Главная – Журналы – Поиск по журналам

В последнее десятилетие в моделировании горения твердых топлив достигнут колоссальный прогресс. Значительное увеличение производительности компьютеров позволило использовать вычислительные подходы, которые прежде рассматривались лишь как концептуальные. В работе обсуждаются следующие три направления: численное моделирование пламен предварительно перемешанных газов с привлечением детальных кинетических механизмов; разработка моделей для расчетов геометрических распределений частиц, моделирующих структуру гетерогенного твердого топлива; расчеты эффектов диффузионных пламен, которые играют решающую роль при горении АР/углеводородных твердых топлив. Накопленный опыт моделирования пламен предварительно перемешанных газов с привлечением детальных кинетических механизмов был успешно применен для исследования горения компонентов твердого топлива в одномерном подходе. Множество ранних работ было выполнено в Новосибирске. Названный подход позволяет рассчитывать скорость горения в зависимости от давления, а также температурную чувствительность скорости горения и пространственные распределения температуры и концентраций реагентов. Разработаны обобщенные механизмы, которые были применены ко многим компонентам твердых топлив, таким как HMX, GAP, RDX, NG, AP и др. Газофазные кинетические механизмы, по-видимому, хорошо моделируют химию горения таких монотоплив и псевдотоплив. Значения скоростей горения этих монотоплив различаются почти на порядок, но практически не зависят от температуры пламени. Различные модельные расчеты находятся в разумном согласии между собой и с имеющимися экспериментальными данными. Последние работы, выполненные в США, представляют существенное продвижение по пути описания геометрической упаковки твердого топлива. Однако объединение моделей упаковки с реалистическими моделями пламен по-прежнему остается сложной задачей, хотя предварительные результаты обнадеживают. Также достигнут значительный прогресс в двумерных расчетах диффузионных пламен, включающих реальную кинетику химических реакций. Последние опубликованные результаты вселяют надежду на успех в детальном моделировании скорости горения топлив, содержащих перхлорат аммония.

С помощью зондового пробоотбора исследованы процессы образования наночастиц оксидов магния, бария и алюминия в бедном (по горючему компоненту) кислородно-ацетиленовом пламени. Измерены распределения частиц по размерам и концентрации в различных зонах пламени. Рассмотрены возможные пути реакции окисления. Показано, что наночастицы MgO и BaO образуются в зоне высокой концентрации радикалов в пламени. Образование частиц Al₂O₃ затруднено из-за низкой скорости реакции AlO + AlO₂ → Al₂O₃.

Изучено образование наночастиц оксидов металлов в процессе горения капель алюминия и титана, движущихся в воздухе со скоростью до 3 м/с. В качестве источника горящих частиц использовали пиротехническую смесь, содержащую окислитель, связующее и металлические частицы размером 4 ÷ 350 мкм. С помощью просвечивающей электронной микроскопии показано, что при горении образуются агрегаты фрактальной структуры с размером 1 ÷ 10 мкм, состоящие из первичных частиц (сферул) Al₂O₃/TiO₂ диаметром 5 ÷ 150 нм. Для наблюдения броуновской диффузии агрегатов, а также их движения в электрическом и гравитационном полях использовали видеомикроскопическую регистрацию. Определены распределение по зарядам агрегатов TiO₂ и эквивалентный радиус броуновской подвижности. При горении Al зона образования наночастиц удалена от поверхности частицы примерно на расстояние ее радиуса, при горении Ti она расположена непосредственно вблизи поверхности. Коагуляция оксидно го аэрозоля в следе горящей частицы приводит к аэрогелированию с образованием гигантских агрегатов. Предложены аналитические выражения для приближенного расчета параметров оксидных частиц и зон их формирования.

Исследована химическая и тепловая структура пламен смесевых модельных топлив на основе циклических нитраминов (гексогена и октогена) и активного связующего (глицидилазидполимера) при давлении 1 МПа. Измерены скорости горения топлив. Химическая структура пламени исследована методом зондовой молекулярно-пучковой масс-спектрометрии, который раньше не применялся при таком высоком давлении. Идентифицировано 11 веществ (H₂, H₂O, HCN, N₂, CO, CH₂O, NO, N₂O, CO₂, NO₂ и пары нитраминов), и измерены профили их концентраций, включая состав вблизи поверхности горения. Выделено две зоны химических реакций. Показано, что в пламенах топлив нитрамин/глицидилазидполимер ведущую роль играют те же реакции, что и в пламенах чистых нитраминов.

