Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Лабораторное моделирование ударных волн при разрыве сосудов высокого давления
1.1 Ударные волны при разлете газонаполненных сосудов высокого давления. Задачи и методы исследований 19
1.1.1 Экспериментальные установки и методы 19
1.1.2 Методики расчета 22
1.2 Моделирование взрывных волн на ударной трубе 26
1.3 Моделирование сферических ударных волн 32
1.3.1 Коническая ударная труба 32
1.3.2 Генератор сферических ударных волн 35
1.4 Представление параметров сферических ударных волн в универсальных безразмерных координатах 37
1.5 МЕтодика приближенного расчета параметров сферических
ударных волн 41
1.5.1 Амплитуда ударной волны 41
1.5.2 Профиль давления ударной волны. 44
1.6 Выводы 52
ГЛАВА 2 Ударные волны при разлете двухфазных сред газ - твёрдые частицы
2.1 Газодинамические явления при внезапном расширении двухфазных систем газ - твердые частицы 54
2.2 Волны разрежения в насыпных средах 62
2.3 Исследование параметров плоских ударных волн 69
2.3.1 Амплитудные и импульсные характеристики 71
2.3.2 Ударные волны при разлете стратифицированной системы газ - насыпная среда 77
2.4 Ударные волны при сферическом разлете сжатой двухфазной среды насыпной плотности 83
2.4.1 Моделирование разлета запыленной среды на генераторе сферических ударных волн 83
2.4.2 Моделирование разлета сжатой среды насыпной плотности на установке коническая ударная труба 87
2.5 Приближенный расчет параметров сферических ударных волн 94
2.6 Формирование облака пылевзвеси при взаимодействии волны разрежения со слоем сыпучего материала 99
2.7 Параметры ударных волн, формирующихся при разлете объема горящей пылевзвеси 108
2.7.1 Экспериментальная установка и методика измерений 108
2.7.2 Сгорание пылевзвесей в замкнутом объеме 112
2.7.3 Измерение параметров ударных волн при плоском
разлете объема горящей пылевзвеси 117
2.8 Выводы 125
ГЛАВА 3 Ударные волны при разлете систем жидкость -насыщенный пар
3.1 Физические взрывы при внезапном расширении парожидкостных систем 127
3.2 Параметры плоских ударных волн при разлете систем жидкость - насыщенный пар 134
3.2.1 Экспериментальная установка и методика измерений 134
3.2.2 Ударные волны при разлете объема насыщенного пара воды . 136
3.2.3 Ударные волны при внезапном расширении объема перегретой по отношению к внешним условиям жидкости 139
3.2.4 Импульсные характеристики плоских ударных волн 148
3.3 Ударные волны при сферическом разлете систем жидкость - насыщенный пар 155
3.3.1 Моделирование разлета перегретой жидкости на конической ударной трубе 155
3.3.2 Представление параметров сферических ударных волн
в универсальных безразмерных координатах 159
3.4 Приближенный расчет параметров ударных волн при разлете объема перегретой жидкости 165
3.5 Выводы 174
ГЛАВА 4 Ударные волны и детонция при сбросе давления газового взрыва
4.1 Газодинамические эффекты при истечении сгорающих газовых смесей 176
4.2 Инициирование взрывных режимов путем интенсификации процесса сгорания при воздействии волн разрежения и сжатия 187
4.2.1 Экспериментальная установка и методика измерений 187
4.2.2 Газодинамические эффекты при истечении сгорающей газовой смеси из объемов с различной степенью загроможденное 190
4.2.3 Возбуждение ударных волн при воздействии импульса разрежения на сгорающую газовую смесь 194
4.3 Возбуждение взрывных режимов при сбросе давления газового взрыва через газоотводящие магистрали 201
4.3.1 Экспериментальная установка и методика измерений 201
4.3.2 Динамика изменения давления внутри и вне разгружаемого реакционного объема 203
4.4 Детальное исследование процесса инициирования детонационных режимов 208
4.5 Условия и механизм инициирования детонации при сбросе давления газового взрыва 221
4.5.1 Факторы, определяющие инициирование детонационных режимов 221
4.5.2 Механизм возникновения детонации при сбросе давления газового взрыва через отводящие магистрали 227
4.6 Выводы 233
Глава 5 Горение смесей водород-воздух-пары воды в присутствии микрокапель (тумана), формирующихся при быстром расширении
5.1 Задачи и методы исследования процессов горения газовых смесей в присутствии микрокапель (тумана) 235
5.2 Экспериментальная установка и методика измерений 240
