Что такое детонационная волна
Перейти к содержимому

Что такое детонационная волна

  • автор:

Инициирование и распространение детонационных волн в трубе с неоднородным по сечению распределением пузырьков Текст научной статьи по специальности «Физика»

Аннотация научной статьи по физике, автор научной работы — Гималтдинов Ильяс Кадирович, Баязитова Алина Разифовна

Актуальность. Распространение детонационной волны в пузырьковой жидкости уникальное явление, потому что пузырьковая детонация инициируется и распространяется в системах с очень малым энергосодержанием, но при этом обладает общими для всех детонационных волн признаками (самоподдерживающийся стационарный процесс). Так как пузырьковые среды структурно отличаются от химически активных гомогенных сред (жидких, газообразных, твердых взрывчатых веществ) и гетерогенных (газ-частицы, пена и т. д.), то детонация в пузырьковых средах обладает рядом особенностей, связанных со спецификой пузырьковой среды. Пузырьковые жидкости являются рабочей средой в различных отраслях промышленности, связанных с нефтепереработкой, металлургией и т. д. В одних случаях пузырьковые жидкости являются рабочей средой для ведения технологических процессов (например, жидкофазное окисление различных газов ), в других элементом системы обеспечения взрывобезопасности (предохранительные жидкостные затворы), поэтому необходима разработка научных принципов выбора взрывобезопасных режимов технологических процессов, протекающих в газожидкостных средах, и эксплуатации жидкостных предохранительных затворов. Цель: изучение особенностей инициирования и распространения детонации в пузырьковой жидкости при неоднородном распределении по сечению трубы взрывчатых пузырьков . Объект: пузырьковые жидкости , содержащие взрывчатый газ внутри пузырьков . Методика исследования основывается на решении системы дифференциальных уравнений в частных производных. Результаты исследования показали, что неоднородное распределение взрывчатых пузырьков по сечению трубы приводит к существенному снижению амплитуды первоначальной волны , способной инициировать детонацию . Кроме того, установлено, что при распространении детонационной волны из-за поджатия остаются участки, где детонация не происходит.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по физике , автор научной работы — Гималтдинов Ильяс Кадирович, Баязитова Алина Разифовна

Зависимость характеристик детонационных волн в многокомпонентной пузырьковой жидкости от начального давления

Особенности динамики детонационных волн в пузырьковой жидкости при прохождении границы «Водоглицериновый раствор — масло»

Взрывные и детонационные процессы в химически активных пузырьковых смесях
Детонационные волны в жидкости с пузырьками, частично состоящими из инертного газа

Распространение нелинейных волн в каналах переменного сечения, сопровождаемое образованием гидрата газа

i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Initiation and propagation of detonation waves in a tube with bubbles inhomogeneous distribution over cross-section

Relevance. Propagation of a detonation wave in a bubble liquid is a unique phenomenon, as the bubble detonation is initiated and propagated in the systems with very low energy content, but at the same time it has common features for all detonation waves (self-sustaining stationary process). Since bubble media are structurally different from chemically active homogeneous media ( liquid , gaseous, solid explosives) and heterogeneous (gas-particles, foam, etc.), detonation in bubbling media has a number of features related to the specifics bubble medium. Bubble liquids are a working medium in various industries related to oil refining, metallurgy, etc. In some cases, the bubble liquids are a working medium for technological processes (for example, liquid-phase oxidation of various gases), in others -an element of the explosion-proof system (safety fluid closures), therefore, it is necessary to develop scientific principles for selecting explosion-proof modes of technological processes in gas-liquid media and operation of liquid safety gates. The aim of the research is to study the features of initiation and propagation of detonation in a bubble liquid with inhomogeneous distribution of explosive bubbles along the section of the tube. The object of research is bubble liquids containing an explosive gas inside the bubbles . The research method is based on solving a system of partial differential equations. The results of the research showed that the non-uniform distribution of explosive bubbles along the tube cross section leads to a significant decrease in the amplitude of the initial wave , which can initiate detonation . In addition, it was found that when a detonation wave is propagated because of the preload, the sites remain unconfined.

Текст научной работы на тему «Инициирование и распространение детонационных волн в трубе с неоднородным по сечению распределением пузырьков»

УДК 532.329; 532.2.532

ИНИЦИИРОВАНИЕ И РАСПРОСТРАНЕНИЕ ДЕТОНАЦИОННЫХ ВОЛН В ТРУБЕ С НЕОДНОРОДНЫМ ПО СЕЧЕНИЮ РАСПРЕДЕЛЕНИЕМ ПУЗЫРЬКОВ

Гималтдинов Ильяс Кадирович1,

Баязитова Алина Разифовна2,

1 Уфимский государственный нефтяной технический университет, Россия, 450062, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1.

2 Стерлитамакский филиал Башкирского государственного университета, Россия, 453103, г. Стерлитамак, пр. Ленина, 49.

Актуальность. Распространение детонационной волны в пузырьковой жидкости — уникальное явление, потому что пузырьковая детонация инициируется и распространяется в системах с очень малым энергосодержанием, но при этом обладает общими для всех детонационных волн признаками (самоподдерживающийся стационарный процесс). Так как пузырьковые среды структурно отличаются от химически активных гомогенных сред (жидких, газообразных, твердых взрывчатых веществ) и гетерогенных (газ-частицы, пена и т. д.), то детонация в пузырьковых средах обладает рядом особенностей, связанных со спецификой пузырьковой среды. Пузырьковые жидкости являются рабочей средой в различных отраслях промышленности, связанных с нефтепереработкой, металлургией и т. д. В одних случаях пузырьковые жидкости являются рабочей средой для ведения технологических процессов (например, жидкофазное окисление различных газов), в других — элементом системы обеспечения взрыво-безопасности (предохранительные жидкостные затворы), поэтому необходима разработка научных принципов выбора взрыво-безопасных режимов технологических процессов, протекающих в газожидкостных средах, и эксплуатации жидкостных предохранительных затворов.

Цель: изучение особенностей инициирования и распространения детонации в пузырьковой жидкости при неоднородном распределении по сечению трубы взрывчатых пузырьков.

