Инициирование горения конденсированного вещества мощным импульсом излучения

Домуховский, Александр Михайлович

Инициирование горения конденсированного вещества мощным импульсом излучения тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

Домуховский, Александр Михайлович АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Томск МЕСТО ЗАЩИТЫ

2013 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.14 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Инициирование горения конденсированного вещества мощным импульсом излучения»

Автореферат диссертации на тему "Инициирование горения конденсированного вещества мощным импульсом излучения"

На правах рукописи

Домуховский Александр Михайлович

ИНИЦИИРОВАНИЕ ГОРЕНИЯ КОНДЕНСИРОВАННОГО ВЕЩЕСТВА МОЩНЫМ ИМПУЛЬСОМ ИЗЛУЧЕНИЯ

01.04.14 — теплофизика и теоретическая теплотехника

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

1 6 МАЙ 2013

Томск-2013

005058423

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Национальный исследовательский Томский государственный университет» на кафедре математической физики

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

доцент Буркина Роза Семеновна

Официальные оппоненты:

Голдаев Сергей Васильевич, доктор физико-математических наук, с.н.с., федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный исследовательский Томский политехнический университет», профессор

Бутов Владимир Григорьевич, доктор физико-математических наук, профессор, научно-исследовательский институт прикладной математики и механики Томского государственного университета, заведующий отделом

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное

учреждение науки Институт химической кинетики и горения им. В.В. Воеводского Сибирского отделения Российской академии наук

Защита состоится «_3!_» мая_2013 года в 103°° ча'сов на заседании

диссертационного совета Д 212.267.13, созданного на базе федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Национальный исследовательский Томский государственный университет», по адресу: 634050, г. Томск, пр. Ленина, 36, 10 корпус ТГУ.

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке ТГУ по адресу: г. Томск, ул. Ленина, 34 а.

Автореферат разослан «__»_2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук

Ю.Ф. Христенко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Изучение высокоэнергетических воздействий на конденсированные вещества вызвано, в основном, тремя различными по своему назначению задачами: изменение приповерхностной области вещества с целью придания ей требуемых свойств, инициирование и поддержание химического процесса в веществе, обеспечение пожаро- и взрывобезопасности технологических процессов. Практическая значимость результатов решения этих задач определяется: перспективами упрочнения и модификации поверхностных слоев строительных и конструкционных материалов, использованием технологического горения для получения материалов с заданными свойствами, разработкой устройств инициирования зарядов баллистических установок, применением плазматронов для интенсификации процессов горения низкокалорийного сырья, необходимостью выполнения требований экологической и пожарной безопасности. Наибольшие перспективы в технологических процессах и установках имеет импульсный способ воздействия на вещество потоком излучения в связи с возможностью управлением процессом и обеспечением экстремально высоких температур и давлений воздействия при минимуме энергозатрат. Такой способ воздействия может быть обеспечен лазерным импульсом или излучением из области электроразрядной плазмы. Как показывает эксперимент, при мощном высокоэнергетическом воздействии на конденсированное вещество в нем происходят процессы, которые не наблюдаются при малых интенсивностях внешнего воздействия. Так в конденсированном веществе образуются трещины, разрушается приповерхностный слой, возникают эрозионный поток с поверхности вещества и переходный слой у его поверхности, внутри вещества образуются высокотемпературное центры, происходят и другие структурные изменения. Такие структурные изменения качественно отражаются на результатах воздействия, в частности, на инициировании конденсированного реакционноспособного вещества (КРВ), горении и свойствах конечного продукта. Для понимания и возможности использования происходящих процессов требуется их детальное изучение. Экспериментальные исследования данных процессов не всегда возможны в связи с их быстротечностью и экстремально высоким уровнем развиваемых температур и давлений. Поэтому большие надежды возлагаются на математическое моделирование и параметрическое исследование происходящих структурных изменений, кроме того, такой способ исследования требует значительно меньше материальных затрат по сравнению с экспериментальными способами. Применение математического моделирования позволяет существенно сузить диапазон поиска наиболее эффективных режимов ввода энергии и оценить перспективы применения такого способа воздействия на конденсированные вещества. Поэтому математическое моделирование процессов зажигания мощным потоком излучения необходимо для решения практически важных вопросов и является актуальной задачей.

Целью работы является:

• Выявление особенностей протекания процесса зажигания КРВ через преграду импульсом излучения при различных: теплофизических и оптических свойствах преграды, температуры внешней среды, прозрачности КРВ, характеристик потока излучения.

• Определение параметров переходного слоя на границе с разрядной полостью и разрядного контура, при зажигании КРВ дуговым электрическим разрядом, осуществляемым в глубине вещества, оказывающих наибольшее влияние на характеристики и режимы зажигания.

• Исследование закономерностей образования переходного слоя, его влияния на зажигание КРВ в зависимости от энергии и длительности импульса излучения, теплофизических параметров системы для двух механизмов разрушения.

• Изучение влияния механизма разрушения приповерхностного слоя КРВ на режимы зажигания при воздействии на вещество мощного импульса излучения.

Научная новизна работы:

• Определены закономерности и динамика прохождения процесса зажигания КРВ мощным импульсным потоком излучения через преграду. Выявлены особенности протекания процесса зажигания в зависимости от свойств преграды, оптических свойств КРВ и характеристик потока излучения. Проведено сравнение времен зажигания и запасенных к моменту зажигания энергий при различных параметрах системы и потока излучения.

• Определены основные параметры переходного слоя между электроразрядной плазмой и КРВ, оказывающие существенное влияние на зажигание КРВ при электрическом разряде внутри пего. Выявлены диапазоны изменения параметров переходного слоя, реализация которых позволяет сократить длительность периода воспламенения.

• При электрическом разряде определены критические условия стабильного и нестабильного режимов зажигания в зависимости от параметров разрядного контура. Показано, что основное влияние на стабильный режим зажигания оказывает запасенная энергия источника, а также индуктивность разрядного контура и физико-механические свойства КРВ.

• При различных критериях разрушения установлены закономерности разрушения приповерхностного слоя КРВ, образования переходного слоя и их влияние на зажигание КРВ в зависимости от энергии и длительности импульса излучения, теплофизических параметров системы.

• Показаны особенности образования переходного слоя между КРВ и электроразрядной полостью и его влияние на зажигание при электрическом разряде внутри КРВ.

Практическая значимость работы:

• Полученные закономерности и пределы зажигания КРВ импульсом излучения через преграду рекомендуется использовать для качественного представления динамики зажигания и анализа результатов воздействия на КРВ импульсов излучении различной длительности.

• Результаты исследования задачи зажигания КРВ мощным импульсом излучения рекомендуется использовать для оптимизации зажигания, при разработке инициирующих составов и устройств, для оценки взрывобезопасного состояния высокоэнергетических систем при воздействии на них потоком излучения.

• Результаты исследования зажигания КРВ электрическим разрядом полезны при разработке устройств быстрого и стабильного зажигания.

• Результаты исследования разрушения приповерхностного слоя конденсированного вещества и образования переходного слоя при различных механизмах разрушения рекомендуется использовать для моделирования соответствующих процессов при воздействии иа поверхность вещества мощного импульса излучения.'Качественный характер прохождения процесса, параметры образующегося переходного слоя и времена зажигания рекомендуется использовать в обратной задаче по установлению механизма и характера разрушения КРВ.

Работа выполнялась в рамках грантов Российского фонда фундаментальных исследований (проекты № 03-03-33075 а, № 06-03-32336 а, № 11-03-00136-а), гранта Министерства образования РФ и СМЭР в рамках программы ВИНЕ (проект № 016-02), госбюджетной темы «Исследование закономерностей электромеханического преобразования энергии и горения дисперсных систем и низкопористых сред» и ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы при финансовой поддержке государства в лице Минобрнауки России Государственное Соглашение № 14.В37.21.1828.

