Детонация и тепло-массообмен в двухфазных пузырьковых средах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.17, кандидат физико-математических наук Таратута, Сергей Петрович

• Таратута, Сергей Петрович
• кандидат физико-математических наук
• 1999

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Таратута, Сергей Петрович

Введение.

Глава I Динамика одиночного пузырька с химически активным газом.

§ 1 Кинетика детонации в газовой фазе пузырька.

§2 Динамика пузырька с химически активной смесью.

Глава П Теплообмен при динамике одиночного пузырька.

§1 Постановка задачи.

§2 Результаты расчетов.

§3 Модель Тешукова.

§4 Обсуждение результатов.:.

Глава. III Динамика одиночного пузырька в жидкости при наличии химических реакций и межфазного тепло - и массообмена.

§1 Мгновенное испарение.

§2 Влияние инертного разбавителя.

§3 Непрерывное испарение.

Глава IV. Моделирование волны пузырьковой детонации.

§1 Эксперименты по формированию пузырьковой среды и ее взаимодействию с ударными волнами.

§2 Модель динамики пузырьковой жидкости.

§3 Проверка модели двухфазной среды.

§4 Модель пузырьковой детонации.

§5 Результаты расчетов для системы 1.

§6 Результаты расчетов для системы II.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Детонация и тепло-массообмен в двухфазных пузырьковых средах»

Как известно, детонационные процессы могут инициироваться не только в сплошных средах, таких как, взрывчатые газовые смеси или жидкие ВВ, но и в гетерогенных системах, типа газ - капли, газ - жидкая пленка, взвеси твердых частиц и т. п. [1]. Принципиальная особенность гетерогенной детонации состоит в том, что реагирующие компоненты смеси разделены и могут находиться в разных фазовых состояниях. В последнем случае детонация развивается в результате фазовых переходов, смешивания компонент и их последующей реакции. Детонация в гомогенных средах исследована теоретически и экспериментально достаточно полно, чего нельзя сказать о всех гетерогенных системах, в том числе и об активных пузырьковых средах, очевидно в силу большей сложности процесса инициирования. Актуальность исследований гетерогенной детонации связана прежде всего с вопросами безопасности производства (взрывы взвешенной в воздухе пыли в шахтах и элеваторах, аварии при транспортировке и хранении жидкого топлива и сжиженных газов, а также взрывы различных типов двигателей).

Детонация в жидких средах, содержащих пузырьки газа, названная «пузырьковой», также относится к гетерогенному типу. Пузырьковая детонация - сложный физико-химический процесс, суть которого состоит в адиабатическом взрыве химически активной газовой смеси при схлопывании пузырьков под воздействием волн сжатия. Выделившаяся при этом энергия приводит к резкому увеличению давления в пузырьках. В определенном диапазоне концентраций пузырьков наблюдается формирование самоподдерживающегося волнового режима, когда затухание волны при прохождении через пузырьковую среду компенсируется за счет увеличения внутренней энергии пузырьков. Заметим, что для этого давление в инициирующей волне должно превышать некоторое критическое значение, достаточное для возбуждения реакции в смеси. Параметры волны пузырьковой детонации в этом случае не зависят от условий инициирования и определяются лишь параметрами среды, составом химически активной смеси и энергопотерями. Следует отметить, что пузырьковая детонация может быть инициирована не только ударной волной, но также при столкновении и фокусировке слабых акустических волн, в том числе и волн разрежения [2, 3].

В начале 60-х годов возможность взрыва в воде одиночного пузырька с химически активной ацетиленокислородной газовой смесью при его сжатии ударной волной была экспериментально обнаружена Солоухиным и Кедринским [4, 5]. В 80-х гг Hasegawa и Бидчуага провели исследования, направленные на изучение безопасности атомных электростанций [6, 7, 8], в охлаждающей системе которых при экстремально высоких температурах могут образовываться пузырьки, содержащие химически активную газовую смесь. Были поставлены модельные эксперименты по распространению ударных волн вдоль цепочки одиночных пузырьков и обнаружен эффект своего рода регенерации волн сжатия, названный «пузырьковой детонацией». Эффект состоит в последовательном поглощении падающей волны сжатия каждым пузырьком и его взрыве, приводящем к переизлучению волны. Эксперименты Hasegawa и Ридлуага показали, что скорость и давление волны пузырьковой детонации не являются постоянными и уменьшаются по мере распространения. При этом давление волны стремится к постоянному значению, что трактовалось как возможность существования самоподдерживающегося режима. Авторы предложили простую эмпирическую модель, связывающую скорость детонационной волны с давлением и основанную на предположении о последовательном поглощении и переизлучении ударной волны пузырьками.

По существу экспериментальные исследования детонации в реальной пузырьковой среде впервые были проведены в работах Пинаева и Сычева [10-16], в которых выполнен наиболее полный и детальный анализ процессов в химически активных пузырьковых средах. Эти исследования составили «фундамент», на который опираются все построенные в последствии модели пузырьковой детонации.

