Аннотация

исследования Л.К. Гусаченко, В.Е. Зарко, А.Д. Рычкова, представленного в виде девяти статей с общей темой

“Новая концепция моделирования горения энергетических материалов”

Актуальность исследования.

Проведенный авторами критический анализ [1] экспериментальных и теоретических работ по горению современных энергетических материалов (гексоген, октоген, твердые ракетные топлива и т.п., кратко ЭМ) показал удивительную рассогласованность этих двух видов исследований. Действительно, многочисленные эксперименты по исследованию горения ЭМ с применением микротермопар, проведенные в ракетном диапазоне давлений, показали, что в конденсированной фазе выделяется тепло, достаточное для ее нагрева до температуры поверхности. В то же время при разработке детальных математических моделей горения ЭМ (например, [P1-P3]) этому факту не уделяется достаточное внимание, и зачастую он попросту игнорируется. Поэтому актуальны усилия, направленные на создание адекватных моделей явления.

Новизна используемого подхода состоит в отказе от априорного допущения о существовании строго стационарных одномерных режимов горения реальных ЭМ при повышенных давлениях.

Полученные результаты и их значимость.

Ранее нами была предложена нестационарная модель горения ЭМ с реакциями в конденсированной и газовой фазах (см. [2], в более полном виде [3]). Проводя расчеты [2, 4], мы убедились в невозможности описать любой “чисто одномерной” моделью наблюдаемый в экспериментах квазистационарный режим горения ЭМ с относительно большим тепловыделением в конденсированной фазе, достаточным для нагрева ее до температуры поверхности (стационарный режим с подповерхностным температурным максимумом, описанный нами в [5], оказался неустойчивым). Уместно отметить, что этот эффект не был учтен в исследованиях [P1-P3]. В самом деле, в [P1] сообщается, что расчеты по модели хорошо согласуются с экспериментальными данными по температуре поверхности и толщине расплавленного слоя (данные приведены в статье А.А. Зенина о горении RDX в том же номере журнала JPP). Но отсутствует сравнение по ключевому параметру – тепловому потоку на поверхность из газовой фазы, величиной которого определяется локализация ведущей стадии горения. В работе [P2] (модель для RDX/GAP) также отсутствует сравнение с экспериментальными данными по тепловому потоку на поверхность, которые были опубликованы А.А. Зениным двумя годами ранее. Точно так же в [P3] отсутствует сравнение с известными экспериментальными данными по тепловому потоку из газа на поверхность HMX; при этом из текста следует, что в модели [Р3] подповерхностные реакции суммарно эндотермичны. Пытаясь разрешить противоречие, мы с помощью аналитического исследования вначале показали [4], что “численная” неустойчивость объективно обусловлена физикой явления и моделирует реально существующую неустойчивость зоны подповерхностных реакций. Она возникает при высокой интенсивности тепловыделения, когда под поверхностью возникает максимум температуры. Это как раз означает, что тепловыделения в конденсированной фазе более чем достаточно для нагрева ЭМ до температуры поверхности. В экспериментах неустойчивость проявляется в виде чередующихся вспышек и погасаний и не описывается моделью нестационарного горения Зельдовича-Новожилова, предполагающей квазистационарность зоны реакций. В то же время нет физических оснований предполагать возникающие пульсации синхронными на всей горящей поверхности.

Наличие разупорядоченных по фазе пульсаций позволяет правдоподобно объяснить [1, 6, 8] причину возникновения “бегающих” по горящей поверхности неоднородностей свечения. Они наблюдались различными исследователями практически на всех ЭМ при различных давлениях, в том числе в области “устойчивости по Зельдовичу-Новожилову”. Известно, что пульсации регистрируются и при термопарных измерениях, данные о которых послужили основанием для начала этой работы. Именно из-за пульсаций экспериментаторам приходится проводить несколько опытов в одинаковых условиях и затем комбинировать “осредненный” температурный профиль.

Изложенные представления позволяют дать новое объяснение [7, 9] эффекту “отрицательной эрозии”, т.е. уменьшению скорости горения в результате обдува горящей поверхности с небольшой скоростью продуктами сгорания этого же состава. Разупорядоченные пульсации вдува с поверхности создают над ней “собственную” (обусловленную горением, а не продольным обдувом) турбулентность, которая способствует увеличению теплового потока из газа на поверхность. Можно показать, что наложение относительно слабого обдува разрушает структуру “собственной” турбулентности и, следовательно, уменьшает поток тепла на поверхность, а с ним и скорость горения. Лишь затем, при значительном увеличении интенсивности обдува возникает “внешняя” турбулентность, что ведет к росту скорости горения за счет усиления теплообмена с газом.

