Главная – Журналы – Физика горения и взрыва 2022 номер 5

Представлены результаты экспериментальных панорамных измерений поля температуры методом, основанным на регистрации лазерно-индуцированной флуоресценции гидроксильного радикала (OH) при возбуждении двух различных переходов (two-line PLIF) в ламинарном коническом пламени газокапельной смеси этилового спирта и воздуха. Ламинарный поток равномерно перемешанной смеси этиловый спирт/воздух с мелкими каплями организован ультразвуковым распылителем внутри резервуара с жидким этанолом. Свойства двухфазного потока на выходе из сопла без сгорания контролировались оптическим зондом, принцип действия которого основан на времяпролетном методе. Оценки поля температуры выполнены на основе возбуждения линий Q₁(5) и Q₁(14) перехода (1-0) электронной системы A²∑⁺ - X²π. Пространственная неравномерность распределения энергии в лазерном «ноже», который освещает центральную плоскость конуса пламени, и изменение энергии импульсов от кадра к кадру были компенсированы использованием дополнительной камеры, регистрирующей распределение интенсивности лазерного излучения в калибровочной кювете.

Структурно-напряженные углеводороды (СНУ) обладают повышенными энергетическими характеристиками по сравнению с обычными жидкими углеводородами. Приведены результаты исследования периода индукции воспламенения смесей паров СНУ с воздухом в зависимости от температуры и коэффициента избытка воздуха. Проведено сравнение полученных результатов с аналогичными результатами для смесей паров н-алканов с воздухом. Определены периоды индукции воспламенения смеси паров двух СНУ с воздухом. Данные по задержке воспламенения топливовоздушных смесей необходимы при проектировании камер сгорания двигателей, а также при создании и оценке возможностей применения новых горючих. Ключевые слова: ударная труба, ударная волна, период индукции воспламенения, структурно-напряженные углеводороды.

Представлены результаты экспериментального исследования характеристик закрученного потока с формированием вихревых структур в горелочном устройстве радиального типа в изотермических и реагирующих условиях при различных параметрах крутки потока. Для изотермических условий получены распределения средних и пульсационных полей скоростей, в том числе привязанных к фазе прецессирующего вихря, проведен анализ пульсаций давления, индуцируемых прецессирующим вихрем, а также определен вклад прецессирующей вихревой структуры в общий уровень турбулентности. Исследования проводились с помощью современных бесконтактных экспериментальных методов диагностики потока, таких как оптическая визуализация и PIV (particle image velocimetry). Для регистрации акустического поля, порождаемого прецессией вихревого ядра (ПВЯ), были использованы четыре измерительных микрофона с отборниками давления. Для выявления вклада ПВЯ в общий уровень турбулентности использовался метод разложения на ортогональные моды (proper orthogonal decomposition, POD), который применялся для анализа распределений скорости, полученных методом PIV. Эксперименты показали, что в изотермическом случае ПВЯ, возникающая после преодоления параметром крутки значения S = 0.6, представляет собой односпиральную вихревую структуру, вклад которой в общий уровень кинетической энергии турбулентности составляет до 27 %. Для реагирующих условий проведена визуализация факела при различной крутке потока, измерены частотные характеристики ПВЯ, возникающей в потоке при S ≥ 0.6. Показано, что зависимость безразмерной частоты ПВЯ как функции крутки потока S имеет одинаковый немонотонный характер как в случае горения, так и в изотермическом случае.

Представлены результаты изучения горения керосина в каналах постоянного сечения при числе Маха на входе М = 1.7. Эксперименты проводились в каналах с отличающейся геометрией проточной части. Показано существование режимов течения с волновыми структурами, не приводящими к развитию псевдоскачкового режима горения. Определены критические условия, выполнение которых необходимо для инициирования и реализации преддетонационного квазистационарного режима горения.

Представлены результаты экспериментальных исследований течения в канале с внезапным расширением без подвода и с подводом тепла в сверхзвуковой воздушный поток. На основании обработки экспериментальных данных о временных зависимостях статического давления на стенке канала определены спектральные мощности пульсаций, анализ которых показал, что при подводе тепла в течении происходит усиление спектральной мощности пульсаций давления в диапазоне частот 250 ÷ 400 Гц. Наибольшее увеличение мощности наблюдается в начальный период процесса при воспламенении смеси и в конце режима стабилизации горения. В период, соответствующий развитому горению, максимум спектра мощности пульсаций снижается, а интервал значимых частот расширяется на диапазон 400 ÷ 600 Гц.