Экспериментальная установка, на которой проводились эксперименты, представляла собой вертикальную ударную трубу из нержавеющей стали длинной 4 м и внутренним диаметром 35 мм. Для создания пузырьков использовался резервуар с газом и система капиллярных отверстий, расположенные в нижней части установки. При этом удавалось достичь равномерного распределения пузырьков с диаметром 2-4 мм в диапазоне значений начальной объемной концентрации 0.25 - 10 %. Ударная волна в пузырьковой среде, имеющая «ступенчатый» профиль, создавалась взрывом смеси С2Н2 + 2.5С>2 в камере высокого давления, расположенной в верхней части установки и отделенной от рабочей секции диафрагмой. Амплитуда волны регулировалась давлением смеси. Ударная волна регистрировалась при помощи расположенных вдоль трубы пьезодатчиков, конструкция, параметры и особенности крепления которых описаны в [9]. Параметры пузырьков и их динамика регистрировались скоростной камерой СФР-2М, свечение продуктов взрыва в пузырьках - фотоумножителем ФЭУ-31.

На описанной установке Пинаевым и Сычевым [10] были проведены исследования в пузырьковых системах, где жидкость инертна, а пузырьки содержат готовую взрывчатую смесь (система I). В такой системе было впервые обнаружено существование уединенной самоподдерживающейся волны пузырьковой детонации (ВПД). В экспериментах визуально обнаружено, воспламенение среды за фронтом ВПД, сопровождающееся свечением пузырьков [11]. Причем свечение наблюдалось только в химически активной среде. Определено критическое давление инициирующей ударной волны Р*, которое является нижним порогом возбуждения детонации и зависит от параметров среды и состава реагирующих компонентов.

Параметры ВПД в системе I всесторонне исследовалась в работах [12, 13]. Показано, что она распространяется со скоростью большей, чем скорость инициирующей ударной волны. После отражения ВПД от твердой стенки свечение пропадает, а ВПД затухает в уже химически пассивной пузырьковой среде. Получена зависимость скорости ВПД от амплитуды инициирующей ударной волны и начальной концентрации газовой фазы. Отмечено, что увеличение давления инициирующей ударной волны больше некоторого критического лишь ускоряет формирование ВПД и не влияет на ее параметры.

Кроме того в [10], впервые обнаружено, что пузырьковая детонация может существовать и в системе, когда горючее и окислитель находятся в разных фазах (система И). Принципиальное отличие системы П состоит в том, что детонации должно предшествовать образование взрывчатой газовой смеси в результате испарения жидкости внутрь пузырька. Существование уединенного самоподдерживающегося режима пузырьковой детонации в системе II продемонстрировано в работах [14, 15]. В такой системе также обнаружено свечение, но в отличие от систем I, здесь свечение двухстадийное, причем максимум свечения достигается на

-7 второй пульсации пузырьков уже за ВПД, когда давление в волне спадает практически до начального.

Профили ВПД в системах I и II качественно эквивалентны и представляют собой пакет длительностью 40 - 80 мкс, состоящий из высокочастотных пульсаций (4-6 мкс) с огибающей в форме симметричного колокола. Природа этих пульсаций, по словам авторов, связана с наличием коротких сферических ударных волн, возникающих при коллапсе пузырьков. В области между короткой ВПД и инициирующей ее ударной волной давление близко к давлению в невозмущенной среде, т.е. за ВПД поток практически неподвижен. Обнаружено, что при к < 0.25% удельного энерговыделения в среде недостаточно для поддержания детонации (ВПД неустойчива и затухает), при к > 8% детонационный режим не формируется из-за сильного затухания инициирующей ударной волны, по крайней мере, в рамках тех амплитуд, которые допускались в принятой постановке.

Обнаружено, что критическое давление инициирования ВПД возрастает с уменьшением начальных размеров пузырьков, увеличением их концентрации, а также начального давления в среде. Скорость ВПД увеличивается с ростом начального давления, уменьшением концентрации пузырьков и периода индукции реакции (например, при наличии инертного разбавителя). Длительность ВПД возрастает с ростом начального давления и уменьшением концентрации газовой фазы. Области существования детонации в зависимости от состава смесей и концентрации газовой фазы приведены в работе [16]. Кроме того, установлено, что одним из важных параметров инициирования детонации является вязкость жидкой фазы: с ростом вязкости критическое давление инициирования уменьшается. Этот факт объясняется тем, что при большем значении вязкости пузырьки захлопываются сферически и нагреваются сильнее, при меныпей вязкости - захлопывание неустойчиво и газ в пузырьках сжимается меньше. Кроме того, неустойчивость приводит к образованию в пузырьке кумулятивных струек и, вероятно, микрокапель жидкости при их распаде, способных интенсивно испаряться при нагреве газа в результате сжатия пузырька. Такое искажение формы пузырька наблюдалось уже на первой пульсации. Кумулятивная струйка толщиной порядка 0.1 диаметра пузырька, как правило, образуется на последней стадии сжатия пузырька. Она пробивает пузырек, иногда приводя к его дроблению и, в любом случае, к искажению формы. После воспламенения пузырьков за ВПД происходит их расширение в 1.5 - 2 раза относительно начального размера. В обеих системах отмечена неустойчивость формы пузырьков, приводящая к их дроблению за фронтом ударной волны после 2-3 пульсаций. При этом в жидкости появляется множество мелких пузырьков с диаметром меньше 0.1 мм.

Авторами был предложен следующий механизм формирования ВПД [15]. Как известно, ударная волна в пузырьковой среде имеет осцилляторную структуру, которую можно представить в виде пакета солитонов. Скорость распространения солитонов зависит от их амплитуды. При воспламенении пузырьков давление «первого» солитона возрастает, он ускоряется и отделяется от остальных. Отмечено, что ВПД нельзя в полной мере назвать солитоном, поскольку вышеописанный механизм работает только при наличии химического энерговыделения в среде, а при отражении от твердой стенки ВПД быстро затухает.

