Численное исследование ударных и детонационных волн в смесях газа с твердыми или жидкими частицами тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.05 ВАК РФ

тюменский государственный университет

На правах рукописи

КУТ7ШЕБ АН ВАР ГУМЕРОВИЧ

уда 532. 529

ЧИСЛЕННОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ УДАШХ Я ДЕТШЛЦШПЫХ ВШИ В СМЕСЯХ ГАЗА С ТВЕРДЫ),Ш ИЛИ ИЩШИ ЧАСТИЦАМ!

(01.02.05 - механика жидкости, газа и плазьш)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Тпиень-1993

Работа выполнена в Институте механики многофазных систем Сибирского отделения Российской Академии наук

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

профессор Ю.Ы. Давццов доктор физико-математических наук профессор О.В. Воинов доктор физико-математических наук И.Ш. Ахатов

Ведущая организация: Институт теоретической и прикладной механики СО РАН

Защита состоится " Х> " 1 1993 г. в 14 час.30

мин. на заседании Специализированного совета Д 064,23.01 в Тюменском государственном университете по адресу: 625003,г.Тюмень, ул.Семакова 10, ауд.114 Физического факультета ТюмГУ.: С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тюменского госу дарственного, университета.

Автореферат разослан " / " НОЛ1993 г. '

Учений секретарь • Специализированного совета

ОБЩДЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

• Актуальность проблемы. Газовзвеси с химически-инертными или реагирующими твердыми частица!.«!, парсгазокапельные системы и порошкообразные среди широко представлены в ряде отраслей народного хозяйства. В частности, с указанными дисперсными смесями сталкиваются: ¡з химической технологии - при производстве аэрозолей и конденсированных взрывчаты* веществ; в горком деле-при дебете угля; в пищевой промышленности - при пневмотранспорте и хранении легковоспламеняющихся органических сыпучих веществ типа цуки, крахмал а^ сахара и т.п.; в авиационной и аорокосмической технике - при эксплуатации реактивных и ракетных двигателей; в порошковой 1/ёталлургии - при детонационном нанесении понрытий и при создании новых материалов с помощью взрывной обработки порошкообразных сред.

В отмеченных выше отраслях современной техники большое внимание уделяется проблемам обеспечения мер пожаро - и эзры-вобезспасности технических установок, содержащих Енутри себя способные к горению и детонации газопылевые, газокапельные и порошкообразные среды. Повышенные требования к надёжности и безопасности таких установок требую? углубленного изучения закономерностей развития ударно-волновых и взрывных процессов п дисперсных средах. В этой связи значительный практический интерес представляет исследование следующих вопросов: прогнозирование параметров ударных волн, возникающих в окружающем газовом пространстве при истечении в него расширяющихся первоначально сжатых дисперсных смесей в результате аварийной разгерметизации систем еысоксго давления с дисперсным рабочим телом; ослаб зние воздушных ударных волн посредством ¡пхлевгге и капельных завес; определение динамических нагрузок, производимых воздушными ударными волнами, на элементы инженерных сооружений, покрытых слоями пористых насыпных сред; нахождение критических условий ударного возбуждения гетерогенной детонации п газелн-левнх средах; подавление процессов горения и детонации реагирующих аэродисперсных смесей слоями ннертнж частил; импульсное метание порошкообразных сред сжатими г^пясм в сччги героиня •

Укг>?е1>:>!»> ронрооы, состачлят'сие «редеет диссертлг,1"»»могй

тальнсго изучения - эхо связано со значительными трудностями опытного исследования быстропротекагадих неравновесных волнозых процессов в готерогенных дисперсных средах. В теоретическом плане -это обусловлено исключительной сложностью получения строго аналитического описания динамики многофазных дисперсных смесей. В этой связи, в данной работе, принимается численный метод исследования, позволяющий в рамках уравнений механики многофазных сред осуществлять математическое моделирование нестационарных волновых течений аэродисперсных и порошкообразных систем с учетом возможных аффектов скоростной и температурной неравновесности фаз, несовпадения напряжений в составляющих смеси, ыекфазного мессообменя, разрушения капель, соударения и прилипания полидисперсных твердых частиц. Дяя учета столь разнообразных по своей физической сути мзжфлзкых и внутрифозпих процессов в дисперсных средах необходимо дальнейшее совершенствование алгоритмов вычислений, проводимых в рамках известных в газовой динамике численных методов, что также является одним из актуальных вопросов.

Цель работм заключается в численном исследовании ударно-волновых процессов в химически-инертних газопыдевих, газокапелышх и порошкообразных средах, о также п изучении детонационных процес-ссп и реагирующих газовзвесях унитарного (окислительсодержащего) топлкга.

Научная новизна роботы состоит в следующем: I. Предложена модель плоского одномерного нестационарного движения полидисперсной столкпопителыюй инертной газовзвесп с непрерывной функцией распределения частиц по размерам; для случая простейшей полидисперсной газопзвесп с доукл фракциями частиц получены уравнения движения состярлягщих смеси с учетом процессов столкновения и прилипания частиц разных размеров. Изучены процессы распространения ударных i-олн ступенчатого и треугольного видов в однородных и не-, одкородьих, мопо - и пслвдисперслих гаэопилссих средах и прсьна-лизир<л;л1Г-> ьтияние оффектоз столкновения и прилипания частиц. Осуществлено иэучеииь процесса взаимодействия со стенкой ударных волн треугольного вида в мЪиодиепорсиых газопзоесях и установлено малое влияние отскока частиц от стенки на параметры отраженных ноли. Выполнен анализ определяющих параметров слоев однородной и неоднородной, моно - и оиднсперсной газепклоьей среди нп прсиосс ослабления импульсных воздействий ударных волн на я.ёстиуо стоик;/. Обнаружен эффект немонотонного изменения максимального давления на стенке в зависимости от размера менедкеперсяькс части:! к экранирующем слое.

2. Изучены закономерности распространения ударных волн треугольного вида в слоях мокодисперсной парсгаэокапельнсй смеси с учетом возможных процессов дробления и испарения капель, а также конденсации пора. Показана определяющая роль разрусс-нил капель на параметры проходящих удармК волн, Расчетным путем установлена больаея эффективность капельных завес по ослаблении ударных волн по сравнения со случаем идентичных пиленых систем.

3. Построена модель одномерного нестационарного движения реагирующей полидисперсной газовзвеси унитарного топлива с непрерывным спектром частиц. Изучены особенности протекания процесса ударного инициирования сферических, цилиндрических и плоских волн гетерогенной детонация в моно - н полидиспсрсних газовзвесях унитарного топлива. Установлены зависимости нижних концентрационных пределов детонации газовзвзеей унитарного топлива от их исходного размера монодислерскнх частиц. Обнаружен эффект немонотонной зависимости минимального числа Маха инициирующей ударной волны от концентрации топлива в смеси. Расчетным путем показана возможность прерывания процессов горения и детонации в газоззвесях унитарного топлива слоем инертных частиц. Установлен эффект немонотонной зависимости минимально необходимой концентрации плр.млгасящеЯ инертной газовзпеси от размера инертных частиц. Изучена динамика волнового истечения в газовое пространство сжатой горящей гозовзвеси и показана возможность реализации аффекта превьгленпя давления за фронтом ударно!', волны величины разрывного давления диафрагмы в ударней трубе.

4. Изучен процесс плоского одномерного метания слоя порошкообразной среды сжатым газом и установлен вид расчетных зависимостей дальностей разлета частиц от их размера и начального перепада давлений газа. Исследована динамика волнового истечения сжатого объема порошкообразной среды в газ и показано определяющее влияние начального поровего давления газа.на параметры образующихся ударных воли в газовой среде. Расчетном путем исследован механизм передачи ударно-волновей нагрузки на стенку, экранируемо слоем псрсикосбразной среды.

Научная и практическая значимость набеги эаздоч.-пгоя в создании научных основ функционирогэнил сс^с-моннчх технологических -устроистп, использующих п качеств« рабочих.тм многофаз-

ные, многокомпонентные, полидисперсные среды, работающие в условиях неравновесности скоростей, температур, напряжений фаз, а также фазовых переходов и химических реакций.

