Стационарная детонация а аэрозолях

• Автор: Гирин, Александр Георгиевич
• Шифр специальности: 01.04.02
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 1984
• Место защиты: Одесса
• Количество страниц: 160 c. : ил

Исследования по двухфазной детонации включают в себя изучение явления распространения сильного самоподдерживающегося возмущения, сопровождаемого экзотермическими химическими реакциями, в четырех классах систем: жидкие аэрозоли, аэровэвеси твердых частиц, система газ - пленка горючего, пенообразные смеси. Отличительной особенностью всех четырех систем является то, что горючее и окислитель предварительно не перемешаны на молекулярном уровне и находятся в различных фазовых состояниях. Это обстоятельство привносит в изучение двухфазной детонации дополнительные трудности, характерные для интенсивно развивающихся в последнее время исследований в области двухфазных течений. После прохождения фронта детонационной волны фазы уже не находятся более в механическом, физическом и химическом равновесиях и вступают в активное взаимодействие, что приводит к появлению эффектов, существенно отличающих двухфазную детонацию от детонации твердых, жидких и газообразных взрывчатых веществ. С другой стороны, сложность и многоплановость внутренних процессов не изменяет существа детонации, ее характерного свойства самоподдерживаемости.
Интенсификация исследований по детонации в последнее время связана как с возрастающим применением этого явления в народном хозяйстве (сварка взрывом, взрывная штамповка, детонационное напыление и т.д.), так и с необходимостью определения условий взры-вобезопасности в шахтных выработках, при переработке и транспортировке нефти и других, в том числе твердых, материалов, при эксплуатации киелородопроводов и т.п. Процесс детонационного сгорания имеет глубокую аналогию с горением в жидкостных ракетных двигатеНесмотря на то, что явление детонации газовых смесей открыто сто лет назад , исследования по детонации аэрозолей ведут-

ся сравнительно недавно. Впервые усиление волны горения в аэровзвеси капель горючего при определенных условиях наблюдали Бур-гойн и Коэн [4 . Интенсивные исследования берут свое начало с
работ Вильямса 5,6^ , который, используя модель гетерогенного горения капли, теоретически показал возможность распространения еамоподдерживающейея детонационной волны по аэровзвеси капель горючего диаметром с10£ 10 мкм. Другим важным выводом этой работы была невозможность распространения детонации в аэрозолях с большим диаметром капель, поскольку принятая модель медленного ламинарнодиффузионного горения капли давала значительную протяженность зоны тепловыделения, например, прис!о= 30 мкм, X — 100 см, что должно приводить к значительным потерям химической энергии и ослаблению ведущего фронта. Однако очень скоро этот вывод был опровергнут экспериментальными работами Вебера [?,8^ , который наблюдал значительное усиление ударных волн при их прохождении по смеси кислорода с каплями углеводородного горючего со средним размером с!0

= 200 мкм, что было подтверждено вскоре в экспериментах Крамера 9 [.

Позднее усиление слабых ударных волн в газокапельной смеси наблюСущественное расхождение теоретических и экспериментальных результатов привело к выводу о том, что описание тепловыделения за фронтом детонационной волны в аэрозоле должно быть основано на модели, отличной от использовавшейся Вильямсом. Наиболее значительным упрощением последней является абстрагирование от аэродинамического взаимодействия жидкой капли со спутным газовым потоком, а это оставляет в качестве основного процесса медленное испарение горючего при его химическом взаимодействии с окислителем. Оценки скорости испарения, сделанные Крамером, показали, что для реализации детонационного режима суммарная поверхность жидкости должна превышать первоначальную по крайней мере на порядок

дали Гельфанд с сотрудниками

возможно, если капли аэрозоля разрушаются за фронтом волны на более мелкие.

Действительно, в последовавших за этим многочисленных экспериментах - 24] выяснилось, что в высокоскоростных газовых потоках происходит интенсивное механическое дробление капель аэрозоля на вторичные очень мелкие капельки, время испарения которых уже достаточно мало для быстрого образования гомогенной горючей смеси.
Таким образом, внутренняя структура детонационной волны в аэрозоле обусловлена протеканием нескольких процессов, имеющих различную природу: механического (разрушение капель), физического (испарение и смешение паров горючего с окислителем) и химического (протекание экзотермических реакций). Такой важный параметр детонации, как время задержки воспламенения, включает в себя, соответственно, время задержки разрушения капель, время испарения вторичных капелек, время смешения паров горючего с окислителем, время индукции химической реакции. Механическое дробление составляет характерную особенность детонации аэрозолей и является при этом определяющим процессом, поскольку не только дает основной вклад в задержку воспламенения, но также задает размер и объемную плотность срывающихся частичек, регулируя тем самым время испарения и концентрацию паров горючего. В связи с ведущей ролью этого процесса в детонации в 60-е годы исследования были направлены в основном на изучение дробления. Интерес к разрушению капель обусловлен также другими прикладными аспектами, например, исследованиями по неустойчивости горения в ЖРД {^19, 22, 25*] , разработкой различных конструкций форсунок для них, проблемой разрушения поверхности высокоскоростных летательных аппаратов при прохождении ими облаков и туманов ^26, 27^ и т.п.
Изучение поведения жидких капель в потоке газа берет свое начало,

с жщгмж 1 и,, » аелгц н, <1,25)
г <1 ЙУе IЛМГН‘Н^’^Уе(Мг-1) ~Ш)‘
Верхняя пара знаков в выражении для 2 выбирается, когда ^>0, нижняя - когда ^<0 ; в выражениях для верхняя пара знаков
выбирается, когда г2>0, нижняя - когда ^<-0 •
Выбор знака в выражении для вновь определяется при помощи условия ограниченности возмущений при В этом случае главный член действительной части ^ содержится в ^ , поскольку Ъ0 имеет мнимую часть. Для интересующего нас неустойчивого корня Ы), отсюда нетрудно видеть, что должен быть выбран знак (-):
Таким образом, в сверхзвуковом диапазоне существуют два неустойчивых корня, определяемые соотношениями (1.25). Причем, в отличие от дозвукового диапазона, время роста амплитуды неустойчивых возмущений одного порядка с периодом их колебаний, поскольку Кв(2)у/[]т.(?)= = 0(1) . Детальное исследование корней (1.25) в общем случае затруднительно. Для большой по сравнению с длиной волны Л толщины слоя с1А в приближении выражения (1.25) упрощаются:
а _/1 . о
г (Ц, 1 ЧМ-1) ’ 1 Ч(МЧГ и;
а^и ±Ш1). ^-Т^чг^мчг5)-,
«5/. /I I*. ./ч* |у1^0,Б^0,5