Введение к работе
Актуальность темы. Значительный интерес исследователей к проблемам и задачам механики пузырьковых сред обусловлен широким распространением таких систем в природе и их интенсивным использованием в современной технике. Пузырьковая жидкость широко встречается в природе и является весьма распространенной рабочей средой в ряде отраслей народного хозяйства, таких, как теплоэнергетика, криогенная техника, химическая, нефтегазодобывающая и другие отрасли промышленности. При этом наиболее интересными и важными являются волновые процессы в пузырьковых жидкостях, носящие нестационарный и многомерный характер. Определяющим механизмом лри распространении волн давления в пузырьковых жидкостях в наиболее интересных с точки зрения практики ситуациях является диссипация из-за неравновесного теплообмена между газом в пузырьках и жидкостью, кроме того, может происходить явление усиления волн, обусловленное локальной деформационной инерцией пузырьковой смеси. Импульсные волны могут затухать в процессе эволюции в результате конкуренции нелинейных, диссипативных и дисперсионных эффектов. Знание закономерностей протекания волновых процессов позволяет конструировать пузырьковые экраны, способные эффективно демфировать динамическое воздействие ударных волн на преграды в жидкостях.
Пузырьковая жидкость с рорючей смесью газов (вода с пузырьками гремучего газа или смесью углеводородов с кислородом) является взрывчатым веществом (ВВ), в котором при воздействии импульсом давления порядка десяти-двадцати. атмосфер может возникать детонационная волна с амплитудой до сотни атмосфер . Массовая калорийность такого ВВ на шесть и более порядков ниже, чем обычных твердых, жидких и газообразных ВВ. Такие низкокалорийные ВВ являются эффективным средством для усиления и поддержания волн, а также для кратковременного повышения давления в локальных зонах. Кроме того, в горючих жидкостях, содержащих завесы с паро-воздушными пузырьками, резкие толчки при транспортировке могут способствовать образованию детонационных волн, приводящих к аварийным ситуациям.
К настоящему времени одномерные нелинейные и детонационные волны в пузырьковой жидкости теоретически и экспериментально достаточно подробно изучены. Но большинство реальных задач на практике являются много-
мерными. На данный момент активно ведутся исследования по изучению двумерных волн в пузырьковой жидкости (Ксдринский В. К., Накоряков В. Е., Донцов В. Е., Ждан С.А., Губайдуллин А. А., Вахитова Н. К,, Masaharu К., Matsumoto Y.). Необходимость изучения двумерных волн возникает, например, при распространении волн давления в однородной жидкости при наличии в ней зоны конечных размеров с пузырьками газа, или в случае сосредоточенного удара но пузырьковой жидкости.
Исходя из вышесказанного, исследование динамики двумерных нелинейных и детонационных волн в пузырьковой жидкости является одной из актуальных проблем волновой динамики многофазных сред.
Таким образом, актуальность темы диссертации обусловлена необходимостью развития теории волновой динамики гетерогенных сред, расширения и углубления теоретических представлений о нестационарных волновых процессах в пузырьковых системах, интенсивным использованием многофазных см&-сей в технике, необходимостью анализа взрывобезопасности соответствующих гетерогенных систем.
Цель работы: теоретическое исследование особенностей и эффектов волновой динамики в неоднородной по объемному содержанию газа пузырьковой жидкости с учетом двумерных эффектов.
В соответствии с представленной целью в диссертационной работе рассматривались следующие задачи:
-
Динамика двумерных нелинейных и детонационных волн в пузырьковой жидкости с различной геометрией распределения пузырьков.
-
Влияние определяющих параметров (размеров, объемного содержания взрывчатого газа, дисперсности) пузырькового кластера на эволюцию детонационных волн в кластере. Определение критических параметров, при которых возможны возникновение и срыв детонационной волны.
-
Эволюции волн давления в трубе со ступенчатым распределением пузырь-коп но сечению и в газожидкостной среде кластерной структуры.
-
Особенности динамики плоских акустических и нелинейных одномерных волн в жидкостях, содержащих пузырьковые завесы, и отражения волн от преград, покрытых пузырьковой завесой.
Научная новизна
Численно исследовано распространение двумерных волн давления в жидко-
сти при наличии в ней пузырьковой зоны конечных размеров. Создан вычислительный алгоритм для решения задач, связанных с описанием распространения возмущений в жидкости при наличии пузырьковых зон, и в пузырьковой жидкости с учетом двумерных и нелинейных эффектов.
Изучено влияние неоднородности распределения пузырьков в объеме пузырьковой смеси на динамику детонационных волн. Рассмотрен взрыв завесы конечного размера с пузырьками горючего газа, находящейся в объеме чистой жидкости, при воздействии на границу чистой жидкости импульсом давления умеренной амплитуды. Исследована динамика двумерных детонационных волн в кусочно-неоднородной среде.
Изучена динамика волн в трубе, заполненной пузырьковой смесью, при ступенчатом распределении объемного содержания газа. Объяснены механизмы усиления амплитуды волны в пузырьковой жидкости кластерной структуры.
Исследованы детонационные волны, распространяющиеся вдоль трубчатого пузырькового кластера, находящегося в большом объеме жидкости.
Для слабых гармонических волн получены и проанализированы аналитические выражения коэффициентов отражения и прохождения при наличии границ, разделяющих области однофазных и гетерогенных сред.
Основные положения и результаты, выносимые на защиту
1. Теория двумерных волн давления в пузырьковой жидкости. Результаты
расчетов, показывающие, что при распространении импульсных сигналов
в жидкости, содержащей пузырьковую зону конечных размеров, в случае
достаточно большой временной протяженности импульса (i, > 1/Се, где
/ - характерный размер завесы, Ct - равновесная скорость звука в пузырьковой жидкости) внутри завесы может происходить нарастание амплитуды исходного сигнала, а в случае коротких импульсов (U < l/Cf ) частицы двухфазной системы, находящиеся внутри завесы, практически не чувствуют прохождения волнового импульса.
2. Результаты, показывающие, что воздействие на трубчатые кластеры с взрыв
чатым газом внутри пузырьков через окружающую чистую жидкость су
щественно (более чем в два раза) снижает критическую амплитуду ини
циирующего импульсного давления. Существование минимального радиуса
кластера, зависящего от объемного содержания пузырьков, их дисперсности и характеристик взрывчатой газовой смеси, обеспечивающего устойчивый режим распространения детонационного солитона.
3, Установленные в работе закономерности распространения одномерных звуковых и нелинейных волн давлення в жидкости, содержащей пузырьковую завесу, и эволюции детонационных волн в пузырьковой жидкости с неоднородным объемным содержанием.
Научная и практическая значимость. Полученные в работе результаты могут быть использованы для объяснения механизмов гашения и усиления волн давления с использованием пузырьковых завес. Разработанные модели, Алгоритмы и программы могут быть использованы для решения конкретных прикладных задач волновой динамики двухфазных сред. Так, например, эффекты ослабления или усиления волн в жидкости пузырьковыми завесами могут быть использованы при охране подводной фауны от взрывных волн, возникающих при проведении ремонтно-строительных работ с применением энергии взрыва, а также должны учитываться при расчете и проектировании инженерных сооружений и т.д. Результаты исследований по динамике детонационных волн вдоль трубчатого пузырькового кластера, расположенного в жидкости, могут быть использованы в вопросах передачи управляемых сигналов в объеме жидкости.
Результаты, полученные в работе, расширяют и углубляют теоретические представления о волновых процессах в многофазных средах.
Результаты диссертации отражены в спецкурсах "Динамика гетерогенных систем с физико-химическими превращениями" и "Волновая динамика газожидкостных систем'*, читаемых автором на физико- математическом факультете СГПА.
Обоснованность и достоверность полученных в работе результатов следует из того, что они основаны на общих законах и уравнениях механики сплошных сред, и из качественных и количественных совпадений результатов расчета с результатами расчетов и экспериментов других авторов.
Апробации работы. Основные результаты, полученные в диссертации, докладывались на следующих конференциях и научных школах: на Международной конференции по многофазным системам, посвященной 60-летию ака-
демика РАН Р. И. Нигматулина ICMS-2000 (Уфа, 2000); на VI, VIII школе-семинаре стран СНГ «Акустика неоднородных сред* под руководством профессора В. К. Кедринского (Новосибирск, 2000, 2004); на VIII Всероссийском съезде по теоретической и прикладной механике (Пермь* 2001); на XVI сессии Международной школы по моделям механики сплошной среды (Казань, 2002); на VIII Четаевской международной конференции «Аналитическая механика, устойчивость и управление движением» (Казань, 2002); на IV Всероссийском симпозиуме по прикладной и промышленной математике (Сочи, 2003); на XIII, XV, XVI сессиях Российского акустического общества (Москва 2003, 2005; Н.Новгород 2004); на XIII симпозиуме по горению и взрыву (Черноголовка, 2005); на квалификационном семинаре отдела физической гидродинамики ИГИЛ СО РАН под руководством профессора В. К. Кедринского (Новосибирск, 2005); на семинаре института механики МГУ под руководством профессора А.Н. Осипцова (Москва, 2005); на семинаре кафедры волновой и газовой динамики МГУ под руководством академика РАН Е.И. Шемякина (Москва, 2005); на семинаре Тюменского филиала ИТПМ СО РАН под руководством профессора А. А. Губайдуллина (Тюмень, 2005); на семинаре ИММ КНЦ РАН под руководством член-корр. РАН Д.А. Губайдуллина (Казань, 2005); на семинаре института механики УНЦ РАН под руководством академика РАН Р.И. Нигматулина (Уфа, 2005).
Публикации. По результатам диссертации опубликовано 30 работ.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы. Объем диссертации составляет 248 страниц, в том числе 115 рисунков. Список литературы включает 143 наименований.
