Главная – Журналы – Физика горения и взрыва 2021 номер 5

Методом численного моделирования установлено, что замена в богатой смеси части метана монооксидом углерода с сохранением коэффициента избытка горючего приводит к уменьшению эффекта сверхадиабатических температур, обусловленного конкуренцией химических реакций. Это было объяснено снижением содержания Н в горючей смеси и уменьшением сверхравновесной концентрации воды в продуктах сгорания. С помощью метода меченых атомов в численном моделировании и сравнительного анализа скоростей расходования CH₄ и CO установлено, что расходование обоих горючих в пламени CH₄/CO/воздух является конкурентным путем реакции и монооксид CO не играет роли инертного компонента в низкотемпературной области фронта (вопреки утверждениям ряда авторов). При этом скорость расходования CH₄ намного выше скорости расходования CO благодаря большему числу путей расходования CH₄ и их более высокой скорости. Ключевую роль в увеличении концентрации атома H в пламени при переходе от метановоздушной смеси к смеси CH₄/CO/воздух играют те же реакции, что и увеличивают скорость тепловыделения: O + CH₃ = H + CH₂O и CO + OH = CO₂ + H. Полученные результаты и их сравнение с литературными данными позволяют сделать вывод о том, что увеличение скорости выделения тепла и, следовательно, скорости распространения пламени будет сильнее в богатых смесях, поскольку теплофизический эффект там выше.

При моделировании крупномасштабных турбулентных пламен применение детальной кинетики с учетом транспортных свойств компонентов предъявляет высокие требования к объему оперативной памяти и производительности процессора. Данная работа посвящена разработке сокращенного механизма высокотемпературного окисления n-гептана, который бы мог применяться для моделирования сложных турбулентных пламен. С помощью метода ориентированных графов (DRG) и приближения квазистационарного состояния (QSSA) скелетная (65-компонентная) кинетическая модель была сокращена до модели с участием 25 компонентов, которая пригодна для расчетов при атмосферном давлении в бедных и околостехиометрических условиях. Применение метода анализа реагирующих потоков позволило получить краткую схему из 69 стадий с участием 25 соединений. Особое внимание уделено тому, чтобы избежать добавления обобщенных реакций (для всех изомерных соединений) и искусственных кинетических скоростей, выраженных в виде нелинейных алгебраических комбинаций кинетических параметров исключенных элементарных стадий. В сокращенной схеме количество исходных путей превращения радикалов сохранено в необходимом объеме. Представлено адекватное количество промежуточных углеводородов, что гарантирует правильное описание разложения и окисления n -гептана. Проведены нульмерные и одномерные расчеты предварительно перемешанных противоточных пламен и осесимметричных струйных спутных пламен. Выполнена итерационная проверка применимости разработанного механизма. Для оценки предсказательной способности механизма проведены сравнения с результатами вычисления по исходной схеме с участием 65 компонентов, а также с данными экспериментов. Сравнение показало, что разработанный механизм удовлетворительно предсказывает эти данные в заданном диапазоне условий.

С использованием стационарной математической модели выполнена оценка характеристик процесса газификации пылевидного топлива в реакторе фильтрационного горения со встречным потоком теплоносителя. Установлена высокая эффективность исследуемого метода газификации. Движение теплоносителя навстречу потоку газообразных продуктов позволяет осуществить рекуперацию значительной части выделяющейся тепловой энергии, что оказывает существенное влияние на температуру и состав продуктов горения. Показано, что характеристики газификации можно целенаправленно изменять посредством варьирования трех основных параметров: расходов воздуха и пара, а также потока теплоносителя. В качестве примера рассчитаны зависимости основных характеристик газификации: температуры горения, состава продуктов и КПД процесса от управляющих параметров. Расчеты позволяют оценить возможные режимы и выбрать оптимальный для газификации набор управляющих параметров.

С целью поиска оптимального состава топлива для камеры газогенератора ракетно-прямоточного двигателя проведено исследование влияния полимерного связующего на термическое поведение, горение и состав конденсированных продуктов газификации борсодержащих модельных композиций. Рассмотрены физико-химические превращения частиц бора при прохождении волны горения в твердотопливном составе и взаимодействии с продуктами разложения окислителя и связующего. В качестве компонентов связующих использованы олигодиенуретановый и полиэфируретановый каучуки, пластифицированные различными веществами: диметиловым эфиром фталевой кислоты, трансформаторным маслом и диоктилсебацинатом. При сохранении соотношения между каучуком и пластификатором изучены образцы последовательно усложняемого состава. После термоаналитического изучения пластификаторов и каучуков исследованы пластифицированные связующие, затем композиции этих связующих с бором, после чего определены параметры горения модельных составов, полученных при добавлении третьего компонента - перхлората аммония. Показано, что термическая деструкция более термостойкого связующего и образование расплава оксида бора в значительной степени перекрываются и протекают одновременно. Методом высокоскоростной видеосъемки выявлены особенности процесса горения композиций с различными связующими. Состав и микроструктура конденсированных продуктов газификации, как отобранных из газовой фазы непосредственно с поверхности горения, так и остающихся после сгорания в виде пористого каркаса, детально исследованы методами электронной микроскопии и термогравиметрии. На основе сравнительного анализа экспериментальных данных сделан вывод о предпочтительности использования пластификаторов и каучуков со сниженной термической стабильностью в инертных связующих для составов с аморфным бором, предназначенных для камеры газогенератора ракетно-прямоточного двигателя. Впервые показана возможность образования кристаллов субоксида бора B₆O при горении борсодержащих композиций.

Представлены результаты математического моделирования электротеплового взрыва (ЭТВ) безгазовой системы, помещенной в кольцевой слой проводящего продукта. Рассмотрено влияние изменения теплоэлектрических характеристик образца на осуществление ЭТВ, тепловые режимы и термограммы ЭТВ. На основе полученных результатов дано объяснение установленному ранее экспериментальному результату об аномальном влиянии мощности электрического нагрева на параметры ЭТВ смеси порошков титана и сажи.

Изучено влияние соотношения исходных компонентов на параметры и режимы горения смесей алюминия c оксидом меди. Показано, что при нормальных условиях такие смеси способны устойчиво гореть при содержании оксида меди не менее 30 %. При этом с увеличением содержания оксида меди до стехиометрического соотношения происходит закономерная смена режимов горения: автоколебательный, спиновый, сочетание конвективного и многоочагового, огненный факел и огненный шар. Изучено также влияние соотношения компонентов на горение трехкомпонентных смесей оксид меди - алюминий - титан, установлены концентрационные области существования четырех основных режимов их горения: автоколебательный, очаговый, огненный факел и огненный шар. Продемонстрировано, что очаговый режим горения таких смесей может существовать в пяти различных формах: спиновый, многоочаговый, сочетание конвективного и многоочагового, многоочаговый с формированием встречного фронта, многоочаговый с периодическим сбросом продуктов горения. В конденсированных продуктах горения смесей оксида меди с алюминием и титаном в зависимости от соотношения исходных компонентов зафиксировано образование меди, интерметаллидов Al₃Ti, Ti₃Al, CuAl₅Ti₂ и оксидов Al₂O₃, TiO₂, TiO, Cu₂O, Al₂TiO₅, Cu₃Ti₃O.

С использованием методов статистической физики построена модель термодинамики реагирующей смеси разреженных газов и взвеси конденсированных компонентов. Для определения детального равновесного химического состава рассматривался NVT-ансамбль и численно находился минимум свободной энергии смеси из возможных компонентов. Для определения энтальпии и свободной энергии химических соединений использовались табличные данные компонентов. Разработан алгоритм, позволяющий определять параметры детонации Чепмена - Жуге для широкого круга горючих смесей. Проведено тестирование модели путем сравнения расчетных и экспериментальных скоростей детонации. Показано хорошее соответствие для смесей с избытком кислорода. Для составов, формирующих значительное количество конденсированного углерода, получено удовлетворительное соответствие по скоростям детонации.

Проведены экспериментальное исследование и квазиодномерный расчет ускорения дисперсных частиц продуктами газовой детонации в расширяющемся канале. Расчеты показывают возможность существенного увеличения скорости порошковых частиц за счет конического расширения детонационного канала. Для частиц размерами 30 ÷ 40 мкм при углах конуса 2 ÷ 4° максимальное увеличение скорости достигает 35 ÷ 60 %. Разработана методика фиксации фотодатчиком свечения пакета ускоряемых в детонационном канале дисперсных частиц, позволяющая измерять скорость частиц с точностью ±5 %. Результаты расчетов хорошо согласуются с экспериментальными данными.

Проведены эксперименты по множественной вентиляции, вызванной разрывом вентиляционной мембраны при взрыве кукурузного крахмала в малогабаритном контейнере. Всестороннее исследование с целью выявления физических механизмов осуществлялось с применением высокоскоростной камеры и датчика давления. Результаты показали, что число вентиляций обратно пропорционально давлению открытия и максимально равно трем. Лишь при первой вентиляции внутреннее давление взрыва меняется значительно. Поведение пламени существенно различается в разных вентиляциях даже при одинаковых рабочих условиях. Первое выходное пламя имеет форму недорасширенной струи (с точечными искрами спереди), второе является ярким и сферическим (без искр), а в третьей вентиляции пламя тусклое и имеет полосатый рисунок. Кроме того, чем раньше включается вентиляция, тем больше средняя скорость пламени снаружи. С увеличением давления открытия уменьшаются максимальное расстояние и время распространения пламени в первой вентиляции; параллельно увеличиваются средняя скорость и максимум мгновенной скорости пламени. При второй вентиляции такого явления не наблюдается, хотя яркость пламени постепенно уменьшается. В целом полученные результаты могут обеспечить теоретическую основу для безопасного проектирования взрывозащиты и дальнейшего исследования механизма взрыва.

Для экспертизы нечувствительных боеприпасов требуется проведение экспериментов по передаче детонации на расстояние, в которых детонация одного заряда взрывчатого вещества (ВВ) вызывает детонацию другого заряда, а затем запускается цепная реакция. В статье разработан метод численного моделирования для прогнозирования передачи детонации на расстояние вдоль цепочки взрывателей, который включает в себя модель воспламенения и роста, уравнения состояния Джонса - Уилкинса - Ли и определяющие соотношения. Характеристики взрывателя по передаче детонации изучаются на примере цепочки, состоящей из двух взрывателей - донора и акцептора. Проанализированы факторы, влияющие на передачу детонации в последовательности взрывателей при воздействии осколками и ударной волной. Установлен критерий передачи детонации в различных режимах, который позволяет теоретической модели предсказывать результат активирования детонации в зависимости от расстояния между взрывателями. Полученные в работе результаты могут служить справочным материалом для изучения условий передачи детонации на расстояние между взрывателями.

Проведен расчетный сравнительный анализ пробивного действия кумулятивных зарядов с медными облицовками в форме конуса прогрессивной толщины с углом раствора 60º, равнотолщинной полусферы, полусферы и полуэллипсоида дегрессивной (уменьшающейся от вершины к основанию) толщины. Полярная полуось полуэллипсоидной облицовки несколько превышала экваториальную. Параметры формируемых кумулятивных струй определялись на основании численного моделирования в рамках двумерной осесимметричной задачи механики сплошных сред, а глубина пробития ими стальной преграды - на основании инженерной методики, учитывающей влияние точности изготовления зарядов. Параметры облицовок дегрессивной толщины были подобраны так, чтобы скорость головной части формировавшихся из них струй была близка к скорости, обеспечиваемой конической облицовкой. При этом пробивное действие кумулятивного заряда с полусферической облицовкой дегрессивной толщины оказалось существенно ниже, чем у заряда с конической облицовкой, который, в свою очередь, незначительно уступал по максимальной глубине пробития заряду с полуэллипсоидной облицовкой. Обсуждаются физические причины полученных результатов.