Критические параметры инициирования и условия распространения пузырьковой детонации тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.05 ВАК РФ

На правах рукописи 005059454

КОЧЕТКОВ ИВАН ИВАНОВИЧ

КРИТИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ИНИЦИИРОВАНИЯ И УСЛОВИЯ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ПУЗЫРЬКОВОЙ ДЕТОНАЦИИ

01.02.05 - Механика жидкости, газа и плазмы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

і 6 ш 2И13

Новосибирск-2013

005059454

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институт гидродинамики им. М.А. Лаврентьева Сибирского отделения РАН

Научный руководитель: доктор физико-математических наук

Пинаев Александр Владимирович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

Кедринский Валерий Кириллович

доктор физико-математических наук Шарыпов Олег Владимирович

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное

учреждение науки Институт теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича Сибирского отделения РАН

Защита диссертации состоится «Л 5 » ЦЮНЯ 2013 г. в {<£_ ч. 0(2_ мин. на заседании диссертационного совета Д003.054.01 при Институте гидродинамики им. М.А. Лаврентьева СО РАН по адресу 630090, г. Новосибирск, проспект Лаврентьева 15.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИГиЛ СО РАН

Автореферат разослан «_»_2013 г.

Учёный секретарь диссертационного совета у . /

Ждан С.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Интерес исследователей к свойствам и особенностям пузырьковых сред обусловлен их широким распространением в современном технологическом производстве. В производственных процессах, связанных с генерацией и транспортировкой взрывчатых веществ значительное внимание уделяется мерам обеспечения взрывобезопасности. Образование взрывоопасной пузырьковой среды может произойти из-за утечек, ошибок в дозировке либо быть обусловлено самим технологическим процессом. Например, в промышленных системах производства ацетилена для защиты коммуникаций от проникновения в них со стороны потребителя воздуха или взрывной волны при обратных ударах используются жидкостные затворы, в которых образуется взрывчатая пузырьковая среда. Поэтому знание условий и параметров, при которых может произойти взрыв образованной газожидкостной системы, имеет важное практическое значение.

Другой перспективной областью применения результатов исследования химически активных пузырьковых сред является энергетика. В настоящее время КПД типичного паротурбинного энергоблока находится на уровне 40 %, газотурбинной установки — 36 %, а парогазовой — 50 %. За счет потерь в теплосетях до потребителя доходит ещё меньшая доля энергии. Немаловажную роль играет также и загрязнение атмосферы продуктами сжигания углеводородного топлива. Исследования детонационных процессов в химически активных пузырьковых средах показывают принципиальную возможность сжигания такого топлива в жидкой среде с практически полной передачей тепла от продуктов реакции теплоносителю и исключая вредные выбросы в атмосферу.

Таким образом, актуальность исследований фундаментальных свойств и особенностей химически активных газожидкостных сред обусловлена прикладными задачами в областях взрывобезопасности и энергетики.

Цели работы и методы исследований. Экспериментальное исследование процесса инициирования пузырьковой детонации (ПД), проведение его оптимизации и определение критических параметров инициирования при возбуждении детонации ударной волной, создаваемой как за пределами пузырьковой среды, так и внутри неё. Создание теоретической модели пузырьковой детонации, учитывающей нелинейные и дисперсионные свойства пузырьковой среды, а также расчет структуры волны пузырьковой детонации при дискретном распределении пузырьков в жидкости.

В качестве экспериментальных методов исследования применялись известные электрофизические способы измерения параметров ударно-волновых процессов. Для обработки полученных результатов использовались статистические методы анализа данных. В части теории применялись аналитические и численные методы решения поставленных задач.

Научная новизна. Подробно изучен процесс инициирования пузырьковой детонации двумя разными способами: внешней ударной волной, сформированной подрывом горючей смеси в отдельной секции, и ударной волной внутри пузырьковой среды, сформированной электрическим взрывом проволочки. Впервые реализовано инициирование пузырьковой детонации непосредственно в газожидкостной среде. Определены критические параметры инициирования пузырьковой детонации. Показана возможность снижения затрат энергии: при внешнем инициировании - за счет уменьшения длины секции инициирования, при внутреннем - за счет снижения энергии разряда. При инициировании детонации электрическим взрывом проволочки обнаружен резонансный способ инициирования. Предложена новая модель пузырьковой детонации как уединенной волны с энерговыделением и способ расчета пульсационной структуры волны ПД с учетом дискретного расположения пузырьков в жидкости.

Практическая ценность результатов. Полученные в работе результаты могут быть использованы при проектировании систем взрывозащиты; послужить основной для разработки и усовершенствования теоретических моделей, описывающих распространение сильных ударных волн и волн детонации в пузырьковых средах, а также могут найти применение в разработке новых технологий эффективного использования углеводородных топ-лив.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ

1. Результаты экспериментального исследования и оптимизации процесса инициирования пузырьковой детонации с помощью волны газовой детонации падающей на границу газожидкостной среды.

2. Результаты экспериментов по исследованию распространения сильных ударных волн в инертных и химически активных пузырьковых средах при электрическом взрыве проволочки.

3. Метод инициирования пузырьковой детонации короткой ударной волной от взрыва проволочки, расположенной в химически активной пузырьковой среде, и результаты измерений критических энергий инициирования детонации при различной объемной концентрации пузырьков.

4. Модель и результаты численного расчета волны пузырьковой детонации, учитывающие дисперсионные и нелинейные свойства пузырьковой среды, энерговыделение, пространственное расположение пузырьков и сжимаемость жидкости.

Апробация и публикации. Результаты работы были представлены и обсуждались на: Zeldovich Memorial - International Conference on Combustion and Detonation (Moscow, 2004); III Международной летней научной Школы (Кемерово, 2006); Всероссийской конференции "Проблемы механики сплошных сред и физики взрыва" (Новосибирск, 2007); 7-м Между-

народном симпозиуме по предотвращению промышленных взрывов (Санкт-Петербург, 2008); X Международном семинаре по акустике неоднородных сред (Новосибирск, 2009); Международной конференции «Современные проблемы прикладной математики и механики: теория, эксперимент и практика» (Новосибирск, 2011); XI Международной конференции «Забабахин-ские научные чтения» (Снежинск, 2012). Основное содержание диссертации опубликовано в 18 трудах, в том числе в 7 статьях в рецензируемых научных изданиях и в 11 тезисах докладов на конференциях.

Личный вклад автора заключается в: 1) подготовке и проведении опытов по исследованию структуры и свойств ударных и детонационных волн; 2) монтаже электрической системы подрыва проволочки; 3) разработке модели пузырьковой детонации; 4) проведении численных расчетов; 5) анализе и обсуждении полученных результатов.

Структура и объём диссертации. Диссертационная работа, объёмом 144 страницы, состоит из введения, четырёх глав и заключения. В работе содержится 39 рисунков, 8 таблиц, 33 формулы и 95 библиографических ссылок.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении отражена актуальность задач, рассмотренных в диссертационной работе, отмечена научная новизна, сформулирована цель, выделены задачи исследования и кратко изложена структура работы.

В первой главе приведен обзор экспериментальных и теоретических работ, посвященных исследованию детонации в химически активных пузырьковых средах; описаны используемые подходы и отмечены основные результаты.

