Численное исследование теплофизических процессов при газовой кумуляции тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

•» г ■■

На правах рукописи

Бывших Анатолий Иванович

-'Численное исследование тсплофпзнчсскххх процсесов-при газовой ку мул яд Ш*

01,04.14-теплофизика и молекулярная физика Автореферат

диссертации на соискание учепоП степени кандида-га физико-математических наук

Красноярск 1997

Работа выполнена в Физико-Техническом Институте при Красноярском Государственном Университете.

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук

Юфко Bii

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор Славин B.C. кандидат физико-математических наук Куперштох Л. Л,

Ведущая организация: Красноярский Вычислительный Центр СО РАН.

Защита состоится 25 сентября 199? г. в 14:00 в аудитории Г2-22 на заседании диссертационного совета Д 064.54.02 при Красноярском государственном техническом университете по адресу: 660074, Красноярск, ул. Киренского, 26.

С диссертацией можно ознакомиться а библиотеке КГТУ.

Просим выслать отзыв на автореферат ао вышеуказанному адресу диссертационного созета в двух экземплярах, заверенный гербовой печатью.

Автореферат разослан "_" 1997 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент

ПН.Сильчепко

Общая характеристика работы

Актуальность работы. Газодинамические кумулятивные течения -это класс течений, которые реализуются при высокоскоростном соудзретт пластин, газозых потоков, а также ггри столкновении плотных газовых струй с плоской поверхностью. Такие течения характеризуются возникновением сложных ударно-волновых конфигураций, приводящих к сильному увеличению температуры и скорости газовых потоков.

Теплофизичсские явления, возникающие б процессе кумуляции, шпиот ла основные параметры потоков высокоэитальгшйной плазмы, получаемой а " разлшшого вида взрывных * источниках. Интерес к втлсокоэнТальпийиым газ один а>.пет еским течениям обусловлен множеством прикладных задач, в которых присутствуют такие течения. Решение задач по цсслсдовашво сварки' металлов взрывом, работа взрмпомагггнтного гекераторз, кзрывиыХ плазменных компрессоров, устройств по получению сильных ударных воли в газах и. других устройств включает в себя изучение теплофизики сопутствующего газодинамического течения.

Цслыа настоящей работы является изучение структуры и дипамнкп развитей течешш, возникающих при етшшозешш плотных газовых штоков С высокой температурой торможения, исследование влияния •«»тГО&фяЙСрЭВ ЯЗ ВОЗМОЖНОСТЬ П-эффективность газовой Кумуляции, а тайко сопутота^аззтх. теплофпзтесюЕх процессов.

Стру:;;г>'рз н- оиъем диесергацть' Диссертация состоит из введения, глта гдав,' ¿ыводез п.сшска литература. Она содержит 104 страницы, 43 рисунка-« 51 бкбт«я|йфачеед«5 ссылку.

Швн&и» |):шот!л ;{ положила, защищаемые автором, заключаются й слг^сщсц: ■'■ ; : '

• I. Получены качественные картины ударно-волновых кумулятивных течение газай. высокой температурой' торможения в плоской геометрии. Теи самымобъяснено, каким образом сверхзвуковой поток продуктов взрыва разворачивается на- * Ша в сверхзвуковую кумулятивную струга.

2. Показано, что причиной возппююзаш газовой кумуляции является торможение потока газа до дозвуковой скорости с похвлешгем дополнительной прямой ударной: волны, двигающейся вверх по потоку.

3. Обнаружено два принципиально отлитых режима кумуляции, имеющих положительный и отрицательный массовый поток через сече?ше канала. Режим с положительным массовым потоком приводит к вытеснеигао воздуха из канала пр<здукгами взрыва.

4. Обнаружено возникновение обратного течения в. условиях газовой кумуляции п режиме с отрицательным массовым потоком в результате

противодавления со стороны внешней среды. Обратное течение - фактор, подавляющий газовую кумуляцию.

Достоверность шумных положений подтверждена сопоставлением результатов численного моделирования с экспериментальными данными по детонации плоских параллельных зарядов взрывчатого вещества в воздухе а также детонации заряда над металлической подложкой.

Практическая значимость. Результат!!, полученные в работе, могут быть использованы для оптимизации имеющихся и разработан новых источников высокотемпературных газовых струн, взрывомагнипшх генераторов, для развития технологий металлообработки с нспользова)шем энергии взрыва и тепловой обработки поверхностей с помощью струн продуктов детонации.