На защиту выносятся:

• Результаты численного исследования задачи зажигания КРВ через преграду импульсом лучистой энергии. Особенности прохождения процесса при действии умеренного постоянного лучистого теплового потока и мощного импульса лучистой энергии для прозрачной и полупрозрачной преграды. Основные параметры системы, оказывающие наибольшее влияние на время. Качественная зависимость времени зажигания от характеристик системы.

• Основные параметры переходного слоя между электроразрядной плазмой и КРВ, оказывающие существенное влияние на зажигание КРВ при электрическом разряде внутри него. Диапазоны изменения коэффициента поглощения лучистого теплового потока и теплофизических свойств вещества переходного слоя, вариация в которых наиболее сильно изменяет длительность воспламенителыюго периода.

• Области стабильного и нестабильного режимов зажигания при дуговом электрическом разряде в зависимости от исходных параметров разрядного контура. Влияние на стабильный режим зажигания параметров разрядного контура и физико-механических свойства КРВ.

• Результаты параметрического исследования математической модели зажигания КРВ мощным импульсом излучения через образующийся в ходе процесса переходный слой. Режимы и динамика прохождения процесса при разрушении КРВ по критериям: 1) достижения критической температуры и 2)

достижения критического градиента температуры в зависимости от характеристик импульса излучения и величины критерия разрушения. Влияние параметров образующегося переходного слоя на режимы процесса и время зажигания.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на II, III Всероссийских конференциях молодых ученых «Физика и химия высокоэнергетических систем» (Томск, 2006, 2007); на V Всероссийских научных конференциях «Фундаментальные и прикладные проблемы современной механики» (Томск, 2006, 2008, 2011); на Всероссийской конференции «Проблемы механики сплошных сред и физики взрыва» (Новосибирск, 2007); на 10lh International Conference on Gas Discharge Plasmas and Their Applications (Томск, 2007), на 7lh International Seminar on Flame Structure and First Young Researcher's School on Flame Study (Новосибирск, 2011); на XI International Symposium of Self-Propagating High Temperature Synthesis (Anavyssos, Attica, Greecc, 2011); на VIII Международной конференции «Хаос и структуры в нелинейных системах», посвященной 40-летию КарГУ им.акад. Е.А. Букетова (Караганда, 2012); на II Всероссийской молодежной научной конференции, посвященной 50-летию физико-технического факультета ТГУ (Томск, 2012); на III Всероссийской научно-технической конференции «Фундаментальные основы баллистического проектирования» (Санкт-Петербург, 2012).

Достоверность научных результатов и выводов подтверждается обоснованностью исходных предпосылок; использованием классических методов математического моделирования нестационарных процессов гидродинамического течения, теплопереноса, массообмена; сходимостью вычислительных методик расчета и выполнением законов сохранения в численном решении; согласованием результатов расчетов с апробированными результатами других ученых; качественным согласованием результатов с известными опытными данными.

Публикации. Основное содержание диссертациошюй работы отражено в 13 опубликованных работах, в том числе 2 статьи в журналах, входящих в перечень рецензируемых научных журналов и изданий, 1 статья в научном журнале, 10 публикаций в материалах международных и всероссийских конференций. Общий объем публикации - 3,01 п.л., личный вклад автора - 2,01 п.л.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованной литературы. Работа изложена на 147 страницах, содержит 79 рисунков, 5 таблиц, список литературы включает 92 наименования.

СОДЕРЖАНИЕРАБОТЫ

Во введении отражена актуальность и практическая значимость проведения исследования, сформулирована основная цель исследования, изложена структура диссертации.

Первая глава диссертации посвящена обзору имеющихся в литературе работ, отражающих основные положения теории воспламенения, а также результатов работ по зажиганию КРВ импульсом излучения и электроплазменным способом. В итоге делается вывод, что зажигание конденсированного реакционноспособного вещества импульсным высоко энергетическим воздействием существенным образом зависит от структурных изменений, происходящих в приповерхностном слое вещества, образования вблизи поверхности вещества переходного слоя, свойств переходного слоя. В литературе эти вопросы оставались практически не изучештыми.

Во второй главе проводится исследование зажигания КРВ через преграду разной прозрачности и для прозрачного и непрозрачного КРВ постоянным умеренным и мощным импульсным потоком излучения, проведено сравнение по энергетическим и временным характеристикам зажигания КРВ.

В § 2.1 представлена постановка задачи. Схема процесса показана на рисунке 1. Рассматривалось полуограниченное полупрозрачное КРВ, на внешней поверхности которого находится преграда толщины /. Из внешней среды в течение времени ?;2/ на поверхность преграды падает поток лучистой энергии, который при прохождении через преграду и КРВ поглощается по закону Бугера с коэффициентами поглощения соответственно и ц. Передача тепла по преграде и КРВ происходит по теплопроводностному механизму. На границе между преградой и веществом имеет место идеальный тепловой контакт. На внешней границе преграды теплообмен с внешней средой осуществляется по закону Ньютона. Конденсированное вещество способно к экзотермическим химическим реакциям с простой кинетикой и-го порядка и Аррениусовской зависимостью скорости от температуры. Продукты химического процесса конденсированные. Начальное распределение температуры по преграде и КРВ, а также начальное распределение горючей компоненты по КРВ однородны.

Я*«)

-/ 0 крв

~I — 2

Рисунок 1 - Модель процесса 1 — преграда, 2 - КРВ, / — ширина преграды, qs{t) — плотность мощности потока излучения

Рассматривались два вида лучистого потока тепла, воздействующего на преграду д/г): 1) постоянный, характерный при горении вольтовой дуги, 2) мощный импульсный, характерный при излучении из электроразрядной полости, образованной при электровзрыве проводника непосредственно в КРВ.

Решение задачи проводилось численно по неявной разностной схеме методом прогонки. Метод решения и тестирование численной реализации задачи

на достоверность и точность проводится в § 2.2, § 2.3. За время зажигания принимался момент достижения в какой-либо точке КРВ глубины превращен™ т| = 0.99, сопровождающееся резким ростом температуры в окрестности точки воспламенения. Для исключения возможности неустойчивого зажигания счёт велся до установления стационарной волны горения в КРВ. Точность расчетов по времени зажигания ~ 1%. В процессе решения анализировались изменения профилей температур в КРВ и преграде, выгорания в КРВ и энергетических характеристик к моменту зажигания.

В § 2.4 приведено численное исследование динамики зажигания модельного полупрозрачного вещества через 1) прозрачную и 2) полупрозрачную преграды. Определены закономерности распределения температур и энергетических составляющих процесса зажигания КРВ умеренным постоянным и мощным импульсным потоками излучения в зависимости от свойств преграды, оптических свойств КРВ и характеристик потока излучения. Проведено сравнение времен зажигания и запасенных к моменту зажигания энергий при различных параметрах системы и потока излучения. В таблице 1 представлено сравнение в безразмерных переменных времен зажигания т,: а) для прозрачной (1) и полупрозрачной (2) преград при одинаковой температуре внешней среды: Ат1%=[(т/1-т,2)/г/2]-100%, б) для одного типа преграды и значения В1, но при разной температуре внешней среды Ат,//о=[(г/(.1Гт,(2.17))/т,(.!)]■ 100%, в) для одного типа преграды в сравнении со случаем В1 = 0: Дт,д,%=[(т,(№)-т ,(ВМ))/т,(№)]-100%. Видно, что при воздействии

Таблица 1 - Сравнение времен зажигания

ч Преграда ия В1 Т/ Дг/% Ат,//« Ат

1) -1 2.57 0.1776 5.35 24.38 6.20

2) 1.12 0.1681 27.6 8.57

9.15 1) 2.17 2.57 0.1343 9.38 - -24.05

2) 1.12 0.1217 - -26.29

1) 0 0.1666 7.74 - -

2) 0.1537 - -

1) -1 2.57 2.81-10"4 11.03 0 0

2) 1.12 2.5-10" 0 0

<7« 1) 2.17 2.57 2.8110"4 11.03 - 0

2) 1.12 2.5-10"4 - 0

1) 0 2.81-10"4 11.03 - -

2) - 2.5-10-4 - -

постоянного теплового потока невысокой мощности теплофизические и оптические свойства преграды влияют на время зажигания т„ приводя к его изменению порядка 10%. Температура внешней среды влияет сильнее, порядка ~ 27%. При мощном импульсном потоке излучения, время зажигания определяется только оптическими свойствами преграды, и не зависит от ее теплофизических свойств. При воздействии мощного импульса излучения на КРВ время зажигания уменьшается на три порядка, по сравнению со временем зажигания тепловым потоком невысокой мощности. Таким образом, основным

фактором, определяющим зажигание при электровзрыве проводника в КРВ, является лучистый поток тепла из электроразрядной полости.

В § 2.5 и § 2.6 проводилось исследование процесса зажигания соответственно полупрозрачного и непрозрачного модельного конденсированного вещества с теплофизическими и формально-кинетическими параметрами типа гидразина и его замещенных лучистым потоком тепла через преграды с различной поглощательной способностью. Теплофизические параметры преграды выбирались в три раза меньше соответствующих параметров КРВ.

Параметрическое исследование показало, что при зажигании КРВ через преграду лучистым потоком тепла умеренной мощности с ростом поглощательной способности преграды время зажигания монотонно возрастает в случае непрозрачного КРВ, и монотонно падает в случае полупрозрачного КРВ. При воздействии мощного импульса лучистой энергии, характерной для взрыва проводника в конденсированном веществе, для полупрозрачного КРВ имеет место немонотонная зависимость времени зажигания от коэффициента поглощения преграды с локальным минимумом в области сильной прозрачности преграды. В случае непрозрачного КРВ время зажигания монотонно возрастает с ростом коэффициента поглощения преграды.

Зажигание непрозрачного КРВ при прочих равных условиях всегда происходит быстрее, чем зажигание полупрозрачного КРВ. Различие во временах зажигания полупрозрачного и непрозрачного КРВ наиболее существенно при высокой прозрачности преграды. При высокой поглощательной способности преграды прозрачность КРВ не влияет на процесс и время зажигания лучистым потоком тепла.

При зажигании мощным импульсным потоком излучения установлено, что с ростом поглощательной способности преграды меняется степень влияния лучистого и кондуктивного потока тепла по преграде на зажигание КРВ. При Ки- < 10 зажигание в основном обеспечивается лучистой составляющей потока тепла, доходящего до поверхности КРВ. При 10 характер влияния лучистой составляющей резко падает, возрастает влияние кондуктивного потока тепла по преграде. При Ки > 20 зажигание происходит, как в случае непрозрачной преграды за счет кондуктивной передачи тепла по преграде.

На рисунке 2 {а, Ь) в размерных переменных приведено сравнение времени зажигания при изменении прозрачности преграды для полупрозрачного и непрозрачного КРВ при воздействии постоянного умеренного лучистого теплового потока и мощного импульсного излучения соответственно. Для непрозрачного КРВ время зажигания меньше времени зажигания полупрозрачного КРВ для обоих видов лучистого потока. Это связано с тем, что для полупрозрачного КРВ часть лучистой энергии уходит вглубь КРВ, что ослабляет прогрев поверхности КРВ и увеличивает время зажигания. Видно качественное различие в изменении времени зажигания при высокой

прозрачности преграды <2-104 \/м): для полупрозрачного КРВ оно убывает, для непрозрачного - возрастает. При более высоких значениях

коэффициента поглощения преграды при действии умеренного теплового потока различный характер изменения сохраняется (рис. 2, а), а при импульсном

воздействии мощного лучистого потока для обоих видов КРВ время зажигания возрастает (рис. 2, Ь), что указывает на ведущую роль поглощения лучистой

энергии преградой в этом случае. Когда /Л\ > 2 -1031/м отличие во временах

зажигания полупрозрачного и непрозрачного КРВ небольшое, практически на уровне точности численного решения. При таких значениях р., вся лучистая энергия поглощается во внешних слоях преграды, зажигание происходит как в случае непрозрачной преграды и прозрачность КРВ не влияет на процесс зажигания.

Рисунок 2 - Зависимость времени зажигания КРВ от коэффициента поглощения преграды при действии умеренного постоянного потока излучения (а), мощного импульсного потока излучения д= д (т) (Ь): 1- непрозрачное КРВ, 2 — полупрозрачное КРВ

В третьей главе проводится исследование параметров, оказывающих значительное влияние на зажигания КРВ электрическим разрядом, осуществляемым в глубине вещества. В § 3.1 представлена физическая модель исследования и постановка задачи. Рассматривается цилиндрическая камера (манометрическая бомба) в которой находится КРВ. Модельная схема представлена на рисунке 3. В качестве плазмообразующего элемента в данном устройстве используется цилиндрическая медная фольга или система параллельных проволочек, натянутых соосно заряду. При замыкании цепи под действием протекающего по фольге тока она (или проволочки) взрывается и образует плазменный цилиндрический канал, в который вводится основная доля энергии накопителя, которая оказывает тепловое и гидродинамическое воздействие на вещество. Плазменный промежуток под действием давления в нем расширяется, генерирует в окружающее вещество волновые возмущения и излучает тепловые потоки - 109 Вт/м2. Мощное тепловое воздействие на КРВ, в итоге, приводит к его зажиганию.

A-A

Рисунок 3 - 1 - KPB, 2, 6 - изоляторы, 3 - внутренний электрод, 4 - цилиндрическая электропроводящая фольга, инициирующая разряд, 5 - закрытый сосуд (манометрическая бомба), С, U0, R, L - параметры разрядного контура, К -коммутатор, D - диод

Для описания функционирования устройства используются электротехнические уравнения цепи, уравнение энергобаланса разрядной полости, уравнения гидродинамического процесса в КРВ и тепло-кинетические уравнения теории зажигания непрозрачного КРВ. За базовую модель теплопередачи из плазмы в вещество используется модель с переходным слоем, представленная на рисунке 4.

Рисунок 4 - Схема воздействия теплового излучения из разрядной полости на вещество: 1 - КРВ, 2 - разрядная полость, 3 - переходный слой, - поток излучения из разрядной полости

Процесс зажигания определялся в соответствии с тепло-кинетической моделью при воздействии на КРВ теплового излучения из разрядной полости, которое определялось по закону Стефана - Больцмана. Поскольку зона прогрева вещества значительно меньше радиусов фольги и камеры, в тепловой части задачи КРВ считалось полуограниченным. Поток излучения ц, с поверхности разрядной полости проходит через переходный слой, ослабевает в нем в результате частичного поглощения по закону Бугера, и падает на непрозрачную поверхность КРВ, где полностью поглощается. Полагалось, что химический процесс в КРВ определяется простой кинетикой и Аррениусовской зависимостью от температуры. Математическое описание тепловой части задачи определяется системой уравнений теплопроводности в переходном слое и КРВ с учетом теплоприхода от химических реакций и выгорания горючей компоненты. Начальное распределение температуры и концентрации горючей компоненты однородное. Между переходным слоем и КРВ используется граничное условие 4 рода, в глубине КРВ (на бесконечности) - отсутствие тепловых потоков. Теплообмен между разрядной полостью и переходным слоем осуществляется по закону Ньютона.

Решение тепловой части задачи проводилось численно по неявной разностной схеме методом прогонки. Численная реализация гидродинамической части задачи проводилась по явной разностной схеме, по программе, разработанной и составленной В.В. Буркиным. Точность численного решения задачи определялась изменением пространственного шага и чисел Куранта. Для расчета были выбраны счетные параметры, при изменении которых время зажигания изменялось менее чем на 1%.