Во второй главе экспериментально исследован процесс инициирования пузырьковой детонации внешней волной газовой детонации; определена структура и динамика инициирующей волны над поверхностью газожидкостной среды в зависимости от длины секции инициирования и начального давления в ней взрывчатого газа. Показано влияние газовой «пробки» между диафрагмой и верхней границей пузырьковой среды на параметры инициирующей волны. Определены оптимальная длина секции инициирования, критическое (минимальное) давление в ней и соответствующее ему давление во фронте инициирующей волны, при которых детонация в пузырьковой среде ещё возможна.

Эксперименты проводились на вертикальной трубе длиной рабочей секции 4.5 м и внутренним диаметром 35 мм. На верхнем и нижнем участках рабочей трубы находились измерительные секции. Сверху располагалась секция инициирования, заполняемая взрывчатым газом. При каждой длине секции инициирования /си = 845, 345 и 145 мм была исследована структура ударной волны над пузырьковой жвдкостью и установлена критическая амплитуда давления, ниже которой инициирование пузырьковой

детонации не происходило. Для исследования динамики инициирующей волны в опытах также изменялись расстояние Л от диафрагмы, отделяющей секцию инициирования от рабочей секции, до первого датчика давления верхней секции измерения и расстояние X от диафрагмы до границы пузырьковой среды. В качестве жидкости в трубе использовалась смесь 3/4Н20+'/4Гли-церина, в качестве газа в пузырьках - смесь С2Н2+2.502 либо воздух. Величина объемной концентрации пузырьков Д>= 2 %.

В качестве примера на рис. 1 приведена характерная осциллограмма при /Си = 845 мм. На полученных осциллограммах четко выделяется сформированная ударная волна треугольного профиля (1), следующий за ней подъем давления (2), и затем отраженная от торца СИ волна сжатия (3). Было установлено, что инициирование пузырьковой детонации осуществляется непосредственным действием области сжатия 1 вблизи переднего фронта.

При /си = 845 и 345 мм зависимость давления на переднем фронте инициирующей волны р^ от рои нелинейная: амплитуда слабо возрастает. При 'си = 145 эта зависимость становиться более крутой, особенно при рт < 0.1 МПа, что свидетельствует о низкой скорости распространения детонационного процесса (О меньше скорости Чепмена-Жуге £>сц)- Анализ осциллограмм показывает, что при всех /си амплитуда инициирующей волны по мере распространения уменьшается, а скорость практически всегда меньше Ба = 2424 м/с. Эти данные говорят о наличии переходного режима детонационного процесса к новым стационарным значениям. Характер переходного режима определяется отношением энергии воздействия детонационной волны к критической энергии инициирования горючей смеси в газовой пробке. При /си = 145 мм переходный режим наиболее выражен. Для более точного представления характера распространения инициирующей УВ были проведены опыты при минимальной длине /Си = 145 мм и Л = 195 мм, т.е. когда Л максимально приближается к X. При аналогичной структуре инициирующей волны, как и в опытах при Л = 510 мм, её амплитуда и скорость стали выше.

Исследования динамики инициирующей волны позволили оценить её критическую амплитуду р\ , при которой происходит возбуждение пузырьковой детонации. Как оказалось, для этого достаточно создание ударной волны с амплитудой р' = 2.7±0.2 МПа при /си = 145 мм, что меньше р\ -2.9±0.1 МПа при /си = 845 и 345 мм. Результаты измерений показали, что

р, 2 МПа/дел

' * Г"' ' ' ........... ' ' - -

й± 1 1 - I

• 1 [ ! ! ' \ \ \ рЬи= 0-О5 ЪДТа

100 мкс/дел Рис. 1. Профили давлений УВ. /си =

845 мм. А = 510 мм.

критические амплитуды давления инициирующих ударных волн, полученные в предшествующих экспериментальных работах, требуют перепроверки и уточнения.

Значения критических пара- Хаблица L Критические параметры метров инициирования пузырько- инициирования в зависимости от /сивой детонации сведены в табл. 1. —j-,-;-——=;-—-

Здесь в последнем столбце при- си' Р ои > Е ' Е ¿и >

ведены значения удельной запа- _МПа МПа кДж_Дж/см

сенной химической энергии в 845 0.065 2.9±0.1 8.0 1 207 секции инициирования на едини- 345 0.07 3.0±0.1 3.5 0.44 91 цу площади, в предпоследнем 145 0.075 2.7±0.2 1.6 0.2 41.6 столбце приведены безразмерные

(по отношению к энергии газа при максимальной длине СИ 845 мм) критические энергии газа в СИ, вычисляемые по формуле Е*(1)=Е*(1)/Е (/шах) = /(/)/р*(1тах)-1 / 1шах, где /тах = 845 мм. В формуле учтена зависимость количества газа в СИ от соответствующих значений р0и-

В третьей главе экспериментально исследовано инициирование пузырьковой детонации ударной волной от электрического взрыва проволочки. Проведены сравнительные измерения параметров ударных волн при взрыве проволочек в инертных и реагирующих пузырьковых средах на различном удалении от места взрыва. В химически активной пузырьковой среде определены критические энергии и установлен механизм инициирования пузырьковой детонации при различной объемной концентрации пузырьков.

Эксперименты проводились на той же установке, что и опыты по инициированию пузырьковой детонации внешней волной газовой детонации, но с измененной верхней частью, в которой были расположены подвижные электроды с взрываемой проволочкой. Величина объемной концентрации пузырьков ßo = 1-4%. Первоначально были выполнены эксперименты при W0 ~ 0.3+1.6 кДж, но впоследствии выяснилось, что инициирование возможно и при меньших энергиях. Поэтому проведение экспериментов по величине запасенной энергии условно разделилось на опыты при "высоком" энерговыделении (W0 ~ 0.3+1.6 кДж) и при "низком" энерговыделении (W0 = 12.25+64 Дж).

Исследование волновых процессов на различных расстояниях л от проволочки осуществлялось в верхней секции измерения при расположении проволочки выше первого датчика Д\ на расстоянии L = 170 мм (С = 2 и 50 мкФ, х 'я 0.17-0.34 м) и при расположении проволочки напротив первого датчика на расстоянии L - 0 мм (С = 2 мкФ, д-« 0.01-0.17 м). Расстояние между датчиками Дх иД2 составляло 7.5 см,Д2 и Дъ — 9.5 см. В нижней секции измерения х ~ 3 м; расстояние между датчиками составляло 17 см. Для сравнительного изучения перед опытами по исследованию инициирования

пузырьковой детонации проводилось изучение ударных волн от взрыва проволочки в инертной пузырьковой среде.

Ударные и детонационные волны при высоком энерговыделении.

А). Характеристика ударных волн на различном удалении от места взрыва. Типичные осциллограммы напряжения и на конденсаторе и профилей давления УВ при взрыве проволочки в инертной пузырьковой среде при х = 0.17-КЗ м приведены на рис. 2. Здесь и далее на осциллограммах приводится амплитуда давления УВ Др=р -ра, где р0, - начальное давление возле /-го датчика. Давление над пузырьковой средой во всех опытах составляло р0 = 0.1 МПа. В профиле волны выделяется обособленная область с повышенным давлением («голова» волны), за которой уже следуют остаточные возмущения меньшей амплитуды.

