CC BY
32
УДК 234.465+534.222
ВЗРЫВНЫЕ И ДЕТОНАЦИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ В ХИМИЧЕСКИ АКТИВНЫХ ПУЗЫРЬКОВЫХ СМЕСЯХ
Павел Аркадьевич Фомин
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, кандидат физико-математических наук, доцент кафедры специальных устройств и технологий; Институт гидродинамики им. М. А. Лаврентьева СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Лаврентьева, 15, старший научный сотрудник, 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 физико-математических наук, зав. кафедрой специальных устройств и технологий, тел. (383)361-07-31, e-mail: kaf.suit@ssga.ru
Показана возможность распространения волны пузырьковой детонации со сверхзвуковой скоростью относительно «замороженной» скорости звука. Рассмотрена возможность многократного прохождения детонационной волны по жидкости с распределенными в ней пузырьками (акустический «лазер»). Предложен метод измерения взрывных характеристик газовых смесей при повышенных давлениях и температурах, основанный на высокоскоростной видеосъемке взрыва пузырька при его нагружении ударной волной.
Ключевые слова: пузырьки, детонация, акустический «лазер».
EXPLOSION AND DETONATION PROCESSES IN CHEMICALLY ACTIVE BUBBLE MIXTURES
Pavel A. Fomin
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Ph. D., Prof. of the Department of Special Devices and Technologies; Lavrent'ev Institute of Hydrodynamics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, Lavrent'eva pr. 15, senior researcher, tel. (383)361-07-31, e-mail: kaf.suit@ssga.ru
Valerik S. Ayrapetyan
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Prof. Dr. Head of the Department of Special Devices and Technologies, tel. (383)361-07-31, e-mail: kaf.suit@ssga.ru
A principal possibility of super-sonic (relatively «frozen» speed of sound) modes of bubble detonation wave propagation is shown. The possibility of multiple transitions of the detonation wave over the bubbly liquid (acoustical «laser») is considered. A method of measurements of explosion characteristics of gaseous mixtures at elevated pressures and temperatures is proposed. The method based on high-speed video recording of a shock induced explosion of a single bubble.
Key words: bubbles, detonation, acoustical «laser».
Инициирование взрывных процессов в химически активной пузырьковой смеси. Проведены эксперименты по инициированию ударной волны в пузырьковой жидкости путем отражения волны газовой детонации от ее поверхности. Наличие пузырьков и отражение волны приводит к механическому перемешиванию фаз, что существенно интенсифицирует межфазный тепло- и массооб-
мен. Масса жидкости, которая испарится вследствии теплообмена с горячими газообразными продуктами детонации, может в несколько раз превышать первоначальную массу газа.
Проведены расчеты, позволившие создать устройство для инициирования ударной волны амплитудой порядка сотни атмосфер и длительностью в десятки микросекунд в пузырьковой среде путем падения (со скоростью нескольких метров в секунду) твердого тела на ее поверхность или на поверхность другого твердого тела, частично погруженного в пузырьковую среду.
Волна пузырьковой детонации при нормальных и повышенных начальных давлениях. Процесс сверхзвукового (относительно "равновесной" скорости звука се) распространения самоподдерживающейся волны химического превращения в пузырьковой среде называется пузырьковой "детонацией" (см., например, [1]). При этом детонационная волна, сверхзвуковая относительно се, является дозвуковой по "замороженной" скорости звука су в двухфазной среде, С/ = с /(1 - К), где с0 - скорость звука в воде, к0 - объемная доля газа в смеси. Соответственно, структура такой волны существенно отличается от классической. В частности, у нее отсутствует передний ударный фронт. Вопрос: возможно ли существование детонационных волн, распространяющихся со сверхзвуковой (относительно не только се, но и су) скоростью и0, имеющих, соответственно, передний ударный фронт, и для которых термин "детонация" является более естественным? Ответ: да, возможно. Энергонасыщенность пузырьковой среды при повышении начального давления Р0 растет, поскольку количество химически реагирующей газовой смеси на единицу массы жидкости увеличивается. Будет расти, соответственно, и скорость детонации. А поскольку су слабо зависит от Р0, то при увеличении Р0 волна пузырьковой детонации может стать сверхзвуковой относительно с^ (рис. 1 [2]).