Представлены результаты численного исследования турбулентных реагирующих течений в канале с внезапным расширением с учетом инжекции водородных струй в сверхзвуковой (М = 4) воздушный поток. Моделирование проведено в трехмерной нестационарной постановке с использованием программного комплекса ANSYS Fluent в условиях экспериментов, выполненных в импульсной высокоэнтальпийной аэродинамической установке ИТ-302М. В расчетах получен автоколебательный режим с интенсивными пульсациями давления и интегрального тепловыделения. При этом среднее по периоду распределение давления удовлетворительно совпадает с экспериментальными значениями, а частота пульсаций давления лежит в диапазоне, полученном в экспериментах. На основании детального анализа характеристик течения за полный цикл колебаний уточнен механизм обратной связи, ответственный за возникновение автоколебаний.

Представлены экспериментальные данные о скорости распространения волны горения углеметановоздушной смеси относительно стенок закрытого канала при различных массовых концентрациях угольной пыли. Разработана физико-математическая модель горения этой смеси на основе уравнений газовой динамики и механики дисперсных сред в односкоростном однотемпературном приближении. В предложенной модели скорость распространения волны горения относительно газовзвеси и скорость горения частицы угольной пыли являются параметрами модели и определяются путем согласования результатов расчетов с экспериментальными данными. Сопоставление результатов расчетов скорости распространения пламени относительно стенок канала в широком интервале массовых концентраций угольной пыли показало удовлетворительное согласие с опытами. Предложенный подход может быть использован для оценки влияния горения угольной пыли на интенсивность ударных волн в угольных шахтах при аварийных взрывах метана.

Проведено численное моделирование влияния сравнительно малой добавки непредельного газообразного углеводорода (пропилена) на динамику детонационной волны в стехиометрической водородно-воздушной смеси. Исследовалось влияние концентрации пропилена на развитие детонации в смеси, вызванной прямым инициированием с помощью притока энергии извне в малом объеме за короткое время, при различной начальной температуре смеси. В исследовании использовался детальный механизм горения водорода и ключевая реакция гидрирования пропилена. Пропилен легко вступает в реакцию гидрирования, изымая атомарный водород из реакционной цепи. Это приводит к увеличению задержки самовоспламенения смеси за лидирующей ударной волной и при достаточной концентрации ингибирующей добавки - к распаду ячеистой структуры детонационной волны и вырождению детонации.

На основе уравнений Эйлера проведено численное моделирование взаимодействия ударной волны в газе с горючим газовым пузырем повышенной плотности. Описаны три качественно различных режима инициирования детонации: прямое инициирование детонации в передней части пузыря при достаточно высоких числах Маха падающей волны и инициирование детонации в задней части пузыря в результате преломления волны и фокусировки вторичных скачков уплотнения при меньших числах Маха. Показано, что режим инициирования детонации существенно зависит как от интенсивности ударной волны, так и от плотности смеси в пузыре. На основе серии расчетов построена диаграмма режимов инициирования детонации и показано, что эффект фокусировки ударной волны позволяет достичь успешного инициирования детонации при многократно меньшей интенсивности падающей волны по сравнению с прямым инициированием.

Численно исследовано течение в камере сгорания в форме кольцевого зазора между пластинами с многоголовой вращающейся детонацией. Предполагается, что однородная пропановоздушная смесь с заданными параметрами торможения поступает в камеру сгорания через элементарные сопла, равномерно заполняющие внешнее ограничивающее ее кольцо. Газодинамические параметры смеси определяются как функции параметров торможения и статического давления в зазоре. Получены условия формирования заданного числа волн в многоголовой волне детонации, связанные с размерами камеры сгорания и параметрами инициаторов. Установлено максимальное число волн при заданных размерах камеры сгорания. Существование максимального критического числа волн в многоголовой детонации связано с блокировкой подачи горючей смеси. При рассмотренных геометрических параметрах области течения наблюдалось формирование от одной до восьми вращающихся детонационных волн. Получено, что при неравномерном расположении инициаторов постепенно происходит выравнивание взаимных углов между волнами, составляющими многоголовую детонацию. Для расчетов, проводившихся на суперкомпьютере МГУ «Ломоносов», использовался оригинальный вычислительный комплекс, в котором реализованы модифицированный метод Годунова и одностадийная кинетика реакций.