Рис. 2. Осциллограммы напряжения [7(0 (а - луч 1) и профилей давлений УВ (а — лучи 2+4, б - лучи 1, 2). = 2%, = 900 Дж, Ь = 170 мм. По вертикали, а: 1-10 кВ/дел, 2+4 - 5 МПа/дел; б: -1,2- 0.1 МПа/дел.

Исследования показывают, что при высоком энерговыделении формируется сильная УВ, которая порождает кавитацию и разрушает первоначальные пузырьки. В результате этого в жидкости на длине УВ возникают микропузырьки и увеличивается объемная концентрация газовой фазы. По мере удаления от проволочки амплитуда пульсаций УВ уменьшается, скорость убывает и внизу трубы вблизи фронтов падающей и отраженной от торца трубы ударной волны профиль давления становится близким к прямоугольному (см. рис. 2, б). С ростом энергии Ж0 возрастают средние давление и скорость распространения, уменьшаются длительность и протяженность — ударная волна становится сильнее и короче.

Б). Характеристика детонационных волн на различном удалении от места взрыва. Опыты, проведенные в химически активной пузырьковой среде, в постановке, аналогичной в инертной среде показали, что на первом датчике (Д\) ударная волна ещё сохраняет типичный при взрыве проволочки пульсационный профиль с резкими перепадами давления (рис. 3, луч /). Через 0.17 м на датчике Дъ она приобретает профиль давления, характерный для пузырьковой детонации (рис. 3, луч 2).

При высоких энергиях взрыва W0 и ß0 = 1% происходит сильное затухание волны, причина которого, как и для УВ в инертной среде, заключается в разрушении пузырьков и кавитации на заднем фронте волны с высокой амплитудой. При ß0 = 1% независимо от вида пузырьковой среды (активная или инертная) амплитуда давления на датчике Дх определяется главным образом величиной W0. При ß0 > 2% вклад от химической реакции приводит уже к заметному увеличению давления волны на первом и третьем датчиках и к росту скорости волны.

Ударные и детонационные волны при низком энерговыделении.

A). Характеристика ударных воли на удалении от места взрыва. На типичных осциллограммах профилей давления при х = 0.17^-0.34 м регистрируется ударная волна, быстро затухающая по мере распространения. Профиль волны характеризуется плавным подъемом давления на переднем фронте до максимального значения и дальнейшим значительно более длительным, чем при высоких энергиях разряда, спадом до начального давления в среде. С увеличением концентрации пузырьков резко снижается скорость УВ и сокращается ее длина. Амплитуда давления ударных волн на базе между датчиками Дх и Дъ уменьшается в 7-16 раз и степень затухания давления слабо зависит от концентрации. В нижней измерительной секции (х ~ 3 м) возмущения давления не регистрируются.

Б). Характеристика волны пузырьковой детонации на удалении от места взрыва. Анализ осциллограмм формирующихся волн пузырьковой детонации вдали от проволочки (0.17 м < х < 0.34 м) при малых энергиях взрыва показывает, что с уменьшением энергии W0 действие взрывной волны от проволочки ослабевает и профиль формирующейся волны на датчике Д\ становится ближе к профилю волны пузырьковой детонации. При малых энергиях взрыва и фиксированной ß0 на датчике Дх средняя амплитуда давления меньше, чем при высоком энерговыделении, и с ростом концентрации разность между значениями среднего давления при разных уровнях энерговыделения уменьшается. Анализ данных показывает, что значительная часть энергии волны при высоких W0 идет на разрушение пузырьковой среды.

B). Характеристика ударных волн вблизи места взрыва. Для исследования начальной стадии формирования УВ были проведены опыты при 14.4 мм < х < 171 мм, когда проволочка располагалась непосредственно напротив датчика Д\. На рис. 4 приведены типичные осциллограммы про-

г, 50 мкс/дел Рис. 3. Осциллограммы давления (лучи 1, 2) и свечения (луч 3). = 3%, 1У0 = 1225 Дж, Ь = 170 мм. По вертикали: 1 -20 МПа/дел, 2-10 МПа/дел, 3 - 0.5 В/лел.

филей давления УВ при взрыве проволочки в инертной пузырьковой среде. Во всем диапазоне энергий Ш0 с ростом /?0 амплитуда УВ на каждом из датчиков убывает, средняя скорость волны уменьшается. На близких от проволочки расстояниях, пока УВ сильная (при х < 77 мм для /?0 = 1-2% ях < 14.4 мм для /?0 = 1-4%), она распространяется со скоростью близкой к скорости звука в чистой жидкости. На расстоянии х = 171 мм амплитуда давления УВ уменьшается в 12-50, в 22-77 и в 45-130 раз при Д, = 1, 2 и 3% соответственно, а при /?0 = 4% УВ практически затухает. При /?0 = 1-2% средняя скорость распространения УВ может достигать скорости звука в чистой жидкости, тогда как расчетные значения скорости УВ оказываются заметно меньшими. Причина этого, возможно, заключается в том, что в теории профиль УВ представляет собой протяженную волну с пульсациями давления на переднем фронте, а в эксперименте профиль УВ близок к треугольному с резким передним фронтом. В такой короткой ударной волне при малой концентрации пузырьки не успевают совершать колебания и поэтому дисперсионные свойства среды явно не успевают проявиться.

Г). Характеристика волн пузырьковой детонации вблизи места взрыва. На рис. 5 приведены типичные осциллограммы давления и свечения волн сжатия на датчиках Дх иД3 при 14.1 мм < х < 171 мм в химически активной пузырьковой среде, когда проволочка расположена непосредственно напротив датчика Д\. Профили давления, регистрируемые на первом датчике Дх (луч 1), близки к профилям давления в инертной среде при тех же значениях параметров Щ и /?о- На датчике Д3 (луч 2) в отличие от инертной среды (где наблюдалось сильное затухание волны) регистрируется волна с профилем давления, близким к профилю волны пузырьковой детонации. В результате химической реакции значения давлений на Дх больше соответствующих значений в инертной среде во всем диапазоне значений энергии ТУ0. Разброс значений давления на Дх сильно зависит от величины энергии Ш0 и с ростом ра уменьшается, а наДз, напротив, слабо зависит от Ж0 и в

4- ' ! ' |-4—~ ■

; 1

1

I/ ;

и 30 мкс/дел Рис. 4. Осциллограммы давлений УВ (лучи 1-3) и свечения (луч 4). & = 1 %, Жо = 16 Дж, £ = 0. По вертикали: 7-10 МПа/дел, 2-5 МПа/дел, 3-1 МПа/дел, 4 -0.2 В/дел.

№

А

-Л

♦ -•»»яу

— — — — 1 —

/, 100 мкс/дел Рис. 5. Осциллограммы давлений (лучи 1, 2) и свечения (луч 3). р0 = 4 %, = 36 Дж, Ь = 0. По вертикали: /,2-15 МПа/дел, 3 - 0.5 В/дел.

основном обусловлен случайным расположением пузырьков.