Таким образом, удалось связать два факта, экспериментально установленные для большого числа исследованных ЭМ в ракетном диапазоне давлений: “ведущую роль” конденсированной фазы и существование “бегающих” по горящей поверхности неоднородностей свечения. Показано, что при наличии “ведущей роли” зоны подповерхностных реакций возникает неустойчивость этой зоны, которая и объясняет “бегающие” волны свечения. Эти новые представления существенно изменяют содержание проблемы математического моделирования горения ЭМ: ясно, что теперь требуется рассматривать их горение как результат осреднения локальных разупорядоченных вспышек и при этом учитывать “собственную” приповерхностную турбулентность газовой фазы. Кроме того, на основе изложенных представлений дано разумное объяснение эффекта “отрицательной эрозии” и впервые дано объяснение [9] известной уже 30 лет из опыта специфической зависимости величины этого эффекта от начальной температуры.

Уровень полученных результатов в сравнении с мировым. Интерес сообщества к изложенным результатам показывает тот факт, что статья [1] после ее опубликования в журнале ФГВ в марте 2005 оказалась на втором месте из 25 наиболее востребованных статей журнала “Combustion, Explosion, and Shock Waves” (переводная копия ФГВ) по данным издательства Springer за 9 месяцев 2005. Результаты исследования были доложены на отечественных и международных конференциях.

P1. Y.C. Liau, V. Yang. Analysis of RDX monopropellant combustion with two-phase subsurface reactions // JPP, 1995, V. 18, No 4;

P2. Y.C. Liau, V. Yang, S.T. Thunell. Modeling of RDX/GAP pseudo-propellant combustion with detailed chemical kinetics // Combustion of energetic materials (Eds. K.K. Kuo, L.T. DeLuca), N-Y, 2002, 477-499;

P3. K.V. Meredith and M.W. Beckstead. Laser-induced ignition modeling of HMX // Proceedings of 39th JANNAF Combustion Meeting, Colorado Springs, Dec. 2003.

Список прилагаемых статей

  • Л.К. Гусаченко, В.Е. Зарко. Анализ моделей горения энергетических веществ с полностью газообразными продуктами реакции // Физика горения и взрыва, 2005, № 1, 24-40.
  • V.E. Zarko, L.K. Gusachenko, A.D. Rychkov. Simulation of Combustion of Melting Energetic Materials // Defence Science Journal, V. 46, No. 5, 1996, 425-433.
  • V.E. Zarko, L.K. Gusachenko, A.D. Rychkov. Effect of Melting on Dynamic Combustion Behavior of Energetic Materials// JPP,V.15,No.6,1999, 816-822.
  • Л.К. Гусаченко, В.Е. Зарко, А.Д. Рычков. Неустойчивость модели горения с испарением на поверхности и перегревом в к-фазе // ФГВ, 1997, т. 33, № 1, 43-50.
  • L.K. Gusachenko, V.E. Zarko. The overheating in the surface layer during combustion of melting energetic compounds. In: Proceedings of the twenty-first international pyrotechnics seminar. 1995, Institute of Chemical Physics, Moscow, pp. 298-312 (In Russian).
  • L.K. Gusachenko, V.E. Zarko. Stability of self-sustaining combustion of energetic materials with pronounced condensed phase reactions // Propellants, Explosives, Pyrotechnics. Volume 30, Issue 4, pp. 264-268, 2005.
  • L.K. Gusachenko, V.E. Zarko. Peculiarities of erosive combustion in heterogeneous systems. // Energetic materials. Structure and properties. Proceedings of 35th Int. annual conference of ICT 29.06-2.07, 2004, Karlsruhe, FRG. Ed. M. Heerman. Pap.90, 10 pages.
  • V.E. Zarko, L.K. Gusachenko, and A.D. Rychkov. Numerical modeling of nonstationary combustion of evaporated energetic materials. Приглашенный доклад на мемориале Я.Б. Зельдовича. Реферат см. в “Progress in combustion and detonation”. Eds. A. Borisov, S. Frolov, A. Kuhl. Torus Press, 2004, 132-133; полный текст под именем OP-40.pdf на диске мемориала.
  • Л.К. Гусаченко, В.Е. Зарко. Эрозионное горение. Проблемы моделирования // Физика горения и взрыва, 2007, № 3 (принята к печати).