5.2.1 Взрывная камера с возможностью расширения реакционной смеси 240
5.2.2 Фотоприемник на основе двухполосного Si-Ge фотодиода 244
5.3 Измерение концентрации микрокапель 248
5.3.1 Основные соотношения 248
5.3.2 Динамика формирования микрокапель при внезапном сбросе давления 251
5.3.3 Расчет равновесных концентраций компонентов системы водород-воздух-насыщенный пар-микрокапли 255
5.4 Пределы воспламенения и распространения пламени в системе водород-воздух-водяной пар-миьсрокапли (туман). 259
5.5 Выводы 267
Заключение 269
Литература 273
- Моделирование взрывных волн на ударной трубе
- Амплитудные и импульсные характеристики
- Ударные волны при разлете объема насыщенного пара воды
- Газодинамические эффекты при истечении сгорающей газовой смеси из объемов с различной степенью загроможденное
Моделирование взрывных волн на ударной трубе
Цель методики расчета фугасного действия от разрыва СВД -определение поражающих факторов ударной волны при заданных начальных условиях: параметрах газа-наполнителя и окружающей среды и расстояния до сосуда. Ниже дана краткая характеристика основных методик оценки параметров УВ от разрыва сосудов высокого давления.
В работах [30,31] предложены аналитические соотношения для расчета числа Маха и амплитуды ударной волны от разрыва сферического или цилиндрического объема, заполненного газом высокого давления. Вычисление траектории фронта УВ проводилось на основе правила Уизема [32], не имеющем фундаментального обоснования, однако достаточно хорошо согласующимся с опытными данными при решении ряда задач распространения и затухания ударных волн. В рассматриваемом случае изменение скорости (числа Маха) УВ обусловлено возрастанием площади поверхности ударного разрыва. Метод Уизема заключается в подстановке условий на фронте волны в уравнение для С+ характеристики.
Интегрирование итогового дифференциального уравнения дает аналитическое соотношение в виде зависимости интенсивности УВ от начального числа Маха в момент разрыва, безразмерного расстояния и величины отношения удельных теплоємкостей окружающего газа.
В [33] изложен метод расчета избыточного давления на фронте ударной волны, основанный на замене разрывающегося сферического сосуда высокого давления эквивалентным зарядом высокоэнергетичного взрывчатого вещества тротила (ТНТ). Рассматриваемая методика включает вычисление по параметрам газовой смеси внутри и вне СВД соответствующей энергии заряда и использование для определения поля давления известных корреляционных зависимостей. Трудность реализации этой методики связана с отсутствием полной аналогии между точечным взрывным источником и сосудом, заполненным сжатым газом, причем наибольшие отличия проявляются в ближней зоне взрыва. В связи с этим в [33] предложен метод коррекции с введением поправки на эквивалентное расстояние до моделирующего заряда.
В [34,35] изложена методика определения поля давления при разрыве СВД, основанная на систематических численных расчетах и анализе газодинамического течения, возникающего при разлете сферического объема, заполненного сжатым газом. Для удобства в практическом применении результаты расчетов представлены в виде зависимостей амплитуды ударной волны от безразмерного расстояния. При использовании этого так называемого "графического метода" сначала по параметрам газа в СВД и окружающей среде (обычно воздух) определяются значения безразмерного радиуса сферы и давления в УВ в момент разрыва. Найденная точка наносится на график с результатами численных расчетов. Для получения величины избыточного давления на любом расстоянии от центра сферы из нанесенной точки проводится кривая, параллельная ближайшей.
Дополнением к систематическим расчетам [34,35] могут служить результаты [36,37], а также аналитические оценки амплитуды ударной волны [38] и отдельные данные [39], полученные методом характеристик. Следует отметить, что в связи с относительным многообразием способов оценки фугасного действия при разрыве СВД для соответствующего выбора той или иной расчетной методики в качестве базовой необходим дополнительный критерий. Учитывая практическую значимость поставленной задачи, наиболее естественным следует признать условие адекватного описания экспериментальных данных.
