Моделирование гетерогенной детонации газовзвесей с неполным сгоранием частиц тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.05 ВАК РФ

4очьиь"

Хмель Татьяна Алексеевна

МОДЕЛИРОВАНИЕ ГЕТЕРОГЕННОЙ ДЕТОНАЦИИ ГАЗОВЗВЕСЕЙ С НЕПОЛНЫМ СГОРАНИЕМ ЧАСТИЦ

01.02.05 - Механика жидкости, газа и плазмы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

7 ДПР 2011

Новосибирск 2011

4842029

Работа выполнена в Институте теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича Сибирского отделения Российской академии наук

Научный консультант: д.ф.-м.н., профессор

Федоров Александр Владимирович

Официальные оппоненты:

академик, д.ф.-м.н., профессор Левин Владимир Алексеевич

д.ф.-м.н., профессор Рычков Александр Дмитриевич

д.ф.-м.н., снс

Ждан Сергей Андреевич

Ведущая организация:

Механико-математический факультет Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова, Москва

Защита состоится 17 июня 2011 года _часов на заседании

диссертационного совета Д 003.035.02 по защите диссертаций на соискание ученой степени доктора наук при Институте теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича СО РАН, 630090, Новосибирск, ул. Институтская 4/1.

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью учреждения, просьба направлять на имя ученого секретаря диссертационного совета Д 003.035.02.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича СО РАН

Автореферат разослан « // »^¿/<£¿¿^¿¿»¿- 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

д.т.н.

Засыпкин И.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Производство и использование металлических и органических порошков нередко сопряжено с опасностью их воспламенения и развития неконтролируемых взрывных процессов. Взрывные явления в облаках пылевзвесей почти всегда связаны с развитием детонацион-но-подобных процессов, характеризуемых сверхзвуковым распространением фронта горения. Среди пылевых взрывов распространенными являются инициированные воспламенением и горением метана взрывы угольной пыли в шахтах, а среди металлических порошков - взрывы широко применяемых в промышленности порошков алюминия, железа и др. Опасными являются скопления частиц, которые образуются в технологических процессах, при обработке изделий из реагирующих металлов. Проблемы прогнозирования и предотвращения взрывных явлений в дисперсных средах, а также сопутствующие проблемы уменьшения последствий их воздействия на людей и окружающую среду, еще далеки от полного решения. Неполнота фундаментальных знаний о физических механизмах, обусловливающих возбуждение и распространение в различных условиях взрывных и детонационных волн в пылевых облаках, ограничивает решение прикладных задач и разработку адекватных современным технологическим условиям технических регламентов. С другой стороны, в последние годы активно разрабатываются детонационные двигатели реактивной тяги. Для них мелкодисперсные и ультрадисперсные порошки, например, алюминия, обладающие уникальными физико-химическими свойствами, рассматриваются как перспективные компоненты рабочих сред. Таким образом, изучение детонационных процессов в газовзвесях частиц алюминия и угольной пыли, которые отличаются свойством неполного сгорания частиц, является, актуальным. Явление гетерогенной детонации в газовзвесях с неполным сгоранием частиц составляет предмет исследования настоящей диссертации.

Пели н задачи работы. Целью исследования является получение целостной картины явления гетерогенной детонации в газовзвесях с неполным сгоранием частиц (алюминия и угольной пыли) на основе физико-математического моделирования одномерных и двумерных нестационарных течений в рамках механики реагирующих гетерогенных сред. Для достижения этой цели были поставлены и решены следующие задачи. - Развитие и совершенствование физико-математических моделей детонации газовзвесей частиц угольной пыли и частиц алюминия, в том числе на основе анализа процессов воспламенения и горения частиц в динамических условиях и их верификация по известным экспериментальным данным.

- Отработка численных технологий, основанных на применении современных методов численного моделирования: схем класса Total Variation Diminishing (TVD), включая их модификации соответственно иерархии моделей механики гетерогенных сред (МГС), а также параллельных вычислений для расчета двумерных нестационарных течений реагирующих сред типа газ - частицы.

- Построение аналога теории Зельдовича - Неймана - Дюринга (ЗНД) неидеальной детонации газовзвесей с неполным сгоранием частиц, классификация режимов, определение устойчивости, получение данных о нестационарных процессах и критериях инициирования плоских волн идеальной и неидеальной детонации взвесей угольной пыли и алюминия.

- Определение свойств и характеристик режимов ячеистой гетерогенной детонации взвесей частиц алюминия, установление корреляционных зависимостей размера ячейки от характерных геометрических масштабов детонационных структур, определение роли релаксационных процессов в ячеистой детонации.

- Исследование процессов дифракции гетерогенной детонации на угловых конфигурациях и распространения в условиях изменяющейся геометрии, выявление свойств, обусловленных влиянием процессов межфазного взаимодействия и отличающих данные явления в газовзвесях от аналогичных процессов газовой детонации.

- Определение свойств течений плоской и ячеистой детонации в полидисперсных взвесях, анализ влияния фракционного состава смеси на характеристики распространения и критерии инициирования.

Научная новизна

1. Впервые разработана физико-математическая модель гетерогенной детонации газовзвесей угольной пыли и определены характеристики плоских волн ЗНД. Установлено существенное влияние процесса скоростной релаксации фаз на выделение летучих из поверхностного слоя частиц, что обусловливает аномально быстрое воспламенение взвесей угольных частиц в ударных и детонационных волнах относительно статических условий нагрева, в том числе за отраженными ударными волнами.

2. Впервые в рамках модифицированной модели детонации газовзвесей частиц алюминия в кислороде проведен систематический анализ влияния релаксационных процессов на типы течений неидеальной детонации ЗНД (Чемпена - Жуге, недосжатых, пересжатых), получены критерии существования р-слоев для реагирующих сред, построены карты решений в пространстве параметров релаксации. Установлена устойчивость режимов относительно малых и конечных одномерных возмущений и сопряжения с волнами разрежения.

3. Предложен, тестирован и реализован в численных расчетах одномерных и двумерных нестационарных течений реагирующих газовзвесей

конечно-разностный метод, сочетающий схему TVD для газа и Джентри -Мартина - Дэйли для дискретной фазы; обоснована существенно более высокая эффективность метода в сравнении с применяемыми ранее; получены и тестированы модификации схемы TVD для иерархии моделей механики газовзвесей.

4. Впервые методами численного моделирования определены зависимости размера детонационной ячейки от диаметра частиц газовзвеси алюминия в кислороде в виде степенной функции с показателем 1.6. Установлено существенное влияние протекающих в смеси релаксационных процессов на ячеистые структуры гетерогенной детонации.

5. Теоретически предсказано значительное снижение критического числа ячеек при выходе детонации в открытое пространство по сравнению с газовой детонацией и дано физическое обоснование, состоящее в принципиальных отличиях механизмов воспламенения взвесей частиц в ударных и детонационных волнах от индукции воспламенения в газах, обусловленных влиянием процессов тепловой и скоростной релаксации на воспламенение частиц.

6. Впервые методами численного моделирования и акустического анализа продемонстрирована и обоснована возможность вырождения ячеистой детонации в полидисперсных взвесях. Определены характерные свойства частичного вырождения: ослабление амплитуды пульсаций, уменьшение пиковых давлений, спрямление фронта. Установлены критерии полного вырождения ячеистой детонации в устойчиво распространяющуюся плоскую волну. Дана теоретическая интерпретация наблюдаемому в экспериментах ослаблению пульсаций ячеистой детонации при использовании полидисперсного порошка алюминия.

Практическая значимость результатов исследований связана с углубленным описанием механизмов идеальной и неидеальной детонации в газовзвесях частиц алюминия и угольной пыли. Это служит научной основой для прикладных исследований, связанных с проблемами прогнозирования, подавления и уменьшения последствий взрывов в шахтах и запыленных промышленных производствах, поиска способов управления детонационными процессами.

Личный вклад автора. Все представленные в диссертации результаты получены автором. Проф. Федорову A.B. и академику, проф. Фомину В.М. принадлежат научное консультирование по постановкам задач и участие в обсуждении результатов. К.ф.-м.н. Кратова Ю.В. участвовала в проведении численных расчетов и обсуждении данных по проблемам дифракции ударных и детонационных волн. Текст автореферата согласован с соавторами.

Основные положения, выносимые на защиту:

Верифицированная по экспериментальным данным физико-математическая модель гетерогенной детонации газовзвесей угольной пыли и результаты исследования механизмов воспламенения и процессов детонации пылевзвесей битуминизированного угля.

Теория неидеальной детонации взвесей частиц алюминия в кислороде, включающая анализ типов течений, карты режимов, критерии, результаты анализа устойчивости.

Численная технология расчета двумерных течений реагирующих двухфазных сред типа газ - частицы, основанная на применении схем TVD, Джентри - Мартина - Дэйли и модификаций схемы TVD для иерархии моделей механики гетерогенных сред в сочетании с процедурой распараллеливания.

Результаты численного моделирования и акустического анализа ячеистой детонации в газовзвесях частиц алюминия в кислороде:

- в монодисперсных взвесях позволившие установить влияние всех релаксационных процессов на характеристики ячеистой детонации и степенную зависимость размера ячейки от диаметра частиц с показателем 1.6;

- в полидисперсных взвесях описывающие и обосновывающие свойства частичного или полного вырождения ячеек, критерий полного вырождения, теоретическое объяснение эффекта, наблюдаемого в экспериментах Ф. Занга.

Результаты численного моделирования процессов дифракции гетерогенной детонации в газовзвеси частиц алюминия на обратном уступе, описание и карта режимов, критические условия распространения, обоснование многократного снижения критического числа ячеек в сравнении с газовой детонацией.

Достоверность результатов подтверждается использованием методов механики гетерогенных сред, выполнением принципов верификации физико-математических моделей, применением тестированных численных технологий, согласованием результатов диссертации с экспериментальными и расчетными данными других авторов.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались в течение ряда лет на семинарах Института теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича (руководители: академик В.М. Фомин, профессор A.B. Федоров); Международном пиротехническом Семинаре (1995); International Colloquiums on Dust Explosions (1996, 1998), International Colloquiums on Dynamics of Explosions and Reactive Systems (1999,2001,2003, 2007,2009), International Workshops on Unsteady Combustion and Interior Ballistics (1995, 1997, 2000), International Symposiums on Hazard, Prevention, and Mitigation of Industrial Explosions (2000, 2008, 2010),

Симпозиуме по горению и взрыву (2000), Всероссийских съездах по механике (2001,2006), International Colloquium on Pulsed and Continuous Detonations (2006), International Seminars on Flame Structure (2006, 2008); Международных конференциях по вычислительной механике и современным прикладным программным системам (Россия, 2002, Украина, 2005, 2007); Международных коллоквиумах по детонации (Москва, 2000, 2006); Международном коллоквиуме по приложениям детонации к двигателям (С.-Петербург, 2004); а также ряде других международных и всероссийских научных мероприятий.

Публикации. Основной материал диссертации опубликован более чем в 60 научных работах, среди которых 27 статей в ведущих научных журналах из перечня ВАК.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения, приложения и списка литературы. Общий объем диссертации составляет 318 страниц, включая 127 рисунков.

Содержание работы.

Введение. Во введении обоснована актуальность темы диссертации, дано описание состояния проблем в рассматриваемой области. Большой вклад в развитие подходов механики реагирующих гетерогенных сред и понимание детонационных процессов внесли: A.A. Борисов, С.А. Ждан, В.П. Коробейников, А.Г.Кутушев, В.А.Левин, В.В.Марков, В.В.Митрофанов, Р.И. Нигматулин, Х.А. Рахматулин, А.Д. Рычков, H.H. Смирнов, Ю.В. Туник, A.B. Федоров, В.М. Фомин, С.М. Фролов, Б.А..Хасаинов, К. Hayashi, S.W. Kauffman, R.Klemens, К. Lebecki, M. Nettieton, Y.K. Pu, M. Sichel, W.A. Strauss, M. Tsuboi, A. Tulis, B. Veyssiere, P. Wolanski, F. Zhang и ряд других ученых. Обозначены нерешенные проблемы гетерогенной детонации газовзвесей. Сформулированы цели исследования. Приведена аннотация работы по разделам.

Глава 1 является методической и содержит описание базовых подходов и разработку инструментов исследования.