Личное участие. Автору принадлежат математические формулировки поставленных задач, практическая реализация численных алгоритмов и результаты численных исследований. Совместно с соавторами осуществлена постановка экспериментальной методик« и получены экспериментальные данные по структуре кумулятивных течений при детонации параллельных зарядов взрывчатого вещества в воздухе.

Апробация работы. Материалы, вошедшие в диссертацию, докладывались и обсуждались на союзных и международных конференциях, совещаниях: IV всесоюзном совещания по детонации, (Телавц, октябрь 1928), IV международной конференции "Лаврентьевскиг чтения'' (Казань, 3-7.07.1995), международном рабочем совещании "Новые модели и численные схемы ударно-волновых процессов в конденсированных средах", Санкт-Петербург (9-13.10.1595).

Публикации. По теме диссертации опубликовало 7 работ, помещенных в списке литературы под номерами 12-8].

Содержание работы

Введение

Во введении обоснована актуальность задачи, решаемой автором, и сформулирована цель диссертационной работы.

Глава I. Обзор литературы

Первая глава посвящена обзору литературы. В нем рассматриваются теоретические и экспериментальные результаты изучения тенлофизических и ударно-волновых процессов при столкновении газовых потоков с высокой темпеоатурой торможения На основании анализа публикаций формулируются основные направления исследований.

Необходимое внимание уделено теоретическим моделям кумуляции. Рассмотрена гидродинамическая теория сходящихся струй, разработанная М.А. Лаврентьевым. Она предполагает наличие струеобразования при любых углах столкновения. Учет сжимаемости среды позволяет приблизить теоретические результаты к экспериментальным в определенном диапазоне углов соударения при столкновении металлов, одтко для детального изучения механизма газовой кумуляции возможностей гидродинамической теории недостаточно.

Модель газодинамического течения при детонации трубчатого заряда взрывчатого вещества (ВВ) предложена М.А. Цикулиным и Е.Г. Поповым. Эта теоретическая модель предполагает наличие гладких линий тока и в ее рамках мо;шо вычислить величину скорости струи при детонации трубчатого заряда. Экспериментальные результаты приближаются к Теоретическим с увеличением отношения внешнего диаметра заряда к внутреннему. Однако остается неясным, каким образом происходит поворот на 180° сверхзвукового потока продуктов взрыва (ПВ) за детонационным фронтом в сверхзвуковую кумулятивную струю. Известно,

з

что плотность ГШ в струе достигает 0,05+0,25 г/см . Столь высокое значение плотности ПВ не может быть обеспечено разворотом течения в волне разрежения. Очевидно, что для формирования канальной струн поток ПВ должен пройти через ударную волну в окрестности оси симметрии канала.

Приьедиш . работы по численному моделированию Неустановившегося газодинамического течения ГШ при детонации трубчатого заряда ВБ, помещенного в жесткую оболочку. Предполагалось, •гга раздет ПВ 'осуществлялся з вакууи. В случае наличия ударно-сжатого газа в передней частя струи, а также взаимодействия потока газа со стенками капала я солим разгрузки .прп отсутствии жесткой оболочки с внешней поверхности заряда» характер газодинамического течения в капке может быть другим. -

Результата экспершегггалвнмх исследований газовой кумуляции d плоской геометрии неоднозначны. В разных работах отмечено как отсутствие отережагащих детонзшношый фроит струй ПВ , так в ¡а наличие в зависимости от параметров ВВ. Некоторыми исследователями оптически зарегистрировано попадание ПВ в канал впереди фронта детонации и образование вторичной ударной волны впереди сгустка ударно-сжатого воздуха, догоняющей и перегоняющей первичную, В ряде экспериментов заряд помещался в оболочку, предотвращающую разлет ПВ в окружающее пространство со свободной поверхности. Наличие

оболочки могло привести к повышению эффективности канального течения.

Приведен обзор работ С.М. Васильева « В.И. Кнрко по теоретическому к экспериментальному исследованию газовой кумуляция в плоской постановке. На основе стационарных законов сохранения юли предложены две различные модели течения & зависимости от угла ссхрочп ПВ с подложкой. В случае, если угол встречи больше некоторого 1фИтнческого значения, реализуется вариант чс отошедшей от плоскости симметрия "висячей" ударной волной. Если жа угол меньше критического, делается вывод о возможности реализации либо этого варианта, либо варианта с присоединенной к плоскости симметрии ударной волной.