Объект: пузырьковые жидкости, содержащие взрывчатый газ внутри пузырьков.

Методика исследования основывается на решении системы дифференциальных уравнений в частных производных. Результаты исследования показали, что неоднородное распределение взрывчатых пузырьков по сечению трубы приводит к существенному снижению амплитуды первоначальной волны, способной инициировать детонацию. Кроме того, установлено, что при распространении детонационной волны из-за поджатия остаются участки, где детонация не происходит.

Двумерность, детонация, волна, пузырьки, жидкость, газ.

Детонация — самоподдерживающийся (автоволновой) процесс, существующий в химически активных средах. Возможность существования детонационного процесса обеспечивается энерговыделением в среде, компенсирующим энергозатраты детонации на необратимое преобразование среды. Детонационная волна в пузырьковой жидкости — это комплекс, состоящий из ударной волны, распространяющейся с определенной скоростью, и зоны химических реакции за ней. Волна пузырьковой детонации существует в химически активных средах, например, газожидкостная смесь с взрывчатым газом внутри пузырьков.

Интерес исследователей к изучению волн пузырьковой жидкости не уменьшается, что связано с некоторыми парадоксальными явлениями при распространении волн в таких системах [1-8]. В настоящее время наряду с исследованием одномерных волн в пузырьковых жидкостях активно изучаются двумерные волны. В [9] изучена эволюция нелинейных волн давления в трубе при разных законах распределения пузырьков по сечению. В [10-14] исследована динамика детонационных

волн в трубе, содержащей пузырьковые кластеры различной геометрии.

Из экспериментов и математических моделей по пузырьковой детонации известно, что для инициирования детонации необходимо воздействовать на пузырьковую жидкость импульсом давления амплитудой около 2,0 МПа. Это справедливо в случае, когда пузырьки расположены в объеме жидкости равномерно. Но, как показывают расчеты для ацетилено-кислородной стехиометриче-ской смеси С2Н2+2,502, приведенные в [11], когда взрывчатые пузырьки расположены в объеме в виде пузырьковой завесы конечных размеров, воздействие давлением амплитудой 4-5 атмосфер на границу жидкости из-за фокусировки волны в области пузырьковой завесы приводит к инициированию детонации. Таким образом, распределение пузырьков в объеме жидкости в виде пузырьковой завесы приводит к значительному уменьшению диапазона амплитуд первоначальной волны, способного инициировать детонацию.

В данной работе исследованы особенности инициирования и распространения детонации в пузырьковой жидкости при неоднородном распреде-

лении взрывчатых пузырьков по сечению трубы. Показано, что неоднородность объемного содержания пузырьков может привести к существенному снижению амплитуды первоначальной волны, способной инициировать детонацию.

Исследуем волны давления в трубе, заполненной пузырьковой жидкостью, при неравномерном распределении объемного содержания взрывчатого газа вдоль радиальной координаты. Рассмотрим два случая: когда объемное содержание газа монотонно увеличивается к центру трубы по линейному закону, и, наоборот, когда объемное содержание пузырьков увеличивается от центра трубы к периферии.

Будем полагать, что температура газа внутри пузырьков при достижении некоторого значения Т* мгновенно изменяется на величину ДТ, соответствующую теплотворной способности газа, вследствие чего давление в газе и жидкости повышается.

Для описания волнового движения запишем систему, состоящую из уравнений масс, числа пузырьков, импульсов и давления в пузырьках [10, 15]

Сп иг (диг диг Л _ — + п—1 + пI —- + —- I = 0, Л г \ дг дг /

р0 ёЧ + др, = 0, рр и + ^ = 0,

сСа (С д д д ^ = —, I — =—+иг—+иг —

А \ А д1 г дг г дг

а, + а. = 1, а. = 413ппаъ, р = р°Ц , р = рg +р .

Все обозначения такие же, как в [10]. При описании радиального движения учитывается акустическое излучение от пузырьков, поэтому будем полагать, что [1б]:

где у1 — вязкость жидкости; С1 — скорость звука в «чистой» жидкости.

Для описания жидкости и газа примем следующие уравнения

РI = Ро + С1 (рр _ рро X Р.g =ррВТ. ,

где В — газовая постоянная. Индекс 0 внизу относится к начальному состоянию.

Тепловой поток qs задается приближенным конечным соотношением [15]

. т. _ То Т Р. ( а Л3

2а Т0 [^/Рё» Ре8 > 1004; [10, Ре8 < 100,

Здесь Т0=со^ — температура жидкости; Ш и Ре — числа Нуссельта и Пекле; ке и Хе — коэффициенты температуропроводности и теплопроводности газов; се — теплоемкость газа.

В качестве газовой фазы для расчетов принимается ацетилено-кислородная стехиометрическая смесь С2Н2+2,502 [1], значения Т* и ДТ получены в [11] с учетом [17].

Исследуем динамику детонационных волн в неоднородной по объемному содержанию взрывчатого газа пузырьковой жидкости. Методика численного расчета представлена в [11, 18].

Для того, чтобы выделить область, где произошла химическая реакция в газовой фазе, при численных расчетах был введен индикатор, который в дальнейшем будем называть индикатором детонации.

На рис. 1 представлен случай инициирования волн детонации при неоднородном распределении взрывчатых пузырьков по сечению трубы, когда объемное содержание пузырьков увеличивается от стенки к оси трубы линейно от а ^=0,001 до

аЦ0=0,07 по закону а.0 =|—^-г + а.

Остальные начальные условия при этом записываются в следующем виде: ^=0), 2>0:

Р1 = Р0, иг = иг = 0 р, =р0, р = р°0(1 _а.0^ Р. = Р0, а = а0> ™ =

На оси симметрии (г0=0) и стенке трубы (г0=Ес) принимаются условия равенства нулю нормальной компоненты скорости ц=0.

