Экспериментальное исследование течения продуктов газовой детонации с частицами тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.17 ВАК РФ

V 4 Ьч 1»

АКАДЕМИЯ. НАУК СССР ОРДЕНА ЛЕНИНА СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ИНСТИТУТ ГИДРОДИНАМИКИ им. М.А.ЛАВРЕНТЬЕВА

На правах рукописи

Григорьев Владимир Викторович

УДК 537.311.3 : 539.63

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕЧЕНИЯ ПРОДУКТОВ ГАЗОВОЙ ДЕГОНАЩИ С ЧАСТИЦАМИ

Специальность: 01.04.17 - химическая физика, в том числе физика горения и взрыва

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Нов осибирск-1991

Работа выполнена в Ордена Трудового Красного Знамени Институте гидродинамики им. М. А. Лаврентьева СО АН СССР.

Научный руководитель - кандидат физико-математических наук

Т.П. Гавриленко Научный консультант - кандидат физико-математических наук

Ю.А. Николаев

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

В.Ф. Нестеренко

доктор физико-математических наук О.П. Солоненко

Ведущая организация - Институт теоретической и прикладной

механики

Защита состоится " 2/ " >--'«• Л 1992.г. в 1-0 часов на заседании Специализированного совета Д002.55.01 при Институте гидродинамики СО АН СССР по адресу: 630090, Ново-сибирск-90, пр. Лаврентьева 15.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим высылать по указанному адресу.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института гидродинамики СО АН СССР.

// ^ / 1 Автореферат разослан " у " / а'и199 / г.

Ученый секретарь Специализированного совета

к.ф.-м.н. \\ (\ \| Яковлев И.В.

| ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

•• »-я»!

лдвл Актуальность проблемы. Интенсивное развитие одного из !23ШР1длений газодинамики многофазных сред - двухфазных течений типа газ-частицы обусловлено широким распространением этого явления в технологиях машиностроения, химической промышленности, топливной энергетики и др. В частности, настоящая работа возникла из необходимости создания научных основ газодетонационного метода нанесения покрытий, основанного на использовании энергии продуктов газовой детонации для разгона и разогрева мелкодисперсных частиц. Для создания и развития физических и математических моделей этого явления, для решения прикладных задач необходимы экспериментальные исследования физических закономерностей взаимодействия дисперсной фазы с нестационарным потоком газа за фронтом детонационной волны, а также измерение основных параметров течения.

ЦЕЛЬЮ РАБОТЫ является решение проблемы измерения скорости и температуры частиц в потоке газа за детонационными волнами и на ее основе исследование процесса разгона и разогрева частиц продуктами газовой детонации, использование полученных результатов для" апробации математических моделей явления.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА. Существенно повышена точность измерения скорости и температуры частиц с размерами -100 мкм в импульсном потоке продуктов газовой детонации, что позволило применить их результаты для анализа явления и верификации математических моделей. Получены экспериментальные данные по динамике разгона и разогрева частиц, метаемых стационарными и пересжатыми детонационными волнами внутри и вне детонационных труб различной формы. Зарегистрировано дробление первоначально твердых частиц в процессе разгона и показано, что оно происходит при полном или частичном расплавлении частиц.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ состоит в том, что были получены надежные экспериментальные данные по температуре и скорости частиц, на основе которых создана и апробирована одномерная математическая модель течения продуктов детонации с частицами в трубе и могут быть полезны для разработки двумерной модели течения внутри и вне трубы. Эти данные были использова-

ны при создании модели механизма образования покрытий при газодетонационном напылении. Полученные результаты о взаимодействии дисперсной фазы с нестационарным потоком газа могут быть использованы при исследовании гетерогенной детонации. Результаты исследований используются в ряде исследовательских организаций и промышленных предприятий, занимающихся газодетонационным нанесением покрытий. АВТОР ЗАЩИЩАЕТ:

-достоверность использованных методов измерения скорости и температуры частиц в потоке продуктов газовой детонации;

