Главная – Журналы – Физика горения и взрыва 2023 номер 5

Представлены результаты экспериментального исследования пламен, распространяющихся со знакопеременной скоростью, в метановоздушных и углеметановоздушных смесях в вертикально расположенной закрытой трубе при концентрациях угольной пыли 0.10 ÷ 0.42 кг/м³. Результаты исследования могут быть полезны для разработки моделей горения и оценки динамического и теплового воздействия при горении метановоздушной угольной взвеси в угольных шахтах.

Представлены экспериментальные исследования устойчивости горения к локальному избытку компонента в дисперсной смеси порошка титана и углерода. Рассмотрено влияние растекания расплава легкоплавкого или жидкого продукта реакции на устойчивость перехода горения через сплошную и перфорированную преграду из порошка углерода. Исследовано направление движения расплава по отношению к направлению распространения фронта. Показано, что устойчивость перехода горения через преграду определяется тепловым взаимодействием между волной горения и преградой и непосредственно не связана с конвективным переносом тепла расплавом.

Представлены результаты экспериментального исследования возможности сжигания отделяющихся и сбрасываемых на поверхность Земли на примере конструкции элементов головного обтекателя ракеты-носителя. Предложена новая схема бессотовой трехслойной конструкции сжигаемых элементов головного обтекателя с использованием заряда высокоэнергетического материала. На основе сформулированных требований к характеристикам заряда и анализа результатов термодинамических расчетов выбраны базовые композиции высокоэнергетических материалов (ВЭМ). Экспериментально определены энергетические и прочностные характеристики выбранных композиций ВЭМ, определены закономерности их горения при субатмосферном давлении. Результаты лабораторных испытаний сгорания элементов рассматриваемых конструкций с зарядом-заполнителем ВЭМ показали возможность частичной утилизации отработанных частей ракеты-носителя.

Изучена возможность применения метода беспламенного горения гексогена в балластированных системах для получения композиционных материалов, содержащих частицы меди и цинка. Исходным энергетическим материалом служил гексоген, связующим - гексаметилендиизоцианат, прекурсорами - гидроксокарбонат меди и оксалат меди. В результате оптимизации условий беспламенного горения получены высокопористые композиционные материалы, содержащие наноразмерные частицы меди, оксида цинка или их смесей.

Реализован процесс синтеза в активированных смесях 5Ti + 3Si + xAl (x= 0 ÷ 40 %) и в исходной смеси 5Ti + 3Si + 10 % Al. Исследовано влияние механической активации и содержания алюминия на скорость и максимальную температуру горения, морфологию, удлинение, целостность и фазовый состав продуктов горения. Механическая активация расширила до 40 % предел содержания Al, при котором удается реализовать горение образцов без предварительного подогрева. На основе системы Ti-Si-Al синтезированы интерметаллидные сплавы - твердые растворы на основе силицида титана Ti(Si_0.75Al_0.25)₂ и на основе алюминида титана Ti(Al_0.9Si_0.1)₃.

Представлен новый способ определения параметров уравнения состояния JWL продуктов взрыва взрывчатых веществ по экспериментальным данным. В качестве опорных точек используются экспериментально полученные значения давления и массовой скорости на адиабате расширения - торможения продуктов взрыва. Значения параметров уравнения состояния JWL определяются с помощью итерационного алгоритма.

Один из недостатков классического электромагнитного метода Е. К. Завойского - чувствительность к неодномерности течения за фронтом исследуемой волны. Для коррекции измерений в данной работе предлагается четырехконтактный датчик. Регистрируются два сигнала от рамок, одна из которых расположена в касательной к фронту плоскости, а другая - в плоскости, параллельной направлению распространения волны. Далее из двух записей конструируется истинный сигнал скорости, нечувствительный к кривизне фронта. Второе затруднение, возникающее при электромагнитных измерениях, - довольно крупный размер датчиков. Обычно длина рабочего плеча L составляет около 1 см. Анализ распределения потенциала в датчике показал, что предлагаемый комбинированный датчик эквивалентен двум рамкам нулевой ширины, причем эффективная длина L есть расстояние между средними линиями подводящих проводников. Показано, что значение L можно уменьшить до 1.5 ÷ 2 мм при ширине выводов около 0.5 мм. Это позволяет проводить локальные измерения в «пятнах» миллиметрового размера, а также работать с малогабаритными зарядами. Указанные усовершенствования приближают электромагнитные измерения к уровню современных оптических методик, при гораздо более скромных затратах на оборудование.

