Главная – Журналы – Физика горения и взрыва 2022 номер 6

Проведено экспериментальное исследование механизмов возбуждения низкочастотного неустойчивого горения смеси метана с воздухом в полноразмерных малоэмиссионных камерах сгорания. Экспериментальные исследования характеристик течения без горения в малоэмиссионных камерах сгорания показали, что в широком диапазоне режимов течения центральная зона обратных токов может быть источником регулярных гидродинамических пульсаций давления. Предложена модель низкочастотного неустойчивого горения, основанная на гидродинамической неустойчивости течения в центральной зоне обратных токов, которая может возбуждать низкочастотные режимы неустойчивого горения. Разработаны методы подавления термогидродинамической неустойчивости горения. На основе предложенной модели и с применением методов подавления неустойчивого характера горения создана и испытана малоэмиссионная камера сгорания с устойчивым процессом горения во всем диапазоне условий ее работы, что подтверждает справедливость принятого подхода.

Увеличение скорости горения (газификации) твердого ракетного топлива при действии достаточно интенсивного обдувающего газового потока было обнаружено экспериментально в 1940-х годах и получило название эрозионного горения. Позже было установлено, что при относительно низких скоростях обдува для некоторых топлив может наблюдаться снижение скорости горения, названное отрицательной эрозией. Попытки теоретического исследования отрицательной эрозии предпринимались с 1971 г. и были направлены на анализ изменения интенсивности теплообмена на горящей поверхности при ведущей роли газофазных реакций с учетом влияния крупномасштабных пульсаций скорости и температуры газа, влияния различия коэффициентов диффузии и температуропроводности газа, а также влияния растяжения пламени. Настоящая работа посвящена обсуждению версии, основанной на анализе процесса горения топлива в условиях обдува при наличии интенсивного подповерхностного тепловыделения за счет экзотермических реакций в конденсированной фазе. В случае, если температура поверхности ограничена температурой кипения, в подповерхностном слое могут образовываться локальные максимумы температуры, приводящие к неравномерному реагированию на поверхности и к появлению «собственной» турбулентности в прилегающем слое газа. Наличие такой турбулентности приводит к изменению теплоприхода к топливу и позволяет качественно объяснить эффект отрицательной эрозии.

Экспериментально и теоретически рассмотрены особенности распространения волны высокотемпературного синтеза через перфорированную металлическую пластину, установленную внутри образца цилиндрической формы, сформированного из порошковой смеси Ni + Al. Использовались два типа пластин различной толщины: медные и стальные. Исследованы закономерности прохождения фронта экзотермической реакции через отверстие в преграде в зависимости от теплофизических характеристик пластины и геометрических размеров отверстия. В зависимости от параметров пластины определен критический диаметр отверстия, минимально необходимый для распространения волны горения по образцу.

Исследовано влияние механической активации (МА) и содержания Mn на скорость и максимальную температуру горения, удлинение образцов в процессе горения, размер композитных частиц, выход смеси после МА, фазовый состав и морфологию продуктов синтеза в системе Ni-Al-Mn. Механоактивация смеси Ni + Al + Mn расширила предел содержания марганца, при котором возможно реализовать горение образцов без предварительного подогрева, от 14 до 49 % (мас.). Предварительная МА позволила синтезировать соединение, содержащее все три исходных металла - фазу (Ni, Mn)Al, представляющую собой упорядоченный твердый раствор переменного состава на основе NiAl. Кроме того, после МА увеличились скорость горения, удлинение образцов продуктов и их пористость и уменьшилась максимальная температура горения. Увеличение доли марганца в смеси Ni + Al + Mn привело к уменьшению размера композитных частиц, удлинения образцов продуктов, максимальной температуры горения и к возрастанию выхода смеси после МА. Зависимость скорости горения от доли марганца в активированной смеси Ni + Al + Mn имеет максимум.

