Структура детонационных волн в гетерогенных системах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.17 ВАК РФ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ^ СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ

¿»ИНСТИТУТ ГИДРОДИНАМИКИ им. М.А.ЛАВРЕНТЬЕВА

■е-

<г Сч»

на правах рукописи УДК 534.222.2 + 536.46 4 532.529 + 536.468 + 624.138.9 < 662.215.1+ 538.4 + 53.082.7

ПИНАЕВ Александр Владимирович

СТРУКТУРА ДЕТОНАЦИОННЫХ ВОЛН В ГЕТЕРОГЕННЫХ СИСТЕМАХ

(01.04.17 - химическая физика, в том числе физика горения и взрыва)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Новосибирск - 1997

Работа выполнена в Институте гидродинамики им. М.А.Лаврентьева Сибирского Отделения Российской Академии наук.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Б.Н.Кондриков;

доктор физико-математических наук, профессор М.Е.Топчиян;

доктор физико-математических наук В. М. Бойко

Ведущая организация: Институт химической физики РАН ( Москва)

Защита состоится 1997г. в (0_ час на заседании

диссертационного совета Д 002.55.01 при Институте гидродинамики им.

М.А.Лаврентьева СО РАН по адресу: 630090, Новосибирск, проспект академика Лаврентьева, 15.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИГиЛ СО РАН

Автореферат разослан "У/" 1997г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук И.В.Яковлев

'К

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ. Гетерогенные горючие среды находят широкое применение в топливно-энергетических установках (двигателях, топочных устройствах, котельных), химическом производстве. В процессе эксплуатации и транспортировки жидких и дисперсных горючих материалов нередко наблюдаются случаи их возгорания и катастрофических взрывов. В связи с этим изучение режимов горения и детонации гетерогенных сред актуально для оптимизации работы энергетических установок и в целях обеспечения пожаро- и взрывобезопас-ности.

Наиболее часто встречающиеся газожидкостные системы - газокапельные, газопленочные (слой жидкости на стенках канала, окислитель в объеме), пенообразные, пузырьковые. О существовании детонации в первых трех системах известно с начала 50-х годов, сведения о возможности детонации в химически активных пузырьковых средах появились лишь в 80-х годах; процессы горения и детонации в гетерогенных средах гораздо менее изучены по сравнению с газовыми. Для детального понимания явлений в детонационных волнах существует необходимость и в исследованиях по динамике, разрушению и воспламенению отдельных частиц, капель, пленок жидкостей, пузырьков газа.

Практическая необходимость изучения газопленочной детонации вызвана обеспечением взрывобезопасности трубопроводов и магистралей, на стенках которых образуется слой горючего. Пузырьковые среды широко используются в химической, нефтеперерабатывающей, металлургической и других отраслях промышленности для ведения технологических процессов (например, жидкофазного окисления углеводородов), либо как элемент системы обеспечения взрывобезопасности (жидкостные предохранительные затворы). Поэтому изучение пузырьковой детонации актуально в связи с необходимостью установления научных принципов техники взрывобезопасности для выбора режимов технологических процессов, а также расчета и эксплуатации жидкостных предохранительных затворов. В настоящее время существует потребность в экспериментальных работах по выяснению структуры, свойств и механизма детонации низкоплотных гетерогенных систем и поведения жидкой фазы в потоке газа. Точное теоретическое решение таких задач представляется бесперспективным в обозри-

мом будущем, поскольку для описания обтекания даже одиночной частицы или пленки жидкости сверхзвуковым потоком газа за проходяще! ударной волной необходимо решать задачу со свободной неустойчиво! границей, турбулентным характером тепломассобмена, деформацией V разрушением первичных элементов на более мелкие, химическим» реакциями и т. д.

В природе и практике широко распространены пористые среды. Исследование волн горения и детонации газовых и гетерогенных систем в пористых средах актуально в связи с возможностью непредсказуемого возникновения или, наоборот, управления тепловыми волнами при добыче нефти и газа, в средствах пожаро-взрывозащить (огнепреградителях ), разработке новых типов топочных устройств, г также при термической обработке материалов: сушке, обжиге шп спекании с целью придания им полезных свойств, утилизации промышленных отходов, получении новых изделий и материалов. В существующих экспериментах с газовыми смесями в пористой среде отсутствовал комплексный подход, опыты проводили в узком диапазоне параметров системы, не было сведений о возможности, структуре и свойствах газопленочной детонации и детонации низкоплотных ВВ в ваку-умированной пористой среде.

Такие гетерогенные системы, как пузырьковые и пористые - зтс интересный для физики тип систем с ярко выраженной дисперсие! звука, что позволяет надеяться на существование в них необычны? режимов детонации и горения со своими особенными свойствами.

Из опытных данных следует, что в зоне реакции при гетерогенной детонации течение неодномерное, существует неравновесность пс физическому, химическому либо термодинамическому признаку, сгорание неполное, велика роль тепловых и гидродинамических потерь, скорость детонации может быть существенно (в 1,5 - 4 раза) ниже, чем скорость идеальной детонации Чепмена-Жуге. Поэтому возникав1] необходимость в построении физических и теоретических моделей ( иными, чем в идеальной модели ЗНД (Зельдовича, Неймана, Деринга механизмами воспламенения и распространения зоны реакции и правилами отбора скорости детонации - исследование "неидеальных" режимов гетерогенной детонации является актуальным с научной точга зрения.

Для гомогенных газовых смесей надежно установлено фундаментальное значение микроэлемента детонационной волны - ее детонаци-

энной ячейки. Базовая роль основного масштаба структуры детонаци-энного фронта в газах (размера ячейки) позволяет объединить и эассмотреть с единых позиций большую совокупность околокритичес-■отх ситуаций при инициировании детонации или переходе горения в детонацию. Однако, в большинстве режимов гетерогенной детонации шзкоплотных ВВ и при низкоскоростной детонации газовых смесей в зтесненном пространстве, узких капиллярах, пористых средах многофронтовая детонация не наблюдается (детонационные ячейки отсут-зтвуют ), хотя детонация существует в широком диапазоне парамет-эов. В этом случае необходим поиск иных критериев для оценки пре-1елов горения и детонации.

При анализе экспериментальных данных разных авторов иногда фиходится сталкиваться с их несоответствием, - так различаются результаты измерений электропроводности, массовой скорости, дав-тения в продуктах детонации. Причина этого кроется в несовершеннее измерительных методик и требуются качественно новые подходы 1ля достижения успеха.

тема диссертации связана с планами научно-исследовательских забот Института гидродинамики СО РАН, Государственными программа-га, координационными планами Академии наук.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ состояла в проведении комплексного эксперимен-■ального изучения волн горения и детонации в различных гетероген-шх системах для выяснения всех возможных режимов сгорания, структуры зоны реакции, механизмов распространения и области су-1ествования, построении физических и теоретических моделей явле-шй, усовершенствовании и разработке необходимых эксперименталь-шх методик.

основные задачи исследования: - улучшение и создание новых экспериментальных методик измерения ¡авления, электропроводности и массовой скорости;

■ исследование структуры и свойств газокапельной и газопленочной в частности, спиновой) детонации;

■ обнаружение и изучение режимов пузырьковой детонации, исследо-ание ее свойств, структуры и влияния физико-химических факторов .омпонентов среды;

комплексное изучение режимов горения и детонации газов в инерт-ых пористых средах, создание классификации всех возможных режи-:ов распространения зоны реакции в пористой среде;

- обнаружение и исследование гетерогенной детонации в пористой среде (слой жидких или твердых горючих на частицах среды - газообразный окислитель в объеме пор) и низкоскоростной детонации низкоплотных ВВ в вакуумированной пористой среде;

- построение физических и теоретических моделей гетерогенной детонации, выяснение механизмов детонационного горения.

научная новизна:

1. Предложены впервые оригинальная схема электрических измерений, устраняющая релаксационные процессы и обеспечивающая постоянство чувствительности пьезокерамики, и новый электромагнитный контактный метод измерения профилей массовой скорости и электропроводности, изменяющихся вдоль течения.

2. Во фронте газовой и гетерогенной детонации обнаружена область объемного заряда, возникающая в результате амбиполярной диффузии электронов и ионов на границе плазмы.

3. Впервые в системах газ-пленка обнаружены и исследованы спиновые режимы детонации с изломом и плавным искривлением переднего фронта. Построена акустическая модель спиновой газопленочной детонации для неоднородного по длине основного потока и показано, что частота "головы" спина зависит в основном от граничных условий на переднем фронте.

Установлено, что вблизи предела газопленочной детонации (700-800 О < II00-I300 м/с ) зона реакции распространяется по конвективному турбулентному механизму.

4. Показано, что в зоне реакции газокапельной детонации может не догорать до 50-75 % горючего, обнаружено, что вследствие неполноты сгорания капель после отражения падающей детонационной волны от торца трубы возникает вторичная детонация; показано, чтс задержка воспламенения капель не описывается аррениусовской зависимостью, построена физическая модель воспламенения капли горючего в проходящей ударной волне с учетом физической и химическое кинетик.