Описана новая СВЧ-методика измерения скорости газификации в нестационарном режиме. Особенность методики заключается в том, что для определения убыли массы в процессе газификации проводится измерение изменяющейся во времени резонансной частоты СВЧ-резонатора с исследуемым образцом, осуществляемое путем последовательной регистрации резонансных характеристик датчика. При этом обеспечивается независимость результатов измерений от изменения добротности резонатора в процессе газификации образца топлива. Испытан действующий макет датчика, представляющего собой коаксиальный резонатор, в котором исследуемый образец помещен в область максимального электрического поля. Экспериментально показано, что чувствительность (отношение изменения резонансной частоты к изменению внутреннего диаметра образца) датчика новой конструкции в 2-4 раза выше, чем у предыдущей модели датчика.

Представлены результаты экспериментального исследования процессов термического разложения и зажигания высокоэнергетических материалов (ВЭМ), содержащих окислитель, горючесвязующее вещество и дисперсные добавки алюминия, боридов алюминия AlB₂ и AlB₁₂, аморфного бора. С применением термического анализатора Netzsch STA 449 F3 Jupiter и экспериментального стенда, включающего в себя СО₂-лазер непрерывного действия, изучены характеристики реагирования и зажигания двух базовых составов ВЭМ на основе ПХА/СКДМ/Ме и ПХА/НА/МПВТ/Ме при разной скорости нагрева. Установлено, что при низких плотностях теплового потока (q < 130 Вт/см²) нитрат аммония разлагается и плавится, образуя на реакционной поверхности жидкий слой и увеличивая время задержки появления пламени ВЭМ, содержащих Al, AlB₂ и AlB₁₂. При увеличении плотности теплового потока влияние жидкого слоя на реакционной поверхности образца снижается за счет увеличения температуры поверхности, скорости оттока газообразных продуктов разложения и испарения слоя.

Представлена сопряженная физико-математическая модель горения смесевого твердого топлива с добавкой полидисперсного порошка бора, в которой над поверхностью твердого топлива учитываются газодинамические процессы в двухфазной, многоскоростной, многотемпературной теплопроводной среде, а также процессы теплопереноса и реагирования в твердом топливе. На поверхности топлива ставятся граничные условия равенства тепловых и массовых потоков компонентов топлива. Из численного решения системы уравнений определена зависимость скорости горения смесевого твердого топлива, содержащего частицы бора, от давления над поверхностью топлива.

Приведены результаты исследования зажигания девяти марок углей Кузнецкого бассейна лазерными импульсами (120 мкс, 1 064 нм). В зависимости от плотности энергии лазерных импульсов в общем процессе зажигания углей можно выделить три типа процесса, различающихся пороговыми, временными и спектрально-кинетическими характеристиками. Первый тип связан с зажиганием факелов на поверхности угольных частиц, второй и третий - с инициированием различных типов термохимических реакций в объеме частиц. Интенсивность и длительность свечения пламен, а также высота столба пламени определяются плотностью энергии лазерных импульсов.

Определены детонационные характеристики алюминизированного ЭмВВ плотностью ≈0.5 г/см³ с массовым содержанием алюминия до 20 %. Добавление алюминия приводит к увеличению скорости детонации и давления детонации по сравнению с параметрами чистого ЭмВВ. Замена алюминия на молотое стекло приводит к уменьшению и скорости детонации, и давления. Увеличение детонационных характеристик алюминизированного ЭмВВ может быть связано с частичной реакцией алюминия до плоскости Чепмена - Жуге. Также измерена яркостная температура продуктов детонации алюминизированных ЭмВВ. Показано, что она уменьшается при добавлении алюминия в ЭмВВ. Этот результат демонстрирует сложное влияние добавки алюминия на детонационные характеристики ЭмВВ.