Инициирование взрывных процессов в химически активной пузырьковой среде Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

УДК 234.465+534.222

ИНИЦИИРОВАНИЕ ВЗРЫВНЫХ ПРОЦЕССОВ В ХИМИЧЕСКИ АКТИВНОЙ ПУЗЫРЬКОВОЙ СРЕДЕ

Павел Аркадьевич Фомин

Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, кандидат физико-математических наук, доцент кафедры специальных устройств, инноватики и метрологии; Институт гидродинамики им. М. А. Лаврентьева СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 15, тел. (383)361-07-31, e-mail: kaf.suit@ssga.ru

Валерик Сергеевич Айрапетян

Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, доктор технических наук, зав. кафедрой специальных устройств, инноватики и метрологии, тел. (383)361-07-31, e-mail: v.s.ayraperyan@ssga.ru

Описаны эксперименты по инициированию ударной волны в химически активной пузырьковой смеси путем отражения детонационной волны от ее поверхности. Наличие пузырьков и отражение волны приводят к механическому перемешиванию фаз (срыв микрокапель с возмущенной поверхности жидкости, кумулятивные струйки, султан-эффект), что существенно интенсифицирует межфазный тепло- и массообмен на границе жидкости и газа.

Описано устройство для инициирования ударной волны в пузырьковой среде путем механического удара о ее поверхность свободно падающего твердого тела со скоростью нескольких метров в секунду.

Ключевые слова: пузырьковая жидкость, взрыв, инициирование, газовая детонация, поверхность, механическое перемешивание фаз.

INITIATION OF EXPLOSIVE PROCESSES IN CHEMICALLY ACTIVE BUBBLE LIQUID

Pavel A. Fomin

Siberian State University of Geosystems and Technologies, 10, Plakhotnogo St., Novosibirsk, 630108, Russia, Ph. D., Associate Professor, Department of Special-purpose Devices, Innovatics and Metrology; Lavrentiev Institute of Hydrodynamics, 15, Prospect Аkademik Lavrentiev St., Novosibirsk, 630090, Russia, phone: (383)361-07-31, e-mail: kaf.suit@ssga.ru

Valerik S. Ayrapetyan

Siberian State University of Geosystems and Technologies, 10, Plakhotnogo St., Novosibirsk, 630108, Russia, D. Sc., Head of the Department of Special Devices, Innovation and Metrology, phone: (383)361-07-31, e-mail: v.s.ayraperyan@ssga.ru

Experiments on the initiation of a shock wave in a chemically active bubble mixture by reflection of a detonation wave from its surface are described. The presence of bubbles and reflection of the wave lead to mechanical mixing of the phases (disruption of microdrops from the perturbed surface of the liquid, cumulative jets, sultan effect), which greatly intensifies the interfacial heat and mass transfer at the boundary of the liquid and gas.

A device for initiating a shock wave in a bubble environment by a mechanical impact on its surface of a solid freely falling body at a velocity of several meters per second is described.

Key words: bubble liquid, explosion, initiation, gas detonation, surface, mechanical mixing of phases.

Работа посвящена исследованию процесса инициирования ударных волн в химически активных пузырьковых смесях. Актуальность исследований обусловлена необходимостью решения проблемы обеспечения взрывобезопасности химических реакторов, в которых осуществляется жидкофазное окисление углеводородов.

Описаны эксперименты по инициированию ударной волны в химически активной пузырьковой смеси путем отражения детонационной волны от ее поверхности (рис. 1). Видеосъемка производилась цифровой камерой Shimazu со скоростью 500 000^1 000 000 кадров в секунду.

а)

Ti.Pi.Pi. Hl.Ui -"TDW Ti.Pi.Pj. JJ-l.Uj

т TO.PQ.PQ' | SWG Т2',Ё^Р2 Г ji2,u2 gas

liquid liquid

|SWL

б)

Рис. 1. Схема установки для исследования взрывных процессов в химически активной пузырьковой смеси (а) и принципиальная схема отражения газовой детонации от границы раздела фаз (б)

Скоростная видеосъемка процессов, происходящих на поверхности жидкости (рис. 2, [1]), показывает, что наличие пузырьков, приводящих к возмущениям поверхности жидкости, и отражение волны, приводят к механическому перемешиванию фаз (срыв микрокапель с возмущенной поверхности жидкости, кумулятивные струйки, разрушение жидкого мениска, султан-эффект вследствие несимметричного схлопывания пузырьков вблизи поверхности жидкости), что существенно интенсифицирует межфазный тепло- и массообмен на границе жидкости и газа.

Рассматриваемый метод генерации ударной волны (УВ) в жидкости путем отражения детонационной волны (ДВ) от ее поверхности обладает рядом существенных недостатков. Прежде всего, метод предъявляет жесткие требования по взрывобезопасности газовых смесей. Это оказывает высокие требования к оборудованию, уровню подготовки персонала, транспортировке, хранению и использованию взрывчатого газа, и существенно повышает стоимость экспериментов.

Рис. 2. Высокоскоростная видеосъемка отражения детонационной волны от поверхности жидкости. Пузырьки кислорода находятся в жидком циклогексане. Детонационная волна распространяется по газу с химическим составом С2Н2 + 302

Описано устройство для инициирования ударной волны в пузырьковой среде путем механического удара о ее поверхность свободно падающего твердого тела со скоростью нескольких метров в секунду (рис. 3). Подобный способ инициирования ударной волны является взрывобезопасным и позволяет легко варьировать параметры и длительность волны. Расчет производился методом Р-и диаграмм. Для заданной амплитуды и длительности УВ сделан расчет (1) первоначальной высоты положения тела над поверхностью жидкости и (и) его толщины. Расчет проведен для ряда металлов (сталь, медь, алюминий, латунь) и пластика (полистирол). Показано, что для возбуждения ударной волны в жидкости амплитудой примерно сотни атмосфер и длительностью немало десятков микросекунд, толщина тела должна быть несколько десятков сантиметров, а его скорость в момент удара - порядка нескольких метров в секунду.

Преимущество рассматриваемого метода по сравнению с традиционно используемым, основанном на отражении ДВ от поверхности жидкости, состоит в (1) отсутствии требований к взрывобезопасности химически активных газовых смесей, (и) легкости в изменении амплитуды ударной волны, (ш) возможности получения слабых ударных волн и (1у) относительной легкости технической реализации данного метода.

Недостатки данного метода обусловлены воздушной прослойкой между телом и границей раздела фаз. Эту проблему можно частично обойти, обеспечив удар падающего твердого тела по поверхности другого, слегка погруженного в пузырьковую жидкость. Поверхности жидкости и поверхности твердых тел могут быть слегка не параллельны. Это также приведет к сглаживанию профиля давления на фронте ударной волны и уменьшению ее амплитуды.

й УВ

о о

Л »V-•

б)

Рис. 3. Принципиальная схема генерации ударной волны в жидкости при ударе свободно падающего тела о ее поверхность:

а) момент начала падения тела; б) момент времени после удара тела о поверхность жидкости и генерации УВ

Сделан расчет суммарной массы жидкого циклогексана т, которая способна испариться при теплообмене с горячими продуктами детонационной волны (суммарной массой М), распространяющейся по смеси С2Н2 + 302. Видно (рис. 4), что суммарная масса жидкости, способная к испарению, на порядок превышает массу горячих продуктов детонационной волны. Механическое перемешивание фаз, существенно интенсифицирующее межфазный тепло - и мас-сообмен, и большой запас тепловой энергии в детонационных продуктах, могут приводить к тому, что после детонации газовой смеси над поверхностью жидкого горючего, приводящего к разрушению корпуса химического реактора и притоку свежего воздуха, может образоваться свежая взрывчатая смесь, способная к последующему взрыву. Подобный процесс может повторяться несколько раз.

Рис. 4. Расчет массы жидкого циклогексана, которая может быть испарена путем теплообмена с продуктами газовой детонации, распространяющейся по

смеси С2Н2 + 302

Ударно-волновое инициирование пузырьковых систем имеет отношение к взрывобезопасности химических реакторов, инициированию пузырьковой детонации, взрыву конденсированных взрывчатых веществ и созданию мощных периодических акустических сигналов в воде («акустического лазера» [1]).

В работе показано, что процесс инициирования ударных волн в химически активных пузырьковых смесях сопровождается механическим перемешиванием газа и жидкости. Это может приводить к образованию новой взрывчатой смеси и вторичным взрывам. Чтобы избежать подобного негативного сценария, необходимо инициировать ударные волны в химически активных пузырьковых смесях ударом твердого тела о поверхность раздела фаз.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Федоров А. В., Федорова Н. Н., Фомин П. А., Вальгер С. А. Распространение взрывных процессов в неоднородных средах. Новосибирск: Параллель, 2016, 258c., ISBN 978-598901-183-4.

REFERENCES

1. Fedorov, A.V., Fedorova, N. N., Fomin, P. A., Walger, S. A., (2016). Propagation of explosive processes in inhomogeneous media. Novosibirsk: Parallel, 2016, 258c., ISBN 978-598901-183-4.

© П. А. Фомин, В. С. Айрапетян, 2018