Статья: ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ НАНОПОРОШКА АЛЮМИНИЯ НА ГОРЕНИЕ ВЫСОКОЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА В ЗАКРЫТОМ ОБЪЁМЕ (2024)

Применение медноматричных самосмазывающихся покрытий является привлекательным способом обеспечения высокой электропроводности и износостойкости в контактных парах трения в различных областях современной промышленности. В настоящей работе впервые исследованы структура и свойства самосмазывающегося покрытия системы медь никель графит, полученного на медной подложке методом холодного газодинамического напыления высокого давления. Покрытие было получено путём напыления порошков меди и плакированного никелем графита, смешанных в соотношении 70/30 вес. %. Полученное покрытие обладает привлекательным сочетанием твёрдости (108.8 HV1), коэффициента трения (0.34) и электропроводности (43.8 % IACS), что открывает перспективы для применения такого материала в электротехнических областях современного производства.

Проведено сравнение сушки зёрен мелкопористого силикагеля в акустоконвективной сушилке ИТПМ СО РАН с конвективной сушкой в воздушной атмосфере при нормальном давлении и с остаточным давлением рабочей камеры печи p = 10-3 MPa. Фиксировались изменения морфологии, структуры, удельной поверхности, суммарного объёма пор и механические свойства исходных, увлажнённых и осушенных зёрен силикагеля. Показано, что при используемом в работе режиме акустоконвективной сушки происходит интенсивная экстракция влаги из образца, что сопровождается дегидратацией зерна наблюдаются осколки зёрен, на поверхности зёрен обнаружены макродефекты в виде сколов, в структуре материала присутствуют магистральные трещины, происходит снижение удельной поверхности до 200 м2/г, уменьшение суммарного объёма пор до 0.26 м3/г либо отсутствие пор размером менее 100 нм, уменьшается механическая прочность силикагеля до 96.25 %.

Совершенствование средств пожаротушения и методов измерения их эффективности является важной задачей в области пожарной безопасности. В работе представлены результаты экспериментальных измерений минимальной огнетушащей концентрации порошковых смесей, которые могут быть применены в качестве эффективных взрыволокализующих заслонов. Измерения минимальной огнетушащей концентрации исследуемых порошков проводились с помощью лабораторного метода с импульсной их подачей в микроочаг пожара класса B с помощью сжатого воздуха. С целью обоснования и оценки возможных ошибок указанного лабораторного метода измерения огнетушащей эффективности порошков выполнено численное 3D-моделирование взаимодействия многофазного потока с модельным очагом горения. Анализ результатов численного моделирования показал, что для применённого лабораторного метода практически вся порция исследуемого порошка поступает в зону горения. Также результаты численных расчётов показали, что в указанных экспериментальных условиях отсутствует заметное влияние размера частиц порошка на их потери в окружающее пламя пространство. Таким образом, эти результаты позволили обосновать применение указанного лабораторного метода для сравнительной оценки огнетушащих порошков с широким диапазоном дисперсности. Использование указанного лабораторного метода оценки эффективности огнетушащего порошка позволило разработать для взрыволокализующего заслона оптимальный порошковый состав, включающий в качестве основного компонента инертные минеральные частицы и добавку химически активного калийсодержащего ингибитора горения.

Настоящая работа посвящена исследованию гелиевой проницаемости полых стеклянных кремнезёмных микросфер. Для проведения исследования был подготовлен экспериментальный стенд для получения кинетических сорбционных кривых для гелия при заданных значениях давления и температуры. В ходе согласования экспериментов и анализа сорбционных кривых гелия кремнезёмных микросфер в диапазоне температур 21.5-110.0 ◦C с помощью дискретного метода были получены параметры проницаемости: характерная проницаемость и удельный сорбционный объём. Предложен новый непрерывный метод для определения распределения микросфер по характерным проницаемостям на основании решения обратной некорректной задачи для интегрального уравнения. Полученные значения удельного сорбционного объёма хорошо согласуются с результатами, полученными с использованием ранее разработанного дискретного метода.

Предложена обобщённая модель химической кинетики горения двухтопливной метано-водородной смеси при детонационных давлениях и температурах. Она позволяет рассчитывать молярную массу и внутреннюю энергию смеси без расчёта её детального химического состава. Модель верифицирована в рамках численного расчёта ячеистой многофронтовой структуры детонационной волны. Рассчитанный размер детонационной ячейки, а также качественная структура детонации (нерегулярность ячеистой структуры, обусловленная формированием как основных, так и второстепенных поперечных волн, и неполное сгорание газа в детонационной волне) хорошо соответствуют эксперименту.

Предложена модель расчёта концентрационных пределов воспламенения смеси двух или более газообразных горючих, основанная на равновесной химической термодинамике (без привлечения химической кинетики) и обобщённой модели химического равновесия. Пределы воспламенения отдельных видов горючих полагаются известными. Модель учитывает возможность образования конденсированного углерода в переобогащённых горючими смесях. По предложенной модели рассчитаны концентрационные пределы воспламенения для ряда многотопливных смесей, содержащих H2, C2H2, CH4, C6H12 и CO. Результаты расчётов хорошо совпадают с аналогичными результатами, полученными по известным эмпирическим формулам Ле Шателье. Предложенную модель можно рассматривать в качестве теоретического обоснования этих формул.

Представлены результаты численного исследования горения струй водорода, инжектируемых в высокоскоростной воздушный поток перед внезапным расширением канала. Показано, что при постоянных входных условиях в канале реализуется режим пульсирующего горения, который сохраняется при повышении температуры стенки от 300 до 900 К. Рост температурного фактора приводит к снижению частоты осцилляций и уменьшению их амплитуды.

Проводится численное моделирование газового потока в тракте биканальной резонансной системы ИТПМ СО РАН. Численное моделирование нестационарного акустоконвективного потока проведено с помощью программного пакета Ansys Fluent в трёхмерной постановке. В результате моделирования получены газодинамические характеристики течения в центральной части системы, где формируется сверхзвуковая недорасширенная струя. Выполнен анализ распределений давления в ближнем поле первой бочки струи, а также внутри её структуры в условиях биканальной системы. Для исследования выбраны шесть точек в ближнем поле струи. С учётом нестационарности потока в тракте резонансной системы исследуемые точки фиксируют колебания формируемого потока и изменение структуры струи. Проведена оценка спектрального состава вблизи и внутри невозмущённой резонатором струи и представлено сравнение со спектром резонансной системы. Показана возможность влияния на структуру струи и акустические характеристики вблизи струи при помощи резонатора.

Представлены результаты численного исследования закономерностей распространения пламени углеметановоздушной смеси в узком цилиндрическом канале при наличии сил вязкого трения. Постановка задачи основана на подходах механики двухфазных реагирующих сред. Метод решения задачи основан на алгоритме распада произвольного разрыва. Проведённое численное исследование позволило определить скорости распространения пламени углеметановоздушной смеси в осесимметричном канале. Показано, что на начальном этапе при достижении фронтом горения боковых стенок канала скорость пламени увеличивается. Этот эффект был получен ранее для невязкого газа. Получено, что фронт пламени газовзвеси с малым содержанием угольной пыли по мере продвижения по открытому каналу стремится к плоскому, не зависящему от координаты вдоль радиуса канала.

Исследуются деформации стенок аорты при аневризме (расширении) и расслоении стенок. Проведены численные расчёты нагрузки на стенки аорты при таких деформациях. Показано, что разрыв внутреннего слоя сосуда приводит к увеличению напряжения на внешней стенке сосуда. Увеличение толщины и длины разрыва увеличивает напряжения на внешней стенке сосуда. Наличие аневризмы сосуда увеличивает напряжения по сравнению с сосудом без аневризмы. Расслоение внутренней стенки сосуда приводит к увеличению напряжения на стенке напряжения падают с ростом ширины разрыва для прямого сосуда и растут для сосуда с аневризмой.

Работа посвящена исследованиям по применимости мембранно-сорбционного метода для разделения водородно-гелиевых смесей. Экспериментально получены сорбционные зависимости поглощения водорода и гелия для синтетических полых микросфер из натрийборсиликатного стекла типа МС-В-1Л, кремнезёмных микросфер и гранулированного сорбента на основе микросфер МС-В-1Л. Показано значительное различие в темпах сорбционных процессов водорода и гелия для исследуемых сорбентов. На основе модели диффузии газа определены кинетические характеристики поглощения, коэффициенты проницаемости и селективности, динамические характеристики процессов сорбции водорода и гелия гелий-водородных смесей различного состава данными сорбентами. Для кремнезёмных микросфер коэффициент селективности по отношению к водороду и гелию при 24 ◦C превышает 130, а для гранулированного сорбента на базе микросфер МС-В-1Л составляет примерно 1000 при 110 ◦C. Высокие значения селективности исследуемых сорбентов подтверждают возможность и эффективность применения мембранно-сорбционного метода для разделения водородно-гелиевых смесей.

Представлены результаты теоретического исследования максимальной температуры газа, пористой среды и скорости стационарной волны фильтрационного горения водородо-воздушной смеси при теплопотерях. Исследование вышеупомянутых параметров проводилось как на основе численного метода решения системы дифференциальных уравнений, описывающих стационарный режим распространения волны, так и с помощью аналитических зависимостей, выведенных посредством рассмотрения эквивалентной математической модели ФГГ при наличии теплопотерь. Идентичность значений скорости стационарной волны, рассчитанных по формуле и по численному методу Рунге Кутта для различных составов и скорости вдува смеси, даёт основание говорить о достоверности результатов исследования. Результаты анализа численного расчёта распределения температур в волне горения показывают, что при относительно небольших диаметрах частиц пористой среды, меньше 1 мм, и скорости вдува до 5 м/с профили температур пористой среды и смеси газов не отличаются, т. е. имеет место однотемпературная структура волны. Вне этих пределов температуры фаз в зоне горения существенно отличаются, т. е. наблюдается различие максимумов температур твёрдой и газовой фаз.

Представлены формулы расчёта скорости стационарной волны и температуры воспламенения при фильтрационном горении водородо-воздушной смеси в инертной пористой среде. В соответствии с полученной формулой температура воспламенения плавно возрастает с увеличением скорости вдува смеси и понижается с увеличением диаметра частиц пористой среды. Расчётные скорости волны возрастают с увеличением скорости вдува смеси и переходят в другие режимы скоростей.

Данное исследование направлено на экспериментальное изучение параметров газодинамического потока в тракте акустоконвективной сушильной установки (АКСУ) ИТПМ СО РАН. В процессе эксперимента проводится регистрация температуры потока в окрестности торца резонирующей полости и на поверхности цилиндрического резонатора. Рассмотрено два варианта газодинамического течения в волноводе при установленном в тракт рабочей части АКСУ образца и при его отсутствии. В результате экспериментальных исследований выявлено, что при помещении исследуемого образца в тракт АКСУ происходит изменение зарегистрированного без образца сигнала на входе в рабочую часть, сигнал разворачивается на 180◦ относительно точки начала координат, при этом АЧХ и температура рабочего потока не изменяются. Получена динамика изменения температуры газа возле торца резонирующей полости при размещении образца в рабочую часть АКСУ. Определена максимальная температура газа в резонирующей полости, которая достигается при наличии преграды в тракте АКСУ. Регистрация температуры поверхностными термопарами показала, что резонатор условно можно разделить на две области: 1) возле глухого торца резонатора, где наблюдается влияние от размещения образца в АКСУ; 2) возле открытого края резонатора, где влияние отсутствует.

В рамках eN -метода выполнены сравнительные расчёты положения начала зоны ламинарно-турбулентного перехода для двух точек на траектории посадки космического аппарата на поверхность Марса. В расчётах использовалась трёхкомпонентная модель термохимически неравновесной смеси CO2/CO/O. Набор частот пространственных возмущений находился по нейтральным кривым для первых неустойчивых мод временны´х возмущений. Число Рейнольдса перехода ReδT определялось по огибающим семейств кривых N -факторов при NT = 8. Для режима течения при числе Маха M = 12.6 учёт развитой термохимической неравновесности приводит к значительному снижению статической температуры газа в нижней части пограничного слоя. В результате начало зоны ламинарно-турбулентного перехода сдвигается вниз по потоку примерно на 9 % по сравнению со случаем совершенного газа.

В рамках eN -метода выполнены сравнительные расчёты положения начала зоны ламинарно-турбулентного перехода для двух точек на траектории посадки космического аппарата на поверхность Марса. В расчётах использовалась трёхкомпонентная модель термохимически неравновесной смеси CO2/CO/O. Набор частот пространственных возмущений находился по нейтральным кривым для первых неустойчивых мод временны´х возмущений. Число Рейнольдса перехода ReδT определялось по огибающим семейств кривых N -факторов при NT = 8. Для режима течения при числе Маха M = 12.6 учёт развитой термохимической неравновесности приводит к значительному снижению статической температуры газа в нижней части пограничного слоя. В результате начало зоны ламинарно-турбулентного перехода сдвигается вниз по потоку примерно на 9 % по сравнению со случаем совершенного газа.

Проведено численное исследование влияния температуры стенки и учёта теплового излучения на процессы самовоспламенения и горения водородно-воздушной смеси в плоском канале. Моделирование выполнено в программном комплексе Ansys Fluent 2020 R1. Анализ результатов расчётов с различными температурами стенок показал, что при температурах выше 550 К реализуется самовоспламенение смеси и распространение волны горения, переходящее в детонацию. Движение детонационной волны вверх по потоку и её выход в узкую часть канала свидетельствуют о режиме запирания канала. Показано, что учёт теплового излучения способствует более позднему воспламенению смеси, но не влияет на характер течения и скорости образования продуктов сгорания.

Исследовано влияние добавок-модификаторов TiB2, AlMgB14, (NH4)2TiF6, NH4BF4, Ca3(PO4)2 на параметры горения смесевого топлива на основе порошкообразного алюминия в качестве горючего (около 20 %), перхлората аммония в качестве окислителя (около 60 % по массе) и активного связующего (МПВТ около 20 %). В результате исследования было выявлено влияние добавок на скорость горения топлива, безразмерную массу и размер агломератов.

Создана вычислительная технология моделирования ослабления ячеистой детонации при взаимодействии детонационных волн с жёсткой проницаемой преградой в горючих смесях на основе пакета ANSYS Fluent. Осуществлена верификация упрощённого кинетического механизма горения ацетилена в воздухе по известным экспериментальным данным. Выполнено моделирование взаимодействия детонационных волн с жёсткой проницаемой преградой. Определены зависимости режимов ослабления детонации от геометрических параметров преграды. Выявлены критерии для успешного срыва и препятствования реинициированию детонации. Оценён вклад рассматриваемых геометрических параметров преграды на ослабление детонации. Проведено сопоставление результатов, полученных для ацетилен-воздушной и водородвоздушной смесей.

Проведена верификация и валидация модели приведённой кинетики гибридной детонации в водород-воздушных смесях с мелкодисперсными частицами алюминия. Получена формула интегрального тепловыделения в зависимости от коэффициента избытка топлива для бедных водород-воздушных смесей. Результаты согласуются с данными экспериментов по скорости детонации. Определены константы реакций горения алюминия, обеспечивающие согласование по скорости детонации в воздушных взвесях частиц алюминия. Численно моделируются процессы газовой детонации в водород-воздушных смесях и гибридной детонации с частицами алюминия. Зависимости скорости гибридной детонации от концентрации частиц согласуются с известными данными. Проведено сравнение с экспериментами по картинам ячеистой газовой и гибридной детонации: степени регулярности, размерам ячеек, наклону траекторий тройных точек.

24–27 сентября 2023 года на базе курорт-отеля «Морозово» (г. Бердск, Новосибирская обл.) состоялся очередной, XVIII Всероссийский cеминар с международным участием «Динамика многофазных сред» (ДМС-2023). Организатором ДМС традиционно является Институт теоретической и прикладной механики имени С. А. Христиановича Сибирского отделения Академии наук (ИТПМ СО РАН). Прошедшее мероприятие было посвящено 115-летию основателя и первого директора института академика Сергея Алексеевича Христиановича.