Упомянутые выше методики расчета представляют собой, по существу, решение задачи о параметрах ударных волн при идеальном разрыве оболочки СВД (т.е. оболочка предполагается невесомой и разрывается мгновенно). При этом поле течения оказывается сферическим и для решения задачи может быть использован одномерный подход. В общем случае такие допущения справедливы для сосудов, имеющих относительно легкую оболочку из хрупкого материала, дающую при разрыве большое количество осколков. Однако даже в случае стеклянной оболочки не удается получить полного соответствия экспериментально измеренной и рассчитанной интенсивности ударной волны. Авторы [22-24] при сравнении экспериментальных данных с результатами численных расчетов [36,37] обнаружили, что удовлетворительного совпадения можно достигнуть только при уменьшении значения начального давления при постановке задачи по сравнению с имеющим место в опыте. Этот факт по [22-24] обусловлен расходом части энергии газа СВД на разгон образующихся фрагментов. Для рассматриваемого в [24] случая разлета стеклянных оболочек кинетическая энергия осколков составила 16 % от полной энергии. Гораздо большее по сравнению с расчетным ослабление ударной волны получено в [40], где исследован разлет оболочек, выполненных из стали. Дальнейшее развитие "энергетический" подход получил в работе [41]. Здесь, помимо кинетической энергии фрагментов предлагалось учитывать энергию, затраченную на разрыв оболочки.
В случае, если оболочка сосуда выполнена из упругопластического материала, например, из вязкого металла, то при ее разрушении, во-первых, образуется незначительное количество осколков и, во-вторых, время разрыва сравнимо с временем пробега волны разрежения в объеме СВД. Первый фактор обусловливает неодномерную картину течения, а второй - отсутствие выраженного ударного разрыва на начальной стадии раскрытия оболочки (т.е. практически наблюдается истечение струи через небольшое отверстие). Попытка анализа подобной задачи представлена в [35]. Здесь проведены двумерные численные расчеты реальной динамики истечения газа и формирования ударного фронта при разрыве сферического СВД на две равные половины. В результате обобщения расчетных зависимостей построены семейства кривых в безразмерных координатах, по которым можно определить интенсивность УВ на различных расстояниях от СВД вдоль плоскости разрыва в интересующем диапазоне начальных условий. Предлагаемый способ является аналогом графического метода [34]. Следует заметить, что практическая важность расчетов при мгновенном раскрытии оболочки заключается в том, что именно этот случай дает максимальные значения амплитуды взрывной волны, что разумно использовать при консервативных оценках фугасного действия.
Анализ задачи определения характеристик ударных волн при разрыве сосудов высокого давления показывает, что контрольными параметрами, определяющими потенциальное фугасное действие при разрыве СВД, являются начальное давление, отношение удельных теплоємкостей и скорость звука заполняющего газа. Современные компьютеры позволяют провести численные расчеты (одномерные или многомерные) полей давления при разрыве СВД в частном случае. Но до сих пор не существует универсальной инженерной методики полного описания профиля давления ударной волны. Разработка подобной методики тем более обоснованна тем фактом, что профиль УВ от разрыва СВД существенно отличается от профиля взрывной волны при взрыве высокоэнергетичного заряда конденсированного взрывчатого вещества. Важной характерной особенностью является наличие значительной фазы разрежения и вторичного пика давления. При едином методическом подходе следует учитывать, что газообразное вещество, как наполнитель СВД, является лишь частным случаем в широком спектре сред высокого давления. Переход к менее изученным многофазным и реагирующим средам требует проведения систематических экспериментальных исследований.
Амплитудные и импульсные характеристики
Анализ литературы показывает, что систематические исследования динамики выброса сыпучего материала из сосуда высокого давления, отсутствуют. Косвенное отношение к проблеме имеют результаты [77,78], где экспериментально определены характеристики движения непроницаемого поршня, помещенного в расширяющуюся насыпную среду (песок). В [79] описана установка, состоящая из горизонтально расположенной ударной трубы и пристыкованной к камере низкого давления стеклянной сферы. В камеру высокого давления помещался слой пылевого материала. После разрыва мембраны в присоединенном сферическом объеме формировалось пылевое облако. В [79] отмечено, что волна разрежения является эффективным средством для создания пылевзвеси, но никаких количественных оценок не приведено. В связи с этим представлялось целесообразным в дополнение к ударно-волновым экспериментам по разлету сжатых насыпных сред провести измерения концентрации твердой фазы в образующемся газопылевом облаке.