В §1.1 приводятся основные допущения и соответствующие уравнения волновой динамики реагирующих течений газовзвесей мелких частиц. Применение подхода механики гетерогенных сред основывается на известных гипотезах [1, 2]. Течение смеси описывается уравнениями Эйлера, вязкость учитывается в процессах межфазного взаимодействия, газ считается идеальным. Дискретная фаза рассматривается как смесь конечного числа фракций частиц различного диаметра, имеющих сферическую форму. Для большинства рассматриваемых задач предполагается однородность температурного распределения внутри частиц и не выделяется ста-

дия плавления. Анализ и обоснование принятых допущений для частиц проводится соответственно в Главах 2 и 3. Уравнения движения многоскоростного многотемпературного континуума, вытекающие из законов сохранения массы, импульса и энергии каждой из фаз и компонент, представлены в консервативном виде. Замыкающие соотношения выражают уравнения состояния и законы теплообмена и сопротивления частиц в потоке газа за ударными волнами.

В §1.2 представлены уравнения равновесных течений (в рамках од-носкоростной двухтемпературной и односкоростной однотемпературной моделей МГС), а также сформулированы принципы верификации моделей для рассматриваемого класса задач гетерогенной детонации. Эти принципы заключаются в выполнении предельных переходов численных решений от неравновесных к равновесным моделям; в соответствии установившихся решений стационарным структурам; в соответствии течений полидисперсных взвесей при совпадении размеров частиц фракций течениям монодисперсных взвесей; в согласованности с расчетными данными других авторов; в соответствии расчетных результатов известным экспериментальным данным по геометрическим и физическим параметрам, а также качественным свойствам течений в различных условиях.

В §1.3 приведен обзор численных технологий моделирования динамических процессов в инертных и реакционноспособных газовзвесях, особое внимание уделено методам расчета на основе схем класса ТУИ. Наряду с широко применяемой в литературе комбинацией схем ТУЭ для газовой фазы и Мак-Кормака для дискретных компонент, впервые представлена комбинация из схемы ТУЭ [3] и схемы Джентри - Мартина - Дэйли (вМО) [4].

В §1.4 определены поправки в схему ТУБ, позволяющие применить ее для равновесных по скоростям и неравновесных либо равновесных по температурам моделей механики гетерогенных сред.

В §1.5 описана технология распараллеливания по геометрическому принципу применительно к расчетам двумерных детонационных течений на многопроцессорных вычислительных системах (МВС).

Формулировки тестовых задач и результаты тестовых расчетов для всех численных технологий, описанных в Главе 1, вынесены в Приложение. (В §П.1 представлены результаты тестирования комбинаций схем ТУО - Мак-Кормака и ТУЭ - вМЭ на одномерных задачах распространения плоской волны детонации (и сравнений с решениями, определенными из системы обыкновенных дифференциальных уравнений для стационарных структур), инициирования детонации в облаке взвеси, и двумерной задаче взаимодействия УВ с ограниченным облаком частиц в канале. В §П.2 приведены результаты тестовых расчетов распространения детонации с применением модифицированных схем ТУЭ для односкоростного двух-температурного приближения и равновесного по скоростям и температу-

+

рам приближения МГС. В §П.З проведено тестирование алгоритма распараллеливания на задаче формирования ячеистой детонации в канале, установлена линейная зависимость эффективности алгоритма от числа используемых процессоров.)

Глава 2 посвящена анализу гетерогенной детонации в газовзвеси частиц угольной пыли.

В §2.1 содержатся вводные замечания. Возможность распространения детонации в взвесях угольной пыли в кислороде и воздухе установлена экспериментально в [5,6], однако теоретические исследования ограничивались рассмотрением горения частиц угля в волнах газовой детонации (метановоздушных смесях). Соответственно сформулированы цели исследования: разработка физико-математической модели гетерогенной детонации угольной пыли и определение влияния физико-химических процессов (пиролиза, воспламенения, гомогенного и гетерогенного горения) на формирование и распространение детонации в пылевзвесях частиц угля.

ж В §2.2 представлена физико-

Цо,км/с ф математическая модель детонации

. а взвесей угольной пыли в окисляю-

щем газе, основанная на подходах механики реагирующих гетерогенных сред и приведенной кинетике химических реакций. Для описания физико-химических процессов пиролиза, горения летучих и горения коксовой составляющей привлекает-и 1 £ ся полуэмпирическая точечная мо-

Рис. 1. Зависимость скорости детонации Дель воспламенения [7], расширен-от содержания угля. ная на двухфазную сплошную среду.

Значки-эксперименты [6]: (о, •)-час- Уравнения представлены в рамках тицы типа II; (□, ■) - частицы типа I. одномерного равновесного по скоро-Сплошная линия - расчет для взвеси II, й

г . стям приближения механики гетеро-

штриховая - расчет для I. г г

генных сред (МГС). Обсуждается

выбор кинетических параметров модели, обеспечивающих согласование с экспериментальными данными. Модель верифицирована по эмпирической зависимости [6] скорости детонации от концентрации для двух типов би-туминизированного угля (рис. 1).

В §2.3 определены структуры стационарных волн детонации и типы режимов. Во всех случаях реализуются режимы ЧЖ со звуковым по равновесной скорости звука конечным состоянием. Горение летучих лимитируется процессом их выделения, соответственно, в процессах гетерогенной детонации допустимо считать горение газообразных летучих мгновенным и пренебрегать наличием горючей части летучих в газе.

2.0

1.5

1.0

0.5

X*

Рис. 2. Установление стационарной волны детонации в процессе инициирования. <1= Юмкм, Д/ = 0.5 мс.

В §2.4 в одномерной нестационарной постановке рассмотрена задача ударно-волнового инициирования. Инициируемая в смеси пересжатая детонационная волна постепенно ослабляется под действием волны разрежения и асимптотически выходит на соответствующий стационарный режим (рис. 2). При значениях энергии активации и параметров тепловыделения, соответствующих гетерогенной детонации угольной пыли, галопирующие режимы [8] не обнаружены.

В §2.5 представлена расширенная физико-математическая модель воспламенения и горения взвеси угольных частиц в ударных и детонационных волнах. Цели: адекватно описать условия воспламенения частиц в детонационных волнах и дать физическое объяснение аномально быстрому воспламенению угольных частиц в проходящих ударных волнах [9] в сравнении с отраженными ударными волнами [10]. Теплообмен описывается с учетом скоростной неравновесности фаз, а также температуры торможения потока. Принимается во внимание температурная неоднородность частиц (распределение температуры аппроксимируется ступенчатой функцией радиуса), а также окисление углерода в порах частицы. Тепло химических реакций распределяется между фазами в соответствии с различными на стадиях воспламенения и горения аккомодационными коэффициентами.

В §2.6 на основе данной модели решается задача о тепловой динамике взвеси частиц Питтсбургского угля на стадии воспламенения. Воспламенение определяется как срыв теплового равновесия в соответствии с теорией теплового взрыва Семенова (рис. 3). Выявлены факторы, обусловливающие аномально быстрое воспламенение взвесей угольной пыли с высоким содержанием летучих в ударных и детонационных волнах. Механизм воспламенения заключается в срыве теплового равновесия за счет ускорения реакции газификации летучих и нагрева частицы при их сгорании вблизи поверхности. Реакция окисления угля в порах играет второстепенную роль (рис. 3). Таким образом, определен смешанный (гомогенно-гетерогенный) тип воспламенения взвеси соответственно классификации воспламенения одиночных угольных частиц [7]. Теоретически подтверждено предположение авторов [9, 10] об определяющей роли летучих в воспламенении частиц угольной пыли за ударными волнами. Выполнена верификация модели относительно экспериментальных данных [11] по воспламенению (рис. 4).

В §2.7 представлены результаты расчета стационарных структур детонации с учетом стадии воспламенения. Моделирование перехода от стадии воспламенения к стадии горения связано с достижением максимума давления (см. рис. 3). Различие скоростей и температур фаз является существенным только на стадии воспламенения, протекающей на два порядка быстрее стадии горения. Вне зоны воспламенения получено согласование с результатами односкоростной модели по структурам волн детонации ЧЖ.

„Р. кг/м3 0.1р, атм км/с

Рис. 3. Срыв теплового равновесия в динамике взвеси угольной пыли за фронтом УВ. И], и2 - скорости газа и частиц, р - давление, Р2, рэ - средние плотности связанных летучих и коксовой составляющей. Штриховые линии - с учетом реакции в порах, сплош ные - без учета.

Рис. 4. Экспериментальные [11] и расчетные данные времени задержки воспламенения частиц Питгсбургского угля (в мкс).

В Главе 3 анализируются одномерные течения гетерогенной детонации в пылевзвесях алюминия.

В §3.1 представлена физико-математическая модель детонации газовзвесей мелких частиц алюминия в окислительной среде (кислороде). В п.3.1.1 обсуждаются вопросы моделирования детонационного горения алюминия. Приведен обзор экспериментальных данных и теоретических подходов к описанию горения частиц алюминия в различных условиях. Для моделирования детонации принимается уравнение приведенной кинетики горения частиц аррениусовского типа [12] с квадратичной зависимостью от диаметра в соответствии с экспериментами [13]. В п.3.1.2. приведен анализ данных по моделированию воспламенения частиц, в том числе и с применением температурных критериев воспламенения. В [14] для кислородных взвесей алюминия принималось значение ниже точки плавления Т\дг 900 К. В п.3.1.3 дано обоснование выбранному критерию на основе решения полной задачи воспламенения взвеси в ударных и детонационных волнах с учетом плавления и низкотемпературного поверхностного окисления алюминия. Показано, что температурный критерий воспламенения Т^ 900 К обеспечивает адекватные задержки воспламенения в вол-

нах Чепмена - Жуге (ЧЖ) и затухающей детонации, что позволяет применять его для моделирования процессов распространения и срыва.

В §3.2 проведен качественный анализ структур ЗНД детонации в монодисперсных взвесях частиц алюминия. В п.3.2.1. обсуждаются вопросы выбора скорости нормальной детонации в газовзвесях с неполным сгоранием частиц. Возможность реализации режимов ЧЖ (с равновесным звуковым конечным состоянием) или режимов с внутренней замороженной звуковой точкой (недосжатых) отмечена в [15], однако условия реализации того или иного режима не определены. В п.3.2.2. на основе качественного анализа системы обыкновенных дифференциальных уравнений (ОДУ), отвечающей стационарной детонации в рамках односкоростной двухтемпе-ратурной модели, продемонстрировано существование внутренней особой точки и подтвержден ее тип (седло), определены типы конечных равновесных состояний в различных режимах. Определено влияние параметра релаксации р = тт1т( на типы решений, построена карта режимов в плоскости: число Маха - параметр релаксации ¡3 (рис. 5). Установлено, что режимы ЧЖ существуют лишь на участке р < Рт, (/?т~10), на узком участке (Р-,Р~) определяются решения с межзвуковым конечным состоянием, при Р> решения с переходом через внутреннюю звуковую точку.

' О 20

во /оо гго ^

Рис. 5. Карта детонационных режимов в односкоростной модели. I - пересжатые; II - затухающие; прямой участок /?</?„,- ЧЖ, кривая - недосжатые: < М,„ - с межзвуковым состоянием, М„ > М,.. - с внутренней звуковой точкой.

Рис. 6. Линии уровня поверхности, отделяющей стационарные режимы, в плоскости параметров релаксации. Штриховая линия 3 — граница структур с р-слоем.

В п.3.2.3. исследованы система ОДУ для двухскоростной двухтемпера-турной модели в предположении постоянства параметров релаксации а = тт!г„, р. Определено многообразие существования режимов ЧЖ и недосжатых режимов в пространстве: число Маха - параметры релаксации а, р (рис. 6). Проведен анализ влияния параметров релаксации на струк-

туры гетерогенной детонации, в частности определено условие существования р - слоя: а > аг(р) (рис. 6). Проведены расчеты структур детонации при реальных (зависящих от течения) параметрах релаксации. Определены недосжатые режимы с внутренней звуковой точкой и наличием р-слоя.

В §3.3 на основе численного моделирования одномерных нестационарных течений определена устойчивость плоских стационарных волн детонации относительно сопряжения с волнами разрежения. В п.3.3.1. дана формулировка соответствующей начально-краевой задачи. В пп.3.3.2., 3.3.3. и 3.3.4. представлены результаты расчетов для параметров релаксации из областей существования режимов ЧЖ, недосжатых с внутренней звуковой точкой, режимов с межзвуковым равновесным состоянием соответственно. Описаны сценарии взаимодействия волн разрежения со структурами детонации в каждом из режимов и сценарии взаимодействия волн разрежения с пересжатой детонацией. В п.3.3.5. сформулированы общие результаты: самоподдерживающимися режимами являются режимы ЧЖ (в области их существования) или недосжатые режимы, включая решения с межзвуковым равновесным состоянием. Пересжатые режимы ослабляются волнами разрежения до режимов ЧЖ или недосжатых в соответствии с картой решений.