Созданию модели пузырьковой детонации посвящен ряд работ. В 1987 г. в работе Кедринского и Мейдера [17] проведен расчет преломления сильной ударной волны (500 атм) в одиночный пузырек с использованием уравнения состояния НОМ для воды и продуктов реакции в газе, а также закона Аррениуса для скоростей реакции. Оказалось, что интенсивности преломленной волны достаточно для инициирования детонации взрывчатой смеси в пузырьке (без его адиабатического сжатия). Предложена модель и проведены численные расчеты распространения волны пузырьковой детонации с использованием модифицированной модели [18] динамики двухфазной среды Иорданского-Когарко, где уравнение Релея сведено к уравнению на концентрацию газовой фазы. Химическая реакция в пузырьках происходила мгновенно при достижении температуры воспламенения смеси в результате адиабатического сжатия, при этом температура газа увеличивалась и приводила к скачку давления в продуктах реакции. Отсутствие детальной химической кинетики делает эту модель предельно простой. Проанализировано влияние параметров инициирующей ударной волны и начальной концентрации газовой фазы на скорость и время формирования ВПД. В рамках предложенного подхода удалось промоделировать процесс формирования и распространения ВПД, лишь качественно соответствующий экспериментальному. Как было отмечено авторами, для более адекватного описания процессов пузырьковой детонации необходимо учесть кинетику химической реакции и сжимаемость жидкого компонента среды.

Шагапов и Вахитова в работах [19, 20] предложили модель пузырьковой детонации, основанную на уравнениях двухфазной среды [21], с учетом межфазного теплообмена. Жидкость полагалась несжимаемой и находящейся при постоянной температуре, газ -идеальным. Для описания химического превращения газа использовалась модельная кинетика аррениусовского типа, которая, фактически, была сведена к скачку давления и температуры газа в момент достижения им температуры воспламенения. Результаты численного расчета эволюции ударной волны типа «ступеньки» по полученной нестационарной системе уравнений качественно соответствуют эксперименту. Рассмотрены аналитические стационарные решения представленной модели, из проведенного анализа которых следует, что число Маха ВПД не зависит от начальной концентрации газовой фазы в системе, т.е. скорость детонации обратно пропорциональна корню начальной объемной концентрации газовой фазы.

В работах Кедринского, Замараева и Мейдера [22, 23] для описания химических процессов в газе была использована бимолекулярная модель кинетики Тодеса [24]. Расчеты показали существование нижнего предела по давлению ударной волны, инициирующей взрыв в пузырьке. Отмечено, что при таком давлении момент взрыва не совпадал с моментом максимального сжатия пузырька, а происходил на начальной стадии расширения. Процесс распространения пузырьковой детонации с данной кинетикой и уравнением состояния жидкости Тэта, учитывающим сжимаемость жидкой фазы, численно рассчитывался в лагранжевых массовых переменных для системы: вода - пузырьки с водородо-кислородной смесью. В расчетах получена стационарная детонационная волна, отделяющаяся от инициирующей некоторой переходной зоной, где давление ниже, чем давление инициирующей ударной волны. Однако, по мере распространения, давление в этой зоне растет и за детонационной волной тянется «хвост» высокого давления, примерно равного инициирующему. Таким образом, в рамках данной модели не удалось получить, экспериментально наблюдаемую уединенную детонационную волну. Исходя из вышесказанного, авторами был сделан вывод о необходимости учета теплопотерь газа в пузырьках в результате тепломассообмена с жидкостью, излучения или дробления пузырьков. Тем

-11 не менее, данная модель удовлетворительно описывает основные параметры пузырьковой детонации, такие, как скорость и амплитуда ВПД.

В 89-90 гг. несколькими авторами предложены модели пузырьковой детонации основанные на квазилинейном решении уравнения типа Картевега-де Вриза-Бюргерса с добавочными членами, описывающее распространение осцилляторной ударной волны. Красный и Михо [25] утверждают невозможность установления самоподдерживающегося режима в системе I в случае, когда жидкость представляет собой чистую воду из-за ее большой теплопроводности и теплоемкости. ОиШап и ВеуПсЬ [26] использовали этот подход для анализа полученных экспериментальных данных. В работе Борисова и Шарыпова [27] сделан вывод о том, что длина уединенной волны должна совпадать с протяженностью зоны реакции, что не подтверждается экспериментально, также как и оценка скорости распространения ВПД (2.8 скоростей звука). В работах Ляпидевского оценены пределы скорости распространения ВПД [28] в случае равновесных и неравновесных по давлению пузырьковых систем. Сформулирован принцип отбора скорости пузырьковой детонации, аналогичный условию Чепмена-Жуге. Решена задача о структуре одномерного течения химически активной пузырьковой среды в канале с упругими стенками [29]. Аналогичные расчеты проведены в работе [30] для многокомпонентной пузырьковой системы с частью пузырьков химически инертного газа.

Модели [25 - 30] получены в результате ряда упрощающих предположений, касающихся динамики двухфазной среды, например: несжимаемость жидкой фазы и равновесность пузырьков за фронтом детонации. Такие упрощения позволяют получить достаточно простые и удобные в использовании соотношения для наиболее важных параметров детонации. К сожалению, такой подход может претендовать лишь на качественное описание процесса. Точное решение системы уравнений пузырьковой детонации без упрощающих предположений представляется возможным лишь с помощью численных методов, которые в последнее время получили большое распространение в связи с развитием вычислительной техники.

