CC BY
22
ЧЕБЫШЕВСКИЙ СБОРНИК Том 18 Выпуск 3
УДК 539.89 Б01 10.22405/2226-8383-2017-18-3-461-468
ЗАТВЕРДЕВАНИЕ ВОДЫ ПРИ ДИНАМИЧЕСКОМ СЖАТИИ И ЕГО
ВЛИЯНИЕ НА ДИНАМИКУ УДАРНЫХ ВОЛН1
А. С. Савиных2, Г. В. Гаркушин3, Г. И. Кино. иЛ С. В.
Разоренов5 (г. Москва)
Аннотация
В экспериментах со ступенчатым сжатием воды наблюдалось ее превращение в лед VII, которое происходит из «переохлажденного» на примерно 40 К, состояния. Регистрировались как релаксация давления в результате превращения в поверхностном слое, так и дисперсия волны сжатия, распространяющейся по воде с параметрами, требуемыми для начала превращения.
Ключевые слова: ударные волны, высокие давления, вода, затвердевание.
Библиография: 14 названий.
SOLIDIFICATION OF WATER UNDER DYNAMIC COMPRESSION AND ITS
INFLUENCE ON THE EVOLUTIONS OF SHOCK WAVES
A. S. Savinykh, G. V. Garkushin, G. I. KaneP, S.V. Razorenov
(Moscow)
1 Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда (проект номер 14-50-00124).
2 Савиных Андрей Сергеевич, старший научный сотрудник Института проблем химической физики РАН, savas@ficp.ac.ru
3 Гаркушин Геннадий Валерьевич, старший научный сотрудник Института проблем химической физики РАН, garkushin@ficp.ac.ru
4Канель Геннадий Исаакович, член-корреспондент Российской академии наук, заместитель директора Объединенного института высоких температур РАН, kanel@ficp.ac.ru
5 Разоренов Сергей Владимирович, заведующий лабораторией Института проблем химической физики РАН, razsv@ficp.ac.ru
Abstract
The transition of water into the ice VII phase was observed in experiments with its step-like shock compression. The transition occurs from a state "overcooled" by approximately 40 K. In the experiments, we observed relaxation of pressure as a result of the transition on a surface of LiF window as well as dispersion of the compression wave which propagates through the water with the state parameters needed for beginning of the transformation.
Keywords: shock waves, high pressures, water, solidification.
Bibliography: 14 titles.
1. Введение
При существующих методах приближенных вычислений и мощностях вычислительной техники точность описания реальных физических процессов и явлений, даже в рамках таких крупных программных комплексов как Фи-деспс [1], самым непосредственным образом зависит от точности описания свойств среды. В частности, при анализе действия взрыва или высокоскоростного удара в воде, то есть, казалось бы, в простой ситуации, не связанной с проблемами упругоплаетичееких деформаций, встает вопрос о реальной вязкости сжатой воды, о возможном ее затвердевании при сжатии и о влиянии этих факторов на параметры и динамику ударных волн в воде. Что касается вязкости воды в условиях ударного сжатия, то в течение длительного времени сведения о ней были противоречивы. В экспериментах [2] с регистрацией возмущений поверхности ударной волны, основанных на идее Сахарова и Зайделя [3], было найдено, что вязкость ударно-сжатой воды и ртути близка к вязкости твердых тел. С другой стороны, измерения, в частности, примесной электропроводности ударно-сжатого глицерина [4] дали значения вязкости, мало отличающиеся от ее значений в нормальных условиях. Наши недавние измерения ширины ударной волны [5] дали значения вязкости глицерина, близкие к оценкам, основанным на измерении примесной электропроводности. Помимо прочего, это совпадение евидетель-ствует о малости вклада скорости деформации в величину коэффициента вязкости жидкостей. Эволюция ударной волны с синусоидальными возмущениями была детально проанализирована в работе [6], на основе чего твердотельные значения вязкости ударно-сжатой воды были объяснены ее превращением в лед VII при ударном сжатии. Нужно сказать, что это фазовое превращение исследуется, начиная еще с шестидесятых годов прошлого века. На рисунке 1 показана часть фазовой диаграммы воды, из которой следует, что необратимый нагрев вещества в ударной волне не допускает возможности превращения воды в лед VII при однократном ударном сжатии. Однако это превращение возможно при безударном изэнтропичееком и ступенчатом ударном сжатии. В работе [7] превращение воды в лед VII при двухэтап-ном ударном сжатии, где давление за первой ударной волной находилось
в диапазоне от 1.8 до 3.5 ГПа, а конечное давление от 3.9 до 10 ГПа, было зафиксировано но рассеянию света, как предполагается, смесью воды с частицами льда. В дальнейшем в работах |8-11| была зафиксирована релаксация давления и подтверждена потеря гомогенности воды при ступенчатом или безударном изэнтропичееком сжатии. Остается, однако, неясным, имеет .ни превращение объемный характер или происходит лишь в тонком слое у поверхности окна, через которое производится его регистрация и на которой происходит нуклеация частиц льда. Использование в качестве окна кварцевого стекла стимулирует быструю нуклеацию льда VII благодаря, как предполагается, наличию гидрокеильпых груш: на поверхности, в то время как при использовании сапфирового окна превращение требует более высокого давления или вообще не происходит. В данной работе расширен диапазон давлений при использовании окна из фтористого .пития.
