Численное исследование процессов распространения и подавления волн горения и детонации в газовзвесях тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.05 ВАК РФ

РГ8 ОД 1 2 ДПР 1993

ТййНСВДЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

ПИЧУГИН ОЛЕГ НИКОЛАЕВИЧ

ЧИСЛЕННОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ РАСПРОСТРАНЕНИЯ И ПОДАВЛЕНИЯ ВОЛН ГОРЕНИЯ И ДЕТОНАЦИИ В ГЛЗОВЗВЕСЯХ

(01.02.05 - механика жидкости, газа и плазм)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кзнчядзтэ фгаикэ-мз;змзтичасиг: наук

Т>.»лнь - 1993

Диссертация выполнена в Институте механики многофазных систем Сибирского Отделения Российской Академии Наук

Научные руководители! доктор физико-ньтематических

наук, профессор А.И.Ивандаев, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник А.Г.Кутушев

Официальные оппоненты: доктор физико-математических

наук, доцент А.А.Губайдуллин, кандидат физико-математических наук С.а.Ждан

Ведущая организация: Институт теоретической и прикладной

Защита диссертации состоится " 30 " апреля 1993 г. в 14 час. 30 мин, на заседании специализированного совета Д 064.23.01 в Тюменском государственном университете по адресу: 625003, г. Тшень-3,

ул. Семакова 10, ауд.114 физического факультета ТюмГУ.

С диссертацией мокно ознакомиться в библиотеке Тюменского государственного университета

механики СО РАН

Автореферат разослан

Ученый секретарь специализированного совета, кандидат физико-математических наук

К.М.Федоров

ОЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В настоящее время на предприятиях, производящих или использующих легковоспламеняющиеся вещества, возникают проблемы техники безопасности, обусловленные эксплуатацией устройств, рабочим телом которых являются мелкодиспергировашше частицы. В частности, к таким устройствам следует отнести реакторы, ресивера, резервуары для хранения или сушки горячих материалов, пневмотранспортнне магистрали.

Успешюе решение вопросов, связанных с разработкой безопасна технологий, созданием эффективных систем защиты людей и окружающего оборудования, предполагает в частности теоретическое изучение возмогаостей подавления волн горения и детонации, а также прогнозирования последствий взрывного внброса горящей газовзвеси в окружающую среду. ' ,

1С настоящему времени практически отсутствуют работы, посвященные анализу возможностей гашения детонациотшх волн в гззовзвесях унитарного топлива. Сравнительно слабо изучен процесс разлета сжатой реагирующей газовзвеси.

Целью работы являлось исследование процесса взаимодействия волны гетерогенной детонации в гззовзЕеси унитарного топлива с облаком хкмически-пнертютх частиц; изучение мехгнизма подавления детонационной волны и влияния распределения инертной взвеси э зкратфунцем слое нз процесс гашения; анализ закономерностей формирования взрывных волн при разлете сжатой горявей гаэовзвгси унитарного топлива.

Научная новизна. Показана возможность подавления волн гетерогенной детонации и горения слоем инертншг частиц. Полутени интегральные зависимости критического (мпннмально-необходпмого для гашения) массового содержания хшзрпшх чзстнц от их диаметра, а также от массового содержания частиц унитарного топлива. Установлено влияние распределения плотности экранирующей взвеси на процесс гашения. Исследованы основные характеристики ударных вол:!, возтошатих нри ' разлете сжатой горящей газоззвеси унитарного топлива. ■»

Практическая ценность. Полученные в работе результаты могут быть использованы при Проектировали вэрЕЛ'оСэзспасных технологических устройств и при анализе возможных последствий'

некоторых аварийных ситуаций.

Апробация работа. Результаты, приведенные в диссертации, докладывались и обсуздались: на семинарах по динамике многофазных сред Института механики многофазных систем СО РАН под руководством академика Р.И.Нигматулина; на у|у школе-семинаре по проблемам трубопроводного транспорта. под руководством академика А.Х.Мирэадяанзадэ, Уфа, 1991 г.; на Международной конференции "Метод крушшх частиц", Москва, 1992 г.; на 2-о!.. Семинаре "Акустика неоднородных сред", Новосибирск, 1992 г.