Исследовалось световое излучение образцов, представляющих собой прозрачную матрицу с включениями горячих точек. В качестве материала матрицы применялись вода и эпоксидная смола. Горячие точки генерировались при сжатии полых стеклянных микробаллонов МС-В ударной волной. В диапазоне давлений 0.7 ÷ 29 ГПа зарегистрировано время затухания яркости от 280 до 70 нс. Время затухания яркости увеличивалось больше чем на порядок при замене оптического окна из твердой эпоксидной смолы на LiF. Тем не менее, даже такое увеличение времени затухания яркости намного меньше оценок температурной релаксации горячих точек за счет механизмов теплопроводности при расчете со стационарными параметрами (t_a = 10^-2с) и за счет излучения (τ = 2.4 · 10^-3 с). Сделан вывод, что доминирующим механизмом температурной релаксации является турбулентное перемешивание среды за фронтом ударной волны. Результаты опытов показывают, что при численном моделировании температурного поля при прохождении поры ударной волной необходимо учитывать вязкость и прочность вещества матрицы.

Знание распределения температуры в процессе горения необходимо для оценки состояния процесса, мониторинга безопасности и диагностики аварийных ситуаций, связанных с использованием горючих газов. Традиционный метод двухцветной пирометрии не позволяет измерять температуру газового пламени, если в пламени нет серых тел. Авторы усовершенствовали метод двухцветной пирометрии путем использования вспомогательных порошков как источника серых тел и спроектировали соответствующую установку для визуализации процесса горения горючих газов и измерения температуры. Чтобы повысить точность измерения температуры, было изучено влияние типа порошка, размера частиц и их концентрации, а также времени задержки инициирования воспламенения. После проведения многочисленных тестов установлено, что наилучшие результаты измерений достигаются для смеси H₂/воздух (30/70 %) при использовании порошка вольфрама со средним размером частиц 7.9 мкм, концентрацией частиц 21 г/м³ и временем задержки инициирования воспламенения 80 мс. Корректность полученных в указанных условиях результатов была подтверждена результатами предыдущих исследований.

Проведено исследование вентилируемого взрыва 9%-й метановоздушной смеси при переднем, центральном и заднем расположении точки зажигания в прямоугольной емкости объемом 1 м³ в присутствии и в отсутствие препятствий в виде цилиндров, расположенных параллельно направлению вентилирования. Наблюдались три пика давления P₁, P₂ и P_ext , соответствующие срыву вентилирования, пламеакустическому взаимодействию и внешнему взрыву. Пик давления P₁ возникал во всех экспериментах и был нечувствителен к положению точки зажигания, но в присутствии препятствий его величина возрастала. Пик давления P₂ появлялся только в случаях центрального и переднего положения точки зажигания в отсутствие препятствий. Пик давления P_ext наблюдался в опытах с задним расположением точки зажигания и увеличивался в присутствии препятствий. Длительность осцилляций Гельмгольца была больше при переднем положении точки зажигания, а присутствие препятствий слабо влияло на их частоту. Сравнение результатов моделирования временных зависимостей давления и распространения пламени в программе FLACS с экспериментальными результатами подтвердило возможность использовать эту программу для предсказания свойств вентилируемого взрыва метановоздушной смеси. Программа FLACS в основном предсказывает форму кривых избыточного давления. В присутствии препятствий моделирование лучше соответствует эксперименту, так как FLACS не предсказывает пик давления P₂, вызываемый пламеакустическими взаимодействиями. Моделирование удовлетворительно согласуется с экспериментом в случае заднего зажигания, так как величина пика давления P_ext и влияние препятствий на P_ext были рассчитаны с хорошей точностью. Поведение пламени, рассчитанное по программе FLACS, соответствовало экспериментальному, но расчеты не воспроизводили влияние неустойчивости Тейлора на пламя.

