Том 15, № 3 (2022)

Стационарная теория зажигания накаленной плоской поверхностью, сформулированная Я. Б. Зельдовичем в 1939 г., сыграла пионерскую роль в успешном развитии исследований по воспламенению различных горючих материалов. Аналитическое решение, полученное позднее для цилиндрической поверхности, открыло возможность для сравнения с экспериментальными данными. В работах, выполненных Филипповым с соавторами, было обнаружено расхождение между опытами по зажиганию метановоздушных смесей нагретыми проволочками и аналитическим решением. Опираясь на это расхождение, Филиппов с соавторами высказали сомнение в корректности модели. Однако указанное расхождение может быть вызвано тем, что эксперимент, использованный для сравнения с моделью, не в полной мере удовлетворяет тем ограничениям, которые вытекают из упрощающих предположений, сделанных при формулировке модели. Эти предположения и следующие из них ограничения анализируются в данной работе применительно к опытам Кумагаи по зажиганию метановоздушной смеси. Ключевые допущения стационарной модели зажигания: упрощенное описание кинетики химического тепловыделения с использованием глобальной одностадийной реакции Аррениусова типа без учета выгорания; условие, что толщина реакционной зоны должна быть существенно меньше толщины пограничного слоя; цилиндрическая симметрия теплового поля вокруг нагретого тела. Из анализа кинетики тепловыделения получено численное решение для двух нестационарных задач о зажигании газа нагретым телом и о самовоспламенении газа в проточном реакторе идеального вытеснения с детальной кинетикой реакций. Решение показало, что зависимость скорости тепловыделения от температуры, построенная для конкретных вариантов расчетов, имеет сложную форму, которую даже приближенно невозможно описать, используя закон тепловыделения в форме Аррениуса. Тем не менее оказалось, что критические числа Нуссельта, разграничивающие область зажигания и область стационарных температурных профилей, которые были рассчитаны по формулам аналитической модели при соответствующей процедуре калибровки характеристик тепловыделения, находятся в неплохом согласии с экспериментальными данными во всем диапазоне изменения диаметров и температур нагрева проволочки и скоростей газового потока. Также хорошее согласие с экспериментом и аналитической моделью по критическим условиям зажигания получено в расчетах по нестационарной модели зажигания, несмотря на заметные различия по скорости тепловыделения в зависимости от температуры. Условие малой толщины зоны реакции по отношению к размеру пограничного слоя, в целом, выполняется достаточно строго, хотя при высоких скоростях газового потока (на уровне 10 м/с) строгость условия становится недостаточной, чтобы исключить вклад конвективной составляющей в переносе тепла в зоне реакции. Из-за срыва пограничного слоя и формирования вихрей на поверхности нагретого тела вблизи азимутального угла 90 появляются участки с пониженной теплоотдачей, величина которой может быть заметно меньше средней величины. Именно на этих участках поверхности нагретого тела создаются условия, благоприятные для зажигания. Если провести корректировку экспериментальных данных путем соответствующего снижения критических чисел Нуссельта в указанных опытах, то это ослабит зависимость критического числа Нуссельта от диаметра проволочки, наблюдаемую в эксперименте, приближая ее к примерно пропорциональной зависимости, которая следует из аналитического решения. 

Проведены расчеты взаимодействия ячеистой детонационной волны с инертным пористым фильтром на основе разработанной физико-математической модели механики гетерогенной среды, учитывающей детальную химическую кинетику химических реакций в газовой фазе. Под инертным пористым фильтром понимается неподвижная решетка инертных частиц. Выявлены следующие режимы течения: распространение ослабленной ячеистой детонационной волны со скоростями меньше скорости Чепмена–Жуге и срыв детонации с разрушением ячеистой структуры. Рассчитаны критические объемные концентрации частиц фильтра, соответствующие режиму срыва детонации. Рассчитаны зависимости нормированной скорости детонационной волны и размера детонационной ячейки от объемной концентрации частиц в фильтрах. Определены концентрационные пределы детонации (критические объемные концентрации частиц, приводящие к срыву детонации) в фильтрах частиц диаметром 50, 100 и 200 мкм. Рассчитаны зависимости нормированной скорости детонационной волны и размеров детонационной ячейки от объемной концентрации и диаметра частиц в фильтрах.

При исследовании процессов горения в камерах сгорания воздушно-реактивных двигателей (ВРД) основное внимание уделяется определению их тяговых характеристик. Основным способом определения тяговых характеристик является непосредственное измерение тяги, создаваемой камерой сгорания или зарядом твердого топлива. Другим способом определения тяговых характеристик является определение импульса струи, истекающей через звуковое сопло по известным параметрам потока на срезе сопла (давление, температура, состав газа). В зависимости от поставленной задачи удобно использовать один из указанных способов. В данной работе проводится сравнение результатов определения тяговых характеристик модельной камеры сгорания двумя способами в условиях одного эксперимента.

Предложена физико-математическая модель в одномерной и двумерной постановке, описывающая процесс взаимодействия гетерогенной детонационной волны с полубесконечной пористой вставкой. Выявлены основные режимы распространения детонации: распространение затухающей ячеистой детонационной волны со скоростями меньше скорости Чепмена–Жуге при концентрациях цилиндров меньше критической и срыв детонации с разрушением ячеистой структуры при концентрациях цилиндров, равных или превышающих критическую. Построена карта режимов распространения гетерогенной детонации стехиометрической смеси частиц алюминия диаметром 1, 2 и 3,5 мкм в кислороде в пористой зоне с цилиндрами диаметром 100 мкм. Получены критические условия распространения гетерогенной детонации в стехиометрической смеси 1, 2 и 3,5 мкм. Показано, что с увеличением размера горящих частиц от 1 до 3,5 мкм критическая объемная концентрация уменьшается. Результаты сравнения одномерных и двумерных расчетов показывают, что они похожи друг на друга.

Рассматривается конструкция пульсирующего воздушно-реактивного двигателя (ПуВРД), в которой реализуется новый механизм перехода от режима дефлаграционного горения к режиму, близкому к детонационному горению или квазидетонационному. Установлено, что возможность такого перехода обеспечивает специальная конструкция газохода, имеющая двойной излом, который приводит к формированию специфичной вихревой структуры внутреннего течения, а это позволяет методами акустической настройки газохода выйти на подобные режимы горения.

Ранее было обнаружено, что стехиометрическая смесь перхлората аммония и севилена (термопластичный клей, сополимер этилена и винилацетата) с добавкой 20% порошкообразного алюминия микронного размера в прессованных плотных образцах дает взрыв при инициировании электрическим высоковольтным разрядом. Показано, что использование удаляемого растворителя (ацетона) в процессе приготовления смеси существенно облегчает высоковольтное инициирование взрыва: взрывы обнаружены на образцах из смеси с 10%-ной добавкой алюминия, а в случае смесей с 20%-ной добавкой алюминия значительно снижается пороговое напряжение разряда, при котором инициируется взрыв. При замене алюминия на порошки меди и цинка близкой дисперсности взрывы отсутствовали. Это подтверждает, что именно алюминий обладает набором качеств, необходимых для высоковольтного инициирования взрыва. Определена минимальная энергия разряда, необходимая для высоковольтного инициирования взрыва. Получена зависимость минимальной энергии от способа приготовления смесей (с использованием или без растворителя) и количества алюминия, введенного в смесь. Уникальное сочетание низкой чувствительности смесей перхлората аммония с севиленом и 20% алюминия к удару, которая была получена в испытании на копре, высокой восприимчивости к взрыву при высоковольтном разряде и прекрасной адгезии севилена к дисперсным компонентам смеси в прессованных образцах открывает возможности для использования этого состава в устройствах инициирования.