Научные основы горения и взрыва

Размещено на http://www.allbest.ru/

7

Информационный бюллетень (1999 г.)

1. Научные основы горения и взрыва: экспериментальная техника

и диагностика, теория и математическое моделирование;

макроскопическая кинетика, гидро- и газодинамика процессов

горения и взрыва; аналоги горения и взрыва в химии, физике и

механике

Получены новые фундаментальные результаты в разработке современных методов экспериментальной диагностики, теоретических основ физико-химических процессов, математическом моделировании и изучении физико-механических аналогов горения и взрыва. Разработана и введена в эксплуатацию гиперзвуковая аэродинамическая труба адиабатического сжатия, не имеющая аналогов в мире по совокупности характеристик потока и длительности рабочего режима. Создание и освоение подобной экспериментальной базы необходимо для разработки прямоточных воздушно-реактивных двигателей гиперзвуковых летательных аппаратов. Создание систем акустической диагностики различных камер сгорания, основанных на использовании модулированных электрических разрядов, является основой для разработки и дальнейшего развития методов активного управления процессами горения. Новым этапом в развитии экспериментальных методов изучения поведения веществ в экстремальных условиях является использование синхротронного излучения для регистрации структурных превращений в ударных волнах. Получение данных о флуктуациях плотности во фронте детонации конденсированных ВВ позволяют изучать кинетику роста частиц конденсированной фазы в продуктах детонации. Существенными достижениями в развитии теоретических основ физико-химических процессов являются: Разработка кинетической модели, описывающей взаимосвязь колебательной релаксации и диссоциации многоатомных молекул. Полученные результаты по диссоциации углекислого газа в сильных ударных волнах и последующей гетерогенной каталитической рекомбинации имеют принципиальное значение для правильного расчета тепловых нагрузок на космические аппараты при полете в атмосфере Марса. Новая теоретическая интерпретация автотурбулизации больших газовых пламен, устанавливающая корреляцию между фрактальными характеристиками свободных автотурбулизованных пламен и фронтов горения в развитых турбулентных потоках. Разработка теоретической модели перехода горения в детонацию в газах, объясняющей существование наблюдаемых в эксперименте пяти различных сценариев перехода возникновением спонтанных волн химического превращения в локальных экзотермических центрах, возникающих как следствие механических неоднородностей течения в зоне перед ускоряющимся фронтом горения. Выявленные закономерности позволяют управлять переходом горения в детонацию и могут служить основой для создания импульсных периодических детонационных камер сгорания. В развитие методов математического моделирования и изучения физико-механических аналогов горения получены следующие результаты: Впервые методом трехмерного компьютерного моделирования нестационарных температурных и концентрационных полей исследованы неустойчивые режимы горения безгазовых систем, изучено движение спиновых очагов внутри горящего образца. Прямые численные эксперименты позволили выявить и классифицировать новые типы спиновых волн, а также обнаружить неединственность установившихся режимов распространения спинового горения. Изучена аналогия волн горения и волн вскипания метастабильных перегретых жидкостей. Построена модель, объясняющая структуру и механизм распространения волн кипения цепными процессами дробления растущих паровых пузырьков. Обнаружен скачкообразный переход волн испарения в режим быстрого распространения при увеличении перегрева, причем обратный переход сопровождается гистерезисом. Моделирование процессов вскипания перегретых жидкостей необходимо для адекватного прогнозирования последствий разгерметизации контуров теплоносителей на АЭС и разработки систем безопасности атомных реакторов. Установление аналогии волн вскипания и волн горения позволяет применить для их описания разработанный математический аппарат теории горения. Ниже приводится информация о результатах работ, проводимых в рамках данного научного направления, с указанием организаций, в которых выполнялись исследования.

? Создана и введена в эксплуатацию гиперзвуковая аэродинамическая труба адиабатического сжатия, не имеющая аналогов в мире по совокупности таких параметров, как натурные числа Маха и Рейнольдса, чистота рабочего газа и длительность рабочего режима (40-500 мс). Установка позволяет получать данные, необходимые для разработки прямоточных воздушно-реактивных двигателей гиперзвуковых летательных аппаратов (ИГиЛ, ИТПМ, КТИГИТ СО РАН, Новосибирск).

? Создана система акустической диагностики различных камер сгорания, основанная на использовании модулированных электрических разрядов и плазмотронов в качестве источников звука в высокотемпературных химически агрессивных средах. Показана принципиальная возможность активного управления процессом горения и подавления шума с использованием обратной связи (ИПМ РАН, Москва, ЧГУ им. И.Н. Ульянова, Чебоксары).

? Создана установка, позволяющая с помощью синхротронного излучения с высоким временным разрешением исследовать структурные превращения в ударных волнах. Обнаружены флуктуации плотности во фронте детонации конденсированного ВВ. Полученные данные могут быть использованы при построении моделей образования и роста частиц конденсированной фазы в продуктах детонации (ИХТТМ, ИГиЛ, ИЯФ СО РАН, Новосибирск).

? Разработана методика экспериментального исследования горения порошков металлов в условиях вынужденной спутной и встречной фильтрации газа при атмосферном давлении. Изучено горение титана в азоте. Показано, что горение устойчиво лишь в узком интервале расходов газа, причем для спутной фильтрации характерны низкие скорости горения с большими глубинами превращения, а для встречной - высокие скорости с малыми глубинами превращения. Установлено, что при больших расходах потеря устойчивости горения связана с нарушением однородности среды, а при малых - имеет чисто тепловую природу (ИСМАН, Черноголовка).

? Разработана кинетическая модель, описывающая взаимосвязь колебательной релаксации и диссоциации в интервале температур от 2000 до 10000 К. Модель учитывает активацию и распад многоатомных молекул под действием как слабых, так и высокоэнергетических соударений. С помощью данной модели описан процесс распада углекислого газа в сильных ударных волнах. Результат имеет принципиальное значение для правильного расчета тепловых нагрузок на космические аппараты при полете в атмосфере Марса (ИТЭС РАН, Москва).