На основе унифицированного подхода к расчету равновесных состояний продуктов сгорания углеводородов при недостатке кислорода построено численно автомодельное решение, позволяющее моделировать структуру детонационной волны в переобогащенной топливом ацетиленокислородной смеси. Проанализировано влияние на эту структуру наличия конденсированных углеродных частиц в продуктах детонации.

Режимы непрерывной многофронтовой детонации двухфазных смесей авиационный керосин - горячий воздух впервые реализованы и исследованы в проточной кольцевой камере сгорания диаметром 503 мм и длиной 600 мм. Воздух с расходом 7.8 ÷ 24 кг/с предварительно нагревался до 600 ÷ 1 200 K огневым способом в форкамере при сжигании стехиометрической смеси Н₂-О₂. В системе подачи горючего жидкий керосин барботировался воздухом. Коэффициент избытка горючего составлял 0.66 ÷ 1.28. Исследовано влияние температуры воздуха на область реализации непрерывной детонации, на давление в камере сгорания и удельный импульс. В опытах при температуре воздуха 600 ÷ 1 200 К наблюдали режимы непрерывной многофронтовой детонации с одной парой (частота 1.2 ± 0.1 кГц) или двумя парами (частота 2.4 ± 0.2 кГц) сталкивающихся поперечных детонационных волн. По измеренному на выходе из камеры сгорания давлению торможения определены сила тяги и удельный импульс. Показано, что увеличение температуры воздуха способствует детонационному сжиганию двухфазной смеси керосин - воздух, однако при этом возрастает степень диссоциации продуктов сгорания и уменьшается удельный импульс силы тяги. Обеднение смеси горючим повышает удельный импульс, а его максимальное значение с учетом энергии сжатого воздуха в ресиверах составило около 2 200 с при температуре воздуха в форкамере 600 К.

Исследовались детонация облака капель n-гептана в воздухе и влияние размера капель на этот процесс. Разработан численный алгоритм моделирования двухфазного реагирующего сжимаемого потока с использованием одноступенчатой химической реакции. Основное внимание уделяется влиянию размера капли на скорость и давление за фронтом детонационной волны. Определено, что верхний предел размера капель соответствует самоподдерживающейся детонационной волне. Показано, что в случае капель среднего размера параметры детонации выше, чем при детонации газового топлива или жидкого с каплями большого размера. Анализ характеристик потока за волной подтверждает влияние размера капель на параметры волны.

Проведено экспериментальное исследование двухфазного потока при взрыве воздушной взвеси хлопьевидных частиц алюминия в крупномасштабной горизонтальной трубе длиной 32.4 м с внутренним диаметром 0.199 м. Анализировался переход горения в детонацию при воспламенении электрической искрой с энергией 40 Дж взвесей с различными массовыми концентрациями частиц алюминия в воздухе. Экспериментально показано установление самоподдерживающейся детонации в диапазоне концентраций частиц алюминия в воздухе 286 ÷ 532 г/м³. Детально проанализирован процесс перехода горения в детонацию при оптимальной концентрации частиц алюминия 409 г/м³, при этом скорость детонации составила 1 690 м/с, давление детонации - 58 бар. В самоподдерживающемся режиме детонации избыточное давление топливно-воздушной смеси проявляет типичный характер постоянных колебаний, при этом скорость детонационной волны постоянна. Также наблюдалась двухголовая спиновая детонация алюминиево-воздушной смеси. Проанализированы структура детонационной волны, параметры поля течения, взаимодействие между ударными волнами, траектории тройных точек. Размер детонационных ячеек при оптимальной концентрации составил около 486 мм.

Экспериментально и численно исследовалась динамика предварительно перемешанного метановоздушного пламени в камере с препятствием. Эксперименты выполнялись с использованием высокоскоростной видеокамеры и измерений датчиком давления. Для численного моделирования были выбраны три вязкостные модели подсеточного масштаба и три модели горения подсеточного масштаба. Проведено сравнение результатов моделирования с данными экспериментов. Высокоскоростное фотографирование выявило четыре типичные стадии распространения пламени. При прохождении фронта пламени через препятствие образуются два отдельных вихря пламени. Закрученное пламя является результатом пламевихревого взаимодействия. Кроме того, режим горения меняется с морщинистого на складчатые языки пламени и окончательно переходит в режим тонкой реакционной зоны.