Химическая физика

Получены биоугли из морской водоросли Saccharina japonica в процессе ступенчатого пиролиза при температурах 300, 400, 500, 700, 900 °C. Изучены характеристики и свойства полученных биоуглей: элементный состав, площадь удельной поверхности и общий объем пор, а также определены входящие в их состав характерные функциональные группы методом ИК-фурье-спектроскопии. С повышением температуры пиролиза с 300 до 900 °C выход биоугля уменьшается с 50.4% до 22.7%. Наибольшую площадь удельной поверхности, составляющую 38.6 м²/г, имеет биоуголь, полученный при 500 °C. По мере повышения температуры пиролиза изменяется элементный состав биоугля: содержание углерода, водорода и азота снижается, а содержание серы и кислорода увеличивается.

Проведена термодинамическая оценка режимов некаталитической конверсии кислых газов и метана с получением синтез-газа. Исследованы режимы воздушной и паровоздушной конверсии смеси сероводорода с углекислым газом и метаном. Рассмотрены модельные составы газов с различным содержанием сероводорода (10, 20 и 30 об.%) и метана (в зависимости от стехиометрического коэффициента избытка топлива). Показано, что высокая температура способствует конверсии реагентов и образованию синтез-газа. С увеличением количества метана возрастал выход водорода во всем рассматриваемом температурном диапазоне (1273–1873 К), но значительно снижалась степень конверсии сероводорода. Повышение количества сероводорода в исходной смеси снижает выход синтез-газа. Добавление паров воды в количестве до 5 об.% приводит к повышению выхода синтез-газа и отношения [H₂]/[CO]. Максимальное значение последнего, равное 2.1, достигнуто при воздушной конверсии смеси с 10 об.% сероводорода с таким же количеством CO₂ при стехиометрическом коэффициенте избытка топлива, равном 10, и Т = 1873 К.

Предложена двумерная модель горения перемешанной смеси метана с воздухом внутри плоскопараллельного канала щелевой горелки, состоящей из набора параллельных металлических пластин, изготовленных из жаростойкого материала. Задача описывается системой уравнений, представляющих законы сохранения энергии в газе и твердой фазе, массы и элементного состава газовой фазы с учетом протекания сложной химической реакции, теплообмена между газом и поверхностью пластин, теплового излучения нагретых пластин, теплопроводности в пластинах, молекулярного и конвективного тепло- и массопереноса в газе. Расчеты с использованием предложенной модели дают вполне адекватное представление о процессе горения в канале щелевой горелки. Получено количественное согласие с экспериментом по максимальному значению удельной мощности горения, которое может превышать 500 Вт/см². При увеличении скорости газового потока (удельной мощности горения) зона химической реакции перемещается вдоль оси канала в сторону выхода, при этом фронт пламени с вершиной на оси симметрии канала сильнее вытягивается вдоль пластины. В стехиометрической смеси фронт пламени сдвигается ближе к входу в канал, а концентрация монооксида углерода в продуктах горения на выходе из канала значительно выше, чем в бедной смеси. При увеличении скорости газовой смеси на входе в канал концентрация CO на выходе из канала растет, хотя и остается небольшой. Полученные результаты качественно соответствуют экспериментальным результатам исследования горения метавоздушной смеси в канале щелевой горелки.

Выполнено численно-аналитическое решение гидродинамической задачи о схлопывании цилиндрической полости в свободно растекающемся слое твердого взрывчатого вещества (ВВ) при ударе. По результатам расчетов заданных условий инициирования зарядов ВВ типа октогена определены значения критических параметров удара, геометрических и физико-механических характеристик слоя и газовой полости. Установлена двоякая роль газа в схлопывающейся полости, в ряде случаев способствующего или препятствующего процессу возникновения взрыва.

В работе обсуждаются вопросы газодинамического подобия в задаче об истечении водорода под высоким давлением в воздух и, следовательно, принципиальной возможности моделирования процесса в лабораторных условиях путем снижения начального давления при фиксированном отношении давлений водорода и воздуха. Принципиальным фактором в формулируемой постановке задачи является вероятность самовоспламенения водорода, что существенно ограничивает применимость газодинамического подобия при моделировании исследуемого процесса. Показано, однако, что для больших значений отношения давлений водорода и воздуха (от 200 до 700 и выше) в виду малых значений времени задержки воспламенения водорода можно говорить о газодинамическом подобии в широком диапазоне начальных давлений. Это должно позволить моделирование в лабораторных условиях при пониженном начальном давлении процесса истечения водорода под высоким давлением с последующим самовоспламенением в атмосферном воздухе.

В работе представлены результаты решения валидационной задачи турбулентного горения водородной струи в сверхзвуковом потоке горячего влажного воздуха в симметричном канале. Особое внимание в работе уделяется решению системы уравнений химической кинетики, накладывающему существенное ограничение на временно́й шаг, а также анализу используемых в решении кинетических схем. Основная вычислительная сложность – подробное разрешение пристеночной области вследствие впрыска водородной струи в турбулентный пограничный слой с целью дальнейшего воспроизведения экспериментально полученных распределений мольных долей и температуры в выходном сечении канала, а также местоположения точки воспламенения.

Представлен аналитический обзор исследований поведения резервуаров с компримированным и сжиженным водородом в очаге пожара. Отмечено, что компримированный водород, как правило, хранится в баллонах из композитных материалов, а сжиженный – в двухоболочечных изотермических резервуарах. При попадании баллона из композитных материалов в очаг пожара через 5–15 мин происходит его взрыв. При этом давление газа в баллоне в момент его разрыва отличается от первоначального не более, чем на 10%. Время сохранения целостности двухоболочечного резервуара (промежуток времени от начала огневого воздействия до разрыва) может достигать нескольких десятков минут в зависимости от его конструкции и интенсивности теплового воздействия. При разрушении баллонов и двухоболочечных резервуаров образуются ударные волны, огненные шары и разлетающиеся фрагменты. Размеры зон поражения могут при этом достигать нескольких десятков метров.

Проведен численный анализ нагрева микрочастиц в облаках, образованных микрочастицами и наблюдавшихся в плазме тлеющего разряда в неоне при криогенной температуре. Показана связь температуры поверхности микрочастиц с параметрами облака. Выявлено, что за счет коллективного влияния облака на плазму нагрев микрочастиц в облаке меньше, чем нагрев одиночной микрочастицы в разряде с теми же значениями тока разряда и давления газа. Обнаружено, что температура микрочастицы зависит от ее координаты внутри облака. Показано, что температура микрочастицы на периферии облака может быть выше, чем в его центре. Получено, что в более плотных облаках профиль температуры микрочастиц выравнивается.