Экспериментальное и численное исследование газодинамики разлета продуктов детонации конденсированных взрывчатых веществ с твердыми частицами тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.05 ВАК РФ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ нм. М.В. ЛОМОНОСОВА

на правах рукописи

Теверовскнй Михаил Анатольевич

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ И ЧИСЛЕННОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ГАЗОДИНАМИКИ РАЗЛЕТА ПРОДУКТОВ ДЕТОНАЦИИ КОНДЕНСИРОВАННЫХ ВЗРЫВЧАТЫХ ВЕЩЕСТВ С ТВЕРДЫМИ ЧАСТИЦАМИ

Специальность: 01.02.05 -механика жидкости, газа и плазмы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва 1995

Работа выполнена d Институте механики МГУ им. M.D. Ломоносова.

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессор A.JI. Гонор

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор H.H. Смирнов

кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник В.А. Куликовский

Ведущая организация: Институт химической физики РАК

Защита состоится " dj " lU-C+tJ 1995 г. в ' Т часов на заседании Диссертационного совета Д.053.05.02

при МГУ им. М.В. Ломоносова в ауд. ^ ^ Адрес: 119899, Москва, Ленинские горы, главное здание МГУ

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке механико-математического факультета МГУ

Автореферат разослан " 23» 1995 г.

Ученый секретарь Диссертационного совета

профессор В.П. Карликов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность теми. Среди разнообразных взрывчатых веществ особое место занимают гетерогенные смеси последних с дисперсными, недетонирующимн добавками в виде твердых частиц. Введением частиц удается изменять энергетические характеристики заряда, работоспособность расширяющихся продуктов детонации, параметры детонационной волны. Взрывчатые смеси с дисперсными частицами широко используются в технике и встречаются в природе: в пиротехнических устройствах, при детонационном напылении материалов, при горении металлизированных топлив ракетных двигателей, при смешении угольный пыли с рудничным газом в шахтах и т.д.

При распространении детонации в таких смесях за фронтом волны образуется газовзвесь продуктов детонации с частицами, разлет которой сопровождается образованием мощных ударных волн в окружающей среде и, в случае химически активных частиц, их воспламенением и горением. В настоящее время подробно изучены влияние частиц на параметры детонационной волны и газодинамика одномерного движения газовзвеси продуктов детонации с твердыми частицами. Характер распространения детонационной волны в цилиндрическом заряде взрывчатого вещества с твердыми частицами (гладкость фронта, стационарность) и газодинамические особенности двумерного разлета газовзвесн продуктов детонации изучены недостаточно.

Таким образом, исследование детонации и разлета продуктов взрывчатых веществ с твердыми частицами, проведенное в диссертационной работе, является актуальным в теоретических и практических приложениях.

Цель работы: Экспериментальное исследование процесса разлета цилиндрических образцов, заполненных взрывчатым веществом и металлическими частицами. Построение математической модели и численное исследование газодинамики двумерного разлета продуктов детонации взрывчатого вещества с твердыми, инертными частицами за волной, распространяющейся вдоль оси цилиндрического заряда.

Научная новизна. В диссертации экспериментально исследован характер распространения детонационной волны в цилиндрическом заряде металлизированного взрывчатого вещества. Получены немонотонные зависимости скорости детонации и угла разлета продуктов в окрестности фронта волны в зависимости от массовой концентрации частиц. Экспериментально исследовано влияние горения частиц на растекание продуктов детонации прореагировавшего заряда в объеме взрывной камеры.

11а основе результатов экспериментов построена математическая модель осеснмметрнчного разлета газовзвеси продуктов детонации с твердыми, инертными частицами за плоскостью Чепмена-Жуге в постановках "запыленного" и эффективного газов. Численным моделированием выявлены основные газодинамические особенности разлета, обусловленные влиянием частиц и бокового растекания газовзвеси.

