Главная – Журналы – Физика горения и взрыва 2022 номер 1

Ввиду отсутствия экспериментальных данных для построения фазовой диаграммы жидкой и газообразной смеси водорода с кислородом, ее определение проводится модельным образом. Модельные диаграммы, предсказанные ранее (Deiters et al., 1993) двумя способами (I и II) при давлении до ≈100 МПа и температуре до ≈100 K, имеют значительные различия, которые рассматриваются авторами как приближенная мера неопределенности знания реальной фазовой диаграммы этой смеси. В настоящей работе диаграмма состояний смеси водорода с кислородом определена с использованием предложенной ранее модифицированной модели Ван-дер-Ваальса для индивидуальных и смесевых веществ. Расчеты выполнены в двух (A, B) вариантах, отличающихся параметром бинарного взаимодействия. Для контроля этих вариантов на их основе определены модельные диаграммы смесей водорода с азотом, аргоном и метаном, для которых имеются экспериментальные данные в диапазоне давлений и температур, сопоставимых с названными выше для смеси водорода и кислорода. Более реалистичным является вариант B, лучше согласующийся с экспериментом по сравнению с вариантом А. Фазовая диаграмма, рассчитанная способом В для смеси водорода с кислородом, близка к расчету способом I, что указывает на ее бóльшую реалистичность по сравнению со способом II.

Проведено численное моделирование динамики горения предварительно перемешанной метановоздушной смеси в канале с препятствием с целью исследования механизма взаимодействия пламени с созданным препятствием вихрем. Моделирование проводилось с помощью открытого программного комплекса OpenFOAM. Выделено четыре стадии в процессе распространения пламени. Выявлен ряд неустойчивостей, сопровождающих распространение пламени. Численные результаты показали, что более длинное препятствие обеспечивает более длительное время ускорения пламени, что приводит к более сильному повышению давления взрыва и более высокой скорости носика пламени.

Методом численного моделирования изучены скорости ламинарных пламен предварительно перемешанных стехиометрических смесей CH₄-N₂O, разбавленных 30 ÷ 60 (об.) % N₂, при различных начальных давлениях (1 ÷ 10 бар) и температурах (273 ÷ 423 К). Моделирование проводилось с помощью программного пакета Cosilab с использованием механизма GRI-Mech 3.0, состоящего из 325 элементарных реакций с участием 53 соединений. Проведено сравнение рассчитанных скоростей пламен с литературными данными. Исследовано влияние начальных параметров (давления, температуры, концентрации N₂) смесей CH₄-N₂O-N₂ на скорость пламен, их максимальную температуру, скорость тепловыделения и максимальные концентрации промежуточных продуктов горения. С использованием зависимости скорости пламени от начального давления и средней температуры пламени определены общие параметры активации окисления смеси CH₄-N₂O.

Реализованы режимы детонационного сжигания авиационного керосина ТС-1 в потоке воздуха в проточной вихревой радиальной камере диаметром 500 мм с истечением к центру. В опытах варьировался диаметр выходного сечения камеры от 250 до 125 мм и форма одной из ее стенок. Расход воздуха в детонационных режимах составлял 5.23 ÷ 23.85 кг/с, а керосина - 0.49 ÷ 1.2 кг/с. Коэффициент избытка горючего изменялся в пределах 0.58 ÷ 2.24. Керосин перед подачей в камеру сгорания барботировался воздухом. Наблюдали пульсирующую детонацию с радиальными волнами и непрерывную спиновую детонацию с одной вращающейся детонационной волной со скоростью, близкой к скорости детонации Чепмена - Жуге. Структура детонационных волн и течение в их окрестности принципиально не отличались от наблюдавшихся ранее в плоскорадиальной камере меньшего диаметра 204 мм. Обнаружено сильное влияние детонационных волн в камере сгорания на систему подачи воздуха и керосина. Центробежные силы, действующие на поток смеси и продукты детонации, увеличивались с уменьшением выходного отверстия камеры сгорания (с увеличением длины камеры). При одинаковых удельных расходах керосиновоздушных смесей наблюдались повышенные давления у цилиндрической поверхности камеры в холостых запусках по сравнению с детонацией.

С использованием предварительной механической активации (МА) исходных смесей порошковых реагентов в энергонапряженной планетарной шаровой мельнице и последующего самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) получены монофазные МАХ-фазы состава Ti₃AlC₂ и Ti₃SiC₂. Приведены результаты рентгенофазового и электронно-микроскопического исследования продуктов МА и СВС.