? На основе анализа экспериментальных данных дана новая интерпретация автотурбулизации больших газовых пламен. Показано, что фрактальные характеристики свободных автотурбулизованных сферических пламен коррелируют с фрактальными характеристиками фронта горения в турбулентных потоках (ИХФ РАН, ИПМ РАН, ИВТАН, Москва).

? Разработаны модели турбулентного смешения и горения на основе двухточечных распределений вероятности, явно зависящей от молекулярного переноса, с целью создания модели турбулентного горения, не содержащей полуэмпирических параметров (ИПМ РАН, Москва).

? На основе результатов экспериментальных исследований разработана теоретическая модель перехода горения газов в детонацию с учетом турбулизации течения. Модель позволяет объяснить существование наблюдаемых в эксперименте, пяти различных сценариев перехода процессов, возникновением спонтанных волн химического превращения в локальных экзотермических центрах, образующихся вследствие механических неоднородностей течения в зоне перед ускоряющимся фронтом турбулентного горения. Установление этих закономерностей позволило осуществить управление переходом горения в детонацию и послужило основой для создания импульсных периодических камер сгорания (МГУ им. М.В. Ломоносова, Москва).

? Теоретически исследованы дозвуковые турбулентные течения с химическими реакциями. Выявлены режимы взаимного влияния химических реакций и течения, в частности, генерация или подавление акустических колебаний. Найдены условия, при которых реакция протекает во всем объеме крупномасштабной вихревой структуры либо носит фронтальный характер (ИПМ УрО РАН, Ижевск).

? Изучены механизм и закономерности распространения волны горения по лазерному лучу. Показано, что степень фокусировки луча является эффективным средством управления режимом горения. Это происходит благодаря формированию вдоль канала неоднородных температурных и концентрационных полей, создающих градиент периода индукции и обеспечивающих развитие газодинамических процессов вплоть до детонации (ИПМ РАН, Москва).

? В ударной трубе измерены периоды индукции воспламенения стехиометрической смеси водорода с кислородом, сильно разбавленной смесью инертных газов. Установлены зависимости периода индукции воспламенения от природы буферного газа и температуры в ударной волне, необходимые для выяснения механизма инициирования цепной реакции окисления водорода (ИПХФ РАН, Черноголовка).

? Изучены закономерности протекания теплового взрыва в послеиндукционный период. Обнаружены два предельных режима распространения волны горения от точки срыва теплового равновесия в центре образца. Полученные результаты расширяют представления о неизотермическом поведении термически неоднородных сред (ИСМАН, Черноголовка).

? Методом трехмерного моделирования нестационарных температурных и концентрационных полей неустойчивого безгазового горения впервые исследовано движение спиновых очагов внутри горящего образца. Классифицированы новые (принципиально трехмерные) типы спиновых волн, названные сопряженными, мерцающими и многоочаговыми. Впервые обнаружена неединственность установившихся режимов распространения спиновых волн. Результаты развивают общие представления о природе неустойчивых процессов горения (ИСМАН, Черноголовка).

? Построена теоретическая модель, объясняющая структуру и механизм распространения волн вскипания в метастабильных перегретых жидкостях. Установлено, что вскипание перегретых жидкостей, по аналогии с горением, носит волновой характер, причем по своей структуре волна испарения подобна волне горения с широкой зоной реакции. Механизм распространения волн кипения объясняется цепными процессами дробления растущих паровых пузырьков. Обнаружен скачкообразный переход волн испарения в режим быстрого распространения при увеличении перегрева, причем обратный переход сопровождается гистерезисом. Моделирование процессов вскипания перегретых жидкостей кроме фундаментального значения имеет также важное практическое приложение в разработке систем безопасности атомных реакторов (МГУ им. М.В. Ломоносова, Москва, ИСМАН, Черноголовка).

? Разработана модель физико-химических процессов в конденсированной фазе горящего твердого топлива. Путем стадийного деления прогретого слоя учтены совокупности структурных превращений и химических реакций. Получено аналитическое выражение для линейной скорости горения. Данный подход позволяет рассчитать скорость горения как функцию состава топлива, удовлетворяющую требованиям к ее зависимости от давления, начальной температуры и напряженно-деформированного состояния (ИПМ УрО РАН, Ижевск).

? Аналитически решена задача о распространении пламени навстречу потоку окислителя по термически тонкой слоевой системе. С учетом теплопроводности конденсированной фазы установлено, что скорость пламени растет при увеличении теплопроводности системы и падает при увеличении ее теплоемкости. Получено хорошее согласие расчетов с результатами экспериментов по горению слоевой системы, состоящей из углеводородного горючего и металлической фольги (ИПХФ РАН, Черноголовка).

? Численно исследовано горение пористых частиц карбонизированных топлив. Разработана модель учитывающая процессы тепло- и массопереноса, а также кинетику химических реакций как в газе, так и внутри пористой частицы. На основе сопоставления имеющихся экспериментальных данных и условий существования решений уравнений в модели горения показана возможность существования различных режимов горения, значительно различающихся по температуре и скорости горения. Реализация разных режимов горения частиц связана, прежде всего, с величиной внутренней энергии частицы. (ИПМ РАН, Москва).

? Изучено влияние фазовых переходов на газофазное горение капель жидкого горючего. Показано, что существенно неравновесное испарение капель малого диаметра приводит не только к количественным, но и к качественным отличиям решений, получаемых в рамках квазиравновесной или неравновесной модели. Это делает необходимым учет неравновесности фазовых переходов при моделировании горения распыленных жидких горючих (МГУ им. М.В. Ломоносова, Москва).

? Разработана математическая модель двухфазного газокапельного реактора идеального смешения, учитывающая полидисперсность газовзвеси. Выявлена множественность стационарных состояний, исследованы нестационарные режимы работы реактора. Установлено, что в окрестности точек неустойчивости стационарных состояний в параметрических областях существуют устойчивые автоколебательные режимы (предельные циклы) (МГУ им. М.В. Ломоносова, Москва).