Аварийные ситуации в системах хранения, переработки и транспортирования пылевых материалов часто сопровождаются взрывными процессами или горением. Разрушительную способность пылевого взрыва, связывают, с максимальным давлением взрыва и максимальной скоростью нарастания давления, измеряемыми в замкнутом объеме. Наряду с этими параметрами существующие экспериментальные методики, описанные в монографиях [1,2,4-6,8,10,80] позволяют определить температуру взрыва, концентрационные пределы воспламенения, минимальную энергию зажигания. Результаты систематических измерений, оформляются в виде стандартизированных характеристик пожаровзрывоопасности пылевых материалов [81-83]. Обзор возможных механизмов горения пылевзвесей содержится в [84]. Типичным для лабораторного моделирования пылевых взрывов является использование детонационных и ударных труб. Примером подобных исследований являются работы [85,86], где изучалась детонация газовзвесей твердых частиц и публикации [87,88], по измерению задержок воспламенения пылевых материалов за проходящими и отраженными ударными волнами.
Исследование характеристик горения и детонации пылевзвесей в замкнутых объемах не достаточно для полной оценки действия пылевого взрыва. На практике прочность стенок объема, в котором сгорает пылевзвесь, часто ниже характерных величин максимального давления взрыва. В результате после разрушения ограничивающих стенок в окружающее пространство выбрасывается частично сгоревшая смесь или горячие продукты взрыва, котрые могут явиться дополнительным источником поджига [89]. Значительную опасность представляют ударные волны, которые могут сформироваться при нестационарном истечении. Таким образом, механическое действие взрыва пылевзвеси делится на первичное -разрушение стенок объема в результате внутреннего процесса сгорания и вторичное действие - повреждение внешних объектов от ударных волн, осколков и горячих продуктов взрыва.
Обширные исследования динамики развития и параметров внутренних взрывов пылевзвесей, описанные в отечественной и зарубежной литературе, не содержат экспериментальных и расчетных зависимостей для оценки поражающих факторов взрывных волн, исходящих из разрушающегося объема. В [90] сообщалось об измерениях давления в волне сжатия, формирующейся при истечении горящей пылевзвеси из негерметичных сосудов объемом 5 и 10 м Измеренные значения избыточного давления на расстоянии 6 - 8 м от реакционного объема составили 1,1 - 5,1 кПа. Несмотря на относительно низкие уровни давления, по отдельным экспериментам [90] нельзя сделать окончательных выводов о степени опасности фугасного действия при разлете горящей пылевзвеси.
В связи с отмеченным положением, при проектировании вэрывобезопасных технологических устройств, использующих в качестве рабочего тела систему газ - твердые частиц, учет вторичного действия взрыва затруднен, что может привести к занижению потенциальной опасности аварии. Возможна парадоксальная, на первый взгляд, ситуация, когда система взрывоподавления для ослабления первичного действия может привести к усилению вторичного действия. Характерный пример для реализации такой ситуации представляют широко распространенные разгрузочные отверстия и вышибные мембраны [3-7,10,19-21]. Даже при правильном выборе площади мембраны и ее материала, гарантирующих сохранность объекта от внутреннего взрыва, остается актуальной проблема защиты самого аппарата и соседнего оборудования от действия ударных волн и горячих продуктов взрыва. При анализе задачи формирования ударных волн следует иметь ввиду, что истекающие продукты взрыва играют роль поршня. Косвенная информация о его скорости может быть получена по результатам измерений и расчетов реактивных сил, возникающих при истечении продуктов сгорания пылевзвеси после открытия разгрузочных отверстий [91,92]. Тем не менее наибольшую ценность представляют прямые измерения параметров ударных волн при разлете объема горящей пылевзвеси.
Ударные волны при разлете объема насыщенного пара воды
Внезапное расширение высокотемпературных парожидкостных систем представляет собой одну из разновидностей физического взрыва [7]. Этот процесс может реализоваться при потере герметичности офаничивающеи оболочки под действием избыточного давления парожидкостной среды. Задача определения последствий такого физического взрыва включает анализ параметров возникающего поля давления и истекающей двухфазной системы с учетом возможного действия на объекты, расположенные вне разлетающегося объема. В частности, процесс расширения паров перегретой жидкости является ключевым при решении задач безопасной эксплуатации технологических систем, использующих в качестве рабочего тела парожидкостные среды высокого давления и температуры.