Возмущение давления инициируется скачком давления на границе 20=0, 0

Поля давления (а), (Ь), (е) и (Г) и поля для индикатора детонации (с), (§) и ф) (рис. 1) соответствуют моментам времени ^=0,7; 0,8; 1,0 и 1,1 мс. Отметим, что черный цвет в поле для индикатора детонации соответствует зоне, где химическая реакция в газовой фазе уже произошла. Как видно из картинок (а) и (с), к моменту 0,7 мс происходит фокусировка волн давления к центру трубы из-за более сильной сжимаемости этой области, что обусловлено более высоким объемным содержанием пузырьков в центре трубы. Амплитуда волны достигает значения ~1,6 МПа, но этого недостаточно для инициирования детонации, т. е. температура в пузырьках не достигает критического значения Т* и детонации к этому моменту времени не происходит. Из картинок (Ь) и видно, что к моменту 0,8 мс инициируется детонационная волна, которая распространяется вдоль оси трубы с амплитудой ~4,5 МПа. Из картинок (е) и (§), соответствующих моменту 1,0 мс, видно, что детонационная

Рис. 1. Инициирование волн детонации при неоднородном распределении пузырьков по сечению трубы, когда объемное содержание пузырьков увеличивается к центру, для системы со следующими геометрическими и теплофизическими параметрами: газ — смесь ацетилена и кислорода (C2H2+2,5O2): р’0о=1,26кг/м3, у0=1,35, Xg=2,49- 10-2Дж/(м■ с град), cg=1,14■ 10Дж/(кгград), T=1000 K, AT=3200 K, aC0=0,07, аЦ0=0,001, a0=1,5 мм; жидкость — смесь глицерина с водой, р’0=1126 кг/м3, v=0,75 ■ 10-5м2/с, C=1700 м/с; р0=105Па, Ap0=0,1 МПа, T0=300 K, RC=0,1. Шкала рядом с полем давления соответствует значению давления в МПа

Fig. 1. Initiation of detonation waves in non-uniform distribution of bubbles in the cross section of the pipe when the volume content of bubbles increases towards the center, for a system with the following geometric and thermal parameters: gas — a mixture of acetylene and oxygen (ClH2+2,5O2): p°0=1,26kg/m3, y0=1,35, Xg=2,49■10-2Дж/(m■ s gr), c=1,1410i>M/(kggr), T=1000K, AT=3200K, aCg0=0,07, a»g0=0,001, a0=1,5 mm; liquid — a mixture of glycerol and water, p00=1126 kg/m3, v=0,75^ W^m2^, C=1700 m/s; р0=105Ра, Ap0=0,1 МРа, T0=300 K, RC=0,1. The scale next to the field of pressure corresponds to the pressure in MPa

волна, инициированная в осевой зоне, начинает распространяться в зону с меньшим объемным содержанием газа, причем фронт волны имеет плоскую форму. Картинки (Г) и ф), соответствующие моменту времени 1,1 мс, показывают, что детонационная волна со временем распространяется практически по всему сечению канала. Отметим, что, хотя концентрация газовой фазы по сечению

канала линейно возрастает к центру, фронт детонационной волны по сечению канала практически однороден. Кроме того, со временем из-за поджа-тия осевой зоны наблюдается некоторое увеличение амплитуды детонационной волны.

На рис. 2 представлены эпюры давления по координате для разных значений в момент времени 1,0 мс (параметры расчета те же, что на рис. 1.) Из

рис. 2 видно, что амплитуда в центре трубы к моменту 1,0 мс приблизительно равна 12,0 МПа (линия 1), а вблизи стенок трубы (линия 2) составляет около 4,0 МПа. Для сравнения на рис. 3 представлены эпюры давлений для тех же параметров расчета, как для рис. 1, но для гомогенного распределения газовой фазы по сечению канала, причем линия 1 (верхняя картинка) соответствует объемному содержанию пузырьков 0,07, а линия 2 (нижняя картинка) — объемному содержанию 0,001. Видно (рис. 3), что в случае гомогенного распределения пузырьков по сечению трубы амплитуды волны давления типа «ступенька» величиной ~0,7 МПа недостаточно для того, чтобы возбудить детонацию. В этом случае профиль волны соответствует профилю нелинейной волны, распространяющейся в пузырьковой среде с неактивными пузырьками (например, заполненных воздухом), при этом характерные осцилляции связаны с радиальной инерцией пузырьковой жидкости. При неравномерном распределении газа по сечению трубы, даже если амплитуда первоначальной волны в начале распространения не может возбудить детонацию, при дальнейшей эволюции сигнала вглубь происходит его фокусировка в область, где объемное содержание больше, и возникают условия для инициирования детонации.

держание пузырьков увеличивается линейно от центра к стенке трубы по линейному закону, как для рис. 1, где «¿=0,001, а^=0,07. Остальные начальные и граничные условия такие же, как на рис. 1.

Рис. 2. Эпюры давления в момент времени 0,1 мс при неоднородном распределении пузырьков по сечению трубы, когда объемное содержание пузырьков увеличивается к центру от a ^=0,001 до acg0=0,07 (линия 1 соответствует оси трубы, линия 2 — стенкам трубы). Все геометрические и теплофизические параметры такие же, как на рис. 1

Fig. 2. Plots of pressure at a time of 0,1ms at nonuniform distribution of bubbles over the tube section, when the volume content of bubbles increases from the center to the periphery from aW=0,001to ag0=0,07 (Line 1 corresponds to the tube axis, the line 2 — to the tube walls). All geometric and thermal parameters are the same as in Fig. 1

На рис. 4, 5 представлено распределение давления в пузырьковой жидкости, когда объемное со-

Рис. 3. Эпюры давления в момент времени 0,1 мс при гомогенном распределении пузырьков по сечению трубы (линия 1 соответствует ag0=0,07, линия 2 -ag0=0,001). Все остальные геометрические и тепло-физические параметры такие же, как на рис. 1

Fig. 3. Plots of pressure at a time of 0,1ms for homogeneous distribution of bubbles across the tube (Line 1 corresponds to the аф=0,07, line 2 — ag0=0,001). All other geometric and thermal parameters are the same as in Fig. 1

На рис. 4 поля давления (a), (b), (e) и (f) и индикатора детонации (c), (d), (g) и (h) соответствуют моментам времени t=0,8; 0,9; 1,1 и 1,2 мс. Профили волн давления в момент 1,2 мс для различных значений радиальной координаты r представлены на рис. 5. Из картинок (а) и (с) видно, что первоначальная волна давления при распространении фокусируется на участках около стенки трубы, где объемное содержание газа наибольшее.