Попытка авторов работы построит, схему установившегося газодинамического течения с использованием законов сохранения в стационарной постановке и предположении, что поверхности разрывоз являются плоскостями, привела к необходимости существования двух УВ, одна из которых не была зарегистрирована в эксперименте.

Из вышесказанного следует, что данных имеющихся исследований недостаточно для получения полного представления о механизме и причинах газовой кумуляции.

Автором делается вывод, что исследование кумулятивного эффекта в плоской геометрии более предпочтительно исследованию в осевой симметрии, поскольку в данном случае реализуется самая простая схема кумуляции - с отсутствием сходимости потока ПВ к ссн симметрии. Кумуляция в плоской геометрии, более доступна и для зкеперпментсльпого исследования, с частности для оптического наблгадешш.

Глава 1!. Физическая модель

Во второй главе обсуждаются теплофнзнчгские процессы, происходящие при взрыве кумулятивного заряда в плоской постановке. На основе анализа основных физических факторов, влияющих на возможность и эффективность кумуляции, строится физическая ыодель процессов. Обсуждаются упрощения модели и их возможное влияние на 1су;луляцшо. Ставится для последующего решения математическая -задача с необходимыми начальными и граничными условиями.

На рис. 1 показана схема зарядов для исследования газовой кумуляции. Все расчеты велись в системе координат, связанной с фронтом детонации. В этой системе координат фронт детонации неподвижен, а взрывчатое вещество натекает на него со скоростью детонации. С этой же скоростью двигается и окружающий заряд ВВ еездух.

В реальной физической задаче существуют два сорта газа - продукты взрыва ц атмосферный воздух. В физической модели оба эта газа не разделялись н заменялись одним - иевязкнм петеллопроводним идеальным газом с постоянным показателем адиабаты. Для того, чтобы внутренняя энергия взрывчатого вешеспза соответствовала реальному ВВ, в расчетах было 'изменено давяепиз з точка Чепмена-Жуге в соответствии с формулой:

У - 1

Здесь лндексом * "звездочка" обозначены реальные значения в точке Чепмепа-Жуге, а без звездочки - значения, задаваемые з расчетах; к- подгопочнцй параметр модели. Подгоночный параметр к определялся :гз - решения тестовой' задачи свободного разлета ПВ в воздух при детопшшг плоского заряда ВВ. ГТрп /с =0,43 величины угла разлета ПВ и присоединенной ударной волны наиболее близки к экспериментальным.

. При'выборе физической модели, также были слелакы следующие допущения: фронт, детонации задавался как плоская поверхность с постоянными, во времени и пространстве параметрами сдула ПВ в расчетную область; пе учитывалось влияние пограничного слоя вблизи внутренней поверхности ВВ и уноса вещества с поверхности ВВ.

Глава Ш. 1У!етод решения

Третья глава посвящена огшешппо численного метода решения поставленной задачи. В первой ее части обсуждаются достоинства и недостатки "классических" и современных численных методов и обосновывается выбор численного метода. Для решения поставленной задачи был использован метод [1], который относится к классу Т\ТЭ методов, обеспечивающих невозрастание общей вариации решения, а

следовательно, и отсутствие нефизичных осцилляцнй решения. Необходимое внимание уделяется тестированию программы и исследованию сходимости решения.

Глава IV. Результаты численного моделирования

В четвертой главе приведены результаты численного моделирования кумулятивных течении в плоской постановке. Исследованы основные факторы, влияющие на кумуляцию, в том числе влияние начального давления воздуха и отношения толщины заряда к сечению канала. Изучены структура и динамика развития нескольких принципиально различных типов течений, как с кумуляцией, так и без нее, имеющих место при взрыве двух параллельных зарядов ВВ в воздухе. Дается объяснение причин отличия течений.

В результате численного моделирования было обнаружено, что течения в плоском канале в зависимости от давления окружающего воздуха подразделяются на следующие типы (рис. 2):

- Течения с отсутствием кумуляции при высоком начальном давлении Ро25 атм.

- 0,2£/'о£4 атм. Возникновение кумуляции, массовый поток (] через сечение канала имеет отрицательное значение (в системе координат фронта детонации). Это происходит вследствие торможения кумулятивной струи ПВ ударно-сжатым воздухом и возникновения "обратного " течения. Струя ПВ имеет дозвуковую скорость.