180 Р/Р„
Рис. 1. Расчетные структуры волны пузырьковой детонации при до- (а) и сверхзвуковом (б) (относительно е^ режимах распространения. Смесь: 2Н2+02 (газ) - 0.5 Н20 +0.5 глицерин (жидкость); к0 = 1%, радиус пузырьков Яо = 1.6 мм. (а): Р0 = 1 атм, и = 980 м/с; (Ь): Р0 = 150 атм, и0 = 1882 м/с
20
90
10
0
0
0
0
20
30
х, ст
х, ст
б
а
Видно, что профили при до- и сверхзвуковом режимах существенно отличаются. Предвестник (двигающийся со скоростью с^ существует только при дозвуковом режиме, когда и0 < с^ При сверхзвуковом режиме он не существует, поскольку детонационная волна движется быстрее, чем он. Отсутствие скачка давления на рис. 1, б при сверхзвуковом режиме объясняется тем, что он сгла-
жен разностной схемой, имеющей искусственную вязкость и не выделяющей газодинамические разрывы. Отметим, что характерные величины относительного давления P/P0 при до- и сверхзвуковом режимах отличаются более чем на порядок. Этот результат следует иметь в виду при оценке детонационной опасности химических реакторов, использующих взрывоопасные пузырьковые смеси, и работающих при повышенных начальных давлениях.
Взрывные процессы в пузырьковых средах, содержащих жидкое монотопливо. Традиционно рассматривались пузырьковые системы, по которым волна пузырьковой детонации может распространяться только один раз вследствие необратимости химических превращений. Иная ситуация будет иметь место в пузырьковых смесях на основе жидких монотоплив, т.е. жидкостях, способных к экзотермической реакции даже без окислителя. В таких смесях возможно многократное прохождение детонационной волны [3]. Каждая последующая волна будет сопровождаться очередным "впрыском" монотоплива в газ и последующей экзотермической химической реакцией. Гидродинамические неустойчивости и уменьшение удельного тепловыделения на единицу массы газа в пузырьке будут способствовать затуханию волны. Многократное прохождение детонационной волны через рассматриваемую пузырьковую смесь может быть организовано, например, путем ее последовательного отражения от жестких противоположных стенок трубы. Более того, если одна или обе таких стенки являются упругими и отделяют пузырьковую смесь от пространства, заполненного водой, то в результате серии отражений детонационной волны в воде будет генерироваться серия достаточно мощных импульсов сжатия в сотни атмосфер, а интервал между импульсами будет зависеть от скорости волны и длины трубы.
Пузырьковые среды с химически активной газовой фазой рассматривались в научной литературе как акустический аналог лазерных систем и вероятный источник мощного акустического излучения [1]. Описанную выше пузырьковую систему, содержащую монотопливо, и способную к генерации серии детонационных волн внутри себя и серии сильных импульсов сжатия в окружающем пространстве, также (и более обоснованно!) можно назвать акустическим "лазером". Для этого надо принять во внимание физическую аналогию между "впрыском" монотоплива в пузырек и "накачкой" "обычного" лазера, а также хорошо известную [1] способность пузырьковых кластеров к когерентному поглощению и последующему переизлучению акустических сигналов. Принципиальная схема акустического "лазера" и происходящие в нем волновые процессы показаны на рис. 2.
Измерение взрывных характеристик газовых смесей при повышенных давлениях и температурах. Взрыв пузырька при его нагружении ударной волной может быть использован для измерения температуры и концентрационных пределов самовоспламенения газов при повышенных начальных давлениях и температурах. Метод основан на том, что высокоскоростная видеосъемка позволяет измерять радиус пузырька, а соответственно, через уравнения адиабатического сжатия, вычислять температуру и давление пузырька в любой момент времени, в том числе в момент взрыва [4].
'/////////////
° ooio
///////
////// / 2
а
b
Рис. 2. Акустический "лазер" (а) - схема устройства для реализации многократного прохождения детонационной волны и генерации серии мощных акустических волн в жидкости; (b) - временная развертка процесса. 1 - пузырьковая смесь, 2 - упругая мембрана, 3 - вода.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Кедринский В.К. Гидродинамика взрыва: эксперимент и модели. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2000. - 434 c.
2. Fomin P.A., Mitropetros K.S., Hieronymus H. Modeling of detonation processes in chemically active bubble systems at normal and elevated initial pressures // Journal of Loss Prevention in the Process Industries, 2003, Vol. 16, № 4,.pp. 323-331.
3. Фомин П.А. Моделирование ударно-волнового инициирования взрыва одиночных пузырьков, находящихся в жидких углеводородных горючих // Физика горения и взрыва, 2014. Т. 50, № 6. С. 75-91.
4. Hieronymus H., Fomin P.A., Hieronymus H. Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der Zundbedingungen fur ein Gasgemish. German Patent DE 102005015501 B3 2006.11.30.
© П. А. Фомин, В. С. Айрапетян, 2016