5. Впервые 6 пузиръкобш средах типа инертная жидкость -взрывчатый газ и горючая жидкость - газообразный окислитель получен и исследован сверхзвуковой самоподдерживающийся детонационны! процесс, в частности:

установлено принципиальное отличие волны пузырьковой детонации от уединенной волны коноидальной формы в химически инертны}

пузырьковых средах, показано, что параметры детонации определяются физико-химическими свойствами среды и не зависят от условий инициирования;

показано, что скорость пузырьковой детонации гораздо слабее, зем в газах,зависит от состава газовой смеси;

установлено, что концентрационные пределы пузырьковой детонации (по составу и объемному содержанию газа в смеси) сужаются с уменьшением вязкости жидкости, скорость пузырьковой детонации /бывает с уменьшением вязкости жидкости и для каждой системы су-дествует минимальная критическая вязкость, при которой детонация этсутствует.

6. Впервые установлено, что влияние вязкости жидкости на тараметры, пределы пузырьковой детонации и критические условия инициирования связано с зависимостью от нее степени межфазного тепломассообмена при сжатии-расширении пузырьков.

7. Впервые выполнено комплексное исследование волн детонации л горения газовых смесей в инертных пористых средах, в частности:

- впервые обнаружен стационарный режим «быстрого» горения с плавной пикообразной формой давления и дозвуковой (относительно газа ) зкоростью распространения;

- впервые показано, что в смеси фиксированного состава с повышением начального давления могут осуществляться плавные либо скачкообразные переходы с режимов горения на детонационные;

- впервые представлена полная классификация всех возможных процессов горения и детонации газов в пористых средах.

8. Показано, что при низкоскоростных режимах газовой детона-дии в пористой среде имеет место конвективный струйный механизм инициирования, обеспечивающий малую (в несколько мкс ) задержку воспламенения; тепловая (кондуктивная) модель предела позволяет уценивать значения критических параметров (начальное давление, эазмер каналов) по критерию Пекле Ре* =65 ± 45.

9. Установлена возможность распространения пламени в природном глинистом грунте в режиме фильтрационного горения топливо-юз душной смеси, показано, что в результате воздействия волны прения грунт теряет просадочные свойства и упрочняется на 1-2 торядка.

10. Впервые обнаружены и исследованы режимы газопленочной гетерогенной детонации в инертной пористой среде. Определена об-

ласть существования детонации от начального давления окислителя и концентрации горючего;

для мелкодисперсных сред впервые наряду с детонационным (D = 400-5-1200 м/с ) обнаружен режим дозвукового «быстрого» горения (D = 80-^300 м/с );

показано, что при низкоскоростной газопленочной детонации имеет место конвективный механизм распространения детонации, когда перенос пламени в поры осуществляется струями горячих продуктов, средняя массовая скорость которых совпадает со скоростьк детонационного фронта.

II. Впервые в вакуумированной инертной пористой среде реализована и исследована низкоскоростная стационарная детонация низкоплотных ВВ и показано, что механизм распространения детонации -чисто струйный безударный, критическая среднеобъемная плотност! ВВ составляет несколько мг/см3;

практическая ценность РАбОТЫ. Созданы научные основы и физические модели для описания динамики и механизмов протеканш взрывных процессов в различных гетерогенных системах. Данные экспериментов и критерии по пределам горения и детонации газов i гетерогенных систем в каналах и пористых средах позволяют оценивать условия безопасной эксплуатации различных технологически: устройств. Полученные результаты полезны для оценки последствий аварийных взрывов в газовых и гетерогенных системах. Совокупност] экспериментальных данных по газовой и гетерогенной детонации ] пористых средах и по пузырьковой детонации позволяет совершенствовать устройство огнепреградителей и предохранительных затво ров. Исследование пузырьковой детонации позволило рекомендоват: использовать для обеспечения безопасной эксплуатации газожидкост ных систем жидкости с малой вязкостью. Режим фильтрационного го рения гопливовоздушных смесей может быть использован для терми ческого упрочнения природного грунта при строительстве фундамен тов и изготовлении различных изделий. Экспериментальные методик измерения давления, профилей массовой скорости и электропровод ности, предложенные в работе, применены для точных измерений па раметров детонации. Экспериментальные профили электропроводност продуктов детонации служат источником информации о кинетике про текания химических реакций и характере ионизационных процессов зоне реакции.

достоверность полученных результатов обоснована комплексным использованием различных экспериментальных методов, подробным теоретическим анализом методических ошибок, сопоставлением результатов, полученных с помощью различных методик, теории и эксперимента, а также сравнением с результатами опытов, выполненными другими авторами.

на защиту выносятся:

- экспериментальные методики и результаты измерений давления, электропроводности и массовой скорости в газовых и гетерогенных средах;

- экспериментальные результаты исследования газопленочной детонации в трубах, каналах и капиллярах, структура спиновых режимов детонации в системе газ-пленка;

- акустическая модель спиновой газопленочной детонации;

- результаты экспериментального исследования газокапельной детонации и воспламенения одиночных капель горючих в проходящих ударных волнах, физическая модель воспламенения капель, результаты численного моделирования стационарной газокапельной детонации;

- результаты экспериментального исследования детонации в системах инертная жидкость-пузырьки взрывчатого газа и горючая жидкость-пузырьки окислителя;

- физическая модель, описывающая влияние вязкости жидкой фазы на параметры и пределы пузырьковой детонации;

- результаты экспериментального исследования' режимов горения и детонации газов в инертных пористых средах;

- дозвуковой режим «быстрого» горения газов в инертной пористой среде;

- результаты по пределам и критерий существования волн горения и детонации газов в пористой среде;

- результаты по фильтрационному горению топливовоздушных смесей в природном грунте;

- результаты экспериментов по структуре , свойствам и механизму гетерогенной детонации в инертной пористой среде;

- экспериментальные результаты по структуре и механизму детонации ВВ в вакуумированной пористой среде.

апробация работы и публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 45 работах и докладывались : на открытых сессиях Ученого совета Института гидродинамики в

I982-1985, 1987, 1988, 1993, 1994 г.г.;

Объединенном семинаре отделов гидродинамики взрыва, быстропроте-кающих процессов, взрывных процессов в конденсированных средах Института гидродинамики СО АН СССР в 1983г.;

Квалификационном семинаре по механике взрывных процессов Института гидродинамики СО РАН в 1996 г.;

vil, VIII, х Всесоюзных симпозиумах по горению и взрыву (Черноголовка, 1983, Ташкент, 1986, Черноголовка, 1992); I Всесоюзном симпозиуме по макроскопической кинетике и химической газодинамике (Алма-Ата, 1984);

III Всесоюзном совещании по детонации (Таллин, 1985 );

I Всесоюзной школе-семинаре по физике взрыва и применению взрыва в эксперименте (Новосибирск, 1977);

IV Всесоюзной школе-семинаре по моделям механики сплошной среды (Красноярский край, 1977);

III Всесоюзной школе-семинаре по механике многофазных сред (Хум-сан, 1982);

Всесоюзном совещании-семинаре "Современные проблемы механики жидкости и газа" (Грозный, 1986);

Всесоюзном семинаре "фундаментальные проблемы физики ударных волн" (Азау, 1987);

Всесоюзной школе-семинаре по взрывным явлениям (Алушта, 1991); Всесоюзном симпозиуме "Газодинамика взрывных и ударных волн, детонационного и сверхзвукового горения" (Алма-Ата, 1991); Vi, Ix, х Международных коллоквиумах по динамике взрыва и реагирующих систем (Стокгольм, 1977, Пуатье, 1983, Беркли, 1985);

IV Международном семинаре по структуре пламен (Новосибирск,1992 ); Международной конференции по горению, посвященной 80-летию Я.Б.Зельдовича (Москва, 1994);

IV Международной конференции "Лаврентьевские чтения по математике, механике и физике" (Казань, 1995);

Личное участие автора. Большинство экспериментальных результатов получены автором либо самостоятельно, либо под его руководством и личном участии (в работах с соавторами). Все методические постановки опытов, теоретический анализ предложенных новых экспериментальных методик, построение физических, а также теоретических моделей по газокапельной, газопленочной детонации и соответствующие численные расчеты выполнены автором самостоятельно.

структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, трех разделов, девяти глав (по три главы в каждом разделе), основных выводов и заключения. Списки обозначений, литературы и выводы приведены в каждом разделе отдельно, ссылки литературы в разделах практически не повторяются. Общий объем диссертации составляет 407 страниц, в том числе 109 рисунков, 26 таблиц и библиографических ссылок 445 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАбОГЫ.

во введении дано обоснование актуальности темы диссертации, отмечены главные задачи и цели исследования, приведено краткое содержание диссертации, сформулированы основные положения и наиболее важные научные результаты, выносимые на защиту.

ПЕРВЫЙ РАЗДЕЛ посвящен знакомству с основными экспериментальными методами исследования детонации газовых и гетерогенных систем.