Стационарная самоподдерживающаяся волна пузырьковой детонации. Накопленные данные измерений параметров стационарной волны пузырьковой детонации, полученные в нижней секции ударной трубы (х ~ 3 м), позволили установить, что при всех /?0 установившаяся волна детонации имеет большую среднюю амплитуду давления, меньшую протяженность и большую скорость распространения, чем в верхней секции измерения (х ~ 0.3 м). Это означает, что в верхней секции детонационная волна еще не является стационарной и находится на стадии формирования. Анализ данных показывает, что при высоких энергия взрыва Жо исходная волна сначала тормозится на длине ~ 0.3 м, а затем начинает выходить на стационарный режим. В случае малых энергий Ж0 путь торможения волны заметно сокращается, ускоряя выход на стационарный детонационный режим. Поскольку профиль и амплитуда давления вблизи взрывающейся проволочки оказались близкими к характерным параметрам волн пузырьковой детонации, то инициирование пузырьковой детонации с помощью взрыва проволочки, по-видимому, является наиболее оптимальным.

Критическая энергия инициирования. Критические значения энергии выделившейся на проволочке, в зависимости от /?0 приведены на рис. 6. На графике вместо четкой нижней границы приведен диапазон критических параметров. Выше кривой 1 ПД возбуждается всегда, между кривыми 1 и 2 - детонация реализуется с некоторой вероятностью менее 100%, ниже кривой 2 возбудить детонацию не удается вовсе. Кривой 3 показан уровень энергии, затрачиваемой на испарение проволочки Жд. Превышение минимальной критической энергии в 1.5-2 раза над WQ свидетельствует о том, что для инициирования пузырьковой детонации необходимо создать ударную волну достаточной амплитуды. «Тепловой» механизм инициирования, когда пузырьки воспламеняются при контакте с нагретой проволочкой или с её продуктами разлета при электрическом взрыве, не реализуется. Поэтому механизм инициирования взрывом проволочки можно назвать ударно-волновым. Из-за близости параметров инициирующей ударной волны к параметрам волны пузырьковой детонации при малых энергиях взрыва проволочки, такой способ инициирования можно также назвать и резонансным.

На основании полученных данных и предшествующих экспериментальных работ выдвинуто предположение, что при

И'ьДж

25 г

20 15 10

\ \

( >----< _____________д_____ )-----ф-''' |

] 3 [

1 2 3 4 Д,%

Рис. 6. Критическая энергия инициирования от /?0 при взрыве проволочки, 1 и 2 верхняя и нижняя границы Ж 1 , 3 -7.5 Дж.

■жв =

потерях энергии до половины от запасенной волна детонации сможет сохранить способность к дальнейшему распространению, восстановив свои параметры. Проверка данного предположения показала, что средняя критическая энергия инициирования оказывается близка к половине запасенной химической энергии в волне детонации, что говорит о справедливости выдвинутого предположения и достоверности полученных критических значений

В четвертой главе представлена математическая модель волны пузырьковой детонации, как уединенной волны с энерговыделением; получено стационарное решение, описывающее осредненный профиль детонационной волны; показано удовлетворительное согласие экспериментальных и теоретических профилей давления, протяженности и скорости волны пузырьковой детонации. В рамках модели с дискретным расположением пузырьков рассчитана пульсационная структура волны пузырьковой детонации.

Математическая модель волны ЦД как УеВ. Предполагая-адиабати-ческое сжатие пузырька, энерговыделение в результате химической реакции, из системы уравнений, описывающих газожидкостную среду, в рамках модели Иорданского-Когарко выводится уравнение аналогичное нелинейному уравнению Буссинеска:

д4р - 2д2р д2р , ВШХ д2 2 г» П\

от,+ 7--Г 2 ТУ® =0' ^

1 д12дг2 дг2 З/2 с\ д?

где р - давление газожидкостной смеси, р - плотность смеси, В = (у+1)/2Дд,, у- показатель адиабаты, - объемное газосодержание, ах = Т?02/ЗД), П0 - радиус пузырька, Щ = 1+(/- 1)6/2 кр0 - коэффициент усредненного энерговыделения, 2 - удельное энерговыделение на единицу объема, р0 - начальное давление смеси, к - эмпирический коэффициент потерь. Отметим, что уравнение носит качественный характер, т.к. получено в предположении малых колебаний, при которых, строго говоря, не выполняется условие воспламенения взрывчатой смеси, а также для простоты решения уравнения выполнено усреднение энерговыделения. Стационарное решение уравнения (1) представляет собой бегущую волну и имеет следующий вид:

8 р(г, <) = Др0 /сА 2 ((г - //),__(2)

где Др0 - амплитуда волны, С/ = с0^ Щ (1 + юх(у + 1)Др0/3 Г Ра) - скорость

волны, / = и^12уа1/(а1(у + 1)Ар0/р0)/с0 - полуширина волны на ~ 0.42 ее

высоты, с0 - равновесная скорость звука в пузырьковой среде.

Проведенное сравнение осредненных экспериментальных осциллограмм и экспериментальных данных для ширины и скорости волны ПД с расчетами по полученным выражениям при различных начальных параметрах пузырьковой среды показало удовлетворительное их совпадение. Это послужило основанием использования зависимости (2) для аппроксимации

осредненного экспериментального профиля давления при конечных амплитудах давления (не только малых) и для расчетов пульсационной структуры волны пузырьковой детонации.

Моделирование пульсационной структуры волны ПД. Целью моделирования является получение профиля волны ПД, содержащего множественные пульсации давления, т.е. максимально близкого к экспериментальному. Решается задача о независимом друг от друга поведении пузырьков в осредненном поле давления волны, заданным выражением (2). Полученные профили колебания пузырьков затем используются для расчета возмущения давления от каждого из них в изначально невозмущенной среде (УеВ отсутствует). Расчетный профиль волны ПД представляет суперпозицию возмущений давления от всех пузырьков, накрываемых УеВ. Описанный способ расчета пульсационного профиля не лишен основания. Как известно, модель Иорданского-Когарко предполагает отсутствие непосредственного взаимодействия пузырьков между собой, что наглядно подтверждается экспериментальными фотоснимками волны ПД, на которых отдельный пузырек сжимается в коллективном поле давления, сформированном прореагировавшими пузырьками. Это позволяет рассматривать задачу о формировании профиля волны ПД как задачу об интерференции, в которой каждый пузырек представляет собой излучатель ударных волн, формирующих общее поле давления. Несмотря на то, что непосредственным влиянием пузырьков друг на друга пренебрегается (линейность модели), а амплитуду уединенной волны необходимо задавать (модель математически незамкнута), такой подход позволяет понять как зависит структура полны ПД от физико-химических свойств газа и жидкости, начального давления газа в пузырьках и концетрации пузырьков. В качестве газожидкостной системы была взята система, которая использовалась в экспериментах: (%вода + '/¿глицерин) + С2Н2+2.502.

