц и толщины их оксидного слоя и не могут служить показателями полноты окисления бора при нагревании.

Изучен процесс нагрева энергетических материалов излучением лазеров с непрерывной накачкой с волоконной доставкой излучения на длинах волн ближнего ИК-диапазона 0.98-1.56 и 1.94 мкм. Использовались прессованные образцы вторичных взрывчатых веществ (ВВ), а также дымный порох в виде порошка. Измерены длительность линейного участка нарастания температуры и скорость ее нарастания в начальный момент времени после воздействия лазерного излучения. Установлено, что скорость нарастания температуры в начальный момент времени пропорциональна мощности лазерного излучения aP. При диаметре лазерного пучка 600 мкм, выходящего из волокна, коэффициент пропорциональности a для вторичных ВВ составил 6-250 К/(c x Вт) при длине волны 0.98 мкм и 40-2000 К/(c x Вт) при длинах волн 1.56 и 1.94 мкм. Для порошка дымного пороха a = 7000-15000 К/(c x Вт), что на порядок и более выше, чем для большинства изученных нами вторичных ВВ. Исследована возможность повышения эффективности лазерного разогрева вторичных ВВ при нанесении на поверхность образцов поглощающей тонкой пленки. Исследована динамика нагрева и начальная стадия воспламенения энергетических материалов при воздействии лазерного излучения.

Режимы непрерывной детонации топливовоздушных смесей метан/водород - воздух в спиновых и встречных поперечных детонационных волнах впервые реализованы в проточной кольцевой цилиндрической камере сгорания диаметром 503 мм. Исследовано двухкомпонентное горючее метан/водород с массовыми долями Н₂ в горючем 1/9-1/2 в диапазоне удельных расходов смеси 64-1310 кг/(с x м²) при коэффициенте избытка горючего ϕ = 0.78¸1.56. В смесях метан/водород - воздух с горючим двух составов СН₄ + 8Н₂ и СН₄ + 4Н₂ реализованы одноволновые и двухволновые режимы непрерывной спиновой детонации с частотой вращения поперечных детонационных волн 0.56-1.66 кГц при ϕ = 0.78-1.02, а для составов СН₄ + 2Н₂ и СН₄ + 1.5Н₂ - непрерывная многофронтовая детонация с двумя встречными поперечными детонационными волнами с частотой 0.86-1.34 кГц при ϕ = 1.0-1.23. В смеси СН₄ + Н₂ + воздух наблюдали как горение в камере, так и непрерывную спиновую детонацию вне камеры сгорания с поперечными детонационными волнами, вращающимися с частотой 1.01-1.1 кГц. Получены нижние пределы непрерывной детонации по удельному расходу смеси 64, 100, 200 и 790 кг/(с x м²) для горючего составов СН₄ + 8Н₂, СН₄ + 4Н₂, СН₄ + 2Н₂, СН₄ + 1.5Н₂ соответственно, а также по массовой доле водорода в составе горючего метан/водород ≈0.16. Обнаружено нарушение регулярности структуры волн непрерывной детонации, а также их скорости с уменьшением доли водорода в двухкомпонентном горючем.

Для описания ударного сжатия конденсированного вещества предложено малопараметрическое уравнение состояния вещества в форме Ми - Грюнайзена. Уравнение основывается на постулируемой зависимости коэффициента Грюнайзена от удельного объема и температуры Г(V,T), качественно описывающей сжатие металлических образцов в сильных ударных волнах. По зависимости Г(V,T) c использованием обобщенной формулы для функции Грюнайзена найдена кривая холодного сжатия. Тепловые колебания кристаллической решетки описываются в приближении Дебая. Построенная функция Грюнайзена имеет два свободных параметра. Значения других коэффициентов уравнения состояния определяются по справочным данным для вещества при нормальных условиях, а также из предельных значений в экстремальных условиях. Апробация модели выполнена для меди. Построенное уравнение состояния описывает кривую холодного сжатия, нормальную изотерму, ударную сжимаемость, а также кривые разгрузки меди в диапазонах плотности, давления и внутренней энергии, для которых доступны опытные данные. Выполнены расчеты термодинамических характеристик меди (изоэнтропический модуль объемного сжатия, скорость звука, температура Дебая, теплоемкость, коэффициент линейного расширения, температура плавления). Сравнение с имеющимися на сегодняшний день опытными данными показывает, что построенная модель, несмотря на свою простоту, позволяет единообразно описать большой массив экспериментов в области высоких плотностей энергии.

Измерена метательная способность эмульсионного взрывчатого вещества, сенсибилизированного полимерными микробаллонами Expancel, в диапазоне начальной плотности 0.193-1.2 г/см³. Использовались метод торцевого метания и метод метания цилиндрической оболочки. Проведено сравнение этих результатов с полученными для аммонита 6ЖВ. Выполнено также сравнение экспериментальных результатов с расчетом по программе ANSYS AUTODYN.

Выполнен анализ влияния материала оболочки (меди и карбида кремния) на процесс детонации цилиндрического заряда взрывчатого вещества (ВВ). Отмечены существенные различия волновых картин как в продуктах детонации, так и в оболочках, что связано с различием скоростей звука и быстрым разрушением керамики при взрывном нагружении. Выявлены особенности волновой картины на границе раздела ВВ/керамика, связанные с десенсибилизацией ВВ вследствие его нагружения опережающей волной со стороны оболочки, которые проявляются в снижении давления, размытости детонационного фронта и повышении массовой скорости. В течение всего процесса происходит непрерывное увеличение времени взрывного разложения вблизи границы раздела ВВ с керамической оболочкой. На оси симметрии за детонационным фронтом заряда ВВ в керамической оболочке наблюдается затянутая область с постоянным давлением, близким к давлению Чепмена - Жуге.