Изучены закономерности генерации термоЭДС при горении смесей порошков титана и бора под давлением. Показано, что при содержании бора в смеси менее 2.5 моль термоЭДС генерируется в виде постоянного положительного сигнала, при 2.5 < B < 4.0 моль - в виде постоянного отрицательного сигнала, а при B > 4.0 моль - отрицательного импульса. Генерация положительного сигнала обусловлена электронным типом проводимости частиц титана, а отрицательная - "дырочной" проводимостью частиц бора. Получены экспериментальные зависимости максимальной температуры, средней скорости, ширины волны горения и термоЭДС от молярного содержания бора в смеси. Показано, что наибольшая ширина волны горения составляет около 10 мм, а минимальная (критическая) - 1 мм.

Изучены закономерности горения высокоэкзотермических многокомпонентных смесей Co₃O₄/Cr₂O₃/Nb₂O₅/Al c добавками MoO₃, WO₃ и углерода (графита) под воздействием перегрузки до 200g. Показано, что введение углерода в исходную смесь оказывает заметное влияние на горение, формирование химического состава и структуру продуктов горения. С ростом массового содержания углерода в исходной смеси от 0 до 3.9 % скорость горения падает более чем в два раза, а интенсивность диспергирования продуктов горения и потеря массы заметно возрастают. Двухфазный расплав продуктов горения под действием перегрузки расслаивается на два слоя, которые при охлаждении кристаллизуются. Нижний металлический слой содержит Co, Nb, Cr, W, Mo, С и примесный алюминий, а верхний сформирован в основном из Al₂O₃. С увеличением содержания углерода выше 4.0 % вначале прекращается сепарация металлической и оксидной фаз, а при дальнейшем увеличении достигается предел горения. С ростом содержания углерода в смеси от 0 до 3.9 % его концентрация в литом композиционном материале достигает 5.4 %, содержание Al около 4.0 %, а содержание Co, Nb, Cr, W и Mo изменяется мало. Шлаковый продукт горения содержит оксид металла восстановителя (Al₂O₃), а также растворенную в нем примесь Cr₂O₃.

Методом дифференциальной сканирующей калориметрии проведено исследование эвтектических смесей 1-метил-3,4,5-тринитропиразола (MTNP) с 3,4-бис(3-нитрофуразан-4-ил)фуроксаном (DNTF) с разным молярным соотношением компонентов, построены фазовые диаграммы температура плавления - состав, а также энтальпия плавления - состав. Из полученных фазовых диаграмм определен состав эвтектической смеси с самой низкой температурой плавления, и проведено исследование этой смеси MTNP/DNTF методами энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии, дифрактометрии, инфракрасной спектроскопии с фурье-преобразованием, рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии, термогравиметрии совместно с масс-спектрометрией. Также была исследована механическая чувствительность эвтектической смеси и рассчитаны ее детонационные характеристики. Результаты показали, что в смеси с самой низкой температурой плавления соотношение компонентов MTNP/DNTF составляет 70.3/29.7, а температура плавления этой эвтектической смеси равна 78.9 °C, что очень близко к температуре плавления ТNТ. Исходные компоненты MTNP и DNTF могут быть смешаны с получением эвтектической смеси, характеризующейся самой низкой температурой плавления, при этом не происходит химического взаимодействия между компонентами, действуют лишь определенные межмолекулярные силы. Продуктами термического разложения являются H₂O, NO, N₂O и CO₂. Эвтектическая смесь с самой низкой температурой плавления также характеризуется более низкой механической чувствительностью и отличными детонационными характеристиками. Таким образом, эвтектическая смесь с самой низкой температурой плавления может стать заменой плавленым взрывчатым веществам на основе ТNТ для применений в оружии и снаряжении.

