Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Ударные волны при технологических процессах металлообработки взрывом и методы их математического моделирования 26
1.1. Ударные волны в процессах металлообработки взрывом. Проблемы обеспечения безопасности взрывных технологий при их внедрении 26
1.1.1. Подводная резка взрывом 27
1.1.2. Проблемы локализации действия наземных взрывов. 32
1.2. Математические методы описания ударно-волновых процессов 39
1.2.1. Ударные волны как физическое явление 39
1.2.2. Аналитические модели ударных волн 42
1.3. Феноменологические модели описания ударно-волновых процессов в газожидкостных средах 55
1.3.1. Определяющие уравнения 55
1.3.2. Сильная стадия взрыва в двухфазной среде 62
1.3.3. Аналогия движения газа и смеси 64
1.3.4. Методологические аспекты принципов самоорганизации и частичной упорядоченности в необратимых процессах к описанию ударных волн 71
ГЛАВА 2. Теоретический анализ ударно-волновых процессов в газожидкостных средах 75
2.1. Ударные адиабаты газожидкостных сред 76
2.2. Отражение ударных волн от жесткой стенки 100
2.3. Решение задачи сильного взрыва с использованием phi-инвариантов 105
2.4. Детонационные процессы в двухфазных дисперсных средах
2.5. Влияние объемной доли конденсированной фазы на параметры гетерогенной детонации в дисперсных средах .. 130
ГЛАВА 3. Экспериментальное исследование распространения и отражения ударных волн в газожидкостных средах .. 136
3.1. Методы, оборудование и аппаратура для исследования ударных волн в газожидкостных средах 136
3.1.1. Ударные трубы и взрывные камеры 136
3.1.2. Методика и схемы регистрации 14 2
3.1.3. Датчики для измерения давления и их калибровка. 14 4
3.1.4. Аппаратура для обработки и анализа экспериментальных данных 157
3.1.5. Измерительно-вычислительный комплекс для обработки данных численных и натурных экспериментов 158
3.2. Структура и параметры плоских ударных волн в газожидкостных средах 166
3.2.1. Затухание плоских нестационарных волн в пене... 175
ГЛАВА 4. Ударные волны при взрыве конденсированных ВВ в газожидкостных средах 194
4.1. Постановка задачи численного моделирования 194
4.2. Экспериментальные исследования ударных волн в пузырьковых средах и сравнение их параметров с аналитическим и численным расчетом 212
4.3. Экспериментальные исследования ударных волн в пенах и сравнение их параметров с аналитическим и численным расчетом 232
4.4. Параметры и структура УВ в воздухе после прохождения газосодержащих демпфирующих оболочек 244
4.5. Исследование эффективности гашения ударных волн газосодержащими средами при взрыве УКЗ под водой 252
4.6. Сопоставительный анализ локализации побочного действия взрыва двухфазными газосодержащими средами, критерии подобия 267
ГЛАВА 5. Воздействие ударных волн на биологические объекты и конструкции 273
5.1. Критерии поражения конструкций и биологических объектов ударными волнами 27 3
5.2. Зависимость величины безопасного расстояния от
энергии взрыва и геометрии заряда 2 96
ГЛАВА 6. Практическое использование разработанных ме тодов и средств обеспечения экологической чистоты взрывных технологий 304
6.1. Методы и средства гашения воздушных ударных волн при взрывных работах на крупногабаритных резервуарах.. 305
6.2. Разработка защитных устройств для обеспечения экологической чистоты подводной резки взрывом 313
6.3. Экспериментальные исследования эволюции ударных волн при взрыве зарядов в защитном исполнении 315
6.4. Испытания разработанных активных и пассивных средств защиты ихтиофауны при резке взрывом морских стационарных платформ 320
6.5. Обеспечение безопасности и экологической чистоты взрывных технологий 334
Заключение 337
Литература 340
Приложения 365
- Методологические аспекты принципов самоорганизации и частичной упорядоченности в необратимых процессах к описанию ударных волн
- Влияние объемной доли конденсированной фазы на параметры гетерогенной детонации в дисперсных средах
- Измерительно-вычислительный комплекс для обработки данных численных и натурных экспериментов
- Экспериментальные исследования ударных волн в пенах и сравнение их параметров с аналитическим и численным расчетом
Методологические аспекты принципов самоорганизации и частичной упорядоченности в необратимых процессах к описанию ударных волн
Интенсивное освоение сырьевых ресурсов континентального шельфа Мирового океана и увеличение морской нефтегазодобычи в последние два десятилетия послужили стимулом к разработке новых технологий сварки и резки металлоконструкций под водой. Решение технических проблем строительства, эксплуатации, ремонтно-восстановительных работ и демонтажа гидротехнических сооружений требует огромных капитальных вложений.
