Главная – Журналы – Поиск по журналам

На установке адиабатического сжатия проведено экспериментальное исследование влияния степени негомогенности смеси и октанового числа на процесс самовоспламенения и явление стука в стратифицированных смесях воздуха с топливами (n-гептан, изооктан, n-гексан и n-пентан), которые отличаются октановыми числами (0, 100, 25 и 62 соответственно). В нижней части экспериментального сосуда создавалась более богатая топливом смесь. В горизонтальном направлении градиент концентрации топлива отсутствовал. Результаты экспериментов показали, что быстрое сгорание смеси вызвано не распространением пламени, а последовательным послойным самовоспламенением. Несмотря на то, что периоды индукции самовоспламенения стратифицированной смеси не зависят от градиента концентрации топлива в смеси, они постоянны при постоянном среднем эквивалентном отношении и сокращаются с его уменьшением. Начиная с определенного значения градиента интенсивность стука уменьшается с ростом градиента для всех исследованных топлив независимо от их октанового числа.

Численно исследована ячеистая структура детонации в реагирующих смесях, тепловыделение в которых реализуется в два этапа, сильно различающихся характерными временами. Ячеистая структура в смесях такого типа при определенных условиях является двухуровневой. При уменьшении диаметра трубы многоголовая двухуровневая ячеистая детонационная структура сменяется двухуровневой структурой со спином, соответствующим второму (медленному) экзотермическому этапу реакции, затем одноячеистой структурой и, наконец, спиновой модой распространения поперечной волны, соответствующей первому (быстрому) этапу реакции. Впервые представлены результаты трехмерного численного исследования детонации таких смесей. Хотя использовавшееся численное разрешение не позволило описать тонкую структуру в начале больших детонационных ячеек, результаты расчетов качественно согласуются с экспериментом.

В качестве альтернативы широко распространенному гидразину для двигателей с управляемой тягой разработано новое многообещающее монотопливо— композиция на основе нитрата гидроксиламмония, содержащая нитрат аммония, метанол и воду. По сравнению с гидразином композиция-раствор характеризуется на 20% более высоким расчетным удельным импульсом, в 1.4 раза большей плотностью, более низкой температурой замерзания и меньшей токсичностью. Раствор имеет умеренную линейную скорость горения при давлениях, характерных для двигателей малой тяги. Обнаружено, что реализация линейной скорости горения (распространение волны горения) происходит вследствие специфических механизмов. Механизм горения раствора исследован с использованием видеосъемки и измерений профиля температур в волне горения термопарами диаметром 2.5 мкм. Результаты исследований показали, что нестабильность поверхности раздела жидкость— газ может приводить к внезапному значительному увеличению скорости горения, а метанол является эффективным компонентом, понижающим скорость роста пузырей в растворе. В опытах с горением в открытом сосуде оценена активность нескольких катализаторов; лучшим среди исследованных оказался катализатор S405, разработанный для гидразина. Эксперименты на модельном двигателе проведены с катализатором S405 при вариации массовой скорости подачи топлива, конфигурации слоя катализатора, соотношения длины и диаметра камеры сгорания. В результате выбраны параметры, обеспечивающее продолжительное время работы двигателя. Модельный двигатель непрерывно стабильно работал до 100 с с удельным импульсом I_sp = 240 с, что составляет 90% от расчетного значения.

Многочисленные экспериментальные данные свидетельствуют о том, что внешнее воздействие электромагнитных, магнитных полей на волну горения СВС изменяет кинетику процесса, структуру и свойства продуктов реакции. Эмиссионные явления в волне горения изучены в меньшей степени. Высокие скорости диссипации химической энергии СВС (10¹² Вт/м³) сопровождаются такими физическими явлениями, как возникновение разности потенциалов между фронтом горения и продуктами реакции, эмиссией свободных электронов из волны горения, акустической эмиссией. Детальное изучение этих неравновесных явлений позволяет глубже понять механизм реакции в твердом пламени, применять нетепловые методы управления горением.

