Главная – Журналы – Поиск по журналам

Работа посвящена краткому обзору и систематизации результатов исследований процессов ускорения пламени и перехода горения в детонацию в круглых гладких трубах, выполненных за последние несколько лет в Институте тепло- и массообмена им. А. В. Лыкова (Минск, Беларусь). Показаны и описаны все стадии процесса ускорения пламени, начиная от инициирования горения слабым источником и заканчивая возникновением детонации.

Представлены результаты расчетов высокоскоростного реагирующего течения предварительно не перемешанной водородно-воздушной смеси в канале с резким расширением в форме уступов с поперечной инжекцией водородных струй. Расчеты проведены в пакете Ansys Fluent на основе решения трехмерных нестационарных осредненных по Рейнольдсу уравнений Навье - Стокса, дополненных κ-ω SST моделью турбулентности и блоком уравнений детальной химической кинетики горения водорода в воздухе. Численно получено самовоспламенение водородно-воздушной смеси, переходящее в режим интенсивного горения с движением пламени от зоны воспламенения вверх по потоку. Показано, что горение происходит в толстых дозвуковых зонах, которые в местах повышенного тепловыделения смыкаются на оси канала, образуя тепловое горло. В результате формируется система прямых скачков уплотнения, которые отрывают пограничный слой от стенки канала. Возвратное течение переносит горячие продукты реакции по направлению к торцу уступа, в результате чего тепловое горло и скачки уплотнения смещаются навстречу потоку. Это приводит к выходу волны горения и ударной волны в инжекторную часть, при этом «выбитая» ударная волна объединяется с головным скачком перед струями, в результате чего канал запирается.

Представлены результаты численного моделирования процесса ускорения пламени в полуоткрытом канале, заполненном смесями на основе ацетилена. Расчеты проведены с использованием современного бездиссипативного метода КАБАРЕ. На основе сопоставления результатов, полученных в разных постановках, продемонстрировано влияние ширины канала и степени шероховатости его внутренней поверхности на динамику развития пламени на различных стадиях процесса ускорения пламени. В частности, показано, что при увеличении ширины канала увеличиваются скорость распространения пламени и амплитуда пульсаций скорости на квазистационарной стадии распространения пламени. Также показано, что торможение потока у стенок канала оказывает наиболее существенное влияние на стадии квазистационарного распространения пламени ввиду более стремительного развития пограничного слоя и генерации вихрей в пристеночной области и их взаимодействия с вытянутым вдоль стенок канала пламенем.

Приведены экспериментальные данные по периоду индукции воспламенения синтетических углеводородов при различных температурах и давлениях, полученные при использовании ударной трубы. На основе результатов экспериментов установлено влияние периода индукции воспламенения на полноту сгорания углеводородов в высокоэнтальпийных потоках для диффузионно-кинетических режимов. Представлена интегральная математическая модель, учитывающая влияние кинетических факторов воспламенения и горения на завершенность физико-химических процессов в воздушном потоке. Приведены результаты расчетов полноты сгорания синтетических углеводородов в потоках с различными параметрами.

С использованием разработанных математической модели и вычислительного алгоритма, реализованного в прикладном пакете OpenFOAM, изучена газификация двухслойного твердого пористого горючего в комбинированном заряде низкотемпературного газогенератора. В ходе вычислительных экспериментов исследовалось влияние двухслойности твердого пористого горючего на процесс его газификации на примере газификаторов, содержащих горючее из полиметилметакрилата и полиэтилена с различным взаимным расположением их слоев. Показано, что в двухслойном горючем могут одновременно распространяться две волны газификации, вследствие чего относительный массовый расход продуктов газификации может иметь два локальных максимума. Время работы газогенератора на двухслойном пористом горючем неоднозначно зависит от взаимного расположения слоев и может выходить из диапазона между временами работы газификатора на каждом из горючих.

Дисперсные металлические горючие являются энергоемкими компонентами различных гелеобразных и смесевых твердых топлив, существенно повышающими характеристики двигательных установок. В данной статье представлены характеристики горения высокоэнергетического материала (ВЭМ), содержащего окислитель, полимерное горючесвязующее вещество и дисперсное металлическое горючее - алюминий Al, бориды алюминия AlB₂ и AlB₁₂, аморфный бор. В бомбе постоянного давления измерены скорости горения ВЭМ в диапазоне давления 0.7 ÷ 4.0 МПа, установлено влияние дисперсности алюминия и природы металлического горючего на скорость и температуру горения, чувствительность топлива к изменению давления в камере и состав конденсированных продуктов горения. Увеличение дисперсности частиц Al в ВЭМ существенно повышает скорость горения и чувствительность топливной композиции к изменению давления. Замена микроразмерного порошка Al на аморфный бор, AlB₂ или AlB₁₂ в ВЭМ повышает скорость горения в 2.1 ÷ 2.2 раза при давлении 4.0 МПа, при этом степенной показатель в законе скорости горения u(p) = Bp^ν увеличивается с 0.22 до 0.45.

Проанализированы процессы, протекающие в период индукции теплового взрыва в смесях порошков титана и алюминия. Рассмотрена роль оксидной пленки на частицах алюминия и скорости нагрева образцов при взаимодействии титана с алюминием, и предложены различные механизмы разрушения оксидной пленки при температурах вблизи температуры плавления. Показано, что в зависимости от скорости нагрева образцов возможна реализация трех механизмов формирования непосредственного контакта между титаном и алюминием: механическое разрушение оксидной пленки на алюминии, реакция оксида алюминия с титаном, реакция оксида алюминия с алюминием. Механическая активация смеси порошков понижает температуру воспламенения на 20 ÷ 30 °C. Уменьшение среднего размера частиц титана от 90 до 10 мкм понижает температуру воспламенения на 100 °C. Показано, что в ряде случаев наблюдается двухстадийный механизм воспламенения. После изотермического участка плавления алюминия начинается стадия медленного роста температуры до 700 ÷ 800 °C, после чего скорость роста температуры увеличивается на порядок.

Перспективным направлением в ствольной баллистике для повышения дульной скорости метаемого элемента является использование новых топлив в качестве присоединенного заряда. В работе представлена экспериментально-теоретическая методика определения закона горения топлива в манометрическом эксперименте (в замкнутом объеме), позволяющая по небольшому числу опытов определить изменение закона горения по мере сгорания топлива и в зависимости от давления. Методика продемонстрирована на примере обработки трех опытов с модельным высокоплотным топливом. Полученные законы горения высокоплотных топлив в дальнейшем могут быть использованы для расчета газодинамических параметров выстрела из ствольной системы или сопловой бомбы (в полузамкнутом объеме) с использованием данных топлив.

С использованием газового хроматографа с квадрупольным масс-спектрометрическим детектором в режиме электронной ионизации (70 эВ) исследованы масс-спектрометрические характеристики N-алкил-4-нитро-1,2,3-триазолов. Изучена устойчивость молекулярного иона в зависимости от местоположения, строения, типа и природы алкильного заместителя при эндоциклических атомах азота нитротриазолового гетероцикла. Показано, что вне зависимости от алкильного заместителя в структуре соединения наибольшей стабильностью и интенсивностью молекулярного иона характеризуются N2-алкил-4-нитро-1,2,3-триазолы. Предложены пути фрагментации молекулярного иона рассмотренных соединений, идентифицированы характеристичные ионы. Установлено, что фрагментация молекулярного иона N-алкил-4-нитро-1,2,3-триазолов начинается с элиминирования экзоциклической NO₂-группы с последующим отрывом соответствующего алкильного заместителя и образованием катион-радикала 1,2,3-триазола. Фрагментация незамещенного катион-радикала 1,2,3-триазола реализуется через характерный отрыв атома N или нейтральных молекул N₂ и HCN. В свою очередь, распад ионов объемных алкильных заместителей (циклогексильный и бензильный радикалы) приводит к группе характеристичных ионов высокой относительной интенсивности. В целом полученные результаты показывают, что метод масс-спектрометрии может быть эффективно использован для надежной идентификации изомерной принадлежности (N1-, N2- и N3-изомеров) алкил-4-нитро-1,2,3-триазолов, а также продуктов их распада.

Методами сканирующей электронной микроскопии и рентгеновской дифрактометрии изучены витринитовые концентраты каменных углей различной стадии метаморфизма. Результаты исследования показали, что сколы и изломы поверхности частиц мацералов имеют структуру, характерную для стекловидных аморфных тел для всего ряда метаморфизма, однако с ростом степени метаморфизма возрастает электропроводность частиц витринита и снижается отражательная способность по отношению к электронам за счет снижения содержания атомов кислорода. Методом рентгеновской дифракции показано, что витриниты имеют турбостратную углеродную структуру, сформированную полиареновыми слоями с межплоскостным расстоянием (d₀₀₂), которое уменьшается от 3.64 до 3.50 Å с ростом стадии метаморфизма, одновременно с этим наблюдается увеличение размеров структурированных углеродных фрагментов витринита - высоты (L_c) и ширины (L_a) пакетов ареновых слоев. Выявлена линейная зависимость между d₀₀₂ и показателем отражения витринитов.