Достоверность результатов работы подтверждается: физической и математической непротиворечивостью используемых моделей дисперсных сред; проверкой результатов численных решений путем пересчетов на более мелких расчетных сетках; решением ряда тестовых задач, имеющих аначитические решения; сравнением численных решений с экспериментальными и расчетными данными других авторов.

Апробация работы. Результаты диссертационного исследования докладывались на II Всесоюзной научно-технической конференция "Высокоскоростная фотография и метрология быстропротекавщих процессов" Шосква, 1933); на Всесоюзном семинаре "Многофазные потоки в плазменной технологии. Проблемы моделирования" (Барнаул 1984); на I и II Всесоюзных конференциях "Моделирование процессов гидрогазодинаыики и энергетики" (Новосибирск; 1984, 1990); на Всесоюзной и Международной конференциях "Метод крупных частиц: теория и приложения" (Москва; 1987, 1992); на IX Всесоюзном симпозиуме по горению и взрыву (Суздаль, 1989); на 15 Всесоюзной конференции "Актуальные вопросы аэродисперсных систем" (Одесса, 1989); на Семинаре "Механика реагирующих сред и её приложения" (Томск, 1989); на республиканской конференции, посвященной памяти академика АН Уз.ССР Х.А. Рахматулина (Ташкент, 1939); на 12 и 14 школах-семинарах по проблемам трубопроводного транспорта (Уфа; 1989,1991); на I и II-Семинаре "Акустика неоднородных сред" (Новосибирск; 1990,1992); на республиканском семинаре "Прочность и формоизменение элементов конструкций при воздействии динамических физико-механических полей (Киев,1990);, на семинарах Института механики МГУ и Института механики многофазных систем СО РАН под руководством академика Р.И. Цигматули-нп (Москва,Тюмень; 1984-1993).

Публикации. По теме диссертации опубликовано свыше 80 работ, включая одну монографию.

Структура и объём работы. Диссертация состоят из введения, шести глав, заключения и списка литературы. Общий объём работы составляет страниц и включает525* страниц текста, сунков и библиографию, содррхащую наименований.

КРАТКОЕ СОдакЛНИЕ РАБОТЫ

Зо введении обосновывается актуальность теш диссертации, формулируется цель исследования, отмечается научная новизна и практическая значимость работы.

ГЛАВА I. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ИССЛВДОВЛНИЯ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ РАСПРОСТРАНЕНИЯ УДАНЫХ, ВЗРЫВНЫХ И ДЕТОНАЦИОННЫХ ВОЛН В ГАЗОВЗВЕСЯХ И ПОРОЕКООБРАЗНЫХ СРЕДАХ

3 первом параграфе этой главы приводится краткий анализ известных обзорных работ и монографий в области волновой динамики газсдислерснкх систем. Далее, подробно обсуждаются работы, посвященные экспериментально;.;/ и теоретическому исследованию вопросов распространения ударных и взрывных волн в инертных газовзвесях с твердыми частицами.

В § 2 анализируются публикации, связанные с теоретическим изучением структур стационарных ударных волн е паровзвесях, паро-газокапельных средах, смесях газа с каплями и твердыми частицами и в смесях газа с плавящимися твердыми частицами.Освещаются вопросы формирования и распространения нестационарных ударных волн в ?азокапельных системах.

В третьем параграфа выполнен подробный анализ работ по гетерогенной детонации в газовзвесях унитарного топлива. Кратко обсуж-;аотся публикации, посвященные исследованию детонации в смесях 'азообразного окислителя с металлическими частицами и в метанопы-гевоэдушных смесях с частицами угля. Также кратко сообщаются юзультаты исследования гетерогенной детонации а газокапельных :ре,цах и в смесях детонирующих газов с инертными и горючими час-"ицами.

3 § 4 осуществляется разбор статей, посвященных зксперимен-'альноку и числьннсму изучению структур ударных волн в пористых ернистых и порошкообразных средах, насыщенных газом.

Значительное место в обзоре в целом отводится вопросам крекирования импульсных воздействий ударных волн на стенки прег-ад слоями разрешенных (§§ 1-2) и плотноупакоаанных (5 4) диснерс-нх смесей газа с частицами. Детально анализируется проблема ряч-ета в газовое пространство сяатих инертных (5 I) и реагирующих § 3) аэродисперсных систем,а также пористых порсякосбрязных сред § 4).

ГЛАВА 2. УДАШЕ ВОЛШ В МСНО - И БВДИСШРСНЫХ ИНЕРТШХ

ГАЗОВЗВЕСЯХ С ОДЮРОДО.: И ШОДОРОДШ РАСПРЕДЕЛЕНИЕМ КОНЦЕНТРАЦИИ ЧАСТИЦ

В первом параграфе этой главы излагаются основные допущения механики гетерогенных дисперсных сред, используемые при математическом описании движения многоскоростных взаимопроникающих континуумов идеального газа и инертных несжимаемых. сферических твердых частиц. Дополнительно приводятся уравнения нестационарного плоско-одномерного, в общем случае трехскоростного трех-температурного, движения бесстолкновительной бидисперсной газовзвеси, а также конкретизируются уравнения состояния фаз и законы силового и теплового взаимодействия газа и дисперсных частиц. В § 2 осуществляется процедура обезразмеривания замкнутой системы уравнений движения инертной бидисперсной газовзвеси и ус- . танавливаются критерии подобия. В третьем параграфе кратко описывается конечно-разностный метод г^рупных частиц 0.1.1. Велоцер-. ковско: о и ¡0.1.1. Давыдова (1971,1982) используемый для числснйого интегрирования дифференциальных уравнений движения дисперсных сред.

В § 4 численно исследуется дроцесс распространения ударных волн ступенчатого вида в моно - бидиспероных инертных газовзвесях с однородным и неоднородным распределением начальной концентрации частиц в смеси. Показывается, что одинаковая масса взвешенных частиц в газе по-разному качественно и количественно влияет на параметры проходящих ударных волн в зависимости от вида закона изменения начальной приведенной плотности и дисперсности частиц. Расчетным путем демонстрируется, что распространение ударных волн по газовзвесям с линейно-возрастающим или линейно-убывающим законами изменения концентрации частиц ссцровоздается соответственно повышением или понижением ■ интенсивностей волн по давлению. .Отмечается, что непрерывный рост и уменьшение давлений за фронтами проходящих ударных волн обусловлены соответственно нарастающим и убывающим тормозящим воздействием на газ дисперсных частиц. Цчи прохождении ударных волн по газовзвесям с синусоидальным законом изменения начальной концентрации частиц реализуется немонотонное распределение давлений за фронтами волн уплотнения.

В пятом параграфе детально исследуются процессы атухания и взаимодействия со стенкой ударных волн треугольного вида в неоднородных и однородных слоях монодисперсной инертной газовзвеси. Исследование проводится как с учетом, так и без учёта отскока твердых частиц от жёсткой стенки. Для учета отскока частиц от стенки использована трехскоростная схема движения монодисперсной газовзнеси с фракциями падающих и отраженных частиц, изложенная в монографии Р.И.Нигматулкна (1987). 3 соответствии с этой схемой принимаются следующие предположения: дробление и слипание частиц отсутствует; между падающими и отраженными частицами имеют место силовое и массовое взаимодействие; "массообмен" между фракциями сталкивающихся падающих и отраженных твердых чабтиц осуществляется при условии сохранения общего числа соударяющихся частиц; отраженные частицы возникают на стенке и приобретают скорость » гДе к1"0 - коэффициент восстановлена нормальной скорости при ударе ( к ^ I), - скорость падающих на стенку частиц. Расчетным путем показано, что влияние отскочивших ст стенки частш на параметры отраженных нестационарных ударных волн весьма незначительно.