108642-

W, МДж/м2

5 мкм

20 мкм

10 мкм

160 200 240 2S0 320

Рис. 7. Критерии инициирования детонации при разрушении КВД.

Т

Т

Т

3 4 5 6

Рис. 8. Критерии инициирования детонации в облаке частиц.

В §3.4 рассмотрены задачи ударно-волнового инициирования плоских волн детонации в монодисперсных взвесях частиц алюминия в одномерной нестационарной постановке. В п.3.4.1. рассмотрена задача инициирования в полупространстве, заполненном взвесью, при разрушении камеры высокого давления (КВД). Определены сценарии «жесткого» и «мягкого» инициирования, определяемые параметрами КВД. Получено соответствие экспериментальным данным [16] по протяженности выхода на стационарный режим. В п.3.4.2. моделируется инициирование детонации при взаимодействии поддерживаемых или взрывных ударных волн с облаком частиц. Описаны особенности сценариев инициирования при предельных услови-

ях. В п.3.4.3. получены критерии инициирования, связывающие геометрические параметры и условия в КВД (рис. 7) и зависимость энергии инициирования от числа Маха УВ и диаметра частиц (рис. 8). Результаты согласуются с данными экспериментов [17,18].

Глава 4 посвящена исследованию ячеистой гетерогенной детонации в монодисперсных взвесях частиц алюминия на основе численного моделирования и акустического анализа двумерных течений.

В §4.1 приводятся вводные замечания, дается формулировка проблемы. В п.4.1.1. обсуждаются характеристики ячеистой газовой детонации (в частности, связь между размером ячейки и масштабами зон задержки воспламенения и горения), перечислены единичные работы по ячеистой детонации в газовзвесях, обсуждается вопрос влияния границ на размер ячейки в численном моделировании. В п.4.1.2. сформулированы цели исследования: выявить общие и специфические свойства гетерогенной ячеистой детонации относительно газовой; определить размер ячейки различных фракций; установить зависимости размера ячейки от характерных масштабов структуры (задержки воспламенения, горения, скоростной и тепловой релаксации); обосновать достоверность численных результатов сопоставлением с оценками, полученными методом акустического анализа. В п. 4.1.3. дается постановка начально-краевой задачи о формировании ячеистой детонации в плоском канале в процессе ударно-волнового инициирования плоской волны детонации в облаке газовзвеси с монотонным малой амплитуды возмущением плотности на кромке облака РгпиАх>У) = РгоС1 + Р^(^О"1П). Р =0-1 •

В §4.2 представлены результаты численного моделирования. В п.4.2.1. описаны сценарии формирования ячеистой детонации при развитии поперечных волн на фронте инициированной плоской волны детонации и общие характеристики ячеистых структур гетерогенной детонации (рис. 9). Отмечено, что в общих чертах ячеистая детонация в монодисперсных взвесях частиц алюминия в кислороде подобна ячеистой детонации в газовых смесях. В п.4.2.2. обсуждается зависимость параметров ячеистых структур от ширины расчетной области и параметров сетки. При последовательном увеличении ширины канала число поперечных волн растет скачкообразно (бифуркация размера ячейки). Между точками бифуркации ха-

10 го 30 40 34 во

Рис. 9. Характерные картины течения гетерогенной ячеистой детонации. ¿=8 мкм, У=0.6 м.

рактер ячеистых структур меняется от нерегулярных к регулярным, которые могут быть неравномерными и равномерными. «Натуральными» ячейками считаются регулярные равномерные структуры. Отмечено, что они в наименьшей степени зависят от расчетной схемы (TVD - Мак-Кормака или TVD - Джентри-Мартина-Дэйли) и параметров сетки. В п.4.2.3. обсуждается зависимость размеров детонационных ячеек от дисперсности газовзвеси. Для равномерных структур размер ячейки определен как степенная функция от диаметра частиц с показателем 1.6. Данные по зависимости размера ячейки от диаметра частиц опубликованы в 2005 г. [18] и подтверждены более поздними расчетами других авторов в [19] (рис. 10). Масштабы ячеистых структур согласуются с экспериментами [17].

В §4.3 исследуется влияние характеристик процессов релаксации и горения на масштабы ячеистой детонации. В п.4.3.1. изложен метод акустического анализа распространения возмущений в поле течения детонации [20], позволяющий получить оценку расстояния между поперечными волнами. Обсуждается возможность и особенности применения метода для гетерогенной детонации, в частности, необходимость рассмотрения наряду со структурами ЗНД и пересжатыми волнами также волн затухающей детонации. Для взвесей частиц алюминия получены акустические оценки расстояний между поперечными волнами, согласующиеся с данными численных расчетов (рис. 10). В п.4.3.2. проанализированы корреляции между масштабами ячеистой детонации и характерными масштабами релаксации в структуре детонации. Для этого определены степенные зависимости протяженностей зон задержки воспламенения, горения, тепловой и скоростной релаксации в структуре ЗНД от размеров частиц и проведено сравнение показателей степени. Установлено, что все показатели степени, включая зависимости размера ячейки от диаметра частиц, различны. Представлены также данные расчетов с варьированием зоны задержки воспламенения (температуры воспламенения) или времени горения. Показано влияние всех протекающих в смеси релаксационных процессов на характеристики ячеистой детонации и размер ячейки.

В §4.4 численно моделируется распространение детонации в частично заполненном взвесью канале (слоевой детонации). В п.4.4.1. приведен обзор исследований по данной проблеме и дана формулировка начально-

Рис. 10. Размеры детонационных ячеек монодисперсных взвесей алюминия. Сплошная линия - аппроксимация расчетных данных, штриховая - акустический анализ, штрихпунктирная -данные [19].

X

0.S 0.55 0.6 0.65 0.7 0.7S 0.8

2

0.55 OS Ш o!? 075 OS 0.85 0¿

M.

0.6 0.6S 0.7 0.75 0.8 0.85 0.9 0.95

краевой задачи инициирования детонации в облаке, прилегающем к стенке и занимающем часть ширины плоского канала.

В п.4.4.2. представлены результаты расчетов для поддерживаемой инициирующей УВ, распространяющейся вне облака со скоростью выше скорости ЧЖ. Установлена возможность колебательного характера распространения комбинированного ударного/детонационного фронта. В п.4.4.3. рассмотрен случай поддерживаемой низкоскоростной (ниже скорости ЧЖ) инициирующей УВ. Показана возможность квазистационарного (с периодическими колебаниями) режима распространения низкоскоростной детонации в облаке (рис. 11).

В п.4.4.4. рассмотрен случай инициирования взрывной УВ, сопровождаемой волной разрежения. Показана возможность реализации ячеисто-подобного режима распространения детонации с одной поперечной волной в канале и проанализированы его свойства (рис. 12). Установлены параметры, обеспечивающие распространение без срыва (минимальная ширина облака не менее поперечного размера детонационной ячейки).

а б в

¡7

0.7 0.75 0.8 0.65 0.9 0.95 I 1.05

Рис. И. Распространение низкоско-ростиой детонации в облаке при поддерживаемой УВ, Мо = 4, Y = 10 см, Ycl=2 см, Л! = 0.05 мс.

13

0.70 0.7S 0.80 0.65 0.90 0.95 1.00 1.05 0 7 0.75 С а 0.85 0.9 0.95 .1 1.05 'в

• ' "Ú

100 — 10-

4020-

1

1.6 2 2.4 2.8

1.60 1.65 1.70 1.75 1.80 1.85 1.90 1.95 1.8 1.G5 1.7 1.75 1.8 1 85 1.9 1.95

Рис. 12. Детонация в облаке при взрывной УВ (Ус/ = 6 см, Л/0 = 5, У = 6 см). Градиентные поля давления (а), поля плотности (б), ДI = 0.2 мс; профили давления на стенке (в), ДI = 0.05 мс.

В п.4.4.5. обсуждаются вопросы диспергирования частиц при распространении детонации в облаке. Установлено, что при условиях, описанных выше, имеет место развитие неустойчивости Кельвина - Гельмгольца на

поверхности облака продуктов детонации с остаточной после выгорания концентрацией частиц (рис. 12).

В Главе 5 методами численного моделирования исследуются процессы дифракции гетерогенной детонации в газовзвесях частиц алюминия на обратном уступе и распространения в условиях изменяющейся геометрии (канале с разрывом сечения).

В §5.1 приводятся вводные замечания и обзор исследований по проблеме. В газовых смесях условия сохранения детонации при выходе в открытое пространство связывают диаметр трубы (1 (или ширину прямоугольного канала И) с поперечным размером детонационной ячейки X. Критическое число ячеек в трубе для большинства газовых смесей составляет п=сИХ= 10 13, в канале 3-И. Для гетерогенной детонации подобные данные отсутствуют. Отличия от газовой детонации связаны с наличием скоростной и тепловой релаксации фаз, где происходит перераспределение энергии, что определяет условия воспламенения и ре-инициирования. Сформулированы цели исследования: установление общих и специфических свойств данных процессов относительно газовой детонации, а также определение критических условий распространения и срыва.

В §5.2 рассмотрена задача дифракции плоской волны гетерогенной детонации на обратном прямоугольном уступе. В п.5.2.1. дается формулировка начально-краевой задачи, приводятся параметры расчетов. Перечислены возможные режимы, свойственные газовой детонации: закритиче-ский (непрерывное распространение), критический (частичный срыв и ре-инициирование) и докритический (срыв детонации).

Рис. 13. Конфигурации фронта горения при докритическом режиме дифракции.

Мгновенные линии тока. ¡1= 3.5 мкм, Н\ = 0.03 м (а); ¿=2 мкм, Н\ = 0.01 м (б).

В п.5.2.2. описаны свойства закритического режима распространения с аналогичными газам элементами волновых картин. В п.5.2.3. приведены результаты расчетов докритических режимов. Установлена возможность различных конфигураций фронта горения за уступом при различных параметрах задачи (рис. 13), обусловленных взаимодействием вихря и зон релаксации (на рис. 13,а фронт горения вытягивается вдоль стенки).

Рис. 14. Критический режим дифракции плоской детонационной волны. Численные Шлирен-фотографии. Н\ = 0.03 м, (1=1 мкм, г = 0.18 (а), 0.21 (б), 0.23 (в) мс.

2-

61мт

• • Я

/

.к

/

Я

/

/

1-)йОО

[I и

о

а а

п-грп 0.02

III111 I И IIМ111II

0.04 О.Ов

Н/м

В п.5.2.4. описаны критические режимы с частичным срывом и ре-инициированием детонации в поперечной волне, отмечены отличия в формировании новых поперечных волн в взвесях различной дисперсности. В п.5.2.5. обсуждаются условия перехода от одного режима к другому. В отличие от газов, критические условия определяются не только геометрическими параметрами канала, но и дисперсностью взвеси. Построена карта режимов дифракции в плоскости параметров: ширина канала, размер частиц (рис. 15).

В §5.3 анализируются процессы дифракции ячеистой детонации, изученной в Главе 4, на обратном прямоугольном уступе. Ширина канала варьировалась от 0.5 до 4 детонационных ячеек. В п.5.3.1. описаны свойства режимов с сохранением детонации. В целом процессы подобны дифракции волн газовой детонации, ре-инициирование обусловлено столкновениями тройных точек. В п.5.3.2. рассмотрены режимы при малом числе ячеек (п < 2). Установлена возможность ре-инициирования при 1 ячейке в канале. Докритический режим (срыв детонации) получен лишь при одной поперечной волне (1/2 ячейки) в канале (рис. 16). В п.5.3.3. обсуждаются критические условия распространения и срыва, определенные из обработки результатов численных расчетов. В терминах геометрических параметров условия выхода плоской и ячеистой детонации близки (рис. 15), что указывает на слабое влияние первичных поперечных волн и соответствует газовой детонации [21, 22]. Дано теоретическое обоснование многократному

Рис. 15. Карта режимов дифракции: круглые значки — плоская детонация, квадратные — ячеистая. Темные значки - докритические режимы, полузаполненные - критические, светлые -закритические; штриховая линия — условная граница.

уменьшению критического числа ячеек в сравнении с газовой детонацией на основе развития метода Митрофанова — Солоухина [23] и применения критерия Щелкина к гетерогенной детонации. Показано, что полученное свойство обусловлено определяющим влиянием процессов тепловой и скоростной релаксации фаз на воспламенение взвеси алюминия.

а бег

-1--3—-1-

х,т 1 X, т

Рис. 16. Срыв детонации при единичной поперечной волне в канале Картина максимального давления (а), численные Шлирен-фотографии, ДI = 0.05 мс (б-г), ¿=3.5 мкм, #! = 0.0165 м.