Результаты расчетов. Были выполнены различные расчеты, в которых изучалось, как зависит профиль волны ПД от критерия определения момента взрыва пузырька (по достижению температуры воспламенения, либо при выполененни интегрвального соотношения, определяющего период химической реакции), от способа расчета теплопотерь (через эффективную вязкость или через расчет межфазного теплообмена), от сжимаемости жидкости. Отметим, что расчет момента реакции через интегральное соотношение приводит к увеличению амплитуды отдельных пульсаций (по сравнению со случаем, когда этот момент определяется по достижению температуры воспламенения), что связано с возросшей амплитудой давления при колебании отдельного пузырька. Расчет теплопотерь через теплопроводность качественно не влияет на расчетный профиль волны детонации (по сравнению с расчетом через эффективную вязкость) и лишь немного увеличивает амплитуду отдельных пиков. Наиболее качественное изменение профиля волны детонации происходит при учете сжимаемости жидкости: за счет ко-

нечной скорости звука в жидкости расстояние между пульсациями давления уменьшается и область волны с максимальными пульсациями смещается на передней фронт, более соответствуя эксперименту.

Профиль расчета волны ПД по времени приведен на рис. 8. Пульсаци-онный профиль (2) получен суммированием возмущений от пузырьков, накрываемых УеВ (7). При J30 = 1% количество пузырьков 7, при Д> = 4% -5. На рис. 8, б амплитуда максимального пика (второго слева) достигает ~ 835 ро- Пример расчета профиля волны ПД по пространственной координате приведен на рис. 9. Профиль волны зависит от момента наблюдения. Анализ поведения отдельных пузырьков в волне ПД показывает, что основной вклад в суммарное давление дают пузырьки в момент их взрывов и/или вторых колебаний, добавки давления от остальных пузырьков заметно меньше. В

pipo б

400-

р/ро

400

300

200

100

0

-------i-.

/

I

300 200 100 0

1 1

100 150 200 250 300 t, мкс 50 100 150 200 250 t, мкс Рис. 8. Расчетный профиль давления волны ПД (7) и профиль УеВ (2) по времени при Ро = 1 (а) и 4 (б) %.

pipo 25

20 15 10 5 0

.If.______^ а

i

i L т

pipo 25

■20 15 ■ 10 5 0

б

к

1 1- Aiij

0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 л:, м 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 х, м

Рис. 9. Расчетный профиль давления волны ПД (1) и профиль УеВ (2) по координате в разные моменты времени ( при = \%л \ а — ъ момент взрыва 5-го пузырька, б - через 1/2 интервала между взрывами соседних пузырьков.

12

случае сжимаемой жидкости конечная скорость распространения колебаний в жидкости приводит к образованию характерных пиков давления, убегающих от центральной части волны со скоростью звука в жидкости с/.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Выполнен детальный обзор и анализ литературы по исследованию пузырьковой детонации, позволивший систематизировать полученные в работах результаты и определить направления исследований.

2. Показано, что при инициировании пузырьковой детонации падающей волной газовой детонации на параметры инициирующей волны оказывает влияние газовая пробка между секцией инициирования и пузырьковой средой. В такой пробке регистрируется нестационарный режим распространения детонационной волны, характер которого определяется составом газовой смеси.

3. Определены структура и динамика инициирующей волны в зависимости от длины секции инициирования и начального давления газа, а также критическая амплитуда давления на фронте инициирующей волны. Показано, что критические значения давлений, полученные в предыдущих работах для других пузырьковых систем, требуют пересмотра.

4. Показана возможность оптимизации процесса инициирования путем уменьшения длины секции инициирования, что позволило снизить критическую запасенную химическую энергию горючей смеси в 5 раз.

5. Впервые изучены структура и характер распространения сильных ударных волн в инертной пузырьковой среде при электрическом взрыве проволочки на различном от неё удалении. Вблизи проволочки профиль давления ударной волны имеет треугольную форму: резкий передний фронт и постепенно спадающий задний фронт. В профиле волны присутствуют пульсации давления, обусловленные колебаниями пузырьков, их дроблением и кавитационным разрушением жидкости в волнах разрежения на заднем фронте волны.

По мере удаления волны её профиль вьшолаживается за счет нелинейных и дисперсионных свойств среды. С ростом энергии взрыва происходит увеличение скорости распространения волны и степени разрушения пузырьковой среды на заднем фронте, что проводит к образованию обособленной области (головы) в профиле волны.

6. Установлено, что на расстоянии до 20 характерных расстояний между пузырьками происходит сильное затухание (более чем на 2 порядка при малых энергиях взрыва) ударной волны, убывающее с увеличением энергии взрыва и с ростом концентрации пузырьков. При этом вблизи проволочки при малых концентрациях пузырьков (не более 2%) скорость распространения ударных волн близка к скорости звука в жидкости.

7. Впервые реализован и исследован способ инициирования волны пузырьковой детонации ударной волной от электрического взрыва проволочки, расположенной непосредственно в газожидкостной среде. Установлено,

что инициирование пузырьковой детонации при взрыве проволочки происходит по ударно-волновому механизму при энергиях взрыва, превышающих энергию испарения проволочки в 1.5-2 раза.

8. Показано, что структура инициирующей волны вблизи места взрыва проволочки подобна структуре ударной волны в инертной пузырьковой среде, а её параметры тем ближе к параметрам стационарной волны пузырьковой детонации, чем ближе энергия взрыва к критической энергии инициирования.

9. Наиболее быстрое формирование волны пузырьковой детонации осуществляется при уменьшении величины запасенной энергии вплоть до величины, близкой к критической. С учетом близости параметров инициирующей волны к параметрам стационарной волны детонации при малых энергиях взрыва данный способ инициирования можно считать резонансным.

10. Установлено, что величина критической энергии при инициировании пузырьковой детонации взрывом проволочки в 150-350 раз меньше, чем критическая энергия при инициировании волной газовой детонации с помощью секции инициирования.

И. Показано, что для оценки критических параметров инициирования пузырьковой детонации возможно использование параметров стационарной волны пузырьковой детонации. Величина критической энергии инициирования оказывается близкой к энергии, запасенной в пузырьковой среде на полу длине волны детонации.

12. Сравнительно низкая величина энергии инициирования и короткая длина выхода (около 10 длин волн пузырьковой детонации) на стационарный режим распространения позволяют считать инициирование пузырьковой детонации электрическим взрывом проволочки наиболее оптимальным и эффективным способом инициирования.

13. Предложена модель пузырьковой детонации, в которой осредненный профиль давления волны является уединенной волной с энерговыделением.

14. Показано, что аналитическое решение уравнения Буссинеска в виде уединенной волны, полученное для малых амплитуд давления с учетом энерговыделения, и выражения для её протяженности и скорости удовлетворительно описывают экспериментальные данные по осредненному профилю давления, длине и скорости волны пузырьковой детонации.

15. В рамках модели двухфазной газожидкостной среды предложен способ расчета структуры волны пузырьковой детонации при дискретном и равномерном распределении пузырьков в жидкости.

16. Показано, что наиболее близкий к экспериментальному профилю давления дает расчет с учетом конечности скорости звука в жидкости, по сравнению со случаем расчета в несжимаемой жидкости. Различные способы расчета теплопотерь и периода индукции оказывают незначительное влияние на вид профиля давления. Основной вклад в коллективное поле давления дают пузырьки при их взрыве и втором колебании.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Кочетков И.И., Пинаев А.В. Об условиях инициирования пузырьковой детонации // ФГВ. 2007. Т.43. №2. С.84-90.