Исходная парожидкостная система может иметь широкий спектр начальных состояний, что обусловливает многообразие проявлений физических взрывов в конкретных аварийных ситуациях. В общем случае методика оценки последствий физического взрыва должна включать классификацию взрывающихся объектов по физическим свойствам и агрегатным состояниям рабочего тела.
К основным контрольным параметрам, определяющим динамику разлета парожидкостных систем, по аналогии с взрывающимися сосудами, заполненными сжатым газом или газопылевой средой, относятся давление и температура в момент начала разлета. Эти параметры целесообразно соотносить с соответствующими величинами температуры и давления в окружающей среде (обычно это воздух при нормальных условиях). В [9] дана классификация различных типов взрывов в зависимости от температуры наполнителя. С точки зрения фугасного действия наибольшую опасность представляют случаи перегретой по отношению к внешним условиям жидкости. Другая классификация может быть основана на том, что потенциально опасные системы могут различаться по агрегатному состоянию рабочего тела. Как известно [33], при работе с легкоиспаряющимися и обычными жидкостями в технологический процесс закладывают максимально допустимую степень заполнения той или иной емкости. Таким образом, в сосуде (например, цистерне со сжиженным углеводородным горючим) всегда имеется паровой объем выше определенного уровня жидкости. Другая ситуация возникает, когда паровые включения располагаются относительно равномерно по объему жидкости. Такая ситуация может встретиться, например, при перекачивании легкоиспаряющегося компонента, причем в этом случае форма паровых включений весьма разнообразна (снарядный, пузырьковый режим и т.д. [60]). Типичный сценарий аварии включает разрушение ограничивающей оболочки, внутри которой содержится парожидкостная система. Для случая двухфазной стратифицированной смеси необходимо по [33] различать два основных случая аварийного разрыва емкостей с легкоиспаряющейся жидкостью, а именно, пробой выше и ниже уровня жидкости. Это, на первый взгляд, условное разделение имеет важный практический аспект. При внешнем нагреве замкнутого объема (например: герметичная цистерна со сжиженным газом, охваченная пламенем) механическая прочность стенки меньше, если нагрев производится выше уровня жидкой фазы. Следовательно, в этом случае разрыв оболочки более вероятен.
При анализе разлета объема высокого давления, содержащего высокотемпературную парожидкостную систему основное внимание необходимо уделить по аналогии с задачей о фугасном действии при разрыве сосудов высокого давления исследованию параметров волн разрежения, распространяющихся внутрь разлетающегося объема, и формирующимся в окружающей среде ударным волнам. Кроме того, помимо фугасного воздействия характерной особенностью рассматриваемой задачи является возможное истечение (выброс) жидкой фазы, которое может привести к определенному термическому и механическому воздействию на внешние объекты.
Среди перечисленных явлений изучался процесс распространения волн разрежения. Экспериментальные исследования параметров волн разрежения при разлете паровых систем проводились в [93,116,117]. Для этого случая аналогично газовым смесям скорость головы волны разрежения необходимо сопоставлять со скоростью звука. Таким образом, помимо [93,116,117] определенную ценность представляют сведения об измерениях скорости звука в насыщенном паре, содержащиеся в [60,118]. В общем случае, следует учитывать, что течение в волне разрежения может быть осложнено фазовыми переходами (конденсацией) [119].
В [93,117] на модельной установке, в которой волна разрежения создавалась при разрыве пластической диафрагмы, проведены исследования распространения ВР в парах воды. Измерения проводились при давлении 0,12 и 0,305 МПа для пересыщенного, насыщенного и перегретого пара. Отношение массы пара к массе смеси варьировалось в диапазоне 0,2 - 1, а степень перегретости достигала порядка 40 К. Согласно [93,117] скорость головы волны разрежения в пересыщенном паре слабо зависит от влажности пара и не соответствует зависимости, рассчитанной в предположении изэнтропического истечения. В [117] сделан вывод о том, что при быстром расширении фазовые переходы, соответствующие изэнтропическому процессу не реализуются, по крайней мере, на начальной стадии истечения влажного пара. В случае насыщенного и перегретого пара результаты эксперимента удовлетворительно соответствуют значениям, рассчитанным в предположении изэнтропичности истечения. В [93,117] сведения о динамике изменения давления в волнах разрежения отсутствуют.
Другой предельный случай представляет процесс сброса давления в объеме, заполненном высокотемпературной жидкостью. Заметим, что задача определения динамики изменения давления внутри и вне разгружаемого объема является одной из ключевых в анализе потенциальных аварийных ситуаций в атомной энергетике и химической промышленности. В зависимости от начальных условий, в которых находится разлетающийся объем, реализуются процессы той или иной степени сложности. При несущественном перегреве жидкости по отношению к внешним условиям, фазовым переходом (испарением) можно пренебречь. В этом случае при расчете параметров волн разрежения допустимо использовать эмпирические уравнения состояния жидкости, аналогичные уравнению Тета. Такой подход применительно к одномерном плоскому случаю развит в [120]. Поскольку типичные значения степени расширения жидкостей в 1000 раз меньше, чем в газах, то следует ожидать формирование в присоединенном объеме слабого, практически акустического, возмущения давления, скорость распространения которого близка к скорости звука в окружающей среде и фугасным действием которого, во многих случаях можно пренебречь.
В случае, когда температура жидкости достаточно высока, при внезапной потере герметичности происходит вскипание, и образуются значительные количества пара. В [9] высказывается предположение, что при этом расширение паров может привести к формированию ударной волны, однако, какие-либо количественные оценки или экспериментальные факты не приводятся.
Газодинамические эффекты при истечении сгорающей газовой смеси из объемов с различной степенью загроможденное
Методика проведения эксперимента основана на схеме, описанной в главе 3. Перед опытом в ВК монтировалась разрывная мембрана и помещалось определенное количество воды (20-40 мл). В процессе нагрева взрывная камера заполнялась насыщенным паром с давлением соответствующим степени нагрева. После достижения заданного давления пара рух (при температуре насыщения 7\) в ВК добавлялась исследуемая водородовоздушная смесь. Для предотвращения конденсации и обеспечения равномерного перемешивания смесь подавалась небольшими порциями через обогреваемую магистраль. При достижении давления рь заданного толщиной мембраны, последняя разрывалась и по ВК начиналось распространение волны разрежения (ВР). Падение давления (температуры) в проходящей и отраженной от верхнего фланца ВР приводило к конденсации части насыщенного пара. После того как давление в ВК достигало величины давления в окружающей среде (воздух при р0= ОД МПа), взрывная камера оказывалась заполненной готовой к воспламенению системой водород+воздух+пар+микрокапли (туман). Изменение давления в ВК регистрировалось тремя пьезоэлектрическими датчиками ДД1-ДДЗ (см. рис.5.1). По истечении установленного временного интервала подавалось напряжение на взрывающуюся проволочку. Давление разрыва мембраны варьировалось в диапазоне р\ = 0,3 - 1,5 МПа. Исследовались водородовоздушные смеси в диапазоне объемной концентрации водорода -от бедной (10%Н2) до стехиометрической (30%Н2) смеси.
Для визуализации процессов формирования микрокапель (тумана) и распространения пламени взрывная камера оборудована симметрично расположенными стеклянными окнами. Система регистрации процесса распространения пламени включала до шести германиевых фотодиодов ФД1-ФД6, расположенных как показано на рис.5.1. В отличие от стандартной методики измерения положения фронта пламени в трубах с помощью оптоэлектронных полупроводниковых сенсоров, в описываемой установке каждый фотодиод работает в комбинации с расположенным напротив инфракрасным излучателем (ИИ1-ИИ6 на рис.5.1,5.2). В качестве излучателей использованы светодиоды с рабочей длиной волны 0,96 мкм. Применение такой схемы измерений открывает возможность получения дополнительной информации о процессе формирования гетерогенной смеси и о динамике взаимодействия пламени с взвешенными микрокаплями, поскольку, интенсивность прошедшего излучения зависит от концентрации и размера частиц газовзвеси. Особенностью исследуемого процесса является то, что пламя является источником ИК излучения (в том числе и на рабочей длине волны свето диодов). С целью разделения излучения собственно пламени и светодиодов сигнал последних модулировался с помощью генератора ступенчатых импульсов Г5-54. Подобный методический прием используется в практике спектральных измерений в излучающих газовых средах [206]. Выбранный период модуляции (50 - 100 мкс) значительно ниже времен, характерных для исследуемых пламен, распространяющихся с видимыми скоростями порядка 5-20 м/с. Сигналы фотодиодов и датчиков давления записывались встроенным в персональный компьютер многоканальным АЦП Т512.