Точное описание кинетики химических реакций в газовой фазе, несмотря на отсутствие принципиальных сложностей, является довольно громоздким и трудоемким. Поэтому большинство авторов предпочитают использовать простые приближенные модели кинетики. Так, например, весь спектр возможных химических превращений заменялся одной обобщенной реакцией или предполагалось, что взрыв газовой смеси в пузырьках инициируется, если обеспечена соответствующая степень сжатия или достигнута определенная температура воспламенения. Поэтому, в приведенных моделях пузырьковой детонации молярная масса реагирующего газа полагалась постоянной, а выделенное в результате реакции тепло - постоянным или монотонно растущим. Кроме того, большинство известных моделей пузырьковой детонации описывают сжатие газа в пузырьке в виде адиабаты химически инертного газа с постоянным показателем. Однако, как будет показано далее, эти параметры могут существенно и немонотонно изменяться при пульсации пузырьков. При достаточно хорошем описании динамики пузырьковой среды необходимо адекватное описания кинетики химической реакции.

В работах Фомина и Троцюка [31, 32] для описания пузырьковой детонации применена наиболее точная модель химической кинетики Николаева и Фомина [33 - 36], в которой использовано уравнение изоэнтропы химически равновесного газа с учетом сдвига химического равновесия продуктов реакции в пузырьке без традиционно используемого постоянного показателя адиабаты. При этом оказалось, что внутренняя энергия газа в пульсирующем пузырьке может непрерывно и немонотонно изменяться во времени, а молекулярная масса, показатель изоэнтропы и выделенное тепло могут быть существенно непостоянными. Расчет по предложенной модели пузырьковой детонации показал возможность распространения детонационной волны со сверхзвуковой (относительно "замороженной" скорости звука) скоростью при больших начальных давлениях в смеси. Структура волны при до- и сверхзвуковом режимах распространения оказалась существенно различной. Во втором случае имеет место резкий скачок давления во фронте волны, а предвестник отсутствует. На существование сверхзвукового режима распространения ударных волн в пассивных пузырьковых средах с низкой начальной концентрацией газовой фазы указано в работе Ляпидевского и Плаксина [37], а в [30] такая возможность подтверждена и для пузырьковой детонации.

Для описания скорости детонации в 1993 г. Кедринским и Мейдером предложена полуэмпирическая модель [38], основанная на экспериментально наблюдаемой особенности трансформации ударных волн в пузырьковых средах и удовлетворительно описывающая зависимость скорости детонации от концентрации газовой фазы, полученную в работах Пинаева и Сычева.

Модель, предложенная в [22, 23], использовалась далее в работах Кедринского, Вшивкова, Дудниковой и Шокина [2, 3] для описания взаимодействия ударных волн и волн разрежения в химически активных пузырьковых средах. Проведено моделирование ударного нагружения образца жидкого ВВ, в котором обнаружена возможность инициирования ВПД при взаимодействии последовательности ударных волн со свободной поверхностью образца, а также при столкновении волн разрежения, распространяющихся от его свободной границы. Данное явление объясняется наличием пульсаций за фронтом волны, которые имеют положительную фазу давления. Эффект усиления ударных волн в химически активных пузырьковых средах может рассматриваться как один из возможных принципов создания акустических аналогов лазерных систем. В случае цилиндрической фокусировки ударных волн [39] эффект их усиления возрастает, что особенно проявляется в случае коротких ударных волн, когда пузырьковая детонация возбуждается за падающей волной.

Дальнейшие экспериментальные исследования пузырьковой детонации, проведенные Сычевым, выявили некоторые дополнительные особенности пузырьковой детонации. Так, работа [40] посвящена изучению распространения ВПД в средах с пузырьками, содержащими несколько сортов газа, в которой обнаружено снижение скорости детонации при наличии в среде химически инертных пузырьков, сильнее проявляющееся в системах I. Энергетические пределы существования ВПД изучались в работе [41]. Показано, что изменение энергосодержания газовой смеси слабо влияет на скорость ВПД. Отмечено, что условия воспламенения существенно зависят от показателя адиабаты газа, при том, что влияние остальных параметров менее существенно. Структура волны пузырьковой детонации в системах I и II подробно рассмотрена в [42], где отмечено, что уменьшение реакционной способности газовой смеси приводит к уменьшению давления в ВПД, а ее длительность в основном определяется начальными размерами пузырьков. Вопросу влияния начального размера пузырьков на параметры детонации в системе I посвящена работа [43]. Определено, что зависимость скорости детонации от размеров пузырьков слабая, но имеет максимум при начальном диаметре 2-3 мм в зависимости от состава смеси. Построена область существования детонации от начального диаметра и концентрации пузырьков. Нижний предел детонации по диаметру (около 2 мм) связан, по оценкам автора, с большими теплопотерями за счет теплопроводности через поверхность пузырька. Верхний предел (5-6 мм), по видимому, связан с неустойчивостью пульсаций пузырьков, которая приводит к росту площади его поверхности, появлению испаряющихся кумулятивных струек и микрокапель жидкости. Развитие этой неустойчивости прослеживается на представленной кинограмме. Приведены оценки, показывающие, что распыление и испарение 2-3% кумулятивной струйки, что составляет около 10% массы газа в пузырьке, достаточно для срыва воспламенения. Особенности распространения ВПД в среде содержащей набор пузырьков различных размеров исследованы в работе [44]. Оказалось, что в данном случае длительность ВПД всегда больше, а скорость ниже, чем в монодисперсной среде. Это объясняется отсутствием выделенной резонансной частоты в среде и, связанными с этим, дополнительными энергопотерями волны. Полученные зависимости характеристик ВПД от начального размера пузырьков согласуются с полученными ранее в работах ОиШап, ВеуНс11 [45] и Бсаншп а1 [46].

