3.4.6. Новые представления о механизме горения гомогенных трт, неустойчивость и «собственная турбулентность».

Мы провели критический обзор [10] экспериментальных и теоретических работ по горению современных энергетических материалов (гексоген, октоген, твердые ракетные топлива и т.д., кратко ЭМ), и выявилась удивительная рассогласованность этих двух видов исследований.

Действительно, все эксперименты с применением микротермопар, проведенные до сих пор разными авторами для горения ЭМ в ракетном диапазоне давлений, показали, что в конденсированной фазе выделяется тепло, достаточное для нагрева ее до температуры поверхности.

В то же время современные детальные математические модели горения ЭМ, разработанные наиболее авторитетными исследователями, этот факт не описывают или игнорируют.

Мы нашли наиболее правдоподобное объяснение описанного противоречия после многих безуспешных попыток на нашей собственной нестационарной модели горения ЭМ (см. Приложение) получить выход на стационарный режим горения с тепловыделением в конденсированной фазе достаточным для нагрева ее до температуры поверхности. Наконец с помощью аналитического исследования мы выяснили, что возникающая в наших расчетах «численная» неустойчивость объективно обусловлена физикой явления и моделирует реально существующую неустойчивость зоны подповерхностных реакций (аналогично тому, как возникновение неустойчивости гидродинамических расчетов моделирует турбулизацию течения). Неустойчивость возникает при достаточной интенсивности тепловыделения, когда под поверхностью начинает формироваться максимум температуры (это как раз означает, что тепловыделения более чем достаточно для нагрева ЭМ до температуры поверхности). Иными словами, стационарные режимы горения ЭМ с интенсивным подповерхностным тепловыделением (достаточным для нагрева ЭМ до температуры поверхности) не описываются моделями потому, что не существуют.

Неустойчивость проявляется в виде чередующихся вспышек и погасаний ЭМ и не описывается моделью нестационарного горения Зельдовича-Новожилова (см. о ней в разделе 3.4.7), предполагающей квазистационарность зоны реакций. Нет оснований предполагать возникающие пульсации синхронными на всей горящей поверхности. Наличие разупорядоченных по фазе пульсаций вводит кроме нестационарности еще и неодномерность и позволяет правдоподобно объяснить 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 этой работы). Именно из-за пульсаций экспериментаторам приходится проводить несколько опытов в одинаковых условиях и затем комбинировать «осредненный» температурный профиль. Аналогичная ситуация известна для газового пламени и в детонации: плоский стационарный фронт не существует, реализуется ячеистая структура с «бегающими» границами ячеек.

Кроме того, изложенные представления позволяют дать возможное объяснение эффекту «отрицательной эрозии» (так называют уменьшение скорости горения в результате обдува с небольшой скоростью продуктами сгорания этого же состава). В самом деле, разупорядоченные пульсации вдува с поверхности фактически создают над ней «собственную» (созданную 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. И лишь при достаточно сильном обдуве возникает обычная «пристенная» турбулентность, которая снова увеличивает тепловой поток на поверхность, а с ним и скорость горения.

Сформулированные новые представления существенно изменяют содержание проблемы математического моделирования горения ЭМ: стало ясно, что теперь требуется рассматривать горение как результат осреднения локальных разупорядоченных вспышек и при этом учитывать «собственную» приповерхностную турбулентность газовой фазы. Кроме обрисованной перспективы существенного усложнения моделей в работе [10] содержится «более оптимистическая» информация об относительной пригодности для скорости горения «стационарной» формулы Зельдовича несмотря на наличие пульсаций. Аналогична ситуация при моделировании кипящего слоя: там зависимость числа Рейнольдса от числа Архимеда, полученная вначале из представлений о стационарном обтекании равномерно распределенных взвешенных частиц, оказалась справедливой и в реальной ситуации, к которой приводит неустойчивость такого обтекания: частицы большую часть времени находятся в контакте с соседями, но периодически их перемешивают воздушные «пузыри». У нас при горении на наблюдаемом малом участке поверхности большую часть времени горения нет , но периодически происходят вспышки – и все же обработка экспериментов показывает качественную пригодность формулы Зельдовича для стационарного горения.