Публикации. Основные результаты диссертации отражены в пяти работах, список которых приведен в конце автореферата.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов и списка литературы. Объем диссертации составляет 156 страниц, включая 61 рисунков и списка литературе, содержащего 93 наименованил..

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении отмечена практическая и научная актуальность проблем, рассмотренных в работе. Сформулирована цель и кратко излокена структура диссертации.

В первой главе выполнен обзор современного состояния исследований, посвященных горению и детонации дисперсных систем: газ+кашш горючего, газ+чэстицы металлов, газ+угольные частицы, газ+частицы унитарного топлива. Особое внимание уделено работам, в которых объектом исследования было унитарное (окислит.ельсодер-иащее) горючее. Проведен анализ работ, посвященных горению и воспламенению одиночных частиц унитарного топлива. Рассматриваются работы с исследованием структур стационарных детонационных волн, а также с построением ударных и детонационных адиабат дисперсных реагирующих смесей. Кратко анализируются вопросы формирования ударных волн при разрушений систем высокого давления с двухфазной реагирующей или инертной смесью.

Во второй глава приведены основные уравнения динамики трехфазной дисперсной смеси двухкомпонентного газа, частиц унитарного топлива и инертных частиц. В §1 представлены дифференциальные уравнения, выражающие собой запись законов сохранения масс инертного газа, газообразных продуктов горения топлива, химически-инертных частиц и частиц унитарного топлива,-

уравнение сохранения числа частиц горючей фазы,- уравнения сохранения импульсов газовой и дисперсных фаз; уравнении притоков тепла к горючим и инертным частицам; уравнения сохранения полной анэргии трехфазной смеси в целом. При записи уравнений принимались обычные для механики сплошных многофазных дисперсных сред допущения: расстояния, на которых параметры течения меняются существенно, много Оольае характерных размеров частиц и расстояний мевду ними; эффекты вязкости и теплопроводности существенны линь в процессах взаимодействия фаз; несуцая газовая фаза прздставляет собой двухкомпонентную смесь инертного газа п газообразных продуктов горенля чвстяц унитарного топлива; составляющие газовой фээи являются идзальшви каяорическя совершенными газами; частицы обеих фаз - могодисперсш, несжимаемы и имеют сферическую форму; процессы столкновения, слипания и-дробления частиц не учитывается. Дополнительно предполагается, что воспламенение частиц топлива наступает при разогреве их поверхности до температуры разложения (т^ близкой по зяачешпо среднемассовсй температуре частиц (т2); горение воспламеншлихся частиц осуцествляется равновесно при температуре тв, при этом все тепло подводимое из газа к частицам расходуется на гзззфпсзцгао унитарного топлива; смесь инертного газа я газообразная продуктов горегшя рассматривается кзк однотемперзтурнпя одно скоростная среда со свсима осссккп хешюЗнзпчоскнмл своаствгчя. Б рзг-Л'аг. щотяхых яжуггзнкЛ сястш-з дифференциальных уравнений однскзркого плоского неустановившегося движения трехфазной рзаг^рушей смеси с учетом возмогн&х процессов горения частиц унитарного топлива может быть записана в следующем квазидивергеятном виде:

др гр V 5р л К11 . '111 „ М2 --+---« О, -

вг ах t>t

ер г.

— - J

вг

= ' -V

бр Рр V Вп 8л V

11 ♦ -11Л =0, —5 + —^ « 4, ее

ях

ер

ах

адг

(!- р. о )-- - (е - Р )г -

ях

др V ^ 1 I

+

- (я'"- л, [(.г - р- 0) г4) +

ер

аг ах

* е---е гхл- ^[»(г.-г.) - гг1.

в?згз врзуэ ' Зр '

01 ах ах

ас а* .....