Выполнен расчет параметров сжатого ударной волной слоя воздуха в окрестности фронта детонационной волны с учетом диссоциации за скачком. Показано, что для плотных взрывчатых веществ температура сжатого ударной волной слоя воздуха оказывается выше температуры продуктов детонации в плоскости Ч е п м е н а -Жу г г;.

Практическая ценность работы. Полученные п диссертации результаты могут бить использованы при разработке технологий с применением детонации зарядов взрывчатых веществ с твердыми частицами, при проектировании устройств, создающих высоконерасчетные двухфазные струн. Проведенный анализ температур в сжатом слое воздуха и плоскости Чепмена-Жуге позволяет по-новому интерпретировать результаты измерения температур при детонации конденсированных взрывчатых веществ.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на семинарах в Институте механики (рук. академик Г.Г. Черный) и кафедры "Волновой и газовой динамики" механико-математического факультета (рук. академик В.Н. Шемякин) Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова. Результаты работы получили положительную оценку.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Диссертация содержит 162 страницы машинописного текста, включая 33 рисунка и список цитированной литературы из 136 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении отмечена актуальность темы исследования, кратко приведены основные физические эффекты и теоретические результаты в исследованиях детонации конденсированных взрывчатых веществ (ВВ) с твердыми частицами. Сформулированы цели работы и кратко излагается ее содержание.

В первой главе даны общая классификация взрывчатых смесей с частицами, обзор теоретических и экспериментальных

наследований по детонации ВВ с твердыми частицами.

В & 1.1 рассмотрены две основные группы взрывчатых смесей с частицами:

A. Газовые гетерогенные взрывчатые смеси: взвеси твердых или жидких частиц в газообразной взрывчатой или горючей смеси.

B. Конденсированные ВВ с твердыми частицами.

Внутри каждой группы взрывчатые смеси классифицируются по характеру взаимодействия фаз при детонации.

В § 1.2 описаны газодинамические модели ("запыленного" газа, детонационных воли), используемые в численном моделировании дв1гження газовзвесей с частицами за детонационными волнами. С помощью характерных ударных и детонационных адиабат рассмотрены различные состояния фаз при детонации, структура гетерогенных детонационных волн.

В § 1.3 дан обзор результатов основных экспериментов по исследованию влияния твердых частиц (химически активных или инертных) на разлет продуктов и параметры детонации конденсированных ВВ.

Вторая глава посвящена экспериментальному исследованию процесса разлета образцов, заполненных конденсированным ВВ и мелкодисперсными алюминиевыми частицами. Цель эксперимента — выявление характерных особенностей процесса необхо-' днмых для построения математической модели разлета продуктов детонации ВВ с твердыми частицами.

В § 2.1 приведена постановка и методика эксперимента. Экспериментальная установка на базе воздушной взрывной камеры включала в себя высокоскоростную фотокамеру ВСК-5. систему автоматизированного измерения давления в воздухе датчиками АИД и дистанционный пульт подрыва образца с детонн-

рующей смесью. Фотокамера применялась для визуализации процесса детонации образца. Высокая частота покадровой съемки (282-103 кадров/с) позволила получить подробные кинограммы распространения детонационной волны в образце.

Датчики давления регистрировали разлет продуктов продетоиировавшего образца: падающую и отраженную от стенок взрывной камеры ударные волны, растекание облака продуктов детонации. Запуск датчиков происходил при падении ударной волны взрыва на чувствительный элемент. Запись информации с датчиков в запоминающее устройство производилась последовательно. Время между двумя измерениями составляло 31,25 мке; общее время работы датчика от момента запуска — 8 мс.

Схема эксперимента показана на рис. 1. Образец 1 вывешивался в центре взрывной камеры 2 в поле объектива фотокамеры 3. Сигнал на подрыв образца поступал с выносного дистанционного пульта. Оптическая ось объектива ВСК-5 совмещалась с осью смотровых окон взрывной камеры, снабженных обоймами с оптическими стеклами 5. Фотокамера находилась в ждущем режиме. Сигналом для запуска фотокамеры служил импульс от фотоэлемента 4, реагирующего на вспышку при подрыве детонатора. Т.к. процесс разлета образца сопровождался ярким свечением продуктов детонации, то дополнительной подсветки не требовалось. Датчики давления б помещались в ящик с песком 7 у стенки камеры на расстоянии примерно 1,7 м от образца. Поверхность чувствительного элемента совпадала с уровнем песка в ящике. Блок памяти датчиков располагался п камере и защищался от повреждений специальной крышкой (на рисунке не показан).

