Химическая физика

Приведены результаты кинетического анализа с учетом скоростей химических реакций и выделения тепла при решении задач о самовоспламенении и ламинарном горении водородно-воздушных реакций с 1%-ной добавкой пропилена. Решение получено с помощью компьютерного моделирования. Показано, что добавка пропилена к водородно-воздушным смесям существенно замедляет протекание химических реакций за счет рекомбинации атомарного водорода при самовоспламенении во всем диапазоне начальных температур от 800 до 1400 К, а также при распространении волн ламинарного горения в богатых и стехиометрической смесях. Однако пропилен – горючее вещество, и в ходе его разложения и окисления выделяется тепло, которое увеличивает темп роста температуры. Как следствие, в определенных условиях, в частности при начальной температуре 800 К, на фоне пониженных скоростей химических реакций окисления водорода, а также в случае бедных смесей добавка пропилена приводит не к росту, а к уменьшению задержки воспламенения, и к значительному увеличению температуры и скорости распространения волны горения. Получены дополнительные данные о важной роли, которую играют в ламинарных пламенах водородно-воздушных смесей реакции с участием радикала HO₂: реакция разветвления HO₂+H → OH+OH и тримолекулярная реакция H+O₂(+M) → HO₂(+M), а также максимальная концентрация радикала HO₂. Эти реакции идут с высокими скоростями в области низких температур, благодаря участию атомарного водорода, диффундирующего из высокотемпературной области пламени, и обеспечивают заметный вклад в выделение тепла. Максимум концентрации радикала HO₂ достигается при температуре, которая предположительно отвечает «ведущей зоне» горения. При добавке пропилена изменение максимальной концентрации радикала коррелирует с изменением скорости нормального горения.

Получены высокодисперсные инициирующие взрывчатые вещества и воспламенительные составы на их основе в виде водной суспензии и пасты, которые позволяют существенно повысить безопасность технологического процесса снаряжения средств инициирования пиротехнических изделий. Проанализированы свойства полученных взрывчатых веществ, предложено применение их в виде пленочных пироэлементов. Методами синхронного термогравиметрического анализа и дифференциально-сканирующей калориметрии изучены процессы экзотермического превращения в пленочных пироэлементах при нормальных условиях. Установлено, что протекание высокотемпературных экзотермических реакций носит не детонационный, а характер стационарного послойного горения со скоростью при нормальных условиях от 20 до 200 мм/с, при этом наблюдается интенсивное выделение дисперсных продуктов и пламени.

Экспериментально исследовано горение в свободном цилиндрическом газовом заряде, вызванное перепуском детонационной волны из инициирующей трубы. Получены зависимости изменения скорости горения вдоль такого заряда для стехиометрических смесей этана, этилена и пропана с кислородом. Наблюдается пульсирующий характер горения вдоль заряда, являющийся следствием затухающего колебательного процесса. Скорость этого процесса изменялась от скорости детонации на срезе инициирующей трубы до 200–350 м/c в конце газового заряда.

В работе представлены результаты моделирования процесса конверсии бедной негорючей пропановоздушной смеси с инициацией высокочастотным коронным разрядом при давлении 5 бар и начальной температуре 300 К для разных коэффициентов избытка топлива. Разряд создает нетермическую плазму в каналах-филаментах. Проведены эксперименты развития такого разряда в воздухе для разных условий. При давлениях 1 и 2 бар разряд имеет сложную морфологию с ветвлением разрядных филаментов. При давлениях выше 3 бар область свечения имеет форму прямой спицы. В работе приведен кинетический анализ конверсии. Ключевым компонентом для разложения пропана является атом О, наработанный в разряде в результате диссоциации О₂ прямым электронным ударом и возбужденными молекулами N₂. В послесвечении, после завершения разряда, источником атома О являются реакции разложения озона с N₂ и O₂. Для образования NO необходимо учитывать наработку атомов N в возбужденном и основном состояниях. Большую роль в увеличении концентраций C₃H₆, C₂H₄, CO со временем играют промежуточные окисленные углеводороды. Разложение О₃ происходит в большей степени в цикле с участием NO₃. Нагрев активированной разрядом зоны не превышал 600 К. Состав продуктов конверсии, полученный в результате моделирования, сравнивался с известными литературными экспериментальными данными.

С использованием многоточечного лазерного интерферометра проведена серия экспериментов с регистрацией профилей массовой скорости для определения динамики ударно-волнового инициирования смесей нитрометана с микросферами, которые являются гетерогенными взрывчатыми веществами с контролируемой структурой зарядов. Показано, что добавление к нитрометану 5–8 вес.% микросфер почти на порядок снижает необходимую для инициирования амплитуду ударной волны. При добавлении 8 вес.% микросфер в зависимости от условий инициирования, наблюдается реализация как стационарной детонации Чепмена–Жуге, так и низкоскоростной детонации.