Описаны методики отбора и анализа конденсированных продуктов горения (КПГ) крупных монолитных частиц титана диаметром 350 ÷ 460 мкм в воздухе при атмосферном давлении. Представлены детальные данные о гранулометрическом, морфологическом и фазовом составе КПГ и о штучном количестве частиц, производимых одной горящей материнской частицей. Выделены следующие морфологические типы частиц КПГ: компактные сферы - остатки горения материнских частиц и их фрагментов, аэрогелевые объекты круглой и продолговатой кометообразной формы - разреженные (ажурные) частицы, состоящие из цепочек наноразмерных сферул. По соотношению атомов O/Ti все типы частиц КПГ - оксидные. Массовая доля аэрогелевых объектов в КПГ составляет 0.52 ÷ 0.98, их физическая плотность около 0.8 г/см³. Характерные размеры компактных сфер 2 ÷ 410 мкм, круглых аэрогелевых объектов 11 ÷ 470 мкм, длина кометообразных аэрогелевых объектов может достигать 13 мм. Типичные размеры сферул 25 ÷ 100 нм. Крупные компактные сферы размером 200 ÷ 400 мкм типично имеют внутри газовый пузырь и плотность около 0.9 г/см³.

Исследованы продукты синтеза в механоактивированных порошковых смесях титана и никеля трех составов, соответствующих двойным интерметаллическим соединениям. Механическую активацию смесей выполняли в планетарной мельнице при интенсивности 40 g и длительности обработки 20 мин. Синтез проводили в режиме теплового взрыва нагревом механоактивированных смесей в герметичном реакторе в среде аргона со средней скоростью нагрева 70 ˚С/мин. Фазовый состав порошковых продуктов после синтеза и дополнительного отжига исследован методом рентгеноструктурного анализа, а результаты обсуждены с использованием литературных данных о температурных зависимостях энергии Гиббса интерметаллидов. Установлено, что независимо от элементного состава смесей при синтезе преимущественно образуется интерметаллид TiNi₃, имеющий наибольшую отрицательную энергию Гиббса. Поэтому однофазный целевой продукт удалось получить только из смеси состава, соответствующего TiNi₃. Продукты теплового взрыва в смесях двух других составов многофазные. После отжига фазовый состав качественно не изменяется, а количественные изменения содержания фаз незначительны.

Классические модели стационарного распространения волн горения и детонации в горючей смеси описывают возрастание энтропии системы до максимума при дефлаграционном (дозвуковом) сгорании смеси, ведомом медленными процессами теплопроводности и диффузии. Однако при детонационном (сверхзвуковом) режиме, одну из ведущих ролей в распространении которого играет головная ударная волна, модели предсказывают, что горючая система при завершении химической реакции «выбирает» минимальное возрастание энтропии. Это не согласуется с формулировкой химической термодинамики о том, что энтропия системы при завершении самопроизвольной необратимой химической реакции и достижении равновесия достигает своего максимального значения. В работе показано, что вывод классических моделей о минимальности возрастания энтропии при детонации устраняется, если рассматривать детонацию как процесс горения смеси, предварительно подвергнутой необратимому процессу сжатия и нагрева исходной смеси в головной ударной волне (в химпике) с соответствующим увеличением энтропии исходной смеси и последующим энерговыделением смеси в необратимом процессе превращения исходной смеси в продукты при химической реакции.

На импульсном газодетонационном аппарате (ИГДА) при начальном атмосферном давлении проведено исследование процесса инициирования и протекания детонации в ацетиленокислородных смесях C₂H₂ + k O₂, в том числе с малым содержанием кислорода вблизи верхнего концентрационного предела детонации. Измерены размеры ячеек, скорости детонации и давления в продуктах детонации в диапазоне k от нуля до единицы, проведены расчеты состава продуктов детонации. Найдены верхние пределы детонации в стволах ИГДА диаметром 14, 26, 46 и 104 мм и объем бустерных зарядов, необходимых для инициирования детонации на предельных режимах. Применительно к водородной энергетике рассмотрена технологическая цепочка метан ® ацетилен ® водород + наноразмерный детонационный углерод и сделана оценка характеристик ИГДА как генератора водорода.