В § 3.2 выполнено исследование влияния параметров переходного слоя на зажигание модельного КРВ, тепло-кинетические свойства которого подобны гидразину и его замещенным, электроразрядной плазмой. Основными параметрами, определяющими процесс теплопередачи из плазменной области через переходный слой в КРВ в рамках используемой модели, являются: ширина переходного слоя, коэффициент поглощения лучистого потока в этом слое, коэффициент теплоотдачи на границе «плазма - переходный слой» и теплофизические характеристики вещества переходного слоя. Экспериментально подтвержденные значения перечисленных параметров в научной литературе практически отсутствуют. В тоже время показано, что модификация поверхности КРВ приводит к значительным изменениям характеристик воспламенительного периода. Для выяснения степени влияния на процесс зажигания каждого из отмеченных параметров их значения в данном исследовании варьировались в широких диапазонах при одинаковых значениях параметрах разрядного контура С = 1мФ, Ь = 2.5мкГи, и0= 1.41кВт.

Зависимость времени зажигания 1, от ширины переходного слоя 1\ представлена на рисунке 5. Узкий переходный слой аккумулирует меньшую долю энергии, и основной разогрев КРВ происходит за счет лучистого теплового потока, доходящего до поверхности КРВ. Соответствующие времена зажигания наименьшие. Увеличение ширины переходного слоя приводит к тому, что большая часть энергии излучения задерживается в нем, и прогрев КРВ будет происходить за счет кондуктивной теплопередачи из переходного слоя: значения растут практически линейно с ¡¡. В этих случаях глубина слоя прогрева КРВ к моменту зажигания также увеличивается, что обусловлено более длительным временем прогрева.

Влияние коэффициента поглощения теплового потока переходным слоем показано на рисунке 6. Критичность процесса зажигания к величине коэффициента поглощения наблюдается в диапазоне изменения 1.38*104м"1< ц < 1.3*106м"1при постоянном /|. При малых коэффициентах поглощения (ц < 1.38*104м"') большая часть теплового потока достигает поверхности КРВ и, поэтому, происходит быстрое зажигание. При ц > 1.3* 106м~' практически весь лучистый поток из области плазмы поглощается вблизи внешней поверхности переходного слоя, и характеристики зажигания КРВ определяются кондуктивным механизмом передачи тепла из переходного слоя в КРВ.

Варьирование коэффициента теплоотдачи а на границе «плазма -переходный слой» не выявило его заметного влияния на характеристики зажигания. Значения а варьировались в диапазоне от 5.8 до 5.8 103 Вт/м2К, а соответствующие величины /, изменялись в пределах процента. Это указывает на то, что процесс зажигания определяется действием потока излучения из области электроразрядной плазмы, а конвективный теплообмен на границе с разрядной полостью практически не влияет на прохождение процесса.

1000

750

500

250

г (икс) * /

/ /

/^мкм)

400

300 200 100

*.(мкс)

/ я-- ---- "

/ / /

/ /

--- / ■и //(1и)

ю-3

ю7

10"

Рисунок 5 - Зависимость времени зажигания I, от ширины переходного слоя /[

900

1:( МКС)

600

300

Рисунок 6 - Зависимость времени зажигания от коэффициента поглощения переходного слоя /л

Рисунок 7 - Зависимость времени зажигания I, от геплофизических свойств переходного слоя

Наиболее проблемным в проводимом анализе являлся выбор значений тештофизических параметров (плотности рь теплопроводности Хь теплоемкости с0 вещества переходного слоя. В работе их значения составляли некоторую заданную долю от соответствующих величин исследуемого КРВ: р, = р/к, Х, = У к, с1 = с/к, где к е [1,10] - константа. На рисунке 7 представлена параметрическая зависимость, характеризующая влияние теплофизических свойств переходного слоя на время зажигания. Видно, что сильная зависимость соответствует значениям к < 2, когда теплофизические параметры переходного слоя близки к характеристикам КРВ. В этих случаях увеличение времени зажигания вызвано понижением температуры поверхности КРВ, которое обусловлено перераспределением энергии потока излучения между КРВ и переходным слоем. Если теплофизические свойства переходного слоя и КРВ близки, то температура поверхности непрозрачного КРВ существенно

превышает температуру переходного слоя. В результате поверхность КРВ становится дополнительным нагревателем переходного слоя, что и приводит к перераспределению энергии теплового потока. При к > 3 рассмотренный механизм перераспределения энергии практически не влияет на характеристики зажигания, и понижение температуры поверхности КРВ за счет теплоотдачи в переходный слой незначительно.

В § 3.3 исследуются параметры источника электрической энергии и разрядного контура, которые обеспечивают стабильные режимы зажигания КРВ при минимально необходимой энергии источника и разных механических свойствах вещества заряда. Зависимость времени зажигания от запасенной в разрядном контуре энергии W0 = CU02/2, показана на рисунке 8. Эта зависимость качественно согласуется с полученной экспериментально зависимостью времени зажигания от запасенной в источнике энергии [Барышев М.С., Бураков В.А., Буркин В.В., Ищенко А.Н. и другие. Применение плазмотрона для инициирования зарядов баллистических установок // Химическая физика и мезоскопия. - 2006. - Т. 8. - № 1. - С.46-52]. Кривую зависимости i,(fV0) можно разбить на две ветви: участок, где наблюдается слабое изменение времени зажигания с изменение запасенной энергии - стабильное зажигание, участок, где наблюдается сильное изменение времени зажигания при изменении энергии

источника — нестабильное зажигание. Для определенности в данном исследовании режим стабильного зажигания

определялся из условия (3 = (At/t.YiAW/Wo) < 0.5. На рисунке 8 звездочкой отмечено выполнение условия Р = 0.5. При р > 0.5 (верхняя ветвь кривой) отклонение в энергии разряда на небольшую величину от заданного значения может привести к существенному изменению времени зажигания. Такие режимы относятся к нестабильным режимам

зажигания. При р<0.5 время зажигания определяется нижней ветвью /¡( fVn) и, как видно из рисунка 8, величина энергии разряда слабо влияет на зажигание. Соответствующие режимы зажигания являются стабильными.

Поиск минимальных значений энергии разряда для реализации стабильных режимов зажигания КРВ проводился в широком диапазоне изменения параметров разрядного контура при различных физико-механических свойствах вещества, определяющих гидродинамический процесс в КРВ, вызванный электровзрывом. На рисунке 9 приведены в фазовом пространстве (С,U0) области стабильного I и нестабильного II зажигания КРВ с плотностью 1

Рисунок 8 - Зависимость времени зажигания от энергии источника; С= 1мФ, L = 2.5мкГн, Г70 варьировалось

г/смЗ и скоростью распространения волны 1.5 км/с для двух значений индуктивности Ь разрядного контура. Видно, что с увеличением индуктивности контура область стабильного зажигания расширяется. Одновременно с расширением области стабильных режимов зажигания существенно возрастает длительность воспламенителыюго периода. Это связано со снижением температуры плазмы при менее интенсивных режимах разряда.

Физико-механические

4,5

3,0

1,5

\ \ £=2.5 мк1 ® н

® ¿=10 мкГ Г-------

С, мФ

0 12 3

Рисунок 9 - Режимы зажигания в зависимости от емкости источника энергии и зарядного напряжения, области: I - стабильного, II — нестабильного зажигания

свойства конденсированного

вещества оказывают существенное влияние на соотношение областей стабильного и нестабильного зажигания. Это влияние обусловлено разной интенсивностью волновых процессов, сопровождающих разряд в КРВ. В более плотной среде плазменный очаг расширяется в меньшей степени и температура в нем поддерживается на более высоком уровне в течение более длительного интервала времени. В связи с этим времена . зажигания в области стабильных режимов зажигания практически не зависят от энергии источника. Разграничение областей I и II также практически не зависит от параметров источника энергии. В менее плотных средах с более высокими значениями скоростей распространения возмущений влияние волновых процессов на поведение температуры в плазменном очаге более существенное. Это влияние заметно усиливается с увеличением интенсивности разряда (с увеличением зарядного напряжения). Соответственно разграничение областей стабильного и нестабильного зажигания существенно зависит от параметров источника энергии и мощности разряда.

