Введение к работе
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 ї 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 илі 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 дисперсне! 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 точкі 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 шзкошютных ВВ и при низкоскоростной детонации газовых смесей в зтесненном пространстве, узких капиллярах, пористых средах много-фронтовая детонация не наблюдается (детонационные ячейки отсутствуют ), хотя детонация существует в широком диапазоне парамет-эов. В этом случае необходим поиск иных критериев для оценки пре-іелов горения и детонации.
При анализе экспериментальных данных разных авторов иногда іриходится сталкиваться с их несоответствием, - так различаются эезультаты измерений электропроводности, массовой скорости, дав-іения в продуктах детонации. Причина этого кроется в несовершен-:тве измерительных методик и требуются качественно новые подходы іля достижения успеха.
тема диссертации связана с планами научно-исследовательских забот Института гидродинамики СО РАН, Государственными программа-га, координационными планами Академии наук.
Шль 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-іествования, построении физических и теоретических моделей явленій, усовершенствовании и разработке необходимых экспериментальна методик.
- 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 изме
рений, устраняющая релаксационные процессы и обеспечивающая по
стоянство чувствительности пьезокерамики, и новый электромагнит
ный контактный метод измерения профилей массовой скорости и элек
тропроводности, изменяющихся вдоль течения.
-
Во фронте газовой и гетерогенной детонации обнаружена область объемного заряда, возникающая в результате амбиполярной диффузии электронов и ионов на границе плазмы.
-
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.
-
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, что задержка воспламенения капель не описывается аррениусовской зависимостью, построена физическая модель воспламенения капли горючего в проходящей ударной волне с учетом физической и химическое кинетик.
-
Впервые 6 пузыръковш средой: типа инертная жидкость -взрывчатый газ и горючая жидкость - газообразный окислитель получен и исследован сверхзвуковой самоподдерживающийся детонационнні 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, їєм 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
шициирования 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.
-
Показано, что при низкоскоростных режимах газовой детонацій в пористой среде имеет место конвективный струйный механизм шициирования, 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.
-
Установлена возможность распространения пламени в природном глинистом грунте в режиме фильтрационного горения топливо-зоздушной 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 = 80-5-300 м/с );
показано, что при низкоскоростной газопленочной детонация 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 плотності ВВ составляет несколько мг/см ;
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 і гетерогенных систем в каналах и пористых средах позволяют оценивать условия безопасной эксплуатации различных технологически; устройств. Полученные результаты полезны для оценки последствие аварийных взрывов в газовых и гетерогенных системах. Совокупності 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.
- 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 диссерта-ции опубликованы в 45 работах и докладывались : на открытых сессиях Ученого совета Института гидродинамики в
1982-1985, 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.;
VII, 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, їх, 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.
