Детонация и тепло-массообмен в двухфазных пузырьковых средах

• Автор: Таратута, Сергей Петрович
• Шифр специальности: 01.04.17
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 1999
• Место защиты: Новосибирск
• Количество страниц: 120 с. : ил.

Оглавление
Введение
Глава I Динамика одиночного пузырька с химически активным газом
§1 Кинетика детонации в газовой фазе пузырька
§2 Динамика пузырька с химически активной смесью
Глава П Теплообмен при динамике одиночного пузырька
§1 Постановка задачи
§2 Результаты расчетов
§3 Модель Тешукова
§4 Обсуждение результатов
Глава. П1 Динамика одиночного пузырька в жидкости при наличии
химических реакций и межфазного тепло - и массообмена
§1 Мгновенное испарение
§2 Влияние инертного разбавителя
§3 Непрерывное испарение
Глава IV. Моделирование волны пузырьковой детонации
§1 Эксперименты по формированию пузырьковой среды и ее
взаимодействию с ударными волнами
§2 Модель динамики пузырьковой жидкости
§3 Проверка модели двухфазной среды
§4 Модель пузырьковой детонации
§5 Результаты расчетов для системы
§6 Результаты расчетов для системы II
Заключение
Литература
Введение
Как известно, детонационные процессы могут инициироваться не только в сплошных средах, таких как, взрывчатые газовые смеси или жидкие ВВ, но и в гетерогенных системах, типа газ - капли, газ - жидкая пленка, взвеси твердых частиц и т. п. [1]. Принципиальная особенность гетерогенной детонации состоит в том, что реагирующие компоненты смеси разделены и могут находиться в разных фазовых состояниях. В последнем случае детонация развивается в результате фазовых переходов, смешивания компонент и их последующей реакции. Детонация в гомогенных средах исследована теоретически и экспериментально достаточно полно, чего нельзя сказать о всех гетерогенных системах, в том числе и об активных пузырьковых средах, очевидно в силу большей сложности процесса инициирования. Актуальность исследований гетерогенной детонации связана прежде всего с вопросами безопасности производства (взрывы взвешенной в воздухе пыли в шахтах и элеваторах, аварии при транспортировке и хранении жидкого топлива и сжиженных газов, а также взрывы различных типов двигателей).
Детонация в жидких средах, содержащих пузырьки газа, названная «пузырьковой», также относится к гетерогенному типу. Пузырьковая детонация - сложный физико-химический процесс, суть которого состоит в адиабатическом взрыве химически активной газовой смеси при схлопывании пузырьков под воздействием волн сжатия. Выделившаяся при этом энергия приводит к резкому увеличению давления в пузырьках. В определенном диапазоне концентраций пузырьков наблюдается формирование самоподдерживающегося волнового режима, когда

затухание водны при прохождении через пузырьковую среду компенсируется за счет увеличения внутренней энергии пузырьков. Заметим, что для этого давление в инициирующей волне должно превышать некоторое критическое значение, достаточное для возбуждения реакции в смеси. Параметры волны пузырьковой детонации в этом случае не зависят от условий инициирования и определяются лишь параметрами среды, составом химически активной смеси и энергопотерями. Следует отметить, что пузырьковая детонация может быть инициирована не только ударной волной, но также при столкновении и фокусировке слабых акустических волн, в том числе и волн разрежения [2, 3].
В начале 60-х годов возможность взрыва в воде одиночного пузырька с химически активной ацетиленокислородной газовой смесью при его сжатии ударной волной была экспериментально обнаружена Солоухиным и Кедринским [4, 5]. В 80-х гг Hasegawa и Бируага провели исследования, направленные на изучение безопасности атомных электростанций [6, 7, 8], в охлаждающей системе которых при экстремально высоких температурах могут образовываться пузырьки, содержащие химически активную газовую смесь. Были поставлены модельные эксперименты по распространению ударных волн вдоль цепочки одиночных пузырьков и обнаружен эффект своего рода регенерации волн сжатия, названный «пузырьковой детонацией». Эффект состоит в последовательном поглощении падающей волны сжатия каждым пузырьком и его взрыве, приводящем к переизлучению волны. Эксперименты Назе§ауа и Биршага показали, что скорость и давление волны пузырьковой детонации не являются постоянными и уменьшаются по мере распространения. При этом давление волны стремится к постоянному значению, что трактовалось как возможность существования самоподдерживающегося режима. Авторы предложили простую

§2 Результаты расчетов.
Данная система уравнений решалась численно методом Рунге-Кутта при следующих начальных условиях: Го = 293 К, при внешнем давлении P«, = 20 атм, для пузырька с начальным радиусом Ro = 2 мм. Внутри пузырька и в прилегающем слое жидкости выбраны равномерные по радиусу координатные сетки по 700 точек. Координата точки с индексом х в газе вычислялась относительно центра пузырька по формуле: rg(x) = P-x/700 для 0<х<700, а в жидкости по: r{x)= R + (х-700)-(Ьсдая/700) для 700S*r<1400, где толщина жидкого слоя 1споя была выбрана равной Ro.
На рис. 2.1 приведен выделенный вблизи поверхности пузырька фрагмент, в котором происходит заметное изменение температуры по радиусу в системе газ-жидкость. Расстояние выражено индексом х. Слой газа (670 <х< 700) по длине соответствует 3/70 R, слой жидкости (700<х<730) -0.3R, х = 700 соответствует поверхности пузырька. Из рисунка видно, что распределение температуры по радиусу пузырька остается практически однородным в течении всей пульсации, исключая тонкий слой вблизи стенки (h ~ 0.03R), где она резко падает до температуры окружающей жидкости. Для более удобного представления о поведении температуры на границе раздела, на рис. 2.2 показано распределение температуры в трех слоях вблизи поверхности и в центре пузырька. В окрестности точки охлопывания при адиабатическом сжатии температура газа увеличивается примерно в 9 раз, в то время как температура жидкости (в данном случае — воды) на поверхности пузырька возрастает в 2.54, что существенно выше, чем предсказывалось ранее [55].