В опытах также реализован метод измерения параметров взвешенного облака микрокапель по поглощению ИК излучения на двух длинах волн. В качестве приемника излучения использовался двухполосный Si-Ge фотодиод.
Количественные оценки параметров конденсированной фазы (микрокапель) играют важную роль при интерпретации динамики формирования газокапельного облака и распространения пламени в двухфазной системе. К таким параметрам относятся объемная доля жидкой фазы, число капель в единице объема, а также средний размер единичной капли. В практике исследований процесса конденсации в результате быстрого расширения наиболее распространенным является метод определения концентрации и размера микрокапель по поглощению излучения на определенных длинах волн (обычно оптического и ближнего ИК диапазона). Пример реализации такого метода представлен в работе [189], в которой размер капель конденсата определялся по поглощению излучения на длинах волн Я = 0,437 и 0,633 мкм. Для оценки распределения частиц по размеру в [191] применен трехволновой метод при Я = 0,633, 0,807 и 1,152 мкм. Размер микрокапель конденсата, получаемых методом расширения, оказывается близок к 1 - 2 мкм. Поэтому выбранные в [189,191] значения длин волн, не случайны, а ориентированы на оптимальную точность измерений. Пример успешного применения метода поглощения видимого и ближнего инфракрасного излучения к процессам горения представлен в [207], где измерялись размеры и концентрация частиц сажи в продуктах сгорания керосина.
Специфика метода поглощения накладывает определенные требования на спектральный диапазон чувствительности и пространственное разрешение применяемых фотоприемников. Общим недостатком измерений в [189,191] явилось то, что для каждой длины волны использовался индивидуальный детектор и измерения производились в различных (пусть и расположенных достаточно близко друг от друга) областях исследуемого объема. Для преодоления указанного недостатка целесообразно использовать фотодетектор, основанный на двухполосном Si-Ge фотодиоде (ДПФД).
Принцип действия ДПФД, разработанного в НПО «Орион», основан на фундаментальных свойствах твердотельных полупроводниковых материалов таких как кремний и германий. Диапазоны спектральной чувствительности Si и Ge фотодиодов различны (Я « 0,4 - 1,1 мкм для Si фотодиода и Я « 0,4 - 1,7 мкм для Ge фотодиода) [208]. Таким образом, кремний поглощает практически все излучение в диапазоне 0,4 Я 1,1 мкм [209]. Это обусловливает возможность использования кремния в качестве отрезающего фильтра для спектрального диапазона чувствительности германия. В [210] описано применение ДПФД в качестве чувствительного элемента для пирометра спектрального отношения.
Рисунок 5.3 представляет конструкцию двухполосного фотодиода, его спектральную характеристику чувствительности и внешний вид фотоприемника и усилителя, разработанных для определения размера и концентрации микрокапель, формирующихся при конденсации в результате расширения. Как показано на рис.5.За Si-Ge фотодиод имеет слоевую структуру, в которой тонкий (порядка 30 мкм толщиной) Si слой нанесен на Ge подложку. Относительные спектральные характеристики чувствительности т(Х) кремниевого и германиевого каналов представлены на рис.5.36. Как видно особенностью двухполосного фотоприемника является возможность измерения интенсивности излучения одновременно в двух спектральных интервалах: 0,4 X 1,1 мкм и 1,0 X 1,8 мкм. Указанный рабочий диапазон ДПФД (оптическое и ближнее инфракрасное излучение) отвечает задаче измерения параметров облака микрочастиц имеющих размеры 1-2 мкм. Преимущество ДПФД заключается в том, что оба чувствительных элемента располагаются на одной оптической оси. Это позволяет упростить оптическую схему и не использовать дополнительные элементы, например, фильтры и системы разделения оптического пути.