в главе (1.1) содержится обзор известных экспериментальных методик (зондовых, оптических, рентгеновских) для измерения скорости волн и параметров в зоне реакции (массовой скорости, давления, температуры, электропроводности, плотности...), размера детонационных ячеек и структуры неоднородностей. Описаны способы создания ударных волн и инициирования волн детонации и горения в газовых и гетерогеннных системах.

в главе (1.2) приведен обзор методов измерений статических и динамических давлений в жидкой и газообразной среде, описаны различные конструкции пьезодатчиков и используемые пьезоэлементы, а также способы динамической и статической тарировки и аппаратура для измерений. Исследованы пьезосвойства природных и искусственных турмалинов, пьезокерамик. Обнаружено, что в общепринятой схеме измерений с конденсатором, включенным параллельно пьезодатчи-ку, из-за перетекания тока на конденсатор в пьезокерамике (в отличие от монокристаллических пьезоэлектриков (рис.1,а, /)) наблюдаются сильная нелинейность с давлением (рис.1,а, 2) и релаксационные процессы. Использование новой схемы измерений с дополнительным разделительным конденсатором малой емкости (рис.1,6) позволило исключить влияние паразитных токовых процессов, обеспечить постоянство чувствительности пьезокерамики (рис.1,а, 3), ус-

2!0

130

50

- /

' Уу I?2 -

1 1

100 ум

то

200

300 Д/?,МПа

а

Рис. I.

транить релаксационные процессы; при соблюдении условия С^« СД^С2 сигнал с датчика на выходе схемы пропорционально уменьшается в 1 = С2/С1 раз. Путем сопоставления результатов испытаний выбранг наилучшая схема динамической тарировки с полиэтиленовым поршнеь над поверхностью водяного столба и показана эквивалентность динамического и статического способов тарировки. Выбранная конструкция пьезодатчиков и способ их крепления позволяют исключить влияние паразитных акустических колебаний стенок трубы и производил высококачественные записи профилей давления ударных (и детонационных ) волн в жидкостях (рис.1,в, /) и газах (рис.1,в, 2).

В главе (1.3) анализируются недостатки и достоинства зондо-вых методов измерений электропроводности и массовой скорости, показано, что в случае зависимости параметров от координаты вдол! течения большинство методик не обеспечивают приемлемой точност! измерений. Предложена и теоретически проанализирована оригинальная схема измерений в коаксиальной геометрии с радиальным электрическим и вихревым магнитным полями, обеспечивающая высокое пространственное и временное разрешение (Пинаев А.В.,1983). Показано, что при наличии только постоянного во времени электрического напряжения II между обкладками цилиндрического конденсатора -

электродами электропроводность

а = (21СЯ/Г1 -1п(/?0/г0 )-а 1/йг

(где В- скорость детонационного фронта, i?0 и г0 - радиусы трубы и центрального электрода, сН/М - производная тока протекающего лежду двумя частями трубы по электрическому проводнику); при на-гачии только постоянного магнитного поля скорость среды

V = (|!0лу1 Г1 -аг/т,

тространственное разрешение метода определяется толщиной изолиру-мцей прокладки (0,1 мм) между двумя частями трубы. Разрешение во' зремени составляет 0,2 мкс, погрешности измерения а и и не выше 5-5-10%. Здесь

сИЛИ = £д(ид-ид0),

гд - калибровочный коэффициент магнитного датчика, ид, идд - сигналы, фиксируемые датчиком при наличии электрического или магнитного полей и в их отсутствие.

Существование ид0 - "нулевого" сигнала связано с наличием 3о фронте детонации объемного заряда (вследствие различия подвиж-юстей электронов и ионов ).

Выполнены соответствующие измерения (У, V в продуктах детона-щи газовых смесей и в газовзвесях алюминия, сделано заключение о :арактере равновесности и природе ионизации в зоне реакции. В 'азовых и гетерогенных системах обнаружен объемный заряд на пе-)едней границе детонационного фронта, возникающий за счет разде-гения зарядов во фронте при диффузии электронов и ионов.

ВТОРОЙ РАЗДЕЛ содержит результаты исследований структуры (етонационных волн в газожидкостных средах (газ-пленка, газ-капли, [узырьковые ).

Глава (2.1) посвящена изучению структуры и режимов газопле-гочной детонации в трубах круглого сечения, капиллярах и каналах :вадратного сечения. На маловязких горючих (керосин, дизельное опливо, декан...) с небольшим содержанием паров (1-2 мм. рт. :т. ) в трубах диаметром 50-70 мм обнаружены, наряду с обычными [етонационными режимами с плоским фронтом, также режимы спиновой [етонации с изломом переднего фронта и вращающейся поперечной юлной, плавно переходящей в спиральный шлейф. По мере удаления 1Т ударного фронта поперечная волна из ударной превращается в

акустически-ударную (стационарное образование из ударной волны на гребне плавной акустической волны). В газопленочных системах с еще меньшим содержанием паров наблюдается спиновая детонация с плавным искривлением переднего фронта и поперечной волной акустического типа. Измерения длины зоны реакции в детонационной волне дают значения 5-^8 диаметров трубы. Для спиновых режимов детонации приведены измерения поля давлений с привязкой к пространственной структуре спина.

Построена акустическая модель спиновой газопленочной детонации с неоднородными вдоль координаты течения z параметрами основного потока. Показано, что из системы уравнений сохранения потоков массы, импульса и энергии, описывающих течение за детонационным фронтом, для слабых гармонических возмущений (ы - частота ) в системе координат, движущейся со скоростью 7 относительно фронта, можно получить уравнение вида

(I) -<о2ф = с2 Дф - (v - V)2d2(p/dzz - 2la(v - 7Ю(р/dz,

(где ф - потенциал возмущенного течения, С - скорость звука ), с граничными условиями на стенке трубы (г = RQ ):

Зф/Sr = О

и на переднем фронте с формой z = F(r,Q,t):

Зф/Эг = g-dF/dr, Зф/Эе = g-dF/dQ, dq>/dz = f-dF/dt,

(где 9 - угол вдоль окружности, t - время, g и / - константы, зависящие от состояния за передним скачком).

Решение уравнения (I) ищется в виде ф = R(r )z (z )8(9 )ехр( iut ) с разделяющимися переменными, определены решения R(r), 9(6), Z(Z). В частности, для z(z) в системе фронта получается уравнение второго порядка с регулярной особой точкой ZQJ (когда М = I ):

(2) (X - m2)z"/z - 2iumc_1z'/z + (u2/c2 - A,2j) = о, где

М = и/с - число Маха, A,n = I,84/i?0 - решение уравнения Бесселя для R(г) в случае одноголовой спиновой детонации (одна особенность вдоль радиуса и одна вдоль окружности трубы).

Результаты расчетов формы поперечной волны и шлейфа для реально существующих профилей V(z), C(z) приведены на рис.2,а,а'

Т=10'5с

/ 3

и

—Л1

л,.».

Рис. 2.

(сплошные линии), здесь же штриховкой обозначена область, внутри которой расположены разнообразные экспериментальные структуры спиновой газопленочной детонации, полученные в трубах диаметром 27+70 мм. Из расчетов следует, что спиральная форма поперечной волны и шлейфа образуется за счет изменения параметров потока вдоль течения и небольшого различия частоты вращения "головы" спина ис и собственной частоты поперзчных колебаний цилиндрического столба газа с параметрами состояния в плоскости Чепмена-)Куге, частота спина зависит з основном от граничных условий на переднем фронте и может быть определена из выражения

? „2 ? ? _0 '5 С0С - \11с1(( 1 + у^/^Г- г с

которое с точностью, лучшей 1%, совпадает с расчетными значениями Ч, из (2 ).

Два типа экспериментальных спиновых структур с поперечной волной ударного . (уд) и акустического (ак) типов, а также траектории пьезодатчиков (1+6) и соответствующие им профили давления р(1) для поперечной волны ударного типа приведены на рис. 2, б,в. Получено хорошее совпадение расчетных параметров (формы попереч-

ной волны, частоты спина ) с наблюдаемыми.

При газопленочной детонации в узких каналах (1-6 мм) и капиллярах установлена сложная многомерная зависимость параметров детонации от диаметра канала, давления окислителя, толщины пленки и вязкости горючего. Обнаружено двукратное уменьшение скорости детонации вблизи критического давления и принципиальное отличие механизмов детонационного горения вдали и вблизи от предела.

В главе (2.2) приведены результаты экспериментального изучения детонации капель керосина с кислородом в трубе диаметром 70 мм. Установлено недогорание горючего в зоне реакции и существование вторичной детонации при отражении падающей детонационной волны от торца трубы, измерены длины зоны реакции в волне детонации (50-S-70 диаметров капель ).