Так в США расходы на строительство и ремонт подводных нефте-газопроводов в морских акваториях за последнее десятилетие составляют около 5 млрд. долларов.
Освоение континентального шельфа Мирового океана и акваторий морей уже сейчас поставило ряд проблем, связанных с ликвидацией гидротехнических сооружений после выработки месторождений. Сейчас в Мировом океане находится около б тысяч морских стационарных платформ, большинство из которых пока действующие. После истощения месторождения платформы должны быть демонтированы в соответствии с Женевской конвенцией 1957 года. Проведенный анализ показал, что затраты на их демонтаж составит не менее 7,5 млрд. долларов. В СНГ на акваториях морей находится около 400 неэкс-плуатируемых платформ и большое количество гидротехнических сооружений, подлежащих демонтажу и мешающих судоходству. Сложность демонтажа морских стационарных платформ (МСП) связана с тем, что сваи опорных блоков МСП представляют собой конструкции, состоящие из труб разного диаметра, межтрубное пространство которых забетонировано. Указанное обстоятельство является причиной низкой эффективности существующих способов демонтажа таких сооружений с использованием электрокислородной послойной резки металлических труб и отбивки вручную бетона, заключенного между трубами. Создание эффективных механических способов резки конструкций под водой также проблематично. Применение взрывных технологий для решения этих задач имеет свои преимущества и недостатки. К преимуществам, прежде всего, относятся: - простота оборудования; - высокое качество и надежность выполнения операций сварки и резки взрывом, независимо от глубины, на которой осуществляются технологические работы; - дистанционность проведения работ при относительно небольшом времени подготовительных операций, выполняемых водолазами.
К числу недостатков взрывных технологий относится необходимость использования в технологических процессах мощных бризантных конденсированных ВВ. Взрыв конденсированных ВВ сопровождается появлением в окружающей среде сильных гидроударных волн. Гидроударные волны приводят к гибели рыбы и других живых организмов, а также могут вызвать деформацию или разрушение конструкций и объектов, находящихся вблизи места проведения взрывных работ.
Насколько трудноразрешимы вопросы защиты от ударных волн и обеспечения экологической безопасности при использовании энергии взрыва можно судить по уровню их решения при создании взрывных технологий в других сферах производственной деятельности, становление и развитие которых предшествовало появлению технологических процессов подводной резки взрывом.
Еще в конце 50-х начале 60-х годов преимущество применения конденсированных ВВ по сравнению с другими импульсными источниками энергии, было обусловлено высокой мощностью энерговыделения при взрыве конденсированных ВВ, компактностью таких энергоисточников и удобством их транспортирования. Это, в свою очередь и стимулировало интенсивное развитие технологий с применением энергии взрыва ВВ для различных видов подводных работ.
В этот период конденсированные ВВ получили использование в сейсморазведке, при дноуглубительных работах и рыхлении твердых грунтов дна водоемов, ликвидации гидротехнических сооружений. Но уже в начале 60-х годов рост объема технологических работ с применением ВВ остро поставил задачу защиты ихтиофауны. Многочисленными экспериментальными исследованиями [1-7], проведенными в Черном, Азовском, Каспийском и дальневосточных морях, а также в пресноводных водоемах, установлено, что гидроударные волны, генерируемые взрывом конденсированных ВВ, приводят к значительному поражению рыбы и других живых организмов. Это поставило под сомнение целесообразность использования взрывчатых веществ на акваториях, особенно - имеющих ры-бохозяйственное значение. Было сочтено необходимым полностью закрыть некоторые морские площади Каспийского, Черного и Азовского морей, имеющих рыбохозяйственное значение, для ведения сейсморазведки и других работ с использованием ВВ. В других водоемах страны введены жесткие ограничения по срокам их проведения. Постановлением Совета Министров СССР К 759 от 23 сентября I960 г. все взрывные работы с использованием конденсированных ВВ полностью запрещены на Каспийском море и ограничено их ведение на остальных акваториях страны. Меры, принятые для обеспечения безопасности и зашиты окружающей среды при использовании конденсированных ВВ в сейсморазведке, привели к усложнению конструкции сейсмоисточников, увеличили трудозатраты на их изготовление и время проведения подготовительных работ при эксплуатации.
