Главная – Журналы – Физика горения и взрыва 2003 номер 6

Выполнен обзор экспериментальных работ, касающихся изучения предвзрывных явлений при ударно-волновом и лазерном инициировании бризантных взрывчатых веществ. Проведено обсуждение основных результатов работ с позиции установления сходства и различия процессов при этих способах инициирования. Предложены подходы к развитию исследований обсуждаемых явлений.

Показана возможность нетермического инициирования химических реакций однородным импульсным наносекундным разрядом. Получены зависимости изменения времени задержки воспламенения от начальных условий. Показано, что основную роль в процессе инициирования горения в условиях импульсного газового разряда при умеренных электрических полях и малой степени ионизации играют реакции диссоциативного тушения электронно-возбужденных уровней азота.

Проведен анализ кинетики образования оксидов азота в условиях фильтрационного горения бедных и богатых метановоздушных смесей. Интенсивный межфазный теплообмен в волне фильтрационного горения газов приводит к резкому снижению времени пребывания газа в высокотемпературной области, а также к уменьшению максимальных температур в зоне реакции. В результате процессы фильтрационного горения газов характеризуются пониженными индексами эмиссии оксидов азота по сравнению с диффузионными пламенами. В этих условиях термический механизм не вносит существенного вклада в образование NO и доминирующими являются NNH-канал для бедной смеси и механизм Фенимора для богатой. Оксиды азота в бедных смесях представлены в основном NO и N₂O, а для богатых характерны азотсодержащие компоненты HCN и NH₃. Разрушение NO в богатых смесях происходит в реакциях <дожигания> с участием радикалов HCCO, CH₃ и CH₂.

Экспериментально и теоретически исследовано взаимодействие двух диффузионных пламен, распространяющихся по поверхности двух различных жидких топлив, нанесенных на тонкую металлическую подложку с двух сторон. Показано, что в такой системе возможно образование единого комплекса — двухстороннего пламени, обладающего свойствами стационарного пламени со своей структурой. Определены некоторые скоростные и структурные зависимости для двухсторонних пламен. Предложена математическая модель двухстороннего пламени, удовлетворительно описывающая экспериментальные зависимости. Сформулирована физическая модель двухстороннего пламени с пульсирующим пламенем более тяжелого топлива.

Получена прямая связь в виде дифференциального уравнения первого порядка между глубиной фазового превращения (положением фазовой границы) и параметром Франк-Каменецкого, характеризующим интенсивность химического тепловыделения. Как частный случай из этого уравнения следует решение задачи, ранее полученное для цилиндрического и плоскопараллельного реакторов. Наличие устойчивого промежуточного положения межфазной границы обобщено на симметричные области любой (даже дробной) размерности, что, как оказывается, не лишено физического содержания.

Численное исследование горения безгазовой смеси в узком цилиндрическом канале показало, что в условиях интенсивного отвода тепла по поверхности фронта реакции проходят волны, которые <доносят> влияние теплопотерь до глубоких слоев наполнителя и, отразившись от оси, приводят к образованию очагов вблизи оболочки.

Экспериментально показано, что в результате механической активации смеси хрупких разнородных порошков марганца и кремния расширяется концентрационный интервал горения, увеличиваются скорость и максимальная температура горения, снижается начальная температура, при которой инициируется и протекает горение, пульсирующий режим горения сменяется стационарным. Эти особенности горения связаны с образованием в смеси хрупких порошков агломератов, представляющих собой области более твердого кремния, покрытые слоем марганца с резкой границей между компонентами и изменением в результате масштаба гетерогенности.

Применительно к проблемам синтеза в системах «твердое — газ» и безопасного измельчения порошков аналитическими и численными методами решена задача об измельчении твердого реагента в активном газе. Получены формулы, описывающие динамику температуры, глубины превращения, размера частиц и удельной межфазной поверхности. Определены условия взрывного и невзрывного режимов синтеза и безопасного измельчения.

Экспериментально исследованы поля температур в прококсованных слоях полимерных композитных материалов (стеклопластиков) при высокотемпературном нагреве и последующем охлаждении в потоке холодного окислителя. На основании анализа экспериментальных данных и численных исследований установлено, что в прококсованном слое стеклопластиков возможно протекание экзотермических химических реакций, в результате чего создаются условия для сохранения в течение достаточно длительного времени высоких температур в слое кокса композита.

Предложен механизм, объясняющий самопроизвольное возгорание титановых сплавов при появлении ювенильной поверхности металла в кислороде повышенного давления. Он основан на заключении, что саморазогрев фрагментов разрушения образцов до температуры плавления сплава происходит за счет тепла, выделяющегося в процессе адсорбции кислорода на ювенильной поверхности и его растворения в твердом металле. При этом лимитирующей стадией взаимодействия является процесс адсорбции, скорость которого зависит от давления кислорода.