Изложены результаты опытов по воспламенению одиночных капель углеводородных горючих (декана, керосина, цетана) в проходящих ударных волнах с числами Маха MQ = 3-^5, зарегистрированы случаи "мягкого" и взрывного воспламенения капель в зависимости от интенсивности волны. Построена физическая модель воспламенения капель с учетом влияния физической и химической кинетик и показано, что кривая для задержки воспламенения от температуры (или от MQ) за ударной волной не описывается общепринятой аррениусовской зависимостью и имеет излом.

В заключительной части главы приведены результаты численного моделирования газокапельной детонации с учетом недогорания и распадов капель на части в предположении выравнивания скоростей жидкой и газовой фазы в конце зоны реакции, получено хорошее совпадение результатов расчетов с опытами.

Глава (2.3) содержит результаты исследований нового процесса

- пузыръкобой детонации. Самоподдерживающиеся стационарные режимы обнаружены в системах I типа: инертная жидкость - пузырьки взрывчатого газа и II типа: горючая жидкость - пузырьки окислителя. Типичная фоторазвертка волны пузырьковой детонации (теневая картина ) в системе I приведена на рис.3,а; профили давления (р), свечения (I), и кривые сжатия пузырька (d/dQ ) для систем I и II

- на рис.3,6,в соответственно. Волна пузырьковой детонации имеет длительность 50-70 мкс, осциллирующий профиль давления с амплитудой пульсаций до 300-400 атм и усредненную форму давления, близкую к коноидальной. В системах I свечение короткое - его длитель-

I &

, /О мкс,

200 от || У

100 Л

Л,

1 X

Р V1 Фу г \ 1 * А \

д / 4

0.5

Рис. 3.

50 /00 /50 икс

ность 2-3' мкс и наблюдается в момент, близкий к максимальному сжатию пузырька, в системах II с большой вязкостью жидкости наряду с однократным возможно двухстадийное горение при первом и втором сжатии пузырька (см. рис.3,в - пунктир). Скорость детонации I) убывает с увеличением объемной концентрации газа ро, процесс существенно сверхзвуковой по отношению к равновесной низкочастотной скорости звука

С0 = [7р0/ржр0(1-р0 )]0"5 (где 7, р0- показатель

адиабаты и начальное давление газа, р„, - плотность жидкости) -число Маха м = Б/с0 достигает 10-13.

Показано, что параметры пузырьковой детонации (в отличие от уединенной волны в инертной пузырьковой среде) зависят лишь от начального состояния системы, но не зависят от способа и условий инициирования; скорость волны детонации благодаря тепловыделению превышает скорость уединенной волны в аналогичных условиях в инертной среде.

Исследовано влияние физико-химических свойств газовой и жидкой компонентов системы и обнаружено определяющее влияние вязкости жидкости и, на величину скорости пузырьковой детонации, крити-

Ж

ческие условия инициирования, пределы детонации по Р0 и составу газовой фазы. Пример зависимости при различных Р0 для пу-

д

м/с

то

юов

¿но

600

цо

т - - — А Т

fct.ni |

У4 т -

V 'У1

1

Т)

10

го

¿/их

о * .ЙдДиАшЙЙИ

ж

20 ми .

Я

Рис. 4. Рис. 5.

зырьков с2н2+2,5 02 в водно-глицериновых растворах приведен на рис.4.

Выполненные теневые съемки процесса сжатия пузырьков в поле давления детонационной волны свидетельствуют о том, что с уменьшением вязкости теплопотери возрастают из-за дестабилизации поверхности пузырька и впрыска внутрь него кумулятивной струйки жидкости (см. рис. 5, где детонация распространяется в системе I,

Р0 = )•

Энерговыделение в волне пузырьковой детонации - точечное (в пузырьках), детонация распространяется по механизму микровзрывов, классический ударный фронт отсутствует.

раздел iii посвящен изучению газовой и гетерогенной детонации в инертных пористых средах для широкого диапазона размеров частиц 3 = (1*104 ) мкм,. начальных давлений газа в порах (0,1^102) атм и различных составов горючих.

В главе (3.1 ) проведено всестороннее исследование режимов горения и детонации газов в пористых средах. Показано, что в активных газовых смесях (стехиометрические смеси ацетилена и водорода с кислородом) существуют только детонационные стационарные режимы со скоростью, непрерывно уменьшающейся с понижением р0 от скорости детонации Чепмена-Жуге DCJ до предельной скорости В* »

Рис. 6. Осциллограммы давления и свечения в волне «быстрого» горения (а ) и (б )- экспериментальные зависимости о (ро ) (2-7 ) и скорости звука Соп(ро) при V = 0,5-3 кГц (I) в пористой среде, б = 2.6-К3.6 мм (1-6); 0,7-^1,2 мм (7). а, % = 15^-20 (I), 20 (2), 18 (3), 17 (4), 15 (5), 10 (6); р, % = 7 (7).

500-600 м/с. По мере уменьшения В происходит постепенное изменение структуры детонации и механизмов ее воспламенения. Вблизи предела детонация распространяется по турбулентному конвективному механизму. Каких-либо режимов со скоростью д < В в активных газовых смесях не существует.

В менее активных водородно-кислородных и ацетилено-воздушных газовых смесях обнаружен новый режим «быстрого» горения с дозвуковой (относительно газа ) скоростью и плавным пикообразным профилем давления (рис.6,а, где б = 2,6-КЗ,6 мм, смесь 0,18 н2+0,82 о2, р0 = 1,5 атм, В = 130 м/с, у = 3,1 атм/дел, х = 0,5 мс/дел).

Показана возможность существования всех стационарных режимов горения и детонации на некоторых смесях фиксированного состава в определенном диапазоне начальных давлений. На рис.6,б в качестве примера приведены зависимости стационарных значений £>(р0 ) для смесей ан2+ (1-а)о2 и рс2н2 + (1-(3 )воздух в стальных шариках и кварцевом песке сооответственно. Здесь кривая б - ламинарный режим горения с убывающей от р0 скоростью (О » 10 м/с ), кривые

3-5, 7 - режимы турбулентного (В < 10 м/с) и «быстрого» околозвукового (10-20 < В < соп) горения с возрастающей, как и детонационные режимы 2, 3 (Всз > В > соп), величиной Жр0 )• Переходы с одних режимов на другие с ростом р0 в зависимости от состава газа и величины б бывают либо плавные, либо скачкообразные.

Установлены пределы существования волн горения и детонации и для оценки критических параметров (р0 или с2п) показана применимость критерия Пекле в виде

Ре* = (ин0йпае0).(р0/р00)1+8 = 65 ± 45,

где ин0, ае0 - нормальная скорость пламени, м/с и температуропроводность, м2/с при нормальных условиях, Йп « 5/2,78 - максимальный размер пор, м, р0 - давление, МПа, р00 = 0,1 МПа, g С 0,1 -коэффициент, зависящий от вида смеси.

В спекаемой среде - природном глинистом грунте на топливо-воздушных смесях получен и исследован режим фильтрационного горения газов со скоростью мм/с. Показано, что грунт после прохождения волны горения упрочняется на 1-2 порядка и из него происходит полное удаление водно-растворимых компонентов (в результате чего теряются просадочные свойства ).

На основании полученных результатов исследований предложена классификация всех возможных режимов горения (фильтрационного, ламинарного, турбулентного, «быстрого» околозвукового) и детонации газов в пористых средах с указанными выше диапазонами скоростей волн.

в главе (3.2) описаны структура и свойства гетерогенной стационарной детонации в инертной пористой среде (жидкий или твердый слой углеводородных горючих на частицах среды - газообразный окислитель в объеме пор) в зависимости от состава горючего и окислителя, определены пределы и область существования детонации.

Показана возможность распространения низкоскоростной детонации (С = 700-850 м/с ) в образцах кернов песчаников с пористостью 15-25%, размером пор около I мкм, пропитанных нефтью и заполненных кислородом при р0 > 70 атм, и режима высокоскоростного конвективного горения В = 100-^400 м/с при 20-30 < р0 <70 атм.

Более подробное исследование детонационных режимов проведено во фракциях пористых сред с б от 40-80 мкм до 12 мм. Скорость

а

и •

■1,0 DO

6,8 ••• X •

о,е ■ "о .

с,г • хп

0 оа 0а

-о,г

x/s

X

о

о

1,11 0,1 'Л 0.S 1 2 Spuria

Рис. 7.

гетерогенной детонации на пределе составляла 400-500 м/с, максимальная скорость процесса достигала 1000-1200 м/с. В узкой зоне начальных параметров в мелкодисперсных пористых средах (S = 40+80 мкм) при высокой концентрации горючих реализуется дозвуковой (D = 80-300 м/с) режим горения (см. рис.7,а, где б = 12; 5; 2,5; 0,250,6; 0,12-0,25; 0,04-0,08 мм для (1-6) соответственно, система С1бН34-02Выяснено< что режимов горения в насыпных пористых средах с пористостью 15 < ф < 45% с еще более низкими скоростями не существует. Измерение конечного, после реакции, давления в системе позволяет сделать вывод, что одновременно с изменением р0 и концентрации горючего меняются суммарное уравнение химической реакции и полнота сгорания исходной гетерогенной смеси. Разбавление кислорода азотом резко сужает область существования детонации вплоть до ее полного исчезновения при использовании в качестве окислителя воздуха.