В четвертой главе исследуются закономерности разрушения приповерхностного слоя КРВ, образования переходного слоя и их влияние на зажигание КРВ при воздействии на поверхность вещества мощного импульса излучения из области электроразрядной плазмы, возникающей в КРВ при дуговом электрическом разряде или электровзрыве проводника.

В § 4.1 представлены физическая модель и постановка задачи. Рассматривается модель, в котором в качестве проводящего мостика, инициирующего разряд в КРВ, расположена плоская фольга. Электровзрыв фольги и последующий разряд в продуктах электровзрыва образуют в КРВ электроразрядную плазму, которая моделируется плоским слоем. Схема процесса представлена на рисунке 10. Тепловое излучение из электроразрядной полости воздействует на граничащую с ней поверхность КРВ. В результате мощного теплового воздействия поверхность КРВ разрушается, образуя продуктами разрушения переходный слой между КРВ и электроразрядной

полостью. Образующийся переходный слой защищает КРВ от излучения, частично поглощая его. При этом происходит разогрев переходного слоя и КРВ, а в случае достаточной энергии разряда реализуется зажигание КРВ.

Рисунок 10 - Схема процесса: 1- переходный слой, 2-плоскопараллельная электроразрядная полость, Рр, ТР - давление и теимература в полости, <7 - плотность мощности излучения из электроразрядной полости

В модели полагается, что конденсированное вещество непрозрачно и первоначально поток излучения из электроразрядной полости поглощается поверхностью КРВ. Тепло по веществу передается по теплопроводностному механизму. При достижении на поверхности КРВ критического условия происходит ее разрушение, и продукты разрушения образуют переходный слой. Процесс разрушения рассматривается как эндотермический. Считается, что плотность вещества переходного слоя пропорциопальна давлению высокотемпературной электроразрядной полости. Прогрев образующегося переходного слоя происходит за счет теплопроводности и в результате поглощения теплового потока излучения из электроразрядной полости по закону Бугера. Между переходным слоем и конденсированным веществом имеет место идеальный тепловой контакт. Положения модели о разрядном контуре, передаче тепла в КРВ и проходящем в нем химическом процессе такие же, как и в главе 3. Отличие заключается в образовании переходного слоя в ходе процесса из продуктов разрушения приповерхностного слоя КРВ. Рассматривались два механизма разрушения. Первый связан с достижением веществом температуры разрушения, что характерно для испарения вещества. Второй критерий разрушения определялся по достижению критического градиента температуры в КРВ, что характерно для механического разрушения.

Уравнения, используемые в математическом описании электрического разряда и гидродинамического процесса в КРВ, такие же, как и в главе 3. Тепловая часть задачи также базировалась на уравнениях теплопроводности в КРВ и переходном слое и уравнении выгорания в КРВ, но они записывались в подвижной системе координат, связанной с движением поверхности КРВ в результате ее разрушения. В переходном слое также использовалось уравнение неразрывности. Граничные условия учитывали возможность перемещения границ и переход массы и энергии разрушенного приповерхностного слоя КРВ в массу и энергию вещества переходного слоя. Уравнения интегрировались численно аналогично главе 3. Точность численного решения задачи ~ 1%. Как и в главе 3 исследование проводилось для модельного вещества с

¡1И111111 Ш КР6

£ '-УУЧ-У- 1 ор:1

теплофизическими и кинетическими параметрами типа гидразина и его замещенных. Теплофизические параметры переходного слоя варьировались.

В § 4.2 выполнено параметрическое исследование режимов зажигания КРВ вещества мощным импульсным излучением при разрушении его приповерхностного слоя по достижению критической температуры Тр1,. Плотность мощности излучения бралась постоянной, длительность импульса излучения изменялась в широких пределах. Анализ результатов исследования показал, что сильное влияние на режим и результат процесса оказывает уровень температуры разрушения (в безразмерном виде ©«,). В зависимости от длительности импульса излучения при высокой температуре разрушения ©№=43,27 наблюдаются два режима прохождения процесса: устойчивое зажигание (т,,/>!„/*) и его отсутствие (т,г/<т,г/*). При низкой температуре разрушения 0д,=6.68 наблюдается образование переходного слоя (т,,/>т,,/*) и его отсутствие (ти<Тк/*). В обоих случаях зажигание не происходит. При средней температуре разрушения 0^=24.92 наблюдаются три режима прохождения процесса: устойчивое зажигание (т,,/>т,2/+*) неустойчивое зажигание (т/г/*<т,2/<т/2/**), отсутствие зажигания и образования переходного слоя (т,,/<т,г/*).

На рисунке 11 в безразмерных переменных

0,44

0.43 -

0,42

0,41 Н

0,40

0,39

0.3S

0,37

0,36

0,35

л 1 \ 0«г : 1 - 24.92, 1

1 1 1 1 2 - 43.27 1 1 1 1

1 \\ 1 \\2 II 1 1 ! ш [

1 1\\ I \\ 1 1 1

I " ! т* 1 к* !

с/ 1 Г— Т-- J ■■ '1 т

0.348 0 350 0 352 0.354 0.35Й Рисунок 11 - Зависимость времени зажигания от длительности излучения

показаны зависимости

времени зажигания от времени излучения при средней теплоемкости

переходного СЛОЯ Кс = Су!с = 0.576 и выделены три области. В зажигание не области II имеет место неустойчивое зажигание при температуре фазового

перехода 0№=24,92. В области Ш реализуется зажигание.

области I происходит. В

устойчивое

Граница между областями II и III г,** равна времени зажигания при длительных импульсах излучения (т,,;—><»). Размер области неустойчивого зажигания мал. Увеличение теплоемкости переходного слоя при средней температуре разрушения ©/>/,=24,92 приводит к исчезновению режимов неустойчивого зажигания. При критерии разрушения Т = ТРИ образование переходного слоя происходит уже в конце периода прогрева, перед зажиганием или в момент зажигания, поэтому прозрачность переходного слоя практически не влияет на процесс зажигания.

В § 4.3 исследованы режимы зажигания конденсированного вещества мощным импульсным излучением при критерии разрушения по достижению

критического градиента температуры \дТ/дх\ > г* . Выполненный анализ показал,

что при таком критерии разрушения сильное влияние на режим и конечный результат процесса оказывает плотность мощности потока излучения <7. При ц<г*!"к (к - коэффициент теплопроводности КРВ) приповерхностный слой КРВ не разрушается, и в случае достаточной длительности импульса излучения Тв7>Т/2/* зажигание происходит без образования переходного слоя. При q>r */Х образование переходного слоя происходит сразу в начале процесса прогрева. Рост q приводит к росту длин разрушенного приповерхностного слоя КРВ и переходного слоя. Переходный слой ослабляет мощность потока излучения, доходящего до поверхности КРВ, что приводит к увеличению времени зажигания. При этом существует критическое время излучения т,.Д при т,,/<т,,/* зажигание не происходит. Поскольку прогрев КРВ происходит через переходный слой, сильное влияние на режимы зажигания и значения критических параметров оказывает прозрачность переходного слоя. При высокой прозрачности переходного слоя его длина растет вплоть до окончания импульса и зажигание не происходит при любых длительностях импульса излучения. С уменьшением теплоемкости переходного слоя критическое время излучения, время зажигания, длины разрушенного и переходного слоев возрастают, в зависимости от плотности мощности лучистого потока тепла и прозрачности переходного слоя их изменения составляют от 10% до 50%;

В § 4.4 исследованы разрушение приповерхностного слоя и зажигание конденсированного вещества электровзрывом. Для расчета параметров высокотемпературного воздействия электроразрядной плазмы на КРВ задавались исходные параметры разрядного контура: начальное напряжение С/0, емкость С и индуктивность Ь. Расчеты показали, что при использованных уровнях критериев разрушения (такие же, как в п. 4.2 и п. 4.3) время зажигания не зависит от критерия разрушения, но при первом критерии образование переходного слоя происходит в момент зажигания, а при втором - без образования переходного слоя. Расчеты показали, что наиболее сильно на режим и параметры зажигания оказывает плотность энергии импульса излучения из разрядной полости, которая, прежде всего, зависит от разрядного напряжения. При плотности энергии импульса излучения IV, меньше критического значения IV,*. Вблизи предела зажигания, но над ним время зажигания наибольшее. При дальнейшем увеличении плотности энергия импульса излучения время зажигания сначала уменьшается, а затем выходит на постоянное значение.

Было проанализировано влияние формы импульса излучения из разрядной полости на зажигание КРВ. Для этого рассматривались прямоугольные импульсы излучения при одинаковой плотности энергии импульса излучения IV= , равной плотности энергии импульса излучения из разрядной полости при электровзрыве для параметров разрядного контура и0 = 1.5 кВ, С - I мФ, Ь = 2.5 мкГн. На рисунке 12 в безразмерных переменных показаны результаты этого исследования. В области II происходит зажигание, в области I зажигание отсутствует. При невысокой плотности мощности

излучения ¡7 < д* и, соответственно, при растянутом импульсе излучения тепло успевает отводиться вглубь вещества, а температура поверхности КРВ не достигает значений, необходимых для зажигания. Звездочкой на кривой зажигания 1 отмечено время зажигания при форме импульса излучения при электрическом разряде. Как видно, импульс излучения при электроразряде обеспечивает достаточно быстрое зажигание. Обострение импульса излучения

Рисунок 12 - Зависимости времени зажигания г; (кривая 1) и длительности импульса излучения т1:! (кривая 2) от плотности мощности

излучения для прямоугольных импульсов при плотности энергии импульса =Е( -т=117.7

(например, при уменьшении индуктивности цепи при сохранении энергии излучения) будут ускорять зажигание.

Основные результаты и выводы

1. При зажигании КРВ через преграду мощным импульсом излучения, характерным при злектровзрыве проводника в толще вещества, время зажигания значительно уменьшается, при этом основное влияние на него оказывают только оптические свойства преграды.

2. При воздействии мощного импульса лучистой энергии, характерной для взрыва проводника в конденсированном веществе, для полупрозрачного КРВ имеет место немонотонная зависимость времени зажигания от коэффициента поглощения преграды с локальным минимумом в области сильной прозрачности преграды (ц^п^- 104м"'). Для непрозрачного КРВ время зажигания монотонно возрастает с ростом коэффициента поглощения преграды. Зажигание непрозрачного КРВ всегда происходит быстрее, чем зажигание полупрозрачного КРВ. Разность во временах зажигания полупрозрачного и непрозрачного КРВ наиболее существенна в области высокой прозрачности преграды, при > 2 105м~' она не значительна.

3. При электрическом разряде внутри КРВ на время зажигания оказывают влияние параметры переходного слоя: длина, коэффициент поглощения лучистого теплового потока в диапазоне 1,4 103м-1 < < 1,3106м"' и теплофизические свойства вещества переходного слоя, при их отличии от соответствующих параметров КРВ менее чем в 3 раза.

4. Определены критические условия стабильного и нестабильного режимов зажигания в зависимости от запасенной энергии разрядного контура, при увеличении энергии разряда процесс зажигания протекает в стабильном режиме. Обострение импульса излучения из разрядной полости приводит к уменьшению области стабильных режимов.

5. При разрушении КРВ по критерию достижения критической температуры сильное влияние на процесс зажигания оказывает величина температуры разрушения. В зависимости от длительности импульса излучения при высокой температуре разрушения наблюдаются два режима прохождения процесса: устойчивое зажигание и его отсутствие. При низкой температуре разрушения наблюдается образование переходного слоя и его отсутствие, при этом зажигание не происходит. При средней температуре разрушения наблюдаются три режима прохождения процесса: устойчивое зажигание, неустойчивое зажигание, отсутствие зажигания и образования переходного слоя. Увеличение теплоемкости переходного слоя при средней температуре разрушения приводит к исчезновению режимов неустойчивого зажигания. Прозрачность переходного слоя практически не влияет на процесс зажигания.

6. При разрушении КРВ по критерию достижения критического градиента температуры увеличение плотности мощности потока излучения приводит к росту длин разрушенного приповерхностного и переходного слоев, времени зажигания. С уменьшением теплоемкости переходного слоя критическое время излучения, время зажигания, длины разрушенного приповерхностного и переходного слоев возрастают. Сильное влияние на режимы процесса оказывает прозрачность переходного слоя. При малых коэффициентах поглощения зажигание не происходит при любых длительностях импульса излучения.

Список публикаций по теме диссертации

Статьи, опубликованные в журналах, входящих в перечень российских рецензируемых научных журналов и изданий для опубликования основных научных результатов диссертаций:

1. Буркина P.C., Буркин В.В., Домуховский A.M. Анализ условий минимизации энергии разряда при электроплазменном инициировании конденсированных реакционноспособных веществ II Химическая физика и мезоскопия. - 2009. - Т. 11, № 1. - С. 14-21. - 0,46/0,2 п.л.

2. Буркина P.C., Домуховский A.M. Влияние структурных изменений приповерхностного слоя конденсированного вещества на его зажигание мощным импульсом излучения // Физика горения и взрыва. - 2012. -Т. 48, №5. - С.122-129.-0,53/0,45 п.л.

Статьи в других научных изданиях:

3. Домуховский A.M., Буркина P.C. Зажигание полупрозрачного к-вещества потоком излучения через преграду // Физика и химия высокоэнергетических систем. Доклады II всероссийской научно-технической конференции. Томск: изд-во Том. ун-та, 2006. -С.16-17.-0,14/0,11 п.л.

4. Буркина P.C., Домуховский A.M. Влияние преграды на зажигание

реакционноспособного вещества лучистым потоком тепла // Фундаментальные и прикладные проблемы современной механики. Докл. V Всерос. науч. Конф. Томск, 3-5 октября 2006 г. - Томск: изд-во Том. ун-та, 2006. - С.84-85. -0,16/0,12 п.л.

5. Буркина Р.С., Домуховский A.M. Исследование влияния прозрачности преграды на зажигание полупрозрачного вещества мощным импульсным и умеренным постоянным лучистыми потоками тепла // Физика и химия высокоэнергетических систем. Сборник материалов III Всероссийской конференции молодых ученых (24-27 апреля 2007 г.). - Томск: TMJT-Пресс, 2007. - С. 150-153. - 0,16/0,12 п.л.

6. Буркина Р.С., Буркин В.В., Домуховский A.M. Моделирование теплового инициирования конденсированных реакционноспособных веществ электроразрядной плазмой // Изв. вузов. Физика. - 2007 - № 9. Приложение. -С.282-285,-0,32/0,15 п.л.

7. Буркина Р.С., Буркин В.В., Домуховский A.M. Исследование условий зажигания конденсированных реакционноспособных веществ электроплазменным способом // Фундаментальные и прикладные проблемы современной механики. Материалы VI Всерос. науч. конф. Томск, 30 сентября -2 октября 2008 г. - Томск: изд-во Том. ун-та, 2008. - С.81-82. - 0,16/0,1 п.л.

8. Burkina R.S. Domukhovsky A.M. Influence of structural changes of condensed matter near-surface layer at its ignition by radiation powerful impulse // 7th International Seminar on Flame Structure and First Young Researcher's School on Flame Study. Novosibirsk, Russia, July 11-19, 2011. - Book of Abstracts. -Novosibirsk, Russia, Institute of Chemical Kinetics and Combustion SB RAS, 2011. — P. 14.-0,08/0,06 п.л.

9. Burkina R.S., Burkin V.V., Domukhovsky A.M. Research of formation of the transitive layer and its influence on process of condensed reactive substances initiation at influence of powerful radiation pulse // XI International Symposium of Self-Propagating High Temperature Synthesis. 5-9 September 2011. - Anavyssos, Attica, Greece. Book of Abstracts. - P.208-209. - 0,11/0,06 п.л.

10. Буркина P.C., Домуховский A.M. Моделирование зажигания конденсированного вещества мощным импульсом излучения через образующийся переходный слой // Фундаментальные и прикладные проблемы современной механики: Сборник материалов научной конференции. Томск: Томский государственный университет, 2011. - С.80-81. - 0,15/0,12 п.л.