з

(Р,Е.) ■ 8 Ь.г (РЛУЛ , 4 Р Ь, К^)] „

--- + ■ . ■ ■- + 1 '— = О,

а

аг ах ах

*», " «к' Р.2 ' Р.а а.а' Р. " Р. а.

аи " аи " а1' °1+ а2+ "з " Е1 " в| +

аг, - 1.5 аз, р" - 1 - р - 0.5 Р®/Р®.

/?"' - 1 - 0.5 Р°/Р*. Р, "Р., +Р12.

Д /а , с! » й (в »- —р0^

>г' а»' а а* . Vб ра'

* -

О, с!1 > (й^.- <1ао/К, К-соп«)

Здесь и далее индексами "II" б "12" внизу обозначены соответствен») параметры инертного газа и газообразных продуктов горения унитарного топлива. Индексы "I". "2й, в "3" вввэу относятся соответственш к газовой смеси в целом, к частицам унитарного топлива в к инертным частицах. Через р(, р°, « , вд, обоаначены соответственно средаяя и истинная шютюсти, объемное. содержание, массовая скорость, удельные внутренняя и полная ввертев 1-ой фазы (1-1,2,з); р^, ап - соответственно средняя и истинная плотности, объемное содержание к-ой компоненты газовой фаза <к«1,г); па, <12- соответственно числовая плотность н текущий размер частиц унитарного топлива; <1ю1 начальный и некоторый минимальный расчетный диаметры частиц унитарного

топлива; пг,- кглзяьная максимальная и некоторая минимальная расчзтпая массы- одиночных частиц унитарного тоштаа с размером лг.; * - функция, ошсывашая скорость исчезновения частиц унитарного топлива, в результате хкшгческой реакции горения, при достижении аг-некоторого минимального значения <?г.; р - давление газовой смеси в целом; г - интенсивность силового взаимодействия между несущей газовой фазой и частицами j-oй дисперсной фазы 0=2,з); - интенсивность притока тепла от газовой фазы к частицам ;)-сЯ дисперсной фзза (3=2,з); т2 - температура частиц унитарного топливо; - температура воспламенения (разложения) унитарного топлива; ^ - интенсивность оСь«а5ого вдува газообразных продуктсз химической рэакции гореяяя; параметр! р, а',

/ > ж * г

0 , р учитавввт вклад нестационарных спл Архимеда п присоединенной иасси в обга силы не^зного взайлодейстаия.

В §2 кошере газировзш уравнения состояния фаз п компонент. Предполагается, что компоненты несущей фазы1 являются колорическя совершенными газами:

^ЛЛ- е,, " с„г (Тг ' Го) +

е

1 1

е

1 2

0

е ,

ч' 12

1 . г ■

|к

Р - р° Я Г , е "С (Т - Т ) + е° 12 1 2 1 2 1' »2 »12 I I О' 12

(Я , Я , с 1 11' 12 »1

Здесь п , с р

1к V 1к

удельная тзплоз.чкость при постоянной объокз, парциальное дгвле^тз удельная внутренняя мэргия к-оЗ компонента газовой Фаза (к»1,г); с0- удельная внутренняя энергия к-ой коиюсанга газовсЯ гг". температуре го (¡с=1,з); гг- температура газз в целом.

Давление газовой фззы в целом рассчитывается з сэогозктехл с законом Дальтсна

Р - Р + Р » г

11 12 к 1 1 1

о (Рц+ р1г)

<--Л, хмЯ1( ♦ х,Лг

а

!

Здесь *-к- массовая концентрация к-ой компоненты г -

(х=1,2); л - газовая постоянная смеси инертного '11 • я - •

химической реакция горения унитарного топлтп.

- в -

Соответствующее вырааэние для внутренней эаорпш газовой смеси записывается в следувдем заде

е » с , {Т - Т ) + е° 1 о' 1

где с - удельная теплоемкость газовой смеси.