тзз
^ ?
зз
:33
О) ¿33
:зз
11 'гт л; -1 ■
Ударная
адиабата
Вода 1И з-эи грапи чс скае
¿г. Ы .1 я - т/' ям*~ сжаги« '
■■ I Лед VII
■ ' / Ц- Лед VI . Г . . 1 . . .1 . . . 1 . . 1 ... 1 ... 1 . .
Давление ГПа
Рис. 1: Фазовая диаграмма воды в области температур выше 0 С° [8]. Круглые маркеры, соединенные пунктирной линией показывают изменение состояния воды при ступенчатом сжатии в опытах 2 (нижний ряд точек) и 3.
2. Постановка экспериментов
Эксперименты проведены с дистиллированной водой при комнатной температуре. Вода заливалась в герметичную кювету, дном которой являлся металлический экран, через который в образец вводилась ударная волна, а крышкой было окно из монокристалла фтористого .пития. Толщина слоя воды находилась в продолах от 0.9 мм до 1.35 мм. Экран (дно кюветы) изготавливался из алюминия, меди или молибдена. Ударная волна в экране создавалась ударом алюминиевой пластины со скоростью в диапазоне от 300 м/с до 2600 м/с. Разгон ударников до скорости 300-350 м/с осуществлялся с помощью ствольной метательной установки — «газовой пушки». Дня высоко-
скоростного мотания использовались взрывные устройства, В экспериментах с помощью лазерного Допплеровского измерителя скорости \1SAR |12| регистрировалась история изменения скорости поверхности контакта окна с образцом Пр(^) в процессе выхода на нее волн сжатия. Для отражения зондирующего лазерного излучения прибора \TSAR па поверхность окна, обращенную к образцу, вакуумным напылением наносился тонкий отражающий слой алюминия. При использовавшихся параметрах оборудования временное разрешение измерений составляло примерно 1,5 не.
3. Результаты измерений
Результаты измерений показаны на рисунках 2 и 3 в виде профилей скорости контактной поверхности воды и окна из фтористого .пития как функции времени, м(£). Условия опытов приведены в таблице 1,
Рис, 2: Результаты опытов при скорости удара 295 м/с и 1095 м/с. Использовались экоапы из алюминия и меди, соответственно. Числа указывают давление перед и после отражения соответствующей ударной волны от окна ЫЕ,
Рис, 3: Результат опыта со скоростью удара 2600 м/с с использованием экрана из молибдена.
Таблица 1: Параметры экспериментов но ступенчатому ударному сжатию воды
Номер Скорость удара, Материал экрана Толщина слоя
опыта м/с (±5%) воды, мм
1 293 Алюминий 0.94
2 1095 Медь 1.34
3 2600 Молибден 1.28
Рис. 4: Диаграмма ступенчатого ударного сжатия воды в опыте 2, показанном на рис. 2.
На рисунке 4 поясняется ступенчатое нарастание давления в воде в процессе многократных отражений ударных волн между экраном и окном. Значения массовой скорости за ударной волной регистрировались на поверхности контакта окна ЫР с водой — точки В1 в то время как параметры ударных волн, подходящих к этой поверхности, соответствуют точкам А1 на ударной адиабате торможения медного экрана. Ударные адиабаты воды, медного экрана и материала окна — фтористого лития взяты из [13].