Значения максимальных перепадов давления во фронте детонации достигают Ар = 30-40, вблизи нижнего предела детонации можно выделить слабый ударный предвестник и пологую волну сжатия с Ар = 10-15. За фронтом детонации регистрируются протяженные отраженные от частиц пористой среды волны сжатия, значительная часть продуктов реакции движется с массовой скоростью, совпадающей со ско-

о

п а

к

□

□

ростью детонационного фронта (рис. 7,6, где u = и/В - относительная массовая скорость продуктов детонации в лабораторной системе координат, X - координата от фронта, б = 12 мм, р0 = 0,2 атм, система с16н34_02 )• Такие струи наряду с передней ударной и отраженными волнами осуществляют воспламенение смеси в отдельных порах, т.е. механизм распространения детонации является струйным конвективным, существенно отличаясь, как и в большинстве других рассмотренных выше случаев, от идеального ударно-волнового механизма в модели ЗНД.

Глава (3.3) содержит результаты исследований структуры и механизма низкоскоростной стационарной детонации ВВ в вакуумиро-ванной пористой среде. Обнаружена возможность распространения детонации без ударного фронта при низкой среднеобъемной плотности рвв > 5 мг/см3. Типичные профили давления и свечения при «вакуумной» детонации порошкового гексогена, равномерным слоем покрывающего металлические шарики диаметром б = 2,5 мм, приведены на рис.8,а, экспериментальные зависимости скорости детонации и давления в волне детонации от Pgg в вакуумированных пористых средах - на рис. 8,6 (где 1 и 2 - гексоген, 3 - тротил, б = 5 мм (/ ), 2,5 мм (2, 3)).

10 Z0 30 40 finrfai

р = 5 мг/см , В = 625 м/с, у = 2,2 Ша/дел, х = 50 мкс/дел.

Рис. 8.

При наличии газа в пористой среде детонация становится возможной при еще меньшей, чем в случае вакуума, рвв и для каждого значения плотности существуют два предела (min, max) по начальному давлению газа. С уменьшением рвв наблюдается сужение области существования детонации по р0 вплоть до ее полного вырождения.

Например, для гексогена детонация существует при предельной сред* з

необъемной плотности ВВ рвв = 3 мг/см и р0 = I атм, если рвв < рвв, то детонация не распространяется ни при каком значении р0.

Измерения по трекам на фоторазвертках самосвечения показывают, что механизм инициирования низкоскоростной детонации чисто струйный, средняя скорость струй совпадает со скоростью фронта, отдельные струи на локальных участках незначительно опережают фронт или отстают от него.

основные результаты и выводы.

1. Предложены оригинальная схема электрических измерений, устраняющая релаксационные процессы и обеспечивающая постоянство чувствительности пьезокерамики, и новый электромагнитный контактный метод измерения профилей массовой скорости и электропроводности, изменяющихся вдоль течения.

С помощью этих методик выполнены соответствующие точные измерения в газовых и гетерогенных средах.

2. Во фронте газовой и гетерогенной детонации обнаружена область объемного заряда, возникающая в результате амбиполярной диффузии электронов и ионов на границе плазмы.

3. Впервые в системах газ-пленка обнаружены и исследованы спиновые режимы детонации с изломом и плавным искривлением переднего фронта; показано, что спиновая детонация возникает преимущественно в системах с тонкими пленками маловязких горючих при наличии бедной паровой фазы.

4. Построена акустическая модель спиновой газопленочной детонации для неоднородного по длине основного потока и показано, что частота "головы" спина зависит в основном от граничных условий на переднем фронте; результаты расчетов находятся в хорошем соответствии с экспериментальными данными.

5. Установлено, что во всей области существования газопленочной детонации вплоть до ее предела (700-800 м/с ) фронт пламени благодаря перестройке механизма воспламенения близко примыкает к

ударному, вблизи предела детонации (D ^ II00-I300 м/с) зона реакции распространяется по конвективному турбулентному механизму.

6. Показано, что в зоне реакции газокапельной детонации может не догорать до 50-75 % горючего, обнаружено, что вследствие неполноты сгорания капель после отражения падающей детонационной волны от торца трубы возникает вторичная детонация.

Результаты измерений длины зоны реакции газокапельной детонации удовлетворительно совпадают с расчетами: Lpj <« (35-5-45 )dQ + l^, ^ 4 см, dQ - диаметр капли.

7. Построена физическая модель воспламенения капли горючего в проходящей ударной волне с учетом физической и химической кине-тик и показано, что в слабых УВ (MQ < 3,5-3,3) по истечении периода индукции химической реакции происходит взрывное воспламенение в следе капли, в УВ с MQ >4 задержка воспламенения определяется физическим временем начала разрушения капли и наблюдается "мягкое" воспламенение у ее поверхности.

8. Численное моделирование газокапельной детонации показало необходимость введения распадов капель на части; учет вязкости и поверхностного натяжения горючего замедляет деформацию капель и приводит к автоматическому прекращению их распадов; результаты расчетов удовлетворительно совпадают с опытными данными.

9. Впервые в пузырьковых средах типа инертная жидкость -взрывчатый газ и горючая жидкость - газообразный окислитель получен и исследован сверхзвуковой самоподдерживающийся детонационный процесс, в частности:

установлено принципиальное отличие волны пузырьковой детонации от уединенной волны коноидальной формы в химически инертных пузырьковых средах; показано, что волна детонации обладает осциллирующим профилем давления общей длительностью 50-70 мкс и амплитудой пульсаций до 300-400 атм, ее параметры определяются физико-химическими свойствами среды и не зависят от условий инициирования ;

скорость пузырьковой детонации гораздо слабее, чем в газах^ зависит от состава газовой смеси; концентрационные пределы пузырьковой детонации (по составу и объемному содержанию газа в смеси) сужаются с уменьшением вязкости жидкости;

скорость пузырьковой детонации убывает с уменьшением вязкости жидкости, для каждой системы существует минимальная крити-

ческая вязкость, при которой детонация отсутствует;

влияние вязкости жидкости на параметры, пределы детонации и критические условия инициирования связано с зависимостью от нее степени межфазного тепломассообмена при сжатии-расширении пузырьков.

10. Впервые выполнено комплексное исследование волн детонации и горения газовых смесей в инертных пористых средах, в частности:

- обнаружен новый стационарный режим околозвукового «быстрого» горения с плавной пикообразной формой давления и дозвуковой (относительно газа) скоростью распространения;

- показано, что в смеси фиксированного состава с повышением начального давления могут осуществляться плавные либо скачкообразные переходы с режимов горения на детонационные;

- представлена полная классификация всех возможных процессов горения и детонации газов в пористых средах.

11. Показано, что при низкоскоростных режимах газовой детонации в пористой среде имеет место конвективный струйный механизм инициирования, обеспечивающий малую (в несколько мкс ) задержку воспламенения; тепловая (кондуктивная) модель предела позволяет оценивать значения критических параметров (начальное давление, размер каналов ) по критерию Пекле Ре* = 65 ± 45.

12. Установлена возможность распространения пламени в природном глинистом грунте в режиме фильтрационного горения топливо-воздушной смеси со скоростью не выше I мм/с и температурой среды до 1500-1800 к, в результате воздействия волны горения грунт теряет просадочные свойства и упрочняется на 1-2 порядка.

13. Впервые обнаружены и исследованы режимы газопленочной гетерогенной детонации в инертной пористой среде. Определена область существования детонации от начального давления окислителя и концентрации горючего;

для мелкодисперсных сред наряду с детонационным (I) = 400+1200 м/с) обнаружен режим дозвукового «быстрого» горения (В = 80+300 м/с );

показано, что при газопленочной детонации имеет место конвективный механизм распространения детонации, когда перенос пламени в поры осуществляется струями горячих продуктов, средняя массовая скорость которых совпадает со скоростью детонационного

фронта.

14. Впервые в вакуумированной инертной пористой среде реализована низкоскоростная стационарная детонация низкоплотных ВВ и показано, что механизм распространения детонации - чисто струйный безударный;

критическая среднеобъемная плотность ВВ, когда еще распространяется детонация, зависит от температуры воспламенения ВВ, размера частиц пористой среды и составляет несколько мг/см3;

при наличии газа в порах критическая среднеобъемная плотность ВВ может быть ниже, чем в случае вакуума - одновременно с уменьшением плотности сужается область существования детонации по начальному давлению вплоть до ее вырождения.

заключение

Выполненные экспериментальные исследования показали, что при гетерогенной детонации в большинстве систем характер инициирования в зоне реакции и механизм ее распространения для низкоскоростных режимов и в околопредельной области не является ударно-волновым; зона реакции имеет конечные размеры и определяется межфазным взаимодействием; поток в зоне реакции не находится в состоянии химического, термодинамического или физико-механического равновесия; структура течения в зоне реакции существенно неодномерная .