? Проведено численное моделирование зарождения и распространения волны гетерогенного горения по внутренней поверхности канала, в который поступает поток окислителя. Показано, что при равномерном по длине нагреве стенки внешним источником, мощность которого возрастает линейно во времени, горение может распространяться как вниз, так и вверх по потоку от точки воспламенения, которая смещается вниз по потоку при увеличении его скорости и может выйти за пределы нагретого канала (ИПХФ РАН, Черноголовка).

? Посредством численного моделирования динамики элементарных реакций в системе О2+Н2 с использованием методов статистического усреднения и переходного состояния в прецизионном канале рассчитаны константы скоростей реакции О2+Н2 ? НО2+Н (ИПХФ РАН, Черноголовка).

? Предложен ряд моделей горения смесевых топлив, учитывающих поведение отдельных компонентов. В одной из моделей анализ механизма горения основывается на критериальном определении степени гетерогенности топлива, в другой - на анализе активности химического взаимодействия между связкой и наполнителем. Учет характера взаимодействия компонентов и закономерностей горения в каждом классе топлив позволяет целенаправленно управлять горением системы. В третьей модели анализируется горение топлива, один из компонентов которого рассматривается как гетерогенный теплопоглотитель-наполнитель. Оценка степени влияния теплопоглотителя на скорость горения позволяет судить о том, является ли наполнитель инертным или химически активным (ИХФ им. Н.Н. Семенова РАН, Москва).

? Разработан и реализован комплекс параллельных численных методов трехмерного моделирования течений, возникающих при развитии гидродинамических неустойчивостей, и метод «индивидуальных частиц» для двумерного и трехмерного описания высокоэнергетических импульсных процессов (ИПХФ РАН, Черноголовка).

2. Ударные волны, детонация; экстремальные состояния вещества,

динамическая прочность; действие взрыва; уравнения состояния

вещества при высоких давлениях и температурах

В области изучения ударных волн основные достижения связаны с развитием экспериментальных методов генерации экстремальных состояний вещества, изучение его физико-механических превращений при высоких давлениях и температурах. Развитие методов, позволяющих с высоким разрешением исследовать структуру детонационных волн в конденсированных ВВ в сочетании с анализом взаимосвязи строения молекул ВВ, состава взрывчатых смесей с параметрами и структурой детонационной волны приближает решение проблемы прогнозирования поведения ВВ при различных внешних воздействиях, а также действия взрыва на окружающую среду.

· Разработана трехточечная методика измерения электропроводности многократно сжатых ударной волной жидких и газообразных сред, зарегистрирована высокая электропроводность и определены критические плотности перехода в проводящее состояние гелия, водорода, ксенона и азота. Определены термодинамические параметры многократного ударного сжатия (ИПХФ РАН, Черноголовка).

· На примере монокристаллов сапфира исследовано поведение керамических материалов в ударной волне. Установлено, что в области упругого деформирования прочность сапфира чрезвычайно высока, а при давлениях выше динамического предела упругости происходит вызванная растрескиванием материала потеря прочности (ИПХФ РАН, Черноголовка).

· Разработан метод генерации околокритических состояний перехода жидкость - пар при разогреве образца, метаемого с высокой скоростью в атмосферу гелия. Установлено, что рост температуры свободной поверхности происходит, в основном, в квазиадиабатических условиях. Определены давление и температура критической точки вольфрама (ИПХФ РАН, Черноголовка).

· Разработан новый метод регистрации изоэнтропической разгрузки ударно-сжатых полимеров в области испарения. Установлено, что испарение полиметилметакрилата происходит при амплитуде ударной волны, соответствующей излому ударной адиабаты, когда меняются электрическая поляризация и релаксационные характеристики материала (ИПХФ РАН, Черноголовка).

· Разработаны методы двух- и трехмерного численного моделирования высокоскоростного соударения деформируемых тел, учитывающие кинетику разрушения, влияние температуры и физико-химические превращения. С использованием экспериментальных данных построены модель нагружения керамического материала и численная модель эрозионного разрушения, основанная на критерии удельной энергии сдвиговых деформаций (ОСМ ТНЦ СО РАН, Томск).

· Экспериментально установлено, что амплитуды ударных волн, при которых происходят превращения углеводородов (жидких и пластмасс), обусловлены наличием в молекулах определенных химических связей и их комбинаций. Выдвинуто предположение, что деструкция алкенов, алкилов и аренов при более низких амплитудах, чем в случае алканов, связана с возможной полимеризацией на начальной стадии превращения (ИХФ им. Н.Н. Семенова РАН, Москва).

· Экспериментально изучена металлизация монокристаллического кремния при ударном нагружении и разгрузке. Определен порог металлизации и установлены сильная неравновесность, высокая дефектность и метастабильность металлического состояния. Результаты устраняют противоречие между данными по статическому и динамическому сжатию кремния (ИГиЛ СО РАН, Новосибирск).

· Методом комплексного моделирования построена диаграмма состояния углерода, включающая в себя кривые равновесия графит - алмаз, фуллерит - алмаз, графит - фуллерит, газообразные фуллерены - Сn, линии плавления и испарения фуллерена, графита и алмаза. Анализ полученных данных показал, что тройная точка может лежать в диапазоне давлений от 7,2 до 8,2 ГПа, а получение фуллеренов возможно при температурах до 3450 К и давлениях до 2,6 105 Па (ИХФ им. Н.Н. Семенова РАН, Москва).

· С использованием мощного импульсного лазерного и корпускулярного излучения для генерации ударных волн с высоким временным разрешением исследованы явления в твердых телах. Зарегистрирована эволюция излучения при выходе ударной волны на поверхность металлических тел и определена температура ударного сжатия. Измерена механическая прочность ряда металлов, которая при наносекундном нагружении оказалась сравнимой с предельной теоретической прочностью и практически не зависящей от температуры вплоть до начала плавления. Получены прямые свидетельства «перегрева» расширяющихся ударно-сжатых металлов при пресечении кривой плавления (ИОФАН, Москва, ИПХФ РАН, Черноголовка).