В §5.4 приведены результаты численного моделирования распространения гетерогенной детонации в каналах с разрывом сечения образующей. В п.5.4.1. описаны свойства перестройки поперечных волн в режимах с сохранением детонации (рис. 17).

Рис. 17. Формирование и перестройка поперечных волн за разрывом сечения. Картины максимального давления. Переход плоской детонации (а), <1 = 1 мкм, Н\ = 0.04 м, #2 = 0.132 м; ячеистой детонации (б)с!= 1.5 мкм, Н\ = 0.025 м, Нг = 0.2 м.

В п.5.4.2. представлены результаты расчетов докритических режимов, для которых распространение детонации в канале определяется положением стенок. В режимах с восстановлением ре-инициирование происходит за счет поперечной волны, возникающей при отражении дифрагированного фронта от стенок канала (рис. 18). После столкновения поперечных волн (при х = 0.95, рис. 18) распространение фронта в канале происходит в режиме ячеистой детонации с одной ячейкой на ширину. Размер ячейки превышает «натуральный» размер (рис. 10) в силу влияния стенок при малом числе поперечных волн в канале. При увеличении Н2 происходит переход к режимам со срывом детонации (рис. 19). Для взвеси частиц 3.5 мкм критическое отношение Н2/Н\ определяется около 4, что соответствует данным [24] для газов (Я2/Я]~5). Однако данный критерий не может быть универ-

сальным в силу наличия в гетерогенной смеси процессов межфазного взаимодействия и нелинейных соотношений между масштабами процессов релаксации и горения.

X, т

Рис. 18. Ре-инициирование детонации при докритическом режиме.

Картины максимального давления, с1= 3.5 мкм, 2Н\ = 0.033 м, 2Нг =0.1.

В Главе 6 на модели взвесей частиц алюминия в кислороде исследуются процессы детонации в полидисперсных газовзвесях.

В §6.1 приведен обзор работ по ударно-волновым процессам в полидисперсных взвесях и сформулирована основная цель исследования: анализ влияния распределения частиц по размерам на характеристики плоской и ячеистой детонации. Исследование проводится на модели гетерогенной детонации многофракционных газовзвесей частиц алюминия в кислороде.

В §6.2 проводится анализ стационарных плоских волн детонации в би-дисперсных взвесях. В п.6.2.1. дается формулировка начально-краевой задачи о распространении стационарной детонации в нестационарной постановке, решения которой сопоставляются с решениями соответствующей системы ОДУ, описывающей стационарные волны. В п.6.2.2. обсуждаются отличия стационарных структур ЗНД неидеальной детонации бидисперс-ных взвесей от структур монодисперсных взвесей и влияния состава на структуры.

В п.6.2.3. анализируется распространение плоской волны в бидисперс-ной взвеси в сопряжении с волной разрежения. Установлено, что стационарная часть структуры ограничена

12 и, км/с

т

0.68 0.72 0.76 0.8'"'

Рис. 19. Распространение детонационной волны с примыкающей волной разрежения в бидисперсной взвеси1 мкм (90%) и 3.5 мкм (10%). Профили скоростей, Д(= 0.05 мс.

звуковой точкой по равновесно-замороженной скорости звука, к ней примыкает расширяющаяся зона переходного течения. Переходная зона замыкается звуковой по замороженной скорости звука точкой (рис. 19). Показано, что при стремлении концентрации одной из фракций к нулю выполняются предельные переходы к структурам монодисперсной взвеси с внутренней звуковой точкой. В п.6.2.4. отмечены особенности формирования />слоев. В бидисперсной взвеси формируется два р-слоя соот-

Е|га, Мдж/мг

0.08

0.04

3.44

ветственно каждой из фракций частиц. Профили давления и плотности газа принимают форму кривых с двумя точками локального максимума, в зависимости от состава величина первого максимума может быть как выше, так и ниже второго.

В §6.3 определены сценарии и критерии инициирования детонации в би-дисперсных взвесях. В п.6.3.1. рассмотрено воздействие поддерживаемых УВ, описаны сценарии инициирования, в частности, комбинированный сценарий (воспламенение мелких частиц происходит на фронте УВ, крупных - в зоне релаксации). Определены нелинейные зависимости критического числа Маха от параметра насыщенности г| (доли мелкой фракции), см. рис. 20, кривая «а». В п.6.3.2. исследовано инициирование во взрывных УВ. Отмечено резкое снижение порога инициирования на участке 0< г| <0.1 (5% мелких частиц обеспечивают 30% снижение энергии инициирования), см. рис. 20, кривая «б». В п.6.3.3. описаны особенности формирования в процессе инициирования нестационарных двух-фронтовых структур гетерогенной детонации, существующих ограниченное время до слияния фронтов.

о о.2 0.4 о.б о.а п Рис. 20. Критические параметры инициирования плоской детонации в би-дисперсных взвесях 3.5 мкм и 1 мкм.

Рис. 21. Вырождение ячеистой детонации при изменении состава бидисперсной взвеси 2 мкм и 1 мкм: г/= 0 (монодисперсная взвесь 2 мкм, а), 0.3 (б), 0.6 (в).

В §6.4 определены характеристики ячеистой детонации в бидисперс-ных взвесях частиц алюминия в кислороде. В п.6.4.1. дается постановка задачи формирования ячеистой детонации, аналогичная изложенной в Главе 4, приводятся некоторые результаты ячеистой детонации монодисперсных взвесей в канале 6.6. см. В п.6.4.2. описаны свойства ячеистой детонации бидисперсных взвесей. Установлено свойство вырождения ячеистой детонации (ослабление амплитуды пульсаций, спрямление фронта, уменьшение пиковых давлений при столкновении тройных точек) при последовательном изменении параметра насыщенности от предельных значений (рис. 21). В п.6.4.3. описаны случаи полного вырождения ячеистой детона-

ции, что выражается в устойчивом распространении плоских волн (рис. 22). Приведены зависимости характерных параметров ячеистой детонации от составов бидисперсных взвесей (рис. 23).

р(х,0)/атм

3 5 мкм и 1 мкм

Рис.

0.4 0.6

Устойчивое

распространение плоской детонации: в бидисперсной взвеси 3.5 мкм и 1 мкм, т] = 0.5.

у/м

ДИМ

! -

Рис. 23. Влияние составов на характеристики детонации (а) и размер ячейки (б) бидисперсных взвесей.

■йЗНвг ■pSSiw

В §6.5 исследуются свойства ячеистой детонации в полидисперсных взвесях с симметричной функцией распределения частиц по размерам. В п.6.5.1. определены свойства ячеистой детонации при формировании ячеек из малых возмущений в плоском канале. Установлено аналогичное бидисперсным взвесям свойство вырождения ячеистой детонации, которое проявляется при уменьшении доли средней фракции (рис. 24). В п.6.5.2. приведены примеры полного вырождения ячеистой детонации в плоскую волну. Установлено равное для трех- и пятифракционных взвесей критическое значение доли средней фракции 0.4. В п.6.5.3. приведены данные формирования ячеистой детонации при переходе плоской волны через разрыв сечения канала (соответственно формулировке задачи в Главе 5) в полидисперсных взвесях. При г/ < 0.4 первичная поперечная волна, образуемая при отражении дифрагированного фронта от стенки, остается единственной и впоследствии затухает. В канале устойчиво распространяется плоская детонация. Таким образом, свойства вырождения определяются составом смеси и не зависят от способа формирования.

В §6.6 приводятся экспериментальные подтверждения и теоретическое обоснование свойств вырождения ячеистой детонации. В п.6.6.1. приведены данные экспериментов [25] по детонации аэровзвесей порошков алюминия. Фотографии порошков и регистрограммы давления свидетельству-

0.82 х/м

2.84 х/М

Рис. 24. Ячеистая детонация в моно-диспесной взвеси 2 мкм (а) и трех-фракционных взвесях 1 мкм, 2 мкм, 3.5 мкм: /7=0.8(6); 0.5 (в).

ют о снижении пульсаций в структуре волны ячеистой детонации при переходе от монодисперсного порошка к полидисперсному (рис. 25), чему авторами не дано убедительного объяснения. Эффект качественно воспроизводится в модельных расчетах детонации в трехфракционной взвеси при уменьшении т] от 0.8 до 0.6 (рис. 26). В п.6.6.2. на основе методов акустического анализа, изложенных в §4.3 (п.4.3.1), проводится теоретическое обоснование свойств вырождения ячеистой детонации в полидисперсных взвесях. Для анализа рассмотрены структуры волн нормальной, пересжатой и затухающей детонации в бидисперсных, трехфракционных и пяти-фракционных взвесях.

ь

р„ кг/м3

х/м

1 р„ кг/м3

л

х/м

~Г~

0.6

0.8

Рис. 25. Данные экспериментов [21]: фотографии порошков алюминия (слева), регистрограммы датчиков давления (справа).

Рис. 26. Расчетные профили ячеистой детонации трехфракционных смесей: 7 = 0.8 (а), 0.6(6).

Показано, что частичное вырождение ячеистой детонации в численных расчетах коррелирует с отсутствием масштаба поперечных волн на пересжатых (затухающих) структурах, а полное вырождение - на структурах волн нормальной детонации. Выводы акустического анализа полностью согласуются с результатами численного моделирования. В совокупности эти данные указывают, что в ячеистой гетерогенной детонации полидисперсных взвесей как характер и размер, так и само существование ячеек зависит от фракционного состава (распределения частиц по размерам).

В Заключении изложены основные результаты и выводы диссертационной работы. Представленные в настоящей диссертации оригинальные результаты в достаточной степени раскрывают картину явления гетерогенной детонации в монодисперсных и полидисперсных газовзвесях с неполным сгоранием частиц (взвесях частиц угольной пыли и взвесях частиц алюминия), включая особенности структуры, распространения, устойчиво-

сти и инициирования плоских волн, течения ячеистой детонации, проблемы дифракции и распространения в каналах изменяемой геометрии. В том числе:

- Разработана физико-математическая модель гетерогенной детонации газовзвесей угольной пыли, определены характеристики плоских волн детонации и особенности гомогенно-гетерогенного воспламенения взвесей битуминизированного угля в ударно-волновых и детонационных процессах.

- В рамках модифицированной модели детонации газовзвесей частиц алюминия в кислороде проведен систематический анализ влияния релаксационных процессов на типы течений неидеальной детонации, построены карты решений в пространстве параметров релаксации, определена устойчивость этих режимов.

- Определены свойства ячеистой детонации монодисперсных взвесей частиц алюминия в кислороде и степенные зависимости размера ячейки от диаметра частиц с показателем 1.6. Установлено влияние релаксационных процессов на ячеистые структуры.

- В задачах дифракции показано и теоретически обосновано трехкратное относительно газов снижение критического числа ячеек при выходе детонации в открытое пространство, что обусловлено отличиями в механизмах воспламенения.

- Определено влияние полидисперсности смеси на характеристики детонации. Установлено и описано свойство вырождения ячеистой детонации, что позволило дать объяснение наблюдаемым в экспериментах эффектам ослабления пульсаций параметров. Получен критерий полного вырождения ячеистой детонации в устойчиво распространяющуюся плоскую волну детонации.

В целом работа представляет собой комплексное решение ряда фундаментальных научных проблем в современной области знаний механики реагирующих гетерогенных сред, которые в совокупности могут квалифицироваться как развитие научного направления - гетерогенной детонации газовзвесей с неполным сгоранием частиц.

Список основных публикаций автора по теме диссертации

1. Федоров A.B., Фомин В.М., Хмель Т.А. Типы детонационных течений аэровзвеси алюминия в кислороде // Докл. РАН. 1995. Т.342. №2. С.185-188.

2. Федоров A.B., Хмель Т.А. Типы и устойчивость детонационных течений аэровзвеси алюминия в кислороде // ФГВ. 1996, Т.32. №2. С.74-85.

3. Федоров A.B., Фомин В.М., Хмель Т.А. Учет скоростной неравновесности в теории детонации частиц алюминия в кислороде II Докл. РАН. 1997. Т. 355. №6. С.763-767.

4. Федоров А.В., Хмель Т.А. Математическое моделирование детонации алюминиевой пыли в кислороде с учетом скоростной неравновесности частиц // ФГВ. 1997. Т.ЗЗ. №2. С.80-91.

5. Федоров А.В., Хмель Т.А. Определение самоподдерживающихся режимов неидеальной детонации на модели аэровзвеси частиц алюминия // ФГВ. 1998. Т.34. №5. С.95-102.

6. Федоров А.В., Хмель Т.А. Численное моделирование ударно-волнового инициирования гетерогенной детонации аэровзвеси частиц алюминия // ФГВ. 1999. Т.35. №3. С.81-88.