Б качества уравнений состояния несжимаемых дисперсных частиц унитарного топлива и инертных частиц принимаются едедующие уравнения

е = с (т - Т } + е°, е = с (Т - Т ) + е

2 !> ! О' 2 3 3 I 3 . о-»

(е°, е° = солзс)

р = солэс, р_ = соп$с

2 г3

Здесь с^ и ^ соответстЕешю удельная' теплоемкость и гешература з-ой дисперсной фазы е° - удельная'внутренняя

энергия 1~ой фазы (э=2,з) при температуре то.

Законы силового и теплового взаимодействия фаз, приведенные в §3, пшют следующий ВИД!

I.0 |С -V | IV -V ) I .Г 1 1 1 J 1 * 1 ¡'

6а

1 (г -т )

1 Л * I I1

( ]=2,3)

0=2,3)

Здесь с - коэффициент аэродинамического сопротивления частиц .¡-ой дисперсной фазы; - число Нуссельта газовой фазы при ее взаимодействии с частицами ./-ой фазы; а1 - коэффициент теплопроводности газовой смеси

с. X + X А 1111 1 2 12

24

4.4

ч J

"ei J

+ 0.42, а, ко.92,

121 —i- íl. 11 3a. 1

150(1-«,)

a,neiS

0.37

Osfieias2 105

a so. 55

*et, - !>\\гГт, I Vi

W. -

где (i, - дитвшческая вязкость газовой смзсп, а д - динамическая вазкость к-ой состазлящей газовой смеси.

т.

2 + 0. 106 Re, Pr¡ , 2. 274 + 0. 6 Re^'prj'3,

RefJ з 200

ГТг^ > 200 (j=2,3 >

v pi

ГС + с 1 ii p( i i 2 piг'

с - удельная теплоемкость при постоянен дзвлэняа газовой екзея п целом; - удельная теплсегкосгь прл постоянном давления <<~ой компоненты газовой клэси {и =1,3).

Интонсиенось массовой с jpocui горения крупках частиц унитарного топлива ICO яки) згдаогся на основе

полуэшшричзской зависимости сксростл стационарного горения от давления газовой среда

где и и р - эмпирические констант. и

Для горения ыэлких частиц, d2* 100 мкм осуществлявшегося в

режима испарения, использовалась след"щая шлуэ;лярическэя зависимость

-ю-

»

уЬа-'т\г + У;»" 1

р | I ^

где 1 - удельная теплота испарения (разложения) топлива.

Используемая модель горения и воспламенения частиц унитарного топлива позволяет записать следующие условия на меафазный тепло- и массообмен:

о,

6 -I

Г

т. < т

Г г Г , ¡1 г 100 МКМ г ш г

I, г I г а

¿«100 ыкм

о, 6а.

х4«и1а (ГГТ2), ^а- о

В §4 осуществлена процедура обезразмеривания уравнений, определены основные критерии подобия.

В третьей ляавз в §1 кратко изложен, конечно-разностный метод крупных частиц, использованный дая численного интегрирования описанной выше системы уравнений.

Во втором параграфе проведено тестирование вычислительной программы на основе сопоставления численного решения с аналогичным решением других авторов и с аналитическим решением.

Четвертая глава диссертации посвящена численному исследованию взаимодействия стационарной волны гетерогенной детонации, распространяющейся по газовзвеси унитарного топлива, с облаком инертных частиц.

0 х, яв X

Рис.1.

В §1 сформулирована постановка задачи, схема которой приведена на рис Л. Пусть в начальный момент времени с=0 из области, занятой инертным газом (огуз хт), в направлении облака унитарного топлива (г,з *< «,), содержащего внутри себя слой химически-инертных частиц (х^ движется "'дарная волна с

треугольным профилем массовой скорости газа, которая инициирует детонации в зоне х* хи, причем з^-х. £ 1с_л, где -

характерное преддетонационное расстояние. Требуется изучить основные закономерности взаимодействия сформировавшейся стационарной детонационной ■ волны с облаком инертных частиц, проанализировать возможность подавления волн горения и детонации в газовзвеси унитарного топлива.