Минимальные значения скорости детонации в стесненном или загроможденном пространстве вблизи ее предела достигают 400-800 м/с, фронт свечения располагается в непосредственной близости от детонационного во всей области существования детонации. Вблизи предела детонации задержка воспламенения благодаря струйно-конвективному механизму составляет несколько мкс, что на 2-3 порядка меньше, чем соответсвующий тому же значению скорости фронта период индукции химической реакции.

На основании выполненного комплексного исследования детонационных процессов можно утверждать, что волна детонации в реагирующих гетерогенных системах - это сверхзвуковая самоподдерживающаяся волна сжатия с химической реакцией во фронте и сложным изменяющимся (в зависимости от скорости волны или от типа системы ) механизмом воспламенения, скорость гетерогенной детонации однозначно определяется начальным состоянием срсды и не зависит

от способа инициирования.

В целом, полученнные результаты по газовой, гетерогенной (в том числе, пузырьковой детонации) свидетельствуют о существовании целого класса режимов "неидеальной" детонации и являются значительным вкладом в физику горения и взрыва и новое направление -механику многофазных реагирующих сред.

Автор благодарен В.В.Митрофанову за полезные обсуждения и создание свободной творческой атмосферы в лаборатории, а также другим соавторам работ - А.И.Сычеву, Г.А.Лямину, В.А.Субботину.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ отражены в следующих публикациях:

1. Пинаев A.B. Электромагнитный метод измерения массовой скорости и электропроводности, изменяющихся вдоль течения// ПМТФ. -1981. -№ 2. -С.98-103.

2. Пинаев A.B., Сычев А.И. Измерение профилей электропроводности и процессы ионизации при детонации газов// ФГВ. -1984. -20, № I. -С.112-121.

3. Пинаев A.B., Сычев А.И. Профили электропроводности при детонации газов// ДАН СССР. -1984. -275, № I. -С. 74-79.

4. Пинаев A.B., Сычев А.И. Электромагнитные измерения массовой скорости за фронтом детонации в газах// ФГВ. -1984. -20 ,№ 3. -С.74-79.

5. Пинаев A.B. Измерение электропроводности при детонации газов со взвесями алюминия// ФГВ. -1991. -27, № 6. -С.124-127.

6. Лямин Г.А., Пинаев A.B., Лебедев A.C. Пьезоэлектрики для измерения импульсных и статических давлений// ФГВ. -1991. -27, № 3. -С.94-103.

7. Пинаев A.B., Лямин Г.А. Пьезоэлектрические датчики давления, методы их тарировки// ПТЭ. -1992. -№ 2. -С.236-239.

8. Пинаев A.B., Митрофанов В.В. Спиновая детонация в гетерогенной системе типа газ-пленка// ДДН СССР. -1975. -225, № 3. -С.613-616.

9. Пинаев A.B. Структура детонационных волн и зона реакции в гетерогенной системе газ-пленка// ФГВ. -1977. -13, № 3. -С.408-415.

10. Пинаев A.B., Субботин В.А. О структуре зоны реакции при детонации систем типа газ-пленка// ФГВ. -1982. -18, № 5. -C.I03-III.

11. Пинаев A.B. Измерение давления за фронтом волны детонации в гетерогенной системе газ-пленка// ФГВ. -1983. -19, ii I. -C.I05-

12. Пинаев A.B. Колебания в неоднородной среде и природа спиновой газопленочной детонации// ПМТФ. -1987. -№ I -С.124-133.

13. Лямин Г.А., Пинаев A.B. Пределы и режимы распространения детонации в газопленочных системах// ФГВ. -1984. -20, Jé I. -С.93-98.

14. Пинаев A.B. Зона реакции при детонации газокапельных систем// ФГВ. -1978. -14,JÉ I. -С.81-90.

15. Пинаев A.B., Сычев А.И. Воспламенение капли горючего за фронтом ударной волны// ФГВ. -1982. -18, № 6. -С.81-90.

16. Mitrofanov V.V., Pinaev A.V., Zhdan S.A. Calculations of Detonation Waves in Gas-Droplet Systems// Acta Astron. -1979. -V.6, № 3-4. -P.281-296.

17. Сычев А.И., Пинаев A.B. Волна детонации в системах жидкость-пузырьки газа// В кн.: Первый Всесоюзный симпозиум по макроскопической кинетике и химической газодинамике. Алма-Ата, 1984. Тез. докладов. Черноголовка. -1984. -тЛ, чЛ, №65. -С.54-55.

18. Сычев А.И., Пинаев A.B. Самоподдерживающаяся детонация в жидкостях с пузырьками взрывчатого газа// ПМТФ. -1986. I. -С.133-138.

19. Пинаев A.B., Сычев А.И. Обнаружение и исследование самоподдерживающихся режимов детонации в системах жидкое горючее - пузырьки окислителя// ДАН СССР. -1986. -290, Jé 3 -C.6II-6I5.

20. Пинаев A.B., Сычев А.И. Обнаружение самоподдерживающихся режимов детонации в системах жидкое горючее - пузырьки газообразного окислителя; структура и свойства пузырьковой детонации// В кн.: Третье Всесоюзн.совещание по детонации. Черноголовка. ОИХФ АН СССР.- 1985. -С.24-25.

21. Mitrofanov V.V., Pinaev A.V., Sychev A.I. Self - sustaining Regimes of Bubble Detonation.// In: 10-th Colloq. (Int.) on Dynamics of Explosions and Reactive Systems, Book of Abstracts, Berkeley. -1985. -P.86.

22. Пинаев A.B., Сычев А.И. Гетерогенная самоподдерживающаяся детонация в жидкостях с пузырьками газа// В кн.: Детонация и ударные волны. Материалы \ЛИ Всесоюзного симпозиума по горению и взрыву. Черноголовка. ОИХФ АН СССР.- 1986.- C.I07-III.

23. Пинаев A.B., Сычев А.И. Влияние вязкости жидкости на условия существования пузырьковой детонации// В кн. "Современные проблемы

механики жидкости и газа". Тезисы докл. Всесоюзного совещания -семинара молодых ученых. Грозный. - 1986. -С.158.

24. Пинаев A.B., Сычев А.И. Структура и свойства детонации в системах жидкость-пузырьки газа// ФГВ.-1986. -22, № 2. -С.109-118.

25. Пинаев A.B., Сычев А.И. Влияние физико-химических свойств газа и жидкости на параметры и условия существования волны детонации в системах жидкость-пузырьки газа// ФГВ.- 1987.- 23, № 6. -С.76-84.

26. Лямин Г.А., Пинаев A.B. Сверхзвуковое (детонационное) горение газов в инертных пористых средах// ДАН СССР. -1985. -283, № 6. -С.1351-1354.

27. Лямин Г.А., Пинаев A.B. Исследование неидеальной газовой детонации и ее пределов в плотной пористой среде// В сб. "Динамика сплошной среды". Новосибирск, ИГиЛ СО АН СССР. -1984. -вып.68. -С.99-107.

28. Лямин Г.А., Пинаев A.B. О режимах сгорания газов в инертной пористой среде// ФГВ. -1986. -22, № 5. -С.64-70.

29. Лямин Г.А., Митрофанов В.В., Пинаев A.B., Субботин В.А. Газовая. и гетерогенная детонация в пористых средах// В сб. "Детонация и ударные волны". Черноголовка, ИХФ АН СССР. -1986. -С.52-56.

30. Лямин Г.А., Пинаев A.B. 0 режиме быстрого дозвукового горения газов в инертной пористой среде с плавным подъемом давления в волне// ФГВ.-1987. -23, № 4. -С.27-30.

31. Лямин Г.А., Пинаев A.B. Детонация и горение газовых смесей в инертной пористой среде// В сб." фундаментальные проблемы физики ударных волн. Азау 87". Тезисы докладов Всесоюзного семинара. Черноголовка, ИХФ АН СССР. -1987, - I, 4.1. -С.158-160.

32. Пинаев A.B., Лямин Г.А. Основные закономерности дозвукового и детонационного горения газов в инертных пористых средах// ФГВ. -1989. -25, №4. -С.75-85.

33. Лямин Г.А., Пинаев A.B. Влияние свойств горючего на параметры гетерогенной детонации в пористой среде// В сб. Динамика сплошной среды. Новосибирск, ИГиЛ СО АН СССР, -1988. -вып.88. - С.95-101.

34. Пинаев A.B., Лямин Г.А. Результаты экспериментального изучения распространения гетерогенной детонации в инертной пористой среде// В сб. "Газодинамика взрывных и ударных волн, детонационного и сверхзвукового горения". Тезисы докладов Всесоюзного симпозиума. Новосибирск, ИГиЛ СО АН СССР. 1991.-С.107-108.

35. Lyamin G.A., Mitrofanov v.v., Pinaev A.V., Subbotin V.A. Propagation of gas explosion in channels with uneven walls and in porous media.//"Dynamics structure of detonation in gaseous and dispersed media".- Kluwer Academ. Publishers, the Netherlands.- 1991.- P. 51-75.

