Влияние градиента плотности в газожидкостных пенах на распространение ударных волн тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.02.05, кандидат физико-математических наук Ху Хайбо

• Ху Хайбо
• кандидат физико-математических наук
• 1996

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Ху Хайбо

Введение

Глава 1. Газожидкостные пены и исследования распространения ударных волн в пене

1.1 Характеристики пены

1.2 Структура пен

1.3 Синерезис пены в гравитационном поле

1.4 Взаимодействия ударных волн с пенами

1.5 Цель и задачи исследования

Глава 2. Экспериментальное исследование пены и взаимодействия ударной волны с пеной

2.1 Исследование характеристик пен

2.2 Особенности взаимодействия ударных волн с пеной

2.3 Зона релаксации давления

Глава 3. Численное моделирование структуры пены и течения жидкости (синерезиса) в пене

3.1 Форма канала Плато-Гиббса и характеристики пены

3.2 Доля жидкости, содержащейся в пленках

3.3 Распределение плотности пены по высоте

Глава 4. Моделирование взаимодействий ударных волн с пенами неоднородной плотности

4.1 Моделирование с использованием модели эффективного газа

4.2 Моделирование с использованием газокапельной модели

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Влияние градиента плотности в газожидкостных пенах на распространение ударных волн»

Газожидкостные пены представляют собой один из примеров дисперсных систем, изучение динамики которых, как одно из основных направлений механики многофазных сред, в последние годы получило интенсивное развитие. Интерес к исследованиям в этой области связан с широким распространением этих сред. Особенности строения пен обусловливают их специфические свойства, обеспечивающие широкое использование пен в различных отраслях промышленности. Одно из применений пен - пы-леподавление и экраниравание технологических взрывов. Необходимость защиты от последствий таких взрывов возникает в горнодобывающей промышленности, при сварке и резке взрывом. Водные пены служат в этих случаях как оболочки, ослабляющие взрывные ударные волны. Взаимодействие ударных волн с пеной приводит к изменениям физических свойств среды, которые в свою очередь влияют на формирование параметров потока. Поэтому запросы практики требуют понимания основных закономерностей таких нестационарных процессов. Проблема взаимодействия ударных волн с пенами представляет интерес и в чисто научном отношении, т.к. связана с формированием волновых движений в средах с выраженной структурой и сложной реологией.

Научная новизна:

1. Впервые экспериментально и численно исследовано влияние неоднородности плотности в газожидкостных пенах на особенности газодинамических возмущений, возникающих при воздействии ударных волн.

2. Впервые исследованы параметры пен и их влияние на формирование течения за фронтом ударной волны. Выявлены особенности изменения давления за фронтом волны и их взамосвязь с процессами разрушения пены и формирования газокапельной среды.

3. Проведено экспериментальное изучение динамики градиента плотности в пене, обусловленной действием силы тяжести. На основе построенной модели пространственной структуры пены по каналовой модели синерезиса проведены соответствующие расчеты.

4. С учетом градиента плотности в пенном столбе и пенной структуры проведено численное моделирование взаимодействия ударных волн с пеной по равновесной и газокапельной моделям.

На защиту выносятся: результаты исследования особенностей газодинамических возмущений при распространении ударных волн по газожидкостным пенам с неоднородным распределением плотности и различным временем жизни; результаты исследования релаксационной зоны давления в проходящей ударной волне; результаты экспериментального и расчетного исследований структурных и интегральных характеристик пены и их изменений в зависимости от плотности и времени выдержки; модель течения жидкой фазы в пене под действием силы тяжести с учетом геометрии пенной структуры и условий приготовления пены; результаты моделирования процесса взаимодействия ударных волн с пеной по равновесной модели с учетом градиента плотности в пенном столбе; результаты моделирования процесса взаимодействия ударных волн с пеной по газокапельной модели с учетом распределения плотности и пенной структуры.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и были одобрены на: международной конференции "Фундаментальные исследования в аэрокосмической науке" (Жуковский-1994); 3-ем научном семинаре СНГ "Акустика неоднородных сред" (Новосибирск-1994); VI международной конференции "Лаврентьевские чтения" (Казань-1995); международной конференции "Foam Euroconference" (Arcachoii, France-1996); 4-ом научном семинаре СНГ "Акустика неоднородных сред" (Новосибирск-1996); международном коллоквиуме EUROMECH Colloquium 355 "Interfacial Instabilities" (Palaiseau/Paris, France-1996).

Публикации. Результаты диссертации опубликованы в 16 работах, список которых приведен в конце диссертации.

Структура и объем диссертации:

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы. Общий объем диссертации составляет 174 стр., включая 123 стр. машинописного текста, 51 рисунков, 1 таблицу. Список цитированной литературы содержит 104 наименований.

Заключение диссертации по теме «Механика жидкости, газа и плазмы», Ху Хайбо

Заключение

1. В результате экспериментальных исследований установлены закономерности изменения распределения под действием силы тяжести плотности по высоте столба газожидкостной пены со временем. Показано, что газожидкостная пена имеет неоднородное распределение плотности по высоте, меняющееся в течение десятков секунд.

2. Проведено расчетное моделирование формы поверхности жидкости в элементах пенной структуры - каналов Плато-Гиббса, узлов и пленок в широком диапазоне плотности пены от полиэдрической до шаровой. Определены зависимости характеристик пенной структуры от плотности пены: радиусов кривизны каналов, доли жидкости, содержащейся в пленках, поправочных коэффициентов для объема, гидропроводности канала к формулам цилиндрической модели.

3. Проведено расчетное моделирование синерезиса по каналовой модели с учетом формы канала и роста размера ячеек. Сопоставление расчетных результатов (распределений плотности пены по высоте, объема жидкости, вытекшей из пены) с полученными в эксперименте показало, что данная модель дает удовлетворительное описание динамики перераспределения плотности газожидкостной пены.

4. Для ударных волн с продолжительной фазой сжатия экспериментально (на основе измерений давления) установлен ряд особенностей их взаимодействия с пеной с неоднородным распределением плотности по высоте. Установлено, что при входе ударной волны умеренной интенсивности в пену формируется волна сжатия с скачкообразным предвестником и релаксационной зоной нарастания давления. Распределение плотности пены определяет амплитуду предвестника и протяженность релаксационной зоны. Подъем давления за релаксационной зоной обусловлен наличием градиента плотности в пене. Максимальное значение давления за отраженной волной в пене (на торце ударной трубы) существенно превышает давления за отраженной ударной волной в воздухе. Показано, что время выдержки пены, определяющее распределение ее плотности по высоте, является необходимым параметром при изучении взаимодействия ударных волн с газожидкостными пенами.

5. Фотографирование с высоким временным разрешением пены в процессе воздействия на нее ударной волны показало, что регулярная пенная структура разрушается в пределах зоны релаксации при числах Маха падающей на столб пены ударной волны Mi > 1.3. Это дает основание рассматривать газокапельные модели для моделирования взаимодействия ударных волн с газожидкостными пенами.

6. На основании равновесной модели (модели эффективного газа) проведены расчеты поведения давления при взаимодействии ударных волн с продолжительной фазой сжатия с пенами. Результаты расчетов с учетом градиента плотности пены хорошо описывают экспериментальные осциллограммы давления за релаксационной зоной проходящей волны. За отраженной волной в пене равновесная модель существенно завышает значения давления.

7. Результаты расчетного моделирования взаимодействия ударной волны с пенным слоем на основе газокапельной модели достаточно хорошо описывают экспериментальные осциллограммы давления. Для подобных моделей необходимыми элементами, обусловленными специфическими особенностями газожидкостных пен, являются: распределения плотности пены и размеров ее ячеек по высоте, зависимости размеров пенных каналов, доли жидкости в пленках от локальной плотности пены. Для достижения соответствия результатов расчета и эксперимента в релаксационной зоне давления проходящей волны требуется учет динамики разрушения пенной структуры. Результаты численных расчетов показали также, что: учет динамического напора крупных капель на торце не вызывает заметного изменения давления на торце; придонный слой пены с повышенной плотностью практически не оказывает влияния на давление за отраженной волной; поведение температуры газовой фазы в проходящей волне немонотонно в зоне монотонного нарастания давления из-за интенсивных теплообмена и обдирки крупных капель вблизи границы пена-воздух; длительность фронта волны сжатия в пене в момент прихода к торцу составляет десятки мм; газовая фаза в газокапельной среде ускоряется приблизительно до половины значения скорости газа за падающей ударной волной в воздухе.

В заключение автор считает необходимым выразить благодарность проф. В. А. Левину, В. Г. Тестову, С. Ю. Митичкину, А. В. Перцову и Е. И. Васильеву за постоянную поддержку и помощь в работе.