· С помощью лазерного интерферометра с высоким разрешением зарегистрированы профили давления в детонационных волнах ряда мощных ВВ различной плотности. Установлено, что при плотности выше некоторого значения, характерного для каждого ВВ, хим. пик не регистрируется даже при наносекундном временном разрешении (ИПХФ РАН, Черноголовка).

· Исследована структура и определены параметры зоны химической реакции различных индивидуальных и смесевых ВВ. На основе полученных результатов предложено объяснение влияния на хим. пик инертных добавок и пересжатия детонационной волны (РФЯЦ - ВНИИЭФ, Саров).

· В результате анализа параметров детонации и действия взрыва фторсодержащих ВВ установлено, что при наличии в составе ВВ двух окислителей - кислорода и фтора - водород преимущественно реагирует с фтором, даже если фтор в молекуле ВВ был связан с углеродом, в результате чего повышается работоспособность ВВ (ИПХФ РАН, Черноголовка).

· Изучены сейсмические, акустические и пылегазовые воздействия взрыва на окружающую среду и сооружения при открытой добыче полезных ископаемых. Выявлены геофизические эффекты (электромагнитное излучение и возмущение низкочастотных магнитных и электрических полей). Установлены основные механизмы разрушения взрывом горных пород, изучены изменения их физико-механических свойств и структуры в ближней зоне камуфлетного взрыва (ИДГ РАН, Москва).

3. Использование энергии горения и взрыва в технике; горение и

детонация ВВ, топлив и пиротехнических составов.

горение детонация взрывчатое вещество

В рамках данного научного направления можно выделить следующие основные результаты: Для обеспечения управляемого инициирования и распространения детонации предложено использовать стратифицированные заряды смесей топлив с различной детонационной способностью, что может быть применено в перспективных силовых установках летательных аппаратов. Разработаны прогрессивно горящие пороха, обеспечивающие повышение дульной скорости пули на 8-12% при неизменном максимальном давлении в стволе. Разработаны составы с пониженной на 30% температурой горения, что в свою очередь повышает живучесть ствола. Данные составы по всем основным показателям превосходят известные зарубежные аналоги. Показана возможность повышения баллистической эффективности твердых ракетных топлив на 10% путем синтеза новых компонентов. Разработан комплекс методов исследования чувствительности взрывчатых материалов к ударно-волновым, механическим и тепловым воздействиям. Изучены пределы инициирования детонации и иных режимов взрывного разложения ВВ при сверх и дозвуковом проникании кумулятивных струй в ВВ.

· Изучен процесс сжатия рабочей смеси в цилиндре двигателя внутреннего сгорания при наличии неподвижной или подвижной перегородок с перепускным отверстием, снабженным клапаном. Проанализированы различные схемы неизоэнтропического сжатия газа и показано, что при определенных условиях эффективность сжатия существенно повышается (ИХФ им. Н.Н. Семенова РАН, Москва).

· Предложен режим сжигания газа в многоступенчатых детонационных волнах и разработан способ стабилизации процесса. Результаты могут быть использованы при создании высокоэффективных пульсирующих детонационных ракетных двигателей (ИТЭС РАН, Москва).

· Для осуществления управляемого инициирования и распространения взрыва предложено использовать стратифицированные заряды смесей топлив с различной детонационной способностью. Этот способ может быть применен в перспективных силовых установках летательных аппаратов (ИХФ им. Н.Н. Семенова РАН Москва).

· Путем моделирования стабилизации турбулентного пламени на плохообтекаемых телах выявлен механизм стабилизации горения в потоке с рециркуляционными зонами. Установлены факторы, определяющие устойчивость пламени на стабилизаторе, предложены и численно проверены подходы к пассивному и активному управлению горением в потоке (ИХФ им. Н.Н. Семенова РАН, Москва).

· Найден и изучен новый стационарный режим распространения газовых пламен в инертных пористых средах со скоростями 20-800 м/с. Установлены определяющие параметры, выявлены зависимости скорости горения от состава смеси, начального давления и характерной пористости. Показано, что пределы существования такого режима обусловлены либо гидродинамическим гашением пламени, либо переходом на другой режим (ИХКГ СО РАН, Новосибирск).

· Установлено, что с повышением давления нижний концентрационный предел воспламенения органических пылевоздушных смесей снижается, что подтверждает радиационный механизм распространения пламени в органических аэровзвесях (ВНИИПО МВД РФ, Балашиха).

· Термодинамическими расчетами работоспособности ракетных топлив показана возможность повышения их баллистической эффективности на 10% путем синтеза новых компонентов (ИПХФ РАН, Черноголовка).

· Изучена флегматизация пироксилиновых порохов инертными полимерами. Разработаны прогрессивно-горящие пороха, обеспечивающие повышение дульной скорости пули на 8-12% при неизменном максимальном давлении. Снижение температуры горения на 30% повышает живучесть ствола. Новые составы по всем показателям превосходят зарубежные аналоги (ИПХФ РАН, Черноголовка).

· Изучена устойчивость горения твердых ракетных топлив при ударно-волновом воздействии. Установлено, что при нагружении ударной волной с амплитудой 135 МПа горение остается устойчивым. Увеличение амплитуды до 230 МПа вызывает резкий рост давления, разрушение камеры и срыв горения (ИХФ им. Н.Н. Семенова РАН, Москва).

· Установлена связь концентрационных пределов горения порохов и пиротехнических составов с перколяционными переходами, обусловленными фрактальной структурой образцов. Разработан компьютерный метод анализа оптических изображений волны горения, основанный на анализе карты яркостных температур. Выявлена фрактальная размерность фронта горения (ИХФ им. Н.Н. Семенова РАН, Москва).

· Исследовано влияние электрического поля на горение порошкообразного алюминия в потоке воздуха. Установлено, что наложение радиально-продольного поля с напряжением 900 вольт значительно ускоряет процесс окисления алюминия (ИПХФ РАН, Черноголовка, МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва).