В опыте 1 не достигается давление 2.6 ГПа, соответствующее пересечению изэнтропы с линией равновесия вода-лед VII, затвердевание воды в этом опыте происходить не должно, волновой профиль особенностей не имеет. Время нарастания параметров в ударных волнах находится на пределе временного разрешения измерений, что говорит о сохранении низкой вязкости воды в процессе ступенчатого сжатия. В опыте 2 первые две ступени особенностей не имеют, а выход на поверхность окна следующей ударной волны сопровождается значительной релаксацией давления, подобной наблюдавшейся в работах [8-10]. После релаксации наблюдается постепенное восстановление давления. На рисунке 1 оценочно показан ход изменения состояния в процессе ступенчатого сжатия. Видно, что состояние на второй «ступеньке» с давлением В2 = 5.7 ГПа находится на фазовой диаграмме далеко в области льда VII, однако превращение начинается лишь при увеличении давления до 6.1 или 6.5 ГПа (неопределенность связана с тем, что неясно, начинается ли превращение у экрана или у поверхности окна). Отклонение по температуре от линии межфазного равновесия, то есть переохлаждение воды перед началом превращения, составляет примерно 40 К. В опыте 3 с давлением в первой ударной волне в воде 3.9 ГПа межфазная граница вода-лед VII пере-
ходится уже на второй ступеньке. Хотя при этом состояние вещества значительно меньшее уходит от межфазной границы, чем в опыте 2, на волновом профиле четко фиксируется релаксация давления и его быстрое восстановление во второй ступеньке. Новым является то, что следующая волна сжатия, пришедшая на поверхность окна (третья ступенька), весьма размыта. Относительно большое время нарастания параметров в ней может иметь два объяснения: либо мы имеем дело с волной сжатия, распространяющейся по льду VII, имеющему вязкость много больше, чем вода, либо в этой волне происходи превращение воды в лед VII за время примерно 40-50 не. Второе предположение подкрепляется тем обстоятельством, что давление 13,1 РПа на второй регистрируемой ступеньке точно соответствует построениям, подобным приведенным на рис, 4, с использованием ударной адиабаты воды, то есть без учета ее превращения,
4. Заключение
Проведенные эксперименты со ступенчатым сжатием воды в области ее превращения в лед VII, Подтверждено превращение из «переохлажденного», то есть отклоняющегося от линии межфазного равновесия на примерно 40 К, состояния. Не подтверждена необходимость наличия кварцевого стекла для нуклеации превращения: эксперименты указывают на зарождение превращения у поверхности окна из монокристалла фтористого линия и на поверхности металлического экрана. Регистрировались как релаксация давления в результате превращения в поверхностном слое, так и дисперсия волны сжатия, распространяющейся по воде с параметрами, требуемыми для начала превращения,
СПИСОК ЦИТИРОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1, Морозов Е, М,, Левин В, А,, Вершинин А, В, Прочностной анализ, Фи-десис в руках инженера, М,: UEES, 2015 — 400 с,
2, В, Н Минеев, Р, М, Зайдель, Вязкость воды и ртути при ударном сжатии, ЖЭТФ, 1968, Т. 54, № 6, С. 1633
3, А, Д, Сахаров, P.M. Зайдель, В.Н, Минеев, Л.Г. Олейник, Экспериментальное исследование устойчивости ударных волн и механических свойств вещества при высоких давлениях и температурах // ДАН СССР, - 1964. - Т. 159, N 5. - С.1019-1022.
4, А. Н. Дремин, Д.П. Кузнецов, В.М. Шунин, В.В. Якушев. Вязкость и электропроводность глицерина при высоких динамических и статических давлениях. ЖФХ, 1980, Т. 54, вып. 1., С. 135-139
5. Р. И. Канель, А. С. Савиных, Р. В. Раркушин, С. В. Разоренов. Оценка вязкости глицерина по ширине слабой ударной волны. Теплофизика высоких температур, т. 55, JV2 3, сс. 380-385.
6. G. Н. Miller and Т. J. Ahrens, Shock-wave viscosity measurement. Reviews of Modern Physics, 1991, V. 63, No. 4, pp. 919-947
7. С. Б. Кормер, К.Б. Юшко, Р.В. Кришкевич. Фазовое превращение воды в лед VII при ударном сжатии. ЖЭТФ, 1968, Т. 54, № 6, С. 1640
8. D. Н. Dolan, Y.M. Gupta. Time-dependent freezing of water under dynamic compression. Chemical Physics Letters 374 (2003) 608-612
9. D. H. Dolan, J. N. Johnson, and Y. M. Gupta. Nanosecond freezing of water under multiple shock wave compression: Continuum modeling and wave profile measurements. J. Chem. Phvs, 123, 064702 (2005)
10. D. H. Dolan, M. D. Knudson, C. A. Hall and C. Deenev, A metastable limit for compressed liquid water. Nature Physics 2007, V. 3 pp. 339-342
11. Stafford S.J.P., Chapman D.J., Bland S.N., and Eakins D.E. Observations on the nucleation of ice VII in compressed water. // AIP Conf. Proc. 2017. V. 1793, P. 130005.