7. Fedorov A.V., Khmel' Т.А., Fomin V.M. Non-equilibrium model of steady détonations in aluminum particles - oxygen suspensions // Shock Waves. 1999. V. 9. №5. P.313-318.

8. Федоров A.B., Хмель Т.А. Численное моделирование инициирования детонации при вхождении ударной волны в облако частиц алюминия // ФГВ. 2002. Т.38. №1.С.114-122.

9. Хмель Т.А., Федоров А.В. Взаимодействие ударной волны с облаком частиц алюминия в канале // ФГВ. 2002. Т.38. №2. С.89-98.

10. Федоров А.В., Хмель Т.А. Математическое моделирование детонационных процессов в газовзвеси частиц угля //ФГВ. 2002. Т.38. ЛЬб. С. 103-112.

11. Федоров А.В., Фомин В.М., Хмель Т.А. Эффект скоростной неравновесности в воспламенении газовзвеси угольной пыли в ударных и детонационных волнах//Докл. РАН. 2004. Т. 394. № 4. С.484-488.

12. Хмель Т.А. Численное моделирование двумерных детонационных течений в газовзвеси реагирующих твердых частиц // Мат. моделирование. 2004. Т. 16. №6. С.73-77.

13. Fedorov A.V., Gosteev Yu.A., Khmel Т.А. То the theory of ignition and détonation of coal particle gas mixtures // Shock Waves. 2004. V.13. №¡6. P.453-463.

14. Федоров A.B., Хмель Т.А. Численное моделирование формирования ячеистой гетерогенной детонации частиц алюминия в кислороде // ФГВ. 2005. Т.41. №4. С.84-98.

15. Федоров А.В., Хмель Т.А. Учет воспламенения при математическом моделировании гетерогенной детонации угольной пыли в кислороде // ФГВ. 2005. Т.41, №1. С.89-100.

16. Федоров А.В., Фомин В.М., Хмель Т.А. Теоретическое и численное исследование процессов детонации в газовзвесях частиц алюминия II ФГВ. 2006. Т.42. № 6. С.126-136.

17. Федоров А.В., Хмель Т.А. Численные технологии исследования гетерогенной детонации газовзвесей // Мат. моделирование. 2006. Т.18. №8. С.49-63.

18. Федоров А.В., Фомин В.М., Хмель Т.А. Формирование и вырождение ячеистой детонации в полидисперсных газовзвесях // Докл. РАН. 2007. Т.414. №3. С.334-338.

19. Fedorov A.V., Khmel Т.А. Cellular détonations in bi-dispersed gas-particle mixtures // Shock Waves. 2008. V.18. №4. P.277-280.

20. Fedorov A.V., Kratova Yu.V., Khmel T.A. Shock and détonation wave diffraction at a sudden expansion in gas-particle mixtures // Shock Waves. 2008. V.18. №4. P.281-290.

21. Федоров А. В., Кратова Ю. В., Хмель Т. А. Численное исследование дифракции ударных волн в каналах переменного сечения в газовзвесях // ФГВ. 2008. Т.44. №1. С.85-95.

22. Федоров А. В., Хмель Т. А. Структура и инициирование плоских волн детонации в бидисперсной газовзвеси частиц алюминия // ФГВ. 2008. Т.44. №2. С.46-55.

23. Федоров А. В., Хмель Т. А. Формирование и вырождение ячеистой детонации в бидисперсных газовзвесях частиц алюминия// ФГВ. 2008. Т.44. № 3. С. 109-120.

24. Fedorov A.V., Khmel Т.А., Fomin V.M. Analysis of the shock wave ignition and detonation in bituminous coal-dust suspensions // J. of Loss Prevention in the Process Industries. 2009. V.22. №2. P.140-144.

25. Кратова Ю.В., Федоров A.B., Хмель T.A. Дифракция плоской детонационной волны на обратном уступе в газовзвеси // ФГВ. 2009. Т.45. №5. С.95 - 107.

26. Федоров А.В., Фомин В.М., Хмель Т.А. Математическое моделирование гетерогенной детонации в газовзвесях частиц алюминия и угольной пыли // ФГВ. 2009. Т.45. №4. С. 166-177.

27. Fedorov A.V., Khmel Т.А., Kratova Yu.V. Cellular detonation diffraction in gas -particle mixtures // Shock Waves. 2010. V.20. №6. P.509-519.

Цитируемая литература

1. Нигматулин Р.И. Динамика многофазных сред. 4.1, 2. М.: Наука, 1987.

2. Яненко Н.Н., Солоухин Р.И., Папырин А.Н., Фомин В.М. Сверхзвуковые двухфазные течения в условиях скоростной неравновесности частиц. Новосибирск: Наука, 1980. 160 с.

3. Harten A. High resolution schemes for hyperbolic conservation laws // J. Сотр. Phys. 1983. V.49. №3. P.357-393.

4. Роуч П. Вычислительная гидродинамика. М.: Мир, 1980. 616 с.

5. Nettleton М.А., Stirling R. Detonation in suspensions of coal dust in oxygen // Combust. Flame. 1973. V.21. P.307-314.

6. Эдварде Д., Фернлей P., Неттлтон M. Исследование детонации взвесей угольной пыли в смесях кислорода с азотом в ударной трубе // ФГВ. 1987. Т.23. №2. С.129-136.

7. Федоров А.В., Фомин В.М., Гостеев Ю.А. Динамика и воспламенение газовзвесей. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2006. 344 с.

8. Левин В.А., Марков В.В. Возникновение детонации при концентрированном подводе энергии // ФГВ. 1975. Т.П. №4. С.623-633.

9. Бойко В.М., Папырин А.Н., Поплавский С.В. О механизме воспламенения пылей в проходящих ударных волнах // ФГВ. 1993. Т.29. №3. С.143-148.

10. Бойко В.М., Папырин А.Н., Поплавский С.В. О влиянии летучих на задержки воспламенения газовзвесей угольных пылей в ударных волнах // ФГВ. 1991. Т.27. №2. С.101-111.

11. Sichel М., Baek S.W., Kauffman C.W., Maker В., Nicholls J.A. The shock wave ignition of dusts // AIAA J. 1985. V.23. №9. P. 1374-1380.

12. Медведев А.Е., Федоров А.В., Фомин В.М. Описание воспламенения и горения смесей газа и твердых частиц методами механики сплошной среды // ФГВ. 1984. Т.20. №2. С.3-9.

13. Бекстед М. В. Анализ данных по времени горения частиц алюминия // ФГВ. 2005. Т41. №5. С.55-69.

14. Федоров А.В. Структура гетерогенной детонации частиц алюминия, диспергированных в кислороде // ФГВ. 1992. Т.28. №3. С.72-83.

15. Еремеева Т.А., Медведев А.Е., Федоров А.В., Фомин В.М. К теории идеальной и неидеальной детонации аэровзвесей: Препринт №37-86 / ИТПМ, СО АН СССР. Новосибирск, 1986.36 с.

16. Strauss W.A. Investigation of the detonation of aluminum powder-oxygen mixtures//AIAA J. 1968. V.6. №12. P.1753-1761.

17. Ingignoli W., Veyssiere В., Khasainov B.A. Study of detonation initiation in un-confined aluminum dust clouds // Gaseous and heterogeneous detonations, science to applications /G. Roy et al. (Eds). M.: ENAS Publishers, 1999. P.337-350.

18. Борисов A.A., Хасаинов Б.А., Вейссьер Б. и др. О детонации взвесей алюминия в воздухе и кислороде//Хим. физика. 1991. Т. 10. №2. С.250-272.

19. Федоров А.В., Хмель Т.А. Численное моделирование формирования ячеистой гетерогенной детонации частиц алюминия в кислороде // ФГВ. 2005. Т. 41. №4. С.84-98.

20. Briand A., Veyssiere В., Khasainov B.A. Detonability of aluminum suspensions // Proc. of the 7-th ISHPMIE, St. Petersburg, Russia, July 7-11, 2008. Vol. II. St. Petersburg, 2008. P.213-222.

21. Sochet, I., Lamy, Т., Brossard, J., Vaglio, C., Cayzac, R. Critical tube diameter for detonation transmission and critical initiation energy of spherical detonation //Shockwaves. 1999.V.9.№2. P.l 13-123.

22. Pintgen, F., Shepherd, J.E. Detonation diffraction in gases // Comb. Flame. 2009. V.156. P.665-677.

23. Васильев A.A. Критические условия инициирования цилиндрической многофронтовой детонации // ФГВ. 1998. Т. 34. №2. С.114-120.

24. Pantow Е. G., Fischer М., Kratzel Th. Decoupling and recoupling of detonation waves associated with sudden expansion // Shock Waves. 1996. V.6. №3. P.131 -137.

25. Zhang F., Gerrard K.B., Rypley R. Reaction mechanism of aluminum particles -air detonation / Proc. of the 7-th ISHPMIE, St. Petersburg, Russia, July 7-11, 2008. Vol. II. St. Petersburg, 2008. P. 223-237.

Ответственный за выпуск Т.А. Хмель

Подписано в печать 28.01.2011 Формат бумаги 60*84/16, Усл. псч. л. 1.5, Уч.-изд. л. 1.5, Тираж 130 экз., Заказ № 3

Отпечатано в типографии ООО «Параллель» 630090, Новосибирск, Институтская, 4/1

ГЛАВА 1 МАТЕМАТИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ИССЛЕДОВАНИЯ

ПРОЦЕССОВ ДЕТОНАЦИИ

§1.1 Подходы механики гетерогенных сред (МГС).

1.1.1. Основные гипотезы и допущения.

1.1.2. Уравнения МГС для описания динамики газовзвесей.

1.1.3. Уравнения стационарных бегущих волн.

§1.2 Равновесные модели МГС и принципы верификации.

1.2.1. Односкоростная двухтемпературная модель.

1.2.2. Односкоростная однотемпературная модель.

1.2.3. Принципы верификации моделей.

§ 1.3 Методы расчета течений газовзвесей на основе схем ТУГ).

1.3.1. Обзор методов расчета динамических процессов в газовзвесях.

1.3.2. Схема ТУБ для газовой фазы.

1.3.3. Схемы для расчета дискретной фазы.

§1.4 Схемы Т\Т) для равновесных моделей механики газовзвесей.

1.4.1. Модификация схем ТУТ) для односкоростной модели.

1.4.2. Модификация схем ТУГ) для равновесной модели.

§1.5 Применение технологии параллельных вычислений.

1.5.1. Распараллеливание по геометрическому принципу.

1.5.2. Определение эффективности распараллеливания.

Выводы по 1 Главе.

ГЛАВА 2 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ДЕТОНАЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ В УГОЛЬНЫХ ПЫЛЕВЗВЕСЯХ

§2.1 Вводные замечания.

§ 2.2 Математическая модель детонации частиц угля.

2.2.1. Описание детонационных течений в газоугольной взвеси.

2.2.2. Стационарные плоские детонационные волны.

2.2.3. Определение кинетических параметров и верификация модели.

§ 2.3 Структуры стационарных волн детонации.

§ 2.4 Ударно-волновое инициирование детонации.

§ 2.5 Расширенная модель детонации взвеси угольных частиц с учетом воспламенения.

§ 2.6 Анализ процесса воспламенения взвеси битуминизированного угля.

§ 2.7 Структуры гетерогенной детонации с учетом воспламенения.

2.7.1. Критерий перехода к реакции горения.

2.7.2. Структуры детонационных волн при учете воспламенения.

Выводы по 2 Главе.

ГЛАВА 3 ПЛОСКИЕ ВОЛНЫ ДЕТОНАЦИИ В ГАЗОВЗВЕСЯХ ЧАСТИЦ АЛЮМИНИЯ

§3.1. Физико-математическая модель детонации газовзвеси частиц алюминия в кислороде.

3.1.1. Моделирование горения частицы алюминия.

3.1.2. Моделирование стадии воспламенения.

3.1.3. Обоснование температурного критерия воспламенения.

§3.2. Структуры стационарных волн детонации в монодисперсных взвесях частиц алюминия.

3.2.1. Проблема выбора скорости нормальной детонации.

3.2.2. Структуры детонации в односкоростной модели.

3.2.3. Структуры детонации в двухскоростной модели.

§3.3. Устойчивость и нормальные режимы детонации.

3.3.1. Формулировка задачи о распространении детонационной волны с примыкающей волной разрежения.

3.3.2. Область существования режимов Чепмена-Жуге.

3.3.3. Область существования режимов с внутренней особой точкой.

3.3.4. Область существования режима с межзвуковым конечным состоянием (дисперсионный интервал параметров релаксации).

3.3.5. Нормальные режимы детонации.