36. Лямин Г.A., Пинаев А.В. Гетерогенная "газ-пленка" детонация в инертной пористой среде// Всесоюзная школа - семинар по взрывным явлениям. Тезисы докладов. Алушта.-1991.

37. Пинаев А.В., Лямин Г.А. Структура гетерогенной детонации в пористой среде (эксперимент)// В сб. " Детонация." Тезисы докладов на X Всесоюзном симпозиуме по горению и взрыву. Черноголовка, ИХФ АН. -1992. -С.40-41.

38. Lyamin G.A., Pinaev A.V. Detonation regimes of heterogeneous system combustion in inert porous medium// IV Intern, seminar on flame structure. Book of abstracts. Novosibirsk. - 1992.- P.136.

39. Пинаев А.В., Лямин Г.А. К структуре газопленочной и газовой детонации в инертной пористой среде// ФГВ. -1992. -28, № 5. -С. 97-102.

40. Лямин Г.А., Пинаев А.В. Гетерогенная детонация (газ-пленка ) в пористой среде. Область существования и пределы// ФГВ. -1992. -28, № 5. -С.102-108.

41. Пинаев А.В., Лямин Г.А. Низкоскоростная детонация ВВ в ваку-умированной пористой среде// ДАН. -1992. -325, № 3. -С. 498-501.

42. Пинаев А.В. О режимах сгорания и критерии распространения пламени в загроможденном пространстве// ФГВ.- 1994.-30, № 4. -С.52-60.

43. Пинаев А.В. Фильтрационное горение газов в природном грунте// ДАН. - 1994. -336, № 4. -С.471-475.

44. Pinaev A.V. " Vacuum" detonation in a porous medium // "Combustion, detonation, shock waves" Proc. Intern. Confer, on Comb. (Zel'Dovich memorial). Moscow, The Combustion Institute, Russion Section. -1994. -V.2 -P.378-381.

45. Пинаев А.В. Результаты исследования детонации и горения газовых и гетерогенных систем в инертной пористой среде (обзор )// Iv Международная конференция Лаврентьевские чтения по математике, механике и физике. Тезисы докладов. Новосибирск, ИГиЛ СО РАН. -1995. -С.130.

■11 91

^ -JL

российская акдемия наук

СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ИНСТИТУТ ГИДРОДИНАМИКИ им. М.А.ЛАВРЕНТЬЕВА

на правах рукописи УДК 534.222.2 + 536.46 + 532.529 + 536.468 + 624.138.9 + 662.215.1 + 538.4 + 53.082.7

ПИНАЕВ АЛЕКСАНДР ВЛАДИМИРОВИЧ

СТРУКТУРА ДЕТОНАЦИОННЫХ ВОЛН В ГЕТЕРОГЕННЫХ СИСТЕМАХ

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

Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

новосибирск - 1997

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

ВВдаНИЕ................................................ 5

Список обозначений к разделу 1.......................... 22

Раздел I. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДИКИ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ

ДЕТОНАЦИЙ ГАЗОВЫХ И ГЕТЕРОГЕННЫХ СИСТЕМ...... 27

ГЛАВА 1.1. Анализ экспериментальных методов для изучения

процессов детонационного горения............. 29

§ I. Методы измерения скорости волны и параметров в зоне

реакции................................................. 29

§ 2. Способы создания ударных волн, инициирования детонации и

горения в газовых и гетерогенных системах............... 36

ГЛАВА 1.2. Пьезоэлектрики для измерений импульсных

и квазистатических давлений.................. 40

§ I. Конструкции и материалы пьезодатчиков, измерительная

аппаратура.............................................. 40

§ 2. Методы тарировки и способы измерения давления пьезодат-

чиками.................................................. 43

§ 3. Результаты экспериментов................................ 47

ГЛАВА 1.3. Электромагнитные измерения электропроводности

и массовой скорости продуктов детонации...... 58

§ I. Анализ электромагнитной методики........................ 59

§ 2. Профили электропроводности и массовой скорости за фронтом газовой детонации................................... 69

§ 3. Измерение электропроводности при детонации газов со

взвесями алюминия....................................... 89

Основные выводы по разделу 1............................ 96

Список литературы к разделу 1........................... 98

Список обозначений к разделу II......................... 111

Раздел II. СТРУКТУРА ДЕТОНАЦИОННЫХ ВОЛН В ГАЗОЖИДКОСТНЫХ

СИСТЕМАХ..................................... 115

ГЛАВА 2.1. Структура и режимы газопленочной детонации... 116 § I. Структура фронта детонации в системе газ-пленка, спиновая детонация........................................... 119

§ 2. Акустическая природа спиновой газопленочной детонации... 142

§ 3. Параметры и пределы детонации в узких каналах........... 160

ГЛАВА 2.2. Структура зоны реакции при детонации газокапельных систем............................... 169

§ I. Экспериментальное исследование газокапельной детонации в

ударной трубе........................................... 1ТЗ

§ 2. Воспламенение одиночных капель горючего ударной волной,

физическая модель воспламенения капли................... 184

§ 3. Численное моделирование стационарной газокапельной детонации................................................... 198

ГЛАВА 2.3. Самоподдерживающиеся детонационные волны

в пузырьковых средах.........................211

§ I. Обнаружение самоподдерживающейся детонации в системах

инертная жидкость - пузырьки взрывчатого газа...........213

§ 2. Обнаружение самоподдерживающейся детонации в системах

горючая жидкость - пузырьки окислителя..................221

§ 3. Влияние физико-химических свойств фаз на параметры и условия существования пузырьковой детонации; определяющая

роль вязкости жидкости..................................228

§ 4. Структура и свойства пузырьковой детонации..............241

Основные выводы по разделу II...........................251

Список литературы к разделу II..........................254

Список обозначений к разделу III........................276

Раздел III. РЕЖИМЫ ГОРЕНИЯ И ДЕТОНАЦИИ ГАЗОВЫХ И ГЕТЕРОГЕННЫХ СИСТЕМ В ИНЕРТНЫХ ПОРИСТЫХ СРЕДАХ----279

ГЛАВА 3.1. Режимы, пределы горения и детонации газов в

инертной пористой среде...................... 282

§ I. Детонационные волны в пористой среде, заполненной активными газовыми смесями...................................288

§ 2. О существовании нескольких режимов сгорания в газовых

смесях фиксированного состава...........................297

§ 3. Обнаружение режима околозвукового «быстрого» горения,

структура волны.........................................304

§ 4. Пределы и критерии существования волн горения и детонации для топливовоздушных смесей в пористой среде........313

§ 5. Фильтрационное горение газов в природных грунтах........328

§ 6. Основные закономерности дозвукового и детонационного го-

рения газов в инертной пористой среде, классификация режимов сгорания..........................................336

ГЛАВА 3.2. Структура и свойства гетерогенной детонации в

инертной пористой среде......................349

§1.0 прохождении детонации по образцам нефтяных пород......350

§ 2. Влияние физико-химических свойств горючего и газообразного окислителя на параметры и структуру детонации......354

§ 3. Пределы и область существования гетерогенной (газ-пленка)

детонации в пористой среде..............................364

ГЛАВА 3.3.Структура и механизм детонации в вакуумирован-

ной пористой среде............................376

§ I. Низкоскоростная «вакуумная» детонация ВВ в инертной пористой среде............................................378

§ 2. Влияние начального давления газа на пределы и параметры

детонации ВВ в пористой среде...........................385

Основные выводы по разделу III..........................389

Список литературы к разделу III.........................392

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ............................ 403

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.............................................. 407

ВВЕДЕНИЕ

Гетерогенные горючие среды находят широкое применение в топливно-энергетических установках (двигателях, топочных устройствах, котельных), химическом производстве. В процессе эксплуатации и транспортировки жидких и дисперсных горючих материалов нередко наблюдаются случаи их возгорания и катастрофических взрывов. Поэтому изучение режимов горения и детонации гетерогенных сред актуально для оптимизации работы энергетических установок и в целях обеспечения пожаро- и взрывобезопасности.

Наиболее часто встречающиеся газожидкостные системы - это газокапельные, газопленочные (слой жидкости на стенках канала, окислитель в объеме), пенообразные, пузырьковые. О существовании детонации в первых трех системах известно с начала 50-х годов, сведения о возможности детонации в химически активных пузырьковых средах появились лишь в 80-х годах; процессы горения и детонации в гетерогенных средах гораздо менее изучены по сравнению с газовыми. Для детального понимания явлений в детонационных волнах существует необходимость и в исследованиях по динамике, разрушению и воспламенению отдельных частиц, капель, пленок жидкостей, пузырьков газа.