Предложена улучшенная модель диффузной границы раздела, описывающая взаимодействие детонации твердого взрывчатого вещества и сжимаемых инертных материалов. Химический процесс упрощен, поскольку твердофазный реагент превращается в газофазный продукт. Таким образом, считается, что смесь в контрольном объеме состоит из трех компонентов: твердофазный реагент (взрывчатое вещество), газофазный продукт и инертный материал. Из-за различия термодинамических свойств предполагается, что три компонента находятся в механическом равновесии и термически неравновесном состоянии. Уравнение изменения объемной доли каждого компонента выводится из условия производства энтропии и условия равенства давлений в компонентах. В модель также добавлено уравнение для давления смеси. Таким образом, модель диффузной границы раздела включает в себя следующие основные уравнения: сохранения массы каждого компонента, сохранения импульса и полной энергии смеси, изменения объемной доли каждого компонента, изменения давления смеси. Важными характеристиками предлагаемой модели являются одновременный учет массопереноса в химической реакции и теплообмена в условиях тепловой неравновесности, а также прямой расчет зависимости давления от времени. Предлагаемая модель обладает термодинамической согласованностью, что позволяет эффективно устранять нефизические колебания вблизи границы раздела. Между тем она может применяться к произвольным выражениям уравнения состояния, учитывать любое количество инертных материалов, а также использоваться для расчетов в условиях большего отношения плотностей на границе раздела материалов.

В статье развиваются методы количественного тестирования эффективности взрыва тротила и термобарических взрывчатых веществ (ТБВВ) на основе литого октогена в полевых условиях и замкнутом пространстве. Полевые тесты показали, что при взрыве ТБВВ в неограниченном пространстве избыточное давление при маховском отражении D p и импульс I значительно больше, чем при взрыве тротила на том же самом относительном расстоянии от центра взрыва. На основе экспериментальных измерений получены полуэмпирические формулы для расчета избыточного давления на разных дистанциях от зарядов тротила и ТБВВ. Наблюдалось существенное увеличение как температуры огненного шара, так и продолжительности периода с температурой выше 1 500 °C для ТБВВ. Сравнение измеренного пикового давления при нормальном отражении при взрыве двух ВВ во взрывной камере с результатами расчетов в рамках модифицированной вычислительной модели показало соответствие расчета эксперименту. Квазистатическое давление, генерируемое ТБВВ во взрывной камере, на 30.9 % выше, чем создаваемое тротилом, что, очевидно, обусловлено термобарическими эффектами при взрыве ТБВВ. С использованием данных по избыточному давлению и вычислительной модели квазистатического давления выполнены расчеты тротиловых эквивалентов для ТБВВ, что позволило корректно оценить его эффективность. Полученные результаты могут служить руководством для разработки составов и оценки эффективности ТБВВ.

Приведены результаты экспериментов по нагружению ударной волной плоских образцов пластифицированного октогена. Проводилась регистрация рентгенографической методикой с применением системы запуска рентгена от датчика, реагирующего на возникновение детонации в образце. Определялись время и место возникновения детонации и влияние на эти параметры начальной плотности образца. Экспериментальные результаты воспроизводились в конечно-элементных расчетах. Получена зависимость параметров расчетной модели от начальной плотности образца.

Выполнен приближенный теоретический анализ нового метода испытаний взрывчатых материалов на чувствительность к механическим воздействиям, который известен как метод разрушающейся оболочки. В этом безударном методе разрыв оболочки освобождает находящийся в ней твердый взрывчатый материал от сжимающей нагрузки и предоставляет ему возможность свободного бокового расширения. В процессе высокоскоростного течения вещество взрывается, если сжимающее напряжение создается достаточно большим. Картина взрыва в целом представляется аналогичной явлению инициирования взрыва при разрушении заряда твердого взрывчатого материала ударом на копре. Поэтому для математического описания рассматриваемой методики испытаний частично использована ранее разработанная модель радиального течения вязкопластичного взрывчатого материала, его диссипативного разогрева и теплового воспламенения в горячих точках текучей среды. Полученные данные об изменении различных параметров при возбуждении взрыва позволяют наглядно представить его протекание не только в рамках рассматриваемой методики, но и обобщить их на взрывоподобные процессы в самых различных материалах, внезапно освобождающихся от высокой нагрузки.

Исследованы причины возникновения неустойчивых крупных и мелких волн в зоне соединения при сварке взрывом. Такие волны возникают, когда на метаемой пластине имеются области даже с небольшим (10 ÷ 16 %), но резким (ступенчатым) изменением толщины в виде пазов, получаемых механической обработкой. Неустойчивые волны в окрестности ступенек образуются только в случае, когда ширина паза больше толщины метаемой пластины. Если пазы выполняются на неподвижной пластине, то неустойчивые волны не возникают. Анализ экспериментальных данных показывает, что на размеры волн, образующихся в биметалле в окрестности ступенек на метаемой пластине, влияет резкое изменение угла соударения, связанное с перегибом пластины в местах ступенек.