Разработанное ранее широкодиапазонное многофазное уравнение состояния Fe использовано для расчета ударного давления, вызывающего его испарение при изоэнтропической разгрузке до 10^-4 ГПа (1 атм). Расчеты выполнены для трех начальных состояний вещества: давление 1 атм и температура 298 K («холодное» исходное состояние), 1 ГПа и 1 500 K («теплое» состояние), 40 ГПа и 4 000 K («горячее» состояние). Ударное давление составляет 359, 261, 132 ГПа соответственно. Эти значения в целом меньше оценок других авторов. Приведены аргументы в их обоснование.

Рассмотрены опасности, связанные со свойствами пластиковой пыли, а также ее влияние на возникновение и развитие взрыва. Исследовалась полиэтиленовая пыль, представляющая собой побочный продукт производства и хранения гранулята. Взрывные испытания проводились в контейнерах, аналогичных тем, которые используются на заводах. Объем закрытых емкостей составлял 1.35 м³ (N1) и 5.45 м³ (N2). Опыты проводились в емкости N1 с вентиляционной зоной номинального диаметра DN 250 в верхней части сосуда, в емкости N2 с вентиляционной зоной диаметром DN 585 или DN 775, установленной на верхних фланцах сосудов, а также в емкостях, соединенных между собой трубами диаметром DN 150 и длиной 3, 6 и 10 м. Эксперименты показали, что давление взрыва в технологическом оборудовании может достигать более высоких значений, чем при лабораторных испытаниях. При распространении взрыва в соединенных трубопроводом резервуарах вследствие предварительного сжатия возникает избыточное давление, в результате чего измеренные в соединенных резервуарах давление и скорость его роста во много раз превышают аналогичные параметры, измеренные в резервуаре с вентиляционным отверстием. Взрыв распространялся от резервуара большего объема к резервуару меньшего объема, предварительное сжатие смеси приводило к увеличению параметров взрыва в резервуаре меньшего объема, несмотря на установленное в обоих сосудах вентиляционное отверстие. Для обеспечения взрывозащиты можно также использовать другие элементы конструкции. Описано влияние длины трубопровода, соединяющего емкости.

Экспериментально исследуется возможность формования взрывом дисперсионно-твердеющих алюминиевых сплавов 2024-Т4, 2024-Т6, 6061-Т4, 6061-Т6, 7075-Т4 и 7075-Т6. Формование взрывом используется для производства деталей большой и сложной геометрии за одну операцию. Для исследования способности к формованию взрывом наиболее распространенных алюминиевых сплавов, применяемых в аэрокосмической и авиационной промышленности, сконструирована экспериментальная пресс-форма. Для определения механического поведения сплавов при низких скоростях деформации проведены испытания на растяжение. Испытания с V-образным надрезом по Шарпи использовались в качестве исходных значений для определения вязкости разрушения и энергии разрушения. Скорость деформации с учетом угла расширения рассчитывали по аналитической формуле скорости металла Герни. При взрывном формовании на воздухе ее предельное значение примерно 1.1 10⁵ с^-1. Результаты исследований показали, что алюминиевый сплав 6061-Т4 может быть сформирован взрывом до требуемой геометрии без каких-либо впадин, трещин, разрывов и областей излома. Состояние отпуска Т6 значительно повышает прочность испытанных сплавов, сопровождающуюся снижением пластичности и потенциала зарождения трещин. Все испытуемые сплавы, за исключением алюминиевого сплава 6061-Т4, разрушались при испытаниях на формообразование взрывом. Исследования с помощью стереомикроскопа и сканирующего электронного микроскопа сплавов в состоянии пиковой прочности Т6 выявили транскристаллический излом и фасетки скола, возникающие в результате хрупкого разрушения, инициированного высокой скоростью деформации.