Динамика детонационных и ударных волн в газовзвесях и газах Ждан, Сергей Андреевич

Введение к работе

Актуальность проблемы. Исследования детонации дисперсных систем являются важным направлением в современной механике многофазных эеагирующих сред. Интерес к гетерогенной детонации дисперсных сред типа газ-кашш, газ-твердыэ частицы, газ-ВВ и т.п. объясняется тем, іто во-первых, системы указанных типов по скоростям детонации и тараметрам за детонационной волной (ДВ) занимают промежуточное талокение между реагирующими газами и конденсированными ВВ; во-зторых, многообразие таких систем и специфика протекания элементар-шх процессов в зоне релаксации (фазовые переходы, теплообмен, зиловое взаимодействие, химические реакции, дробление включений и г.д.) порождают многообразие структур зоны реакции, как правило, не оиеющих аналогов ни в газовой детонации, ни в детонации конденсиро-занных ВВ; в-третьих, исследования гетерогенной детонации дисперс-шх систем находят применение в решении различных практических задач, например, в химической технологии, при взрывной обработке латериалов, детонационном напылении, а также способствуют разработ-се обоснованных мероприятий по пожаро- и взрывобезопасности. Всюду, ⁷де в процессе производства имеют дело с покаро-взрывоопасными щсперсными средами встают проблемы безопасности промышленных уста-гавок и производств (химических реакторов, трубопроводов, двигате-тей различного рода). При этом для понимания и прогнозирования данамики взрывных процессов особенно важны вопросы инициирования и фитических условий распространения ДВ. Все это делает актуальным гему исследования.

Анализ течений, возникающих при детонации дисперсных сред юзможен как экспериментальными, так и теоретическими методами. Зольшие масштабы (несколько метров) рассматриваемых явлений (напри-іер, инициирование объемной газокапельной детонации), как правило, ю позволяют исследовать их экспериментально в лабораторных услови-[х и приводят к значительным затратам при проведении крупномасштабно экспериментов по определению критических условий инициирования >азличных дисперсных систем. Поэтому математическое моделирование тозанных процессов оказывается часто единственным доступным методам систематического исследования динамики ДВ в таких средах. Ре-іультатн моделирования позволяют не только выяснять общие законо-іерности и характерные особенности нестационарной гетерогенной [етонации, прогнозировать с определенной точностью критические «ергии инициирования, но и существенно уменьшить объем эксперимен-

тальной работы при поиске критических условий инициирования газовзвесей. В этих условиях представляется разумным использование общего подхода, когда результаты математического моделирования соответствующих явлений сопоставляются с имеющимися в литературе экспериментальными данными.

Научный и практический интерес представляет исследование следующих вопросов: нахождение критических условий возбуждения и распространения газокапельной детонации и прогнозирование критических энергий ее инициирования, возможность распространения детонации по взвеси частиц унитарного топлива в вакууме, динамика движения и прогрева тугоплавких частиц при детонационном напылении, динамика ударных волн при взрыве заряда ВВ в камере и в газожидкостной пене, взрыв газовой реагирующей смеси в воздухе, спиновая стационарная детонация в кольцевой цилиндрической камере, реактивный импульс при взрыве газовой топливной смеси в камерах без сопла.

Перечисленные вопросы составляют предмет исследований, которые проводятся с единых позиций механики реагирующих сред.

Цель работы. Построение математических моделей и численное исследование динамики детонационных процессов в многофазных дисперсных средах типа газ-капли, вакуум-частицы ВВ, реагирующий газ -твердые инертные частицы при наличии силового и теплового взаимодействия, массооОмена и химических реакций. Анализ на основе этих моделей таких нестационарных процессов, как инициирование гетерогенной детонации в газокапельных смесях, в вакуум-взвесях унитарного топлива, разгон и прогрев частиц при детонационном напылении, распространение взрывных волн в камере, в пене и в газах.

Основные задачи исследования:

разработка математической модели для описания процесса инициирования гетерогенной (газ-капли) детонации;

получение динамики распространения детонационных волн при инициировании гетерогенной детонации различными источниками;

разработка простого метода для определения критических энергий прямого инициирования газокапельной детонации;

исследование возможности существования детонационных волн в вакуум-взвесях частиц унитарного топлива;

определение динамики движения и прогрева тугоплавких частиц при детонационном напылении;

- определение динамики ударных волн при взрыве заряда ВВ в
камере и пене, при взрыве газовой реагирующей смеси в воздухе;

-- получение структуры спиновой детонации в кольцевой цилиндри-

юской камере и величины реактивного импульса при детонации газовой :меси в камерах без сопла. Научная новизна.

1. Разработана модель для описания процесса инициирования
гетерогенной детонации в моно- и полидисперсных распылах жидкого
горючего в газообразном окислителе с учетом деформации и распада
опель, химических задержек воспламенения. Впервые изучена динамика
эаспространения ДБ при инициировании гетерогенной детонации точеч
ным взрывом, зарядом ВВ, детонирующей газовой смесью.

1. Предложен простой метод для определения критических энергий инициирования газокапельной детонации.

2. Обнаружены неустойчивые (автоколебательные) режимы детонации в криогенных водородо-кислородных смесях со средней за период скоростью большей, чем скорость детонации Чепмена-Жуге.

3. Теоретически доказана возможность существования ДВ в вакуум-взвесях частиц унитарного топлива с безударной структурой волны в режиме Чепмена-Жуге. Впервые изучены структура зоны реакции таких волн, динамика и пределы распространения, определены критические энергии инициирования, в численном эксперименте получен выход на самоподдерживающийся детонационный режим в свободных цилиндрических зарядах вакуум-взвесей.

4. Развита модель нестационарного движения тугоплавких частиц при детонационном напылении с учетом силового и теплового взаимодействия фаз в детонирующем газе, сдвига химического равновесия реагирующих продуктов. Изучена динамика движения и прогрева частиц и прямым сравнением с экспериментальными данными по скоростям и температурам частиц подтверждена справедливость модели.

6. В рамках односкоростных моделей механики сплошных сред
сформулированы и на базе разработанного комплекса одномерных и
двумерных программ решены следующие задачи о динамике взрывных и
детонационных волн: взрыв заряда ВВ в камере и в газожидкостной
пене, взрыв газовой реагирующей смеси в воздухе, спиновая стацио
нарная детонация в кольцевой цилиндрической камере, реактивный
импульс при детонации газовой смеси в камерах без сопла.

Практическая ценность работы состоит в создании научных основ динамики взрывных процессов в устройствах, используемых в химических технологиях, при взрывной обработке материалов, детонационном нанесении защитных покрытий, рабочими телами которых являются смеси реагирующих газов, аэрозолей и пылевзвесей, работающие в условиях скоростной и температурной неравновесности, фазовых переходов и

химических реакций. Результаты важны также для оценки последствий аварийных взрывов в газовых и дисперсных системах.

Апробация работы и публикации. Основные положения диссертации и результаты исследований опубликованы в 38 работах, докладывались на Всесоюзных съездах по теоретической и прикладной механике (Ташкент - 1986, Москва - 1991); Международных коллоквиумах по газодинамике взрыва и реагирующих систем (Стокгольм - 1977, Минск -1981, Беркли - 1985, Нагойя - 1991); Всесоюзных симпозиумах по горению и взрыву (Одесса - 1977, Черноголовка - 1983, Ташкент -1986, Суздаль - 1989); I Всесоюзном симпозиуме по макрокинетике и химической газодинамике (Алма-Ата - 1984); Всесоюзных конференциях "Современные проблемы механики жидкости и газа" (Иркутск - 1988; Иркутск - 1990); Всесоюзном симпозиуме по газодинамике взрывных и ударных волн, детонационного и сверхзвукового горения (Алма-Ата -1991); I Всесоюзном совещании по детонации (Черноголовка - 1978); Всесоюзных школах-семинарах по физике взрыва и применению взрыва в эксперименте (Новосибирск - 1981, Красноярск - 1984); Международном Российско-японском семинаре по горению (Черноголовка - 1993); Международной конференции по горению, посвященной 80-летию Я.Б. Зельдовича (Москва - 1994), а также на научных семинарах ИТПМ СО РАН, Томского Государственного Университета, ИГиЛ СО РАН.

Структура и обЪем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения и списка литературы. В конце каждой главы приведены краткие выводы. Общий объем 285 страниц, в том числе 220 страниц текста. Список литературы включает 254 наименования.