Введение к работе
Актуальность работы
Широкое применение порошковых материалов и жидких аэрозолей в современной промышленности и энергетике показало, что большинство органических пылей и аэрозолей, а также металлические порошки взрывоопасны. Несмотря на различия химических свойств, взрывы всех видов пылей имеют схожую картину развития и разрушительные последствия. По материальному ущербу и человеческим жертвам пылевзрывы признаются наиболее опасными техногенными катастрофами, а непрекращающиеся аварии с различными дисперсными материалами свидетельствуют о недостаточном понимании процессов при пылевом взрыве и мер их предотвращения.
Ударная волна (УВ), будучи неотъемлемой частью всех взрывных процессов, в двухфазных смесях является одним из основных факторов взрываемости. Это связано с рядом эффектов взаимодействия УВ с газожидкостной или пыле-газовой системой, ответственных не только за воспламенение, но за само формирование взрывоопасной смеси. Таким образом, изучение УВ в двухфазных средах, являясь фундаментальной задачей в рамках проблемы пылевого взрыва, актуально и для инертной стадии взаимодействия фаз.
Скоростная неравновесность двухфазного потока за УВ порождает ряд эффектов, присущих всем градиентным течениям в период скоростной релаксации фаз. Это связано с подобием процессов межфазного обмена количеством движения и универсальностью релаксационных параметров в неравновесных двухфазных потоках. Поэтому результаты исследований УВ в двухфазных системах востребованы в целом ряде других приложений. Течения смесей газа с твердыми частицами или каплями это большой класс задач физической газодинамики, имеющий приложения в авиационном и ракетном двигателестроении, энергетике, химической индустрии и т.д. Это свидетельствует об актуальности исследований взаимодействия УВ с пылегазовыми и газокапельными системами, и в частности, динамики частиц и капель в потоке за УВ.
Цель и основные задачи работы
Цель работы - исследование взаимодействия проходящих УВ с пылегазовыми и газокапельными системами на ранней стадии скоростной релаксации, а также изучение обратного влияния примеси на газовый поток и внутрифазного взаимодействия частиц дисперсной фазы в условиях нестационарного обтекания частиц.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи.
1. Исследование динамики и аэродинамического сопротивления твердых одиночных сферических частиц и частиц неправильной формы на ранней стадии скоростной релаксации в потоке за УВ в трансзвуковом диапазоне относительных чисел Маха и чисел Рейнольдса более 10 .
Изучение динамики и аэродинамического сопротивления капли за УВ с учетом деформации и массоуноса, а также изучение особенностей разрушения и определение критериев смены механизмов в режиме срывного массоуноса.
Экспериментальное исследование влияния концентрации пылевзвеси на динамику ускорения частиц за УВ и теоретический анализ обратного влияния дисперсной фазы на параметры течения. На основе полученных данных рассмотрена задача о трансзвуковом переходе в сильных УВ в двухфазной смеси.
Исследование механизмов внутрифазного парного взаимодействия сферических частиц в потоке за УВ для двух канонических конфигураций: 1) взаимодействие через аэродинамический след при продольном расположении частиц; 2) обтекание пары тел с линией центров поперек потока.
Экспериментальное исследование взаимодействия УВ со слоем гранулированного материала на ранней стадии подъема слоя и создание физической модели процесса на основе параметрического анализа полученных данных по динамике подъема частиц.
Научная новизна
Впервые получены экспериментальные данные по аэродинамическому сопротивлению сферы и тел неправильной формы в потоке за УВ в диапазоне трансзвуковых относительных чисел Маха и чисел Рейнольдса более 10 , характерных для УВ средней и высокой интенсивности, а также сверх- и трансзвуковых градиентных двухфазных течений.
Впервые в рамках одного подхода изучен срывной режим разрушения капель маловязких жидкостей в широком диапазоне чисел Вебера 200
Впервые изучена микроструктура течения вблизи и в следе капли перед началом массоуноса, исследована зависимость задержек разрушения от определяющих параметров, сформулирован физический критерий смены двух механизмов массоуноса в рамках срывного режима разрушения капли.
Экспериментально исследован и теоретически проанализирован эффект обратного влияния дисперсной фазы на газовый поток на ранней стадии взаимодействия УВ с облаком пылевзвеси; сформулирован количественный критерий перехода от режима одиночных частиц к коллективным эффектам из-за стесненности течения газовой фазы в облаке частиц.
5. Впервые экспериментально изучено близкое взаимодействие частиц в потоке за УВ по аэродинамическим механизмам; предложены и экспериментально подтверждены количественные критерии взаимного влияния свободно ускоряющихся в потоке сфер при продольном и поперечном расположении относительно потока. Для поперечной системы сфер установлен критерий формирования коллективного головного скачка.
6. Экспериментально исследована ранняя стадия подъема слоя пыли за УВ; предложен механизм подъема частиц, основанный на эффекте хаотизации скорости частиц из-за множественных нецентральных соударений частиц верхнего слоя, получивших подвижность от потока, скользящего над слоем.
Практическая ценность работы
Результаты исследования динамики частиц и капель за УВ, прежде всего, имеют практическую ценность для понимания процессов при пылевых взрывах. Возможность выполнять оценки параметров скоростной релаксации частиц примеси важна при определении характера и темпа теплообмена для предсказания задержек и зоны воспламенения. Предложенные в работе новые методы анализа траекторных данных по многокадровой теневой визуализации позволили выработать единый подход к анализу динамики твердых частиц и жидких капель на основе универсальных параметров скоростной релаксации, получаемых при обезразмеривании уравнений движения частиц в потоке за УВ. Знание особенностей межфазного взаимодействия в условиях скоростного запаздывания востребованы также в большом числе практически важных приложений, связанных с любыми градиентными двухфазными потоками. Одним из важных практических применений результатов по динамике частиц и капель является реализация техники восстановления скорости газа по скорости частиц на произвольной стадии скоростной релаксации.
Практическая ценность представленных результатов подтверждается успешным применением разработанных методов и подходов в работах по хоздоговорам в Российских и международных проектах.
Личный вклад автора заключается в экспериментальной реализации и теоретическом обосновании представленных в работе исследований физических механизмов взаимодействия УВ с пылегазовыми и газокапельными системами. Большой вклад в формулировку основных задач и обсуждение результатов внес д.ф.-м.н. Бойко В.М. Результаты по внутрифазному взаимодействию частиц получены при активном участии аспиранта Клинкова К.В.; в обработке графических данных по динамике капли участвовали студенты Ядрова И.А. и Запрягаева Е.В. Предлагаемые модели исследованных процессов, вошедшие в основные защищаемые положения, получены автором самостоятельно. Текст автореферата согласован с соавторами.
Основные положения, выносимые на защиту:
экспериментальная реализация и обоснование метода определения аэродинамического сопротивления свободно ускоряющихся тел в потоке за УВ, основанного на измерении обобщенных параметров скоростной релаксации по тра-екторным измерениям;
разработка метода восстановления скорости несущей фазы по динамике частиц дисперсной фазы на произвольной стадии скоростной релаксации в по-
токе за УВ, а также для некоторых канонических течений на основе измерения обобщенных параметров скоростной релаксации;
результаты исследования аэродинамического сопротивления сферы и тел неправильной формы по траекторным измерениям динамики ускорения в транс- и сверхзвуковых потоках за УВ;
результаты экспериментального исследования аэродинамического сопротивления капель маловязких жидкостей на основных и переходных режимах разрушения в широком диапазоне чисел Вебера в период деформации и начальной стадии массоуноса;
результаты экспериментов по задержкам разрушения капель маловязких жидкостей в УВ в диапазоне чисел Вебера 200 результаты исследования обратного влияния дисперсной фазы на параметры течения несущей фазы. Решение задачи о трансзвуковом переходе в двухфазном потоке за УВ как одного из механизмов формирования коллективной головной волны перед облаком частиц; результаты экспериментов по обтеканию пары сферических тел с линией центров, расположенных поперек сверхзвукового потока за фронтом УВ. Механизм и критерий формирования коллективной головной волны перед поперечной системой свободно ускоряющихся тел; результаты исследования продольной системы сферических тел, расположенных одно в следе другого, в сверхзвуковом потоке за УВ. Механизм снижения аэродинамического сопротивления подветренного тела; результаты экспериментального исследования взаимодействия проходящей УВ со слоем гранулированного материала. Модель подъема частиц по механизму поперечного рассеивания траекторий при множественных соударениях в поверхностном подвижном слое. Достоверность результатов обеспечивается детальным метрологическим анализом используемых методов траекторных измерений динамики частиц и капель за УВ, а также оценками погрешности определения параметров УВ, что подтверждается данными тестовых экспериментов, повторяемостью и согласием результатов измерений, выполненных разными методами. Апробация основных результатов. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на семинарах Института теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича (руководители: академик В.М. Фомин, профессор А.В. Федоров), а также на 11 Всесоюзн. НТК "Высокоскоростная фотография и метрология БПП" (Москва, ВНИИОФИ, 1983); 8 Intern. Symp. on Combustion Processes (Poland, 1983); Всесоюзн. сем. "Многофазные потоки в плазменной технологии. Проблемы моделирования" (Барнаул, 1984); 1 Между -нар. коллоквиуме по взрываемости промышленных пылей (Варшава, Польша, 1985); 6 Всесоюзн. съезде по теоретической и прикладной механике (Ташкент, 1986); Совещ.-сем. по механике реагирующих сред (Красноярск, 1988); 3 Intern. Colloquiuim on Dust Explosions (Poland, Warsawa, 1988); 3-th Intern. Seminar on Flame Structure (Alma-Ata, USSR, 1989); 4-th Intern Colloq. on Dust Explosions (Poland, 1990); 5 Всесоюз. пік. - сем. "Современные проблемы механики жидкости и газа" (Иркутск 1990); 13-th Intern. Colloquium on Dynamics of Explosions and Reactive Systems (Nagoya, Japan, 1991); Intern. Conference on Methods of Aerophysical Research (ICMAR, Novosibirsk, Russia, 1994, 1996, 1998, 2000, 2002, 2004, 2008, 2010); 6-th ICDE (Shenyang, China, 1994); 7-th International Colloquium on Dust Explosions (Bergen, Norway, 1996); Annual Scient. Conf. GAMM99 (Metz, France, 1999); Всероссийском семинаре «Динамика многофазных сред» (Новосибирск, 2000); Междунар. семинаре «Течения газа и плазмы в соплах, струях и следах» (Санкт-Петербург, 2000); Междунар. семинаре «Модели и методы аэродинамики» (Евпатория, 2001); VI Междунар. Научно-технич. Конф. «Оптические методы исследования потоков» (Москва, 2001); VIII Всероссийском съезде по теоретической и прикладной механике (Екатеринбург, 2001); 9-th European Turbulence Conference (Southampton, U.K., 2002); Междунар. школе-семинаре «Модели и методы аэродинамики» (Москва, 2002); 59-ой научно-технической конф. Новосибирского государственного архитектурно-строительного университета (Новосибирск, 2002); Всероссийской конференции "Аэродинамика и газовая динамика в XXI веке" (Москва, МГУ им. Ломоносова, 2003); EFMC 2003 Conference (Toulouse, France, 2003); XXI Всероссийском семинаре «Струйные, отрывные и нестационарные течения» (Новосибирск, 2007); 7-th World Conference on Experimental Heat Transfer, Fluid Mechanics and Thermodynamics ExHFT-7 (Krakow, Poland 2009); XXII юбилейном семинаре с международным участием по струйным, отрывным и нестационарным течениям (Санкт-Петербург, 2010). Публикации. Основной материал диссертации опубликован более чем в 50 научных работах, среди которых 18 статей в ведущих научных журналах из перечня ВАК. Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав, заключения и списка литературы. Объем работы составляет 258 страниц, в том числе 93 рисунка и 4 таблицы. Список литературы содержит 330 ссылок, в том числе 55 работ автора по теме диссертации.Похожие диссертации на Динамика частиц и капель в ударных волнах