Влияние объемной доли конденсированной фазы на параметры гетерогенной детонации в дисперсных средах
В газодинамике под ударной волной понимается резкое (скачкообразное) изменение давления, плотности и температуры в сплошной среде. Этот скачок возникает при движении волны давления со сверхзвуковой скоростью относительно среды. Основным отличием ударных волн от других волновых движений является производство энтропии на ее фронте. В ударной волне этот процесс необратим. Введение понятия "ударная волна" принадлежит Риману [78] . Он дал общее математическое решение проблемы о разрыве, но проигнорировал закон сохранения энергии. Правильное понимание физики этого газодинамического явления дал Гюгонио [79], который рассматривал ударную волну как тонкий слой, в котором происходят необратимые термодинамические процессы. Параметры среды в этом слое могут быть определены только при учете диссипативных факторов, учет которых позволил Гюгонио найти решение проблемы о связи параметров движения волны с основными законами сохранения.
Однако даже эта достаточно упрощенная по сравнению с реальностью задача решена в настоящее время для сильных ударных волн лишь в идеализации ударного фронта как математической поверхности разрыва. Для фронта сильной ударной волны, который представляет собой переходную зону, задача остается нерешенной в известных функциях. Для ее решения используется в основном численное моделирование. При этом природа явления остается все еще не понятой до конца в своей основе.
Ударная волна представляет собой ограниченную в направлении движения пространственную область, в которой происходит перестройка движения, вызывающая необратимое изменение состояния среды: сжатие вещества, увеличение его давления, температуры и энтропии. Направление изменения скорости вещества зависит от того, покоится или движется область ударного сжатия. Если область сжатия покоится, то в ней происходит торможение сверхзвукозого движения вещества (только нормальной к границе области компоненты скорости вещества) , и оно становится дозвукозым. Если же область движется, то она всегда движется по среде со сверхзвуковой скоростью.
Локализованную область ударного сжатия уместно называть ударным слоем (УС), а поверхность, отделяющую ударно-сжатое вещество от невозмущенного вещества - ударным фронтом (УФ).
Как всякая геометрическая область, ударный слой характеризуется формой (плоские, цилиндрические, сферические УВ, прямые и косые скачки уплотнения и др.) и размерами (шириной, кривизной).
В газе, состоящем из молекул одного сорта без внутренних степеней свободы, УВ имеют достаточно тонкий ударный слой в масштабе всего возмущенного движения [80]. В химически активных и гетерогенных средах, в газах с замедленным возбуждением некоторых степеней свободы молекул происходит уширение ударного слоя и разделение его на области резкого и плавного изменения физических величин. Поэтому признак «тонкости» не является определяющим для УВ.
Не является определяющим и такой признак УВ как «необратимость». Есть множество диссипативных процессов (например, движение вязких сред с дозвуковой скоростью), в которых также может происходить локальное увеличение физических величин, но при этом УВ не образуется. Поэтому следует говорить о «необратимости», как о сопутствующем свойстве ударно-волновых процессов.
Следовательно, остается единственный ключевой определяющий признак - характер изменения скорости движения вещества. УВ возникает там, где скорость движения вещества переходит местную скорость звука. Это необходимое условие, чтобы образовалась УВ. Для образования ударной волны необходимым и достаточным условием является наличие источника энергии, создающего сверхзвуковое течение. Будем УВ характеризовать следующими параметрами: 1.геометрическими - формой и размерами (в частности,
толщиной ударного слоя); 2.кинематическими - скоростью распространения ударного фронта; 3.физическими - скачками плотности, давления, температуры, скорости и энтропии в ударном слое или в общем случае профилями изменения физических величин в УС. Задача теоретического исследования - установление связей между параметрами ударной волны, источником ударного возмущения и определение законов эволюции УВ в пространстве и времени.
Остановимся на аналитических результатах по ударным волнам, полученных в наиболее изученных моделях, описывающих поведение ньютоновских сред на макроскопическом (модели Эйлера и Навье-Стокса (НС) и микроскопическом (молекулярно-кинетическая модель Больцмана) уровнях.
Измерительно-вычислительный комплекс для обработки данных численных и натурных экспериментов
Существует целый ряд различных молекулярно-кинетических моделей, конкретный выбор которых каждый раз диктуется физическим содержанием задачи [91,93]. По-видимому, наиболее удачной молекулярно-кинетической моделью является модель Больцмана [93] или ее математический аналог - уравнение Больцмана, описывающее изменение во времени функции распределения по координатам и скоростям молекул газа. Уравнение Больцмана приближенно описывает поведение классически взаимодействующих частиц в случае, когда число частиц достаточно велико, а радиус взаимодействия достаточно мал. Оно является фундаментальным уравнением кинетической теории разряженных одноатомных газов.
