Главная – Журналы – Физика горения и взрыва 2026 номер 2

Многие аспекты воспламенения и распространения волн горения и детонации в горючих смесях, несмотря на многочисленные исследования, являются недостаточно изученными, что осложняет научно обоснованное управление такими процессами. В данной работе представлены новые данные о различных стадиях воспламенения и о распространении фронта пламени в плоском (двухмерном) канале постоянного сечения. Обсуждены экспериментально наблюдаемые основные неустойчивости пламени (проявляющиеся в существенной неодномерности и нестационарности фронта горения), явление срыва пламени (исчезновение свечения), эффект перехода пламени на самоподдерживающийся режим распространения. Обращено внимание на проблемы возникновения во фронте пламени новых очагов воспламенения смеси, в том числе микроочагов взрывного типа, способствующих последующему переходу горения в детонацию. Выявлен ряд новых особенностей в физике и динамике распространения пламени.

Несмотря на многочисленные исследования, многие аспекты воспламенения и распространения волн горения и детонации в горючих смесях остаются недостаточно изученными, что осложняет научно обоснованное управление такими процессами. В первой части работы были приведены новые экспериментальные данные о различных стадиях воспламенения и о распространении фронта пламени в плоском (двухмерном) канале постоянного сечения. В данной работе представлены результаты малоисследованной области поведения волн горения при изменении геометрических размеров канала (так называемая дифракция пламени). Установлены характерные процессы поведения турбулентного пламени при его переходе из узкого канала в широкий: от срыва пламени и исчезновения свечения фронта с неполным сгоранием смеси в широком канале вплоть до возникновения новых микроцентров взрывного типа за счет развития неустойчивостей расширяющегося пламени и столкновений турбулентных языков пламени, приводящих к возникновению детонационноподобных волн.

Представлены результаты прямого численного моделирования горения в зоне пламени метановоздушной смеси в форме конуса, направленного на плоскую холодную преграду. Рассматривались три случая с различными расстояниями между соплом горелки и преградой. Акцент в исследовании сделан на анализе формирования оксидов азота в пристенной области. Установлено, что при расположении преграды на расстоянии трех калибров от кромки сопла между конусовидным фронтом пламени и холодной стенкой формируется зона рециркуляции, где наблюдается повышенная концентрация оксидов азота NO_x . Данный эффект повышенного образования NO_x нивелируется в пристенной области вниз по потоку.

С использованием детального кинетического механизма химического взаимодействия численно исследовано влияние добавок озона (или пероксида водорода) и гелия как инертного разбавителя в стехиометрическую водородно-воздушную смесь на параметры волны детонации. Установлено, что молярные доли вносимых добавок могу быть подобраны так, что размер ячейки волны детонации в полученной смеси будет близок к среднему размеру ячейки в чистой смеси, при этом температура продуктов детонации существенно уменьшится. Показано, что введение пероксида водорода и гелия снижает устойчивость детонационной волны к возмущениям, вызванным расположенными в канале множественными препятствиями (барьерами), и тем самым способствует подавлению волны. Обнаружено, что детонация в смеси с добавками озона и гелия в подобранных концентрациях, напротив, более устойчива к данным возмущениям, чем в чистой смеси.

Проведено микроскопическое и дифракционное исследование детонационного углерода в продуктах взрывчатых составов на основе бензотрифуроксана, содержащих гексоген, октодекановую кислоту и тротил. В продуктах детонации составов с гексогеном и октодекановой кислотой с размерами отдельных гранул бензотрифуроксана от единиц до десятков микрон наблюдаются характерные для чистого бензотрифуроксана углеродные формы. В субмикронной смеси бензотрифуроксана с тротилом таких форм не обнаружено.

Построены широкодиапазонные полуэмпирические уравнения состояния жидкого и газообразного аргона, криптона и ксенона с учетом испарения и термической ионизации на основе модифицированной модели Ван-дер-Ваальса для смесевых веществ. Конкретизирующие модель эмпирические функции имеют простой вид. Они содержат небольшое число свободных параметров, которые подобраны исходя из, по возможности, лучшего описания экспериментальных данных. Представлено сравнение результатов модельных расчетов с экспериментом до давления ≈1 000 ГПа и результатами расчетов по другим моделям при давлении больше 1 000 ГПа. В пределе низкой плотности и высокой температуры модель переходит в уравнение состояния смеси идеальных газов атомов, ионов всех кратностей и электронов с концентрацией, определяемой системой уравнений Саха.