§3.4. Ударно-волновое инициирование детонации.

3.4.1. Сценарии инициирования детонации при разрушении КВД.

3.4.2. Сценарии инициирования детонации в облаке частиц.

3.4.3. Критерии инициирования.

Выводы по 3 Главе.

ГЛАВА 4 ЯЧЕИСТАЯ ГЕТЕРОГЕННАЯ ДЕТОНАЦИЯ В МОНОДИСПЕРСНЫХ ВЗВЕСЯХ ЧАСТИЦ АЛЮМИНИЯ

§ 4.1. Вводные замечания и формулировка задачи.

4.1.1. Проблема определения масштабов ячеистой детонации.

4.1.2. Цели и задачи настоящего исследования.

4.1.3. Постановка задачи формирования ячеистой детонации в плоском канале в процессе ударно-волнового инициирования.

§ 4.2. Результаты численного моделирования ячеистой детонации.

4.2.1. Общие характеристики ячеистой гетерогенной детонации.

4.2.2. Влияние ширины расчетной области и параметров сетки.

4.2.3. Зависимость размера ячейки от диаметра частиц.

§ 4.3. Роль процессов релаксации в ячеистой детонации.

4.3.1. Оценка размера ячейки методами акустического анализа.

4.3.2 Связь между размером ячейки и масштабами релаксации.

§ 4.4 Ячеисто-подобные режимы в ограниченном облаке (слое) частиц в канале.

4.4.1. Формулировка задачи инициирования.

4.4.2. Пересжатая детонация при поддерживаемой УВ (Дг^сі).

4.4.3. Низкоскоростная детонация при поддерживаемой УВ (д><а:,ї).

4.4.4. Инициирование и распространение детонации при взрывной УВ.

4.4.5. Диспергирование частиц.

Выводы по 4 Главе.

ГЛАВА 5 РАСПРОСТРАНЕНИЕ ГЕТЕРОГЕННОЙ ДЕТОНАЦИИ В УСЛОВИЯХ ИЗМЕНЯЮЩЕЙСЯ ГЕОМЕТРИИ

§5.1. Введение и обзор исследований по проблеме.

§5.2. Дифракция плоской волны детонации на обратном уступе.

5.2.1. Формулировка задачи.

5.2.2. Закритический режим распространения детонации.

5.2.3. Докритический режим.

5.2.4. Критический режим распространения.

5.2.5. Влияние ширины канала и размера частиц на режимы.

§5.3. Дифракция ячеистой детонации на обратном уступе.

5.3.1. Режимы с сохранением детонации.

5.3.2. Режимы при малом числе ячеек в канале.

5.3.3. Критические условия распространения.

§5.4. Распространение детонации в каналах с внезапным расширением.

5.4.1. Перестройка поперечных волн ячеистой детонации.

5.4.2. Ре-инициирование детонации в докритических режимах.

Выводы по Главе 5.

ГЛАВА 6 ОСОБЕННОСТИ ДЕТОНАЦИОННЫХ ТЕЧЕНИЙ

В ПОЛИДИСПЕРСНЫХ ГАЗОВЗВЕСЯХ

§6.1. Введение.

§6.2*. Стационарные структуры детонации в бидисперсных взвесях.

6.2.1. Постановка задачи.

6.2.2. Стационарные структуры неидеальной детонации.

6.2.3. Сопряжение стационарной структуры с волной разрежения.

6.2.4. Формирование р -слоев.

§6.3. Инициирование детонации в бидисперсных взвесях.

6.3.1. Инициирование в поддерживаемых УВ.

6.3.2. Инициирование во взрывных УВ.

6.3.3. Двух-фронтовые структуры гетерогенной детонации.

§6.4. Особенности ячеистой детонации в бидисперсных взвесях.

6.4.1. Формулировка задачи.

6.4.2. Свойства ячеистой детонации в бидисперсных взвесях.

6.4.3. Полное вырождение ячеистой детонации.

§6.5. Ячеистая детонация в трех- и пяти-фракционных взвесях.

6.5.1. Проявление свойств вырождения.

6.5.2. Полное вырождение ячеек в полидисперсных взвесях.

6.5.3. Распространение детонации в полидисперсных взвесях в канале с разрывом сечения.

§6.6 Подтверждение и обоснование свойств вырождения.

6.6.1. Экспериментальные подтверждения.'.

6.6.2. Обоснование свойств вырождения ячеистой детонации методами акустического анализа структур бидисперсных взвесей.

6.6.3. Теоретическое обоснование критерия полного вырождения ячеистой детонации в полидисперсных взвесях.:.

Выводы по Главе 6.

Пылевзвеси представляют собой смеси газа и множества твердых частиц, размеры которых составляют от десятков нанометров до миллиметров. Скопления частиц существуют в природе (где находятся обычно в насыпном состоянии благодаря гравитации), а также являются продуктом человеческой деятельности (порошки, волокна, гранулы, отходы при обработке материалов и т.д.). Под действием внешних условий (движение воздуха, движение поверхности, удары и т.д.) возможен переход частиц во взвешенное состояние и образование смесей газа и частиц (пылевзвесей). Наиболее характерным является формирование и длительное существование облаков мелких частиц (до 100 мкм).

Формирование пылевзвесей в промышленных условиях происходит в угольных шахтах, на предприятиях химической, пищевой, фармацевтической, текстильной, деревообрабатывающей, металлообрабатывающей и других отраслей промышленности, связанных с производством порошков и применением порошковых технологий. С развитием нанотехнологий расширяется сфера применения ультрадисперсных частиц (с1<1 мкм). Благодаря особым поверхностным свойствам дисперсных и ультрадисперсных материалов порошки, гранулы и пудры находят широкое применение в энергетике, строительстве, атомной промышленности, космической, военной технике и других сферах. В частности, порошки алюминия, характеризующиеся высокой энергоемкостью, входят в состав ряда взрывчатых веществ и ракетных топлив, применяются в химической промышленности, в порошковой металлургии, лакокрасочной, строительной отраслях, в качестве добавок при изготовлении пластмасс, керамики. Порошковый алюминий может образовываться и в качестве побочного продукта при обработке и изготовлении изделий из алюминия.

Производство и использование порошков металлов или частиц органического происхождения нередко сопряжено с опасностью их воспламенения и развития неконтролируемых взрывных процессов, приводящим к катастрофическим последствиям [1, 2, 3]. Наиболее распространенными среди пылевых взрывов являются инициированные воспламенением и горением метана взрывы угольной пыли в шахтах. В Китае более половины всех пылевых взрывов составляют взрывы угольных (34%) и металлических (17%) пыл ей [4] (только в 2004 г в угольных шахтах погибли более 6 тыс. человек). Взрывы и пожары в шахтах России унесли за последние 5 лет жизни более 300 человек: 10.04.2004 г., шахта «Тайжина» Кемеровской обл. (погибших 47); 28.10.2004, «Листвяжная» (13); 9.02.2005, «Есаульская» (25); 7.09.2006, «Центральная» Читинской обл. (25); 19.03.2007, «Ульяновская» (110); 24.05.2007, «Юбилейная» (39); 23.12.2009, «Естюнинская» Свердловской обл. (9). Недавняя катастрофа (8 мая 2010 года, шахта «Распадекая» Кемеровской области, 72 погибших, 19 числятся пропавшими без вести) характеризуется первичным взрывом метана и последующим через 4 часа намного более мощным взрывом, в который была вовлечена угольная пыль. Горение угольных пластов продолжалось несколько месяцев [5]. Из металлических взрывоопасных порошков наиболее широко применяется или образуется в ходе технологических процессов в промышленности алюминиевая пудра. Наиболее крупные инциденты, связанные с взрывами на алюминиевых предприятиях: июль 1999 г., США, штат Луизиана, серия взрывов на территории завода по производству алюминия (19 пострадавших) [6]; 29 октября 2003 г., США, штат Индиана, взрыв на заводе алюминиевых колес, по данным комиссии обусловленный воспламенением алюминиевой пыли, образующейся в процессе обработки (1 погиб, несколько пострадавших) [7]; 2 февраля 2010 г. в г. Шелехов Иркутской обл., взрыв алюминиевого порошка на заводе порошковой металлургии «СУАЛ-ПМ», входящем в холдинг «РУС А Л» (1 погиб, 2 пострадавших, цех расфасовки 700 м2 выгорел полностью и не подлежит восстановлению) [8].

Приведенные данные свидетельствуют, что проблемы прогнозирования и предотвращения взрывных явлений в дисперсных средах, а также сопутствующие проблемы уменьшения вредных последствий их воздействия на людей и окружающую среду, еще далеки от полного решения. Недостаток фундаментальных знаний- о физических процессах, обусловливающих возбуждение взрывных и детонационных волн в пылевых облаках, а также о режимах их распространения в. различных условиях ограничивает решение прикладных задач1 и. разработку адекватных-, 1 современным технологическим условиям технических регламентов.

• Взрывные явления в облаках пылевзвесей почти- всегда характеризуются развитием детонационных и детонационно-подобных процессов. Под детонацией понимается самоподдерживающееся сверхзвуковое распространение1 фронта горения, сопровождаемого ударной волной. К гетерогенной детонации пылевзвесей (газовзвесей твердых частиц) относят детонацию, поддерживаемую реакциями горения г частиц; в среде окислительного газа (воздух, кислород и др.). Отметим, что* газовзвеси частиц алюминия и угольной, пыл и* характеризуются, неполным I сгоранием частиц; что обусловлено наличием' инертной компоненты в частицах.

Предметом исследования настоящей, диссертации является -определение условий формирования и процессов распространения гетерогенной- детонации в газовзвесях с неполным сгоранием частиц-(алюминия и- угольной пыли) на основе математического и численного моделирования одномерных и двумерных нестационарных течений в рамках моделей механики реагирующих гетерогенных сред.

Систематические и широкомасштабные экспериментальные и теоретические исследования взрывных и детонационных явлений в пылевзвесях проводятся с середины прошлого века. Характерные особенности детонационных процессов, такие как большие динамические нагрузки, высокие скорости протекания, комплексные волновые картины течений, резкие изменения параметров течения во времени и в пространстве, множественность и значительное (на порядки) различие характерных временных и пространственных масштабов, делают затруднительным их изучение методами экспериментального наблюдения. Соответствующие установки и оборудование требуют весьма сложного устройства и существенных затрат для проведения испытаний. В связи с этим экспериментальные исследования детонации проводятся, как правило, в крупных научных или учебных центрах. В последние десятилетия проводилось накопление экспериментальной информации о детонационных процессах во взвесях угольной и органических пылей (частиц муки, крахмала и др.), а также мелких частиц металлов. При этом полученная информация не является исчерпывающей и во многом противоречива, что требует тщательного теоретического анализа, подкрепленного численными расчетами.

Перечислим научные центры и некоторых исследователей, которые внесли большой вклад в понимание детонационных процессов в гетерогенных средах. В России это НИИ Механики МГУ (В.А. Левин, В.В. Марков, Ю.В. Туник), Математический институт им. Стеклова (В .П. Коробейников), Институт химической физики им. Семенова (Б.Е. Гельфанд, С.А. Цыганов, С.М. Фролов, Б.А. Хасаинов), Московский Инженерно-физический институт (A.A. Борисов, С.М. Когарко), Новосибирский научный центр: Институт гидродинамики СО РАН (В.В. Митрофанов, С.А. Ждан, A.B. Пинаев и др.), Институт теоретической и прикладной механики СО РАН (В.М. Фомин, A.B. Федоров и др.),

Карагандинский ГТУ (A.M. Чеховских и др.). Из зарубежных центров следует отметить Warsaw University of Technology (P. Wolanski, R. Klemens), Польша; Poitier ENSMA (B. Veyssiere), Франция; University of Bergen (R. Eckoff), Норвегия; University of Michigan (S.W. Kauffman, M. Sichel), University of California (A.K. Oppenheim), Chicago IIT Research Institute (A. Tulis, J.R. Selman), Ohio State University (W.A. Strauss) США; Surrey Central Electricity Research Laboratories (M. Nettleton, R. Stirling), University of Wales (D. Edwards), Великобритания; Aachen Shock Wave Laboratory (H. Gronig, A. van de Ven), Германия; Combustion Dynamics Ltd (F. Zhang), Канада; Beijing Institute of Technology (Y.K. Pu), Китай; Tokyo Aoyama Gakuin University (K. Hayashi), The University of Tokyo (N. Tsuboi), Япония.

