Процессы горения. Детонация

Одно из самых удивительных явлений природы - огонь и по сей день во многом остается загадкой. Давно наблюдаемое явление детонации также таит в себе немало неразгаданного. При обычном горении пламя распространяется в веществе довольно медленно. Бензин горит, например, со скоростью полуметра в секунду. Если же пламя распространяется со скоростью, превышающей скорость звука в веществе, это детонация. Под воздействием избыточного давления в двигателях внутреннего сгорания тот же бензин горит чрезвычайно быстро.

Явление детонации относится к газодинамике быстро-протекающих химических реакций. До конца раскрыть его природу - одна из актуальных задач науки.

Явление неустойчивости детонационной волны в газах

Кандидат физико-математических наук Ю. Н. Денисов, член-корреспондент АН СССР К. И. Щелкин, доктор физико-математических наук Я. К. Трошин (Институт химической физики АН СССР), член-корреспондент АН СССР Б. В. Войцеховский, доктор физико-математических наук В. В. Митрофанов и кандидат физико-математических наук М. Е. Топчиян (Институт гидродинамики Сибирского отделения АН СССР) открыли неизвестное ранее явление неоднородности и изменения во времени формы фронта детонационной волны. Оно наблюдается, например, при взрывах в шахтах, в ракетных двигателях, двигателях внутреннего сгорания, трубопроводах. Это опасное явление может быть использовано как полезное при взрывах зарядов взрывчатых веществ в строительных и горных работах, при геологических исследованиях, штамповке и сварке взрывом.

В природных условиях явление детонации проявляется при взрывах скоплений газов, при вулканических и звездных взрывах. Прежде считалось, что фронт детонационной волны - это гладкая устойчивая поверхность, разделяющая исходное взрывчатое вещество и сжатые до высоких давлений и температур продукты химической реакции воспламенения. Однако в 1957 г. Ю. Н. Денисов, тогда студент-дипломник МИФИ, и его научный руководитель Я. К. Трошин заметили периодические изменения во времени свечения детонационного фронта в силльнодетонирующих газовых смесях.

Используя собственный, так называемый следовой, метод, Ю. Н. Денисов и Я. К. Трошин изучали сетчатые следы детонации на покрытых тонким слоем сажи стенках сосудов, в которых происходил детонационный процесс. Зарегистрированный след линии столкновения детонационной волны с заведомо гладкой плоской ударной волной оказался извилистым. Это свидетельствовало о том, что в детонационной волне существуют выпуклости и вогнутости переднего фронта. Тот факт, что следы на боковых стенках сосуда были ромбовидными, говорил о периодических столкновениях и отражениях выпуклых участков фронта детонации с повышенными свечением и давлением в них.

Подробные исследования, проведенные вышеупомянутым коллективом, показали, что поверхность детонационной волны является как бы кипящей: она покрыта мельчайшими пузырями, колеблющимися вперед-назад с частотой несколько миллионов в секунду. В местах столкновения выпуклостей резко возрастают температура и давление. Следовательно, химическая реакция в этих местах фронта волны протекает во много раз быстрее, чем на других его участках. Описанный газодинамический механизм и осуществляет столь быстрое превращение вещества при детонации, скорость распространения которой сравнима с космической и достигает нескольких тысяч метров в секунду.

Научное значение открытия состоит в коренном изменении представлений о структуре детонационной волны в газах. Ее неустойчивость оказалась характерной для самоподдерживающихся детонационных режимов во всех детонационно-способных газовых смесях. Открытое явление имело большое значение для теории детонационных процессов. Исследования в этой области способствовали проведению работ по изучению структуры детонационных волн в жидких и твердых взрывчатых веществах, для ряда которых обнаружено аналогичное явление неустойчивости детонационной волны. Познанные закономерности периодической структуры детонации используются в области изучения механизма и кинетики быстрых химических реакций.

Практическое значение открытия состоит в установлении аналогии между явлениями неустойчивости воспламенения в детонационной волне и в теплонапряженных камерах сгорания, что позволяет рассчитывать поле давлений и скоростей вблизи головки камеры сгорания при высокочастотной неустойчивости. На основе открытия разработаны новый метод определения реакционно-кинетических параметров химических процессов при высоких температурах и упомянутый следовой метод регистрации детонации, применяемый для идентификации детонационных процессов в исследовательских и промышленных работах.

Аналогия представлений о процессах в волне газовой детонации и в волне детонации жидких взрывчатых веществ породила новый метод определения критического диаметра зарядов жидких взрывчатых веществ. Выявленные в результате открытия особенности механизма детонации используются при создании экспериментальных реактивных двигателей, работающих в режиме детонационного сгорания, а также при разработке способов воздействия на процесс распространения и дифракции детонационных волн в каналах.

На принципах открытия его авторы сделали ряд изобретений (детонационная труба для определения периода индукции воспламенения горючих смесей, детонационный импульсный ускоритель плазмы и др.).