-экспериментально полученные зависимости скорости и температуры частиц от формы и размеров детонационной трубы, состава газовой смеси, глубины загрузки и концентрации, плотности и дисперсности порошка и его материала;

-результаты исследования метания частиц пересжатыми детонационными волнами;

-результаты исследования дробления частиц; -приближенную математическую модель затухания ударных волн, возбуждаемых газовой детонацией, в трубах, заполненных аэровзвесью мелкодисперсных частиц и подтверждающие ее экспериментальные данные;

-результаты проверки точности математических моделий разгона и разогрева частиц в газодетонационных трубах.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Результаты работы докладывались на семинарах ИГиЛ и ИТПМ СО АН СССР, на vii Всесоюзном симпозиуме по горению и взрыву (Черноголовка, 1983), на Всесоюзном семинаре по детонационным покрытиям (Киев, 1983 ), на ix Всесоюзном симпозиуме по горению и взрыву (Суздаль, 1989), на x Международном симпозиуме herf (Югославия, 1989), на i Всесоюзной конференции по оптическим методам исследования потоков (Новосибирск, 1991).

Результаты исследований отмечены 11-й премией на конкурсе молодых ученых СО АН СССР 1990 года и 1-й премией на конкурсе молодых ученых ИГиЛ 1990 года.

ПУБЛИКАЦИИ. По содержанию диссертации опубликовано 11 печатных работ.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертация состоит из введе-

ч

ния, трех глав, выводов по главам, заключения, содержит 2 таблицы, 49 иллюстраций, библиографию, включающую 105 наименований, и имеет общий объем 128 страниц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение_и_Глава_1. Основными параметрами, характеризующими течение продуктов детонации с частицами, являются скорость V и температура Т последних. При измерении этих параметров возникают проблемы, обусловленные спецификой изучаемого явления: импульсным характером процесса (времена —3 —5

10 -10 с), малыми размерами частиц (диаметр 10-100 мкм), высокой скоростью (=«1000 м/сек) и интенсивным собственным излучением продуктов детонации ( температура 3000-5000 К, плотность 0,2-2 кг/м ). Поэтому экспериментальное исследование метания частиц является достаточно сложной задачей.

В этой области известны работы большой группы исследователей, таких как Астахов Е.А., Бартенев С.С., Зверев А.И., Клименко B.C., Скадин В.Г., Федько Ю.П., Шаривкер С.Ю., Шор-шоров М.Х. и многих других. Ими был использован и разработан ряд методов (следограмм, фотодатчиков, термометр сопротивление, двухцветовая пирометрия и др. ) для измерения скорости и температуры ансамблей частиц. Эти методы использовались при отработке технологий детонационного напыления, дали первые результаты по скорости и температуре частиц, но они имеют невысокую точность, пространственное и временное разрешение и не позволяют проводить измерения внутри трубы.

В данной работе измерения проводились методами быстродействующей лазерной визуализации и многолучевой пирометрии. Объедененная схема экспериментальной установки представлена на рис.1. Их применение для диагностики сходных явлений, таких как: ударные волны в аэровзвесях и плазма с частицами в плазмотронах показало, что они практически не оказывают воздействия на исследуемый объект, обладают высокой точностью, имеют высокую чувствительность и пространственновременное разрешение, что позволяет проводить локальные измерения параметров.

Сущность метода лазерной визуализации заключается в

фотокамера

-а не

- фоторегистр

(

детонац.

труба -------V - - =

усилитель \

гО

осциллограф•

гтЯ

стробоскоп

_трехлучевой пирометр

Рис. 1. Схема экспериментальной установки.

применении лазерного стробоскопа для многоэкспозиционной фоторегистрации (Алхимов А.П., Бойко В.М., Папырин.А.Н. ). На одном и том же фотоматериале с равными интервалами времени регистрируется несколько последовательных изображений движущегося ансамбля частиц. По расстоянию X между двумя соседними изображениями одной частицы, можно определить ее среднюю скорость на этом участке. В качестве стробоскопа использовался твердотельный лазер на рубине с ячейкой Керра, который обеспечивал генерацию световых импульсов длитель-

_о

ностыо т =<3»10 с. Интервалы между ними ^ регулировались в пределах (10-500) мкс с точностью б(Д1)=0,2 мкс. Погрешность в измерении X бх=0,1 мм. При характерных Дъ=20 мкс и х = 5 мм относительная погрешность измерения скорости 6У/У = бх/х+б(ДЬ^ 3 %. Отличительной особенностью описанной экспериментальной установки являлось наличие усилителя, что позволило выделить рассеянное частицами излучение на фоне свечения продуктов детонации (ПД). В качестве усилителя применялся лазер типа ГОР-юо М по однопроходной схеме с коэффициентом усиления 7-8.

Сущность метода многолучевой пирометрии. Среди извест-

ных оптических методов измерения температур, таких как: яр-костный, радиационный, цветовой, обращения спектральных линий, излучения-поглощения и др. ни один не решает всех проблем измерения Т частиц в ОД: импульсный характер течения, неизвестная площадь излучающего объекта, самосвечение ЕД, отсутствие данных о величине коэффициента спектральной излу-чательной способности £ при высоких Т для большинства материалов. Наиболее перспективен метод цветовой пирометрии с выделением сигнала от единичных частиц (Jorgensen, Zuider-wyk, Mishin, Vardelle et al.)> что позволяет не только повысить разрешающую способность метода, но и отделить излучение частицы от фона. Более того, это позволяет соединить метод цветовой пирометрии и времяпролётный метод и получить метод одновременного измерения Т и V частиц (Tichenor, Mitchell et al; Жуков, Солоненко, Лягушкин), что и было реализовано в этой работе. Значение V определялось по длительности сигналов на каналах пирометра, а Т - по их амплитуде по методу спектрального отношения, в приближении "серого" тела:

Т = C-jiX"1-^1 )(Ko+ln(Ul/U2 С2-константа теплового излучения, Х- эффективная длина волны интерференционного светофильтра, и- амплитуда сигнала на канале пирометра, ко-пирометрическая константа. Метод реализован на базе трёхлучевого пирометра, поэтому Т определялась на трех парах сигналов и за Т частицы принималось среднее значение..Приборная погрешность измерения температуры 5 % при Т=зооо к. kq определялась в результате статической тарировки пирометра. Измерялись сигналы пирометра, вызванные источником излучения с известной температурой. Чтобы установить частотные характеристики пирометра и проверить результаты статической тарировки проведены модельные эксперименты. Движение светящейся частицы моделировалось с помощью пирометрической лампы и вращающегося зеркала СФР. Установлено, что частотные характеристики не хуже 3 мГц, результаты статической и динамической тарировок совпадают.

Основная трудность применения пирометров для диагностики системы частицы - ПД заключается в интенсивном собственном свечении ПД/ Поэтому были проделаны предварительные экс-

перименты по определению пространственновременной и спектральной плотности излучения ПД и выбраны области с минимальным излучением.

Сделан обзор математических моделий, применяемых для проведения численных расчетов явления. Отмечено, что наиболее развитыми являются модели Ждана и Прохорова, результаты численных расчетов этих авторов используются в следующих главах для проверки их моделей.

Глава_П посвящена исследованию течения ПД с частицами в прямых трубах. В ней рассмотрены следующие задачи: изучение динамики ускорения частиц; изучение влияния различных параметров явления на V и Т частиц; определение методической погрешности измерения Т; изучение дробления частиц. Использовались сфероидезированные частицы различных материалов (мо, А12о3, ВК-25 и др. ) и газовые смеси на основе ацетилена и пропанбутана.

Показана применимость метода фоторегистрации самосвечения частиц и его высокая информативность для исследований течения ПД с частицами, особенно вне трубы и при взаимодействии с преградой.

Показано, что для глубины загрузки I (расстояния между начальной координатой частиц и открытым концом трубы) существуют области значений, где V и Т имеют максимум, причем эти области не совпадают. Продолжение разгона и разогрева частиц вне трубы на расстоянии -10 ее диаметров эквивалентно увеличению глубины загрузки.

Методическая погрешность измерения Т трехлучевым пирометром была определена в тестовом эксперименте, в котором был зарегистрирован фазовый переход и измерена Т плавящихся частиц (см. рис.2). Сферические частицы Мо различных диаметров <1 = 80-170 мкм имели одинаковую 7=0,2 м, длина трубы 0,95 м, газовая смесь С2Н2+2,502. Время t отсчитывается от момента инициирования детонации.

Частицы разных <1 имеют разные скорости, поэтому происходит разделение частиц по размерами, они проходят одну и ту же координату г (например, мимо пирометра) в различные моменты времени с различными Т. Поэтому можно получать зависи-

3500

3000

2500 -

2000

Рис.2. Экспериментальные зависимости T(t) для частиц Мо вне трубы на расстоянии z=25 мм от ее конца.

2,0

мости при фиксированном г. На графике можно выделить

три участка: выше 1 частицы расплавлены, ниже 2 - твердые, на участке 1-2 пролетают плавящиеся частицы. По мере продвижения фронта плавления внутрь частицы, поверхность ее продолжает нагреваться, но медленее, чем без фазового перехода. Поэтому отличаются наклоны кривых на разных участках. В точке 2 пролетают частицы, которые только начали плавиться и на их поверхности Т=ТПЛ=2900 к. Измеренная Т ниже справочной Тпл Мо на 120 К. Следовательно используемый метод вычисления Т при измерении трехлучевым пирометром дает методическую

погрешность ДТ =120 К при измерении Т частиц Молибдена, м

Зарегистрировано дробление первоначально твердых частиц в процессе разгона. Показано, что оно происходат при полном или частичном расплавлении частиц. Воздействие этого механизма на формирование конечных параметров дисперсйой фазы (<1, Т, V) зависит от момента времени, когда произошло разрушение частиц и от того, на какое количество осколков развалилась частица. Многокомпонентные частицы могут дробиться после того, как расплавится легкоплавкая компонента. Разрушение частиц сильно сказывается на сравнительных характеристиках различных газовых смесей по метанию частиц. Так дина-

мический напор ПД ацетиленовых и пропанбутановых смесей примерно одинаков и скорости неразрушившихся частиц в них близки. Но температура ЦД ацетиленовых смесей выше, а значит частицы в них греются быстрее и больше возможностей для дробления частиц. Разрушившиеся в ацетиленовых смесях частицы могут иметь V в два раза выше чем те же частицы при тех же начальных условиях в пропанбутановых смесях.

Показано, что математическая модель достаточно хорошо описывает разгон и разогрев недробящихся частиц в ПД. В условиях сильной температурной неравновесности частиц и ПД показано, что тепловой поток в частицу вычисляется с точностью не хуже 20 %. В случае дробления расчеты занижают скорость осколков на срезе трубы на 30-40 Теряется от половины до почти всей величины эффекта прироста скорости за счет дробления. Причина этого в том, что в модели, которая использует механизм дробления капель, неправильно определяется размер осколков. В модель дробления введена возможность разрушения наполовину проплавившихся частиц, что позволило точнее рассчитывать момент дробления.

Глава_1II. Все представленные в главе II результаты получены для единичных частиц, т.е. практически при нулевой концентрации. В этой главе рассмотрен вопрос влияния концентрации порошка на ПД. Задача рассматривается в двух постановках. В первой исследуется затухание ударных волн (УВ), возбужденных газовой детонацией, в аэровзвесях. Влияние концентрации определяется непосредственно через газовую фазу, по скорости затухания УВ. Вторая постановка ' продолжает исследование метания частиц ПД при ненулевых концентрациях дисперсной фазы. В этом случае влияние концентрации определяется через изменение параметров частиц.

Затухание УВ в аэровзвеси исследовалось в канале, состоящем из двух секций: инициирования, заполняемой горючей газовой смесью, и секцией с аэровзвесью. Механические колебания канала обеспечивали создание однородной аэровзвеси. Секции разделялись тонкой мембраной. Детонационная волна в секции инициирования, достигнув мембраны, распадается и в аэровзвесь распространяется УВ. Для получения х-1 диаграммы

- ю -

движения УВ применялись пьезодатчики.

Скорость частиц много меньше скорости газа, поэтому в некотором приближении их воздействие на поток можно рассматривать как воздействие на него стенок с шероховатостью. В связи с этим для расчета профиля скорости УВ, распространяющейся по аэровзвеси, усовершенствована модель затухания ТО в инертных газах без частиц (Гавриленко, Николаев и др. ), путем замены диаметра трубы на эквивалентный гидравлический диаметр с^, при котором потери давления на единицу длины трубы такие же, как в реальной трубе с аэровзвесью. Отличие рассчитанных по усовершенствованной модели результатов от экспериментальных данных по скорости фронта УВ не превышает 20 %.

Во второй постановке рассмотрено влияние концентрации частиц на их разгон в БД. Экспериментальные и рассчитанные по модели Ждана результаты коррелируют друг с другом и показывают, что при используемых в детонационном напылении концентрациях или расходах порошка на один выстрел (~Ю0 мг ) скорость напыляемых частиц не зависит от их концентрации и для ее определения применимы результаты экспериментов и теоретические расчеты с единичными частицами.

Рассмотрено влияние формы газодетонационной трубы на скорость частиц. Для этого к трубе присоединялись расширяющиеся и сужающиеся насадки. Результаты экспериментов показали, что в расширяющихся насадках V увеличивается с увеличением площади выходного сечения до некоторго критического значения, после чего рост V прекращается. Максимальное увеличение V в расширяющихся насадках сотавило 40 %. Применение сужающихся насадков приводит к разделению частиц на две группы по скоростям. Группу с меньшей V (уменьшение до 40 %) образуют' частицы, которые ударялись о стенку насадка. При уменьшении площади выходного сечения насадка их число увеличивается, но при этом уменьшается V (до 25 %) частиц не взаимодействовавших со стенками.

Для объяснения результатов экспериментов рассмотрено течение ЦД через сопло в изотермическом приближении и получена зависимость динамического напора БД от изменения площади поперечного сечения трубы относительно площади критичес-

кого сечения 3/Зо. Показано, что спад динамического напора при удалении от открытого конца в сужающемся насадке происходит быстрее чем в прямой трубе, что объясняет потери скорости частиц в сужающихся насадках. При увеличении площади поперечного сечения трубы динамический напор сначала растет, а затем, после 8/Бо=1,2, начинает уменьшаться. Этим объясняются результаты в расширяющихся насадках.

Показано, что изменение размеров и формы металлизацион-ного пятна возможно только при применении насадков постоянного сечения и вводе частиц непосредственно в насадок.

Рассмотрен разгон частиц пересжатыми детонационными волнами (ПДВ), которые создавались профилированием сечения трубы (см. рис.1). Максимальное пересжатие создается в начале узкой трубы при переходе в нее детонационной волны из широкой трубы через переходный конус. Поэтому частицы помещались в начале узкой трубы. Для получения фоторазверток движения частиц использовался рубиновый лазер в режиме свободной генерации. Определено, что за ПДВ высокие параметры ПД воздействуют на частицу -30 мкс. За это время частицы набирают V в 3-4 раза выше V таких же частиц, которую они преобретают на первом этапе разгона в детонационных волнах Чепмена-Жуге. Использование пересжатых детонационных волн позволяет уже на первом этапе разогнать частицы до скоростей, которые они имеют к концу разгона стационарной детонационной волной. Показано, что это дает возможность сократить время разгона, сохранить первоначальный состав и массу частиц, уменьшить габариты установки и сократить расход газа.

Проведено сравнение результатов расчетов с экспериментальными данными по V для частиц разных плотностей и одинаковых размеров <1-60-100 мкм. Если для"частиц ВК-25 совпадение результатов хорошее, то для более легких и подвижных частиц А1203 в расчетах скорость занижена примерно вдвое. Это связано с погрешностями расчета профиля скорости фронта ПДВ в квазиодномерном приближении. Расчетные данные качественно и количественно не соответствуют экспериментальным, полученным обработкой фоторазверток.

Рассмотрен вопрос использования ВДВ, возникающих при переходе горения в детонацию. Для пропан-бутановой смеси при

использовании ЦДВ на переходе горения в детонацию экспериментально получено увеличение 7 до 30 %.

Основные результаты работы:

1. Существенно повышена точность измерений скорости и температуры частиц с размерами -100 мкм в импульсном потоке продуктов газовой детонации, что позволило применить их результаты для анализа явления и верификации математических моделей. Приборная погрешность измерений составляет: скорости 3 % для частиц с размерами больше 20 мкм и температуры 5 % для частиц с размерами больше 40 мкм при Т > 2000 к. Методическая погрешность определения температуры в приближении "серого" тела трехлучевым пирометром для частиц мо при Т=2900 к составляет 120 к. Результаты были получены методами лазерной визуализации, фоторегистрации самосвечения частиц и многолучевой пирометрии.

2. Получены экспериментальные данные по динамике разгона частиц в газодетонационных трубах. Систематически исследованы зависимости скорости и температуры частиц от формы и размеров трубы, состава газовой смеси, глубины загрузки и концентрации порошка и от его характеристик: материала, плотности, дисперсности. Показано, что в условиях детонационного напыления, среди трех этапов в разгоне частиц: непосредственно в потоке газа за детонационной волной, в волне разрежения, распространяющейся в трубу от открытого конца, и вне трубы, основным является второй этап, третий этап увеличивает эффективную глубину загрузки частиц.

3. Зарегистрировано дробление первоначально твердых частиц метаемых продуктами газовой детонации. Показано, что дробление происходит при полном или частичном расплавлении частиц. При этом осколки могут группироваться по размерам и скоростям. Исследована и модифицирована модель дробления капель применительно к данному явлению, что позволило точнее рассчитывать момент дробления.

4. Исследовано метание частиц пересжатой детонационной волной. Показано, что в этом случае определяющим является

первый этап разгона частиц (высокоинтенсивным потоком газа непосредственно за фронтом волны), что позволяет сократить на порядок время и путь разгона.

5. Экспериментально исследовано затухание ударных волн, возбуждаемых газовой детонацией, в трубах, заполненных аэровзвесью мелкодисперсных частиц. Модифицирована приближенная математическая модель для затухания ударных волн в инертных газах для случая аэровзвесей. Показано, что модифицированная модель позволяет описать затухание ударной волны от числа Маха при распаде детонации до м = 2 с погрешностью не хуже 20 %.

6. Показано, что математические модели [Х^цан,Прохоров] для численного расчета разгона и разогрева частиц в газодетонационных трубах имеют погрешность меньше .ю % (на срезе трубы). На первом этапе разгона ошибка в скорости больше, например, для частиц диаметром 50 мкм ошибка увеличивается до 20 %. При метании частиц пересжатыми детонационными волнами модель занижает скорость частиц до 2 раз. Показано, что это присходит за счет погрешностей одномерного расчета параметров детонационной волны.

Автор выражает глубокую благодарность за помощь и поддержку в выполнении настоящей работы Гавриленко Т.П., Николаеву Ю.А., Васильеву A.A., Папырину А.Н., Бойко В.М., адану С.А., Прохорову Е.С., Шипиловой JI.M.

Основные результаты диссертационной работы содержатся в следующих публикациях:

1. Гавриленко Т.П., Григорьев В.В., ЗОДан С.А. и др. Возбуждение газовой детонацией ударных волн в трубах. // ФГВ, 1982, Т.18, №1, с.109-114.

2. Бойко В.М., Гавриленко Т.П., Григорьев В.В. и др. Быстродействующая лазерная визуализация частиц, метаемых детонационной волной. // ФГВ, 1983, т.19, №3, с.126-133.

3. Бойко В.М., Григорьев В.В., Э^ан С.А. и др. Исследование динамики ускорения и нагрева металлических частиц за детонационной ВОЛНОЙ. // ФГВ, 1983, Т.19, а4, с.133-136.