12. Канель Р.И., Разоренов С.В., Уткин А.В., Фортов В.Е.. Ударно-волновые явления в конденсированных средах. М,: Янус-К. 1996. 407 с.
13. L.M. Barker and U.K. Hollenbach, Laser interferometer for measuring high velocities of any reflecting surface. J. Appl. Phvs. 43, 4669 (1972)
14. S. P. Marsh (Ed.), LASL Shock Hugoniot Data, (Univ. California Press, Berkeley, 1980)
REFERENCES
1. Morozov, EM, Levin, VA & Vershinin, AV 2015, Prochnostnoy analiz. Fidesis v rukakh inginera [The Strength analysis. Fidesys in the hands of an engineer], URRS, Moscow.
2. Mineev, V.N. & ZaideP, R.M. 1968, "The Viscosity of Water and Mercury Under Shock Loading", JETP, vol. 27, no 6, pp. 874-878.
3. Sakharov, A.D., /aide!'. R.M., Mineev, V.N. & Ole'lnik A.G. 1964, "Experimental Investigation of the Stability of Shock Waves and the Mechanical Properties of Matter at High Pressures and Temperatures" Dokl Akad. Nauk SSSR, vol.159, no. 5, pp.1019-1022.
4. Dremin, A.N., Kuznetsov, D.I., Shunin, V.M, & Yakushev V.V, 1980, "Viscosity and Electric-Conductivity of Glycerol at High Dynamic and Static Pressures" Zhurnal Fizicheskoi Khimii, vol, 54, no, 1, pp. 135-139,
5. KaneP, G.I., Savinvkh, A.S., Garkushin, G.V, & Razorenov, S.V, 2017, "Evaluation of Glycerol Viscosity through the Width of a Weak Shock Wave", High Temperature, vol, 55, no, 3, pp. 365-369, https://doi.org/10.1134/S0018151X17030105
6. Miller, G.H. & Ahrens, T.J. 1991, "Shock-Wave Viscosity Measurement", Reviews of Modern Physics, vol. 63, no. 4, pp. 919-947. https://doi.org/10.1103/RevModPhys.63.919
7. Kormer, S.B., Yushko, K.B. & Krishkevich, G.V. 1968, "Phase Transformation of Water into Ice VII by Shock Compression", JETP, vol. 27, no 6, pp. 879-881.
8. Dolan, D.H. & Gupta, Y.M. 2003, "Time-Dependent Freezing of Water Under Dynamic Compression", Chem. Phys. Letters, vol. 374, pp. 608-612. https://doi.org/10.1016/S0009-2614(03)00777-2
9. Dolan, D.H., Johnson, J.N., & Gupta, Y.M. 2005 "Nanosecond Freezing of Water Under Multiple Shock Wave Compression: Continuum Modeling and Wave Profile Measurements", J. Chem. Phys, vol. 123, P. 064702. https://doi.Org/10.1063/l.1993556
10. Dolan, D.H., Knudson, M.D., Hall, C.A. & Deenev, C. 2007, "A Metastable Limit for Compressed Liquid Water", Nature Physics, vol. 3, pp. 339-342. doi:10,1038/nphys562,
11. Stafford, S.J.P., Chapman, D.J., Bland, S.N., & Eakins, D.E. "Observations on the Nucleation of Ice VII in Compressed Water", AIP Conf. Proc. 2017. vol. 1793, P. 130005. https://doi.Org/10.1063/l.4971716
12. Kanel, GI, Razorenov, SV, Utkin, AV & Fortov, VE 1996, Udarno-Volnovye Yavleniya V Kondensirovannyh Sredah [Shock Wave Phenomena in Condensed Media], Yanus-K, Moscow.
13. Barker, L.M. & Hollenbach, R.E. 1972, "Laser Interferometer for Measuring High Velocities of any Reflecting Surface", J. Appl. Phys, vol. 43, P. 4669. https://doi.Org/10.1063/l.1660986
14. Marsh SP (Ed.) 1980, LASL Shock Hugoniot Data. Univ. California Press. Berkeley.
Получено 22.05.2017
принято в печать 14.09.2017