Детонация пузырьковых сред, как было отмечено, связана с процессами тепло- массообмена, интенсифицируемыми неустойчивостью поверхности пузырьков, образованием микрокапель и их последующим испарением. Естественно, что указанные процессы существенно влияют на ход химической реакции в газовой фазе в пузырьке. Более того, в системе, где горючее и окислитель находятся в разных фазах, формирование волны пузырьковой детонации невозможно без испарения, приводящего к образованию в пузырьках химически реагирующей смеси.

Вопрос о влиянии межфазного тепло- и массообмена (при наличии химических реакций) на динамику одиночного пузырька, а также параметры и структуру волны пузырьковой детонации в настоящий момент малоизучен. Это связано с тем, что нагрев окружающего пузырек слоя недостаточен для испарения значительного количества жидкости (см. [27, 25]). В этой связи, по-видимому, основной вклад в испарение вносят неустойчивость поверхности пульсирующих пузырьков и образующиеся при этом микроструйки и микрокапли жидкости. Даже качественное описание этих неустойчивостей является довольно сложной в математическом отношении задачей. Поэтому до сих пор не существует модели, позволяющей рассчитывать параметры пузырьковой детонации в системах с находящимися в разных фазах горючим и окислителем.

Целью диссертационной работы является создание адекватной модели пузырьковой детонации с использованием наиболее точных на данный момент моделей динамики пузырьковой среды и кинетики химических реакций, с учетом межфазного тепло- и массообмена, сжимаемости и вязкости жидкости, наличия периода индукции химической реакции и сдвига химического равновесия.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы.

Заключение диссертации по теме «Химическая физика, в том числе физика горения и взрыва», Таратута, Сергей Петрович

- 109-Заключение

1. Показано, что при адиабатическом сжатии химически активного газового пузырька в нем выполняются условия самоиницирования детонации и химическое превращение газа может протекать в детонационном режиме, что оправдывает возможность использования приближения о мгновенности перехода газовой смеси в пузырьке в состояние химического равновесия по истечении периода индукции реакции. Возможность самоинициирования детонации вызвана резким снижением критической энергии инициирования реакции при адиабатическом росте температуры газа. Отмечено, что инерционные свойства жидкости приводят к сильному пересжатию продуктов реакции, вследствие чего в момент максимального сжатия пузырька устанавливается экстремально высокая температура. Показана возможность инициирования реакции на второй и последующих пульсациях пузырька.

2. Численно решена задача о теплопроводности в системе пульсирующий газовый пузырек - окружающая его жидкость. Показано, что в момент максимального сжатия пузырька вблизи его поверхности образуется тонкий слой жидкости, нагретой до высокой температуры, близкой к температуре воспламенения горючей жидкости, но недостаточной для ее интенсивного испарения.

3. Предложена модель динамики одиночного пузырька с учетом межфазного тепло- и массообмена. Проведены расчеты для системы I, где пузырек содержит готовую взрывчатую смесь и системы II, где горючее и окислитель находятся в разных фазах. Рассмотрены модели мгновенного и непрерывного испарения микрокапель жидкости. Построены области существования решения в зависимости от момента инжекции, массы

-110испаренной жидкости и начальных размеров микрокапель. Получены зависимости динамики температуры газа от параметров испаряемой жидкости. Показана принципиальная разница влияния испарения в смесях I и II. Отмечено существенное непостоянство показателя изоэнтропы и молярной массы газа при динамике пузырька с газом, находящимся в состоянии химического равновесия. Этот факт говорит о недостаточной точности моделей, где эти параметры полагаются постоянными. Проанализировано влияние инертного разбавителя в газе, присутствие которого может привести к существенному увеличению температуры газа.

4. Создана экспериментальная установка, система регистрации и система напуска газа для изучения распространения ультракоротких ударных волн в пузырьковых средах. В рамках модели Иорданского разработана программа и проведен расчет распространения ударных волн в пузырьковых средах. Получено хорошее согласование экспериментальных данных и результатов расчетов.

5. Предложена модель пузырьковой детонации с учетом сжимаемости и вязкости жидкости, наличия периода индукции химических реакций, сдвига химического равновесия, интенсивного межфазного тепло- и массообмена. Проведены расчеты параметров и структуры волны для смесей типа I [водородо-кислородная смесь (газ) - смесь воды с глицерином (жидкость)], где пузырьки содержат готовую взрывчатую смесь, а также для смесей типа II [Н2 (газ) - 02 (жидкость)], где горючее и окислитель находятся в разных фазах. Расчет параметров и структуры волны в системе II сделан впервые. В обеих смесях получена уединенная самоподдерживающаяся волна пузырьковой детонации. В системе II имеет место сильное (почти на порядок) увеличение молярной массы газа в волне. В системе I это изменение существенно меньше.