Проведены исследования возможности существования волн горения в газовых смесях αCH₄/воздух и двухтопливных гетерогенных смесях (ДГС αCH₄/воздух/угольная взвесь с объемной концентрацией метана α = 5 ÷ 8 % в закрытой вертикальной ударной трубе и в открытой с одного конца горизонтальной кварцевой трубке. Показано, что на величину нижнего концентрационного предела распространения (НКПР) пламени метана α^* и на устойчивость пламени влияют расположение канала относительно вектора силы тяжести и концентрация угольной взвеси. В вертикальном закрытом канале волны горения распространялись сверху вниз в газовых смесях и ДГС при α ≥ 6 %, при α ≤ 5.5 % смеси не загорались. В горизонтальной трубке пламя распространялось в газовых смесях с α ≥ 6 % и в ДГС с α ≥ 5.5 %. Добавка угольной взвеси в метановоздушные смеси слабо влияет на скорость пламени, усиливает яркость и уменьшает НКПР пламени

Выполнено экспериментальное исследование процессов зажигания и горения капель композиционного жидкого топлива (КЖТ) на основе отходов углеобогащения в высокотемпературной среде окислителя при 700 ÷ 900 °C. Исследовано влияние добавления отработанного моторного масла в качестве компонента КЖТ и в качестве сырья для генерации синтез-газа, который подавался в область горения КЖТ. Экспериментально подтверждена целесообразность совместного сжигания КЖТ с синтез-газом. Задержка газофазного зажигания капель КЖТ с добавлением синтез-газа в область горения в 1.1 ÷ 1.2 раза меньше по сравнению со сжиганием КЖТ без добавления синтез-газа. В таких условиях задержка гетерогенного зажигания меньше в 1.3 ÷ 1.7 раза, а длительность выгорания топлива меньше в 1.2 ÷ 1.5 раза. Применение отработанного масла как компонента композиционного топлива характеризуется значительным улучшением энергетических характеристик, что в совокупности с увеличением температуры в процессе горения топлива делает данную стратегию наиболее привлекательной для практической реализации.

Развитие перспективных технологий, таких как кислородно-капельно-факельное сжигание, позволит решить ряд проблем и улучшить экологическую обстановку при сжигании углеводородного топлива (в том числе отходов) на станциях. В данной работе на лабораторном стенде проведены опыты по изучению процессов самовоспламенения капель водоугольной суспензии в трубчатом реакторе. Исследована зависимость периода индукции воспламенения от концентрации кислорода и диоксида углерода в адиабатических условиях. Показано, что повышение концентрации O₂ на 1 % (об.) позволяет снизить время вспышки на 5.14 % при рассмотренных параметрах опытов. Установлено, что повышение концентрации CO₂ в потоке при одинаковой концентрации кислорода не оказывает существенного влияния на время вспышки в данных условиях.

Испытания модельных твердых топлив на основе додекаборида алюминия AlB₁₂ выявили существенное расхождение экспериментальных значений коэффициента истечения и температуры продуктов первичного сгорания в камере модельного газогенератора по сравнению с их значениями, рассчитанными из условия термодинамического равновесия. Предложен расчетно-экспериментальный метод определения термодинамических характеристик продуктов первичного сгорания для модельных борсодержащих топлив, характеризующихся низкой обеспеченностью окисляющими элементами (α < 0.2). Метод предполагает экспериментальное определение температуры продуктов сгорания и коэффициента истечения с последующим расчетом газовой постоянной и показателя адиабаты продуктов сгорания. Определены области возможных значений термодинамических характеристик и их зависимости от давления.

Исследовано зажигание соснового опила ( d < 200 мкм) и смесевых составов частиц бурого угля ( d < 3 мм) и соснового опила в псевдоожиженном слое локальным излучением полупроводникового лазера непрерывного действия (λ = 450 нм) мощностью ≤23 Вт с временем экспозиции, достаточным для воспламенения и распространения пламени по поверхности топлива до установления самоподдерживающегося режима горения. Определены зависимости времени установления самоподдерживающегося горения и массы выгоревшего за 60 с опила при фиксированной мощности излучения от скорости потока воздуха через псевдоожиженный слой, а также зависимость времени установления самоподдерживающегося горения опила от мощности излучения при фиксированной скорости потока воздуха и зависимость времени установления самоподдерживающегося горения смеси опила и угля от массового содержания угля в смеси 30 ÷ 80 % при фиксированной мощности излучения 23 Вт. Определены оптимальные условия установления самоподдерживающегося горения твердого топлива в псевдоожиженном слое при воздействии лазерного излучения.

Методом рентгеновского фазового анализа с использованием источника синхротронного излучения при скорости нагрева в воздушной среде 10 °C/мин исследованы особенности окисления порошков исходного бора и бора, модифицированного гелями пентаоксида ванадия. Установлено, что в основе механизма активации окисления бора пентаоксидом ванадия лежит способность последнего к переносу электронов и обеспечению доставки кислорода к поверхности бора при растворении в расплаве B₂O₃.

Рассмотрены закономерности перехода волны безгазового горения через воздушный промежуток, разделяющий два образца цилиндрической формы разного диаметра, приготовленные из смеси Ti---Si. Экспериментальными и расчетными методами исследованы критические условия переходного процесса. Предложена математическая модель, на основе которой в корреляции с экспериментальными данными рассчитан эффективный коэффициент излучения с поверхности горения. Оценена степень черноты силицида титана.

Методами математического моделирования проведен анализ срыва горения образца цилиндрической формы при лучистом теплообмене. Предложен способ оценки критических параметров --- предельного диаметра, температуры и скорости на пределе горения при доминировании лучистых теплопотерь, характерных для высокотемпературных СВС-систем. Результаты сопоставлены с аналогичными величинами при максимальных теплопотерях, охлаждающих поверхность цилиндра до температуры окружающей среды. Результаты расчетов могут быть использованы для оценки размерного критического радиуса цилиндра и эффективной энергии активации реакции. Предложен способ оценки эффективной энергии активации скорости тепловыделения при безгазовом горении конденсированных сред.

Разделение ступеней является критически важным событием для многоступенчатых аэрокосмических аппаратов и требует высокой точности, надежности и исключения образования осколков. Гибкие линейные кумулятивные заряды (ГЛКЗ) стали достойным решением этой задачи благодаря высокой режущей мощности, малому весу и способности адаптироваться к структурным интерфейсам. В данном исследовании представлено комплексное численное и экспериментальное изучение механизма разделения ступеней на основе ГЛКЗ с акцентом на оптимизацию качества резки, минимизацию осколков и с валидацией результатов моделирования по результатам испытаний. Были смоделированы три различные конфигурации с использованием гидрокодного программного обеспечения: базовая установка с плоской пластиной (случай А) с ГЛКЗ массой 8.4 г/м; модифицированная геометрия с выточкой радиусом R8 для управления трещиной (случай B); конфигурация с уменьшенным зарядом (4.2 г/м) для минимизации ударного воздействия и обеспечения резки в одной плоскости (случай C). Моделирование осуществлялось с помощью сопряженных эйлеровых и лагранжевых решателей, продвинутых моделей материалов и встроенных контрольных точек для описания физики детонации, формирования кумулятивной струи и структурного отклика в микросекундном временном масштабе. Случай B показал значительное улучшение в снижении количества осколков, в то время как случай C позволил достичь чистого реза в одной плоскости без образования осколков. Окончательная конфигурация была реализована и испытана экспериментально на образце в виде плоской пластины. Результаты тестов близко совпали с прогнозами моделирования, показав точное разделение ступеней, сохранность крепежных элементов и отсутствие разлетающихся фрагментов, что подтвердило эффективность оптимизированной с помощью гидрокода конструкции. Данная работа подчеркивает потенциал гидрокодного моделирования для руководства экономически эффективным, оперативным и экспериментально подтвержденным проектированием систем разделения ступеней на основе ГЛКЗ. Полученные результаты предлагают практические способы, которые можно использовать при разработке механизмов разделения ступеней следующего поколения для космических и ракетных отраслей, где точность и безопасность имеют первостепенное значение.