Проанализированы литературные и полученные в настоящей работе данные по горению циклотетраметилентетранитрамина (октогена, HMX) при различных начальных температурах. Показано, что при давлениях 0.1÷10 МПа температурная чувствительность скорости горения октогена увеличивается с ростом начальной температуры, что характерно для горения вещества с ведущей реакцией в конденсированной фазе к-фазная модель). Экспериментальные значения температурной чувствительности скорости горения в области давлений 0.1÷1 МПа превосходят значения, рассчитанные по к-фазной модели, однако это свидетельствует не о наличии в этой области неустойчивости горения, а о переходе процесса горения на другой режим. С помощью тонких вольфрам-рениевых термопар в интервале давлений 0.025÷1 МПа исследована структура пламени октогена с различными добавками. Установлено, что по крайней мере до давления 1 MПa газовое пламя загорается в индукционном режиме. На основании экспериментальных данных в широком интервале давлений получена зависимость температуры поверхности от давления: lnp = -14092/T+21.72 (p, атм). Сделано предположение, что колебательный режим горения HMX, обнаруженный при атмосферном давлении, обусловлен, с одной стороны, возникновением резонансных явлений при горении неоднородной газовой смеси в трубке, а с другой стороны, связан с несоответствием между скоростью химической реакции в газовой фазе в момент резонанса и ее энергетическими возможностями, не позволяющими задать нужную скорость газификации HMX. Предложен механизм горения октогена, корректно описывающий его закономерности в широком интервале давлений вплоть до 10 МПа. Механизм основан на ведущей роли реакции распада октогена в расплаве при температуре поверхности.

С помощью скоростной макровидеосъемки и компьютерной покадровой обработки изображений исследованы режимы безгазового горения на примере системы титан— кремний. Проведена реконструкция трехмерной формы фронта горения, и на ее основе предложены объяснения режимов распространения фронта горения по поверхности цилиндрических образцов. Форма фронта внутри образца оказалась близкой к параболоиду. Обнаружено принципиально разное поведение волны горения при избытке титана или кремния. Наблюдаемым явлениям дано объяснение с позиций микрогетерогенной модели горения.

По результатам проведенных экспериментов выполнен анализ свойств поверхностного слоя при горении металлизированных твердых топлив. Разработаны общие физические представления о процессах в поверхностном слое. Показана ключевая роль структуры, названной каркасным слоем. Определены факторы, определяющие свойства каркасного слоя, и изучено влияние последних на свойства конденсированных продуктов и закон скорости горения топлива.

В систематизированном виде представлены результаты исследований, выполненных авторами в области теоретического и численного моделирования гетерогенной детонации реагирующих газовзвесей за период с 2005 г.

С целью проверки применимости теории Зельдовича для скорости распространения пламени с разветвленными цепными реакциями проведены расчеты на основе детального механизма и по формулам приближенной теории Зельдовича с уточненным механизмом рекомбинации атомов водорода для стехиометрических водородокислородной и водородовоздушной смесей в диапазоне давлений 47.5 Торр÷1 атм. Установлено соответствие полученных результатов. Приближенная теория Зельдовича для пламени с разветвленными цепными реакциями при определяющей роли рекомбинационных процессов приводит к разумной физической картине и позволяет получить приближенные формулы для скорости распространения пламени.

Теоретически и численно изучено влияние гидродинамической неустойчивости на скорость распространения и форму сходящегося цилиндрического пламени. Теоретические исследования выполнены в рамках нелинейного эволюционного уравнения для возмущенного фронта пламени, которое может быть выведено из общей модели аналогично уравнению Сивашинского. Явление искривления поверхности сходящегося пламени, приводящее к уменьшению времени выгорания объема свежей смеси, исследовано посредством анализа точных решений нелинейного эволюционного уравнения и численного моделирования в рамках полной гидродинамической модели. Выявлены физические процессы, определяющие динамику сходящегося цилиндрического пламени.