2. Пинаев А.В., И.И. Кочетков И.И. Пузырьковая детонация - самоподдерживающаяся уединенная волна с энерговыделением // ФГВ. 2007. Т.43. №6. С. 104-111.

3. Пинаев А.В., Кочетков И.И. Расчет структуры волны пузырьковой детонации с учетом дискретного расположения пузырьков // ФГВ. 2008. Т.44. №4. С.116-126.

4. Кочетков И.И. Влияние сжимаемости жидкости, теплопотерь и периода индукции химической реакции на структуру волны пузырьковой детонации // ФГВ. 2011. Т.47. №3. С. 107-114.

5. Кочетков И.И., Пинаев А.В. Ударные и детонационные волны в жидкости и пузырьковых средах при взрыве проволочки // ФГВ. 2012. Т.48. №2. С. 124-133.

6. Пинаев А.В., Кочетков И.И. Критическая энергия инициирования волны пузырьковой детонации при взрыве проволочки И ФГВ. 2012. Т.48. №3. С. 133-139.

7. Kochetkov I.I., Pinaev A.V. Comparative characteristics of strong shock and detonation waves in bubble media by an electrical wire explosion // Shock Waves. 2013. V.23. №2. P. 139-152.

8. Pinaev A.V., Kochetkov I.I. About the most important singularities of bubble detonation Progress in Combustion and Detonation // In "Progress in combustion and detonation" ed. by A. Borisov, S. Frolov, A. Kuhl: Proceedings of International Conference on Combustion and Detonation: Zeldovich Memorial II. Moscow, 2004. M.: Torus Press Ltd. P.335-336.

9. Пинаев A.B., Кочетков И.И. Уединенная волна с энерговыделением - модель пузырьковой детонации // В кн. "Гидродинамика больших скоростей и численное моделирование": Материалы III Международной летней научной Школы. Кемерово, 22-28 июня 2006. Кемерово: ИНТ, 2006. С.181-189.

10. Кочетков И.И., Пинаев А.В. Моделирование пузырьковой детонации с учетом дискретного расположения пузырьков // Всероссийская конференция "Проблемы механики сплошных сред и физики взрыва". Новосибирск, 17-22 сентября 2007 г. Новосибирск: Изд-во ИГиЛ СО РАН, 2007. С.106-107.

11. Pinaev A.V., Kochetkov I.I. Influence of Viscosity of a Liquid Phase on Explosion Safety of Chemically Active Bubble Medium // In "Explosion dynamics and hazards" ed. by S.M. Frolov, F. Zhang and P. Wolanski: Proceedings of 7th International Symposium on Hazard, Prevention, and Mitigation of Industrial Explosions. St. Petersburg, July 7-11,2008. M.: Torus Press Ltd. P. 46-52.

12. Vasil'ev A.A., Pinaev A.V. and Kochetkov I.I. Structure and critical parameters of bubble detonation wave / In "Explosion dynamics and hazards" ed. by S.M. Frolov, F. Zhang and P. Wolanski: Proceedings of 7th International

Symposium on Hazard, Prevention, and Mitigation of Industrial Explosions. St. Petersburg, July 7-11,2008. M.: Torus Press Ltd. P.389-400.

13. Кочетков И.И. Влияние физических свойств жидкости при расчете структуры волны пузырьковой детонации // Динамика сплошной среды: сб. науч. тр. Вып. 126. Акустика неоднородных сред. Новосибирск, 2010. Изд-во: ИГиЛ СО РАН. С.81-86.

14. Кочетков И.И., Пинаев A.B. Расчет структуры волны пузырьковой детонации с учетом сжимаемости жидкости // XV International Conference on the Methods of Aerophysical Research: Abstr. Pt. I / Ed. V.M. Fomin. Novosibirsk: Parallel, 2010. P.133-134.

15. Кочетков И.И., Пинаев A.B. Расчет структуры волны пузырьковой детонации с учетом сжимаемости жидкости // Доклад на XV Международной конференции по методам аэрофизических исследований. 1-6 November, 2010, Novosibirsk. 6 с. (CD версия).

16. Пинаев A.B. Кочетков И.И. Ударные и детонационные волны в пузырьковых средах при взрыве проволочки // Международная конференция «Современные проблемы прикладной математики и механики: теория, эксперимент и практика». Новосибирск, 2011. № гос. регистрации 0321101160, ISBN 978-5-905569-01-2, Режим доступа http://conf.nsc.ru/niknik-90/ru/reportview/39681 свободный.

17. Кочетков И.И., Пинаев A.B. Резонансное инициирование пузырьковой детонации // Забабахинские научные чтения: сборник материалов XI международной конференции. Снежинск, 2012. Изд-во: РФЯЦ-ВНИИТФ, 2012. С.77

18. Кочетков И.И., Пинаев A.B. Резонансное инициирование пузырьковой детонации // Доклад на XI международной конференции «Забабахинские научные чтения». Снежинск, 2012. Режим доступа http://www.vniitf.ru/images/zst/2012/s2/2-22.pdf свободный.

Подписано в печать 23,04.2013 Заказ № 124

Формат бумаги 60 х 84 1/16 Объём 1 п.л.

Тираж 75 экз. Бесплатно

Отпечатано на полиграфическом участке Института гидродинамики

им. М.А. Лаврентьева СО РАН, 630090, Новосибирск, просп. акад. Лаврентьева, 15

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ НАУКИ ИНСТИТУТ ГИДРОДИНАМИКИ им. М.А. ЛАВРЕНТЬЕВА СИБИРСКОГО ОТДЕЛЕНИЯ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК

На правах рукописи

0420135^033

КОЧЕТКОВ ИВАН ИВАНОВИЧ

КРИТИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ИНИЦИИРОВАНИЯ И УСЛОВИЯ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ПУЗЫРЬКОВОЙ ДЕТОНАЦИИ

01.02.05 - Механика жидкости, газа и плазмы

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель:

д.ф-м.н. Пинаев Александр Владимирович

Новосибирск - 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ...................................................................................................................7

ГЛАВА 1. Обзор литературы.....................................................................................13

1.1. Экспериментальные работы...................................................................................................13

1.1.1. Детонационная волна в химически активной газожидкостной среде 13

1.1.2. Формирование, характер распространения и параметры волны ПД 14

1.1.3. Критическое давление инициирования 17

1.1.4. Поведение пузырьков при распространении волны ПД 19

1.1.5. Зависимость параметров волны ПД от концентрации и размера пузырьков 21

1.1.6. Зависимость параметров волны ПД от свойств жидкости 22

1.1.7. Зависимость параметров волны ПД от свойств газа 24

1.1.8. Области существования пузырьковой детонации 26

1.2. Теоретические работы............................................................................................................27

1.2.1. Равновесная и неравновесная однофазные модели 28

1.2.2. Двухфазная неравновесная модель 30

1.3. Заключение по обзору литературы.......................................................................................38

ГЛАВА 2. Инициирование пузырьковой детонации внешней волной газовой детонации.....................................................................................................................48

2.1. Экспериментальная установка и методика проведения опытов........................................48

