Главная – Журналы – Физика горения и взрыва 2021 номер 1

Путем численного кинетического анализа изучено влияние SO₂ на процессы окислительного превращения водорода и метана в широком диапазоне температур 400 ÷ 1 500 °C при давлении реагирующей смеси 1 атм. Анализ показал, что диоксид серы может оказывать как ускоряющее, так и ингибирующее воздействие на окислительные процессы превращения водорода и метана, что является следствием участия SO₂ и продуктов его химического превращения в сопряженном процессе. Ускоряющее воздействие SO₂ на изученные процессы окислительного превращения водорода и метана наблюдается в области низких температур, а замедляющее - в области повышенных.

Представлены новые данные о параметрах горения и детонации двухтопливных смесей метана и водорода с кислородом и воздухом при варьировании соотношения как между СН₄ и Н₂, так и между топливными компонентами и окислителем, включая данные о критической энергии инициирования детонации, характерном размере детонационных ячеек, скорости детонации и энерговыделении в детонационных волнах. Приведены новые данные о параметрах горения и детонации метановых смесей при их разбавлении водой, в том числе применительно к газогидратам.

На детонационном комплексе CCDS2000 для ацетилена, этилена, пропилена и многокомпонентного топлива МАФ проведены эксперименты по измерению скорости детонации и регистрации ячейки детонационного фронта в трубе диаметром 26 мм длиной 2 м при атмосферном давлении в стехиометрических смесях, разбавляемых азотом до воздушных концентраций, и для топливовоздушных с вариацией содержания топлива в них. При проточной подаче компонентов взрывчатой смеси путем стратификации заряда взрывчатой смеси в зоне инициирования удалось добиться устойчивого возбуждения самоподдерживающейся детонации вплоть до предельных (спиновых) режимов. Определены концентрационные пределы существования детонации. В топливовоздушных смесях ацетилена и этилена при отходе от пределов наблюдается многофронтовая детонация, а для пропилена и МАФ диаметр трубы 26 мм является околокритическим - во всем диапазоне существования реализуется лишь одно- и двухголовый спин. Результаты расчета хорошо согласуются с экспериментом.

Разработана модель нестационарной гомогенной нуклеации паров оксида бора в химически реагирующих газовых смесях. С ее помощью выполнено численное исследование гомогенной нуклеации паров оксида бора в соплах Лаваля разной геометрии. Определены характерные значения размеров ядер конденсации оксида бора и их концентрации. Оценены значения потенциального барьера нуклеации, скорости нуклеации и времени задержки нуклеации. Выявлены важные качественные особенности развития гомогенной нуклеации по длине сопла. На основе полученных данных сформулированы рекомендации по применению модели и ее развитию.

Различие молярных масс горючего газа и его продуктов горения оказывает сильное влияние на скорость горения и температуру пламени. Вместо различия молярных масс можно рассматривать различие теплоемкостей при постоянном давлении. В зоне горения существует два источника тепла. Первый из них химический. Второй похож на выделение (или поглощение) тепла при фазовом переходе 1-го рода, но в зависимости от процесса может иметь частично химическую природу. Чем больше теплоемкость горючего по сравнению с теплоемкостью продуктов горения, тем выше скорость горения и температура пламени. Для физической полноты обсуждаемого вопроса рассмотрен идеальный термодинамический цикл и показано, что формула Карно должна содержать поправочный множитель, учитывающий изменение теплоемкости.

Изучено горение механоактивированных смесей состава 2Co-Ti-Al и Co-2Ti-Al и синтезированы сплавы на их основе в режиме саморапространяющегося высокотемпературного синтеза. Проведены микроструктурные, рентгенографические и дифференциально-термические исследования. Методом механоактивации впервые получен сплав на основе фазы Гейслера Co₂TiAl. Экспериментально подобраны условия механоактивации реакционной порошковой смеси для формирования однофазного материала.

Экспериментально исследована зависимость процесса горения гранулированной шихты Ti + C от размеров гранул. Установлено, что скорость горения гранулированной смеси всех фракций, использованных в работе, выше скорости горения порошковой смеси насыпной плотности. Показано, что при уменьшении размера гранул скорость горения шихты в отсутствие газа снижается из-за увеличения количества границ между гранулами на единицу длины образца. Обнаружено сильное влияние потока азота на скорость горения как крупных, так и мелких гранул. Показано, что, в отличие от мелких гранул, для крупных увеличение расхода азота свыше 600 л/ч приводит к переходу в конвективный режим горения. Выполненные исследования свидетельствуют, что, несмотря на структурную аналогию между механоактивированными и гранулированными смесями, соотношение между временем сгорания и временем перехода фронта в гранулированных смесях совершенно другое. Это означает, что закономерности горения гранулированных смесей даже в отсутствие потока газа невозможно объяснить в рамках микрогетерогенной модели.

Исследовано влияние микропомола на процессы воздушной конверсии пылеугольного топлива. На основе данных экспериментов методами вычислительной гидродинамики выполнено моделирование, которое определило условия протекания исследуемого процесса. Проведено расчетное исследование конверсии угля грубого помола в среде продуктов сгорания угля микропомола при соотношении расходов первичного и вторичного угля 0.82 и соотношении соответствующих расходов воздуха 0.35, при коэффициентах избытка первичного воздуха 0.8, вторичного 1.87 и общего 1.39, при температурах в активной зоне более 1 200 °C. По результатам расчета для указанного режима степень конверсии первичного угля составила 100 %, вторичного - 60 %, а общая конверсия ≈80 %. Полученные результаты указывают на возможность повышения эффективности сжигания угля за счет технологии микропомола применительно к системам безмазутного розжига и подсветки факела на паровых пылеугольных котлах ТЭС.

Разработан экспериментальный метод определения предельных возмущений давления, инициирующих акустическую неустойчивость в камерах сгорания жидкостных ракетных двигателей, на основе которого выполняются оценки запасов устойчивости рабочего процесса. Метод основан на статистической обработке зарегистрированных пульсаций давления "шумов" в окрестности собственных резонансных частот для всех нормальных мод акустических колебаний в цилиндрических камерах сгорания и газогенераторах. В качестве диагностического критерия прогнозирования устойчивого либо неустойчивого состояния динамической системы принят коэффициент (декремент) затухания колебаний, характеризующий разницу генерируемой и диссипируемой энергии. Метод построен на базе теории автоколебательных динамических систем и одномерных марковских случайных процессов с использованием аппарата уравнения Фоккера - Планка - Колмогорова. Анализ нелинейного дифференциального уравнения с симметризованной стохастической правой частью, описывающей белый шум, для экспериментально определенных амплитуд пульсаций давления и их статистической обработки с использованием пакета программ "Мера" позволяет идентифицировать состояние автоколебательной системы как устойчивое либо неустойчивое. Метод является "пассивным", он применим без использования стандартных внешних импульсных возмущающих устройств.

Представлены метод и результаты экспериментального исследования характеристик зажигания образцов высокоэнергетических материалов многомодовым лазерным излучением. Для получения равномерного распределения плотности потока излучения по торцевой поверхности цилиндрического образца используется его вращение вокруг оси симметрии с заданной угловой скоростью. Исключение влияния конвективного теплообмена торцевой поверхности образца с окружающей средой на характеристики зажигания обеспечивается размещением образца в цилиндрическом контейнере. Приведены результаты экспериментов по зажиганию образцов пироксилина излучением CO₂-лазера с вращением и без вращения образца.

Октоген широко используется в современном оружии в качестве основного компонента пластических взрывчатых веществ. Известно, что безопасность этих веществ тесно связана с их микроструктурой. Нарушения однородности, такие как поры микронного размера, пузырьки воздуха, границы раздела между кристаллами и связующим, могут трансформироваться в горячие точки при ударном воздействии. Предложена трехмерная механотермохимическая связанная модель для исследования коллапса воздушного пузыря в кристалле октогена при ударе. Для прогнозирования механического отклика октогена на ударную нагрузку использованы вязкопластическая модель и уравнение состояния Берча - Мурнагана. Термическое разложение октогена моделировалось с помощью многоступенчатых уравнений термического разложения. Вязкопластическая модель дает результаты, приемлемо согласующиеся с экспериментом при плоском ударе. Проведен анализ влияния длины ребра расчетного элемента на результаты моделирования. Выполнен ряд численных расчетов для изучения обоснованности применения вязкопластической модели при различных ориентациях решетки октогена. Впоследствии разработанная модель использовалась для изучения коллапса воздушного пузырька/поры в кристалле октогена при различных скоростях удара.

Методом соосаждения из раствора получен гексоген, содержащий небольшую примесь одностенных углеродных нанотрубок. Детонация такого состава исследована электромагнитным методом измерения массовой скорости и методом электропроводности высокого разрешения. Наблюдался хорошо выраженный химпик. Получены предварительные указания на ускорение реакции в присутствии нанотрубок. Измерения электропроводности осложнялись заметной проводимостью исходного материала, и при учете этого фактора профили электропроводности за фронтом детонации оказались близки к наблюдавшимся для чистого гексогена. Обсуждаются возможные причины влияния нанотрубок на детонационные характеристики.

Представлены результаты исследования динамического сжатия пластифицированного тэна методом составного стержня Гопкинсона (ССГ). Описана методика испытаний и отдельные аспекты этого метода. Кратко приведены преимущества метода ССГ по сравнению с копровыми испытаниями взрывчатых веществ. В опытах скорости деформации составили 7 500 ¸ 12 000 с^-1. Построены диаграммы усилие - деформация, усилие - смещение, оценена величина энергии, необходимая для возбуждения взрывчатого превращения. Предложено использовать данный метод как дополнительный к имеющимся методам изучения характеристик взрывчатых веществ.

Прихват труб является одной из технических проблем в буровой промышленности, он оказывает значительное влияние на эффективность бурения и стоимость скважин. Для устранения залипания глубоководных труб разработан новый тип картриджа для кумулятивной резки. Структура картриджа представляет собой линейный кумулятивный заряд, включающий в себя эмульсионное взрывчатое вещество на основе гидрида магния и медные трубки. В процессе детонации эмульсионного взрывчатого вещества медные трубки образуют несколько линейных кумулятивных струй по кольцу, которые прорезают застрявшую бурильную трубу. Результаты показывают, что свойства эмульсионного взрывчатого вещества на основе гидрида магния соответствуют требованиям, предъявляемым к взрывчатому веществу для использования его в условиях, существующих в окружающей среде в точке залипания. Картридж для кумулятивной резки был успешно применен в медной шахте для решения проблемы с застрявшей трубой, и эксперимент показал хорошие результаты.