В §2 кратко обсуждаются результаты решения задачи об ударном инициировании волны гетерогенной ' детонации, рассматривается ее эволюция и выход на стационарный режим Чепыена-Жуге. При варьировании массового содержания пороховых частиц, были получены стационарные детонационные волны различной интенсивности, которые составили банк начальных данных для решения основной задачи.

В §3* предложен оценочный энергетический критерий, являющийся необходимым условием подавления волны гетерогенной детонации слоем

и (1*+2*)0°

инертной взвеси: т > -——--- ,

с АТ 1 э >

где характерная толщина набегающей детонационной волны, дт'~ характерная предельная величина прогрева инертных частиц в юдне горения, равная по порядку величине (г-г ).

-11-

р р

В случав невыполнения этого условия реализуется незатухающий реизм взаимодействия детонационной волны с экранирующим слоем. Профиля давления, соответствуйтеэтому режиму, приведены на рис.2 (и =2.4, и »19.4, 4 - 40 МКЫ, <1 - 40 мкм). На рис.3

20 30 30

проиллюстрирован процесс затухания волны гетерогенной детонации с последующим полным прекращением горения (т.^2.4, тзо=19.4, с(.о= 40 мкы, с!^» 700 шал - необходимое условие гашения выполнено).. Вйдно, что в некоторый момент времени лидирующая ударная волна затухает па столько, что воспламенение частиц за ее фронтом уже не происходит.

Приведена тэкжз интегральная зависимость критического (минимально-необходимого для гашения) массового содержания инертных частиц от массового содержания частиц унитарного топлива (см. рис.4). Из рисунка следует, что зависимость хороио описывается линейно-возрастаицими функциями; увеличение протяженности экранирующего слоя приводит к уменьшению критического массового содержания инертной взвеси.

На рис.5 продемонстрирован э$фект немонотонной зависимости критического массового содержания пламягасящнх частиц от их диаметра. Кривая, представленная на рисунке, свидетельствует о существовании оптимального размера инертных частиц, при котором необходимое для подавления детонации массовое содержание инертной взвеси будет минимальном.

40

20

Чэо=7СХ т'м ) мкм .

1 =4 М в ч 2 =6 м а

зо 21

18

15

12

»го*0'6 аГ -40МХМ -20 1 =4 М / • / /

/

200 400 600 800 с1,МКН

Рис.4.

Рис.5.

В 54 исследовано влияние закона распределения средней плотности инертной взвеси на процесс подавления волн детонации и горения. Рассматривались однородное, линейно-возрастащев, линейно-убывающее и косинусоидальное распределения концентрации частиц в слое. Установлено, что наиболее благоприятным, с точки зрения гашения детонационных волн, является линейно-возрастающий закон изменения числа инертных частиц в экранирующем слое.

Пятая глава посвиценна численному исследованию параметров УВ лриразлете в газовое пространство сжатой горящей газовзвеси унитарного топлива.

В §1 приводится постановка задачи. Рассматривается ударная труба, КВД которой заполнена однородной взвесью частиц укитр.рпсп топлива, в КНД находится невозмущенный газ. В начальный Бремени все частицы топлива воспламеняются. В результате реь; горения, давление в КВД в некоторый шмен-т времени достс критического значения, после чего происходит разрыв диа.,1 Требуется исследовать основные характеристики взрывши формирующихся в КНД в резул:тате разлета сжатой рраг: газовзвеси.

Рис.6.

В §2 обсувдэются результаты численного решения сформулированной задачи. Установлено, что наличие горялих частиц топлива в штоке за взрывной волной приводит к форшфованию в зоне реакции волн сжатия, которые взаимодействуя с лидирующей ударной волной усиливают ее. Из рис.6 видно, что давление за фронтом такой волны может значительно превышать разрывное давление мембраны.

Показано, что наибольший вклад в суммарный импульс ударно-волнового потока реагирующей газовзвеси вносят ишульсы избыточного дзвлшшя и скоростного напора газа, динамический кшульс дисперсной фазы пренебрежимо мал.