При этом амплитуда реализующегося давления ~1,0 МПа недостаточна для инициирования детонации в системе и поэтому детонационный процесс не возбуждается. Из картинок (b) и (d) видно, что к моменту t=0,9 мс на участке трубы около стенки инициируется детонационная волна, амплитуда которой около 4,8 МПа. Из картинок (e) и (g) следует, что инициированная детонационная волна распространяется не только в положительном направлении оси z, но и к центру трубы, амплитуда

Что такое детонационная волна

Прорыв в области космических и летательных аппаратов может быть достигнут в результате создания детонационных двигателей. Принцип работы таких двигателей основан на взаимодействии ударно-волновых структур. Правильное понимание сути этих процессов является основой для построения сложных конфигураций ударных и детонационных волн. В данной статье представлена историческая справка о разработке теории интерференции стационарных и нестационарных газодинамических разрывов научной школой В.Н. Ускова. Приведены ссылки на этапные работы, представляющие результаты изучения интерференции стационарных разрывов, бегущих одномерных волн, косых бегущих волн, тройных ударно-волновых конфигураций и, наконец, нестационарных тройных конфигураций. Показан геометрический смысл уравнений газовой динамики. Введено понятие ударной и детонационной волны как особенности отображения проектирования пространства газодинамических характеристик. Представленная теория дает методические основы проектирования камер сгорания реактивных двигателей с детонационным горением.

детонационный двигатель
ударная волна
детонационное горение
газодинамический разрыв
ого давления // Фундаментальные исследования. – 2012. – № 3. – С. 204–207.

2. Булат П.В., Засухин О.Н., Усков В.Н. О классификации режимов течения в канале с внезапным расширением // Теплофизика и Аэромеханика. – 2012. – № 2. – С. 209–222.

3. Булат П.В., Продан Н.В. О Низкочастотных расходных колебаниях Донного давления. – 2013. – № 4 (3). – С. 545–549.

4. Булат П.В., Усков В.Н., Продан Н.В. История изучения нерегулярного отражения скачка уплотнения от оси симметрии сверхзвуковой струи с образованием диска Маха // Фундаментальные исследования. – 2012. – № 9. – С. 414–420.

5. Булат П.В., Усков В.Н., Продан Н.В. Обоснование применения модели стационарной маховской конфигурации к расчету диска маха в сверхзвуковой струе // Фундаментальные исследования. – 2012. – № 11. Ч. 1. – С. 168–175.

6. Булат П.В., Усков В.Н. О задаче проектирования идеального диффузора для сжатия сверхзвукового потока // Фундаментальные исследования. – 2012. – № 6. Ч. 1. – С. 178–184.

7. Омельченко А.В., Усков В.Н. Интерференция нестационарных косых ударных волн. Письма в ЖТФ. – 2002. – Т. 28. – Вып. 12.

8. Тао Ган, Усков В.Н. Оптимальные трехскачковые конфигурации // Течения газа и плазмы в соплах, струях и следах: тез. докл. XVIII Междунар. семинара. Санкт-Петербург, 21–23 июня 2000 г. – СПб.: Балт. гос. техн. ун-т «Военмех», 2000. – С. 76.

9. Усков В.Н., Чернышев М.В. Сопряжение волны Прандтля – Маиера с областью квазиодномерного течения // Математическое моделирование. – 2003. – Т. 15. № 6. – С. 111–119.

10. Усков В.Н., Чернышов М. В.. Особые и экстремальные тройные конфигурации скачков уплотнения // Прикладная механика и техническая физика. – 2006. – Т. 47. – № 4. – С. 39–53. – Библиогр.: С. 52–53 (16 назв.). – ISSN 0869-5032.

11. Усков В.Н. Бегущие одномерные волны. – СПб.: Изд-во БГТУ, – 2000.

12. Uskov V.N., Mostovykh P.S. Triple–shock–wave configurations: comparison of different thermodynamic models for diatomic gases // Proceedings 28th International Symposium on Shock Waves (ISSW 28, Manchester, July 17–22, 2011), Paper. No 2597, pp. 1–7.

В последнее время активно ведется обсуждение различных способов организации детонационного горения в перспективных воздушно-реактивных и ракетных двигателях. Чтобы правильно понять суть этих проектов, важно ясно представлять, что такое стационарный и нестационарный газодинамический разрыв (ГДР), ударная волна, и чем они отличаются от волны детонационной, которая также является газодинамическим разрывом. Условимся для определенности считать, что детонационная волна – это ударная волна, возникшая вследствие химической реакции окисления. А просто ударная волна – это газодинамический разрыв, который образуется взаимодействием сверхзвукового потока с твердой стенкой, острой кромкой или в результате пересечения (интерференции) других ГДР.

Развитие теории интерференции газодинамических разрывов

В настоящее время (в последние 19 лет) создана теория и математический аппарат, достаточный для проектирования оптимальных ударно-волновых структур (УВС) в детонационной камере сгорания, работающей как в стационарном, так и в импульсном режимах. Научная группа под руководством В.Н. Ускова последовательно развила теорию экстремальных УВС. Сначала теория интерференции стационарных газодинамических разрывов была обобщена В.Н. Усковым и С.Л. Старых на случай разрывов второго порядка [4–6]. Ими была исследована зависимость неравномерностей течения за разрывом от кривизны разрыва и неравномерностей течения перед ним. Затем теория была дополнена в работах В.Н. Ускова, А.В. Омельченко и М.В. Чернышева теорией интерференции одномерных бегущих волн и взаимодействия косых нестационарных волн [7, 9, 11]. Параллельно аспирантом В.Н. Ускова Тао Ганом была разработана теория оптимальных тройных конфигураций ударных волн сначала в равномерном потоке, а затем и в неравномерном [8]. И наконец, в работах В.Н. Ускова, М.В. Чернышева и П.С. Мостовых [10, 12] она была обобщена на случай тройных конфигураций ударных волн в нестационарном и неравномерном потоке газа. Автором настоящей работы была развита теория низкочастотных колебаний ударных волн на примере течения в канале с внезапным расширением [1–3].

