Введение к работе
Аетуальность проблемы. Возрастание объемов производства, хранения, транспортировки и переработки нефтепродуктов, горючих органических пылей и металлических порошков привело к большой заинтересованности в разработке эффективных мер предотвращения взрывов и, как следствие, к наблюдаемой в последние годы интенсификации исследований, направленных на более глубокое изучение взрывных явлений в двухфазных средах. Особую актуальность приобрели исследования, направленные на выяснение возможности возникновения в аэровзвеси детонационного режима горения и на выявление роли ударных волн в развитии взрыва.
Чтобы предсказывать пределы горения и детонации, рассчитывать скорость детонации, устанавливать условия инициирования и т.д., требуются детальные сведения о поведении частиц в релаксационной зоне за фронтом лидирующей ударной волны при температурах и давлениях, характерных для пылегазовых взрывов (Г = 1000 -s- 2500 К, Р= 1 * 6 МПа). Поэтому необходима постановка экспериментов, направленных на изучение микроструктуры двухфазных течений, т.е. физических процессов, связанных с ускорением, деформацией, дроблением, испарением, воспламенением и горением капель и твердых частиц.
Для получения информации о динамических и структурных особенностях газовой и дисперсной фаз в нестационарных высокоскоростных двухфазных течениях требуется высокоинформативное диагностическое оборудование, обладающее высоким пространственно-временным разрешением и хорошей чувствительностью. В связи с этим возникла необходимость создания и внедрения в практику исследований ударно-волновых явлений в двухфазных средах, по-существу, нового комплекса быстродействующей измерительной аппаратуры, основанной на использовании современных бесконтактных методов оптической регистрации.
Связь с государственными программами и НИР: работа по теме диссертации выполнялась в соответствии с планами научно-исследовательских работ Института теоретической и прикладной механики СО РАН по теме: "Исследование физических процессов в двухфаз-
ных потоках смеси газа с частицами" (номер госрегисграции 01.09.20.001606).
Цель работы. Разработка и создание эффективных методов лазерной диагностики нестационарных высокоскоростных двухфазных течений. Проведение на их основе систематических комплексных экспериментальных исследований физических микропроцессов, генерируемых ударными волнами в газовзвесях дисперсных материалов.
Научная новизна:
0 На основе лазерного стробоскопа, генерирующего серии импульсов длительностью 30 не с регулируемыми числом импульсов (1 * 50) и интервалами (5 -г 500 мке) между ними создан комплекс быстродействующих схем оптической визуализации высокоскоростных двухфазных течений. Впервые реализован метод многоэкспозиционной фоторегистрации частиц в высокоскоростных высокотемпературных гетерогенных потоках.
0 Методами многокадровой теневой лазерной визуализации и фоторазвертки свечения пламени исследована динамика ускорения, разрушения и воспламенения капель горючих жидкостей, что позволило уточнить механизм реализации срывного типа разрушения капли и получить более точные и достоверные данные по задержкам воспламенения жидких углеводородных топлив за отраженными и проходящими УВ в диапазоне температур 1000-г 2000 К. Впервые в идентичных условиях получены картины разрушения капель сильновязких (р.1 - 1 Нс/м2) и маловязких (u; ~ 10"3 Нс/м2) жидкостей.
0 Впервые исследовано влияние концентрации частиц на динамику ускорения и разлета облаков твердой дисперсной фазы при их сверхзвуковом обтекании. Определено значение критической концентрации, при которой начинают проявляться эффекты "стесненности", приводящие к существенному изменению ускорения частиц. Показано, что этот эффект связан с формированием "коллективной" головной УВ перед облаком частиц.
Ф Экспериментально показана возможность разогрева газа при торможении сверхзвукового потока на облаке частиц.
О Впервые методом лазерного "ножа" измерены скорости частиц внутри ствола детонационной установки, зарегистрирован процесс их разрушения при плавлении материала частиц в высокотемпературном потоке газа.
О Методом фоторазвертки свечения пламени исследованы процессы воспламенения порошков Mg, А1 и угольных пылей за отраженными УВ (Г= 1000 -з- 2000 К). Обнаружено поджигающее воздействие мелких частиц. Получено выражение, описывающее задержки воспламенения угольных пылей в зависимости от содержания летучих, температуры и состава окислительной среды.
О Методом многокадровой теневой лазерной визуализации исследована динамика смесеобразования за проходящими УВ, скользящими над поверхностями жидких пленок и отложений пыли. Установлено, что увеличение толщины слоя газожидкостной смеси связано с ростом амплитуды волновых возмущений на поверхности пленки, а максимальная высота подъема смеси зависит от начальной толщины пленки.
0 Впервые исследован процесс образования двухфазной смеси за проходящими УВ, скользящими над слоями пылевых отложений с частицами размером > 50 мкм. Показано, что в механизме формирования двухфазного слоя принципиальную роль играют столкновения. Для частиц, вращающихся в сносящем потоке газа, важную роль может играть также сила Магнуса.
Практическая ценность работы. Разработанные методы быстродействующей лазерной визуализации легли в основу диагностического комплекса, предназначенного для лабораторных исследований высокоскоростных двухфазных течений, генерируемых ударными и детонационными волнами. Они также эффективно использовались при исследованиях: взаимодействия сверзвуковых двухфазных потоков с преградами; высокоскоростного соударении тел; динамических процессов в камерах сгорания дизелей; дробления струй различных жидкостей сносящим потоком газа и т.д. Эти методы могут найти дачьнейшее применение при решении широкого круга задач в газодинамике многофазных сред, а также при исследовании различных быстропротекающих процессов в физике взрыва, баллистических исследованиях и т.п.
Результаты, полученные при изучении динамики ускорения частиц за детонационной волной, использованы для оптимизации технологического процесса нанесения покрытий методом детонационного напыления.
Экспериментальные данные, относящиеся к исследованию процессов взаимодействия УВ с твердыми частицами, каплями, пленками жидкости и слоями порошковых материалов, могут быть полезны при разработке методов предотвращения взрывоопасных ситуаций, возникающих в промышленных установках при производстве и транспортировке горючих материалов, а также для совершенствования распылительных и энергетических устройств.
Достоверность полученных результатов обоснована комплексным использованием различных методов оптической визуализации; подробным анализом методических ошибок конкретных диагностических схем; сопоставлением результатов, полученных различными методами измерений; сравнением с результатами экспериментов, выполненных другими авторами.
Автор защищает:
-
Разработку комплекса быстродействующих схем лазерной визуализации для исследования нестационарных высокоскоростных двухфазных потоков;
-
Результаты исследования процессов .разрушения, воспламенения и детонации капель за ударными волнами;
-
Результаты исследования процессов ускорения и воспламенения твердых частиц за ударными и детонационными волнами;
-
Результаты изучения процессов образования двухфазной смеси за ударной волной, скользящей по поверхности жидкости и сыпучей среды.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на: H-IV, VI, VII Всесоюзных и Международных конференциях "Методы аэрофизических исследований" (Новосибирск, 1979, Красноярск, 1982, Новосибирск, 1986, Новосибирск, 1992, Новосибирск, 1994); Х-ХП Всесоюзных НТК "Высокоскоростная фотография и метрология быстропротекающих процессов" (Москва, 1981, 1983, 1985); Всесоюзных семинарах "Физические методы исследова-
ния прозрачных неоднородностей" (Москва, 1981, 1987); Международных школах-семинарах "Современные экспериментальные методы исследования процессов тепло- и массообмена" (Минск, 1981, 1987); VIII, XI Международных симпозиумах по процессам горения (Польша, 1979, Польша, 1985); III, VI, VII Всесоюзных школах-семинарах по механике реагирующих сред (Междуреченск, 1980, 1986, Красноярск, 1988); Всесоюзной конференции по детонационному напылению (Киев, 1983); VIII-XIII Международных коллоквиумах по динамике взрыва и реагирующих систем (СССР, 1981, Франция, 1983, США, 1985, Польша, 1987, США, 1989, Япония, 1991); I-VI Международных коллоквиумах по взрывам пылей (Польша, 1984, 1986, 1988, 1990, 1993, Китай, 1994); VI Всесоюзном съезде по теоретической и прикладной механике (Ташкент, 1986); VIII-X Всесоюзных симпозиумах по горению и взрыву (Ташкент, 1986, Суздаль, 1989, Черноголовка, 1992); XVII Международном симпозиуме по ударным волнам и ударным трубам (США, 1989), на семинарах академика Нако-рякова В.Е. (ИТФ, Новосибирск), член-корр. Фомина В.М. (ИТПМ, Новосибирск) и других.
Личный вклад. Разработка лазерного стробоскопа и методов диагностики, постановка задач исследования, способы решения и полученные при этом основные научные результаты принадлежат автору. Реализация диагностических схем, создание установки и экспериментальные исследования выполнялись сотрудниками научного коллектива под руководством и при участии автора.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 62 работы в отечественных и зарубежных изданиях, основные результаты представлены в [1-37].
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы из 276 наименований и приложения. Содержит 296 страниц, в том числе 106 рисунков и 2 таблицы.