· Разработан комплекс методов для исследования чувствительности взрывчатых материалов к ударно-волновым, механическим и тепловым воздействиям на крупных образцах (РФЯЦ - ВНИИТФ, Снежинск).

· Разработан полуэмпирический метод оценки чувствительности индивидуальных ВВ к механическим воздействиям по их структуре. Эффективность метода подтверждена на тестовых ВВ удовлетворительной сходимостью оценок с экспериментом (РФЯЦ - ВНИИЭФ, Саров).

· Созданы методики для исследования воспламенения ВВ при программируемом нагреве в замкнутом и полузамкнутом объеме и горения при внешнем давлении до 1 ГПа (РФЯЦ - ВНИИЭФ, Саров).

· Исследована зависимость массовой скорости горения ряда мощных ВВ от давления в диапазоне 1-120 атм. Установлено, что в двойных логарифмических координатах полученные зависимости удовлетворительно аппроксимируются прямыми с практически совпадающими для ВВ одного класса наклонами. Это свидетельствует о корреляции структуры молекул ВВ с зависимостью скорости горения от давления (ИХФ им. Н.Н. Семенова РАН, Москва).

· Численно исследовано влияние жесткости системы нагружения на критические условия механического инициирования жидких ВВ. Показано, что в критических условиях инициирования при жесткости 0,5-4 МН см - 1 постоянны максимальный разогрев жидкости, удельная скорость диссипации, плотность диссипированной энергии, максимальная скорость «самой горячей» частицы ВВ, минимальная толщина слоя сжатой жидкости и некоторые другие характеристики (ИХФ им. Н.Н. Семенова РАН, Москва).

· Исследован процесс ударно-волнового возбуждения детонации при введении микросфер диаметром 20-125 мкм, с толщиной стенок 0,8-2,1 мкм в матрицу, состоящую из октогена и пластичного инертного связующего. Показано, что введение микросфер сокращает преддетонационный участок тем сильнее, чем выше пористость заряда, больше начальная удельная поверхность сфер и меньше толщина их стенок. Результаты численного моделирования согласуются с экспериментом (ИХФ им. Н.Н. Семенова РАН, Москва).

· Составлен обзор и выполнен систематический анализ сформированной базы данных по составу, физико-химическим и детонационным свойствам индивидуальных конденсированных ВВ, имеющих брутто-формулу CaHbOcNd. Установлено, что значения идеальной скорости детонации нитро - и азидопроизводных веществ CL20-HNIW находятся вблизи естественного верхнего предела для всех возможных CaHbOcNd - ВВ (ИХФ им. Н.Н. Семенова РАН, Москва).

· Предложен способ оценки пределов распространения и параметров неидеальных режимов детонации в предположении о превращении ВВ в форме послойного горения блоков дробления, образующихся в ударном фронте при пластической деформации исходного вещества. Уравнения, описывающие процесс, имеют решение при диаметрах заряда больше некоторого критического (ИХФ им. Н.Н. Семенова РАН, Москва).

· Изучено влияние добавок алюминия на параметры детонации ВВ различного состава и плотности. Термодинамический анализ детонационных адиабат в сочетании с численным расчетом структуры волны выявил немонотонный характер выделения энергии. Вскрыты причины, вызывающие различное влияние добавок на бризантное и фугасное действие взрыва и не позволяющие реализовать на практике идею повышения с их помощью параметров детонации мощных ВВ (МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва).

· Изучены пределы инициирования детонации и иных режимов взрывного разложения ВВ при сверх- и дозвуковом проникании кумулятивных струй в ВВ. Разработаны физические модели, позволяющие определять критические параметры кумулятивных струй по данным об ударно-волновой чувствительности, динамической сжимаемости и термохимическим свойствам ВВ и оценивать массу ВВ, прореагировавшего без инициирования детонации (МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва).

· Разработан метод определения кинетики разложения квазитонких слоев ВВ, инициированных ударной волной микросекундной длительности. Установлено существование критической глубины разложения, после достижения которой возможно воспламенение ВВ в волне разгрузки (МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва).

· Установлено, что закономерности энерговыделения гетерогенных ВВ в ударных волнах меняются при некоторой характерной начальной плотности. При более низких плотностях наиболее интенсивное энерговыделение происходит непосредственно за фронтом ударной волны любой амплитуды, а при более высоких - максимум энерговыделения при критической амплитуде инициирующей детонацию ударной волны удален от фронта. Характерно также, что при указанной плотности большая часть исходных пор в ВВ становится закрытой (ИПХФ РАН, Черноголовка).

4. Технологические процессы горения и взрыва,

самораспространяющийся высокотемпературный синтез и

получаемые с их помощью новые материалы

В рамках данного направления были получены новые фундаментальные данные о свойствах и закономерностях получения материалов при горении, взрыве и в СВС-процессах. Впервые измерена скорость образования частиц сажи на начальной стадии пиролиза ацетилена. Показано, что процесс представляет собой изотермический цепной взрыв, описываемый полииновой моделью. Разработан новый метод ненаправленной фильтрации газов, позволяющий получить при атмосферном давлении в режиме фильтрационного горения композиционные порошки SiC-Al2O3 и B4C-Al2O3. Конечные продукты получаются в виде рыхлого спека, который легко размалывается до необходимой дисперсности. По абразивным свойствам порошки превосходят карбид титана. Разработана новая методика синтеза хромитов лантана и других редкоземельных элементов, которая может служить основой передовой технологии производства перспективных материалов для электродов МГД-генераторов и деталей конструкции топливных элементов. Разработаны приемы управления структурой многокомпонентной СВС-керамики заданного состава, позволяющие получать материалы с различными электрофизическими свойствами. Создана эффективная опытная технология получения электропроводной керамики. Предложен новый подход к синтезу жаростойких композиционных порошков для защитных покрытий деталей газотурбинных двигателей.