2.2. Структура и параметры инициирующей волны...................................................................50

2.3. Динамика инициирующей волны..........................................................................................54

2.4. Критическая амплитуда инициирования пузырьковой детонации....................................56

2.5. Основные результаты и выводы............................................................................................59

ГЛАВА 3. Инициирование пузырьковой детонации электрическим взрывом проволочки, расположенной внутри пузырьковой среды......................................60

3.1. Экспериментальная установка и методика проведения опытов........................................62

3.2. Ударные и детонационные волны при высоком энерговыделении...................................64

3.2.1. Сравнительная характеристика ударной волны в чистой жидкости 64

3.2.2. Структура и параметры ударной волны на удалении от места взрыва 67

3.2.3. О проблемах измерения скорости ударной волны 70

3.2.4. Структура и параметры детонационной волны на удалении от места взрыва 74

3.3. Ударные и детонационные волны при низком энерговыделении......................................76

3.3.1. Структура и параметры ударной волны на удалении от места взрыва 76

3.3.2. Структура и параметры волны детонации на удалении от места взрыва 78

3.3.3. Структура и параметры ударной волны вблизи места взрыва 79

3.3.4. Свечение при взрыве проволочки 83

3.3.5. Структура и параметры волны детонации вблизи места взрыва 84

3.4. Стационарная самоподдерживающаяся волна пузырьковой детонации.................................86

3.5. Критические параметры инициирования.............................................................................89

3.6. Основные результаты и выводы............................................................................................95

ГЛАВА 4. Моделирование волны пузырьковой детонации....................................98

4.1. Волна пузырьковой детонации как уединенная волна с энерговыделением....................98

4.1.1. Аналогия между уединенной волной и волной пузырьковой детонации 98

4.1.2. Качественная модель волны пузырьковой детонации 100

4.1.3. Решение стационарной задачи 103

4.1.4. Применение полученных формул для описания волн конечной амплитуды 105

4.2. Моделирование профиля волны пузырьковой детонации с учетом дискретного расположения пузырьков.....................................................................................................109

4.2.1. Пояснение к моделированию 109

4.2.2. Используемые уравнения и процедура расчета 112

4.2.3. Параметры и среда реализации численных расчетов 117

4.2.4. Динамика пузырька в поле давления уединенной волны 117

4.2.5. Расчет профиля волны ПД по времени 120

4.2.6. Расчет профиля волны ПД по координате 124

4.3. Основные результаты и выводы..........................................................................................130

ОБЩИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.....................................................................132

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.........................................................................................................135

ЛИТЕРАТУРА...........................................................................................................136

Список условных сокращений

1. Аббревиатуры

ДВ - детонационная волна

ПД - пузырьковая детонация

СИ - секция инициирования

УВ - ударная волна

УеВ - уединенная волна

ВКП - верхний концентрационный предел

НКП - нижний концентрационный предел

2. Физические свойства и параметры газожидкостной среды

р - давление, Па р - плотность, кг/м

о

и - объем, м

и - массовая скорость, м/с Р - концентрация газовой фазы ц - динамическая вязкость, Па-с

V - кинематическая вязкость (V = ////?), м/с й - диаметр [пузырька], м

ТИ -

ь^ - структура записи состава жидкои компоненты пузырьковой среды:

Ь - жидкость, индексы /г, g - объемные концентрации воды и глицерина г - объемная концентрация горючего газа

о

V - объемная концентрация окислителя в газе

о

с0 - низкочастотная скорость звука в пузырьковой среде, м/с

ттс1 - период индукции, с

<2 - удельное энерговыделение, МДж/м3

/|цп - момент воспламенения, с

3. Параметры экспериментальной установки

ЛЬ - высота изменения уровня жидкости, м И^ - начальный уровень жидкости, м /си - длина СИ, м

А, - расстояние от диафрагмы до границы пузырьковой среды, м рш - начальное давление газовой смеси в СИ, Па

р*)И - критическое начальное давление газовой смеси в СИ, Па

ф - диаметр трубы, м

Д - датчик давления

а - чувствительность датчика давления, Кл/Па

Со - суммарная емкость датчика давления, кабеля и истокового повторителя, Ф

и - напряжение на датчике давления, В

Щ — начальное напряжение зарядки конденсатора, В

\¥й - начальная энергия, запасенная в конденсаторе, Дж

И'д — энергия, необходимая для нагрева, плавления и испарения проволочки, Дж

Л - расстояние от диафрагмы до датчика давления; расстояние от проволочки до датчика

давления, м х - расстояние от проволочки, м /пр - длина проволочки, м

4. Параметры волновых процессов

Р\ - давление на фронте инициирующей ударной волны, Па

р\ - критическое давление на фронте инициирующей ударной волны, Па

Ро - начальное давление газа, Па

Роэ - невозмущенное давление в среде на бесконечности, Па

э - скорость волны детонации, м/с

М - протяженность волны детонации, м

Е - запасенная энергия в волне детонации, Дж

Ё - удельная запасенная энергия в волне детонации, Дж/кг

У0 - нестационарная волна детонации на этапе формирования

Ч) - скорость распространения волны детонации на этапе формирования, м/с

V, - инициирующая ударная волна

Ц - скорость инициирующей ударной волны, м/с

у2 _ отраженная от торца СИ ударная волна

А - расстояние отделения волны детонации от инициирующей ударной волны, м

¿'о- период колебания пузырька, с

5. Параметры модели волны пузырьковой детонации

2 - координата, м

Г время, с

РУ, - давление в УеВ, Па

Аро- амплитуда давления УеВ, Па

лп - радиус пузырька, м

/п - расстояние между пузырьками, м

N - число пузырьков

/ - полуширина УеВ на -0.42 ее высоты, м

Ду — ширина УеВ (/№ = 41), м

и - скорость уединенной волны, м/с

со - переменная, характеризующая энерговыделение

г - показатель адиабаты

Т - температура, К

6. Индексы

0 - [значение параметра] начальное, общее

И - [значение параметра] в СИ

*, кр - [значение параметра] критическое

гпах - [значение параметра] максимальное

1ШП - [значение параметра] минимальное

1,/ - жидкость

2, Я - газ

00 - [значение параметра] на бесконечности

- уединенная волна

п - пузырек, проволочка

д - датчик

взр - взрыв

Я - [значение параметра] на границе пузыря

а - [значение параметра] в точке Чепмена-Жуге

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Интерес исследователей к свойствам и особенностям химически активных пузырьковых сред обусловлен их широким распространением в современном технологическом производстве. В производственных процессах, связанных с генерацией и транспортировкой взрывчатых веществ (ВВ) значительное внимание уделяется мерам обеспечения взрывобезопасности. Пузырьковая среда с химически активными компонентами (инертная жидкость -взрывчатый газ; горючая жидкость - инертный газ или газовая среда, содержащая кислород) представляет собой взрывчатую среду, образование которой может произойти из-за утечек или ошибок в дозировке, либо предусматривается самим технологическим процессом [1,2]. Например, в промышленных системах производства ацетилена для защиты коммуникаций от проникновения в них со стороны потребителя воздуха или взрывной волны при обратных ударах используются жидкостные затворы, в которых наличие взрывчатой пузырьковой среды обусловлено самой конструкцией. Несмотря на сравнительно низкую удельную по объему энергоемкость, которая на 5 и более порядков меньше твердых, жидких и газообразных ВВ, при возникновении детонации локальные давления в пузырьковой среде могут варьироваться от 10 до 100 МПа, что может приводить к аварийным ситуациям. Поэтому создание научной основы для проведения расчетов и эксплуатации жидкостных предохранительных затворов, а также для выбора безопасных режимов технологических процессов в газожидкостных средах представляет практический интерес.