Теоретический анализ динамических процессов в пылевзвесях базируется на известных законах сохранения механики гетерогенных сред, сформулированных в работах Х.А. Рахматулина, Р.И. Нигматулина и получивших развитие в трудах Р.И. Солоухина, В.М. Фомина, В.А. Левина, В.П. Коробейникова, В.В. Митрофанова, В.Е. Накорякова,

A.Г. Кутушева, А.В. Федорова и других авторов. Применительно к динамическим процессам в реагирующих дисперсных средах наиболее адекватными в настоящее время считаются подходы с описанием химических взаимодействий на основе верифицированных по экспериментальным данным моделей приведенной кинетики. Такие модели развиты в работах В.М. Фомина, В.А. Левина, Ю.В. Туника,

B.В. Маркова, В.П. Коробейникова, Б.А. Хасаинова, Б. Вейсьера, Н.Н. Смирнова, А.В. Федорова, С.А. Ждана и ряда других авторов.

Развитие вычислительной техники и методов расчетов ударно-волновых и детонационных течений привело к качественно новому пониманию роли численного эксперимента. Численное моделирование превратилось из вспомогательного в один из основных инструментов исследования динамических процессов в газах и газовзвесях, включая моделирование детонационных течений. Развитые численные технологии позволяют получать и визуализировать детальные двух- и трехмерные картины течений, выявлять как локальные особенности, так и интегральные свойства протекающих процессов, что позволяет вскрыть физические механизмы процессов и найти объяснения наблюдаемым экспериментально эффектам. Обзор наиболее распространенных численных методов, включающий работы отечественных и зарубежных авторов, приведен в Главе 1.

Методы исследования. Представленные в настоящей диссертации результаты получены методами математического и численного моделирования в рамках развитых и верифицированных по известным экспериментальным данным полуэмпирических моделей механики реагирующих гетерогенных сред на основе оригинальных численных технологий.

Актуальность и практическая значимость. Теоретические исследования и численное моделирование процессов идеальной и неидеальной детонации в пылевзвесях частиц алюминия и угольной пыли с целью получения фундаментальных знаний о специфических свойствах детонации в данных средах являются актуальными. Эти знания могут служить основой для прикладных исследований, связанных с проблемами прогнозирования, подавления и снижения разрушительных последствий взрывов в шахтах и запыленных объемах промышленных производств, а также поиска способов управления детонационными процессами с целью разработки и применения детонационных технологий.

Одно из возможных приложений явления детонации связано с созданием устройств реактивной тяги. Разработка научных основ функционирования детонационных двигателей проводится в последние годы очень интенсивно [9, 10, 11, 12]. В силу уникальных физических свойств и благодаря высокой энергетической способности при химических взаимодействиях мелкодисперсные и ультрадисперсные порошки алюминия имеют широкие перспективы применения как добавки к горючим газовым смесям или в смеси с окислителем в качестве рабочих сред.

Детонационные процессы в пылевзвесях частиц алюминия и угольной пыли имеют специфические отличительные особенности относительно большинства других взвесей (органической пыли, муки, частиц унитарного топлива и др.). Как частицы угля, так и частицы алюминия характеризуются свойством неполного сгорания, обусловленного в первую очередь наличием инертной компоненты в частицах изначально (зольного остатка в угольных частицах и оксидной пленки в частице алюминия), а также при определенных условиях недостатком окислителя. Кроме того, при горении частиц алюминия возможно накопление продуктов окисления алюминия на поверхности частицы или образование новых твердых частиц оксида алюминия [13, 14]. Ввиду участия инертной составляющей в релаксационных процессах одновременно с горением частиц детонация в газовзвесях угольной и алюминиевой пыли может быть неидеальной [15]. Указанные выше физические факторы, препятствующие полному сгоранию' частиц, ограничивают возможности применения термодинамических моделей, предполагающих термодинамическое равновесие продуктов детонации. Соответственно, теоретические подходы для описания детонационных процессов в угольных и алюминиевых пылевзвесях базируются на развитии и применении различных полуэмпирических моделей.

При отношении к детонации как к нежелательному или желательному явлению, первоочередными задачами являются определение условий и характеристик возбуждения и развития детонационных волн, режимов самоподдерживающегося распространения, особенностей взаимодействия с твердыми поверхностями, демпфирования и гашения. К этим проблемам близко примыкают задачи, связанные с формированием облаков пылевзвесей [16], воспламенением частиц в высокоскоростных высокотемпературных потоках газа. Особое внимание уделяется выявлению характерных особенностей гетерогенной детонации, обусловленных влиянием релаксационных процессов межфазного взаимодействия, относительно аналогичных процессов в гомогенных газовых средах.

Состояние вопроса о гетерогенной детонации взвесей частиц угольной пыли или алюминия.

Уголь. Экспериментальные наблюдения гетерогенной детонации угольной пыли в окислительной среде (воздухе или- кислороде) проводились в [17, 18, 19]. Зависимости измеренной скорости стационарной детонации от начальной концентрации частиц для двух типов частиц угольной пыли с различным содержанием летучих, диаметром 25 мкм и 50 мкм1 приведены в [18].' Теоретически распространение волн гетерогенной детонации угольной пыли почти не исследовалось (некоторые механизмы распространения обсуждались в [20]), хотя в литературе имеется большое число работ, посвященных горению угольных частиц в волнах газовой детонации (как правило, метановоздушных смесях [21, 22, 23]). Таким образом, явление гетерогенной детонации угольной взвеси в воздухе и кислороде не изучено и требует соответствующего теоретического анализа.

Алюминий. Экспериментальные исследования детонации взвесей алюминиевых частиц проводятся с конца 60 годов прошлого столетия. Данные по гетерогенной детонации взвесей алюминия в воздухе и кислороде представлены в работах В.А. Страусса [24], А. Тулиса [25, 26, 27], Б. Вейсьера [31, 32], Ф. Занга [33, 34], Й. Пу [36] и др. Результаты исследований [24-36] свидетельствуют о возможности самоподдерживающихся режимов сверхзвукового горения, как в смесях горючих газов с добавками частиц алюминия [28, 29, 30], так и в смесях частиц с окисляющим газом (воздухом или кислородом). Обзоры работ по проблемам детонации в газовзвесях твердых частиц, в которых затронуты вопросы гетерогенной детонации взвесей частиц алюминия, можно найти в [35, 37, 38]. Новые экспериментальные данные получены в недавних работах [39, 40]. В Таблице В.1 представлены данные по характеристикам экспериментальных установок и данные измерений основных параметров детонации, полученных в экспериментах [24, 25, 26, 27, 31, 32, 33, 34, 35, 39, 40]. Для кислородных взвесей частиц алюминия наиболее достоверными считаются данные экспериментов В.А. Страусса [24].

Воздушные взвеси частиц алюминия экспериментально исследовались в работах А.Дж. Тулиса [25, 26, 27]. Большой разброс в измеренных значениях скорости детонации от 1900 м/сек в [25] до 1.65 км/сек и 1.35 км/сек (для сферических частиц) в [26], а также периодические колебания скорости не позволяют считать наблюдаемые режимы стационарными [31]. (В [31] утверждалось, что наблюдаемые Тулисом режимы представляли собой детонацию типа «галопирующей», т.к. на основе численных расчетов было показано, что энергия инициатора (3 г ВВ гексогена или тетрила) была недостаточной для инициирования данной взвеси.)

В работе A.A. Борисова, Б.А. Хасаинова, Б. Вейссьера и др. [31] проведено обширное экспериментально-теоретическое исследование детонации воздушных взвесей частиц алюминия в трубах различных диаметров и открытом объеме для порошков 4-х видов (хлопья и сферические частицы 1 мкм, 13 мкм и 33 мкм). Полученные из термодинамических расчетов значения скорости детонации превышают зарегистрированные в экспериментах [31] и ряде других [25, 26, 27], что предположительно объясняется присутствием несгоревших крупных частиц, что не учитывалось в расчетах. Для взвесей частиц 11-17 мкм и'ЗЗ мкм не удалось получить детонацию ни в одной из труб. Указано слабое влияние концентрации частиц на скорость детонации в воздухе, что подтверждено термодинамическими расчетами (к кислородным взвесям это не относится).

Для кислородных взвесей частиц 3.5 мкм (возбуждение сферической детонации в цилиндрической камере 0.7 м диаметром и 1 м высотой при 125 г ВВ) в [31] не были получены самоподдерживающиеся режимы, возможно, ввиду недостаточного объема камеры. Смеси частиц 13 мкм в объеме не детонировали. Позже в [32] для частиц 3.5 мкм и хлопьевидных частиц 1мкм><25 мкм сферическая детонация была получена (при 150 г ВВ), значения скорости также ниже термодинамических на 100-200 м/с. В одном из экспериментов обнаружены признаки ячеистой детонации (скорость детонации 1650 м/сек, ячеисто-подобные структуры размером 5 - 10 см).

В работах Ф. Занга [33, 34, 35] приводятся данные экспериментов по детонации в трубах различных пылевзвесей в воздухе, в том числе и частиц алюминия. В [33] для хлопьев 1мкмх36мкм наблюдался спиновый характер детонации, размер ячейки оценивается как 0.4 м, скорости согласуются с [31]. Профили давления показывают более слабые поперечные волны и вырожденный характер ячеистой структуры, чем во взвесях антрахинона. При переходе дефлаграции в детонацию (DDT) регистрируются более высокие скорости, до 2000 м/с ([34], [35], [36]). Наиболее вероятно, что в процессе ДДТ формируется пересжатая детонация в концевой части трубы, которая не успевает выйти на стационарный режим [32]. Новые данные по DDT в взвесях 100 нм и 2.5 мкм частиц приведены в [39]. В узких трубах (диаметром 0.4 — 0.5 от минимального для спиновой детонации) наблюдался режим квазистационарного распространения фронта с дефицитом скорости до

40%. В экспериментах по возбуждению неограниченной детонации в облаке алюминия в воздухе [40] средняя скорость детонации составила 1460-1500 м/с, размер детонационной ячейки (в согласии с периодом колебания давления) - около 0.6 м, т.е. больше, чем при спиновой детонации в трубе [34].

Таким образом, большая часть наблюдаемых детонационных процессов трактуется как переходные режимы (ввиду недостаточности размеров установки, ограниченности размера облака, условий инициирования и т.д.). Достоверно установлена детонационная способность взвесей частиц алюминия размером до 10 мкм, а также существование спиновой (ячеистой) детонации, которая, с большой вероятностью, имеет вырожденный характер (сниженная амплитуда пульсаций в сравнении с газовой детонацией). Достоверными данными по скорости самоподдерживающейся детонации можно считать 1560 м/сек для стехиометрических взвесей в кислороде [18] и около 1700 м/сек для взвесей в воздухе [31, 33].

Первые теоретические исследования воспламенения и горения в газовзвесях мелких частиц металла и органического топлива в применении к гетерогенной детонации проводились одновременно в ИТПМ СО РАН [41, 42, 43, 44] и НИИ Механики МГУ [45, 46]. Работы [41, 42, 43, 44] касаются одномерных стационарных и некоторых приближенных нестационарных решений. В [41] выписаны общие уравнения для описания процессов воспламенения, горения и детонации газовзвесей реакционноспособных частиц и для кислородных взвесей решены задачи о горении угольных частиц за ударными волнами и о скорости стационарной детонации взвесей частиц алюминия. В [42] предложена простая модель приведенной кинетики горения взвеси частиц алюминия, и проведен качественный анализ стационарных решений детонации, однако, ограниченный рамками скоростного равновесия. Некоторые решения для стационарных структур ДВ и их распространения получены в [43], в [44] для предельного случая мгновенной реакции решена задача инициирования детонации.

В [45] выполнено описание воспламенения и горения частиц алюминия за ударными и детонационными волнами в газах. В [46] представлена детальная модель детонационного горения взвеси алюминиевой пыли, принимающая во внимание плавление частиц, реакцию низкотемпературного окисления алюминия, а также кинетический механизм образования зародышей конденсированного окисла. Исследование воспламенения взвеси алюминия в детонационной волне гомогенной смеси ацетилена с кислородом позволило получить качественное подтверждение существования двухфронтовых режимов, наблюдаемых экспериментально в [29], однако режимы самоподдерживающейся гетерогенной детонации не исследовались.

В работе, выполненной в ИХФ РАН [31] представлены данные как термодинамических расчетов параметров детонации воздушных и кислородных взвесей частиц алюминия, так и относительно стационарных структур ЗНД воздушных взвесей частиц алюминия. Использовалась модель, развитая*для описания гибридной детонации в смесях горючих газов с добавками частиц алюминия [47]. Обсуждается роль крупных частиц (либо изначально присущих в некотором количестве, либо образующихся в процессе агломерации) на полноту сгорания алюминия и параметры детонации, а также роль формы частиц. Термодинамические значения скорости детонации согласуются с термодинамическими расчетами, проведенными в [25, 26, 27], однако несколько превышают (примерно на 5-10%) скорости детонации, наблюдаемые в экспериментах.