Геометрический смысл уравнений газовой динамики сверхзвуковых течений

В основе каждого раздела физики лежит своя геометрия пространства параметров. Геометрия Минковского описывает пространство Специальной Теории Относительности, Риманова геометрия – Общей Теории Относительности, Симплектическая геометрия – классической механики и т.п. Для того, чтобы иметь возможность воспользоваться достижениями математиков в части классификации и структурной устойчивости ударно-волновых структур (УВС), необходимо дать определения газодинамическим понятиям в терминах симплектической геометрии. По современным представлениям газодинамические переменные образуют многомерное гиперпространство, а уравнения Эйлера, описывающие течения идеального газа, задают в нем гиперповерхность, кривизна которой определяется газодинамическими неравномерностями Ni (неизобаричность, кривизна линии тока и завихренность):

Eqn101.wmf Eqn102.wmf Eqn103.wmf

В осесимметричном случае уравнения Эйлера, записанные с помощью неравномерностей, выглядят в естественной системе координат, связанной с линиями тока, следующим образом:

Eqn104.wmf

Eqn105.wmf

Eqn106.wmf

В уравнениях – n – длина нормали к линиям тока; s – длина дуги вдоль линии тока; P – давление; ϑ – угол наклона вектора скорости; P0 – полное давление; ζ – завихренность. Первое выражение – уравнение неразрывности. Второе и третье – проекции уравнения движения на оси естественной системы координат, связанной с линиями тока. Как известно, сверхзвуковые течения могут содержать области, где параметры меняются резко, скачком. В рамках модели идеального газа в таких случаях говорят о существовании газодинамических разрывов (ГДР).

Обобщение понятия поверхности – многообразие. Многообразие представляет собой произвольное множество точек, представленное в виде объединения конечного числа областей евклидового пространства, в каждой из которых заданы локальные координаты.

Ударная и детонационная волна как особенность отображения проектирования многообразия газодинамических параметров

Рассмотрим для простоты одномерное уравнение движения идеального газа (уравнение Эйлера):

Eqn107.wmf

Это уравнение описывает поле скоростей свободно движущихся по прямой частиц. Закон свободного движения частицы имеет вид:

где v – скорость частицы. Функция ϕ удовлетворяет уравнению Ньютона. По определению: dϕ/dt = u(t, ϕ). Продифференцировав последнее соотношение по t, получаем уравнение:

Eqn108.wmf

Таким образом, описание движения при помощи уравнения Эйлера для поля и при помощи уравнения Ньютона для частиц эквивалентны. Известно, что квазилинейные дифференциальные уравнения в частных производных решаются с помощью построения характеристик. Каждому многообразию соответствует свое характеристическое поле. Характеристики – фазовые кривые характеристического поля. Уравнение характеристик уравнения Эйлера эквивалентно уравнению Ньютона. Таким образом, задачу о распространении волны можно решить путем построения характеристик, вдоль которых движутся материальные частицы. На рис. 1, 2 показано, как решается уравнение Эйлера с помощью характеристик.

pic_40.tif

Рис. 1. Решение уравнения Эйлера с помощью характеристик

На плоскости y–x задана начальная функция y = u0(x)t = 0. Уравнения характеристик t’ = 1, y’ = 0, x’ = y. В моменты времени t = 1, t = 2 и т.д. решение строится путем переноса вдоль характеристик значений в начальный момент времени. Интегральная поверхность неоднозначно проектируется на плоскость x–t (рис. 2). Отображение y(x) перестает быть графиком функции, т.е. имеются значения х, которым соответствует несколько значений y. Кривая критических значений проектирования (касательная к поверхности вертикальна) имеет точку возврата (рис. 3).

pic_41.tif

Рис. 2. Интегральная поверхность перестает быть графиком функции y(x)

pic_42.tif

Рис. 3. ГДР – особенность отображения проектирования многообразия параметров

Нарушение единственности решения можно трактовать как свободное прохождение потоков частиц друг сквозь друга. С другой стороны, при большой плотности частиц их взаимодействием нельзя пренебречь. В этом случае, уравнение Эйлера заменяют уравнением Бюргерса, которое учитывает взаимодействие частиц газа внутри ударной волны:

Eqn109.wmf

При малых ε оно приближает уравнение Эйлера в областях плавного изменения параметров. Справа и слева от ударной волны течение описывается уравнениями Эйлера, внутри ударной волны (газодинамического разрыва) – уравнением, подобным уравнению теплопроводности.

Таким образом, ударная волна или газодинамический разрыв (ГДР) – это особенность отображения проектирования многообразия газодинамических параметров (рис. 3), их взаимодействие образует ударно-волновые структуры (УВС).

В рассматриваемом одномерном случае ударная волна может быть сформирована движущимся по трубе поршнем. Если скорость поршня выше некоторой критической величины, то распространяющиеся от его поверхности волны сжатия догоняют друг друга, и единственность решений нарушается. Возникает разрыв значений. До волны давление и другие параметры остаются такими же, как в невозмущенной среде, а сразу за разрывом давление скачком увеличивается. Ударная волна может возникнуть и в результате химической реакции горения, в этом случае ее называют детонационной. Предположим, что в предварительно подготовленной топливной смеси каким-то образом (искрой, теплопередачей, сжатием) создали условия для возбуждения реакции окисления (горения). Топливная смесь в определенных условиях может сдетонировать.