Другой областью применения практических и теоретических знаний о волновых процессах в химически активных пузырьковых средах может стать энергетика. В настоящее время КПД типичного паротурбинного энергоблока находится на уровне 40 %, газотурбинной установки - 36 %, а парогазовой - 50 %. Наряду с этим при выработке электроэнергии и тепла происходит загрязнение атмосферы продуктами сгорания топлива, а за счет различных потерь при транспортировке до потребителя доходит ещё меньшая доля энергии. Исследования детонацион-

ных процессов в пузырьковых средах показывают принципиальную возможность сжигания такого топлива в жидкой среде с практически полной передачей тепла от продуктов реакции теплоносителю и отсутствием вредных выбросов в атмосферу. Понимание механизма и условий существования детонационного процесса позволит определить наиболее экономичные параметры такого сжигания. Таким образом, актуальность исследований фундаментальных свойств и особенностей химически активных пузырьковых сред обусловлена прикладными задачами в области взрывобезопасности и энергетики.

До настоящего времени экспериментальные исследования детонации в пузырьковой среде были направлены на выявление общих закономерностей явления. Основные работы были выполнены A.B. Пинаевым и А.И. Сычевым [815,19-21], за рубежом - в группах под руководствами А.Е. Beylich [16,17] и Т. Scarinci [18]. Но, несмотря на проведенные обширные исследования, процесс инициирования пузырьковой детонации (ПД) остался неизученным. Как следует из экспериментов, для возбуждения детонации необходимо запустить химическую реакцию в пузырьках в определенном объеме газожидкостной среды, достаточном для генерации волны давления, способной далее самостоятельно распространяться по газожидкостной среде. Наиболее простым и часто используемым способом воспламенения пузырьков является метод ударно-волнового сжатия газожидкостной среды. Другим способом может быть непосредственный нагрев горючей смеси в пузырьках (например, импульсный нагрев или лазерный поджиг). Также возможно сочетание обоих способов.

По отношению к пузырьковой среде ударно-волновое сжатие можно разделить на производимое: с внешней стороны (например, падающая ударная волна или поршневой удар) и внутри среды (например, взрыв ВВ или электрический подрыв проволочки). В частности, в ранее проведенных опытах по пузырьковой детонации применялось внешнее воздействие, когда ударная волна формировалась взрывом горючей смеси в отдельной секции инициирования. Новым в представленной работе является изучение структуры такой ударной волны и её эволюции на пути от секции инициирования до границы пузырьковой среды.

Также в работе впервые было реализовано внутреннее инициирование пузырьковой детонации с помощью электрического взрыва проволочки, расположенной непосредственно в пузырьковой среде.

В части теории количество работ, посвященных изучению пузырьковой детонации, в настоящее время близко к 30. Их содержание затрагивает вопросы формирования детонационной волны, описание её структуры и характера распространения. Среди работ, опирающихся на аналитический подход, необходимо отметить работы В.Ю. Ляпидевского [27], A.A. Борисова и О.В. Шарыпова [29], В.Ш. Шагапова и Н.К. Вахитовой [30]. В качестве основных численных работ можно привести работы С.А. Ждана [33,42], Ф.Н. Замараева, В.К. Кед-ринского и Ч. Мейдера [31], A.B. Троцюка и П.А. Фомина [32]. Тем не менее, в отличие от достаточно подробного и проработанного экспериментального изучения явления пузырьковой детонации теоретическое изучение нельзя считать завершенным, охватывающим все аспекты, отмеченные в экспериментах. Сложность физико-химических процессов, протекающих в волне пузырьковой детонации, затрудняет получение хорошего согласия теоретических расчетов с экспериментом. В рамках модели сплошной однофазной среды можно получить близкие к эксперименту величины скорости и амплитуды волны детонации, но едва ли при этом можно считать правомерным использование подхода классической детонации Чепмена-Жуге, т.к. в пузырьковой детонации равновесная скорость звука в среде на порядок больше массовой скорости жидкости. Использование двухфазной модели позволяет получить более близкие к наблюдаемым в эксперименте параметры волны пузырьковой детонации.

Одной из трудностей теоретического описания является учет влияния вязкости жидкости на устойчивость границы пузырька, которое явным образом прослеживается в экспериментах. В частности, при увеличении вязкости жидкости возрастает скорость волны детонации, что находится в противоречии с теоретическими моделями, т.к. в них вязкость только увеличивает потери и, следовательно, распространение волны должно замедляться. Подобное расхождение между экспериментом и теорией, где неустойчивостью границы пренеб-

регается, требует более адекватного описания колебания пузырька, уточняющего или дополняющего известное уравнение Рэлея, независимо от того, является ли пузырьковая среда химически активной или инертной.

В ряде теоретических работ, подмеченный в эксперименте стационарный характер распространения волны пузырьковой детонации подобный распространению уединенной волны в диспергирующей и нелинейной среде, стал основанием для попыток теоретического анализа явления на основе уравнений аналогичных уравнению Кортевега - де Вриза - Бюргерса. Используя такой же подход, новым в работе является попытка создать модель волны пузырьковой детонации, в качестве уединенной волны, параметры которой в явном виде зависели бы от величины энерговыделения. Полученные таким образом аналитические выражения, описывающие профиль и параметры волны детонации, затем были использованы в расчете её пульсационного профиля, когда учитывалось дискретное расположение пузырьков в жидкости.

Основными целями работы были: изучение структуры и свойств инициирующих ударных волн, создаваемых как вне пузырьковой среды (в секции инициирования), так и внутри неё (электрическим взрывом проволочки); оптимизация и поиск критических параметров инициирования пузырьковой детонации; создание теоретической модели пузырьковой детонации как уединенной волны с энерговыделением и расчет на её основе структуры волны ПД.

В первой главе работы выполнен подробный обзор экспериментальных и теоретических работ по исследованию детонации в пузырьковых средах, описаны используемые подходы и отмечены основные результаты.

Во второй главе представлены результаты исследования процесса инициирования пузырьковой детонации, осуществляемого падающей на границу пузырьковой среды волны газовой детонации. В зависимости от длины секции инициирования и начального давления в ней взрывчатой смеси определена структура и динамика инициирующей волны, а также критическая амплитуда давления на её фронте и критическое начальное давление в секции инициирования, при которых детонация в пузырьковой среде ещё возможна. Показано

и

существенное влияние объема взрывчатого газа между диафрагмой и верхней границей пузырьковой среды на давление во фронте инициирующей волны.

В третьей главе представлены результаты исследования сильных ударных волн, создаваемых электрическим взрывом проволочки внутри инертной пузырьковой среды, а также детонацион