Главная – Журналы – Физика горения и взрыва 2004 номер 5

Рассмотрена возможность инициирования горения смесей CH₄ – O₂ при возбуждении молекул O₂ в состояния a¹Δ_g и b¹Σ⁺_g лазерным излучением с длиной волны 1,268 мкм и 762 нм. Показано, что возбуждение молекул O₂ приводит к значительному уменьшению периода индукции и к снижению температуры воспламенения вследствие ускорения образования активных атомов и радикалов и интенсификации цепного механизма процесса. Даже при небольшой поглощенной газом удельной энергии лазерного излучения (≈ 0,1 эВ/молекула) температура воспламенения смеси CH₄ : O₂ в соотношении 1:2 может быть уменьшена с 1000 до 300 K.

Методом лазерно-индуцированной флуоресценции в линейном режиме и с насыщением сигнала исследовались процессы диффузионного горения этанола и водорода, а также гомогенного горения смесей водорода с кислородом. Получены данные о температуре пламени и концентрации ОН. Значение температуры горения 3090 K для стехиометрической смеси О₂ + H₂ согласуется с известной. Показано, что максимальные уровни концентрации радикала в водородовоздушном и стехиометрическом водородокислородном пламенах близки (4,4 · 10¹⁶ см^-3).

Исследовались особенности горения газа в малоразмерной трубке, нагреваемой внешним источником тепла. Внутренний диаметр трубки 2 мм, что немного меньше критического диаметра, определенного при нормальных условиях для стехиометрической метановоздушной смеси. Исследовались характеристики горения в трубке в зависимости от состава смеси и расхода газа. Эксперименты, выполненные с U-образной кварцевой трубкой с температурой стенок ≈1000°C, показали возможность существования стабильного пламени метановоздушной смеси с эквивалентным отношением в пределах 0,05÷1,9 и при скоростях потока газа до 150 см/с. При составах смеси, далеких от предельных значений для свободного пламени, и при низких скоростях потока газа наблюдались пульсации пламени. Предложена простая аналитическая модель, предсказывающая пульсации пламени на основе линейного анализа устойчивости стационарных решений.

Численно исследован процесс распространения плоского ламинарного пламени в богатых гомогенных смесях пропан — воздух и водород — пропан — воздух. Показано, что максимальная температура пламени превышает термодинамически равновесную и достигается, когда химические и физические процессы еще не завершены. Степень сверхадиабатичности зависит от соотношения концентраций водорода и пропана. Сверхадиабатичность в богатых смесях водород — пропан — воздух наряду с ингибирующим влиянием пропана определяет отклонение от правила Ле-Шателье для пределов распространения пламени в этих смесях.

Представлены результаты исследования структуры низкотемпературной реакционной зоны фронта ламинарного бунзеновского пламени изо-C₅Н₁₂ (2-метилбутан), горящего при атмосферном давлении. Методом масс-спектрального зондирования изучено пламя предварительно перемешанной смеси изо-C₅Н₁₂+О₂+Аr с коэффициентами избытка топлива 1,7. На основе экспериментально полученных профилей концентраций и температур рассчитаны профили потока массы, суммарные скорости реакций потребления и расходования веществ, баланс по веществу, профили объемных скоростей тепловыделения. Полученные результаты свидетельствуют о наличии во фронте пламени обширной зоны низкотемпературной конверсии изопентана. Установлено, что среди продуктов, отобранных микропробником из различных точек фронта, лишь часть является результатом превращений в низкотемпературной зоне, а именно: кислород, изопентан, вода, монооксид углерода, пропан, метан, метанол. Этилен, пропилен, диоксид водорода и формальдегид присутствуют в низкотемпературной зоне в незначительном количестве и являются вторичными продуктами превращения метильного и пропильного радикалов. Высказано предположение, что установленная закономерность — результат конкурирующего взаимодействия двух механизмов конверсии топливной смеси: автокатализа и теплового автоускорения. На основе предложенного ранее механизма окислительного пиролиза по схеме внутримолекулярной квадратичной гибели показана наблюдаемая в эксперименте фрагментация молекулы изопентана. В отличие от н-пентана в продуктах конверсии изопентана обнаружено образование метилового спирта.

Исследована зависимость кривизны фронта пламени от состава смеси в трубках разного диаметра. Измерены скорости распространения волны горения при разном содержании горючего в смеси. Показано, что зависимость скорости от состава смеси имеет два максимума, один из которых связан с переходом ламинарного режима горения в турбулентный. Турбулизация горения обусловлена неустойчивостью пламени к акустическим колебаниям. Проведены наблюдения за изменениями формы волны горения при возникновении акустических колебаний.