Результаты открытия получили широкое признание в СССР и за рубежом. Один из известных американских исследователей детонации - Р. Е. Дафф писал в журнале "Физик оф Флуидс" по поводу данного открытия: "Наиболее важным выводом из этих результатов является то, что собственная неустойчивость детонационной волны, о которой сообщали Денисов и Трошин... подтвердилась. Бесспорно, что достоверная теория детонации должна учитывать эту неустойчивость".

В № 10 журнала "Ракетная техника и космонавтика" за 1963 г. опубликовано мнение изйестных американского, французского и немецкого исследователей - Оппен-гейма, Мансона и Вагнера (обзор "Последние достижения в изучении детонации") по поводу использования описываемого открытия. Этот вопрос, говорят они, "несколько недооценивается нами, в то время как наши русские коллеги уже значительное время уделяют внимание этому вопросу... Денисов, Щелкин и Трошин показали, каким образом можно применить к камере сгорания ракетного двигателя критерий устойчивости детонационной волны".

Открытие советских ученых зарегистрировано под № 111 с приоритетом от 5 ноября 1957 г. в следующей формулировке:

"Установлено неизвестное ранее явление неоднородности и нестационарности детонационной волны в газах, наблюдаемое вдали от пределов детонации, заключающееся в искривлении фронта волны в виде выпуклостей и вогнутостей и в периодических столкновениях и отражениях участков этого фронта, обладающих местным повышенным давлением и более сильным свечением газа, причем частота столкновений и отражений возрастает с увеличением реакционной способности и давления исходной газовой смеси. Это явление обусловлено неустойчивостью стационарного комплекса плоской ударной волны и зоны горения за ней".

Явление расщепления волны (тонкой структуры) спиновой детонации

В 1926 г. английские ученые, изучая процессы горения, обратили внимание на странное явление. Беспорядочное, казалось бы, пламя перед затуханием быстрой детонационной волны - на так называемом детонационном пределе - вдруг превращалось в упорядоченный смерч - огненное ядро. Оно двигалось по трубе со скоростью нескольких тысяч метров в секунду по винтовой линии. Исследователи назвали это явление спиновой детонацией.

Спиновая детонация наблюдается в трубопроводах при взрывах обедненных или обогащенных газовых смесей, в камерах сгорания низкого давления при работе в режимах, близких к условиям детонационных пределов, в детонационных химических реакторах с вращающейся зоной реакции. В природных условиях это явление может возникать при воспламенении скоплений каменноугольной пыли, природных газов, горючих паров в горных выработках, расщелинах и в других протяженных полостях земной коры.

Несколько десятилетий ученые разных стран пытались раскрыть загадку огненного смерча. Важнее всего было узнать внутреннюю структуру огненного ядра спиновой детонации, так как именно в нем в основном идет химическая реакция воспламенения. Однако большая скорость ядра и наложение друг на друга протекающих в разных направлениях волновых процессов долго не позволяли расшифровать его внутреннюю структуру.

Только в 1957 г. члену-корреспонденту АН СССР Б. В. Войцеховскому удалось, выбрав одно из множества направлений распространения-волновых процессов и совместив в этом единственном направлении скорость движения фотографической пленки со скоростью ядра, получить фотоотпечаток расположения волн в ядре. Оказалось, что наиболее интенсивное горение протекает в так называемой поперечной волне воспламенения, бегущей по слою ударно-сжатого газа, и в исследовавшейся ранее членом-корреспондентом АН СССР К. И. Щелкиным косой волне. Тонкие измерения давления и других параметров в волне спиновой детонации, выполненные Б. В. Войцеховским и кандидатами физико-математических наук В. В. Митрофановым и М. Е. Топчияном в Институте гидродинамики Сибирского отделения АН СССР, подтвердили первоначальный вывод.

В этом же 1957 г. кандидат физико-математических наук Ю. Н. Денисов и доктор физико-математических наук Я. К. Трошин (Институт химической физики АН СССР), разработав новый - следовой - метод и применив его к исследованию ядра спиновой детонации, обнаружили, что поперечная, а в ряде случаев и косая волна имеют внутренние периодические структуры. Значит, пламя в ядре не только упорядоченно расположено в пространстве, но и периодически меняется во времени. Было открыто существование целого ряда закономерных тонких структур ядра спиновой детонации в различных взрывчатых газовых смесях. Выяснилась связь тонкой структуры с характеристиками движения волны детонации в целом.

Открытие тонкой спиновой детонации привело к более глубокому пониманию процессов, протекающих вблизи пределов детонации. Оно легло в основу решения ряда технических задач, связанных с детонационным сгоранием. Сжигание топлива в поперечной волне осуществляется, например, в химических кольцевых реакторах. Ученые предлагают применять различные конструкции таких реакторов в качестве камер сгорания экспериментальных двигателей. Благодаря открытию появились новые методы изучения механизма химических реакций при высоких температурах.

Описанное открытие внесено в Государственный реестр открытий СССР под № 134 с приоритетом от 12 февраля 1957 г. и 24 февраля 1958 г. в следующей формулировке:

"Установлено неизвестное ранее явление расщепления волны (тонкой структуры) спиновой детонации, состоящее в том, что в условиях, предельных, для существования детонации в каналах, внутри наиболе интенсивного участка зоны воспламенения (ядра) возникают и движутся тангенциально к волне по ударно-сжатой газовой смеси - поперечный, а по исходной смеси - косой фронты воспламенения с периодически возникающими в них очагами химических реакций более высоких частот, чем частота вращательного движения самого ядра".

Явление высокой химической активности продуктов неполного сгорания богатой углеводородной смеси

Доктор технических наук Л. А. Гуссак (Институт химической физики АН СССР) открыл явление высокой химической активности продуктов неполного сгорания, образующихся при горении смеси углеводородов с воздухом богатого состава, в которой для полного сгорания не хватает приблизительно 50% кислорода.

"Как известно, при горении углеводородовоздушной смеси указанного состава,-рассказывает Л. А. Гуссак,- образуются стабильные продукты неполного сгорания с большим количеством окиси углерода и молекулярного водорода и с небольшим - углекислоты и воды. Нам удалось установить, что одновременно с этими продуктами сгорания образуются нестабильные химически, активные свободные радикалы и атомы, концентрация которых в сотни и тысячи раз выше величин, рассчитанных для термодинамических равновесных условий, а также для случая горения бедной и стехиометрической смесей.

Продолжительность химически активного состояния частиц с момента их возникновения составляет 10-15 мс. Затем это состояние полностью или частично пропадает в результате столкновения и рекомбинации частиц между собой или с молекулами смеси в объеме или на поверхности реакционного пространства. Химически активные частицы, обладающие высокой скоростью турбулентной диффузии, инициируют быстрые, почти сплошь разветвленные химические реакции и тем резко сокращают период задержки воспламенения рабочей смеси.

При истечении в основную камеру продуктов сгорания форкамерной смеси под небольшим перепадом давления происходит систематический срыв потока с погасанием факела пламени. Это ведет к завихрению и почти регулярному образованию множества небольших очагов воспламенения рабочей смеси в зоне горения камеры сгорания. Благодаря малым размерам очагов и большой скорости турбулентной диффузии химически активных частиц последние быстро и достаточно равномерно распределяются по рабочей смеси. При этом полностью* устраняется фаза медленного и неустойчивого самопроизвольного развития цепных реакций с вырожденным разветвлением, задерживающим воспламенение и горение, процесс сразу переходит в фазу лавинной активации горения. Лавинная активация горения - ЛАГ-процесс - приводит к значительному (в 3-4 раза) увеличению скорости сгорания, к повышению на 10-15% ее полноты и к улучшению стабильности горения.

Высокая химическая активность продуктов неполного сгорания горючей смеси наблюдается в природе (взрывы и взрывное горение в шахтах, огненные смерчи при лесных, торфяных и других пожарах) в виде аномалий в процессах, где имеют место окисление, воспламенение, сгорание и детонация".

На основе открытия автор разработал новый принцип организации процесса сгорания, а также способ фор-камерно-факельного инициирования воспламенения и стабилизации горения. Последний был применен к разным типам двигателей, силовых и тепловых устройств. Для поршневых двигателей были разработаны конструктивные схемы (для бензиновых двигателей - с внешним, карбюраторным, смесеобразованием, для разнотопливных двигателей - с впрыском топлива непосредственно в камеру сгорания в конце сжатия). Созданы и доведены до длительной надежной работоспособности форкамерные карбюраторные двигатели для грузовых и легковых автомобилей.

На Московском автомобильном заводе имени И. А. Лихачева в 1975 г. закончились эксплуатационные испытания нового форкамерного двигателя. Двадцать грузовых автомобилей, оснащенных этим двигателем, прошли более 100 тыс. км. Путь лежал по степям, горам и пустыням. Испытания показали высокую экономичность новой конструкции - форкамерный двигатель по сравнению с обычным расходует на 10% меньше горючего. Для его работы можно использовать бензин с низким октановым числом. Но главное то, что удалось полностью ликвидировать выброс в атмосферу вредных и ядовитых веществ.

Применение форкамерно-факельного способа организации ЛАГ-процесса для сжигания природного газа в печах в целях технологического и термического нагрева металла позволило создать химически равновесную нейтральную среду, резко сокращающую окисление и потери металла на угар, уменьшить обезлегирование и обезуглероживание поверхности нагреваемых изделий и сохранить их качества. Этот способ нагрева дает возможность применить прецизионную технологию производства заготовок и изделий без припусков на угар металла и на последующую обработку деталей после нагрева.

Форкамерно-факельная стабилизация ЛАГ-процесса в камерах сгорания газотурбинных двигателей и других энергосиловых агрегатов повышает их технико-экономические показатели.

На основе открытия автором сделано 15 изобретений. Многие из них патентуются за границей.

Открытие внесено в Государственный реестр открытий СССР под № 142 с приоритетом от октября 1952 г. в следующей формулировке:

"Установлено неизвестное ранее явление высокой химической активности продуктов неполного сгорания, обу словленной образованием сверхравновесной концентрации химически активных частиц (свободных атомов и радикалов) при горении богатой углеводородной смеси".