Математическое исследование нелинейного уравнения Больцмана чрезвычайно сложно, и нет прямых методов, которые приводили бы к точным аналитическим решениям. Трудности решения задачи «из первых принципов», вынуждают искать обходные пути, использовать необычные виды аппроксимации. Наиболее распространенный из таких приемов предложен независимо Мотт-Смитом и Таммом [94,95] для описания структуры сильной стационарной УВ. Суть его в том, что функция распределения во фронте представляется в виде суммы равновесных функций распределения перед и за фронтом с изменяющимися во фронте между 0 и 1 коэффициентами а(х) и 1-а(х) соответственно. Хотя такая бимодальная функция распределения Мотта-Смита-Тамма и не является точным решением уравнения Больцмана, рассчитанные с ее помощью структуры УВ находятся в хорошем согласии с экспериментом. Профиль плотности имеет вид [94]:
Решение Мотта-Смита-Тамма предсказывает толщину ударного слоя для очень сильных УВ, но для слабых волн неприменимо. Кроме того, решение Мотта-Смита-Тамма находится в противоречии с экспериментами в разреженном аргоне [96], которые показали слабую несимметричность профиля волны.
Никакого математического обоснования метода Мотта-Смита-Тамма не существует, хотя авторы [96] полагают, что такое описание может быть корректно в асимптотическом смысле для очень сильных УВ. Метод [94], получивший развитие в [99], дает лучшую коррекцию с экспериментом.
Что касается экспериментальной проверки различных методов, то в настоящее время неясно, известны ли экспериментальные данные (включая и данные о свойствах газа) с точностью, достаточной для сравнительной оценки соответствующих результатов. Действительно, сравнения, основанные на толщине УВ или полном профиле плотности, еще не дают возможности сделать вывод, какой из методов обеспечивает лучшее описание структуры скачка. Строгий анализ уравнения Больцмана возможен в случае плоских стационарных УВ слабой интенсивности. В этом случае решение уравнения близко к соответствующему решению уравнения Навье-Стокса и имеет вид, подобный решению уравнения Бюргерса [92]. Сравнение описанных решений задачи об УВ с экспериментальными данными указывает, что результаты, полученные на основании уравнения Больцмана, лучше согласуются с экспериментом для широкого диапазона интенсивностей волн. Уравнения Барнетта и Грэда [89] уже не могут служить следующим приближением, уточняющим описание НС. Для слабых УВ с М 2 решения уравнений Барнетта согласуются с экспериментом не лучше (а решения уравнений Грэда - хуже), чем решения уравнений Навье-Стокса. Для сильных УВ при М 2 уравнения Барнетта и Грэда вообще не имеют решений для УВ. На основании вышеизложенного следует, что точных аналитических решений крайне мало. В первую очередь, это соотношения Рэнкина-Гюгонио для УВ и решение Седова Л. И. задачи о точечном взрыве. Соотношения Рэнкина-Гюгонио являются замкнутым аналитическим решением только для плоской стационарной волны любой интенсивности. Замкнутые же решения Седова Л.И. справедливы только для сильных нестационарных УВ, обладающих центральной симметрией и распро 54 страняющихся по «холодному газу» [83] . В более сложной модели НС существует точное аналитическое решение для плоской стационарной УВ только при числе Прандтля Рг=3/4. В свою очередь, нестационарные волны в вязкой среде поддаются аналитическому описанию, если УВ слабые и эффекты нелинейности и вязкости сравнимы. Хотя уравнение Бюргер-са, которое управляет поведением таких волн, можно записать для ударных волн, обладающих всеми видами центральной симметрии (плоской, цилиндрической и сферической), лишь для плоских УВ получены точные аналитические решения. Для описания сильных УВ континуальный подход не пригоден и требуется молекулярно-кинетическая модель. В рамках такой модели, вернее ее классического представителя -модели Больцмана, не получено точного аналитического решения. Только для плоской стационарной волны и при условии ее слабой интенсивности получен аналог решения уравнения Бюргерса. В случае сильной УВ метод Мотта-Смита-Тамма, хотя и дает удовлетворительное описание структуры УВ, ни математически, ни физически не обоснован.
Экспериментальные исследования ударных волн в пенах и сравнение их параметров с аналитическим и численным расчетом
Из уравнения (1.39) следует, что на фиксированном расстоянии от центра симметрии минимальное давление будет в среде, обладающей максимальной ударной степенью сжатия (Г+1)(Г-1)-1 при минимальном объемном содержании конденсированной фазы.
Коэффициент уменьшения давления на фронте ударной волны, определяемый как отношение давления в чистом газе Рд к давлению в двухфазной среде Ps, имеет вид:
Рассмотрение коэффициента затухания в двух предельных случаях: при замороженности температуры конденсированной фазы (Г=у) и термодинамическом равновесии между фазами (Г=Г0) , указывает на возможность как снижения параметров ударных волн, так и их увеличения в зависимости от объемной доли конденсированной фазы, теплофизических свойств фаз и полноты протекания релаксационных процессов.