При детонации (быстром горении) воспламенение, реагирующее смеси, происходит в результате сжатия в лидирующей Ударной Волне (УВ), которая предшествует зоне химических реакций. Ударная волна распространяется со сверхзвуковой скоростью. Простейшей моделью детонационного горения является модель Зельдовича – Неймана (рис. 4).

pic_43.tif

Рис. 4. Модель детонации Зельдовича – Неймана: D – детонационная волна; ω – зона индукции; u – продукты сгорания; А-В – газодинамический разрыв; Н-В – зона образования свободных радикалов; Н-Б – волна разрежения, в которой происходят химические реакции окисления

Представление о сверхзвуковых течениях в терминах симплектической геометрии дает в руки исследователя важный инструмент, обладающий общностью анализа, как скачков уплотнения, так и ударных и детонационных волн. Это позволяет конструировать сложные конфигурации ударных и детонационных волн в соответствии с некоторым выбранным критерием оптимальности.

Рецензенты:

Пеленко В.В., д.т.н., профессор, заместитель директора по учебной работе Института Холода и Биотехнологий, ФГБОУ «Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики», г. Санкт-Петербург;

Цветков О.Б., д.т.н., профессор, заведующий кафедрой «Теоретические основы тепло- и хладотехники» Института Холода и Биотехнологий, ФГБОУ «Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики», г. Санкт-Петербург.

Работа поступила в редакцию 17.10.2013.

38. Ударная и детонационная волна. Их характеристики.

ДЕТОНАЦИОННАЯ ВОЛНА — ударная волна, распространяющаяся по взрывчатому веществу со сверхзвуковой скоростью и сопровождающаяся экзотермической химической реакцией превращения взрывчатого вещества. Давление, которое создается при распространении детонационной волны, — сотни кПа (газообразные взрывчатые смеси) и тыс. МПа (жидкие и твердые взрывчатые вещества).

Механизм превращения энергии на фронте детонационной волны существенно отличается от механизма дефлаграции — волны медленного горения, сопровождающейся дозвуковыми течениями.

Принципиальная возможность явления детонации следует из того, что при прохождении через фронт всякой ударной волны вещество нагревается. Если ударная волна достаточно сильна, то это нагревание может поджечь горючую смесь, что и приводит к детонации. Возникающая при этом поверхность нормального разрыва называется детонационной волной. Изменение термодинамических параметров среды при прохождении через фронт детонационной волны описывается детонационной адиабатой.

Чаще всего в обычной жизни детонация встречается в автомобильных моторах. Двигатели внутреннего сгорания, реализующие цикл Отто, быстро разрушаются, так как рассчитаны на медленное горение горючей смеси. Быстрое детонационное сгорание резко повышает давление в камере сгорания, что приводит к быстрому выходу двигателя из строя. При сильной детонации — меньше чем за минуту. Топливо с более высоким октановым числом лучше противостоит детонации.

Явление детонации лежит в основе действия бризантных взрывчатых веществ, широко применяемых как в военном деле, так и в гражданской хозяйственной деятельности при производстве взрывных работ.

Ударная волна — поверхность разрыва, при пересечении которой давление, плотность и температура резко возрастают, а скорость рабочей среды резко уменьшается. Ударная волна есть пример нормального гидродинамического разрыва, и через неё течёт поток вещества (в отличие от тангенциального разрыва, через который вещество не течёт). В стационарных условиях формирования неподвижную относительно источника возмущения ударную волну называют скачком уплотнения.

Термодинамика ударных волн

С макроскопической точки зрения ударная волна представляет собой воображаемую поверхность, на которой термодинамические величины среды (которые, как правило, изменяются в пространстве непрерывно) испытывают устранимые особенности: конечные скачки. При переходе через фронт ударной волны меняются давление, температура, плотность вещества среды, а также скорость её движения относительно фронта ударной волны. Все эти величины изменяются не независимо, а связаны с одной-единственной характеристикой ударной волны, числом Маха.

Ударные волны не обладают свойством аддитивности в том смысле, что термодинамическое состояние среды, возникающее после прохождения одной ударной волн, нельзя получить последовательным пропусканием двух ударных волн меньшей интенсивности.

Происхождение ударных волн

Звук представляет собой колебания плотности среды, распространяющиеся в пространстве. Уравнение состояния обычных сред таково, что в области повышенного давления скорость звука (т. е. скорость распространения возмущений) возрастает (т. е. звук является нелинейной волной). Это неизбежно приводит к явлению опрокидывания решений, которые и порождают ударные волны.

В силу этого механизма, ударная волна в обычной среде — это всегда волна сжатия. Однако в тех системах, в которых скорость распространения возмущений уменьшается с ростом плотности, будет наблюдаться ударная волна разрежения.

Описанный механизм предсказывает неизбежное превращение любой звуковой волны в слабую ударную волну. Однако в повседневных условиях для этого требуется слишком большое время, так что звуковая волна успевает затухнуть раньше, чем нелинейности становятся заметны. Для быстрого превращения колебания плотности в ударную волну требуются сильные начальные отклонения от равновесия. Этого можно добиться либо созданием звуковой волны очень большой громкости, либо механически, путём околозвукового движения объектов в среде. Именно поэтому ударные волны легко возникают при взрывах, при около- и сверхзвуковых движениях тел, при мощных электрических разрядах и т. д.

Микроскопическая структура ударной волны

Ударные волны в специальных условиях

Ударная волна, путём нагрева среды, может вызвать экзотермическую химическую реакцию, что, в свою очередь, отразится и на свойствах самой ударной волны. Такой комплекс «ударная волна + реакция горения» носит название волны детонации.

В астрофизических объектах ударная волна может двигаться со скоростями, близкими к скорости света. В этом случае ударная адиабата модифицируется.

Ударные волны в замагниченной плазме также обладают своими характерными особенностями. При переходе через разрыв, изменяется также и величина магнитного поля, на что тратится дополнительная энергия. Это влечёт за собой существование максимально возможного коэффициента сжатия плазмы при сколь угодно сильных ударных волнах.

Касательные ударные волны представляют собой поверхность разрыва смешанного (нормального и тангенциального) типа.