Образец представлял собой тонкостенный алюминиевый цилиндр, заполненный взрывчатым веществом (взрывчатый напол-

Рис. I Схема экспериментальной установки. I - модель, 2 - взрывная камера, 3 - фотокамера ВСК-5, 4 - фотоэлемент, 5 - оптические диски, б - датчики измерения давления АИД, 1 - ящик с песком.

ннтель) и алюминиевыми частицами. В экспериментах использовались образцы с различной массовой концентрацией о5 частиц алюминия в наполнителе.

В § 2.2 рассматривается процесс развития и распространения детонационной волны в металлизированном ВВ, представленный на кинограммах разлета. Продукты детонации видны в виде ярко светящейся области. Фронт детонационной волны идентифицировался с передней поверхностью светящейся зоны в образце. Скорость детонационной волны определялась по кинограмме измерением перемещения фронта. Окончательный результат получался осреднением по данным нескольких опытов.

Анализ и обработка кинограмм разлета показали, что детонационная волна в металлизированной смеси имеет негладкий фронт, продукты детонации за волной занимают симметричную конусообразную область, процесс распространения детонации в образце является квазистацнонарным.

Получена немонотонная зависимость скорости детонации О от массовой концентрации а£ металлических частиц (рис. 2, где пунктирными линиями показан доверительный интервал с учетом 10%—нон ошибки измерения). Явление уменьшения скорости детонации при добавлении в заряд ВВ металлических частиц хорошо известно из экспериментов. Полученный результат — немонотонное изменение скорости детонации при увеличении содержания металлических частиц — раннее не отмечался.

Для объяснения немонотонного поведения скорости детонации металлизированных ВВ предложен механизм, связанный с одновременным действием двух факторов: искривлением фронта детонационной волны в окрестности частицы и горением алюминиевых частиц за детонационной волной. Уменьшение скорости

БПСГ

\ \ ч N Ч Ч / / ■ /

\ \ \ Ч^ ч Ч N. Ч ^ Ч Ч У —. _ У / /

0.1

0.2

0.3

0.4 0.5

И»

Рис. 2. Зависимость скорости детонации от массовой концентрации частиц.

Погрешность измерения — 760 м/с.

60 70

60

50

40

30

_____ ч

/ / / / „ / / , — \ \ ч

У у у / У чЧ ч

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

а.

Рис. 3. Зависимость угла разлета продуктов детонации от массовой концентрации частиц.

Погрешность измерения

- И -

детонации, по-видимому, обусловлено искривленном фронта волны, отмеченное повышение - пороговым характером эффекта горения алюминиевых частиц: при достаточно интенсивном тепловыделении формируется импульс сжатия, который уснлньает детонационную волну.

Квазпстацнонарность процесса детонации образцов подтверждают н результаты измерения угла разлета ¡р продуктов детонации в окрестности фронта волны. С удовлетворительной точностью этот угол остается постоянным все время движения детонационной волны по образцу. Зависимость угла разлета от массовой концентрации частиц приведена на рис. 3. Как и в случае О(о,5) полученные точки зависимости <р(а5) образуют немонотонную кривую.

§ 2.3 посвящен анализу движения продуктов продетоннро-вавших образцов в объеме взрывной камеры. По результатам измерения давления (рис.4) сравниваются картины разлета продуктов детонации алюминизнрованного (рис. 4 а, б, в) и "обычного" (без частиц) зарядов ВВ (рис. 4 г).

Ударно—волновая стадия разлета продуктов детонации в камере отмечена характерными всплесками, которые соответствуют падающей (точки 1 на рнс. 4) и отраженной от стенки камеры (точки 2) ударным волнам. Отличительной особенностью детонации металлизированного ВВ является образование газовзвесн продуктов детонации с частицами, в которой протекает реакция горения с интенсивным выделением тепла. Газовзвесь движется за ударной волной в виде высокотемпературного облака с высоким внутренним давлением. Расширяясь, облако создает длительный импульс давления в камере, который фиксируется датчиком (точки 3 на рис. 4 а-в). Отсутствие на графике резких всплесков

Рис. Зависимость избыточного давления в камере от времени,

а. -с* = 0,14, б. -оС5= 0,23, в. = 0,44, г. - о15 = О

указывает на безволновой характер этой стадии. Протяженная во времени, по сравнению с взрывом обычных ВВ, фаза сжатия является следствием горения газовзвеси. Детонация ВВ без частиц происходит без образования реагирующей взвеси; по завершении ударно—волновой стадии процесс быстро затухает (рис. 4 г).

Глава 3 посвящена построению математической модели разлета продуктов детонации (ПД) конденсированного ВВ с твердыми инертными частицами за плоскостью Чепмена-Жуге (ЧЖ) при распространении стационарной детонационной волны (ДВ) вдоль оси цилиндрического заряда. В основу модели положены результаты экспериментальных исследований распространения детонации в металлизированном ВВ.

В § 3.1 дана постановка задачи о разлете. Рассматривается полубесконечный цилиндр радиуса Я, заполненный ВВ и твердыми частицами. С торца инициируется ДВ. Пренебрегая участком формирования, детонация считается стационарной, характеризуемой постоянной скоростью волны О и описываемой моделью ЧЖ. За плоскостью ЧЖ имеется монодисперсная смесь ПД (несущая фаза) с частицами (дисперсная фаза), движение которой определяется в рамках модели "запыленного" газа. Объемной долей частиц прене-брегается. Частицы химически инертны.

Осесимметрнчная схема разлета продуктов при детонации ЧЖ цилиндрического заряда ВВ в воздухе в системе координат, связанной с волной, показана на рис. 5. Возможность применения такой схемы подтверждается расчетом.

Задача о разлете газовзвеси ПД рассматривается как задача об истечении стационарной, осеснмметричнои. неравновесной по скорости и температуре двухфазной струн с иерасчст-ностыо и = р:/рх в сверхзвуковой спутный воздушный поток с

У В

м_

А

И 1 Л

О

X

Рис. 5. Схема разлета продуктов детонации цилиндрического заряда В И с твердыми частицами.

ОА— детонационная волна; АВ- ударная волна в воздухе; АС- контактная поверхность; АЛ— сепаратриса потока частиц; ЭБ'— висячий скачок.

0.4

Р«

0.3 0.2

0.1

0.0

0.01 0.1 1 х

Рис. 6. Давление на оси струи Р„(х; /?), а,= 0,34.

0- /3= 0 1- /5= 0,2 2- р= 1 3- /3= 4 4- /3= 24 5- 0= 100 6- /3= 400 7- /5= „

числом Маха М^ = U/я^ (здесь pj — давление в плоскости ЧЖ; рж, а —давление, скорость звука в набегающем спутном потоке воздуха, соответственно). Проведенные оценки положения диска Маха показали, что на расстояниях около трех калибров от плоскости ЧЖ течение газа является чисто сверхзвуковым.

Стационарное движение неравновесной по скорости и температуре газовзвеси описывается системой уравнении "запыленного" газа (Marble F.E., Ann. Rev. Fluid Mech. V 2. 1970):

где — "размазанная" плотность среды частиц; ш —полная энтальпия: /ч, - компоненты силы /5 и тепловой поток в межфазном взаимодействии, соответственно; — удельная теплоемкость материала частицы; Я —газовая постоянная струн; остальные обозначения общепринятые. Уравнения написаны в безразмерном виде. В качестве основных масштабов взяты значения параметров в плоскости ЧЖ, давление отнесено к величине

Здес ь и ниже индексом "]" отмечены значения параметров в плоскости ЧЖ: индексом "о" — начальные параметры дисперсной смеси; индексом "в" - параметры среды частиц; индексом "ос" -

^(pu4p) + §-y(puv)+ef + Psfx = o

+ I^+P) + + pJ* =0

Itfpuw) + ^pvw) + ^+Ps(uJx+vJy) + Hp£?s = 0

параметры спутного потока; -размерные величины.

Система замыкается заданием силы теплового потока qs, действующих на одиночную частицу со стороны несущей фазы и - уравнений состояния фаз.

Сила fs задается, как сила аэродинамического сопротивления с поправками на инерционность и сжимаемость несущей фазы (Carlson D.E. к Hoglund R.F., AIAA. V 6. N 2. 1964). Поток тепла ?s определяется конвективным теплообменом частицы с газом с поправкой на инерционность несущей фазы (Drake R.M., J. Heat Transfer. 1961. V. S3):

О cD/cS

2./)._Р--Л.0.(Г_Г)

15 Рг G = (1 +0,15-Яе°'ш)-[1 + ехр(-

О , 427

Л^'63 Яе°'88 0 = 1 + 0,23 -Яе^-Рт0'33,

Пе& = дв щ = це =

11 ГТ

М- =Ц-,»=1"(ы>0), Рг= 47/(97 — 5) aj

где в, О — поправки, учитывающие реальные свойства

несущей фазы; Яе6, М5 — числа Рейнольдса и Маха относительного

# *

обтекания частицы, соответственно; 0=Я /1У;

* * * * *

= /(6 )-характерная длина релаксации скорости

частицы; ms-масса частицы; —число Прандтля;

* *

ср — удельная теплоемкость несущей фазы; as — радиус частицы; * *

А , // - коэффициенты теплопроводности и вязкости газа, соот-*

ветственно; а — скорость звука в газе. Параметр Р описывает интенсивность релаксационных процессов в газовзвесн: при 0 - О частицы сохраняют значения параметров, заданные граничными

условиями ("замороженное" течение), прн /3->оо смесь описывается моделью равновесного (эффективного) газа.

Уравнения состояния фаз. Уравнение состояния дисперсной фазы, в силу условия несжимаемости, имеет вид: р® = const (здесь р1~ плотность материала частицы). Для ПД (7 = 3) и воздуха (у = 1,4) принимаются уравнения состояния идеального совершенного газа:

т = у.

т-ЬЩтЯ

* # * ♦ * *

где п = Р;/Рю> r= Pj/P^ ' = ^j/^f

Граничные условия. Границами расчетной области в задаче о разлете газовзвеси ПД с твердыми частицами являются (рис. 5): детонационная волна (левая граница), ударная волна АВ (внешняя граница), контактная поверхность АС (внутренняя граница), ось симметрии потока, плоскость х= const (правая граница).

Для несущей фазы (ПД) условиями на левой границе служат соотношения на сильной ДВ; для дисперсной — условие непрерывности параметров частиц прн переходе через волну детонации. В

системе координат ДВ имеем:

* 1 *га * 7+1 * * 7 LP * 7 „

Pj = Р; = V0' Т' = (7+1)'(V-1) -с? "j = т+ГD

* * »

«.,• = rsj = Т„ ■ Скорость детонационной волны D и начальная плотность ВВ р0

считаются известными. В спутном потоке — невозмущенный воз* * * *

дух: р , р , Т . к = D. В безразмерном виде при 1=0 для ПД, возду-

ГС- ГГ\ ГГ IY) * *

* *

. , , Л' ■ И

ос оэ ос1 ос ха и частиц имеем

р = \1-,М]. /> = 1, 7'= 1, и = 1. г= О; р = 1 /:•»,/)= 1/г. 7'= 1//. и = г= 0;

2±1.

7 s

где — начатьная массовая концентрация частиц.

pf = "... 7; = 1//, = ,s = О

Положення внутренней и внешней границ определяются в ходе решения задачи. На каждом отрезке [z,, i;,,] элементы внутренней н внешней границы аппроксимируются секущими, на которых записываются условия на контактном разрыве и косом скач- ь ке, соответственно. На плоскости const (в расчетах 1=5) ввиду сверхзвукового характера течения газа дополнительных условии не требуется. На оси симметрии — и = 0.

Уравнения движения, законы взаимодействия фаз, уравнения состояния вместе с граничными условиями полностью определяют осесимметричный стационарный разлет газовзвеси ПД гетерогенного заряда ВВ в воздухе.

В § 3.2 приведено описание метода расчета движения газовзвеси с частицами за плоскостью ЧЖ. Для расчета несущей фазы выбран стационарный аналог метода С.К. Годунова, для расчета дисперсной — дискретно-траекторный метод. Кроме описания стандартных процедур даны модификации метода С.К. Годунова, связанные с численной реализацией граничных условий на оси симметрии, контактной поверхности и ударной волне. Приведен алгоритм вычисления "размазанной" плотности среды частиц.

Использование стационарного метода С.К.Годунова возможно только для сверхзвуковых, в маршевом направлении, течений. Поэтому начальный слой в численных расчетах располагается не на плоскости ЧЖ, где Mj = 1, а на некотором расстоянии х— Zq, где имеется развитое сверхзвуковое течение. Построение такого течения подробно описано в пункте 3.2.3. Там же приведен алгоритм расчета углов наклона скачка в воздухе и контактной поверхности в окрестности фронта детонационной волны.

В § 3.3 описана методика выбора оптимальных параметров разностной схемы (число ячеек в газе, количество траекторий

частнц, коэффициент устойчивости схемы), обеспечивающих вычисления с заданной точностью и равную величину погрешностей, вносимых разбиением расчетной области эйлеровой и лаг-ранжевой сетками. Приведены результаты методических расчетов. Получены формулы, связывающие параметры разностной схемы с требуемой точностью расчета.

В § 3.4 дана постановка задачи о разлете газовзвесн ПД с твердыми частицами в приближении эффективного газа. Такая постановка оправдана для взрывчатых смесей с малоинерцнонны-мн частицами и позволяет рассчитывать разлет по "обычным" уравнениям газовой динамики с вндоизменнымн свойствами газа. Кроме того, модель эффективного газа является хорошим тестом для проверки корректности программ, составленных по алгоритму с взаимным влиянием фаз.

Особенность задачи заключается в том, что в плоскости ЧЖ смесь неравновесна: V ф у6, Тф Т£. Необходимо вычислить параметры смеси после перехода к равновесному состоянию и принять их в качестве граничных условий для уравнений эффективного газа. Это достигается с помощью законов сохранения массы, импульса и энергии, связывающих начальное "1" (неравновесное в плоскости ЧЖ) и конечное "е" (равновесное) состояния смеси: = Р5еие> Ре№1=Р*и*< Р%А + Р] +/>6!»?! = РЪА + Ре + ^■«.•(СрГ, + «?/2) + Р^Л^Т« + "51/2) =

= + ае/2) + + %/2)

Р = РЪПТ

где индекс относится к параметрам газа, индекс "н" к параметрам частиц; остальные обозначения общепринятые.

Получены формулы, дающие решение задачи о вычислении

значений и параметров (газовой постоянной Ле, показателя адиабаты 7е, числа Маха Л/^е) элективного газа в плоскости ЧЖ.

Указаны области значений исходных параметров смеси (М^,

а8, <5, т, 7), для которых стационарное решение задачи о перехо-р

де к равновесному состоянию несправедливо (здесь а£, 6 = т = —начальные массовая концентрация частиц, отношения скоростей и температур фаз, соответственно). Приведены формулы пересчета для сравнения результатов численных решений в постановках "запыленного" и эффективного газов.

Глава 4 посвящена описанию газодинамики разлета ПД с частицами по результатам численных расчетов и расчету параметров сжатого ударной волной слоя воздуха в окрестности фронта ДВ.

В § 4.1 приведены параметры разлета ПД для четырех вариантов, различающихся содержанием твердых частиц. Скорости детонации взяты из данных экспериментов. Газодинамика разлета рассматривается на примере смеси с массовой концентрации дисперсной фазы а& = 0,34. В расчетах варьировалась величина параметра релаксации /?, отвечающая разным размерам частиц. Рассмотрены случаи разлета ПД без частиц (/?= О) и в приближении эффективного газа (/? = ее). Расчеты при /? = О охватывают также предельный случай разлета ПД с крупными частицами, когда отсутствует взаимное влияние фаз. Влияние о5 на газодинамику разлета показано для взвесей ПД с мелкими (¡3 = 400) частицами.

Некоторые характерные особенности разлета, связанные с наличием частиц показаны па рис. 6-8. Рис. 6 иллюстрирует сходимость численного решения в постановке "запыленного" газа к решению для эффективного (кривая 7) при возрастании /1

1.6 1.4

1.2 1.0

0 2 .4 X 6

Рис. 7. Скорость газа на оси струи, а,= 0,34. 1- 0= 0 2-/3= 0,2 3- /5= 24 4- /3= т

б У

4

2 0

10 -4 10 10 -* 10 1 Т

Рис. 0. Температура газа а, =0,34

Х= 2: 1- р= 0 2- /?= 400; Х= 5: 3- /3= О 4- 0= 400.

1

-- 4

л

У \

1 1111(11 Т 1 1 1 (III 13 14 1 1 1 1 |)< III 1 1 II 11111

Налнчне частиц приводит к формированию поступательно движущегося ядра за плоскостью ЧЖ в газовзвсси ПД с постоянными параметрами под начальной характеристикой эффективного газа с числом Маха ("полки" на кривых 2 — С). Размеры ядра уменьшаются с возрастанием радиуса частиц. Образование поступательного ядра в потоке и два этапа ускорения ПД с высокими значениями поперечных градиентов скорости газа показаны на рис. 7. Начальное ускорение происходит на участке релаксации фаз до образования ядра, вторичное — после его разрушения. Разлет газовзвеси за плоскостью ЧЖ сопровождается интенсивным охлаждением ПД (рис. 8, где показаны температуры ПД в двух поперечных сечениях расчетной области) и частиц с резким перепадом температур фаз в поперечном направлении. Расширяющиеся ПД окружены тонким высокотемпературным слоем сжатого в скачке уплотнения воздуха (верхние участки кривых на рис. 8).

Для конденсированных ВВ характерны высокие скорости распространения детонации. Разлет ПД таких веществ сопровождается образованием мощных ударных волн, в которых воздух разогревается до температур, когда становятся существенными процессы диссоциации.

В § 4.2 выполнен расчет параметров сжатого слоя в окрестности фронта ДВ с учетом мгновенной диссоциации воздуха в скачке. Диссоциированный газ за скачком уплотнения описывался равновесным уравнением состояния с измененным показателем адиабаты. Показано, что учет диссоциации приводит к существенному изменению параметров в сжатом слое, уменьшению угла наклона скачка и незначительному увеличению угла разлета ПД. Кроме того, для плотных ВВ температура сжатого слоя воздуха оказывается выше температуры ПД в плоскости ЧЖ.

В заключении перечислены основные результаты диссертационной работы.

1. Разлет образца сопровождается двумя характерными стадиями: а) детонацией металлизированного взрывчатого наполнителя; Ь)растеканием и горением взвеси ПД с частицами в объеме взрывной камеры.

2: Детонация металлизированного ВВ протекает квазиста-цнонарно. Для ДВ в металлизированном ВВ характерен искаженный (негладкий) фронт. ПД занимают симметричную конусообразную область за фронтом ДВ.

3. Измеренные значения скорости ДВ и угла разлета ПД в окрестности фронта от массовой концентрации частиц зависят немонотонно.

4. Растекашю газовзвеси ПД с частицами в объеме взрывной камеры — процесс нестационарный. Взвесь в виде облака движется за ударной волной и создает протяженный по времени импульс давления в камере. Суммарный импульс давления в замкнутом объеме, создаваемый алюмшгнзированным ВВ, превосходит импульс при детонации заряда ВВ без частиц.

5. Численные расчеты подтвердили возможность использования принятой осеспмметричной схемы разлета ПД. Структура течения в соответствии с этой схемой включает в себя: а)присоединенный к плоскости ЧЖ скачок уплотнения в воздухе: Ь) контактную границу области ПД; с) сепаратрису потока частиц, которая может пересекать границу ПД; <1) висячий скачок уплотнения, образующийся вблизи границы ПД. Падение висячего (качка на ось симметрии и появление диска Маха можно ожидать на расстояниях не менее трех калибров заряда от плос кости ЧЖ.

0. Расширяющиеся ПД окружены тонким высокотемператур-

ним слоем сжатого в скачке уплотнения воздуха. Температура в слое сжатого воздуха меняется при удалении от плоскости ЧЖ заметно медленнее, чем в области ПД.

7. Взаимодействие несущей и дисперсной фаз за плоскостью ЧЖ приводит к образованию поступательно движущегося ядра в потоке ПД. После зоны релаксации течение перестраивается и выходит на режим, характеризуемый постоянными параметрами некоторого эффективного газа. Размеры ядра уменьшаются с увеличением радиуса частиц. Область ядра ограничивается, как и следовало ожидать, характеристикой, угол наклона которой определяется числом Маха в эффективном газе.

8. Ускорение ПД протекает в два этапа: а) начальное ускорение непосредственно за плоскостью ЧЖ до образования ядра потока; Ь) вторичное - после разрушения ядра. Для этих этапов характерны высокие значения поперечных градиентов параметров.

9. Наличие частиц приводит к уменьшению давления, плотности, температуры ПД в области формирования и существования ядра потока по сравнению с разлетом ПД заряда ВВ без частиц. После разрушения ядра давление, плотность и температура в ПД с частицами выше, чем в "чистом" газе.

10. Разлет газовзвеси сопровождается интенсивным охлаждением ПД за счет расширения и теплообмена с частицами. Охлаждение настолько велико, что температура НД становится много меньше температуры окружающего ударно сжатого слоя воздуха. Нагрев частиц происходит в ядре потока ПД. После разрушения ядра частицы интенсивно охлаждаются, сохраняя максимум температуры на оси симметрии. Для дисперсной фазы характерен значительный перепад температуры, в поперечном направлении обрат-

но пропорциональный размеру частиц.

11. Учет диссоциации воздуха приводит к существенному изменению параметров в сжатом слое, уменьшению угла наклона скачка и незначительному увеличению угла разлета ПД.

12.Отношение температур воздуха в сжатом слое и ПД в плоскости ЧЖ зависит от начальной плотности ВВ: в плотных ВВ температура ПД оказывается ниже температуры воздуха в сжатом слое.

2.

3.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕГТАЦИИ.

Гонор А.Л., Теверовский М.А., Тирская Р.И. Численные исследования разлета капли вязкой жидкости под действием импульса давления // Механика реагирующих сред и ее приложения. Сб. науч. тр. СО АН СССР. Новосибирск, 1989. С. 156 - 162.

Гилинский М.М., Теверовский М.А. и др. Методика численного решения некоторых задач для двух- и однофазных течений в соплах и струях, истекающих в затопленное пространство или спутный поток. М.: Отчет Института механики МГУ. К 3874. 1989.

Гилинский М.М., Гонор А.Л., Теверовский М.А. Разлет цилиндрических объемов гетерогенных металлизированных сред // Математ. моделирование нестационарных процессов в механике сплошных сред. Сб. науч. тр. МИП, 1990. С. 69 — 83.