В общем случае параметры ударных волн от реальных энергоисточников для нерелаксирующих сред типа газа близки к параметрам ударной волны точечного источника в узкой области, ограниченной расстояниями, где волна сформировалась, но является еще сильной. Сопоставление экспериментальных коэффициентов затухания давления в указанной области для пен и пузырьковых сред [38], а так же нормального напряжения для грунтов [114] и пористых материалов [115] с их расчетными предельными значениями позволяет сделать следующие выводы: все экспериментальные коэффициенты затухания лежат в области, ограниченной параметром при Г=у и Г=Г0 (рис. 1.1). Из графиков, приведенных на рис. 1.1 видна ограниченность модели точечного взрыва для описания затухания УВ при взрыве конденсированных ЗВ в ГЖС. Действительно, при времени релаксации, стремящемся к О, Г—Г0 и коэффициент затухания УВ в ГЖС должен описываться кривой 2, чего не наблюдается в экспериментах. Одной из причин такого различия является то, что в реальном процессе при взрыве конденсированного ВВ в ГЖС отсутствуют диссипативные потери энергии в объеме среды, вытесняемой зарядом, а также продуктами детонации. Влияние этих факторов при взрыве в гомогенных средах приводит к незначительным отличиям параметров УВ при взрыве конденсированных ВВ и точечного взрыва. Однако в ГЖС, как видно из приведенного графика, это приводит к качественному отличию зависимости коэффициента гашения УВ от теплофизиче-ских свойств среды и плотности энергоисточника.
Одной из физических причин, ограничивающих применимость разработанных классических моделей для описания ударных волн, является то, что распределения Максвелла, Больцмана и гидродинамические уравнения, полученные на их основе, не содержат ограничений на скорости частиц. Поскольку ударная волна является локализованной структурой и имеет ограничения типа u D, это естественно усложняет и ограничивает применимость разработанных методов для описания ударных волн. Несмотря на большое число работ в области физики ударных волн, точных аналитических решений для сильных ударных волн практически нет. К числу классических следует отнести соотношения Рэнкина-Гюгонио и решения задачи о точечном взрыве Седова-Тейлора [83] и Зельдовича Я.Б. [89]. Однако аналитическое решение Седова Л.И. [83] справедливо только для сильных нестационарных волн в газе и не дает явной связи параметров ударной зол-ны с термодинамическими свойствами среды. Решение Зельдовича Я.Б. [80] дает явную аналитическую связь параметров ударной волны с термодинамическими свойствами газа, но из-за введенных упрощающих предположений справедливо в узком диапазоне изменения термодинамических параметров газа. Для дисперсных сред с отличным от совершенного газа уравнением состояния аналитические решения отсутствуют.
Важной особенностью дисперсных газожидкостных сред, отличающей их от газа, является то, что диссипативность среды связана не столько со столкновениями молекул газа, сколько со сложными эффектами взаимодействия газовой и конденсированной фаз. Это порождает набор внутренних степеней свободы в ударной волне, обеспечивающий появление богатого спектра структур ударных и детонационных волн, не реализуемых в гомогенных средах. Аналитические решения ударно-волновых задач в газожидкостных средах отсутствуют из-за многообразия и сложности процессов обмена импульсом, энергией и массой, протекающих в ударных волнах. С другой стороны, широкий набор внутренних степеней свободы в газожидкостных средах открывает возможность применения к УВ как частично упорядоченным структурам, методов, разработанных при изучении процессов самоорганизации систем вдали от термодинамического равновесия.
В работах [116-118] показано, что при наличии большого числа степеней свободы в системе вдали от термодинамического равновесия квазиустойчивые структуры существуют лишь для узкого класса моделей со степенными нелинейными зависимостями. Важной особенностью, отмечаемой в работах [118-120], является наличие качественно новых решений для открытых систем, отсутствующих при рассмотрении задач в рамках классических подходов на уровне отдельных траекторий. В частности нелинейность порождает многовариантность путей эволюции природных систем и развития в них необратимых процессов. Наиболее общими свойствами, присущими процессам самоорганизации в эволюционирующих системах являются самоподобие и самосогласованность темпов развития систем [117,119]. Особые свойства членов ряда Фибоначчи и специальных функций на их основе, связанные с сочетанием принципов мультипликативности и аддитивности [121-122] позволяет использовать их для установления неизвестных ранее закономерностей протекания необратимых процессов [123-124].