Обобщены результаты экспериментальных исследований горения одиночных металлических частиц. Свободно падающие монодисперсные капли жидкого металла с хорошо воспроизводимыми начальными температурами и скоростями получали в импульсном микродуговом разряде между массивным холодным катодом и расходуемым проволочным анодом. В кислородсодержащих средах капли немедленно воспламенялись и температурную историю их горения регистрировали методом оптической пирометрии. Горящие капли гасили в различные моменты времени несколькими способами, обеспечивающими различные скорости охлаждения. Структуру погашенных частиц анализировали с целью восстановления их эволюции в процессе горения. Эксперименты проводили с частицам Аl, Mg, Zr, Ti, Ta, W, Мо, Fe и Cu. Кроме того, подобные эксперименты были выполнены с бором. Частицы бора получали путем оплавления кончика вибрирующей борной проволоки в факеле ацетиленкислородной горелки. Большинство экспериментов проведено в воздухе, использовали также углекислый газ и смеси аргон — кислород и гелий — кислород. Ограниченное число экспериментов с частицами алюминия выполнено в условиях невесомости. Целью экспериментов было установление взаимосвязи между температурой и составом горящей частицы. Растворение кислорода и других газов в металле горящей капли приводит к изменению ее фазового состава, что сопровождается резкими изменениями режима горения. Для интерпретации наблюдаемого поведения частиц использовали равновесные диаграммы фазового состояния металл — газ. На основе экспериментальных данных предложен расширенный механизм горения, в котором в дополнение к реакциям, происходящим на и над поверхностью горящего металла, выделены реакции и фазовые изменения внутри горящего металла.

Приведены результаты численного счета по предложенной ранее авторами «трехтемпературной» модели, приближенно учитывающей кроме различия температур газа и твердой фазы (каркаса) локальную неизотермичность элементов каркаса. Показана возможность затухания (после сгорания части заряда) при вариации ряда входных параметров: теплопроводности заряда, температуры зажигания, массы воспламенителя, начальной температуры, пористости заряда, локальной скорости его разложения.

Измерена скорость распространения цепной реакции взрывного разложения по нитевидному кристаллу азида серебра (&8776; 1500 м/c). Измеренное значение скорости связывается со скоростью движения диффузионного фронта дырок, генерируемых в процессе взрывного разложения.

Дан анализ структуры электромагнитного поля в проводящем магнетике при его сжатии в ударной волне. Показано, что сжатие магнитного материала во внешнем магнитном поле приводит к возникновению системы из двух равных по величине, но противоположных по направлению токов. Один из них протекает перед ударным фронтом в невозмущенном веществе, противоположно направленный ток — по ударно-сжатому веществу. По мере движения ударной волны абсолютное значение тока монотонно растет. Найдены параметры, определяющие глобальную электромагнитную картину в ударно-сжимаемом магнетике. Эти параметры являются обобщением управляющих параметров, найденных авторами ранее для немагнитного проводника. Сформулированная модель позволяет качественно объяснить результаты динамических экспериментов с магнитомягким сплавом 80НХС. Запись напряжения с поверхности образца указывает на эффективное ударное размагничивание материала.

Выполнены расчеты параметров состояния вещества за фронтом ударной волны в карбонильных соединениях. Рассмотрены следующие варианты: сохранение исходного соединения, его деструкция до воды, метана и углерода, полимеризация и др. Проведено сравнение результатов расчета с экспериментальными адиабатами Гюгонио. Превращения кетонов, кислот и эстеров с характерными временами 0,001 ÷ 0,1 мкс наблюдались при температуре исходного соединения за фронтом волны выше (1,1 ÷ 1,3) · 10³ К. За то же время пары соединений разлагались в реакции первого порядка при температурах выше 2 · 10³ К. Превращения ангидридов карбоновых кислот наблюдались при температуре исходного соединения за фронтом ударной волны выше 1,6 · 10³ К. Примерно при той же температуре в реакции первого порядка разлагаются их пары.

Установлено превращение ромбической модификации окиси свинца в тетрагональную форму с понижением плотности при ударном сжатии в интервале давлений 9,5 ÷ 35 ГПа. Показано, что аномальное фазовое превращение происходит только в пористом материале и выход этой фазы увеличивается при понижении температуры, т. е. является результатом механического действия ударной волны. Обсуждены особенности ударно-волнового превращения окиси свинца по сравнению с аналогичным эффектом при растирании и статическом сжатии со сдвигом.

Проведено рентгендифрактометрическое исследование слоев, полученных на титановых мишенях в условиях кумулятивного взрыва. В качестве облицовки использованы смеси мелкокристаллических порошков графита и аммиачной селитры в разных пропорциях. Показано различие фазового состава центральной и периферийной зон мишени. Измерены параметры элементарных ячеек обнаруженных кристаллических фаз и микротвердость образцов.