11. Буркина Р.С., Буркин В.В., Домуховский A.M. Особенности разрушения приповерхностного слоя и зажигания конденсированного вещества мощным импульсом излучения // Хаос и структуры в нелинейных системах. Теория и эксперимент Материалы 8-й Междунар. науч. конф., посвящ. 40-летию КарГУ им. акад. Е.А. Букетова. - Караганда: Изд-во КарГУ, 2012. - С.294-300. -0,40/0,25 п.л.

12. Буркина Р.С., Буркин В.В., Домуховский A.M. Математическая модель зажигания конденсированного заряда баллистической установки мощным импульсом излучения // Фундаментальные основы баллистического проектирования. III Всероссийская научно-техническая конференция. Санкт -

Петербург, 2 шоля — 6 июля 2012 г. Сборник материалов. Т. 1. - Санкт-Петербург, 2012. - С.88-91. - 0,24/0,15 п.л.

13. Буркина P.C., Домуховский A.M. Режимы зажигания конденсированного вещества мощным импульсом излучения // Труды Томского государственного университета. Серия физико-математическая. Актуальные проблемы современной механики сплошных сред и небесной механики: Материалы II Всероссийской молодежной научной конференции, посвященной 50-летию физико-технического факультеты Томского государственного университета. Томск: Изд-во Том. ун-та, 2012. - Т. 282. - С.29-32. - 0,17/0,12 п.л.

Отпечатано в ООО «НИП», г. Томск, ул. Советская, 47, тел. 53-14-70. Тираж 100 экз.

Текст научной работы диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Домуховский, Александр Михайлович, Томск

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный исследовательский Томский

государственный университет»

На правах рукописи

0420135^04? ДОМУХОВСКИЙ АЛЕКСАНДР МИХАЙЛОВИЧ

ИНИЦИИРОВАНИЕ ГОРЕНИЯ КОНДЕНСИРОВАННОГО ВЕЩЕСТВА МОЩНЫМ ИМПУЛЬСОМ ИЗЛУЧЕНИЯ

01.04.14 - теплофизика и теоретическая теплотехника

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель: доктор физико -математических наук, Р.С. Буркина

Томск - 2013

СОДЕРЖАНИЕ

Список основных обозначений и сокращений 4

ВВЕДЕНИЕ 7

1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР 14

1.1 Теоретические подходы к исследованию зажигания реакционноспособных веществ 14

1.2 Зажигания конденсированных веществ импульсом излучения 18 1.3. Электроплазменное зажигание конденсированных веществ 21

2. ЗАЖИГАНИЕ КОНДЕНСИРОВАННОГО ВЕЩЕСТВА ИМПУЛЬСОМ ИЗЛУЧЕНИЯ ЧЕРЕЗ ПРЕГРАДУ 29

2.1 Физическая модель и математическая постановка 29

2.2 Разностная схема и метод решения разностных уравнений 32

2.3 Тестирование численной реализации задачи (программы) на достоверность и точность 41

2.4 Исследование зажигания полупрозрачного конденсированного вещества через прозрачную и полупрозрачную преграды 45

2.5 Влияние прозрачности преграды на зажигание КРВ потоком излучения 61

2.6 Зажигание непрозрачного конденсированного вещества лучистым потоком тепла через преграду 72

2.7 Выводы по главе 83

3. ЗАЖИГАНИЕ КОНДЕНСИРОВАННЫХ РЕАКЦИОННОСПОСОБНЫХ ВЕЩЕСТВ ЭЛЕКТРОРАЗРЯДНЫМ ВОЗДЕЙСТВИЕМ 85

3.1 Физическая модель исследования и постановка задачи 86

3.2 Исследование влияния параметров переходного слоя на зажигание КРВ электроразрядной плазмой 92

3.3 Анализ условий минимизации энергии разряда при электроплазменном инициировании конденсированных реакционноспособных веществ 97

3.4 Выводы по главе 101

4. ДИНАМИКА ОБРАЗОВАНИЯ ПЕРЕХОДНОГО СЛОЯ У ПОВЕРХНОСТИ КОНДЕНСИРОВАННОГО ВЕЩЕСТВА И ЕЕ ВЛИЯНИЕ

НА ЗАЖИГАНИЕ МОЩНЫМ ИМПУЛЬСОМ ИЗЛУЧЕНИЯ 102

4.1 Физическая модель исследования и постановка задачи 102

4.2 Режимы зажигания конденсированного вещества мощным импульсным излучением при разрушении его приповерхностного слоя по достижению критической температуры 107

4.3 Режимы зажигания конденсированного вещества мощным импульсным излучением при разрушении его приповерхностного слоя по достижению критического градиента температуры 119

4.4 Разрушение приповерхностного слоя и зажигание конденсированного вещества при электроплазменном воздействии 126

4.5 Выводы по главе 131 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 133 ЛИТЕРАТУРА 136

Список основных обозначений и сокращений

Размерные переменные и параметры

1. Т- текущая температуры вещества;

2. а и а0- текущая и начальная концентрации реагирующего компонента;

3. I- переменная времени;

4. х - пространственная координата;

5. / - ширина преграды;

6. с- удельная теплоемкость;

7. р0, р - начальная и текущая плотность;

8. Я - удельная теплопроводность;

9. ц — коэффициент поглощения в законе Бугера;

10. тепловой эффект химической реакции;

11. ко - предэкспонент;

12. Е- энергия активации;

13. 7? - универсальная газовая постоянная;

14. д - плотность мощности потока лучистой энергии;

15. Цц — поток мощности излучения из разрядной полости;

16. ЯР — сопротивление межэлектродного промежутка;

17. Р — давление;

18. и~ напряжение;

19. С, Ь- емкость, индуктивность электроразрядного контура;

20. I - сила тока;

21. Евн - удельная внутренняя энергия;

22. 1¥0 - энергия источника;

23. - энергия омических потерь;

24. 1¥Р - энергия, выделяющаяся в межэлектродном промежутке;

25. \¥р1 - энергия плазмы;

26. }¥у- энергия волновых возмущений;

27. Ж/ - энергию излучения

28. Рр, Ур, 8с, 5у> - давление, объем, площадь поперечного сечения и площадь боковой поверхности разрядной полости;

29. тр, ср - масса и теплоемкость продуктов электроразрядной полости;

30. а - постоянная Стефана - Больцмана;

31. Уо - скорость перемещения поверхности КРВ;

32. V- скорость перемещения вещества переходного слоя.

Безразмерные переменные и параметры

1. 0 - температура;

2. , т - пространственная и временная переменные;

3. ть туст - время воспламенения, время установления стационарной волны горения;

4. ширина преграды;

5. 0О - температурный напор;

6. Тс1- число Тодеса;

7. Аг — параметр Аррениуса;

8. К.. — птнпшрнир п^ърмньтх трпппемкостей-

9. К^ - коэффициент поглощения.

10. Кх~ коэффициент теплопроводности.

11. п- порядок реакции;

12. ж = 3.14 - число;

13. е = 2.72 - число;

14. в - излучательная способность разрядной полости;

15. У0 - скорость движения поверхности КРВ;

16. V - скорость движения вещества переходного слоя;

17. стр(Рр) - проводимость разрядной полости

Сокращения: ATM - азиды тяжелых металлов,

КРВ - конденсированное реакционноспособное вещество. В тексте индексы: «1» относится к преграде и к переходному слою, «г» отмечает параметры воспламенения, «О» - начальные параметры, «/?» -параметры разрядной полости.

ВВЕДЕНИЕ

Изучение высокоэнергетических воздействий на конденсированные

вещества вызвано, в основном, тремя различными по своему назначению

задачами: изменение приповерхностной области вещества с целью придания

ей требуемых свойств [1, 2], инициирование и поддержание химического

процесса в веществе [3, 4], обеспечение пожаро- и взрывобезопасности

технологических процессов [5]. Практическая значимость результатов

решения этих задач определяется: перспективами упрочнения и

модификации поверхностных слоев строительных и конструкционных

материалов, использованием технологического горения для получения

материалов с заданными свойствами, разработкой устройств инициирования

зарядов баллистических установок, применением плазматронов для

интенсификации процессов горения низкокалорийного сырья,

необходимостью выполнения требований экологической и пожарной

безопасности. Наибольшие перспективы в технологических процессах и

установках имеет импульсный способ воздействия на вещество потоком

излучения в связи с возможностью управлением процессом и обеспечением

экстремально высоких температур и давлений воздействия при минимуме

энергозатрат. Такой способ воздействия может быть обеспечен лазерным

импульсом или излучением из области электроразрядной плазмы. Как

показывает эксперимент, при мощном высокоэнергетическом воздействии на

конденсированное вещество в нем происходят процессы, которые не

наблюдаются при малых интенсивностях внешнего воздействия. Так в

конденсированном веществе образуются трещины, разрушается

приповерхностный слой, возникают эрозионный поток с поверхности

вещества и переходный слой у его поверхности, внутри вещества образуются

высокотемпературные центры, происходят и другие структурные изменения.

Такие структурные изменения качественно отражаются на результатах

воздействия, в частности, на инициировании конденсированного

реакционноспособного вещества (КРВ), горении и свойствах конечного продукта. Для понимания и возможности использования происходящих процессов требуется их детальное изучение. Экспериментальные исследования данных процессов не всегда возможны в связи с их быстротечностью и экстремально высоким уровнем развиваемых температур и давлений. Поэтому большие надежды возлагаются на математическое моделирование и параметрическое исследование происходящих структурных изменений, кроме того, такой способ исследования требует значительно меньше материальных затрат по сравнению с экспериментальными способами. Применение математического моделирования позволяет существенно сузить диапазон поиска наиболее эффективных режимов ввода энергии и оценить перспективы применения такого способа воздействия на конденсированные вещества.

Целью работы является:

Научная новизна работы:

• Определены основные параметры переходного слоя между электроразрядной плазмой и КРВ, оказывающие существенное влияние на зажигание КРВ при электрическом разряде внутри него. Выявлены диапазоны изменения параметров переходного слоя, реализация которых позволяет сократить длительность периода воспламенения.

® Показаны особенности образования переходного слоя между КРВ и электроразрядной полостью и его влияние на зажигание при электрическом разряде внутри КРВ. Практическая значимость:

• Полученные закономерности и пределы зажигания КРВ импульсом излучения через преграду рекомендуется использовать для качественного

представления динамики зажигания и анализа результатов воздействия на КРВ импульсов излучении различной длительности.

• Результаты исследования разрушения приповерхностного слоя конденсированного вещества и образования переходного слоя при различных механизмах разрушения рекомендуется использовать для моделирования соответствующих процессов при воздействии на поверхность вещества мощного импульса излучения. Качественный характер прохождения процесса, параметры образующегося переходного слоя и времена зажигания рекомендуется использовать в обратной задаче по установлению механизма и характера разрушения КРВ.

Работа выполнялась в рамках грантов Российского фонда фундаментальных исследований (проекты № 03-03-33075 а, № 06-03-32336 а, № 11-03-00136-а), гранта Министерства образования РФ и СКОИ в рамках программы ВИНЕ (проект №016-02), госбюджетной темы «Исследование закономерностей электромеханического преобразования энергии и горения дисперсных систем и низкопористых сред» и ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы при финансовой поддержке государства в лице Минобрнауки России Государственное Соглашение № 14.В37.21.1828.

Краткое содержание работы

Первая глава диссертации посвящена обзору имеющихся в литературе

работ, отражающих основные положения теории воспламенения, а также

результатам работ по зажиганию КРВ импульсом излучения и электроплазменным способом. В итоге делается вывод, что зажигание конденсированного реакционноспособного вещества импульсным высоко энергетическим воздействием существенным образом зависит от структурных изменений, происходящих при воздействии в приповерхностном слое вещества, образования вблизи поверхности вещества переходного слоя, свойств переходного слоя. В литературе эти вопросы оставались практически не изученными.

Во второй главе проводится численное исследование зажигания полупрозрачного и непрозрачного КРВ через преграду с различными свойствами: прозрачностью, теплофизическими и формально-кинетическими параметрами, постоянным умеренным и мощным импульсным потоком излучения. Рассмотрена реализация применяемого численного алгоритма, и представлено тестирование программы численной реализации задачи. Показана динамика прохождения процесса зажигания. Проведено сравнение энергетических и временных характеристик зажигания КРВ при умеренном постоянном тепловом потоке и мощном импульсным потоке излучения. Определено влияние оптических и теплофизических параметров преграды и температуры внешней среды на время зажигания в зависимости от потока излучения. Установлено основное влияние мощного потока излучения на время зажигания, при котором оно принимает наименьшие значения. Изучен характер поведения времени зажигания при постоянном умеренном и при мощном потоке излучения в зависимости от параметров преграды и прозрачности вещества.

В третьей главе численно исследуется зажигание КРВ при

электровзрыве находящейся в нем проводящей фольги. Анализируется

влияние теплофизических и оптических свойств переходного слоя,

возникшего при электровзрыве проводника, на характеристики зажигания

КРВ. Определены критические условия стабильного и нестабильного

режимов зажигания Проведен параметрический анализ условий

минимизации энергии источника, необходимой для реализации стабильных режимов зажигания. Определены области изменения параметров источника энергии и разрядного контура, необходимые для реализации стабильных режимов зажигания КРВ, отличающиеся физико-механическими свойствами.

Четвертая глава посвящена численному исследованию разрушения приповерхностного слоя КРВ, образования переходного слоя и их влияния на зажигание при воздействии на поверхность вещества мощного импульса излучения. Рассмотрены закономерности прохождения процессов при двух механизмах разрушения, связанные с достижением веществом температуры разрушения и критического градиента температуры в КРВ. Определены закономерности роста образующегося у поверхности вещества переходного слоя. Установлены три режима прохождения процесса: устойчивое зажигание, неустойчивое зажигание, отсутствие зажигания. Реализация режима процесса зависит от параметров импульса излучения и механизма разрушения. Выявлены основные параметры переходного слоя, влияющие на длительность формирования переходного слоя, его окончательный размер и характеристики зажигания конденсированного вещества.

В заключении сформулированы основные выводы работы.

Материалы диссертации докладывались и обсуждались на II, III

Всероссийских конференциях молодых ученых «Физика и химия

высокоэнергетических систем» (Томск, 2006, 2007); на V Всероссийских

научных конференциях «Фундаментальные и прикладные проблемы

современной механики» (Томск, 2006, 2008, 2011); на Всероссийской

конференции «Проблемы механики сплошных сред и физики взрыва»

(Новосибирск, 2007); на 10th International Conference on Gas Discharge Plasmas

and Their Applications (Томск, 2007), на 7th International Seminar on Flame

Structure and First Young Researcher's School on Flame Study (Новосибирск,

2011); на XI International Symposium of Self-Propagating High Temperature

Synthesis (Anavyssos, Attica, Greece, 2011); на VIII Международной

конференции «Хаос и структуры в нелинейных системах», посвященной 40-летию КарГУ им.акад. Е.А. Букетова (Караганда, 2012); на II Всероссийской молодежной научной конференции, посвященной 50-летию физико-технического факультета ТГУ (Томск, 2012); на III Всероссийской научно-технической конференции «Фундаментальные основы баллистического проектирования» (Санкт-Петербург, 2012).

Основные результаты диссертации представлены в трудах вышеперечисленных конференций, в журналах «Химическая физика и мезоскопия», «Физика горения и взрыва», «Известия вузов. Физика». Количество основных работ по диссертации 4.

Автор выражает глубокую благодарность сотрудникам кафедры математической физики Томского государственного университета за оказанное внимание к работе, а также ее обсуждение.

Особу