В [32] на основе модели [48] проводились одномерные расчеты сферической детонации в газовзвесях частиц алюминия размером 13 мкм и 3.5 мкм в кислороде. Для 13 мкм подтвержден срыв детонации [31], для 3.5 мкм - выход на самоподдерживающийся режим [32]. Однако расчетные значения температур в зоне реакции в [32] много больше полученных в [31], что связано, по-видимому, с игнорированием в [32] эндотермического разложения оксида алюминия на, субокислы, при температурах, превышающих 3500 К [31].

Подавляющая часть теоретических исследований ограничена рассмотрением одномерных течений. Однако; экспериментальные: данные свидетельствуют, что; распространение: гетерогенной детонации может иметь, характер спиновой или ячеистой детонации; Исследование таких режимов, а также вопросов- распространения- детонации в условиях изменяемой; и комбинированной геометрии требует рассмотрения многомерных нестационарных течений: Подобные исследования по гетерогенной детонации пылевзвесей представлены единичными работами. В [51] проводилось численное моделирование.двумерных течений в канале для бедных взвесей частиц в кислороде (300 г/м3) (за основу была принята полуэмпирическая модель [47]). Результаты- подтвердили, возможность распространения в режиме ячеистой детонации. Размер детонационной ячейки определен 6 см; для частиц 3.5 мкм и переходной режи.м с изменением размера ячейки от Г см до 1.4 см получен для частиц 1 мкм. Зависимость размера ячейки от дисперсности взвеси (размера частиц) не анализировалась.

Практически не изучались проблемы дифракции, волн гетерогенной детонации на угловых конфигурациях, и распространения в условиях изменяющейся; ■ геометрии. Поскольку детонационные структуры; в пылевзвесях характеризуются наличием зон дополнительного тепловыделения и теплопоглощения, связанных с процессами скоростной и тепловой релаксации, то характеристики и критерии распространения гетерогенной? детонации существенно1 отличаются от детонации; в; газах. Первый шаг в этом направлении сделан.в работах А.Г. Кутушева [53, 54], где рассмотрена задача о распространении пылевой детонации в трубах с расширением, хотя параметрический анализ влияния геометрии трубы и размера частиц на критические условия распространения не проводился.

Также открытым является вопрос о роли полидисперсности в детонационных процессах, поскольку реальные порошки всегда характеризуются разбросом в размерах частиц. Первые попытки анализа процессов инициирования и распространения плоских ударных и детонационных волн в полидисперсных взвесях также были сделаны в работах А.Г. Кутушева [55, 56, 57]. Для одних и тех же смесей получены разные значения «среднего» размера частиц для ударно-волновых и-для детонационных процессов, что указывает на значительную роль фракционного состава. Режимы ячеистой детонации в полидисперсных взвесях теоретически не исследовались.

Цели и задачи диссертации.

Основной целью настоящего исследования является получение целостной картины явления гетерогенной детонации в газовзвесях угольной пыли и частиц алюминия на основе теоретического анализа и обобщения результатов численного моделирования одномерных и двумерных нестационарных течений.

При этом основными задачами являются:

1) развитие и совершенствование приведенных физико-математических моделей детонации газовзвесей частиц угольной пыли и частиц алюминия, в том числе на основе анализа процессов воспламенения частиц в динамических условиях и их верификация по известным экспериментальным данным;

2) отработка численных технологий, основанных на применении современных методов численного моделирования: схем класса ТУТ) (включая их модификации соответственно иерархии моделей механики гетерогенных сред), а также параллельных вычислений для расчета многомерных течений реагирующих сред типа газ -частицы;

3) построение теории Зельдовича-Неймана-Дюринга неидеальной детонации газовзвесей с неполным сгоранием частиц, классификация режимов, определение устойчивости, получение новых данных о нестационарных процессах и критериях инициирования плоских волн идеальной и неидеальной детонации газовзвесей частиц угольной пыли и частиц алюминия;

4) определение свойств и характеристик режимов ячеистой гетерогенной детонации взвесей частиц алюминия, установление корреляционных зависимостей размера ячейки от характерных геометрических масштабов детонационных структур, определение роли релаксационных процессов в ячеистой детонаций;

5) определение особенностей дифракции гетерогенной детонации на угловых конфигурациях и распространения в условиях изменяющейся геометрии, выявление в данных процессах отличительных свойств, обусловленных влиянием межфазного взаимодействия, относительно аналогичных процессов газовой детонации;

6) определение свойств течений плоской и ячеистой детонации в полидисперсных взвесях, анализ влияния фракционного состава смеси на характеристики распространения и критерии инициирования.

Содержание работы.

Выводы по ГЛАВЕ 6

На моделях би-дисперсных и много-фракционных взвесей частиц алюминия в кислороде методами численного моделирования и теоретического анализа установлены следующие свойства плоской и ячеистой детонации полидисперсных взвесей:

• Разработана теория ЗНД неидеальной детонации бидисперсных взвесей, включающая предельные переходы к структурам монодисперсных взвесей. Установлены особенности детонационных структур в зависимости от фракционного состава: двойного р -слоя, максимумов давления.

• Установлены характеристические свойства инициирования детонации в би-дисперсных взвесях, в частности возможность «комбинированного» сценария, обладающего свойствами «жесткого» и «мягкого» инициирования в мелкой и крупной фракциях с образованием переходных двухфронтовых структур; определены критериальные зависимости критических чисел Маха поддерживаемых УВ и энергии инициирования сильных взрывных УВ от параметра насыщенности.

• Установлены свойства ячеистой детонации полидисперсных взвесей: размер детонационной ячейки соответствует размеру частиц доминирующей фракции; размер ячейки бидисперсной взвеси монотонно убывает с ростом параметра насыщенности мелкой фракции.

• На основе результатов численного моделирования установлено свойство вырождения ячеистой детонации в полидисперсных взвесях, которое не связано со сценариями формирования ячеистой детонации и проявляется в спрямлении фронта, ослаблении поперечных волн и снижении амплитуды пульсаций в течении. Дано физическое объяснение вырождения ячеистой детонации в экспериментах.

• Установлено, что при значительной дисперсии в распределении частиц по размерам возможно полное вырождение ячеистой детонации: устойчивое распространение фронта плоской детонации без образования поперечных волн. Установлены критерии полного вырождения для ряда би-дисперсных взвесей, получен совпадающий критерий (максимальное значение доли средней фракции 0.4) для трех- и пяти-фракционных взвесей с симметричной функцией распределения частиц по размерам. Дано теоретическое обоснование и подтверждение свойств частичного и полного вырождения ячеистой детонации на основе методов акустического анализа.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Представленные в настоящей диссертации оригинальные результаты в достаточной степени раскрывают картину явления гетерогенной детонации в монодисперсных и полидисперсных газовзвесях с неполным сгоранием частиц (взвесях частиц угольной пыли и взвесях частиц алюминия), включая особенности структуры, распространения, устойчивости и инициирования плоских волн, течения ячеистой детонации, проблемы-дифракции и распространения в- каналах изменяемой геометрии.

В том числе:

• Развита физико-математическая модель гетерогенной детонации газовзвесей угольной пыли, определены характеристики плоских волн детонации и особенности гомогенно-гетерогенного воспламенения взвесей битуминизированного угля в ударно-волновых и детонационных процессах.

• В рамках модифицированной модели детонации газовзвесей частиц алюминия в кислороде проведен систематический анализ влияния релаксационных процессов на типы течений неидеальной детонации, построены карты решений в пространстве параметров релаксации, определена устойчивость этих режимов.

• Определены свойства ячеистой детонации монодисперсных взвесей частиц алюминия в кислороде и степенные зависимости размера ячейки от диаметра частиц с показателем 1.6. Установлено влияние релаксационных процессов на ячеистые структуры.

• В задачах дифракции показано и теоретически обосновано трехкратное относительно газов снижение критического числа ячеек при выходе детонации в открытое пространство, что обусловлено отличиями в механизмах воспламенения.

• Определено влияние полидисперсности смеси на характеристики детонации. Установлено и описано свойство вырождения ячеистой детонации, что позволило дать объяснение наблюдаемым в экспериментах эффектам ослабления пульсаций параметров. Получен критерий полного вырождения ячеистой детонации в устойчиво распространяющуюся плоскую волну детонации.

В целом работа представляет собой комплексное решение ряда фундаментальных научных проблем в современной области знаний-механики реагирующих гетерогенных сред, которые в совокупности могут квалифицироваться как развитие научного направления - гетерогенной, детонации газовзвесей с неполным сгоранием частиц.

Научная новизна.

1. Впервые разработана физико-математическая модель гетерогенной детонации газовзвесей угольной пыли и определены характеристики плоских волн ЗНД. Установлено существенное влияние процесса скоростной релаксации фаз на выделение летучих из поверхностного слоя частиц, что обусловливает аномально быстрое воспламенение взвесей угольных частиц в ударных и детонационных волнах относительно статических условий нагрева, в том числе за отраженными ударными волнами.

2. Впервые в рамках модифицированной модели детонации газовзвесей частиц алюминия в кислороде проведен систематический анализ влияния релаксационных процессов на типы течений неидеальной детонации ЗНД (Чемпена-Жуге, недосжатых, пересжатых), получены критерии существования р-слоев для реагирующих сред, построены карты решений в пространстве параметров релаксации. Установлена устойчивость режимов относительно малых и конечных одномерных возмущений и сопряжения с волнами разрежения.

3. Предложен, тестирован и реализован в численных расчетах одномерных и двумерных нестационарных течений реагирующих газовзвесей конечно-разностный метод, сочетающий схему Т\Т) для газа и Джентри-Мартина-Дэйли для дискретной фазы; обоснована существенно более высокая эффективность метода в сравнении с применяемыми ранее; получены и тестированы модификации схемы ТУТ) для иерархии моделей механики газовзвесей.

4. Впервые методами численного моделирования определены зависимости размера детонационной ячейки, от диаметра частиц газовзвеси алюминия в кислороде и предложена аппроксимация в виде степенной функции с показателем 1.6. Установлено существенное1 влияние протекающих в смеси релаксационных процессов на ячеистые структуры гетерогенной детонации.

5. Теоретически предсказано значительное снижение критического числа ячеек при выходе детонации в открытое пространство по сравнению с газовой, детонацией' и дано физическое обоснование, состоящее в принципиальных отличиях механизмов воспламенения взвесей частиц в ударных и детонационных волнах от индукции воспламенения в газах, обусловленных влиянием процессов тепловой и скоростной релаксации на. воспламенение частиц.

6. Впервые методами- численного моделирования и акустического анализа продемонстрирована, и обоснована возможность вырождения ячеистой детонации в полидисперсных взвесях. Определены характерные свойства частичного вырождения: ослабление амплитуды пульсаций, уменьшение пиковых давлений, спрямление фронта. Установлены критерии полного- вырождения ячеистой детонации в устойчиво распространяющуюся плоскую волну. Дана теоретическая интерпретация наблюдаемому в экспериментах ослаблению пульсаций ячеистой детонации при использовании полидисперсного порошка алюминия.

Основные положения, выносимые на защиту:

Верифицированная по экспериментальным данным физико-математическая модель гетерогенной детонации газовзвесей угольной пыли и результаты исследования механизмов воспламенения и процессов детонации пылевзвесей битуминизированного угля.

Теория неидеальной детонации взвесей частиц алюминия в кислороде, включающая анализ типов течений, карты режимов, критерии-, результаты анализа устойчивости.

Численная технология расчета двумерных течений реагирующих двухфазных сред типа газ-частицы, основанная на применении схемы ТУЕ)-Джентри-Мартина-Дэйли и модификаций схемы ТУБ для иерархии моделей механики гетерогенных сред в сочетании с процедурой распараллеливания.

Результаты численного моделирования и акустического анализа ячеистой детонации в газовзвесях частиц алюминия в кислороде:

- в монодисперсных взвесях позволившие установить влияние всех релаксационных процессов на характеристики ячеистой детонации и степенную зависимость размера ячейки от диаметра частиц с показателем 1.6;

- в полидисперсных взвесях описывающие и обосновывающие свойства частичного или полного вырождения ячеек, критерий полного вырождения, теоретическое объяснение эффекта, наблюдаемого в экспериментах Ф.Занга.

Результаты численного моделирования процессов дифракции гетерогенной детонации в газовзвеси частиц алюминия на обратном уступе, описание и карта режимов, критические условия распространения, обоснование многократного снижения критического числа ячеек в сравнении с газовой детонацией.