· Теоретически проанализирован температурный режим гетерогенного каталитического окисления окиси углерода. Изучены критические явления зажигания и погасания реакции. Обнаружен эффект теплового гистерезиса реакции - различие условий зажигания и погасания. Полученные результаты объясняют экспериментальные данные по динамике переходных режимов окисления оксида углерода воздухом в адиабатическом реакторе с зерненным платиновым катализатором (ИХФ им. Н.Н. Семенова РАН, Москва).

· С целью поиска оптимальных условий получения синтез-газа из метана и смеси газов, близких по составу к углеводородному сырью газовых месторождений и спутному нефтяному газу, проведены термодинамические и кинетические расчеты парциального окисления этих газов кислородом воздуха. Показано, что приемлемые условия сжигания достигаются при давлении выше 10 атм, коэффициенте избытка воздуха больше 0,4 и начальных температурах не ниже 400 С (ИХФ им. Н.Н. Семенова РАН, Москва).

· Впервые измерена скорость образования частиц сажи на начальной стадии пиролиза ацетилена. Показано, что при температуре 1600 К процесс продолжается 3-4 мсек и его скорость достигает 1015 см - 3сек-1, чем частицы растут со скоростью 103? сек-1. В целом процесс представляет собой изотермический цепной взрыв, описываемый полииновой моделью (ВНИИГаз, Москва).

· Экспериментами, проведенными на борту орбитального комплекса «Мир», подтверждена достоверность интерполяционной методики моделирования микрогравитации в земных условиях. Синтезирован высокопористый материал на основе Ti, C, Ni и Al, осуществлен бесконтактный СВС в невесомости в безгазовом облаке плакированных частиц Ni и Al (ИСМАН, Черноголовка).

· Теоретически исследовано влияние электромагнитного поля на самораспространяющийся высокотемпературный синтез. Показано, что оно может служить эффективным средством управления волновым процессом, влияющим на устойчивость и скорость горения и структуру продуктов синтеза (ИПМ РАН, Москва, ИСМАН, Черноголовка).

· Осуществлен и изучен синтез сульфидов при горении комплексных соединений нитратов металлов с серосодержащими органическими лигандами. Установлено, что морфология и дисперсность продуктов зависят от способности сульфида к сублимации при температуре горения. При низкой упругости пара дисперсность субмикронного продукта не зависит или зависит слабо от давления. При высокой упругости пара в волне горения происходит перекристаллизация сульфида, что позволяет регулировать морфологию и дисперсность продукта в широких пределах путем изменения внешнего давления и температуры горения (ИХТТМ СО РАН, Новосибирск).

· Выявлен механизм горения двухкомпонентных смесей Me1-Me2 в азоте. Показано, что азотирование более активного Me1 осуществляется через взаимодействие с атомарным азотом, выделяющимся при диссоциации нитридов малоактивного Me2. В продуктах горения обнаружены нитриды Mo, Ni, Cr, Al и Fe, впервые определены пространственные группы, параметры элементарной ячейки и межплоскостные расстояния (ОСМ ТНЦ СО РАН).

· Изучены закономерности горения и условия образования композиционной керамики Si3N4-AlN в системе Si-Al-NaN3-(NH4)2SiF6. Найдены оптимальные условия синтеза целевой композиции с содержанием основного вещества не менее 98,5%. Продукт представляет собой волокна диаметром 0,01-0,1 мкм (СамГТУ, Самара).

· Изучены закономерности СВС в режиме фильтрационного горения композиционных порошков SiC-Al2O3 и B4C-Al2O3. Разработан новый метод ненаправленной фильтрации газов, который позволяет получать конечные продукты при атмосферном давлении в виде рыхлого спека, который легко размалывается до необходимой дисперсности. По абразивным свойствам порошки превосходят карбид титана в 1,5-2 раза (СамГТУ, Самара).

· Разработана двумерная математическая модель теплового режима СВС-прессования. Энергетическим методом решена задача уплотнения и формоизменения в изотермической постановке с учетом деформирования оболочки и предложены новые реологические модели продуктов горения, учитывающие присутствие жидкой фазы, неоднородный характер течения частиц твердой фазы и взвешенное состояние продуктов на начальной стадии (СамГТУ, Самара).

· Изучены закономерности СВС лигатуры Al-Ti-B в расплаве алюминия. Найдены оптимальные условия синтеза интерметаллидной и керамической фаз в расплаве. Применение лигатуры при модифицировании поршневого сплава АК12ММгН повысило предел прочности на 10%, относительное удлинение - на 22% и заметно повысило твердость сплава в горячем и холодном состоянии. Результаты испытаний подтвердили преимущества новой лигатуры (СамГТУ, Самара).

· Разработана новая методика синтеза хромитов лантана и других РЗЭ общей формулы LnCrO3 в незамещенной форме и частично допированных щелочноземельными элементами в режиме горения с использованием твердых окислителей. Методика может служить основой передовой технологии производства перспективных материалов для электродов МГД-генераторов и деталей конструкции топливных элементов (ИСМАН, Черноголовка).

· Разработаны приемы управления структурой многокомпонентной СВС-керамики заданного состава, позволяющие получать материалы с различными электрофизическими свойствами. В системе BN-TiB2 при одинаковом соотношении компонентов получены две предельные структуры: каркасная (с мостиками из TiB2) и макрооднородная (частицы TiB2 равномерно распределены в матрице BN). Первая структура обеспечивает высокую диэлектрическую прочность материала. На данной основе создана эффективная опытная СВС-технология электропроводной керамики состава TiB2-BN-AlN для испарительных элементов (ИСМАН, Черноголовка).

· Предложен новый подход к синтезу жаростойких композиционных порошков для защитных покрытий деталей газотурбинных двигателей. Разработана опытная СВС-технология получения композиционных порошков на основе карбидов хрома с интерметаллидными связками. Испытания на предприятиях выявили высокие свойства порошков:

- прочность сцепления с основой - 3.5 кг/мм2;

- микротвердость - 1500 кг/мм2;

- рабочая температура - 1500-1700 К

(ИСМАН, Черноголовка).

· Разработан способ повышения выхода ультрадисперсного детонационного алмаза при взрыве ВВ, практически не образующих алмаз в обычных условиях, путем добавления органических соединений определенной структуры. Разработан высокотехнологичный и экономичный метод взрывной резки толстостенных стальных и железобетонных конструкций, основанный на использовании растягивающих напряжений (РФЯЦ - ВНИИЭФ, Саров).

· Разработан принципиально новый подход к производству перспективных пористых материалов для фильтрующих элементов на основе тугоплавких неорганических соединений (карбидов, нитридов, оксидов). Новые пористые СВС-материалы являются альтернативой спеченным и в ряде случаев не имеют аналогов (ИСМАН, Черноголовка).

5. Безопасность и экология; методология разработки новых

технологических регламентов, основанных на достижениях науки

о горении и взрыве

В рамках данного направления были получены фундаментальные результаты, позволившие разработать новые методы подавления горения и детонации, а также снижения уровней загрязнения окружающей среды. Разработанные модели крупномасштабных пожаров и взрывов различной природы позволяют осуществлять прогноз экологического воздействия крупных токсичных выбросов при аварийных ситуациях. Это необходимо для создания информационно-технической базы по экологической безопасности. Впервые экспериментально показана определяющая роль цепных реакций в распространении детонации в газах при атмосферном давлении. Разработанные на основе представлений об обрыве цепей ингибиторы позволяют эффективно подавлять детонацию, что найдет широкое применение в создании систем взрывобезопасности. На базе исследований фильтрационного горения разработан процесс переработки бытового мусора в сверхадиабатическом режиме, обеспечивающий естественное подавление образования диоксинов в дымовых газах. Обнаруженный эффект синергизма при гашении пламени смесью флегматизаторов и ингибиторов горения позволил разработать новый, высокоэффективный и экологически безопасный огнетушащий состав, не приводящий к разрушению атмосферного озона. Разработаны численные модели образования, эволюции и горения облаков распыленных в атмосфере жидких топлив с учетом влияния масштабных эффектов. Проведено трехмерное численное моделирование распространения на начальной стадии пожаров в закрытых помещениях с целью решения задач обнаружения и выдачи рекомендаций по размещению датчиков пожарных извещателей. Изучены закономерности распространения и оседания аэрозольных загрязнений в турбулентной стратифицированной атмосфере при аварийных выбросах на химических производствах. Показано, что при наличии в атмосфере приземного инверсионного слоя низкоэнергетический выброс может привести к оседанию вблизи источника загрязнений с плотностью, превышающей ПДК, в то время как высокоэнергетический выброс приводит к меньшей поверхностной плотности оседания аэрозоля за счет его рассредоточения на большей территории.

· С помощью двумерного моделирования распространения воздушной ударной волны в плоском канале с покрытыми пылью стенками найдены условия возникновения зон возможного воспламенения пылевоздушной смеси, зависящие от толщины и плотности слоя пыли. Результаты имеют принципиальное значение для разработки нормативов взрывобезопасности в угольных шахтах (ИАП РАН, Москва).

· На основе развития теории цепных процессов предсказана и экспериментально установлена определяющая роль цепных реакций в распространении газовой детонации при атмосферном и более высоких давлениях. Разработаны эффективные ингибиторы, обрывающие реакционные цепи и позволяющие подавлять взрыв и детонацию. Химическое регулирование детонации может быть использовано для обеспечения взрывобезопасности производств, а также при создании двигателей нового типа (ИСМАН, Черноголовка, ИТЭС РАН, Москва).

· Численно исследованы образование, эволюция и горение облаков распыленных жидких топлив в открытой атмосфере. Выявлена роль масштабных явлений, установлены концентрационная, тепловая и радиационная структуры огненных шаров. Найдена единая зависимость, описывающая время жизни огненного шара при выбросе газа высоколетучих и низколетучих жидких топлив. Получено хорошее совпадение рассчитанных характеристик огненного шара (размер, время выгорания, форма, высота подъема) с экспериментальными данными (ИПМ РАН, Москва).

· На базе исследований фильтрационного горения разработан процесс переработки бытового мусора в сверхадиабатическом режиме. Процесс обеспечивает подавление образования диоксинов, содержание которых в дымовых газах не превышает предельно допустимых концентраций без дополнительной очистки (ИПХФ РАН, Черноголовка).

· Численно исследовано ламинарное выгорание газового и аэрозольного облаков. В случае квазистационарного испарения и горения аэрозольного облака получены новые аналитические решения и найдены условия, при которых реализуются различные режимы испарения или горения аэрозольного облака. Оценены времена испарения и выгорания облаков. Выявлены различные структуры и режимы горения аэрозольного облака, оценены времена выгорания при нестационарном горении в зависимости от размера и концентрации капель топлива в облаке (ИПМ РАН, Москва).

· Изучены кинетика и механизм окисления алкилароматических соединений растворами азотной кислоты. Установлено, что скорость реакции определяется реакционной способностью протонов на углероде, находящемся в ? - положении к бензольному кольцу, которая увеличивается при переходе от толуола к изопропилбензолу в 10 раз. Эти данные необходимы для выяснения причин взрывов на химических предприятиях (ИПХФ РАН, Черноголовка).

· Исследовано влияние степени термического и механического повреждения больших зарядов ВВ на уровень опасности обращения с ними. Разработан способ повышения безопасности обращения с поврежденными зарядами (РФЯЦ - ВНИИЭФ, Саров).

· В результате теоретического анализа условий гашения диффузионного пламени углеводородного топлива, определено время образования огнетушащей среды во фронте. С учетом полученных данных сформулированы рекомендации по определению оптимальной огнетушащей концентрации (ВНИИПО МВД РФ, Балашиха).

· Установлено снижение минимальной флегматизирующей концентрации хладона в присутствии ингибитора, что является перспективным способом повышения эффективности применения хладона как средства взрывопредупреждения благодаря снижению стоимости смеси хладона с ингибитором, значительному снижению расхода, улучшению экологических характеристик: ингибитор не токсичен, не обладает озоноразрушающим действием и не является “парниковым газом” (ВНИИПО МВД РФ, Балашиха).

· Экспериментально и теоретически выявлено трехмерное распределение параметров потока за ударной волной в свободном пространстве и при взаимодействии ее с преградой. Обнаружены области сравнительной безопасности за ударной волной после ее выхода из канала квадратного сечения (ИТЭС РАН, Москва).

· Обнаружен эффект синергизма при гашении пламени смесью флегматизаторов (фторированных углеводородов) и ингибиторов горения органических веществ (йодсодержащих углеводородов). На основе этих результатов разработан новый высокоэффективный и экологически безопасный огнетушащий состав, являющийся альтернативой озоноразрушающим бромхладонам (ВНИИПО МВД РФ, Балашиха).

· Проведено численное моделирование взрывов пыле воздушных смесей алюминия с аммиачной селитрой. С использованием нестационарных уравнений сохранения массы, импульса и энергии для многокомпонентной многофазной среды и уравнений кинетики и межфазных превращений решены задачи инициирования и распространения детонации. Оценено влияние слипания и последующего дробления частиц и показано, что учет этих эффектов дает более реалистичные значения давления взрыва (ИХФ им. Н.Н. Семенова РАН, Москва).

· С целью разработки пенококосообразующих огнезащитных покрытий было исследовано влияние добавок в состав покрытия на процесс коксообразования и физико-механические свойства образующегося при пожаре огнезащитного слоя коксового остатка. На основе полученных результатов предложен оптимальный состав огнезащитного покрытия, более эффективного, чем отечественные и зарубежные аналоги (ИХФ им. Н.Н. Семенова РАН, Москва).

· Проведено трехмерное моделирование распространения опасных факторов пожара на начальной стадии с целью решения задач обнаружения. Выявлено существенное влияние формы помещения, характера горючей нагрузки, а также инерционность пожарных извещателей на время их срабатывания. Выданы соответствующие рекомендации по их размещению (ВНИИПО МВД РФ, Балашиха).

· С использованием усовершенствованных методик эксперимента на статической перепускной установке и ударной трубе переменного сечения измерены задержки воспламенения пропано-воздушных смесей в широком диапазоне изменения концентраций при температурах 800-1500 К. Путем численных и аналитических расчетов с использованием экспериментальных данных определены задержки воспламенения смеси аммиак - закись азота при температурах 950-1800 К в широком интервале изменения концентраций. Численные расчеты по полной схеме количественно совпали с экспериментом (ИХФ им. Н.Н. Семенова РАН, Москва).

· Изучено влияние хладонов на горение водородо- и метановоздушных смесей в замкнутом объеме. Определены концентрационные пределы распространения пламени, максимальное давление взрыва и скорость его нарастания. Обнаружен эффект химической индукции, когда продукты горения бедных смесей промотируют окисление фторированных хладонов, что вызывает соответствующие рост максимального давления взрыва и скорости его нарастания при введении в бедную газовоздушную смесь небольших добавок хладонов. Предложен механизм этого эффекта, позволяющий управлять горением с помощью газообразных ингибиторов, активно взаимодействующих с атомарным водородом (ВНИИПО МВД РФ, Балашиха).

· Численным моделированием эволюции аэрозольных загрязнений в турбулентной стратифицированной атмосфере над источниками энерговыделения определена плотность их оседания на местности при аварийных выбросах в зависимости от энергии выброса и состояния атмосферы. Установлено, что при наличии в атмосфере инверсионного температурного слоя низкоэнергетический выброс приводит к распространению загрязнений только в приземном слое и их быстрому оседанию с большой поверхностной плотностью. В то же время высокоэнергетический выброс обеспечивает подъем облака выше инверсионного слоя, что приводит к распылению аэрозольных загрязнений в верхних слоях атмосферы, длительной эволюции и последующему их оседанию на существенно большей территории, но с меньшей поверхностной плотностью (МГУ им. М.В. Ломоносова, Москва).

Принятые сокращения

ДВО РАН - Дальневосточное отделение

РАН СО РАН - Сибирское отделение

РАН УрО РАН - Уральское отделение РАН

ВНИИ Газ - Всероссийский научно-исследовательский институт природных газов и газовых технологий

ВНИИПО МВД РФ - Всероссийский институт противопожарной обороны МВД РФ

ВТИ АООТ - Всероссийский теплотехнический научно-исследовательский институт

ЦИАМ - Центральный институт авиационного моторостроения им. П.Е. Баранова

ИАПУ ДВО РАН - Институт автоматики и процессов управления ДВО РАН

ИГиЛ СО РАН - Институт гидродинамики им. М.А.Лаврентьева

ИАП РАН - Институт автоматизации проектирования

ИДГ РАН - Институт динамики геосфер РАН

ИПМ УрО РАН - Институт прикладной механики УрО РАН

ИПМ РАН - Институт проблем механики РАН

ИПХФ РАН - Институт проблем химической физики РАН

ИОФАН - Институт общей физики РАН

ИСМАН - Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения РАН

ИТПМ СО РАН - Институт теоретической и прикладной механики СО РАН

ИТЭС ОИВТАН - Институт теплофизики экстремальных состояний Объединенного института высоких температур РАН

ИТФ РАН - Институт теоретической физики им. Л.Д. Ландау РАН

ИХКГ СО РАН - Институт химической кинетики и горения СО РАН

ИХТТМ CO РАН - Институт химии твердого тела и механохимии СО РАН

ИХФ им. Н.Н. Семенова РАН - Институт химической физики им. Н.Н. Семенова РАН

КБГУ - Кабардино-Балкарский государственный университет

КТИГИТ СО РАН - Конструкторско-технологический институт гидроимпульсной техники СО РАН

МАДИ (ТУ) - Московский государственный автомобильно-дорожный институт (технический университет)

МГТУ им. Н.Э. Баумана - Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана