Главная – Журналы – Физика горения и взрыва 2023 номер 6

Представлены результаты изучения стабилизации гомогенного водородовоздушного пламени на плазме оптического разряда в высокоскоростном потоке. Основной особенностью экспериментов была реализация устойчивого горения за областью фокусировки лазерного луча при отсутствии механических устройств стабилизации пламени. Параметры лазерного излучения были достаточными для создания в потоке квазистационарной плазмы. Показано, что оптический разряд стабилизирует фронт пламени в широком диапазоне значений коэффициента избытка воздуха при скоростях потока вплоть до u = 200 м/с. Влияние на скорость распространения турбулентного пламени параметров лазерного излучения в пределах их варьирования от опыта к опыту было незначительным. Стабилизация пламени за областью оптического разряда имеет свои особенности. При этом важным параметром является тепловыделение при горении водорода. Получен безразмерный критерий, зависимость скорости распространения турбулентного пламени от этого критерия носит линейный характер.

Проведены расчеты инжекции струи инертных частиц в стехиометрическую водородовоздушную смесь со скоростями от 0.1 до 1.0 от скорости детонации Чепмена - Жуге. Проанализированы реализующиеся режимы течения. Выявлено, что увеличение температуры частиц приводит к воспламенению смеси, а увеличение скорости частиц - к инициированию детонационной волны. Определены критические условия инициирования детонации в терминах «концентрация частиц, размер частиц, скорость инжекции». Показаны различные сценарии инициирования детонации в зависимости от диаметра и концентрации частиц, в том числе с множественными очагами инициирования. Построены карты режимов течений в плоскости параметров «скорость инжекции, температура частиц различных размеров».

Впервые представлены экспериментально измеренные методом PIV значения химической шкалы времени для пламен предварительно перемешанных смесей метан - воздух и диметиловый эфир - воздух в зависимости от эквивалентного соотношения и концентрации ингибитора триметилфосфата при атмосферном давлении. Сопоставление экспериментальных результатов с теоретическими оценками, выполненными исходя из положений гипотезы Зельдовича - Баренблатта, показало качественное их согласие. Химическая шкала времени в пределах точности эксперимента зависела только от скорости горения, быстро уменьшаясь при ее увеличении. При скоростях распространения топливовоздушных пламен, близких и свыше 0.6 м/с, результаты экспериментов показали высокую точность теоретических оценок на основе гипотезы Зельдовича - Баренблатта.

Процессы тепло- и массообмена, а также скорость окисления топлива являются определяющими параметрами при горении предварительно не перемешанных газовых потоков топлива и окислителя, а также горения конденсированных топлив в газообразном окислителе. Корректное описание этих процессов представляет как научный, так и практический интерес. Методом численного моделирования изучено влияние кинетики химических реакций и диффузии молекул топлива на тепловую и химическую структуру пламени, формирующегося вокруг сферы из полиметилметакрилата (ПММА) в условиях естественной конвекции в воздушной среде. Расчет трехмерного течения газа вокруг твердого тела проводился на основе системы полных уравнений Навье - Стокса для многокомпонентной смеси с учетом диффузии и теплообмена между поверхностью и газом, конвекции, радиационного теплообмена. Кинетическая модель представляет собой сопряженные реакции как на поверхности конденсированного материала, так и в газовой фазе. На поверхности образование газообразного топлива метилметакрилата (ММА) описывается одностадийной эффективной реакцией пиролиза ПММА. Окисление ММА в газовой фазе описывается глобальной реакцией C₅H₈O₂ + 6O₂ → 5CO₂ + 4H₂O. Установлено, что профили температуры и концентрации компонентов пламени практически не зависят от константы скорости этой реакции при условии, что характерное время реакции гораздо меньше характерного времени диффузии MMA. Показано, что варьирование коэффициента диффузии ММА заметно влияет на тепловую и химическую структуру пламени. Повышение коэффициента диффузии ММА приводит к росту максимальной температуры пламени. Полученные результаты показали, что транспортные свойства соединений, необходимые для расчета их коэффициентов переноса, являются одними из важнейших параметров для точного CFD-моделирования.

Представлены результаты хроматографического анализа газообразных продуктов, образующихся при лазерном синтезе каталитических наночастиц Cr/Al₂O₃ в метаноаргоновой среде, отмечены основные сложности таких исследований. Предложены методы решения поставленной задачи и пути оптимизации пиролиза метана, сопутствующего лазерному синтезу наночастиц. Показана принципиальная возможность одновременного синтеза каталитических наночастиц и их использования для пиролиза метана. Основными продуктами пиролиза в таком процессе выступают водород и аморфный углерод. Максимальный выход водорода составил 4 % (об.). Предложены пути оптимизации процесса для увеличения выхода водорода и расширения спектра продуктов реакции на непредельные углеводороды.

Исследованы свойства азидоацетиленовых производных s-триазина, содержащих в своем составе различные комбинации пропинилокси-, пропиниламино-, метилпропиниламино- и азидогрупп, определены их энтальпии образования в конденсированной фазе, плотность и чувствительность к удару и трению. Основываясь на этих данных, рассчитаны энергетические параметры процессов детонации, горения и адиабатического превращения как индивидуальных соединений, так и их композиций со связующим изопреновым каучуком СКИ-3. Проведенный комплекс экспериментальных и теоретических исследований позволил сделать вывод о высокой теплотворной способности как индивидуальных изученных соединений, так и композиций на их основе.

Представлены характеристики зажигания и горения высокоэнергетического материала (ВЭМ), содержащего перхлорат аммония, бутадиеновый каучук и смесь ультрадисперсных порошков (УДП) алюминия, титана или железа с аморфным бором. На экспериментальных стендах с использованием СО₂-лазера и бомбы постоянного давления измерены время задержки зажигания и скорость горения ВЭМ при варьировании плотности теплового потока и давления в камере. Показано, что замещение в ВЭМ аморфного бора на УДП Al/B, Ti/B или Fe/B приводит к снижению времени прогрева и момента появления пламени на поверхности топлива, благодаря повышению скорости реагирования и снижению температуры окисления указанных смесей УДП на поверхности реакционного слоя. При этом скорость горения ВЭМ с Ме/В при избыточных давлениях существенно повышается (до 240 % для Al/B-ВЭМ и до 120 % для Ti/B-ВЭМ при давлении 5.0 МПа).

Представлены комбинированные металлооксидные катализаторы разложения перхлората аммония, сочетающие два оксида переходных металлов (железа и кобальта), нанесенных на поверхность углеродного носителя. Комбинированные катализаторы получены методами пропитки и химического осаждения. В результате варьирования температурного режима прокаливания получены образцы катализаторов, содержащие различные фазы оксидов железа и кобальта. Методами XRD, SEM и BET были исследованы структурные и морфологические особенности синтезированных катализаторов. Результаты исследования методом дифференциальной сканирующей калориметрии показывают, что синтезированные комбинированные катализаторы обладают высокой каталитической активностью при термическом разложении перхлората аммония, снижая значение пиковой температуры высокотемпературной стадии разложения более чем на 60.

Дана сравнительная оценка реологических характеристик огнетушащих порошковых составов (ОПС) на основе струвита при использовании в качестве функционального наполнителя гидрофобного диоксида кремния, полученного в процессе одностадийного синтеза различными методами. С помощью ИК-спектроскопии, сканирующей электронной микроскопии, низкотемпературной сорбции-десорбции азота и других методов исследовано влияние метода синтеза на текстурно-структурные свойства гидрофобных функциональных наполнителей ОПС. Установлено, что определяющим фактором, влияющим на реологические свойства ОПС, является равномерность распределения функционального наполнителя по поверхности частиц огнетушащего компонента (струвита). Доказана высокая огнетушащая эффективность порошкового состава на основе струвита и разработанного функционального наполнителя.

В связи с тотальным отсутствием надежных экспериментальных данных о кинетике твердофазных превращений при высоких температурах адекватные оценки характеристик зажигания и горения реальных энергетических материалов в настоящее время недоступны. Известные в теории горения балансные соотношения в форме критерия зажигания и в виде принципа эквивалентности прироста скорости горения при действии потока излучения соответствующему повышению начальной температуры используются в большинстве случаев без достаточного теоретического обоснования, что может служить причиной получения неверных результатов. Численное моделирование процессов зажигания и горения модельных энергетических материалов может дать основу для определения условий корректного использования балансных соотношений. В настоящей работе с использованием модели нестационарного горения плавящихся энергетических материалов численно исследованы процессы зажигания и горения при действии лучистого потока и получены согласующие коэффициенты в балансных соотношениях. Показано, что значения названных коэффициентов зависят от кинетических параметров твердофазных превращений и интенсивности внешнего источника нагрева. Сделано заключение о необходимости продолжать теоретические исследования, направленные на построение корректных подходов для определения параметров глобальных реакций в конденсированной фазе с использованием данных по задержке зажигания тепловым потоком и для определения корректных согласующих коэффициентов при использовании принципа эквивалентности.

Для оценки размера агломератов металла при горении смесевого твердого топлива предложена тетраэдрическая модель структуры, согласно которой частицы окислителя располагаются в вершинах правильного тетраэдра, а внутренний объем пирамиды занят смесью горючего-связующего и металла - так называемый «карман». Представлено сравнение экспериментальных данных с результатами расчета по тетраэдрической модели, модели Коэна, а также с эмпирическими корреляциями Гермсена, Салиты, Бекстеда, Григорьева, Дютерка. Сравнение проведено на примере смесевого топлива, содержащего перхлорат аммония, связующее и алюминий. Показано, что тетраэдрическая модель в ряде случаев лучше предсказывает диаметр агломератов, чем другие модели.

Предпринята попытка найти взаимосвязь между характеристиками горения и термическим разложением в широком диапазоне давлений твердого ракетного топлива на основе перхлората аммония в качестве окислителя и 3,3-диазометилэпоксибутана и тетрагидрофурана в качестве связующего топлива. Измерение скорости горения проводилось при давлениях 1.0, 3.0, 7.0, 13.8, 15.0 и 20.0 МПа. Точка резкого изменения характера зависимости скорости горения от давления для перхлората аммония с оксалатом и без него, а также начало зоны гашения пламени наблюдались при 13.8 МПа. Теоретически, а также методом термогравиметрического анализа в сочетании с дифференциальной сканирующей калориметрией были проанализированы различные механизмы снижения скорости горения с помощью четвертичной аммонийной соли и оксалата кальция. Проведено исследование скорости горения и разложения окислителя и связующего топлива с модификаторами горения. В результате влияния модификаторов на химическую реакцию происходит переход от кинетического контроля горения к диффузионно-контролируемой реакции.

Приведена модель инициирования взрывного разложения композитных материалов на основе слабопоглощающих излучение бризантных ВВ и ультрадисперсных металлических включений при воздействии импульсов лазерного излучения наносекундной длительности. Модель базируется на экспериментальных результатах, полученных при исследовании взрывного разложения тэна с включениями ультрадисперсных металлических частиц (Al, Ni, Fe). В рамках модели сформулирован научно-обоснованный алгоритм определения состава материала с минимальными порогами лазерного инициирования взрывного разложения, который позволяет заменить большую часть экспериментов теоретическими расчетами и оптико-акустическими измерениями. Алгоритм верифицирован по данным лазерного инициирования гексогена с включениями ультрадисперсных частиц железа.

Представлены результаты исследования взрывчатых параметров нанотермитной композиции Bi₂O₃/Al с добавкой 1-метил-3-нитро-1,2,4-триазола (1Me-3H) в зависимости от содержания последней и соотношения компонентов базовой нанотермитной пары Bi₂O₃/Al. Введение в состав композиции добавки 1Me-3H приводит к повышению силы взрыва, но с увеличением содержания добавки выше определенного предела она начинает снижаться. В зависимости от рецептуры композиции удается повысить силу взрыва на 22 ÷ 29 % относительно нанотермита Bi₂O₃/Al. Изменение рецептуры состава позволяет варьировать скорость горения нанотермитной композиции Bi₂O₃/Al/1Me-3H в диапазоне 400 ÷ 690 м/с в зарядах диаметром 2 мм и в диапазоне 120 ÷ 430 м/с в слое толщиной 0.1 мм.

Формальный перенос кинетических данных, полученных при исследовании процессов воспламенения и низкоскоростного горения, на сверхзвуковые детонационные процессы чаще всего приводит к заметному занижению расчетных значений критической энергии инициирования, размеров детонационных ячеек и других размерных параметров детонации по сравнению с экспериментальными данными. Это заметно снижает достоверность расчетных предсказаний поведения горючей системы. Обусловленные неустойчивостью неодномерность, неоднородность и пульсирующий характер многофронтовой детонационной волны делают практически невозможными достоверные экспериментальные измерения кинетических параметров горючих смесей в условиях детонации. В данной работе предложен и апробирован способ обойти вышеуказанные ограничения с помощью методики, максимально приближенной к детонационным условиям. Методика базируется на использовании для инициирования горючей смеси затухающей ударной волны вместо классического способа использования стационарной ударной волны. Такая затухающая волна образуется при срыве реакции за стационарно распространяющейся детонационной волной при ее переходе из канала постоянной ширины в резко расширяющийся канал (так называемая дифракция детонационной волны). Обсуждены основные моменты подобной методики, сделаны необходимые оценки, проведена экспериментальная проверка, представлены полученные результаты.

Измерение электросопротивления ударно-сжатого алюминия используется в настоящей работе для оценки концентрации точечных дефектов, генерируемых фронтом ударной волны. При помощи моделирования ударно-волновых процессов в измерительной ячейке находятся параметры физического состояния тонкого металлического образца. Экспериментальные значения удельного электросопротивления алюминия сравниваются с предсказаниями модели равновесного электросопротивления. Построенная модель хорошо описывает имеющиеся на сегодняшний день опорные данные по равновесному изотермическому сжатию и изобарическому нагреву алюминия. Вместе с тем в ударно-волновом эксперименте регистрируется большее удельное электросопротивление, чем следует из модели электросопротивления равновесного бездефектного кристалла. Обнаруженная разница в удельном электросопротивлении свидетельствует о генерации дефектов кристаллической структуры металла при динамическом сжатии. В предположении преимущественного образования вакансий оценена концентрация дефектов в алюминии в зависимости от давления ударной волны. Количество дефектов в металле увеличивается при росте давления ударной волны. Полученные данные качественно согласуются с известными результатами для меди и серебра, что позволяет утверждать, что генерация дефектов при ударном сжатии имеет общие особенности для этих металлов. Физическое состояние ударно-сжатого алюминия является высокодефектным и термодинамически неравновесным.