RU2650006C1 — Устройство формирования детонационной волны в заряде взрывчатого вещества — Google Patents

Publication number RU2650006C1 RU2650006C1 RU2017118782A RU2017118782A RU2650006C1 RU 2650006 C1 RU2650006 C1 RU 2650006C1 RU 2017118782 A RU2017118782 A RU 2017118782A RU 2017118782 A RU2017118782 A RU 2017118782A RU 2650006 C1 RU2650006 C1 RU 2650006C1 Authority RU Russia Prior art keywords matrix detonation charge explosive blasting Prior art date 2017-05-30 Application number RU2017118782A Other languages English ( en ) Inventor Владимир Александрович Губачев Александр Владимирович Губачев Андрей Александрович Николин Мария Сергеевна Литвинова Евгений Александрович Галкин Владислав Александрович Комраков Алексей Валентинович Котин Андрей Анатольевич Турков Original Assignee Федеральное государственное унитарное предприятие «Российский Федеральный ядерный центр — Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики» (ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ») Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.) 2017-05-30 Filing date 2017-05-30 Publication date 2018-04-06 2017-05-30 Application filed by Федеральное государственное унитарное предприятие «Российский Федеральный ядерный центр — Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики» (ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ») filed Critical Федеральное государственное унитарное предприятие «Российский Федеральный ядерный центр — Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики» (ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ») 2017-05-30 Priority to RU2017118782A priority Critical patent/RU2650006C1/ru 2018-04-06 Application granted granted Critical 2018-04-06 Publication of RU2650006C1 publication Critical patent/RU2650006C1/ru

Links

Images

Classifications

    • F — MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F42 — AMMUNITION; BLASTING
    • F42B — EXPLOSIVE CHARGES, e.g. FOR BLASTING, FIREWORKS, AMMUNITION
    • F42B3/00 — Blasting cartridges, i.e. case and explosive
    • F42B3/10 — Initiators therefor

    Abstract

    Устройство формирования детонационной волны в заряде взрывчатого вещества (ВВ) относится к области взрывных работ. Устройство включает инертную матрицу с детонационной разводкой, выполненной в виде сети детонационных каналов с общим входным участком, соединенным с источником инициирования, с участками, расположенными вдоль поверхности матрицы, и концевыми участками, расположенными под углом к поверхности и контактирующими непосредственно с подрываемым зарядом или с дополнительным слоем, размещенным между подрываемым зарядом и матрицей. На поверхность матрицы установлена разнотолщинная накладка, с уменьшением толщины от центра к периферии, с глухим торцовым отверстием под размещение общего входного участка и проточками, заполненными ВВ, соединяющими общий входной участок с участками детонационной разводки, расположенными вдоль поверхности матрицы. В случае наличия дополнительного слоя ВВ, на поверхности матрицы, обращенной к подрываемому заряду, выполнена выборка для его размещения. Изобретение позволяет обеспечить синхронность возникновения детонационного фронта в подрываемом заряде ВВ. 4 ил.

    Description

    Изобретение относится к области взрывных работ и может быть использовано при разработке устройств формирования детонационной волны заданной формы в зарядах взрывчатых веществ (ВВ).

    Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является обеспечение синхронности возникновения детонационного фронта в подрываемом заряде ВВ, поверхность которого отлична от плоской, путем его одновременного (с минимальной разновременностью) подрыва с помощью инициирующего устройства без существенного увеличения габаритов.

    Из предшествующего уровня техники известны устройства формирования детонационной волны в заряде ВВ, направленные на решение данной задачи. Например, известно устройство по патенту US 3430563 (F42B3/02, опубл. 04.03.1969), которое содержит пластину гибкого инертного эластомера, имеющего форму матрицы и детонационную разводку в виде плоского листа гибкого ВВ, запрессованного в матрицу таким образом, что образует решетку ВВ, состоящую из компланарных полос прямоугольного сечения с общим для всех полос началом. Лист гибкого ВВ, включая общую для всех полос точку, располагается в толще пластины из эластомера между ее поверхностями. Полосы ВВ имеют одинаковую длину, ширину и высоту, при этом от конца каждой из них отходит участок, образующий выступ, расположенный под прямым углом к поверхности пластины из эластомера. Конец этого участка полосы расположен заподлицо с поверхностью пластины. В результате получается ряд концевых участков детонационной разводки, разнесенных равномерно по одной из поверхностей пластины гибкого инертного эластомера. При подаче детонационного импульса на общую для всей решетки точку заряд ВВ детонирует одновременно в большом количестве точек, в которых он выходит на поверхность пластины из эластомера.

    Для получения синхронного детонационного фронта в подрываемом заряде ВВ необходимо равномерное расположение выходов детонационной разводки по поверхности подрываемого заряда и равенства длин компланарных полос ВВ, кроме того, необходимо выполнение условия по обеспечению стабильности срабатывания концевых участков. Следует отметить, что эти условия при использовании данной конструкции выполнены быть не могут, а значит, имеет место разновременность, вплоть до отказа срабатывания отдельных элементов.

    Из предшествующего уровня техники известно другое устройство, с помощью которого осуществляют формирование детонационной волны в заряде ВВ, направленное на решение указанной выше задачи и частично устраняющее недостатки предыдущего аналога (патент RU 2135935, описание опубликовано 27.08.1999). Известное устройство выбрано в качестве ближайшего аналога и включает заряд ВВ, источник инициирования, детонационную разводку, выполненную в инертной матрице. Детонационная разводка представляет собой систему детонационных каналов прямоугольного сечения с общим входным участком, на который установлен источник инициирования, участками, расположенными вдоль поверхности матрицы, и несколькими выходами (концевыми участками), расположенными под углом к поверхности матрицы, которые контактируют либо с подрываемым зарядом ВВ, либо с дополнительным слоем ВВ, размещенным на заряде. Для повышения синхронизации детонационного фронта необходимо соблюдать условие равенства времен передачи детонационного импульса к поверхности заряда, чтобы минимизировать разновременность прихода детонационных импульсов к выходам детонационной разводки – концевым участкам, расположенным под углом к поверхности матрицы.

    Однако, если форма подрываемого заряда отличается от плоской, то при такой конструкции устройства инициирования синхронный детонационный фронт в подрываемом заряде ВВ может быть не сформирован из-за влияния на детонационную разводку ударных волн, формирующихся от взрыва источника инициирования и воздействия газодинамических наводок от срабатывания детонационных каналов разводки на синхронность срабатывания ее концевых участков.