В § 6 осуществляется численный анализ экранирующих свойств слоев однородной и неоднородной, моно - и бидисперсной газовзвеси твердых частиц. Показано, что благодаря наличии экранирующего слоя частиц можно заметно снизить импульсное воздействие ударной волны на стенку, фи этом непосредственный вклад частиц в величину импульсного воздействия потока газсвзвеси дренебрежи-момал. Установлено, что величина максимального давления на экранируемой стенке уменьшается ■ увеличением протяженности экрани-рующе о слоя и концентрации частиц. Обнаружено, что в зависимости от размера монодисперсных частиц величина максимального давления на стенке преграды изменяется немонотонным образом. Показано, что при фиксированной общей массе монодисперсных частиц эффективность экранирования импульсного воздействия ударных волн на стенки преград увеличивается с уменьшением градиента начальной концентрации дисперсной фазы (см.рис. 2.1 ). Выявлено, что слои однородной монодисперсной газовзвеси вызывают больнее ослабление ударных волн, чем слои однородной бидисперсной газсвзвеси (см.рис.2.1 ). Показана приемлемость схемы "замороженной" газовзвеси для описания процесса ослабления импульсных ьозмуаеннй в запыленных средах с весьма инерционными частицами.

Рис. 2.1. Схематическое представление задачи об экранировании ударных поли (УВ) слоями однородней (б) и неоднородной

moho - и бидисперсной инертной газсвзвеси: vu¡ ( ее , 0) = А.;±

* i

В-Х - закон изменения начального относительного массового содержания монодисперспых ( j = 2) и бидисперсных (j = 2; 3) частиц; iT^Cx, 0) - начальное распределение скорости газа за УВ; OCg , X » - координаты фронта УВ, границы слоя и стенки.

В части г) - зависимость максимального давления на стенке за отраженными УВ ( Мс-- 4.17; Х^ - 0.45 м) в неоднородных ( gxculirvj = ± 0.8 м"1) и однородных ( gxcwt'm^ = 0) экрани-» рупщих слоях монодисперсной аэровзвеси кварцевого песка ( Х„ = 0.5 м; Xw = 3.5 м) от w = < > .

В частя д) - зависимости максимального давления на стенке за отраженными УВ в однородных слоях моно - и бидисперсных гэроьзгюсей кварцевого песка от ya. при размерах частиц 60 мкм (I); 720 мкм (4); 60 и 720 мкм и -т. = + = 2tnt (3). Штриховой линией нанесено решение для смеси (3) с эффективным диаметром частиц ак = «Ц i = во мкм (2).

В седьмом параграфе численно исследуется распространение ударных волн и импульсных возмущений в бидисперсных газовзвесях с учетом столкновения и црилипания твердых частии разных размеров. Принимается, что крупные'частицн в процессе налипания на них мелких частш остаются сферами переменного диаметра. Для учета указанных процессов привлекаются соотношения во многом аналогичные тем, что использовались в ранее упоминавшейся трехскоростной схеме движения падающих и отраженных частиц.Результаты выполненных исследований показали, что в бидисперсны: газовзвесях (и прежде Есе-го в газовзвесях с сильно отличающимися размерами) учёт процессов столкновения и прилипания дисперсных включений весьма слабо влияет на параметры проходящих ударных волн.

ШВА 3. УДАРШЕ ВОЛНЫ В ВДЕРДОС ПСЩДИС1ЕРСНЫХ ГАЗОВЗВЕСЯХ С НЕПРЕРЫВНОЙ ФУНКЦИЕЙ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ЧАСТИЦ ПО РАЗМЕРАМ

В первом параграфе приводятся уравнения движения полидисперсной инертной газовзвеси с конечным числом фракций частиц. Далее, с использованием определения функции распределения частиц по размерам, уравнения движения полидисперсной (многофракционной) газовзвеси обобщаются на предельный случай дисперсной смеси с бесконечно большим числом фракций частиц, т.е. случай газовзвеси с непрерывным спектром частиц по размерам. Во втором параграфе для выведенных уравнений движения полидисперсной газовзвеси конкретизируются уравнения состояния составляющих смеси и законы межфазногс взаимодействия. В § 3 замкнутая система интегро-дифферевциальных уравнений цвижения полидисперсной, газовзвеси приводится к безразмерному в/ду л устанавливаются основные критерии подобия.

В четвёртом параграфе даётся постановка и численное решение задачи о течении полидисперсной газсвзвеси в ударной трубе. Рассматривается 'случай распространения ударных волн ступенчатого Еида з однородных полидисперсных газовззескх. Показывается, что в поли-;исперсной газовзвеси затухание переднего ударного скачка ссуществ-шется менее эффективно, чем в монодисперсной газовзвеси со средним "эффективным" размером частил, рассчитанным в рамках линейно-1кустической теории А.И. Иваядаеза, H.A. ГУмерова (1968) для корот-<их волн.

В 5 5 осуществляется численное моделирование экспериментов

tó.SomraÉljdd (1935) по затухания переднего фронта проходящей и газовзвесь ударной волны ступенчатого вида. Используется нормально-логарифмический закон распределения частиц по размерам, аппроксимирующий опытную гистограмму фракционного состава гаэоюзвеси. Показывается удовлетворительное соответствие (с погрешностью ó %) расчетных и экспериментальных дйнкух. Расчеты, выполненные. в рамках модели моноднсперсной газовзвеси с "аффективным" средним размером частиц, рассчитанным по липсйно-акустглгескоЯ теории для коротких волн, приводят к более интенсивному затуханию переднего ударного скачка (см.рис.3.1). Такке осуществляется сопоставление расчетных и экспериментальных данных применительно к опытам E.Oata .K.Tajliria ,H.Motil (1976), в которых регистрировались осциллограммы давлений за стационарными ударными волнами в поли-дисперсних газовзвесях. Изучались ударные волны с передним удар* ным скачком и ударные волны с размытой структурой. Для описания экспериментов в расчетах использовалось сдисмодальнсе гамма -распределение частиц по размерам. Установлено удовлетворительное1 соответствие опытных и расчетных данных.

В шестом параграфе применительно к условиям экспериментов U.Scmii'.:a$etcL (1935) расчетным путем анализируется влияние функции распределения частиц по размерам на закономерности распространения ударных волн в полндксперсных газовзвесях. Показывается, что наименьший и наибольший темп затухания проходящих ударных волы реализуется в газовзвесях с соответственно равномерными распределениями частиц по размерам я' по массам частиц. Промежуточный, по отношению к указанны;.; случаям, темп затухания ударных волн имеет место в газовзвесях с нормально-логарифмическим законом распределения частиц по размерам. Дополнительно выполнен ср-внн-тельпий анализ численных решений в рамках моделей столкновитель-ной и беестолкновитольной полидисперсных газовзвесей. Этот ака--лиз показал, что эффекты столкновения частиц разных размеров за проходящими ударными волнами в полидисперсных газовзвесях пренебрежимо мат.

В § 7 сообщаются некоторые результаты численного исследования процесса разлета из камеры высокого давления (КВД) в камеру низкого давления (КНД) ударной трубы скатого облака поли, .исг.ерс-1юй инертней газовзвеси. Указанный процесс, ранее, экспериментально изучался Б.Е. Гельфандсы, А.В. Губановым, С.П.Медведевым, Е.И. Тимофеевым, С i. Цыгановым (1905). Численное моделирование

N ¡¡г4

(К

тгггттгггг

ZJZ

10

__ik1!1—1—

fd xu

л

ihsl

_ tr г------

ч 0)

Mff 1.2

■v

20 53 (i.l'm {j

V

M-l.M

SO

in„=0.S3

t 1 расгёт. ' | автора.

{\ V3.0SM

0

i

3 I-J^M

Рис.3Л. Схематическое представление (а) эволюции УВ ступенчатого вида в облаке однородно? полидисперснсй инертной газсвзвеси на ряд моментов времени t^ (I = 0; I; 2; 3) и затухания переднего фронта волны $ вдоль пути его распространения X -Х^ в КНД ударной трубы (см.огибающую давлений за скачком J , показанную штрнхпунктирной линией).

Экспериментально определенная M-Som-wvei^cuci' ом (1985) гистограмма фракционного состава газовзвеси и аппроксимация гистограммы нормально-логарифмическим законом (б): Ц - функция раецределения частиц по их радиусам & ; h,„ - общее число всех частиц разного размера в единице объема смеси.

. Расчетные и экспериментальные зависимости числа Маха переднего фронта ударной волны от пройденного расстояния (в). Сплошная линия - расчет .автора по модели полидисперсной смеси; штриховая ■ линия - расчёт M.SoWivexjeid!.'а по модели монодисперсной смеси с эффективным радиусом частиц a,tt = 13.5 мкм. Начальное относительное массовое содержание взвеси стеклянных частиц = 0.63. Число Маха набегающей на аэровзвесь ударной волны ступенчатого вида = ^ /<Цр равно 1.2о, где Ю -

скоростьЛГвлабораторной системе координат, ft.w - скорость не-воз(фтцённого газа (воздуха при н.у.). Координата начальной границы облака частиц ОС# =3.05 м.

процесса в рамках модели монодисперсной газовзвеси осуществлялось в работе D.B. Казакова, A.B. Федорова, В.М. Фомина '1987). В настоящей работе проведено математическое моделирование процесса в рамках модели полидисперсной газовзвеси с непрерывной функцией распределения частиц по размерам и выполнено сопоставление экспериментальных и расчетдак осциллограмм давления. Показано удовлетворительное согласие численных решений, полученных в рамках моделей моно - и полидисперсных газовзвесей, и данных экспериментов.

ГЛАВА 4. УДАРНЬЕ ВОЛНЫ В МШ0ДИС1ЕРСНЫХ ПАРОГАЗСЕАПЕЛЬНЫХ-СМЕСЯХ

В первом параграфе этой глэеы приводятся основные допущения, используемые для математического моделирования нестационарных плоских-одномерных волновых течений монодисперсных парогазокапе-льных смесей с учетом возможных процессов конденсации пара, испарения или дробления кидких капель. В соответствии с этими предположения!/, и считается, что инертный газ и пар являются идеальными калорически совершенными газами, капли представляют собой несжимаемую жидкость; дробление капель осуществляется по механизму срыва тонкого пограничного вязкого слоя жидкости и последующего мгновенного распада этого слоя на облако весьма мелких капель; массовые скорости и температуры мелких капель, инертного газа и пара полагаются одинаковыми, так что их смесь монно рассматривать как ''эффективный" газ; притоки тепла к поверхностям дробящихся крупных капель отсутствуют; межфазный массосбмен в смеси осуществляется в двух взаимо-исклочающих предельных режимах - испарения капель (или конденсации пера) и дробления капель с последующим полным или частичным испарением мелкой влаги; процессы испарение, мелких капель или конденсации пара на мелких каплях осуществляются при температуре насыщения пара, далее, приводятся дифференцит.. алы те уравнения движения фаз и компонент газовой фазы. В § § 2-3 конкретизируются уравнения состояния составляющих смеси и законы силового, теплового и массового взаимодействия газовой и дисперсной фаз. В § 4 приводится замкнутая система уравнений движения компонент и фаз парогазокапельной смеси в безразмерных переменных и параметры подобия.

В пятом параграфе численно исследуется эволюция ударных волк ступенчатого вида в однородных монодисперсных парггазокапельных средах с учетом возможных процессов дробления и испарения капель, а также конденсации пара. Показывается, что процесс!: межфазового взаимодействия, и в особенности дробления капель, весьма заметно влияют на характер и темп формирования проходящих ударных волн в парогазокапельных системах. В частности, отмечается, что дробление и испарение капель способствуют более быстрому выравниванию скоростей и температур фаз за фронта;.!;! проходящих ударных волн по сравнения со случаем распространения ударных золи в идентичных газовзвесях без разовых превращений. Указывается, что разрушение капель з спутных газовых'потоках вызывает весьма заметное уменьшение температуры несущей газовой среды и приведенной плотности дисперсной фазы. Последнее в большей степени проявляется с ростом интенсивности ударной волны и исходного относительного массового содержания капель в смеси, а также с уменьшением начального размера капель. Изучается эволюция ударных волн в парогазокапельных средах в условиях отсутствия в потоке дробления капель, но наличия процессов испарения капель и конденсации пара.

3 § б исследуется эволюция ударно-волновых импульсов в парогазокапельных смесях. Показывается, что из-за процессов дробления и испарения капель имеет место более сильное затухание импульсных возмущений. Детально изучается дрсиесс отражения от жесткой стенки ударно-волновых импульсов в парогазокапельных средах.

В седьмом параграфе исследуются экранирующие свойства слоев однородной мокодисперсзсой ларсгазокапельной смеси по снижению' импульсных воздействий ударных волн на стенки преград. Анализируется влияние начального относительного массового содержания и не? дного размера капель на максимальное давление на стенке Преграды. Установлено, что при прочих фиксированных параметрах максимальное давление на преграде уменьшается с ростом начальной концентрации капель в слое. Обнаружено, что максимальное давление на преграде в зависимости от исходного размера капель изменяется немонотонным образом, так, что существует оптимальный размер жидких включений, обеспечивающий наибольшее снижение пикового даэ-ленил на стенке. Сравнительными расчетами показана бельвал эффективность капельных завес по сравнению с идентичными экранируЕШши

5qq с^мкм

Рис. 4.1 (в части а). Расчетные зависимости максимального давления на стенке преграды от начального относительного массо-. вого содержания капель (тгк^ ) при различных исходных диаметрах монодисперсных кндких капель ( с110 ) в экранирующих однородных капельных завесах. Штриховая и штрихпунктирная линии соответст-ствую'

(а

с1^->0 ) и замороженному 1д-*- а> ) решениям. Сплошная линия соответствует решонк:з, полученному. при учете процессов межфазкого массосбмена (дробления и" испарения капель, J ^ о) в парогазокапельной смеси с размерами капель cl^ = 1200 мкм, пунктирная линия соответствует тестовой'

с cL„ = 1200 мкм без

V'4C'i

расчету для газокапельной среды возможных процессов массообмзна фаз (j = о). Протяженность-слоев 0.25 м. Число Каха ударной волны \.{0 = 5.1, её длина ¡¡- = 0.22 ы.

Рис. 4.1 (в части б). Расчетныз зависимости максимального, давления на преграде от начального размера капель при фиксированном относительном массовом содержании капель m\.l = 0.5. Сплошные и штриховые линии соответствуют случаям наличия (J ^ о) и отсутствия ( Jso ) в смеси процессов ызкфазного массообмена. Штрихпунктирная линия соответствует предельному заморскенно-у

Число Каха набегающзй ударной волны равно

решению с

5.1, её длина I = 0.05 м, длина слоя 0.05 м.

W

слоями инертных газовзвесей из твердых частиц (см.рис. 4.1).

шва 5. волны горения и детсшщии в реагирующих ысн0-

.и пшидкспзрсшх газовззесях унитарного

ТОПЛИВА ПРИ НАЛИЧИИ И ОТСУТСТВИИ ИНЕРТНЫХ

дисперсных частиц

В первом параграфе приводится система дифференциальных уравнений одномерного^нестационарного течения монодисперсн^й газовзвеси унитарного (окислительсодержащего) топлива с инертными твердыми частицами для случаев плоской, цилиндрической и сферической симметрии движения. При. записи этих уравнений используются обычные--.для механики сплсекых многофазных дисперсных бесс-толкновителькых смесей газа и частиц допущения. Дополнительно, следуя работам П.Б. Байнштейна, Р.И. Нигматулина, В.В. Попова (1980) и И.Ш.Ахатова, П.Б. Вайнптейна (1981) используются следующие допущения относительно механизма воспламенения и горения частиц унитарного, топлива: воспламенение частиц происходит при их

"разогреве до температуры воспламенения, при этом распределение температуры внутри частиц однородно; при горении частиц протекает простейшая химическая реакция типа С—"С , где С и & химические символы конденсированного топлива и газообразных продуктов его сгорания; температура горящих частиц не изменяется, т.е.все тепло,поступающее к их поверхности, идет на газификацию топлива.

В § 2 конкретизируются уравнения состояния инертного газа, газообразных продуктов химической реакции, горючих и инертных частиц, а также законы межфазного трения и тегшо-массообмена. В частности, интенсивность мзжфззного кассообмена задается на основе модели послойьзго (нормального) горения частиц и модели горения частит; по механизму их испарения. 3 5 3 замкнутая система уравнений движения трехфазного движения смесей двухксмпонентного газа с горючими и инертными частицами приводится к безразмерному виду и устанавливаются основные критерии подобия.

В § 4 приводится формулировка и численное решение тестовой задачи о безударном (тепловом) инициировании плоской волны гетерогенной детонации в газовзвеси унитарного топлива. Полученное решение сопоставляется и удовлетворительно согласуется с численным решением П.Б. Зайнатейна, Р.П. Нигматулина, В.В. Попова (1900). Далее, численно решается задача об ударном инициировании

сферических, цилиндрических и плоских волн гетерогенной детонации в монодисперсных газовзвесях унитарного топлива. Отмечается, что в зависимости от параметров дисперсной фазы и инициирующей волны возможны режимы как детонационного, так и затухающего горения газовзвеси. Устанавливаются зависимости дред-дстснаиионного расстояния от относительного массового содеря;а-нпя и начального размера частиц. Дриводятся зависимости критических (максимальных) исходных диаметров частиц топлива (при которых ещё возможно взрывное инициирование гетерогенной детонации) от концентрации горючего (см.рис. 5.1).

В § 5 осуществляется математическое моделирование процесса ударного инициирования гетерогенной детонации в однородных полидисперсных газовзвесях унитарного топлива с непрерывной функцией распределения частиц по размерам. Исследование проводится на основе выведенной систеу.ц уравнений плоского одномерного нестационарного движения реагирующей газовзвеси о функцией распределения частиц по их начальным размерам. Расчетным путем показывается немонотонное поведение критического (минимального) числа Маха инициирующей ударной волны от начального относительного массового содержания диспергированного топлива. В соответствии с этой зависимостью при увеличении исходной концентрации топлива от 0 до некоторого значения величина критического числа Маха ударной волны уменьшается, а при больших концентрациях - увеличивается. Установлено удовлетворительное описание процесса формирования детонационной волны в полидиспсрсной реагирующей газовзвеси под действием ударно-волнового импульса (с дайной сравнимой по порядку с длиной зоны горения частиц) в рамках модели ыонодис-перской смеси с "эффективным" среднемассовым размером частиц. Отмечается, что при взрывном инициировании детонации ударными* волнами с числами Маха болылими критических (минимальных) чисел Маха вид исходного распределения частиц по размерам с фиксированными пределами спектра слабо влияет на развитие процесса формирования детонационной волны.

В вестом параграфе приводится постановка и численное решение задачи о прерывании распространения плоских волн гетерогенной детонации в монодисперсных газовзвесях унитарного топлива слоем инертных твердых частиц (находящимся внутри облака частиц унитарного топлива).Показывается, что в зависимости от параметров унитарного топлива и взвеси инертных частиц воз-

иожни как рекимы прерывания, так и неярерызания распространения волн детонации. Реализация того или иного режима определяется выведенным для оценок энергетическим критерием согласно которому для осуществления реяпма подавления детонационной волны необходимо, чтобы энергия такой волны вместе со скрытой теплотой горения массы унитарного топлива в экранирующем слое долина быть не больше количества максимально возможного поглощения тепла збщей массой инертных частиц. Найдено, что наиболее эффективное гашение волны горения реализуется при наличии существенной скоростной неравновесности дисперсных реагирующей и инертной фаз. [фи этом елей инертной газоЬзвеси выполняет роль "фильтра", пропускающего сквозь себя поток реагирующей газовзвеси и отбираю-цего энергию горящих частиц. Установлено, что при фиксированных 1араметрах экранирующего слоя инертной газовзвеси с увеличением концентрации частиц унитарного топлива зависимость критической [минимально необходимой для полного гашения волны горения) концентрации инертных частиц линейно возрастает. С ростом протяжен-юсти экранирующего слоя величина критической концентрации инертных частиц уменьшается. Обнаружен эффект немонотонного 1змексния критической концентрации инертных частиц от их размена (см.рис.5.2). В соответствии с этим эффектом существует оптимальный размер инертных частиц, при котором необходимая для трерывания детонации концентрация инертней взвеси является ыи-шмальной. Изучено влияние закона изменения начальной концентрации инертных частиц'п экранирующем слое (с фиксированной общей кассой пламягасящей взвеси) на процесс гашения волн горения. гстановлено, что эффективность подавления волн горения уменьшается в зависимости от вида закона изменения начальной концентрации инертных частиц в следующем порядке (линейно-возрастающий )акон, однородное распределение, линейно-убывающий и периодически (косинусоидальный ) законы).

В § 7 приводится постановка и численное решение задачи о )азлете в газовое пространство КНД ударной трубы первоначально )днородной сжатой монодисперсной горящей газовззеси унитарного топлива, находящейся в КВД. Показывается, что я процессе волно-юго истечения горящей газопзвеси формируются ударные волны за рентами которых давление газа изменяется немонотонным образом 1 может быть как больно, так и меньше разрывного давления диаф->агмы. При этом в притерневой зоне КВД до прихода волны разгрузки

а)

уннтлрнпгп

УНИТАРНОГО ТОПЛИВА

а)

о- Ь-.-.о..-. .'А

"0246 Рис.5.1

¿100 Рис.5.2

600 Ц.МКМ.

Рис. 5.1. Схематическое представление задачи об ударном инициировании детонации в газовзвеси унитарного топлива (а). Расчетная зависимость критического (минимального) числа Ыаха (Ы^) плоской УВ ( =1; = 0.47 м) от относительного массового ' содержания топлива () с размерами частиц ¿.и = 32 мкм. Зависимости критического (максимального) начального диаметра

частиц топлива

( А* ) от

ул,.

при котором еще возможно иницииро-

вание цилиндрических ( = 2) и сферических (•) = 3) волн детонации ('-V (Х£, = 500; = I м; =1.2 м).

Рис. 5.2. Схематическое представление задачи о прерывании детонационных волн (ДЗ) слоем инертных частиц (а): 1-газ; 2,4--частицы унитарного топлиьа; 3 - частицы унитарного тошшва+., инертные частицы. Зависимости (б) критического (минимального) относительного массового содержания инертных частиц (т* ),необходимого для гашения ДЗ от их <Ц (при -т.^ = 0.6; = 40 мкм;

= 4 м), а также т.* от гп-г (при ¿го = 40 мкм; ¿3 =

700 мкм;

= 4 м (1) и 6 м (2)).

имеет место сффент увеличения давления за счет горения частиц, Рассчитываются статический и динамические импульсы фаз в КНД в зависимости от определяющих параметров газовзвеси. В частности, отмечается оффек? немонотонного изменения динамического импульса фазы горящих частиц от их начального размера (величина импульса приближается к пуло в случае очень-мелких и очень крупных частиц и достигает максимума при некотором промежуточном размере частиц, соответствующем наибольшее разгону дисперсной фазы).

ГЛАВА 6. УДАРНО-ЗОЛНОВиЕ ДВИНЕНИЯ П0Р01И00БРАЗНЫХ СРЕД

В первом параграфе отой главы приводятся основные предпочтения, используемые для математического описания нестационарных волновых движений пористых порошкообразных сред. Полагается, что порошкообразная среда представляет собой двухфазную дисперсную смссь контактирующих между собой твердых частиц и газа, за-юлпяащего пространство меццу частицами; дисперсные частицы порошкообразной среды представляют собой совокупность нес-:пкае-.:ых де.форыируе!Л1х, но не дробящихся инертных монодисперспых включений; газовая среда, в общем случае, представляет собой со-зокупность двух различных несмешивающихся идеальных газов, раз-пленных друг.от друга газодинамической контактной границей. 1а основе сделенних допущений в рамках модели двухскоросткой, ;вухтемпературной, с двумя напряжениями смеси газа и плотноупа-сованних дисперсных частиц осуществляется запись дифферент,аль-¡их уравнений плоских-одномерных неустановившихся двоений зоставляащнх порошкообразных сред.

В § 2 конкретизируются уравнения состояния фаз порсакооб-тзпой среды и законы мекфазового взаимодействия. В частности, 1родольное напряжение в порошкообразной среде, обусловленное ¡обственно деформацией частиц и не связанное со сжимаемостью материала частиц задается на основе уравнения Гофа-Швариа (1979). 1нтенсивности трения и теплообмена задаются на основе формул Эр-•ана (1952) и А.Ф. Чудновского (1954). В § 3 осуществляется про-1едура обезразмеривзния уравнений и вьцеление критериев подобия. Доводится оценка характерных- времен процессов межфазовогс взал-годействия. Вшолнено численное и аналитическое решения модель-юй тестовой задачи о поршне в нелинейно-упругом скелете порош-

кообразной среды. При этом конкретизируется прием "регуляризации" разностного решения цутем введения дополнительных псевдовязких давлений в напряжения газовой и дисперсной фаз с помощью специальных операторов.

3 четвертом параграфе в рамках описания пористой порошкообразной среды моделью баротропного "газа" осуществляется аналитическое решение задачи об ударном нагрукении слоя порошка скотом газом. Дополнительно, численно,с использованием полной системы уравнений движения газовой и дисперсной фаз, исследуется начальная стадия динамического нагружения слоя порошкообразной среды сжатым газом. На основе сопоставления аналитического и численного решений показывается возможность описания порошкообразной среды моделью баротропного "газа" для моделирования начального этапа разгона частиц порошка под воздействием сжатого газа классическими методами волновой газовой динамики.

В § 5 проводится детальное численное исследование процесса разлета слоя порошка под действием конечного объема сжатого газа. Показывается, что процесс метания слоя порошка представляется тремя последовательными этапами: движением пористой среды как континуума контактирующих друг с другом частиц, как весьма плотного облака неконтактирувщих друг с другом частиц и как облака газовзвеси. Процесс разгона частиц порошкообразной среды носит волновой' характер и определяется волнами сжатия и разрежения и их взаимодействием с закрытым концом трубы и с контактными границами слоя порошка. Установлено, что зависимости дальности метания порошкообразного слоя и протяженности сблака частиц.в момент их остановки от начального перепада давления газа описываются возрастающими линейными зависимостями. Дальность метания слоя порошка слабо зависит от характерного размера'дисперсных частиц.

В шестом параграфе выполнено численное исследование воздействия ударной волны на преграду, экранируемую слоем пористой порошкообразной среды. Расчеты выполнены применительно к экспериментам Б.Е.Гельфанда, С.П. Медведева, А.Н. Поленова, С.М.Фролова (1988). Показано удовлетворительное согласование расчетных и опытных данных (см.рис.6.I). Установлено, что при воздействии ударной волны на преграду, экрашруе!.^® слоем насыпного порошка, наблюдается значительное увеличение амплитуды отраженной от прегради ударной волны, связанное с ыекгрокулярным напряжением дисперсных частиц. Выявлено, что немонотонное изменение полного

КВД.

1Ш1

О)

-U-

i ¡ -ЭКСПЕРИМЕНТ

- |---ЧИСД.РАСЧ£Т

—/ П9М(1

X X A w

ЭКСПЕРИМЕНТ МИСА. РАСЧЁТ

í)

0 12 3 t,MC Рис.6.2.

Рис.6.1.

Рис.6.1. Расчетные (а,б) и экспериментальные (б) осциллограммы давления порового газа-воздуха ( f[f ) и межгранулярного ..напряжения (-ъЩро ), а также полного напряжения ( fj/'Po " ) на торце КНД ударной трубы, экранируемого слоем частиц полистирола ( = 200 мкм) с пористостью 0.52 и толщиной 0.02 м. Набегающая воздушная УБ формируется при распаде разрыва давлений в системе "сжатый гелий КВД - воздух КНД" рапном 50/1. Длина КОД - 0.01 м, расстояние от диафрагмы до слоя 2.97 м.

Рис. 6.2. Схематическое представление задачи о разлете сжатого объема порошкообразной среды из КВД ударной трубы в ЩД (а). Расчетная и экспериментальная осциллограммы давления за УВ, возникающей при разлете слоя порошкообразной среды (о пористостью 0.27 и размером частиц 200 мкм) из КВД в воздушное пространство КНД, на расстоянии = 0.465 м. Длина слоя порошкообразной среды (кварцевого песка + сжатого азстя в порах)-

- 0.015 м. Отношение начальных давлений газов в КВД и КНД -

- 35/1.

напряжения на стенке ¿преграды определяется только волновыми процессами в дисперсной фазе, обусловленными межзёренными взаимодействиями. Зоздейстиие газовой фазы на преграду определяется процессом его фильтрации через слой порошка и приводит к,непрерывному монотонному повышению.давления на преграде. Вклад температурной неравновесности фаз в силу большой массы частиц порошка несущественен по сравнению со скоростной неравновесностьо газа и частиц.

В заключительном, седьмом, параграфе осуществляется численное исследование параметров воздушных ударных волн, образующихся в процессе разгрузки слоя сжатой порошкообразной среды. Расчеты выполнены применительно к экспериментам С.II. Медведева, А.Н. Поленова, В.Е. Гельфанда, С.А. Цыганова (1987). Обнаружено удовлетворительное соответствие численного реаения и данных эксперимента (см.рис.6.'2). Показано, что наличие насыпного слоя порошка в КВД ударной трубы существенно влияет на параметры воздушной ударной волны в газе КНД. При этом амплитуда ударной волны уменьшается, а длительность фазы сжатия волны увеличивается по сравнению со случаем отсутствия частиц в КВД. Установлено, что наличие в КВД ударной трубы слоя уплотненного порошка (находящегося в напряженном состоянии.) приводит- к незначительному (менее 5 %) увеличению агтлитуды и скорости воздушной ударной волны. Выявлено, что рассматриваемая математическая модель двухскоростной, ДЕухтемпературной, с двумя напряжениями смеси газа и плотиоуп&кованных дисперсных частиц хорошо описывает исследуемый волновой процесс.

ЗАКЖЛЕЕУЕ

На основе выполненных актовом исследований а работе сформированы и обоснованы лаучпыэ положения, совокупность которых озшо квалифицировать как новое крупное достижение и развитии ерспекгивиого направления в механике многофазных дисперсных сред, вяоапного с анализом нестационарных волновых движений газопыле-ых, газокапелыкх и порошкообразных сред.

Основные результаты и выводы диссертационной работы могут кть сформулированы следующим образом:

1. Развитая модель одномерного нестационарного движения инз-тпой и реагирующей столкнонительной полидисперсной газовзвеси с епрерЫБНой функцией распределения частиц по размерам позволяет дзкватно описывать реальные процессы в аэродгспэрсных средах,что одтверждаотся удовлетворительны:/! согласованном расчетных данных, олучокных с использованием отой модели, и результатов эксперте-., тов. ■

Па распространение ударных волн умеренней интенсивности в олндисперсных инертных газовзвесях с начальными относительными ассо?.-'М! содержаниями дисперсной фазы м I влияние процессов сто-кновения и прилипания частиц разных размеров <>> 5-500 мкм преле-рекимо мало. В условиях нормального падения плоских ударных волн ' монод'/сперсных инертных газовзвесях на_плоскую жесткую поверх-ость влияние отскочивних твердых частиц от стенки на параметры ормирующихся ударных волн весьма незначительное. Влияние инерт-ых монодпеперенчх твердых частиц на за^ханне и взаимодействие о стенками ударно-волновых возмущений и газовэвесях адекватно писывается в рамках модели "замороженной" газовзвеси с неподвих:-ыми частицами, если длины импульсных возмущений значительно кень-е характерных длин зон выравнивания скоростей газовой V» дисперс-оИ фаз.

2. Наличие экранирующего слоя инертной моно- или поЛидиспер-ной газовзвеси перед кесткой стенкой способно значительно (с нес-олько раз)у|/енышть импульсное воздействие ударной волны. При том вклад самих частиц в величину импульсного воздействия удар-ой полны на стенку пренебрежимо мал. При прочих одинаковых услп-кях величина максимального давления на экранируемой стенке уме-ьшается с увеличением протяженности пылевой завесы и концентра-

' д

ции дисперсных частиц. При фиксированном массовом содержании монодисперсной фазы в слое величина пикового давления на стенке изменяется немонотонным образом так, что существует оптимальный размер частиц, при котором осуществляется наибольшее ослабление ударной волны. Одинаковая масса взвешенных частиц в слое по-разному влияет на степень ослабления ударных волн в зависимости от вида закона изменения начальной концентрации дисперсной фазы и фракционного состава частиц в смеси: слои с отрицательным градиентом концентрации монодисперсных частиц в большей степени ослабляют ударные волны, чем слои с нулевым и положительным градиентами концентрации частиц; слои монодисперсной гаэовзвеси вызывают большее ослабление ударных волн по сравнению со слоями полидисперсной газовзвеси.

3. На формирование волн уплотнения в парогазокапельных средах существенное влияние оказывают процессы межфазного массообме-' на. В смесях с весьма мелкими каплями <ч> I мкм определяющее значение на параметры ударных волн имеют процессы испарения капель и конденсации пара, а в смесях с более крупными каплями со Ю-ЮОмкм--проиессы дробления "капель по механизму обдирки их поверхностного слоя и последующего быстрого испарения 'сорванной мелкодисперсной влаги. Дробление капель может приводить к заметному сокращению длин зон выравнивания скоростей и температур фаз, а таюле к качественному изменению структур волн уплотнения в парогазокапельных смесях;

Процессы дробления и испарения капель заметно интенсифицируют затухание импульсных возмущений в парогазокапельных смесях и способствуют ослаблению отраженных от жесткой стенки ударных волн треугольного '.вида. При фиксированных параметрах экранирующих слоев парогазокапельных смесей максимальное давление на стенке за отраженными ударными волнами уменьшается с ростом.начальной концентрации капель и изменяется немонотонным образом от исходного размера капель, так, что существует оптимальный размер жидких частиц, обе-спечиващий наибольшее гашение ударных волн. Капельные завесы по сравнению с идентичными пылевыми завесами вызывают большее ослабление ударных волн. Оптимальный размер жидких частиц в капельной завесе больше соответствующего размера твердых частиц в пылевой завесе.

4.В условиях воздействия сильной ударной волны на монодиспер-оную гшровэввсь унитарного топлива для каждого значения концент-

рации дисперсной фазы существует такой критический начальный размер частиц, въгаа и ниже которого реализуются соответственно режимы затухающего горения и гетерогенной детонации реагирующей смеси. Критический начальный размер частиц увеличивается с ростом исходной концентрации топлива в смеси. Он так:ке увеличивается в несколько раз при изменении сферического ( или цилиндрического ) типа одномерного движения смеси на соответствующий цилиндрически4 (или плоский) тип течения фаз. Критический начальный размер частиц увеличивается примерно в два раза при переходе от модели послойного горения к модели газификации частиц.

Для моно- или полидисперсных газовзэесей унитарного топлива с фиксированными параметрами дисперсной фазы существует критическое (минимальное) число Маха набегающей ударной полны при превышении которого осуществляется режим ударного инициирования гетерогенной детонации в реагирующих смесях. При увеличении исходной концентрации частиц в смеси от 0 до некоторого значения величина " критического числа Маха ударной волны уменьшается, а далее, при больших концентрациях - увеличивается. Дрн воздействии сильных ударных волн (с числами Маха большими критических значений) на поли-диспе;>сные газовзвеси с фиксированными пределами спектра частиц и концентрацией дисперсной фазы влияние функции распределения частиц но размерам на развитие детонационного процесса незначительное. Описание эволюции детонационных волн в нолидисперсных гпзсвзвоспх во многих случаях возможно осуществлять в рамках модели монодисперсной смеси с эффективным радиусом' частиц.

5. Эффективное подавление волны гетерогенной детонации в облаке газовзвеси унитарного топлива, содержащем внутри себя слой взвешенных химически-инертных частиц, осуществляется при наличии существенной скоростной неравновесности дисперсных фаз, а именно, когда поток горящих частиц топлива "фильтруется" сквозь слой инертных частиц. Необходимым условием реализации режима прерывания гетерогенной детонации является наличие критической массы инертных частиц в слое, способной поглотить энергию, выделяющуюся п процессе сгорания диспергированного топлива, находящегося за фронтом набегающей детонационной волны и в экранирующем слое инертней газовзвеси.

При ладанной длине экранирующего слоя и фиксированных начальных размерах частиц инертной и реагирующей фаз критическое (мини-

мально необходимое для прекращения горения) относительное массовое содержание инертных частиц линейно увеличивается с ростом относительного массового содержания топлива.', фи фиксированных размерах частии дисперсных фаз, а также при заданной концентрации топлива величина критического относительного массового содержания инертной фазы уменьшается с ростом протяженности экранирующего слоя. При заданных параметрах реагирующей дисперсной фазы и фиксированной длине экранирующего "слоя существует оптимальный размер инертных частиц, при котором относительное массовое содержание инертной фазы будет минимальным.

На эффект ослабления волн гетерогенной детонации в газовзвесях унитарного топлива влияет закон изменения начальной концентрации инертной фазы в экранирующем слое заданной длины и с фиксированной общей массой всех инертных частии. По сравнению с экранирующими слоями, имеющими нулевой, отрицательный и синусоидальный градиенты концентрации инертной фазы наиболее эффективным является слой с положительным градиентом концентрации инертных частиц. •

6. Дри разлете в газовое пространство сжатого объема горящей газовзвеси унитарного топлива формируется ударная волна за фронтом которой давление газа изменяется немонотонным образом и может быть как меньше, так и значительно больше величины начального разрывного давления. Максимальные значения -давления газа и импульсов скоростного напора фаз имеют место на некоторых характерных расстояниях от места распада начального разрыва давлений газовой фазы. Импульс скоростного напора частии на два порядка меньше импульса-избыточного давления газа и динамического импульса газовой фазы. Процесс волнового истечения сжатой горящей гаоовзвеси унитарного топлива с весьма крупными частицами ЮОмкм) с достаточной точностью может описываться в рамках "замороженной" с.хе-мы газовзвеси или модели газовзвеси с "замороженным" иежфазным массообменом.

7. Процесс метания слоя порошка конечным объемом сжатого газа. характеризуется тремя последовательными взаимосвязанными состояниями дисперсной смеси: континуумом контактирующих друг с другом частиц, плотным облаком неконтактирующих частии и облаком газо-гзееси. Движение ансамбля контактирующих частиц носит существенно волновой характер и определяется распространением и пзаимодейст-

)ием волн сжатия и разрежения друг с другом, с контактными грани-тми слоя порошкообразной среды и закрытым кинцом трубы. 3 резуль-■ате многократного взаимодействия встречных волн разгрузки в движемся сжатом порошкообразном слое возникают области разрежения ¡есконтактной смеси, что приводит к эффекту немонотонного распределения плотности частип и других параметров фаз ( эффекту послой-Юй разгрузки порошкообразного слоя ).

Дальност метания порошкообразного слоя и протяженность облака [астии в момент их прекращения движения от перепада начальных .авлений з толкающем и невозмущенном поровсм газах описываются ли-ейно-возрастающими зависимостями. Дальность метания слоя порошка лабо увеличивается с ростом характерного размера дисперсных частиц.

8. При динамическом воздействии воздушной ударной волны на сткую стенку, покрытую слоем насыпной порошкообразной среды няблю-ается значительное усиление отраженной от стенки ударной волны, силение полны, а также немонотонное изменение полного напряжения

а жесткой стенки определяется только волновыми процессами в диспер-ной фазе, обусловленными межгранулярнкми взаимодействиями. Воздей-твкз газовой фазы на стенку определяется процессом его фильтрации ерез слой порошкообразной среды и приводит к непрерывному монотои-сму росту давления на стенке.

9. Наличие слоя сжатой порошкообразной среды в камере высокого явления ударной трубы существенно влияет на параметры образующейся сздушной ударной волны в камере низкого давления. При зто.м емпли- ' /да ударной волны уменьшается, а длительность фазы сжатия волны величивается по. сравнению со случаем отсутствия частиц порсшко -5разной среди а камере высокого давления. Начальное межгрэнулпрноо зпряжение порошка в камере высокого давления весьма слабо влияет

1 параметры воздушной ударной волны по сравнению с начальным дпи-знием порового газа.

л

Основные публикации по теме диссертации

1. Мвандаев А.И., Кутуиев А,Г., Нигматулин Р.И.Газовая динамика многофазных сред. - Ударные и детонационные волны в газовзвесях // Итоги науки. Механика жидкости и газа. - ¡L: ваш, 1981. - Т.16. - С.2С9-287.

2. Ивандаев А.П., Кутушев А.Г., Нигмагулин Р.И. Численное исследование разлета облака диспергированных частиц или капель под действием взрыва // Изв. АН СССР. ШГ. - 1982. -

№ I. - С. 82-90.

3. Ивандаев А.И., Кутушев А.Г. Численное моделирование нестационарных волновых течений газовзвесей с вццелением границ двухфазных областей и контактных разрывов в несущем газе// ЧЖСС. - 1983. - Т. 14, !'' 6. - С.58-82.

4. Ивандаев А.И., Кутушев А.Г. влияние дисперсных частиц на затухание и взаимодействие с преградами взрывных волн в газовзвесях // Нестационарные течения многофазных систем с физико-химическими превращениями. - М.; Изд-во Ыоск. ун-та, 1983. - С. 60-79.

5. Ивандаев А.И., Кутушев А.Г. Влияние экранирующих слоев газовзвеси на отражение ударных волн // П.1ТФ. - 1985. -№ I. - С.II5-I20.

6. Ивандаев А.И., Кутушев А.Г. Некоторые закономерности эволюции плоских и сферических ударных волн в аэровзвесях//ТВТ.-1985. - Т.23, № 3. - С.506-512.

7. Ивандаев А.П., Кутушев А.Г., Нигматулин Р.И. Математическое моделирование процесса взаимодействия с жесткими стенками ударных волн в газовзвесях// ФХСМ. - 1986. - I? 2. - С. 79-82. ' .

8. Кругликов B.C., Кутушев А.Г. Ослабление воздушных •. ударных если слоями запыленного газа и' решетками// ПМТФ. -1988.-№ I. - С.51-57. '

9. Кругликов B.C., Кутушев А.Г. Ослабление ударных волн экранирующими решетками // ФГВ.-1988.-Т.24, Р I. - C.II5-I18,

10. Абуталиев 5.В., Кутушев А.Г., Назаров У.А. Распространение ударных волн в стратифицированных гаэовзвесях // ДАН Уз. ССР. - 1969. - I/' 6. - С.12-13.

11. Нигматулин Р.П., Кутушев А.Г., Гумеров II.А. О некоторых особенностях влияния пылевых частиц на взаимодействие с преградами ударных волн в газовзвесях // Химическая физика процессов горения и взрыва. Проблемы горения и взрыва. Материалы 9-го Всесоюзного симпозиума по горению и.взрыву. - Черноголовка: ОИХФ АН СССР. -1989. - C.I0I-I04; I61-152.

12. Кутушев А.Г., Назаров У.А., Нигматулин Р.И. Эволюция ударных волн в монодисперсных газовзвесях с переменным массовым содержанием частиц // Физическая газодинамика реагирующих сред.-Новосибирск: Наука. - 1990. - С.93-99.

13. Кутушев А.Г., Назаров У.А. Численное исследование закономерностей распространения ударных волн в мсно- и полидисперсных газовзвесях с однородным и неоднородным массовым содержанием твердых частиц // Итоги исследований 'ГОММС № I, Новосибирск: ИТ СО АН СССР, 1990.- С.20-32.

14. Кутушев А.Г. Об экранирующих свойствах однородных и неоднородных слоев моно - и полидисперсных газовзвесей // Акустика неоднородных сред.(Динамика сплошной среды), Новосибирск: ИГ СО АН СССР, - 1991. - Выл. ICO.- С.143-147.

15. Кутушев А.Г., Назаров У.А. Эволюция ударных волн в полидисперсных газовзвесях с неоднородны:.! распределением концентрации частиц // Изв. АН СССР. ИГ. - 1991. - № 5. - С. 183-190.

16. Кутушев А.Г. Назаров У.А. Ослабление УВ слоями однородной и неоднородной моно - и полидисперсной газовзвеси // 5ГВ. -1991. - Т.27, !? 3. - С.129-134.

17. Кутушев А.Г., Рудаков Д.А. Математическое моделирование динамического нагружения слоя пористой порошкообразной среды сжатым газом.// Математическое моделирование. - 1991. - Т.З, №11. - С.55-75.

18. Кутушев А.Г., Рудаков Д.А. Численное исследование процесса взрывного метания порошков Ц Итоги исследований ИММС № 2, Тюмень: ИС СО АН СССР, 1991. - С.40-44.

19. Кутушев А.Г., Назаров У.А. Ударные волны в парогазока-пельных смесях и в бикисперсных смесях газа и инертных твердых частии // Итоги исследований ИММС !•' 2, Тюмень: ИШС СО АН СССР, 199I. - С. 34-39.

20. Кутушев А.Г., Назаров У.А. Численное исследование не-

' *

стационарных ударных волн в парогазокапельных смесях // Изв. Ali СССР.ШУТ. - 1992, № 4. - С.67-75.

21. Кутушев Л.Г., Рудаков Д.Л. Численное исследование параметров воздушагх УЬ при разлете расширяющегося слоя порошкообразной среды Ц £ГВ. - 1992. - Т.20, № 6. - C.I05-II2.'

22. Кутушев А.Г., Назаров У.А. Численное исследование закономерностей отражения от жесткой стенки нестационарных ударных волн в газовзвесях с учетом падающих и отраженных твердых частиц // Итоги исследований ШМС Ь"> 3, Тюмень: 1ШС СО РАН, 1992.-С.37-42.

23. Кутушев А.Г., Пичугин О.Н. Численное исследование процесса прерывания распространения волн гетерогенной детонации слоем инертных частиц // Итоги исследований ИЫУС № 3, Тюмень: li'.'JC СО РАН, 1992. - С.43-50.

24. Куаушез А.Г., Родионов C.II. Нестационарные ударные волны в полидисперсных газовзвесях с непрерывной функцией распределения частиц по размерам // Итоги исследований ИММС № 3, Тюмень: ИММС СО РАН, 1992. - С.51-56.

25. Кутушев A.I'., Рудаков Д.А. Численное исследование ударно-волновых процессов в порошкообразных средах // Итоги исследований ШМС № 3, Тюмень: ИММС СО РАН, 1992. - С.57-62.

26. Кутушев А.Г., Родионов С.П. Распространение ударных волн в полидисперсных газовзвесях- // ШТФ.- - 1993. - № 2. - С. 24-31.

27. Кутушев А.Г. Пичугин O.II. Численное исследование процесса прерывания распространения детонационных волн в газовзвесях унитарного топлива слоем инертных частиц // ФГВ. - 1993.-Т.2Э, № 2. - С. 90-98..

28. Кутушев А.Г. Экранирование ударных волн слоями паро-газскапелыюй смеси // ГЫТ5. - 1993. - № 4. - С.38-46.

29. Кутушев А.Г., ГУдоков Д.А. Численное исследование воздействия ударной волны на преграду, экранируемую слоем пористой порошкообразной среды // ШТФ. - 1993. - |?> 5. - C.25-3I-.

30. Кутушев А.Г., Пичугин О.Н. Математическое моделирование разлета мы oft горящей газовзвеси унитаристе юплива // HtOf ги иселедььаний 1ШС 'г 4, Тюмень: ШМС СО PAil, IS93. - С.44-52.

31. Кутушев А.Г., Гсдионов С.П. Детонационные волны в смесях газа и частиц унитарного теплив» // Итоги исследог-анир ИММС » 4, Тюмень: ИММС СО ГАИ, 1993.-0.34-34,

32. Кутушев Л.Г., Родионов С.iL Численное исследование роцесса взрывного инициирования и эволюции детонационных волн

полидисперсных газовзвесях унитарного топлива с непрерывно',! ункцией распределения частиц по размерам // Итоги исследований MI,1С 4, Тюмень: КЖС СО РАН, 1993. - С.40-43.

33. Кутуиев Л.Г., Родионов С.П., Татосоп A.B. Численное сследование процесса взрьша облака частиц унитарного топлива ад твердой плоской поверхностью // Итоги исследований ¡1MMG

4, Тюмень: К;,MC СО РАН, 1993. - С.53-57.

Благодарности. Автор выражает глубокую признательность .11. Пигматулнну, а.И. Иоандаеву и A.A. Губайдуллпну за пслез-ые обсуждения работ-;.

Автор благодарит У.А. Назарова, Д.А. Рудакова, С.И. Годио-ова и 0.11. Ппчугина за помощь в проведении численных экслори-знтов и обработке результатов.