Введение к работе
Актуальность работы. Производство и использование металлических и органических порошков нередко сопряжено с опасностью их воспламенения и развития неконтролируемых взрывных процессов. Взрывные явления в облаках пылевзвесей почти всегда связаны с развитием детонацион-но-подобных процессов, характеризуемых сверхзвуковым распространением фронта горения. Среди пылевых взрывов распространенными являются инициированные воспламенением и горением метана взрывы угольной пыли в шахтах, а среди металлических порошков - взрывы широко применяемых в промышленности порошков алюминия, железа и др. Опасными являются скопления частиц, которые образуются в технологических процессах, при обработке изделий из реагирующих металлов. Проблемы прогнозирования и предотвращения взрывных явлений в дисперсных средах, а также сопутствующие проблемы уменьшения последствий их воздействия на людей и окружающую среду, еще далеки от полного решения. Неполнота фундаментальных знаний о физических механизмах, обусловливающих возбуждение и распространение в различных условиях взрывных и детонационных волн в пылевых облаках, ограничивает решение прикладных задач и разработку адекватных современным технологическим условиям технических регламентов. С другой стороны, в последние годы активно разрабатываются детонационные двигатели реактивной тяги. Для них мелкодисперсные и ультрадисперсные порошки, например, алюминия, обладающие уникальными физико-химическими свойствами, рассматриваются как перспективные компоненты рабочих сред. Таким образом, изучение детонационных процессов в газовзвесях частиц алюминия и угольной пыли, которые отличаются свойством неполного сгорания частиц, является, актуальным. Явление гетерогенной детонации в газовзвесях с неполным сгоранием частиц составляет предмет исследования настоящей диссертации.
Цели и задачи работы. Целью исследования является получение целост -ной картины явления гетерогенной детонации в газовзвесях с неполным сгоранием частиц (алюминия и угольной пыли) на основе физико-математического моделирования одномерных и двумерных нестационарных течений в рамках механики реагирующих гетерогенных сред. Для достижения этой цели были поставлены и решены следующие задачи. - Развитие и совершенствование физико-математических моделей детонации газовзвесей частиц угольной пыли и частиц алюминия, в том числе на основе анализа процессов воспламенения и горения частиц в динамических условиях и их верификация по известным экспериментальным данным.
Отработка численных технологий, основанных на применении современных методов численного моделирования: схем класса Total Variation Diminishing (TVD), включая их модификации соответственно иерархии моделей механики гетерогенных сред (МТС), а также параллельных вычислений для расчета двумерных нестационарных течений реагирующих сред типа газ - частицы.
Построение аналога теории Зельдовича - Неймана - Дюринга (ЗНД) неидеальной детонации газовзвесей с неполным сгоранием частиц, классификация режимов, определение устойчивости, получение данных о нестационарных процессах и критериях инициирования плоских волн идеальной и неидеальной детонации взвесей угольной пыли и алюминия.
Определение свойств и характеристик режимов ячеистой гетерогенной детонации взвесей частиц алюминия, установление корреляционных зависимостей размера ячейки от характерных геометрических масштабов детонационных структур, определение роли релаксационных процессов в ячеистой детонации.
Исследование процессов дифракции гетерогенной детонации на угловых конфигурациях и распространения в условиях изменяющейся геометрии, выявление свойств, обусловленных влиянием процессов межфазного взаимодействия и отличающих данные явления в газовзвесях от аналогичных процессов газовой детонации.
Определение свойств течений плоской и ячеистой детонации в полидисперсных взвесях, анализ влияния фракционного состава смеси на характеристики распространения и критерии инициирования.
Научная новизна
Впервые разработана физико-математическая модель гетерогенной детонации газовзвесей угольной пыли и определены характеристики плоских волн ЗНД. Установлено существенное влияние процесса скоростной релаксации фаз на выделение летучих из поверхностного слоя частиц, что обусловливает аномально быстрое воспламенение взвесей угольных частиц в ударных и детонационных волнах относительно статических условий нагрева, в том числе за отраженными ударными волнами.
Впервые в рамках модифицированной модели детонации газовзвесей частиц алюминия в кислороде проведен систематический анализ влияния релаксационных процессов на типы течений неидеальной детонации ЗНД (Чемпена - Жуге, недосжатых, пересжатых), получены критерии существования р-слоев для реагирующих сред, построены карты решений в пространстве параметров релаксации. Установлена устойчивость режимов относительно малых и конечных одномерных возмущений и сопряжения с волнами разрежения.
Предложен, тестирован и реализован в численных расчетах одномерных и двумерных нестационарных течений реагирующих газовзвесей
конечно-разностный метод, сочетающий схему TVD для газа и Джентри -Мартина - Дэйли для дискретной фазы; обоснована существенно более высокая эффективность метода в сравнении с применяемыми ранее; получены и тестированы модификации схемы TVD для иерархии моделей механики газовзвесей.
Впервые методами численного моделирования определены зависимости размера детонационной ячейки от диаметра частиц газовзвеси алюминия в кислороде в виде степенной функции с показателем 1.6. Установлено существенное влияние протекающих в смеси релаксационных процессов на ячеистые структуры гетерогенной детонации.
Теоретически предсказано значительное снижение критического числа ячеек при выходе детонации в открытое пространство по сравнению с газовой детонацией и дано физическое обоснование, состоящее в принципиальных отличиях механизмов воспламенения взвесей частиц в ударных и детонационных волнах от индукции воспламенения в газах, обусловленных влиянием процессов тепловой и скоростной релаксации на воспламенение частиц.
Впервые методами численного моделирования и акустического анализа продемонстрирована и обоснована возможность вырождения ячеистой детонации в поли дисперсных взвесях. Определены характерные свойства частичного вырождения: ослабление амплитуды пульсаций, уменьшение пиковых давлений, спрямление фронта. Установлены критерии полного вырождения ячеистой детонации в устойчиво распространяющуюся плоскую волну. Дана теоретическая интерпретация наблюдаемому в экспериментах ослаблению пульсаций ячеистой детонации при использовании полидисперсного порошка алюминия.
Практическая значимость результатов исследований связана с углубленным описанием механизмов идеальной и неидеальной детонации в газовзвесях частиц алюминия и угольной пыли. Это служит научной основой для прикладных исследований, связанных с проблемами прогнозирования, подавления и уменьшения последствий взрывов в шахтах и запыленных промышленных производствах, поиска способов управления детонационными процессами.
Личный вклад автора. Все представленные в диссертации результаты получены автором. Проф. Федорову А.В. и академику, проф. Фомину В.М. принадлежат научное консультирование по постановкам задач и участие в обсуждении результатов. К.ф.-м.н. Кратова Ю.В. участвовала в проведении численных расчетов и обсуждении данных по проблемам дифракции ударных и детонационных волн. Текст автореферата согласован с соавторами.
Основные положения, выносимые на защиту:
Верифицированная по экспериментальным данным физико-математическая модель гетерогенной детонации газовзвесей угольной пыли и результаты исследования механизмов воспламенения и процессов детонации пылевзвесей битуминизированного угля.
Теория неидеальной детонации взвесей частиц алюминия в кислороде, включающая анализ типов течений, карты режимов, критерии, результаты анализа устойчивости.
Численная технология расчета двумерных течений реагирующих двухфазных сред типа газ - частицы, основанная на применении схем TVD, Джентри - Мартина - Дэйли и модификаций схемы TVD для иерархии моделей механики гетерогенных сред в сочетании с процедурой распараллеливания.
Результаты численного моделирования и акустического анализа ячеистой детонации в газовзвесях частиц алюминия в кислороде:
в монодисперсных взвесях позволившие установить влияние всех релаксационных процессов на характеристики ячеистой детонации и степенную зависимость размера ячейки от диаметра частиц с показателем 1.6;
в полидисперсных взвесях описывающие и обосновывающие свойства частичного или полного вырождения ячеек, критерий полного вырождения, теоретическое объяснение эффекта, наблюдаемого в экспериментах Ф. Занга.
Результаты численного моделирования процессов дифракции гетерогенной детонации в газовзвеси частиц алюминия на обратном уступе, описание и карта режимов, критические условия распространения, обоснование многократного снижения критического числа ячеек в сравнении с газовой детонацией.
Достоверность результатов подтверждается использованием методов механики гетерогенных сред, выполнением принципов верификации физико-математических моделей, применением тестированных численных технологий, согласованием результатов диссертации с экспериментальными и расчетными данными других авторов.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались в течение ряда лет на семинарах Института теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича (руководители: академик В.М. Фомин, профессор А.В. Федоров); Международном пиротехническом Семинаре (1995); International Colloquiums on Dust Explosions (1996, 1998), International Colloquiums on Dynamics of Explosions and Reactive Systems (1999, 2001, 2003, 2007, 2009), International Workshops on Unsteady Combustion and Interior Ballistics (1995, 1997, 2000), International Symposiums on Hazard, Prevention, and Mitigation of Industrial Explosions (2000, 2008, 2010),
Симпозиуме по горению и взрыву (2000), Всероссийских съездах по механике (2001, 2006), International Colloquium on Pulsed and Continuous Detonations (2006), International Seminars on Flame Structure (2006, 2008); Международных конференциях по вычислительной механике и современным прикладным программным системам (Россия, 2002, Украина, 2005, 2007); Международных коллоквиумах по детонации (Москва, 2000, 2006); Международном коллоквиуме по приложениям детонации к двигателям (С.-Петербург, 2004); а также ряде других международных и всероссийских научных мероприятий.
Публикации. Основной материал диссертации опубликован более чем в 60 научных работах, среди которых 27 статей в ведущих научных журналах из перечня ВАК.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения, приложения и списка литературы. Общий объем диссертации составляет 318 страниц, включая 127 рисунков.