- Ill

6. Проанализировано влияние величины испаренной жидкости, момента появления и диаметра микрокапель на параметры волны. Получено, что увеличение массы испаренной жидкости повышает (хотя и незначительно) скорость волны. При этом давление газа в системе II проходит через максимум при стехиометрическом соотношении между горючим и окислителем в газе. В системе I при увеличении диаметра микрокапель до 20 мкм скорость детонации остается постоянной, после чего монотонно уменьшается. В системе II при увеличении начального диаметра микрокапель происходит уменьшение скорости детонации и давления в волне. Получено, что на стадии сжатия пузырька момент инжекции микрокапель слабо влияет на параметры волны. Численно определены границы существования самоподдерживающейся детонации.

Построены зависимости скорости детонации от концентрации газовой фазы, вязкости жидкости и состава смеси. Получено, что в смесях I и II скорость волны монотонно падает с ростом концентрации газовой фазы. В системе I при высоком начальном давлении показана возможность распространения волны пузырьковой детонации со скоростью, сверхзвуковой относительно замороженной скорости звука.

112

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Таратута, Сергей Петрович, 1999 год

1. В. Детонационные волны в гетерогенных средах. Новосибирск.: НГУ, 1988. 88 стр.

2. Кедринский В.К., Вшивков В А., Дудникова Г.И. Взаимодействие волн в химически активных пузырьковых средах // IV Забабахинские научные чтения: Труды Межд. конф., Снежинск, 1995. С. 140-151.

3. Кедринский В.К, Вшивков В. А., Дудникова Г.И., Шокин Ю.И. Взаимодействие волн в химически активных пузырьковых средах // ДАН. 1996. Т. 394, №2. С. 120-130.

4. Р.И. Солоухин. О пузырьковом механизме ударного воспламенения в жидкости// ДАН СССР, 1961, Т. 136, № 2, с. 311.

5. Кедринский В.К. Ударные волны в жидкости с пузырьками газа // ФГВ, 1980, Т. 16, №5.

6. Hasegawa Т., Fujiwara Т. Detonation in oxihydrogen bubbled liquids // 19-th Int. Simp. On Combustion. Pittsburgh, 1982.

7. Hasegawa Т., Fujiwara T. 9-th Int. Colloq. On Dynamics of Explosions and Reactive Systems. Book of Abstracts, Poitiers, 1983.

8. Hasegawa Т., Fujiwara Т., Yasuhara Propagation velocity and mechanism of bubble detonation // 9th Int. Colloquium on Dynamics of Explosions and Reactive Systems, Book of Abstracts, Poiters, 1983.

9. Пинаев А. В. Измерение давления за фронтом волны детонации в гетерогенной системе газ-пленка// ФГВ, 1983, Т.19, №1, С.105-111.113

10. Сычев А.И., Пинаев A.B. Волна детонации в системах жидкость -пузырьки газа // 1-ый Всесоюз. симп. по макроскопической кинетике и химической газодинамике. Алма-Ата, 1984, Т. 1, ч. 2, С. 54-55.

11. Сычев А.И. Воспламенение систем жидкость пузырьки газа ударной волной // ФГВ. 1985. Т. 21, N 2. С. 130-134.

12. Сычев А.И. Волна детонации в системе жидкость пузырьки газа // ФГВ. 1985. Т. 21, N3. С. 103-110.

13. Сычев А.И., Пинаев A.B. Самоподдерживающаяся детонация в жидкостях с пузырьками взрывчатого газа // ПМТФ. 1986, N 1. С. 133-138.

14. Пинаев А. В., Сычев А. И. Обнаружение и исследование самоподдерживающихся режимов детонации в системах жидкое горючее пузырьки окислителя // ДАН. 1986. Т. 290, N 3. С. 611-615.

15. Пинаев А. В., Сычев А. И. Структура и свойства детонации в системах жидкость пузырьки газа // ФГВ. 1986. Т. 22, N 3. С. 109-118.

16. Пинаев А. В., Сычев А. И. Влияние физико-химических свойств газа и жидкости на параметры и условия существования волны детонации в системах жидкость пузырьки газа // ФГВ. 1987. Т. 23, N 6. С. 76-84.

17. Kedrinskii V.K., Mader Ch.L. Accidental detonation in bubble liquids // Proc. 16th Int. Symp. on Shock Tubes and Waves. Aachen, FRG, July 26-31, 1987. P. 371-376.

18. Кедринский B.K. Распространения возмущений в жидкости с пузырьками газа // ПМТФ. 1968. № 4. С.29-34.

19. Шагапов В.Ш., Вахитова Н.К. Волны в пузырьковой жидкости при наличии химических реакций в газовой фазе // Проблемы нелинейной114акустики: XI междунар. сими, по нелинейной акустике. Ред. В.К. Кедринский. Новосибирск, 1987, стр. 56-58.

20. Шагапов В.Ш., Вахитова Н.К. Волны в пузырьковой системе при наличии химических реакций в газовой фазе // ФГВ. 1989. - 25, №6.

21. Губайдуллия А. А., Ивандаев А. И., Нигматулин Р. И. Исследование нестационарных ударных волн в газожидкостных смесях пузырьковой струкуры // ПМТФ. 1978. №2, с. 78-86.

22. Kedrinskii V.K., Zamaraev F.N. Wave amplification in active bubble medium // Proc. 17th Int. Symp. on Shock Waves and Shock Tubes. Bethlehem, PA 1989. P. 51-62.

23. Замараев Ф.Н., Кедринский B.K., Мейдер Ч. Волны в химически активной пузырьковой среде // ПМТФ. 1990. №2. С. 20-26.

24. Тодес О. М. «Адиабатический» тепловой взрыв // Теория горения и взрыва. М.: Наука, 1981.

25. Красный Ю.П., Михо В.В. Самоподдерживающаяся нелинейная волна детонации в жидкости с пузырьками горючего газа // ФГВ, 1989, Т. 25, №2, С. 75-81.

26. Beylich А.Е., Gulhan A. Waves in reactive bubbly liquids // Adiabatic waves in liquid vapor systems: IUTAM symp., 1989. - Springer - Verlad, 1990.

27. Борисов A.A., Шарыпов O.B. О формировании волны пузырьковой детонации // Изв. СО АН СССР. Серия техн. наук,- 1990,- Вып. 2.

28. Ляпидевский В.Ю. О скорости пузырьковой детонации // ФГВ. 1990. Т. 26, №4. С. 138-140.

29. Ляпидевский В.Ю. Пузырьковая детонация в канале с упругими стенками //ФГВ. 1995. Т.31,№3. С. 146-149.115

30. Ляпидевский В,Ю. Структура детонационных волн в многокомпонентных пузырьковых средах // ФГВ. 1997. Т.ЗЗ, №3. С. 104-113.iL

31. Fomin P.A., Trotsyuk A.V. Model of bubble detonation// 12 Int. Symp. on Combustion Processes. Abstr. of Papers, 1991.

32. Троцюк A.B., Фомин П.А. Модель пузырьковой детонации. ФГВ, 1992, 28, №4, с. 129-136.

33. Николаев Ю.А., Фомин П.А. О расчете равновесных течений химически реагирующих газов. ФГВ, 1982, 18, №1, с. 66 72.

34. Николаев Ю.А., Фомин П.А. Приближенное уравнение кинетики в гетерогенных системах типа газ-конденсированная фаза. ФГВ, 1983, 19, №6, с. 49 58.

35. Николаев Ю.А., Зак Д.В. Согласование моделей химических реакций в газах со вторым началом термодинамики. ФГВ, 1988, 24, № 4, с. 87 90.

36. Фомин П.А., Троцюк A.B. Приближенный расчет изоэнтропы химически равновесного газа // ФГВ, 1995, Т. 31, № 4, С. 59-62.

37. Ляпидевский В.Ю., Плаксин С. И. Структура ударных волн в газожидкостной среде с нелинейным уравнением состояния // Динамика сплошной среды. Новосибирск: ИГИЛ СО РАН, 1983. Вып. 62. С. 75-92.

38. Kedrinskii V.K., Mader Ch.L. On velocity of bubble detonation // Proc. 13th Int. Symp. on Nonlinear Acoustics, Bergen, Norway, June 28 Luly 2, 1993. P. 442-447.

39. Кедринский B.K., Вшивков B.A., Дудникова Г.И., Шокин Ю.И. Усиление ударных волн при столкновении и фокусировке в пузырьковых средах // ДАН. 1998. Т. 361, №1. С, 41-44.116

40. Сычев А. И. Детонационные волны в многокомпонентных пузырьковых средах//ФГВ. 1993. Т. 29, N1. С. 110-117.

41. Сычев А. И. Энергетические пределы существования детонационных волн в пузырьковых средах // ФГВ. 1994. Т. 30, N 1. С. 86-91.

42. Сычев А. И. Структура волны пузырьковой детонации // ФГВ. 1994. Т. 30, N4. С. 119-124.

43. Сычев А. И. Влияние размера пузырьков на характеристики волн детонации // ФГВ. 1995. Т. 31, N 5. С. 83-91.

44. Сычев А. И. Пузырьковая детонация в полидисперсных средах // ФГВ. 1997. Т. 33, N3. С. 114-119.

45. Gulhan A., Beylich А. Е. Detonation wave phenomena in bubbled liquid // Proc. 17th Int. Symp. on Shock Waves and Shock Tubes. Bethlehem, USA, 1989 // Ed.: Yong W. Kim. New York: Amer. Inst, of Physics, 1990.

46. Scarinci Т., BassinX., Lee J. H. S., Frost D. L. Propagation of reactive wave in a bubbly liquid // Proc. 18th Int. Symp. on Shock Waves, Sendai, Japan, 1991 // Ed.: Takayama K. Heidelberg, Hong Kong: Springer-Verl., 1992.

47. Васильев A.A., Кедринский В.К., Таратута С.П. Динамика одиночного пузырька с химически активным газом. ФГВ, 1998, Т. 34, № 2, с. 121-124.

48. Fomin Р.А., Kedrinskii V.K., Taratuta S.P. Interphase heat and mass transfer in a chemically reacting bubble medium // Book of Abstracts. Int. Colloquium117

49. Advances in Experimentation & Computation Detonation, Sept. 14-17 1998, St. Petersburg, Russia, p. 121-122.

50. Fomin P.A., Kedrinskii V.K., Taratuta S.P. Dynamics of single bubble in athliquid with chemical reaction and interphasic heatand mass- exchange // 27 Int. Symp. on Combustion. Abstracts of Work in progress papers, Boulder, CO, USA, 1998, p. 185.

51. Кедринский В.К, Фомин ПЛ., Таратута С.П. Динамика одиночного пузырька в жидкости при наличии химических реакций и межфазного тепло и массообмена // Акустика неоднородных сред. Сборник науч. Трудов. Новосибирск, 25 - 30 мая 1998г. (принята к печати)

52. Кедринский В.К, Фомин П.А., Таратута С.П. Динамика одиночного пузырька в жидкости при наличии химических реакций и межфазного тепло и массообмена // ПМТФ. 1999. Т. 40, №2 . С. 119-127.

53. Vasil'ev A. A., Nikolaev Ju. A. Closed theoretical model of a detonation cell // Acta Astr. 1978.V.5. P.983-996.

54. Васильев А.А., Валишев А.И., Васильев В.А., Панфилова JI.В., Топчиян М.Е. Параметры детонационных волн при* повышенных давлениях и температурах//Хим. физика. 1997. Т.16, п.9. С.113-117.

55. Нигматулин Р.И. Динамика Многофазных сред. М.: «Наука», 1987, 4.1, стр.115.

56. Нигматуллин Р.И., Хабеев КС. Динамика и теплообмен парогазовых пузырьков с жидкостью // Некоторые вопросы механики сплошной среды (поев. 70-летию акад. Л.И. Седова). -М.: Институт механики МГУ, 1978. -С. 229-243.118

57. Нигматуллж Р.И. Основы механики гетерогенных сред. М.: «Наука», 1978. стр. 280.

58. Кутателадзе С.С., Накоряков В.Е. Теплообмен и волны в газожидкостных системах. Новосибирск, «Наука» СО, 1984, 302 с.

59. Боуден Ф.П., Иоффе АД. Возбуждение и развитие взрыва в твердых и жидких веществах. М.: ИЛ, 1995.

60. Дубовик А.В., Бобылев В.К. Чувствительность жидких взрывчатых систем к удару. М.: "Наука", 1978.

61. Володарчш Э. Роль газовых пузырьков в инициировании детонации водонаполненных взрывчатых веществ // Успехи механики, 1985, Т. 8, вып. 2, С. 57-58.

62. Yuan Н., Prospertti A. Gas-liquid heat transfer in a bubble collapsing near a wall //Ph. of Fl., 1997, v.9, N1, p.127-142.

63. Кедринский В.К. Волновые процессы и динамика структуры неоднородных сред при импульсном нагружении// ПМТФ, 1997, Т. 38, №4, с. 111-139.

64. D.R. White Density induction times in very lean mixtures of D2, H2, C2; C2H2 and C2H4 with O2. Jn: XI Symposium (International) on Combustion. -Pittsburgh: Academic Press, 1967, pp. 147 -154

65. Николаев Ю.А., Фомин П.А. Модель стационарной гетерогенной детонации в газокапельной среде. Физика горения и взрыва, 1984, 20; №4, с. 97-105.

66. Физические величины. Справочник. Под. ред. И.С. Григорьева, Е.З. Мейлихова. М.: Энергоатомиздат, 1991, 1232с.119

67. Николаев Ю.А., Топчиян М.Е. Расчет равновесных течений в детонационных волнах в газах / ФГВ, 1977, Т. 13, №3, стр. 393-404.

68. С. Ламбарайс, JI. Комбс Детонация и двухфазное течение. М. Мир, 1966.

69. Иорданский С.В. Об уравнениях движения жидкости, содержащей пузырьки газа // ПМТФ, 1960, №3, С. 102-110.

70. Когарко Б.С Об одной модели кавитирующей жидкости // ДАН СССР, 1961, Т. 137, №6, С. 1331-1333.

71. L. van Wijngaarden On the collective collapse of large namber of cavitation bubbles in water // Proc. 11 Int. Congr. Of Appl. Mech. Springer-Verlag, Berlin. 1964. pp. 854-861.

72. Бернгардт A. P. Динамика зоны кавитации при импульсном разрушении воды // ДСС. 1992,- вып. 104, с. 3-15.

73. Солоухин Р.И Импульсный пьезодатчик давления // ПТЭ. 1961,- №3. -С. 170-171.

74. Солоухин Р.И. Ударные волны и детонация в газах. М.: Физматгиз, 1963.

75. Струминский A.B. Микропузырьковая газожидкостная среда // Докл. РАН. 1990. - Т 310, №6. - С. 1323-1326.

76. Бесов А. С., Кедринский В. К, Пальчиков Е. И. Изучение начальной стадии кавитации с помощью дифракционной методики // Письма в ЖТФ. 1988. - Т. 10, № 4. - С. 240 - 244.

77. Воротникова М.И., Кедринский В.К, Солоухин Р.И. Ударная трубка для исследования одномерных волн в жидкости // ФГВ. 1965,- №1.- С. 5-14.

78. Рихтмайер Р., Мортон К Разностные методы решения краевых задач // М.: "Мир", 1972.120

79. Самарский А.А., Попов ЮЛ. Разностные методы решения задач газовой динамики//М.: "Наука", 1980.

80. Уткине M.JI. Расчет упруго-платических течений /В кн. Вычислительные методы в гидродинамике. М. Мир, 1967.

81. Кедринский В. К, Бесов А. С., Гутник И. Э. Инверсия двухфазного состояния жидкости при импульсном нагружении // Докл. РАН. 1997. -Т. 352, № 4. - С. 477 - 480.