Практическая необходимость изучения газопленочной детонации вызвана обеспечением взрывобезопасности трубопроводов и магистралей, на стенках которых образуется слой горючего. Пузырьковые среды широко используются в химической, нефтеперерабатывающей, металлургической и других отраслях промышленности для ведения технологических процессов (например, жидкофазного окисления углеводородов), либо как элемент системы обеспечения взрывобезопасности (жидкостные предохранительные затворы). Поэтому изучение пузырьковой детонации актуально в связи с необходимостью установ-

ления научных принципов техники взрывобезопасности для выбора режимов технологических процессов, а также расчета и эксплуатации жидкостных предохранительных затворов. В настоящее время существует потребность в экспериментальных работах по выяснению структуры, свойств и механизма детонации низкоплотных гетерогенных систем и поведения жидкой фазы в потоке газа. Точное теоретическое решение таких задач представляется бесперспективным в обозримом будущем, поскольку для описания обтекания даже одиночной частицы или пленки жидкости сверхзвуковым потоком газа за проходящей ударной волной необходимо решать задачу со свободной неустойчивой подвижной границей, турбулентным характером тепло-массобмена, деформацией и разрушением на более мелкие элементы, химическими реакциями и т. д.

В природе и практике широко распространены пористые среды. Исследование волн горения и детонации газовых и гетерогенных систем в пористых средах актуально в связи с возможностью непредсказуемого возникновения или, наоборот, управления тепловыми волнами при добыче нефти и газа, в средствах пожаро-взрывозандаты (огне-преградителях), разработке новых типов топочных устройств, а также при термической обработке материалов - сушке, обжиге или спекании с целью придания им полезных свойств, утилизации промышленных отходов, получении новых изделий и материалов. В существующих экспериментах с газовыми смесями в пористой среде отсутствовал комплексный подход, опыты проводили в узком диапазоне параметров системы, не было сведений о возможности, структуре и свойствах газопленочной детонации и детонации низкоплотных ВВ в ва-куумированной пористой среде.

Из известных экспериментальных данных следует, что в зоне

реакции при гетерогенной детонации течение неодномерное, существует неравновесность по физическому, химическому, либо термодинамическому признаку, сгорание неполное, велика роль тепловых и гидродинамических потерь, скорость детонации может быть существенно (в 1,5-4 раза) ниже, чем скорость идеальной детонации Чеп-мена-Жуге. Поэтому возникает необходимость в построении физических и теоретических моделей с иными, чем в идеальной модели ЗНД механизмами воспламенения и распространения зоны реакции и правилами отбора скорости детонации - исследование "неидеальных" режимов гетерогенной детонации является актуальным с научной точки зрения.

Для гомогенных газовых смесей устоялось представление о фундаментальном значении микроэлемента детонационной волны - ее детонационной ячейки. Базовая роль основного масштаба структуры детонационного фронта в газах (размера ячейки) позволяет объединить и рассмотреть с единых позиций большую совокупность околокритических ситуаций при инициировании детонации или переходе горения в детонацию. Однако, в большинстве режимов гетерогенной детонации низкоплотных ВВ и при низкоскоростной детонации газовых смесей в стесненном пространстве, узких капиллярах, пористых средах многофронтовая детонация не наблюдается (детонационные ячейки отсутствуют), хотя детонация существует в широком диапазоне параметров. В этом случае необходим поиск иных критериев для оценки пределов горения и детонации.

При анализе экспериментальных данных разных авторов иногда приходится сталкиваться с их несоответствием, - так различаются результаты измерений электропроводности, массовой скорости, давления в продуктах детонации. Причина этого кроется в несовершен-

стве измерительных методик и поэтому требуются качественно новые подходы для достижения успеха.

Для ответа на поставленные выше проблемы цель работы состояла в проведениии комплексного экспериментального изучения волн горения и детонации в различных гетерогенных системах для выяснения всех возможных режимов сгорания, структуры зоны реакции, механизмов распространения и области существования, построении физических и теоретических моделей явления, усовершенствовании и разработке необходимых экспериментальных методик, основными задачами исследования являлось:

- улучшение и создание новых экспериментальных методик измерения давления, электропроводности и массовой скорости;

- исследование структуры и свойств газокапельной и газопленочной (в частности, спиновой) детонации;

- обнаружение и изучение режимов пузырьковой детонации, исследование ее свойств, структуры и влияния физико-химических факторов компонентов среды;

- комплексное изучение режимов горения и детонации газов в инертных пористых средах, создание классификации всех возможных режимов распространения зоны реакции в пористой среде;

- обнаружение и исследование гетерогенной детонации в пористой среде (слой жидких или твердых горючих на частицах среды - газообразный окислитель в объеме пор) и низкоскоростной детонации низкоплотных ВВ в вакуумированной пористой среде;

- построение физических и теоретических моделей гетерогенной детонации, выяснение механизмов детонационного горения.

тема диссертации связана с планами научно-исследовательских работ Института гидродинамики СО РАН, Государственными програм-

мами, координационными планами Академии наук.

Общий объем диссертации составляет 407 страниц, в том числе 109 рисунков, 26 таблиц и библиографических ссылок 445 наименований.

основное содержание работы. Работа состоит из введения, трех разделов, девяти глав (по три главы в каждом разделе), основных выводов и заключения. Списки обозначений, литературы и выводы приведены в каждом разделе отдельно, ссылки литературы в разделах практически не повторяются. Рисунки приводятся в параграфах по тексту по мере упоминания.

Во введении дано обоснование актуальности темы диссертации, отмечены главные задачи и цели исследования, приведено краткое содержание диссертации, сформулированы основные положения и наиболее важные научные результаты, выносимые на защиту.

Первый раздел посвящен знакомству с основными экспериментальными методами исследования детонации газовых и гетерогенных систем.

В главе (1.1) содержится обзор известных экспериментальных методик (зондовых, оптических, рентгеновских) для измерения скорости волн и параметров в зоне реакции (массовой скорости, давления, температуры, электропроводности, плотности...), размера детонационных ячеек и структуры неоднородностей. Описаны способы создания ударных волн и инициирования волн детонации и горения в газовых и гетерогеннных системах.

В главе (1.2) приведены обзор методов измерений статических и динамических давлений в жидкой и газообразной среде, различные конструкции пьезодатчиков и используемые пьезоэлементы, а также способы динамической и статической тарировки, аппаратура для из-

мерений. Исследованы пьезосвойства природных и искусственных турмалинов, пьезокерамик. Обнаружено, что в общепринятой схеме измерений с конденсатором, включенным параллельно пьезодатчику, из-за перетекания тока на конденсатор в пьезокерамике (в отличие от монокристаллических турмалинов) наблюдаются сильная нелинейность с давлением и релаксационные процессы. Использование новой схемы измерений с дополнительным разделительным конденсатором малой емкости позволило исключить влияние паразитных токовых процессов, обеспечить постоянство чувствительности и устранить релаксационные процессы. Путем сопоставления результатов испытаний выбрана наилучшая схема динамической тарировки с полиэтиленовым поршнем над поверхностью водяного столба и показана эквивалентность динамического и статического способов тарировки.

В главе (1.3) анализируются недостатки и достоинства зондо-вых методов измерений электропроводности и массовой скорости, показано, что в случае зависимости параметров от координаты вдоль течения большинство методик не обеспечивают приемлемой точности измерений. Предложена и теоретически проанализирована оригинальная схема измерений в коаксиальной геометрии с радиальным электрическим и вихревым магнитным полями, обеспечивающая высокое пространственное и временное разрешение. Выполнены соответствующие измерения в продуктах детонации газовых и гетерогенных (газовзвесях алюминия) систем, сделано заключение о характере равновесности и природе ионизации в зоне реакции. В газовых и гетерогенных системах обнаружен объемный заряд на передней границе детонационного фронта, возникающий за счет амбиполярной диффузии электронов и ионов.

Второй раздел содержит результаты исследований структуры

детонационных волн в газожидкостных средах (газ-пленка, газ-капли, пузырьковые).

Глава (2.1) посвящена изучению структуры и режимов газопленочной детонации в трубах круглого сечения, капиллярах и каналах квадратного сечения. На маловязких горючих (керосин, дизельное топливо, декан) с небольшим содержанием паров (1-2 мм рт. ст.) в трубах диаметром 50-70 мм обнаружены наряду с обычными режимами с плоским фронтом также режимы спиновой детонации с изломом переднего фронта и вращающейся поперечной волной, плавно переходящей в спиральный шлейф. По мере удаления от ударного фронта поперечная волна из ударной превращается в акустически-ударную, когда ударная волна расположена на гребне плавной акустической волны. В газопленочных системах с еще меньшим содержанием паров наблюдается спиновая детонация с плавным искривлением переднего фронта и поперечной волной акустического типа. Измерения длины зоны реакции в детонационной волне дают значения около 5-5-8 диаметров трубы. Для спиновых режимов детонации приведены измерения поля давлений с привязкой к структуре спина. Построена акустическая модель спиновой газопленочной детонации с неоднородными вдоль течения параметрами основного потока, рассчитаны форма поперечной волны и шлейфа и собственные частоты "головы" спина, показано, что частота спина зависит в основном от граничных условий на переднем фронте.

При газопленочной детонации в узких ка