В §3 приводятся интегральные зависимости, устанавливающие влияние некоторых опредолявдих параметров смеси на интенсивность двухфазного реагирущего штока.

ВЫВОДЫ

Результаты выполненного численного исследовашя позволяют сделать следующие выводы:

I.. При экрашгровашш волн гетерогешюй детонации в газовзвеси унитарного топлива елоем инертных взвешенных частиц найден затухающий ревдл взаимодействия, при котором происходит полное

прекращение горения топлива за волной. Предложен оценочный энергетический критерий реализации затухающего решшз взаимодействия дзтокащюнвой волны с дешфзрущиы облаком.

2. Зависимость критического массового содержания инертной взвеси от начального кассового содержания частиц топлива является линейно возрастаний С&нкцией. Увеличение протяженности экрзниругщего слоя позволяет уменьшить необходимое для подавления детонации массовое содержание плаыягасящих частиц.

3. Существует оптимальный диаметр инертных частиц, при котором реализуется наиболее эффективный режим подавления волны гетерогенной детонации. .

4. Эффект гашения волны сильно зависит от распределения инертной взвеси в слое: наиболее благоприятным из рассмотренных, является яшейно-возрастащий закон изменения средней плотности.

5. При разлете сжатой горшей гаэовзвеси унитарного топлива в зове реакции формируется волны сжатия, которые взаимодействуя с лидирующей ударной волной усиливают ее, при этом давление за фронтон волны мояет значительно превышать разрывное давление мембраны. Наличие начального перепада давлений в КВД и КНД способствует увеличении интенсивности формирующихся взрывных волн.

6. Основной вклад в суммарный гашу ль с ударно-волнового потока реагиругаюй газовзвеси ваэсят импульсы избыточного давления и скоростного напора несущей фазы. Динамический импульс газа, с увеличением дааметра частиц, убывает, тогда как импульс дисперсной фаза ведах себя немонотонно. Связь указанных, тшульсов с исходным массовым содержанием .удовлетворительно описывается линейво-возрастащими функциями.

7. Существует некоторое характерное расстояние от КВД, на котором импульс скоростного напора несущей фазы имеет максимальную величину,, причем положение максимума зависит от исходного размера горючих частиц.

8. Сравнение результатов модельного расчета (пр.шудительное прекращение горения частиц) и расчета с продолжающимся горением, показало, что наибольшее несовпадение результатов наблюдается при использовании частиц миткального диаметра. Результаты моделирования разлета сжатой реагирующей газовзвеси и разлета инертной дисперсной смеси, для крупных частиц, практически совпадают и с достаточной точностью могуг описываться расчетом н рамках приближения- чистого газа.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

I. Кутушев А.Г., Пичугин О.Н. Численное исследование процесса прерывания гетерогенной детонации в газовзвесях унитарного топлива слоем инертных частиц. - Отчет ИШС СО РАН № 58,

- Тюмень: ИММС СО РАН, 1992. Инв. № 02.9.20 О 05490 - 107с. (К Гос. per. 01.90.0 055072)

2-. Кутузев А.Г., Иичупш O.K. Численное исследование процесса прерывания распространения волн гетерогенной детонзшга слоем инертных частиц. - Итоги исследований ИШС к 3 (оперативно-информационный материал). - Тюмень: ИММС СО РАН, 1992, с.43-50.

3. Кутушев А.Г., Пичугин О.Н. Численное исследование процесса прерывания распространения детонационных волн в газовзвесях унитарного топлива слоем инертных .частиц ),' 4ГВ. - 191.3. - Т.29, В 2.

4. Кутукав А.Г., Пичугш О.Н. Численное исследование разлета сжатой горядай газовзвеси унитарного топлива. - Отчет о ffiff ТюмГУ, Инв.Л 37 Jé Гос. per. 01.90.0 055072,

- 1992. - Тюмень. - 37с.

5. Kutushev Л.G., Pichugin О.II. numerical investigation of heterogeneous detonation breaking off process by screening layer of inert particles. - Transactions or TIKMS, No.3, Tyumen, 1992, p.42-49.