Молекулярно-пучковая масс-спектрометрия (МПМС), начиная с первой работы Хомана и Вагнера 1960-х годов, является одним из основных методов исследования структуры пламен, позволяющим измерять концентрации радикалов и стабильных компонентов пламен. В данной работе приведены результаты измерений структуры пламени с помощью квадрупольного масс-спектрометра высокого разрешения с ионизацией электронным ударом и времяпролетного масс-спектрометра с ионизацией вакуумным ультрафиолетом. Изомеры C₃H₂, C₃H₄, C₄H₃, C₄H₄, C₄H₅, C₆H₆, C₂H₄O, которые ранее не были идентифицированы по отдельности, разделены нами методом МПМС. Качественные и количественные результаты, полученные методом МПМС, привели к прогрессу в области моделирования и приложений химии пламени.

Поиск и исследование новых эффективных и экологически безопасных пламегасителей является одним из перспективных направлений в области пожаротушения. Наиболее перспективными кандидатами для замены CF₃Br оказались фосфорорганические и металлсодержащие соединения. Однако для многих этих соединений отсутствуют данные об их минимальной гасящей концентрации. В работе методом чашечной горелки и установки с турбулентным очагом пламени и кратковременной подачей пламегасителя определены минимальные гасящие концентрации для ряда новых фосфор- и металлсодержащих соединений и некоторых их смесей, твердотопливных газогенерирующих составов с добавками фосфора.

Рассмотрено современное состояние исследований механизма образования ионов, полиароматических углеводородов, нанотрубок, фуллеренов и частиц сажи в пламени предварительно перемешанных смесей. Представлена схема эксперимента для обнаружения и количественного исследования ионов в пламени. Рассмотрено влияние ионов на химию пламени и на образование углеродных частиц в несажеобразующих и сажеобразующих условиях. Проведено исследование канала возникновения фуллеренов, нанотрубок и частиц сажи из полиароматических углеводородов. В этой связи изучены свойства арочных “аромеров” — метастабильных молекул с высокой реакционной способностью, наиболее вероятных прекурсоров возникновения сажи и фуллеренов. По-видимому, они являются некоторым видом “переключателя”, позволяющего производить либо фуллерены, либо частицы сажи в зависимости от условий реакции. При низкой температуре пламени и высокой счетной концентрации малых молекул ненасыщенных углеводородов протекают преимущественно бимолекулярные реакции и преобладает образование частиц сажи по сравнению с фуллеренами. Также показан дальнейший механизм роста частиц сажи, а именно за счет увеличения массы сажи и за счет коагуляционных процессов в пламенах c интенсивным сажеобразованием. Приведены типичные значения объемной доли и диаметра частиц сажи при различных реакционных условиях.

Изучался синтез ультрадисперсного оксида алюминия. Рентгенофазовый анализ показал, что при взрыве суспензионных взрывчатых веществ с нулевым кислородным балансом, приготовленных смешением нитрата алюминия, гексогена и карбамида, образуются ультрадисперсные фазы оксида алюминияγ-Al₂O₃, (θ + α)-Al₂O₃ и α-Al₂O₃. Установлено, что наночастицы Al₂O₃ имеют сферическую форму и однородны, а размеры гранул составляют 10 ÷ 30 нм. При помощи уравнения Шеррера вычислен средний размер нанокристаллов ультрадисперсного Al₂O₃. На основе упрощенного подхода рассчитаны температуры взрыва смесевых взрывчатых веществ. Показано, что чем выше температура взрыва, тем больше размер нанокристаллов.

Соударение металлических пластин рассматривается в рамках модели вязкой несжимаемой жидкости. Начало процесса волнообразования эквивалентно при этом начальному этапу возникновения неустойчивости стационарного течения по сценарию Л. Д. Ландау. С целью установления соответствия модели реальному процессу проведена серия экспериментов по симметричному соударению пластин из алюминиевого сплава при одинаковых углах соударения и различных скоростях точки контакта. Показано, что при больших значениях числа Рейнольдса Re, а следовательно, при больших скоростях точки контакта возбуждение волнообразования имеет мягкий характер, при меньших значениях Re существует область метастабильности, где режим возбуждения жесткий, а при еще меньших значениях Re никакое воздействие не приводит к волнообразованию, как это и следует из теории. Таким образом, установлено соответствие модели Ландау появления неустойчивости стационарного течения жидкости процессу возникновения волнообразования при соударении металлических пластин под углом.

Проведены испытания трех многослойных камер, изготовленных из одних и тех же материалов, имеющих одинаковые размеры, но отличающихся углами намотки стальных лент. Исследовались динамический отклик и характеристики разрушения камер при взрыве заряда ТНТ, размещенного в центре полости. Все камеры были разрушены вблизи места расположения заряда взрывчатого вещества. Как показали результаты экспериментов, камера с меньшим углом намотки лент лучше выдерживает внутренний взрыв. При этом в продольном направлении стальных лент существуют в основном растягивающие напряжения, а в поперечном — сжимающие.