    Техническим результатом, достигаемым заявляемым изобретением, является уменьшение уровня асимметрии формируемого фронта детонационной волны.

    Указанный технический результат достигается за счет того, что в устройстве формирования детонационной волны в заряде взрывчатого вещества, включающем инертную матрицу с детонационной разводкой, выполненной в виде сети детонационных каналов с общим входным участком, соединенным с источником инициирования, участками, расположенными вдоль поверхности матрицы, и концевыми участками, расположенными под углом к поверхности и контактирующими непосредственно с подрываемым зарядом или с дополнительным слоем взрывчатого вещества, размещенным между подрываемым зарядом и матрицей, новым является то, что на поверхности матрицы установлена разнотолщинная накладка с уменьшением толщины от центра к периферии, с глухим торцовым отверстием под размещение общего входного участка и проточками, заполненными взрывчатым веществом, соединяющими общий входной участок с участками детонационной разводки, расположенными вдоль поверхности матрицы, при этом в случае наличия дополнительного слоя взрывчатого вещества на поверхности матрицы, обращенной к подрываемому заряду, выполнена выборка для его размещения.

    Размещение на поверхности матрицы накладки с глухим торцовым отверстием под установку общего входного участка, который соединен с источником инициирования, позволяет снизить амплитуду ударных волн, формирующихся от взрыва источника инициирования, и одновременно задержать ее приход до прихода инициирующего импульса по каналам детонационной разводки.

    Разнотолщинность накладки необходима для обеспечения плавного перехода проточек выступа в каналы детонационной разводки матрицы, что позволяет передать инициирующий импульс по такому переходу без задержки и образования дополнительных технологических зазоров.

    Выполнение на поверхности матрицы, обращенной к подрываемому заряду, выборки для размещения дополнительного слоя ВВ позволяет осуществить сборку без использования клеевых слоев, которые ухудшают передачу детонации подрываемому заряду.

    На фиг.1 изображена схема заявляемого устройства; на фиг.2, 3 – накладка матрицы; на фиг.4 – фотохронограмма, полученная при срабатывании заявляемого устройства.

    На фиг.1,2 показаны: 1 – подрываемый заряд ВВ; 2 – инертная матрица; 3 – каналы, расположенные вдоль поверхности матрицы; 4 – концевые участки каналов, расположенные под углом к поверхности матрицы; 5 – накладка; 6 – общий входной участок; 7 – проточки накладки, заполненные ВВ; 8 – дополнительный слой ВВ.

    Примером конкретного выполнения заявляемого устройства может служить генератор для формирования детонационной волны в заряде бризантного ВВ сферической формы. Материал матрицы и накладки – смола Accura. Матрица выполнена толщиной 6 мм, толщина накладки по центру – 10 мм, на периферии – до 0,5 мм. Каналы матрицы выполнены размером 1,2х1 мм, концевые участки матрицы выполнены диаметром 2 мм. Выборка выполнена глубиной 1,8мм. Детонационная разводка выполнена из пластичного ВВ. Источник инициирования установлен в розетку, которая размещена на общем входном участке.

    Работает заявляемое устройство следующим образом.

    При передаче инициирующего импульса от источника инициирования (не показан) общему входному участку 6, размещенному на накладке 5, детонация по проточкам 7 накладки 5, заполненным ВВ, распространяется к периферии накладки 5, которая выполнена разнотолщинной, и плавно переходит на участки 3 детонационных каналов матрицы 2, расположенных вдоль ее поверхности. Как было выявлено экспериментально, от срабатывания источника инициирования и ВВ общего входного участка 6 по материалу накладки 5 распространяется ударная волна, амплитуда которой резко затухает по экспоненциальному закону до амплитуды, которая оказывает уменьшенное влияние на десенсибилизацию ВВ концевых участков 4 детонационной разводки и не препятствует распространению инициирующего импульса к ним. В результате детонационный импульс, распространяющийся по детонационной разводке, достигает ВВ концевых участков 4 одновременно. В результате достигается синхронизация срабатывания концевых участков 4 детонационной разводки. Концевые участки 4 инициируют дополнительный слой ВВ 8, размещенный в выборке матрицы 2. Детонация этого слоя инициирует ВВ заряда 1 с уменьшенным уровнем асимметрии на фронте детонационной волны (фиг.4).

    Т.о. реализация предлагаемого изобретения позволяет инициировать подрываемый заряд ВВ с минимальным уровнем начальной асимметрии без существенного увеличения габаритов.

    Claims ( 1 )

    Устройство формирования детонационной волны в заряде взрывчатого вещества, включающее инертную матрицу с детонационной разводкой, выполненной в виде сети детонационных каналов с общим входным участком, соединенным с источником инициирования, участками, расположенными вдоль поверхности матрицы, и концевыми участками, расположенными под углом к поверхности и контактирующими непосредственно с подрываемым зарядом или с дополнительным слоем взрывчатого вещества в случае его размещения между подрываемым зарядом и матрицей, отличающееся тем, что на матрицу установлена разнотолщинная накладка с уменьшением толщины от центра к периферии, с глухим торцовым отверстием под установку общего входного участка и проточками, заполненными взрывчатым веществом, соединяющими общий входной участок с участками детонационной разводки, расположенными вдоль поверхности матрицы, при этом, в случае размещения дополнительного слоя взрывчатого вещества на поверхности матрицы, обращенной к подрываемому заряду, выполнена выборка для его размещения.

    RU2017118782A 2017-05-30 2017-05-30 Устройство формирования детонационной волны в заряде взрывчатого вещества RU2650006C1 ( ru )

    Priority Applications (1)

    Application Number Priority Date Filing Date Title
    RU2017118782A RU2650006C1 ( ru ) 2017-05-30 2017-05-30 Устройство формирования детонационной волны в заряде взрывчатого вещества

    Applications Claiming Priority (1)

    Application Number Priority Date Filing Date Title
    RU2017118782A RU2650006C1 ( ru ) 2017-05-30 2017-05-30 Устройство формирования детонационной волны в заряде взрывчатого вещества

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *