Главная – Журналы – Физика горения и взрыва 2026 номер 4

На основе детального кинетического механизма GRI-Mech 3.0 выполнена расчетная проверка пределов применимости допущения Зельдовича о квазиравновесных концентрациях атомарного N в реакциях образования NO по термическому механизму в диффузионном метановоздушном пламени при высоких давлениях и температурах процесса. В отличие от допущения Зельдовича, с увеличением скорости диффузии в пламени (χ _st ) реакция CH + N₂ становится основным источником неравновесного N по сравнению с реакцией O + N₂, но лишь часть (62 ÷ 87 %) выделяющегося N непосредственно участвует в реакциях окисления. В результате скорости реакций N + O₂ и N + OH в механизме Зельдовича возрастают в 30 и 26 раз соответственно, а при допущении о квазиравновесной концентрации N их общая скорость увеличивается только на 30 %. Показано, что это допущение в термическом механизме Зельдовича применимо в диапазоне χ _st = 1 ÷ 8 c^-1 с отклонением расчетных значений индексов эмиссии NO_x в пределах ±37 % на краях этого диапазона.

Численными методами исследовано явление сверхадиабатических температур (SAFT) в пламенах богатых смесей аммиака и водорода с воздухом. Показано, что сверхадиабатические температуры в этих пламенах обусловлены тем, что к моменту полного израсходования кислорода и достижения концентрацией воды максимального значения во фронте пламени остается непрореагировавший аммиак. Его диссоциация в постпламенной зоне и приводит к понижению температуры, повышению концентраций водорода и азота и, соответственно за счет увеличения числа молей, к уменьшению концентрации воды. Свой вклад в уровень SAFT вносит также и некоторое преимущественное окисление аммиака по сравнению с водородом в диапазоне температур во фронте пламени от начального до максимального значения.

Основными компонентами природного газа являются метан и этан. Несмотря на широкое применение, газовые смеси обладают взрывоопасностью. В работе изучены характеристики взрыва предварительно перемешанной смеси метан --- этан --- воздух (коэффициент избытка топлива ϕ = 0.7 ÷ 1.3) в сферической камере объемом 1 м³, а также эффект подавления взрыва при добавлении инертной смеси N₂/CO₂. Механизм ингибирования проанализирован с позиций химической кинетики. Результаты показали, что максимальная интенсивность взрыва, характеризуемая пиковым давлением и максимальной скоростью нарастания давления, наблюдается при слегка обогащенной смеси (ϕ = 1.1). При этом скорость распространения деформированного фронта пламени составляет 2.60 м/с, максимальное давление взрыва --- 830.58 кПа, а максимальная скорость нарастания давления --- 10.31 МПа/с. Десять ключевых элементарных реакций, наиболее значительно влияющих на концентрацию активных радикалов (H•, O•, OH•) и температуру взрыва, совпадают; их коэффициенты чувствительности изменяются однонаправленно. При одной и той же объемной доле инертного газа повышение содержания CO₂ в смеси N₂/CO₂ усиливает подавление взрыва. Это объясняется не только более высокой теплоемкостью CO₂, но и его прямым участием в элементарных реакциях, приводящим к обрыву цепей разветвления и образованию стабильных продуктов. Полное подавление взрыва достигается при введении 25 % (об.) инертной смеси.

С точки зрения взрывобезопасности горючей смеси наиболее важны данные о критической энергии инициирования, позволяющие анализировать относительную опасность различных смесей. Критические энергии E_* определяются как минимальные энергии инициатора, которые обеспечивают в исследуемой смеси воспламенение и последующее распространение волн горения и детонации: чем меньше E_*, тем более опасна смесь. Традиционно энергия инициирования заметно увеличивается при разбавлении смесей азотом (при замене кислорода на воздух), при «уходе» от стехиометрии к концентрационным пределам, при уменьшении начального давления. Вопрос о влиянии температуры не столь очевиден, к тому же он изучен недостаточно подробно. В данной работе роль начальной температуры смеси проанализирована на примере трудноинициируемой смеси аммиак --- кислород --- азот, причем не только стехиометрического, но и обедненного и обогащенного составов. Представлены наиболее интересные и важные газодинамические и кинетические параметры горения, взрыва и детонации. Установлено заметное различие в поведении и величинах большинства параметров систем, что свидетельствует об отсутствии подобия в протекающих химических процессах.

Численно решена задача о трехмерном нестационарном течении пропановоздушной смеси с непрерывно вращающимися волнами детонации в кольцевом канале между плоскими диском и кольцом, определены критические значения ширины канала и внутреннего диаметра кольца, ограничивающие области их значений, при которых в результате прямого инициирования формируется вращающаяся детонация. Получены расчетные данные, характеризующие зависимость газодинамических параметров течения и интегральных силовых характеристик от ширины канала и внутреннего диаметра кольца.

В вихревой радиальной кольцевой камере диаметром 500 мм реализованы и исследованы режимы непрерывной спиновой, а также пульсирующей детонации водотопливной эмульсии (вода --- керосин ТС-1) при смешении ее с холодным воздухом начальной температуры 293 К. Массовая доля воды в водотопливной эмульсии варьировалась в диапазоне 0.12 ÷ 0.38. При массовой доле воды не больше 0.16 наблюдали режимы с одной поперечной детонационной волной в диапазоне расходов смеси 17.7 ÷ 23.54 кг/с при коэффициенте избытка горючего 1.0 ÷ 1.53. Скорость вращения поперечных детонационных волн составляла 1.78 ÷ 2.03 км/с. Определен верхний предел режимов непрерывной спиновой детонации по массовой доле воды в керосине --- 0.16 ÷ 0.17. Причем в диапазоне 0.17 ÷ 0.38 реализуется пульсирующая детонация с частотами радиальных пульсаций 0.09 ÷ 0.33 кГц. Показано, что при добавках воды в эмульсию не больше 16 % скорости детонации, силы тяги и удельные импульсы близки к параметрам непрерывной спиновой детонации чистого керосина с воздухом. Установлено, что при радиальной подаче воздуха (без завихрения) и тех же удельных расходах смеси отсутствует даже горение.

Приведены обзор и сравнение методов расчета изоэнтроп продуктов детонации по данным экспериментов в постановке цилиндр-тест на примере зарубежного смесевого взрывчатого вещества Composition B. Показано, что классический метод прямого численного моделирования, несмотря на явные преимущества в точности и воспроизводимости результатов эксперимента, является чрезвычайно трудозатратным и существенно зависит как от навыков оператора по последовательному приближению и подбору коэффициентов, так и от настроек задачи и применяемых подходов. Аналитический метод расчета изоэнтроп продуктов детонации дает значительные погрешности и пока не пригоден для практического применения. Альтернативным вариантом является подход, предложенный сотрудниками ОИХФ РАН СССР и апробированный в данной работе.

Рассмотрено реагирование материала с гауссовым распределением реакционной способности, претерпевающего экзотермическое разложение. С использованием ряда приближений можно получить критические условия для простого теплообмена реагирующей системы с окружающей средой. Приближенная формула сводится к классическому условию при малой дисперсии реакционной способности. Приведены результаты численного моделирования динамики выгорания материалов с распределенной реакционной способностью.

Работа посвящена разработке математических моделей и методов моделирования мезоскопических процессов тепловой диссипации и теплопереноса в двухфазном пористом материале при ударно-волновом нагружении. Основное внимание уделено вопросу влияния температурной зависимости механических свойств фаз на формируемое температурное поле ударно-сжатого пористого материала при отсутствии и наличии фазовых превращений. Подробно проанализированы упрощенные аналоги базовой математической модели, применяемые при изучении температурного состояния двухфазного пористого материала с учетом температурной зависимости его механических свойств.

Теоретическая интерпретация экспериментов, в которых была обнаружена способность наночастиц алюминия активировать горение углеводородов, требует разработки моделей горения наночастиц алюминия нового поколения, отличающихся высокой прогностической способностью в отношении не только времени горения, но и других характеристик горения наночастиц. В работе приведен обзор моделей горения наночастиц алюминия, созданных к настоящему времени. Обсуждаются эксперименты по горению наночастиц алюминия за ударными волнами. Предложено объяснение наблюдающейся в опытах зависимости времени горения от концентрации кислорода, основанное на представлениях о расплаве оксида алюминия как о псевдокристаллической структуре с высокой степенью разупорядоченности, в которой равновесие дефектов устанавливается независимо от парциального давления кислорода.

Предложен подход, позволяющий определить характеристики реагирования частиц алюминия в составе аэровзвеси и принимающий в расчет изменение механизмов тепло- и массообмена при уменьшении размера горящей частицы начиная от режима в условиях допущения сплошной среды (длина свободного пробега молекул газа значительно больше диаметра частицы) до свободномолекулярного режима (частицы ультрамалого размера). Моделирование процесса горения частицы алюминия с учетом смены режимов тепломассообмена и уменьшения концентрации кислорода в воздухе в диапазоне изменений коэффициента избытка окислителя от 1.05 до 2.5 и давления от 0.1 до 4 МПа позволило установить определяющий фактор уменьшения средней массовой концентрации окислителя в процессе горения частицы, обусловливающий увеличение времени горения в свободномолекулярном режиме по отношению к времени горения, рассчитанному в предположении сплошной среды.

Приведен анализ экспериментальных данных по импульсному инициированию горения нанотермита Al/CuO. В качестве импульсных источников использовались заряд взрывчатого вещества, электрический разряд и лазерный диод. Рассмотрен процесс диспергирования продуктов реакции смеси ударной волной. Определены критические параметры (минимальная энергия и задержка) при лазерном и электроискровом инициировании. Приведены данные по измерению удельного импульса при использовании нанотермита в микротрастере. В целом результаты показали, что процесс высокоскоростного распространения реакции протекает за счет опережающего распространения горячих промежуточных продуктов в пористом материале. Скорость этого процесса в значительной степени зависит от градиента давления и пористости исходной смеси.

Железоматричные композиты, упрочненные дисперсными частицами карбида титана, полученные спеканием или нанесением покрытий с использованием порошковых смесей карбида титана со сталями, находят практическое применение в качестве износостойких материалов и покрытий. Для нанесения износостойких покрытий используют композиционные порошки со структурой металломатричного композита «карбид титана --- связка на основе железа». Исследована возможность получения таких композиционных порошков синтезом в механоактивированных порошковых смесях интерметаллидов системы Ti---Fe с углеродом (сажей). Установлено, что при нагреве порошковых смесей интерметаллидов Fe₂Ti и FeTi с углеродом (сажей), предварительно обработанных в планетарной мельнице «Активатор-2S» при угловом ускорении 40g в течение 10 мин, наблюдается взрывной рост температуры. Согласно результатам рентгенофазового анализа и растровой электронной микроскопии причиной теплового взрыва является синтез карбида титана при реакции углерода с титаном, содержащимся в интерметаллидах Fe₂Ti и FeTi. Продукты теплового взрыва, помимо карбида титана, содержат восстановленное углеродом металлическое железо и небольшое количество непрореагировавшего интерметаллида Fe₂Ti. Для полного завершения реакции синтеза с получением только целевых продуктов (карбид титана и железо) требуется увеличение длительности механоактивации порошковых смесей.

Приведены результаты экспериментального исследования процесса распространения детонации в заряде из пластифицированного взрывчатого вещества на основе ТАТБ в форме полого цилиндра с внутренней медной и внешней алюминиевой оболочками при инициировании нормальной детонации по линии на наружной поверхности заряда. В опыте 1 исследовались особенности распространения детонации под инициатором рентгенографическим методом. Получено, что в плоскости инициирования скорость фронта расходящейся детонационной волны составляет 7.4 км/с. В опыте 2 с использованием многокадрового протонного ускорителя определены форма и положение фронта детонационной волны в различные моменты времени. Оригинальная постановка эксперимента позволила исследовать распространение детонации на углы более 180 °C от линии инициирования. Показано, что в области «тени» точки инициирования скорость детонационной волны по внутренней поверхности заряда ТАТБ уменьшается с 7.4 до 6.5 км/с. При угле ≈90 °C от плоскости инициирования на поверхности медной оболочки зафиксировано развитие неустойчивости Кельвина --- Гельмгольца в виде повторяющихся периодических возмущений. На фронте детонационной волны зафиксировано возмущение в виде «двоения» фронта, которое зародилось около поверхности медной оболочки и распространилось вдоль поверхности фронта по мере его распространения по заряду. Причем «двойной» фронт имеет не только детонационная волна, но и отраженная от медной оболочки ударная волна. Зарегистрированы положения оболочек при разлете и фронты отраженных ударных волн в продуктах взрыва. С помощью метода гетеродин-интерферометра (PDV) проведена непрерывная регистрация скорости движения внутренней и внешней оболочек. Полученные данные могут быть использованы при калибровке численных моделей, содержащих кинетику детонации и уравнения состояния продуктов взрыва ТАТБ. Получены экспериментальные зависимости скорости фронта детонационной волны от кривизны фронта, которые сравниваются с данными других авторов.

Заряды для проникающих боеприпасов должны удовлетворять жестким требованиям, включая высокое энерговыделение, отличные механические свойства, низкую чувствительность к воздействию окружающей среды. Для повышения энергоемкости алюминизированного взрывчатого вещества в литой состав PBX в качестве связующего был введен гидроксилтерминированный фторсодержащий олигомер (HTFB). Методом смешивания/заливки/отверждения с 88 %-м содержанием твердой фазы была отработана система отверждения алюминизированного литого PBX, и проведено ее исследование. Изучены факторы, влияющие на реологические характеристики, процессы формования при отверждении и механические свойства композиции. Определены механические и детонационные характеристики полученных составов, параметры их чувствительности к внешним воздействиям при ограниченном по времени хранении в условиях, когда требуется ускоренный доступ к боеприпасам. Результаты показали, что состав PBX-361-C обладает наилучшим сочетанием технологичности заливки и качества отвержденной отливки. Его плотность, теплота и скорость детонации составляют соответственно 1.962 г/см³, 7 806 Дж/г и 7 603 м/с. Предел прочности при растяжении и сжатии PBX-361-C равен 9.33 и 37.53 МПа соответственно. При испытаниях на быстрое и медленное прогревание, а также при обстреле пулями реакция состава ограничивалась горением или более слабыми формами. Расчетный срок хранения PBX-361-C при комнатной температуре оценен в 7 442 года. Все полученные данные свидетельствуют о высоком потенциале данной композиционной системы для применения в зарядах проникающих боеприпасов.

Представлены результаты численного моделирования методом гладких частиц (SPH) косого симметричного соударения алюминиевых пластин, на основе которых предложена модель волнообразования на контактной границе пластин. Образование волн обусловлено автоколебаниями, которые развиваются вследствие неустойчивости симметричного течения и поддерживаются за счет энергии соударяющихся пластин. В области контакта происходит разупрочнение материала за счет его нагрева, поэтому соударение пластин можно моделировать как косое соударение жидких струй. При косом соударении струй образуются прямая и обратная струи. За счет возмущений, приходящих в точку контакта, точки растекания взаимодействующих струй смещаются, возникает силовой диполь, колебания которого создают колебания в прямой и обратной струях. После вытекания прямой струи из области контакта прочностные свойства восстанавливаются, поэтому колебания «замораживаются» в виде волн на контактной границе. Рассчитанная длина волны удовлетворительно согласуется с наблюдаемой в эксперименте. Обратная кумулятивная струя сталкивается с поверхностью пластин, разрушается и превращается в облако частиц.

Традиционным эмульсионным взрывчатым веществам (ВВ) присуще противоречие между высоким энерговыделением и безопасностью использования. Для разрешения этой проблемы в настоящей работе исследовалось использование покрывающего слоя для частиц алюминия. Методом суспензионной полимеризации были синтезированы микрокапсулы со структурой ядро --- оболочка, в которых алюминиевый порошок инкапсулирован в полиметилметакрилат (ПММА). Методом испарения растворителя были сформированы также покрытия из парафина и из стеариновой кислоты на поверхности алюминиевых частиц. Это позволило систематически изучить влияние различных материалов оболочки на детонационные характеристики алюминизированного эмульсионного ВВ. Приготовлены три группы образцов эмульсионного ВВ с добавлением указанных типов покрытых алюминиевых порошков в качестве энергетической добавки. Микроструктура и качество покрытия частиц алюминия исследованы методами сканирующей электронной микроскопии, рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии и рентгеновской дифракции. Влияние структуры покрытия на параметры ударной волны и термическую стабильность алюминизированных эмульсионных ВВ изучено с использованием системы пневматических испытаний и синхронного термоанализатора ДСК-ТГ. Результаты экспериментов показывают, что покрытие из ПММА формирует сплошную плотную оболочку, тогда как покрытия из парафина и стеариновой кислоты имеют локальные дефекты. Все три типа покрытых алюминиевых порошков усиливают параметры ударной волны эмульсионного ВВ, при этом наилучший эффект достигается для микрокапсул из ПММА и алюминия: пиковое давление ударной волны возрастает на 25.1 % по сравнению с контрольным образцом. Оболочка из ПММА повышает энергию активации алюминизированного эмульсионного ВВ, улучшая тем самым его термическую стабильность. Покрытия из парафина и стеариновой кислоты снижают энергию активации вследствие наличия дефектов на межфазной границе. Технология микрокапсулирования в ПММА, благодаря формированию плотной структуры ядро --- оболочка, позволяет одновременно повысить плотность энергии и термическую стабильность эмульсионного ВВ, что делает перспективным производство высокоэнергетических нечувствительных эмульсионных составов.

Водородоаккумулирующие сплавы, типичным представителем которых является MgH₂, вызывают значительный интерес как потенциальные компоненты для повышения эффективности энергетических материалов. Для изучения влияния степени разрежения вакуума на параметры детонации были изготовлены образцы композитного взрывчатого вещества на основе RDX с различным содержанием порошка MgH₂. С использованием сферической взрывной камеры и метода цветовой пирометрии проведен анализ параметров ударной волны и температурных полей в зависимости от степени разрежения вакуума. Экспериментально установлено, что композитные составы RDX/MgH₂ превосходят чистый RDX по детонационным характеристикам и способности к термическому поражению. С увеличением степени вакуума наблюдается снижение пикового давления и положительного импульса, длительность положительной фазы изменяется немонотонно, а показатели термического поражения также улучшаются в определенном диапазоне. Сравнительный анализ влияния добавок MgH₂ и Mg на характеристики взрыва композиций RDX при атмосферном давлении и в условиях глубокого вакуума показал, что MgH₂ обеспечивает существенно более выраженный положительный эффект на параметры ударной волны, а также на объем и время существования огненного шара. Полученные результаты позволяют рассматривать порошок MgH₂ в качестве перспективной энергетической добавки для создания новых высокоэффективных бризантных взрывчатых составов.