Экспериментально исследовано поведение волн фильтрационного горения газа в режиме низких скоростей при изменении параметров газового потока и пористой среды. Показано, что в переходных процессах может произойти гашение или сформироваться стабильная структура волны горения, не соответствующая ни начальным, ни конечным условиям. Обнаружен нетривиальный тип переходного процесса, сопровождающийся пространственным переносом зоны горения.

Исследованы микроструктура шихты для безгазового горения и ее прессуемость. Проведены измерения электропроводности, теплопроводности, скорости горения шихты, а также металлографические исследования. Установлена определяющая роль формы частиц и их способности к образованию непрерывного каркаса на закономерности безгазового горения. Учет этого факта позволяет объяснить некоторые экспериментальные результаты, не укладывающиеся в рамки традиционной теории безгазового горения.

На примере системы 3Zr+2WO₃ показано, что с помощью двух параллельных проволочек, помещенных в горящую систему, можно осуществить регистрацию флуктуаций физико-химических параметров в волне горения конденсированной системы, находящейся как в насыпном, так и в прессованном виде. Установлено, что изменение исходной плотности системы и скорости ее горения приводит к соответствующему изменению частоты флуктуаций, причем в первом приближении связь между этими тремя параметрами можно выразить достаточно простым аналитическим соотношением.

Формиаты и оксалаты металлов, нанесенные на октоген, увеличивают начальную скорость и сокращают период индукции термического разложения октогена. Активность содержащих кристаллизационную воду оксалатов существенно меньше по сравнению с безводными формиатами тех же металлов. Обсуждаются возможные причины каталитического влияния добавок на термораспад октогена.

Выполнено численное исследование гомогенного газофазного пиролиза метана в ударной трубе. Процесс пиролиза происходит под действием ударной волны, которая отражается от торца трубы. Рассмотрены невязкое одномерное и вязкое двумерное течения. Двумерные расчеты выполнены на основе нестационарных уравнений Навье — Стокса. В качестве кинетических моделей рассмотрена упрощенная брутто-схема Касселя, включающая 4 реакции и 5 химических компонентов превращения метана, и более детальная кинетическая схема, включающая 21 реакцию и 13 химических компонентов. Расчеты выполнены для числа Маха падающей ударной волны M=5,5. Показано, что температура за отраженной ударной волной быстро падает из-за эндотермичности реакции пиролиза. Вследствие этого химические превращения в процессе пиролиза останавливаются при суммарной массовой концентрации этилена и ацетилена не выше 15%. Для более глубокой конверсии метана в этилен и ацетилен требуется дополнительный подогрев газа.

Рентгенографическим методом исследована эволюция профиля плотности вещества за фронтом расходящейся инициирующей ударной волны во взрывчатом веществе на основе октогена и гексогена при переходном режиме взрывчатого превращения. Нагружение взрывчатого вещества проводилось расходящейся ударной волной через прокладку из оргстекла разной толщины. Установлены особенности эволюции профиля плотности за фронтом расходящейся инициирующей ударной волны, которая не переходит в детонационную, и для инициирующей ударной волны, переходящей в детонационную.

Представлены результаты сравнительного экспериментального исследования динамической прочности в условиях ударно-волнового сжатия и растяжения (откола) образцов сталей Ст. 20 и 09Г2С при давлении на фронте ударной волны 1 ÷ 5 ГПа и скорости деформации 10³ ÷ 10⁴с^-1, представляющих интерес в качестве конструкционных материалов для силовых корпусов взрывозащитных камер. Проведен сравнительный анализ полученных и имеющихся результатов по динамическому пределу текучести и откольной прочности сталей Ст. 3, Ст. 20, 09Г2С, 12Х18Н10Т, ЭИ712, 30ХГСА, 36НХТЮ, ХВГ, 35Х3НМ и армко-железа, значения прочности и пластичности которых в статических условиях нагружения отличаются до пяти раз. Приведены результаты экспериментов по взрывному нагружению шаров из сталей Ст. 3, Ст. 20, 12Х18Н10Т и 30ХГСА с заметно отличающимися прочностью и пластичностью, квазисферической сходящейся ударной волной, давление в которой вблизи центра 200 ГПа и скорость деформации 10⁵ с^-1.

Исследовано ударное сжатие смесей Ti–C, Zn–S и соответствующих соединений в цилиндрических ампулах сохранения при одинаковых условиях эксперимента. В реагирующих системах размеры откольных тарелок были существенно больше, чем в случае инертных веществ, что объяснено влиянием экзотермических реакций ударно-волнового синтеза на интенсивность головной волны. Выполнены энергетические оценки степени химических превращений в ударных волнах.

Получены новые экспериментальные результаты по кинетике взрывного свечения азидов тяжелых металлов при возбуждении взрыва лазерным импульсом и электронным пучком, на основании которых идентифицирована природа взрывного разложения.