- РойО,\ атм. Кумулятивная струя ПВ вытесняет воздух из канала (с/>0). Течение ПВ внутри канала имеет сверхзвуковую скорость. В этом режиме вероятно возникновение пульсаций потока </.

I

Кумуляции

?>0

Сверхзвуковая струя ГШ

"Обратно«" течение

0,1 0,2

Ра, опт

Рис. 2.

1. Течения с отсутствием кумуллции

При высоком начальном давлении (Ро>5 атм) окружающего заряд ВВ ¡юздуха формируется установившаяся конфигурация (рис. 3), где пепозмущенный воздух I натекает па косой скачок АК, поворачивая пдоль коитаюпон границы АМ с расширяющимися ПВ (зола III). При натеканн.ч с:?ерхзпукопого потока II на плоскость сим.мстршг формируете;? косой скачок КМ, за фронтом которого дпалсди ударио-сжатмП воздух V распространяется пдоль плоскости спимстрнн. Воздух отделяется контактной границей МЬ от ПВ области IV, повернутыми на фронте ударной пилки (УВ) ММ Во всех областях ¡-V течение свсрхзвукооое, попорот ПВ п кумулятнрпуго струю невозможен.

Следует обратить внимание на »срисизну УВ ММ. В точка М угол натекающего потока О максимален и умеиьшается'с удалением от то'лагМ вдоль ММ. Поле направлений вектора скорости приближенно можно рассматривать как поле, псе ректоры которого направлены от точки А. В этом случае точка А - источник. Такой неравномерный в пространстве поток, натекающий на ударяю йолну ММ, делает се нскрнвлгшюй и погнутой к плоскости симметрия. За УВ ММ поле скоростей потока газа также пс является однородным к параллельный плоскости симметрии. Вектор скорости имеет иенулсяую' компоненту 11)', которая тем больше, чем дат.ше от плоскости симметрии.

Рис. 3. Схема газодинамического течения с отсутствием кумуляции. Го>5 агм. I - невозмущенный атмосферный воздух, И - ударно-сжатый воздух в УВ АК, III - область течения ПВ, IV - ударно-сжатые и УВ ММ

продукты взрыва, V - повторно ударно-сжатый в УВ МК воздух, МА и МЬ - контактные разрывы между ПВ и воздухом, АК, МК, ММ - "слабые" ударные волны.

В течениях с высоким Ро не происходит достаточного торможения газа и поворот ПВ в 1сумулятивную струю невозможен. Структура газодинамического течения аналогична той, которая обнаружена при разлете ГШ над подпояской. Здесь процесс газовой кумуляции подавляется потоком натекающего воздуха.

2. Возникновение кумулятивной струи

Давление Ро=5 атм является критическим1. При уменьшении давления Ро торможение потока за ударной волной КМ становится более эффективным и число Маха на плоскости симметрии падает за отметку М-1. В ударно-сжатом воздухе V возникает дополнительная область торможения VI с числом М< 1, ограниченная линией М= 1 (рис. 4). Внутри нее течение имеет дозвуковую скорость. Спереди ее граница Л' является прямой ударной волной. С течением времени фронт Л' двигается вверх по потоку и достигает точки М. В этот момент УВ Л' перекрывает собой весь поток ударно-сжатого воздуха. В дальнейшем УВ Л" продолжает свое движение вперед, пересекая ударные волны МК и КА, и выходит в область невозмущенного воздуха 1, образуя кумулятивную струю (рис. 5).

Рис. 4. Схема течения при зарождении кумулятивной струи.

'Величина кретического давления расчигана приближенно вследствие существенных упрощений физической модели.

VI л к

Рис. 5. Результаты расчетов течетш с Ро=Ъ атм. Приведены изолинии числа Маха при ¿=10 мкс. Область дозвукового течения выделена белым цветом. Изображение растянуто по вертикали в 2 раза.

Ш проведенного анализа численных расчетов можно сделать вывод, что причиной заровдепия кумулятивной струн и возникновения кумуляции является торможение потока . газа до дозвуковой скорости с возникновением дополнительной прямой ударной волны, двигающейся вверх по потоку. ' - • " .

3. Кумуляция с "обратным" течением

На рис. б показана схема развития газодинамического течения при Ро=1 атм в плоском канале в системе координат фронта детонации. На начально« этане развития течетш (рис. 6 а) а воздухе формируется ударная волна ЛК, которая отделяет невозмущенное течение в области I от ударно-сжатого воздуха, в области II. Область III, отделешгуга от окружающего ■ воздуха контактным разрывом AW, занимают расншрягошиеся продукты взрыва-. При отражении потока ПВ от плоскости симметрии формируется (рис, б 6} висячая ударная волна NM, непрерывно переходящая' в линию ■ контактного разрыва МА, по обе стороны от которого течение параллельно линии МА. Следует отметил., что поскольку контактная граница не может совпадать с ударной волной (через контактную границу нет потока вещества, тогда как через ударную волну он сеть), то невозможно, формирование висячего скачка NM (рис. б б) непосредственно из контактной границы AW (рис. б а). Для формирования NM необходимо отражение потока ПВ от плоскости симметрии. Поскольку

за фронтом косой ударной волны Ь!М в области IV течение сверхзвуковое (М>\), то она является слабой.

На плоскости симметрии за фронтом КМ образуется зона высокого давления, газ из которой растекается г, обе стороны вдоль плоскости симметрии. Та часть газа, которая движется в направлении невозмущенного потока I, образует "вихревую" зону VI, отделенную от невозмущенного потока ударной волной КК\ Точка контакта К движется к точке А и струя ГШ V, двигающая впереди себя ударно-сжатый воздух VI, постепенно заполняет канал (рис. 6 в, 7).

Формирование кумулятивной струн происходит гораздо быстрее, чем в режиме с Ро=3 атм (рис. 5). Выход прямой ударной волны в область невозмущенного воздуха происходит за 3 мкс от начала детонации, тогда как в режиме с Го=3 атм этот процесс занимает время г~10 мкс.

Двигающиеся внутрь канала ПВ V тормозятся ударно-сжатым воздухом VI, Возникают два противоположных течения (см. рис. 6 в), разграниченные линией тангенциального разрыва ТТ'.' Выше этой лннни ПВ н ударно-сжатый воздух двигаются и сторону расширяющихся ПВ, а ниже - струя ПВ направлена внутрь канала. С увеличением, длины струн ПВ в передней ее части возникает вихрь, центром которого является точка Т|. ПВ двигаются вокруг этой точки. В дальнейшем возникает второй вихрь со своим цгнтроы'Тг, который образуется позади первого стечением-времени. Такое внхреобразование является следствием неустойчивости, развивающейся при взаимодействии двух противоположно направленных потоков. В нашем случае этими потоками являютсд ПВ, двигающиеся внутрь канала, и сжатый в ударной волне К1С воздух, продолжающий свое движение вдоль внутренней поверхности ВВ. На рнс. б в показана линия контактного разрыва ТТ', разграничивающая эти потоки. С течением времени масса ПВ, вспрыснутых в канал, растет, хотя длина струн увеличивается слабо из-за интенсивного поворота . потока ПВ в противоположную сторону.

В дальнейшем длина области ударно-сжатого воздуха по оси ОХ увеличивается. Скорость газа в ней относительно фронта детонации имеет' небольшое отрицательное значение. Это говорит о том, что за УВ КК". (рис. 6 в) воздух не тормозится полностью и продолжает .двигаться в прежнем направлении. Струя ПВ не перекрывает собой весь капал, создавая проб;гу ГШ, вытесняющую весь воздух из канала. Струю ПВ здесь можно назвать "поршнем с отверстием" (но аналогии с задачей о поршне, генерирующем ударную волну в трубе), который все же создает УВ в воздухе.

Рос. 6. Схемы разшггйя кумуляции при Ро=1 атм. а) /---=1 нкс после начала детонации, б) 1-4,5 мкс, в) Л=20 мкс. Область дозвукового течения затемнена.

Следствием "отверстия" в порнШе является отрицательная скорость в области VI (рис. б) и отрицательный массовый ноток ц (рис. 8) через контрольное сЫеНИе канала. До момента б мкс массовый поток

отрицателен и, соответствует потоку невозмущеитого атмосферного воздуха. По достижении УВ в воздухе контрольного сечения поток д возрастает, но не достигает положительной величины ш-за протекания воздуха через "поршень с отверстием". Здесь можно сделать вывод о том, что обратное течение в канале возникает вследствие противодавления, оказываемого на кумулятивную струю со стороны ударно-сжатого воздуха Ц (рис. 6 в). Пунктирные линии соответствуют полоаяггелыюму (етрук ПВ) и отрицательному (воздух и повернувшие назад ПВ) вкладам в ноток. Сумма их дает величину полного потока ц. Экстремальные значения, этих величин 1 и 2 приходятся «а моменты времени, когда центры рюрей в струе ПВ Т| и Тг (рис. 6 в) проходят через контрольное сечение.

Рис. 7. Кумулятивное течение при Ро= 1 атм. Даны изолинии величин

А = р/рг н направления' вектора скорости потока. Время (=20 икс, сечение канала 5 м'м, толщина ВВ. 4 мм. Изображение- растянуто по вертикали в 2 раза.

На контактном разрыве МА-число Маха и плотность испытывают . скачок. Это следствие взаимодействия здиабатично расширяющихся'ПВ и ударно-сжатого воздуха. Как и должно быть в стационарном контактном разрыве, давление по обе его стороны одинаковое. Контактный разрыв МА • является также и тангенциальным разрывом, на котором тангенциальная составляющая вектора скорости испытывает скачок.

- 1000

i? т/ся'е

¿J+(H=5 мм) J 2

0 ,50 t, ИКС

.., .

!||1Мш| J 1 / \ / . \q~(H*5 мы) \4(Н»2нм1 ..........

- -JO03

Рис. 3. Графики массового потока газа q через контрольное сечение канала в зависимости от времени при начальном давлении воздуха Рср=) атм.

Режим течения при ¡Ро=1 атм является промежуточным между течением с отсутствием кумуляции (высокое давление воздуха Ро>5 атм) и кумулятивным течением с положительным массовым потоком q, когда ПВ заполняют собой , весь канал и вытесняют воздух. Для этого режима кумуляции характерно присутствие обратного потока газа и отрицательный массовый поток q «крез контрольное сечение канала.

4. Режим кумуляции со сверхзвуковой струей ПВ

При низком начальном давлении окружающего воздуха /'о<0,2 атм обратное течение воздуха вдоль поверхности заряда ВВ отсутствует (рие. 9). Скорость распространения • ударной волны здесь выше и приближается к скорости адиабат;гчного разлета газа в вакуум. ПВ образуют с ударно-сжатым воздухом контактньп) разрыв МА, который отходит от поверхности ВВ под углом <2>90°, что согласуется с теорией. Из-за слабого давления со стороны ударно-сжатого воздуха процесс установления газодинамического течения вблизи места отражения ПВ от плоскости симметрии протекает быстрее.

Рассмотрим течение при />о=0,1 атм (см. рир. 10). В этом случае струя ПВ двигается внутрь канала, взаимодействуя с обратным потоком

Рис. 9. Схсмм развитая кумуляции при Ро^Ю"5 аш.

ударно-сжатого воздуха. При контакте. этих двух прошьоположно нащтвясячих потоков на их границе возникает неустойчивость, пржюдаиш к турбулетиому шхреобразованто. С течением времени струя ГШ гл.! гесняст воздух и постепенно заполняет собой канал. Контактна:) Гранина воздуха и ПВ при движении вдоль канала*постоянно меняет свою форму вследствие отражений от внутренней поверхности ВВ 'и нЛйСмлДи Снымефни. В Дальнейшем ПВ, ммОрыС ¡шС1) ИГиОк и кинет, при столкновении с внутренней поверхностью ВВ изменяют направление*

движения вдоль ее границы и в ПВ образуется отраженная ударная волна ^ (рис. 9 в).

......У/У///////УУ/У/////УУ/У77/7?77777?777777?7уп

шттшттшм

Щ^ШШШШШШШШ

л- . 1

у;/////////////о//////' V////////'////////'////''/////у/,

0,0 «к«^

.• I

._! чгм т........I г | м- - ■ г, | ■■■■ - ,, ■ .,,.. ■■ -....... ............-.^и».« * . . , . . «

-—шштшжтшщшшш

Рис. 10. Режим с вихреобразованием при Ро=<),\ атм. Даны изолинии величины А = Р/рг .

Таким образом, в кумулятивных течениях с низким начальным давлением воздух полностью вытесняется из канала продуктами взрыва и не оказывает существенного влияния на кумуляцию. Течение внутри канала тлеет сверхзвуковую скорость. В канале образуется серия косых

ударных волн вследствие отражения потока ПВ от внутренней поверхности канала и плоскости симметрии.

Глава V. Сравнений результатов численного ыодалиропання с экспериментальны?.?« данными

Для проверки полученных результатов численного моделирования совместно с Васильевым С.М. и Кирко ЕШ. били выполнены эксперименты {2] по изучению структуры и физических параметров газодинамического течения при детонации, двух параллельных зарядов взрывчатого вещества. На рис, 1 представлена схема экспериментов.. Два плоских заряда ВВ 1 устанавливались между боковыми стенками 2 параллельно друг другу. Составленный таким образом калач с торцов закрывался экранами из оргстекла 3 а 4. Снихроиког иигаушровшше основных зарядов 1 производилось вспомогательный зарядом. 5 с электродетонатором 6. Регистрация структуры газогошшического течения производилась с помощью СФР в режиме непрерывной развертки через торцевое окао 3, а также через вертикальную щель б боковой стенка в направлении, перпендикулярном направлению детонации на различных расстояниях от начала каша. . . ' . :

На рис. 11 приведена типичная схема подучдаидх чфоторегистограым при регистрации процесса через щель в етецке. Цифрами обозначены: I -искривленный фронт детонации;. 2 - фронт ударной, шшш в воздухе от разлетающихся со свободной поверхности заряда продуктов взрыва; 3 -ярко светящаяся. область в окрестности сголгаговешш ПВ на плоскости симметрии; 4 - область слабо светящихся ПВ, непрерывно переходящая в область за фроетом ыгутренпен ударной волны 5; 6 - область за фронтом передней ударной -волны; . 1 - невидимая па фоторешето грамме поверхность ВБ.

Рис. 1». Схема фоторегнетограмм.

Общим совпадением" экспериментальных и расчетных данных является соответствие общей структуры течения: существование сгустка ударно-сжатого воздуха, кумулятивной струн ПВ н контактного разрыва АМ (рис. 6), примыкающего к ударной волне MN.

Также ыожно говорить о совпадении угла наклона границы АМ по отношению к поверхности заряда DD. Так, среднее знамение экспериментально измеренного угла наклона границы АМ составило 2025°, а полученного в расчетах - 29° (рис. 6).

Xopouio согласуется с экспериментом значение скорости передней ударной волны в воздухе. Отношение расчетной скорости УВ D к скорости детонации Uo составило DIUf 1,19 , тогда как в эксперименте среднее значение D/í/e=l,15±0,03. Значение скорости УВ в воздухе в предположении, что массовая скорость за иен равняется скорости детонации (ударно-однабатиая скорость), равна DIUo~],09. Превышение скорости УВ над адиабатным значением в эксперименте подтверждает наличие'¡кумулятивной струн ПВ. К отличиям экспериментальных данных от расчетных можно отнести постоянство скорости УВ £>, тогда как з эксперименте величина D уменьшается с течением гречени, хотя осреднении по времени скорость УВ практически совпадает с расчетной.

Проводились эксперименты, » которых регистрация осуществлялась через бэтеоше стенки 2 канала (рис. I) с помощью рентгеновской установки ПИР-600, при детонации заряда ВВ над подложкой. По углу метод подложки на этапе существования кумулятивной струи определялось давление ПВ в области V (рис. 6 б). Полученное значен« составило Р~30-40 кбар, что отличается от расчетной величина максимального давления на плоскости симметрии Р= 15 кбар. К отличиям экспериментальных данных от расчетных также можно отнести отсутствие соетжногеаия атсричиых ударных волн. Последнее связано со кпкмодейепшем струи ПВ с поверхностью ВВ, которое не учитывалось я расчетах.

Для оценки интенсивности взаимодействия газа с поверхностью заряда численно решалась задача Стефана [5, б] по тепловому воздействию на ВВ. Расчеты показали, что вследствие высокого теплового потока а стенку (~10ш Вт/м2) и низкой теплопроводности ВВ (-0,1 Вт/м-град) на его поверхности постоянно поддерживается температура плавления 400-500 К. Слой расплава сносится потоком газа и через 30-40 мке от ¡¡ачала процесса масса уносимого ВВ сравнивается с массой газа в сгустке. Поток инертной массы с поверхности ВВ приводит к реальному усилению обратного течения газа. Из оценок следует, что вследствие этого через 15-20 мке (при сечении канала Н=10мм) кумуляция подавляется и скорость передней ударной волны достигает адиабатного значения.

Прекращение кумуляции в плоской геометрии обусловлено срывом ВВ с поверхности заряда, усиливающим обратное течение. Этот процесс ведет к повышению давления в области контактного разрыва, о чем свидетельствует уменьшение угла его наклона.

Таким образом, из проведенного выше сравнения результатов численного моделирования кумулятивных течений в плоской геометрии (Л>= 1 атм) с данными, полученными из экспериментов, можно сделать вывод, что наблюдается соответствие расчетных и экспериментальных данных, в том числе по общей структуре течения, хотя имеются отличия, связанные с простотой используемой физической модели.

В заключение автор выражает благодарность Васильеву С.М, за помощь при работе над обзором литературы.

Основные результаты и выводы

1. В работе численно промоделирован процесс возникновения I газовой кумуляции в плоской геометрии. Получены качественные картины

ударно-волиовых течений, необходимые для объяснения возникновения кумулятивной струн.

. 2. Показано, что причиной возникновения кумулятивной струи является торможение сверхзвукового потока газа до дозвуковой скорости с появлением дополнительной прямой ударной волны, двигающейся вверх по потоку.

3. Показана возможность реализации двух ргкжмоз течения с присоединенной и отошедшей ударной волной (УВ) от плоскости симметрии. В режиме с отошедшей УВ формируется структура, где эта ударная волна непрерывно примыкает к контактному разрыву.

4. Обнаружено два. режима кумуляции: с полоиаггелышм к отрицательным массовым потоком в канале. Режим с яожэ:котеяьш>ш массовым потоком характеризуется сверхзвуковой. скоростью кумулятивной струи и приводит к вытеснению воздуха кз капала продуктами взрыва (ПВ). В канале возникает серая ударщох. воли, образующихся в результате отражения ротона ГШ, вспрыснутого с канал, от внутренней поверхности взрывчатого вещества и плоскости симметр1ш.

5. Режим с отрицательным массовым потоком характеризуется наличием обратного (в системе координат фронта детонации) потока ПВ, появление которого обусловлено противодавлением со стороны ударно-сжатого воздуха. Увеличение начального давления приводит к усиленши обратного течения и подавлению газовой кумуляции.

6. Проведенные эксперименты подтвердили существование сгустка ударно-сжатого воздуха, кумулятивной струи ПВ и контактного разрыва, примыкающего к отраженной ударной волне.

Основные положения диссертации опубликованы в работах [2-8].

1. Karten A. High Resolution Schemes for Hyperbolic Conservation Laws. // J.

Comput. Phys., 1983, v. 49, p. 357-393.

2. Бывших А.И., Васильев C.M., Кирко В.И. Численное моделирование возникновения газовой кумуляции в зарядах взрывчатых веществ с плоскими и цилиндрическими каналами. // ТВТ, т. 3}, N2, 1993, с. 286-

3. Бивших А.И., Кирко В.И. Численное моделирование процесса газовой кумуляции. // Труды IV международной конференции "Лаврентьеаские чтиг.и", Казань, 3-7 июля 1995.

<1. Бдапигх А.И., Кирко В.И. Численное моделирование процесса газовой кумуляции; // Труды международного рабочего совещания "Новые модели и численные схемы ударно-волновых процессов в кондепснрОБГшш^ксредах", Санкт-Петербург, 9-13 октября 1995.

5. Вывших А.Й., Кирко В.И., Пак Н.И. Численное исследование воздействия газокумулятивиой трубки на поверхность стальной стенки. //ПМТФ, 1935, N5, с. 122-125.

6. Бывших АН Диффузионное насыщение поверхности канала при течении бысокоскоростных газовых струй. //Тез. докл.-ппсолы молодых ученых. Шушенское 28 мая - 3 июня 1987. ВЦ КФ СО АН СССР, Красноярск, 1937,

7. Бывших А.И., Кирка В.И., Пак Н.И. Моделирование тепловых процессов

при ударно-волновом иагружении пористых материалов. // Труды IV всесоюзного совещания по детонации, Телави, октябрь 1988, с. 212-217.

5. Бывших А.Й., Кярко В.И., Пак Н.И. Моделирование тепловых процессов при ударно-волновом нагружении пористых материалов. // ЖПМТФ, N4,1991, с. 133-137.

291.

Соискатель:

Отпечатано в типографии КГТУ.

Подписано в печать 1 июля 1997. Заказ H'>?j)/^Тираж 100 экз.