Динамика детонационных волн в неоднородной пузырьковой жидкости тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.02.05, кандидат физико-математических наук Ахмадуллин, Фаниль Фанзилевич

• Ахмадуллин, Фаниль Фанзилевич
• кандидат физико-математических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Ахмадуллин, Фаниль Фанзилевич

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА I. ДИНАМИКА ВОЛН ДАВЛЕНИЯ В ПУЗЫРЬКОВОЙ

ЖИДКОСТИ.

§1.1 Обзор теоретических и экспериментальных работ по детонационным волнам.

§1.2. Основные уравнения динамики для монодисперсной пузырьковой жидкости.

ГЛАВА II. ДЕТОНАЦИОННЫЕ ВОЛНЫ В ПУЗЫРЬКОВОЙ

ЖИДКОСТИ ПРИ НАЛИЧИИ В НЕЙ НЕОДНОРОДНОСТЕЙ.

§2.1. Преобразование основных уравнений пузырьковой жидкости к удобной для численного расчета форме.

§2.2. Принцип построения разностной схемы.

§2.3. Тестирование модели.

§2.4. Возникновение и срыв детонационного солитона при переходе границы неоднородности объемного содержания газа в пузырьковой жидкости.

§2.5. Эволюция детонационных волн в пузырьковой жидкости при переходе границы неоднородности радиусов газовых пузырьков в пузырьковой жидкости.

§2.6. Постдетонационная волна.

ГЛАВА III. ДИНАМИКА ДВУМЕРНЫХ ДЕТОНАЦИОННЫХ ВОЛН

В ПУЗЫРЬКОВОЙ ЖИДКОСТИ.

• §3.1. Преобразование основных уравнений пузырьковой жидкости к удобной для численного расчета форме.

§3.2. Принцип построения разностной схемы.

§3.3. Воздействие граничным давлением на жидкость, содержащую пузырьковую зону конечных размеров.

§3.4. Воздействие граничным давлением на неоднородную по объемному содержанию газа пузырьковую жидкость.

§3.5. Воздействие граничным давлением на слоисто-неоднородную по объемному содержанию газа пузырьковую жидкость.

§3.6. Импульсное воздействие давлением на пузырьковую жидкость с двух смежных границ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Динамика детонационных волн в неоднородной пузырьковой жидкости»

Пузырьковая жидкость с горючей смесью газов (вода с пузырьками гремучего газа или смесью углеводородов с кислородом) является взрывчатым веществом (ВВ), в котором может возникать детонационная волна с амплитудой, доходящей до сотни атмосфер, при воздействии импульсом давления порядка десяти-двадцати атмосфер [55]. 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 паровоздушными пузырьками, резкие толчки при транспортировке могут способствовать образованию детонационных волн, приводящих в свою очередь к аварийным ситуациям.

Интерес исследователей к проблеме пузырьковой детонации начиная с 80-х годов прошлого столетия не ослабевает. На данный момент активно ведутся исследования по динамике двумерных детонационных волн в пузырьковой жидкости (Ждан С.А., Кедринский В.К., Ляпидевский В.Ю. и др.). Исследование динамики двумерных и одномерных детонационных волн в пузырьковой жидкости, содержащей

Ф неоднородности (по объемному содержанию, радиусу пузырьков и т.д.), связано с анализом взрывобезопасности соответствующих гетерогенных систем, и поэтому является актуальным. Также актуальность диссертационной работы связана с необходимостью расширения и углубления теоретических представлений о нестационарных волновых процессах в многофазных средах, практической значимостью рассмотренных в работе проблем.

Цели работы. Теоретическое исследование динамики детонационных волн в пузырьковой жидкости в одномерной и двумерной постановках задачи. Анализ влияния состава и параметров смеси (неоднородность распределения объемного содержания газовой фазы и размера пузырьков) на эволюцию детонационных волн в таких пузырьковых жидкостях. Определение параметров пузырьковой смеси, при которых возможны возникновение и срыв детонационной волны. Исследование динамики двумерных детонационных волн, образующихся в результате взрыва завесы конечных размеров из-за воздействия импульсом давления на окружающую "чистую" жидкость. Изучение к эволюции двумерных детонационных волн в области с кусочно-неоднородным по объемному содержанию распределением пузырьков. Исследование динамики детонационных волн, возникающих при воздействии с двух смежных границ области.

Научная новизна. В диссертации поставлен и решен ряд новых важных задач. Изучено влияние неоднородности распределения пузырьков в объеме пузырьковой жидкости на динамику детонационных волн. Выявлены различные режимы распространения детонационных волн, а также их характеристики, такие, как амплитуда, скорость

• распространения и т.д. Рассмотрен взрыв завесы конечных размеров с пузырьками, содержащими горючий газ, находящейся в объеме "чистой" жидкости при воздействии на границе "чистой" жидкости импульсом давления умеренной амплитуды. Исследована динамика двумерных детонационных волн в кусочно-неоднородной среде. Также рассмотрены детонационные волны возникающие в однородной пузырьковой жидкости при воздействии со смежных границ.

Практическая ценность. Результаты, полученные в * диссертационной работе, могут быть использованы для анализа взрывобезопасности соответствующих гетерогенных систем, а также интенсивности воздействия детонационных волн на элементы конструкции.

Достоверность результатов. Достоверность полученных в рамках диссертационной работы результатов обеспечивается корректным применением уравнений механики пузырьковой жидкости, сравнением результатов расчетов с экспериментальными данными, а так же с результатами расчетов других авторов.

II

Апробация работы. Основные результаты работы были представлены на следующих конференциях и научных школах:

- на школе-семинаре по механике многофазных систем под руководством академика РАН Нигматулина Р.И. (Стерлитамак, 2001, 2002);

- на школе-семинаре по проблемам механики сплошных сред, в системах добычи, сбора, подготовки, транспорта и переработки нефти под руководством академика AHA Мирзаджанзаде А.Х. (Уфа, 2001, 2002);

- на республиканской научной конференции студентов и аспирантов 4 по физике и математике (Уфа, 2000);

- на Всероссийской научно-теоретической конференции «ЭВТ в обучении и моделировании» (Бирск, 2001, 2004);

- на VIII Четаевской международной конференции «Аналитическая механика, устойчивость и управление движением» (Казань, 2002);

- на VIII Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых (Екатеринбург, 2002);

- на Международной научной конференции «Спектральная теория дифференциальных операторов и родственные проблемы» (Стерлитамак, 2003);

- на XIII сессии Российского акустического общества (Москва,

2003);

- на Всероссийской научной конференции «Современные проблемы физики и математики», посвященной 50-летию физико-математического факультета (Стерлитамак, 2004);

- на квалификационном семинаре отдела физической гидродинамики Института гидродинамики им. М.А. Лаврентьева СО РАН (Новосибирск, 2005).

Кроме того, результаты, полученные в диссертационной работе, регулярно докладывались и обсуждались на научных семинарах кафедры прикладной математики и механики Стерлитамакской государственной педагогической академии под руководством профессора В.Ш. Шагапова.

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 10 работах, список которых приведен в конце автореферата.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы. Работа изложена на 102 страницах и иллюстрирована 39 рисунками. Список литературы состоит из 70 наименований.

Заключение диссертации по теме «Механика жидкости, газа и плазмы», Ахмадуллин, Фаниль Фанзилевич

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Исследована динамика одномерных и двумерных детонационных волн в пузырьковой жидкости. Рассмотрено возникновение и распространение детонационной волны в жидкости, содержащей пузырьковую зону конечных размеров. Изучена динамика детонационных волн при прохождении зон, различающихся объемным содержанием пузырьков, и зон с различными радиусами пузырьков, а также динамика детонационных волн, возникающих в пузырьковой жидкости с неоднородным распределением объемного содержания газа под воздействием импульсов давления различной формы. По результатам исследований могут быть сделаны следующие выводы:

1. При переходе волны типа ступенька из зоны с большим объемным содержанием в зону с меньшим объемным содержанием на границе между этими зонами происходит нелинейное отражение, из-за которого амплитуды проходящей и отраженной волн значительно превышают амплитуду первоначальной волны. При этом во второй зоне вблизи границы может достигаться температура воспламенения Г, и как следствие - зарождение и распространение от границы неоднородности волны детонации.

2. Детонационная волна при прохождении через границу из зоны с меньшим объемным содержанием в зону с большим объемным содержанием может срываться, то есть детонационная волна и следующая за ней ударная волна при прохождении через эту границу не способны инициировать детонацию в зоне с более высоким объемным содержанием газа (являющейся, вообще говоря, более калорийным взрывчатым веществом). Это связано с тем, что вторая зона акустически значительно более мягкая среда, чем первая зона, и в процессе взаимодействия детонационной волны (а также последующей за ним ударной волны) с границей между зонами неоднородностей, эта граница для первой зоны аналогична свободной поверхности.

3. При распространении волны сжатия по чистой жидкости, содержащей пузырьковую зону конечных размеров с пузырьками содержащими горючий газ, в случае, когда временная протяженность импульса большая (U >2R/C), в завесе возникают башнеобразные профили давления и температуры с достаточно высокими пиковыми значениями. Если амплитуда исходного импульса достаточна для инициирования воспламенения, то происходит взрыв пузырьковой завесы. Такое воздействие на пузырьковую завесу через окружающую "чистую" жидкость, сопровождаемое двумерными и нелинейными эффектами, существенно снижает амплитуду инициирующего импульса, способного возбудить детонацию.

4. При воздействии импульсом давления по пузырьковой жидкости, объемное содержание газа в которой плавно меняется в направлении, поперечном к направлению распространения волны, происходит ее фокусировка к границе с большим объемным содержанием. Причем амплитуда трансформированной волны может превышать амплитуду инициирующей ударной волны в несколько раз. В дальнейшем это обстоятельство способствует воспламенению пузырьков и развитию детонации во всем объеме. Таким образом, поперечная неоднородность объемного содержания газа приводит к снижению амплитуды инициирующего импульса, способного возбудить детонацию.

5. При воздействии импульсом давления на пузырьковую жидкость, экранированную от стенок канала слоями "чистой" жидкости, из-за дополнительного поджатия пузырьковой зоны возмущениями, распространяющимися по слоям "чистой" жидкости, снижается амплитуда инициирующих импульсов, способных возбудить детонацию в пузырьковом слое.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Ахмадуллин, Фаниль Фанзилевич, 2005 год

1. Ахмадуллин Ф.Ф. Импульсное воздействие на химически активную # пузырьковую жидкость с двух смежных границ // Третья Всероссийскаянаучно-теоретическая конференция "ЭВТ в обучении и моделировании". Бирск, 2004. С. 7-13.

2. Боуден Ф.П., Иоффе А.Д. Возбуждение и развитие взрыва в твердых и жидких веществах. М.: ИЛ, 1955.

3. Галимзянов М.Н. Динамика двумерных волн в пузырьковой жидкости // Диссертация на соискании ученой степени кандидата физико-математических наук. Уфа, 2004.

4. Галимзянов М.Н., Гималтдинов И.К. Воздействие волн давления в жидкости на твердую стенку, покрытую пузырьковой завесой конечных размеров // Труды 16 сессии Международной школы по моделям механики сплошной среды. Казань, 2002. - С. 92-96.

5. Галимзянов М.Н., Гималтдинов И.К. Волны давления в неоднородной по объемному содержанию газа пузырьковой жидкости / Трудымеждународной научной конференции "Спектральная теориядифференциальных операторов и родственные проблемы", Уфа, 2003, С. 59-62.

6. Галимзянов М.Н., Гималтдинов И.К., Шагапов В.Ш. Двумерные волны даления в жидкости, содержащей пузырьки // Изв. АН СССР. МЖГ, 2002, №2.-С. 139-147.

7. Гималтдинов И.К., Нигматулин Р.И., Шагапов В.Ш. Динамика волн в жидкости при наличии зоны, содержащей пузырьковую завесу. //Известия РАН. Механика жидкости и газа. 2001. №3. С. 133-143.

8. Гималтдинов И.К. Динамика волн в жидкостях и газах при наличии двухфазных зон // Диссертация на соискании ученой степени кандидата физико-математических наук. 1998.

9. Гималтдинов И.К., Ахмадуллин Ф.Ф. Двумерные детонационные волны в пузырьковой жидкости // Восьмая Четаевская международная конференция "Аналитическая механика, устойчивость и управление движением". Казань, 2002. С. 245.

10. Гималтдинов И.К., Ахмадуллин Ф.Ф. Детонационные волны в жидкости, содержащей пузырьковую зону конечных размеров // Восьмая Всероссийская научная конференция студентов-физиков и молодых ученых. Екатеринбург, 2002. С. 291-293.

11. Гималтдинов И.К., Ахмадуллин Ф.Ф. Детонационные волны в слоисто-неоднородной по объемному содержанию газа пузырьковой жидкости // Труды Всероссийской научной конференции "Современные проблемы96физики и математики". Уфа, Т. 2, 2004. С. 54-56.

12. Гималтдинов И.К., Ахмадуллин Ф.Ф., Шагапов В.Ш. Двумерные детонационные волны в пузырьковой жидкости при локализованном воздействии // Материалы третьей Всероссийской научно-практической школы семинара "Обратные задачи химии". Бирск, 2003. С.77-82.

13. Дубовик А.В., Боболев В.К. Чувствительность жидких взрывчатых систем к удару. М.: Наука, 1978.

14. Ждан С.А. Детонация столба химически активной пузырьковой среды в жидкости // Физика горения и взрыва. -2003, Т. 39, № 4. С. 107-112.

15. Ждан С.А. О стационарной детонации в пузырьковой среде // Физика горения и взрыва. -2002, Т. 38, № 3. С. 85-95.

16. Ждан С.А., Ляпидевский В.Ю. Детонация в двухслойной пузырьковой среде // Физика горения и взрыва. -2002, Т. 38, № 1. С. 123-128.

17. Зарембо Л.К., Красильников В.А. Введение в нелинейную акустику. М.: Наука. 1966. - 519 с.

18. Исакович М.А. Общая акустика. М.: Наука. 1973. - 496 с.

19. Кедринский В.К. Гидродинамика взрыва: эксперимент и модели. -Новосибирск: Издательство СО РАН, 2000. 435 с.

20. Кедринский В.К. Ударные волны в жидкости с пузырьками газа // ФГВ. -1980, Т. 16, №5.-С. 14-25.

21. Кедринский В.К., Шокин Ю.И., Вшивков В.А., Дудникова Г.И., Лазарева Г.Г. Генерация ударных волн в жидкости сферическими пузырьковыми кластерами // Докл. РАН, Т.381. № 6, 2001, С.773-776.

22. Кузнецов Н.М., Копотев В.А. Структура волны и условие Чепмена-Жуге при гетерогенной детонации в жидкостях с пузырьками газа // Докл. АН СССР. 1989. Т. 304, №4. - С.850-853.

23. Кутателадзе С.С., Накоряков В.Е. Тепломассообмен и волны в газожидкостных системах. Новосибирск: Наука, 1984. 301 с.

24. Лазарева Г.Г. Численное моделирование усиления ударных волн в пузырьковых средах // Диссертация на соискании ученой степени кандидата физико-математических наук. Новосибирск, 1998.

25. Ляпидевский В.Ю. О скорости пузырьковой детонации // ФГВ. 1990. - № 4. С. 139-140.

26. Ляпидевский В.Ю. Структура детонационных волн в многокомпонентных пузырьковых средах // ФГВ 1997, Т. 33, № 3. - С. 104-113.

27. Нигматулин Р.И. Динамика многофазных сред. М.: Наука. Т 1,2, 1987. -360 с.

28. Нигматулин Р.И. Мелкомасштабные течения и поверхностные эффекты в гидромеханике многофазных сред // ПММ. 1971, № 3. - С. 541-563.

29. Нигматулин Р.И. Основы механики гетерогенных сред. М.: Наука. 1978. - 336 с.

30. Нигматулин Р.И., Хабеев Н.С. Теплообмен газового пузырька с жидкостью // Изв. АН СССР. МЖГ, 1974, № 5. - С. 94-100.

31. Нигматулин Р.И., Шагапов В.Ш., ВахитоваН.К. Проявление сжимаемости несущей фазы при распространение волны в пузырьковой среде // ДАН. 1989, Т. 304, № 5. - С. 1077-1088.

32. Нигматулин Р.И., Шагапов В.Ш., Гималтдинов И.К., Ахмадуллин Ф.Ф.98

33. Взрыв пузырьковой завесы с горючей смесью газов при воздействии импульсом давления // Доклады РАН, Т.388. №5. 2003. С.611-615.

34. Нигматулин Р.И., Шагапов В.Ш., Гималтдинов И.К., Галимзянов М.Н. Двумерные волны давления в жидкости, содержащей пузырьковые зоны // Докл. РАН. 2001, Т. 378, № 6. - С. 763-767.

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

36. Огородников И.А. Резонансное формирование уединенных волн в среде со структурой. Препринт 90-83. Новосибирск: ИТФ СО АН СССР, 1983.

37. Пинаев А.В. Передача пузырьковой детонации через слой инертной жидкости // ФГВ. 2004. Т. 40, № 2. С. 105-110.

38. Пинаев А.В., Сычев А.И. Влияние физико- химических свойств газа и жидкости на параметры и условия возникновения детонационных волн в системах "жидкость газовые пузырьки" // Физика горения и взрыва. 1987. Т. 23, №6. С. 76-84.

39. Пинаев А.В., Сычев А.И. Обнаружение и исследование самоподдерживающихся режимов детонации в системах жидкое горючее пузырьки окислителя //Докл. АН СССР.1986. Т. 290, № 3. С. 611-615.

40. Пинаев А.В., Сычев А.И. Структура и свойства детонации в системах жидкость пузырьки газа // Физика горения и взрыва. 1986. Т.22, № 3. С. 109-118.

41. Самарский А.А., Попов Ю.П. Разностные схемы газовой динамики. М.: Наука, 1975.-352 с.

42. Солоухин Р.И. О пузырьковом механизме ударного воспламенения в жидкости. ДАН СССР, 1961, Т. 136, № 2. с. 311-312.

43. Сычев А.И. Влияние размера пузырьков на характеристики волны детонации // ФГВ. 1995. Т. 31, № 5. С. 83-91.

44. Сычев А.И. Волна детонации в системе жидкость пузырьки газа // ФГВ. - 1985. -21, №3.-С. 103-110.

45. Сычев А.И. Воспламенение систем жидкость-пузырьки газа ударной волной // ФГВ. -1985. № 1. с. 130-134.

46. Сычев А.И. Переход волны пузырьковой детонации в химически неактивную пузырькову среду // ФГВ. -2001. № 4. С. 96-99.

47. Сычев А.И. Детонационные волны в многокомпонентных пузырьковых средах//ФГВ. 1993. Т. 29, № 1. С. 110-117.

48. Сычев А.И. Переход волны пузырьковой детонации в жидкость. // Физика горения и взрыва. 2002. Т. 38, № 2. С. 99-103.

49. Сычев А.И. Пузырьковая детонация в полидисперсных средах // Физика горения и взрыва. 1997. Т. 33, № 3. С. 114-119.

50. Сычев А.И. Структура волны пузырьковой детонации // ФГВ. 1994. Т. 30, №4. С. 119-124.

51. Сычев А.И., Пинаев А.В. Самоподдерживающаяся детонация в жидкостях с пузырьками взрывчатого газа // ПМТФ. 1986. - № 1. - С. 133-138.

52. Таблицы физических величин: Справочник / Под ред. И.К. Кикоина. М.: Атомиздат, 1976. - 1008 с.

53. Троцюк А.В., Фомин П.А. Модель пузырьковой детонации // ФГВ. 1992. Т.28, №4. - С. 129-136.

54. Шагапов В.Ш., Гималтдинов И.К. Об эволюции линейных волн в жидкости при наличии пузырьковой завесы. //Инженерно физический журнал. 1998. Т. 71. №6. С. 987-992.

55. Шагапов В.Ш. Динамика гетерогенных сред при наличии физико-химических превращений // Диссертация на соискании ученой степени доктора физико-математических наук. Уфа.

56. Шагапов В.Ш., Абдрашитов Д.В. Структура волн детонации в пузырьковой жидкости. // ФГВ. 1992, № 4. - С. 89-95.

57. Шагапов В.Ш., Вахитова Н.К. Волны в пузырьковой системе при наличии химических реакции в газовой фазе. // ФГВ. 1989, № 6. - С. 14-22.

58. Шагапов В.Ш., Гималтдинов И.К., Галимзянов М.Н. Двумерные эффекты при распространении волн конечной длительности в пузырьковой жидкости // Труды международной семинара "Акустика неоднородных сред". Новосибирск, Выпуск 117, 2001. - С. 51-55.

59. Шагапов В.Ш., Гималтдинов И.К., Галимзянов М.Н. Эффекты нелинейности при распространении двумерных волн давления в пузырьковой жидкости // Труды Стерлитамакского филиала АН РБ. -Уфа, 2001. С. 153-158.

60. Beylich А.Е., Gulhan A. Waves in reactive bubbly liquids // Proc. IUTAM Symp on Adiabatic Waves in liquid Vapor Systems. Gettingen, FRG, 1989. P. 39-48.

61. Hasegawa Т., FujiwaraT. Detonation in oxihydrogen bubbled liquids. In: 19th Symp. (In). Comb., Haifa, 1982, Pittsburgh, p. 675-682.

62. Hasegawa Т., Fujiwara Т., Yasuhara M. Propagation velosity and mechanism of bubble detonation. In: 19th Colloquim (Int.) on Dynamics of Explosions and Reactive Systems: Book of Abstracts, Poitiers; 1983, p. 34.

63. Kedrinskii V.K., Mader Ch. Accidential detonation in bubbly liquids // Proc. 16th Intern. Symp. on Shock Tube and Waves / H. Groenig (Ed.). 1987. P. 371-376.

64. Kedrinskii V.K., Mader Ch. On the velocity of bubble detonation // Proc. 13th Intern. Symp. on Nonlinear Acoustics. Bergen, Norway, 1993. P. 442-447.

65. Scarinci Т., Bassin X., Lee J., Frost D. Propogation of a reactive wave in a bubbly liquid // Proc. 18 th ISSW / K. Takayama (Ed.). V.l. P. 481-484.

66. Gulhan A., Beylich A.E. Detonation wave phenomena in bubbled liquid // Adiabatic Waves in Liquid Vapor Systems / G.E.A. Meier, P.A. Thompson (Eds). Berlin: Springer - Verl., 1990. P. 39-48.