Экспериментальное исследование импульсного растяжения жидкостей при ударно-волновом воздействии тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.17, кандидат физико-математических наук Сосиков, Василий Александрович

• Сосиков, Василий Александрович
• кандидат физико-математических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Сосиков, Василий Александрович

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. КАВИТАЦИЯ И ЭКСПЕРИМЕТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ ЕЁ ИЗУЧЕНИЯ.

1.1 Кавитация в медицине.

1.2 Экспериментальные методы исследований при отрицательном давлении.

1.3 Исследование инклюзий жидкости в кристаллы.

1.4 Динамическое растяжение жидкостей.

1.5 Гомогенное зародышеобразование.

1.6. Стабильные и метастабильные фазовые состояния.

ГЛАВА 2. ДИНАМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ЖИДКОСТЕЙ ПРИ ОТРИЦАТЕЛЬНЫХ ДАВЛЕНИЯХ.

2.1 Эволюция треугольного импульса сжатия при взаимодействии со свободной поверхностью.

2.2 Определение констант кинетики откольного разрушения материалов на основе экспериментальных данных.

2.3 Современные методы генерации плоских ударных волн.

2.4 Методика измерения откольной прочности в жидких образцах.

2.5 Метод регистрации скорости. свободной поверхности.

2.6 Метод обработки экспериментальных интерферограмм для. получение профилей скорости.

ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ.

3.1 Влияние скорости деформирования на откольную прочность гексана.

3.2 двухстадийный характер разрушения в этиловом спирте.

3.3 Вода при низкой температуре.

3.4 Особенности двухстадийного разрушения гексадекана.

3.5 Влияние амплитуды падающего импульса на откольную прочность пентадекана.

ГЛАВА 4. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТОВ.

4.1 Гексан.

4.2 Этиловый спирт.

4.3 Вода при низкой температуре.

4.4 Уравнение состояния воды.

4.5 Гексадекан.

4.6 Пентадекан.

Основные результаты работы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Экспериментальное исследование импульсного растяжения жидкостей при ударно-волновом воздействии»

Актуальность. Кавитация (от лат. саукаэ - пустота) - образование в капельной жидкости разрывов сплошности с появлением полостей (т.н. кавитационных пузырьков), заполненных газом, паром или их смесью, в результате местного понижения давления [1]. Явление кавитации - предмет исследования во многих областях науки и техники. К примеру, наличие кавитации неблагоприятно сказывается на работе гидравлических машин, турбин, судовых гребных винтов, что заставляет принимать меры к избежанию кавитации.

Согласно теоретическим представлениям, жидкости способны выдерживать очень большие растягивающие напряжения, достигающие 1 ГПа, при этом предполагается, что разрушение происходит по механизму гомогенного зародышеобразования. Однако, на практике нарушение сплошности жидкости начинается при гораздо меньших величинах отрицательного давления. Это связывается, в первую очередь, с тем, что в реальных жидкостях присутствует большое количество гетерогенных зародышей, на которых и инициируется рост пор.

Изучению поведения жидкостей при отрицательных давлениях посвящено большое количество исследований, тем не менее, лишь в некоторых работах анализируется влияние скорости деформирования на прочность жидкости, хотя данная зависимость позволяет получить дополнительную информацию о кинетике зарождения и роста пор. Представляет также интерес изучение прочности жидкости вблизи температуры плавления, т.к. именно в её окрестности проявляются некоторые особенности разрушения. И, наконец, необходимо расширять класс жидкостей, исследованных в области отрицательных давлений, поскольку эта информация требуется для получения и проверки уравнений состояния жидкостей, к которым есть большой интерес в различных областях науки и техники.

Цель работы. Экспериментальное исследование зависимости величины откольной прочности от скорости деформирования в гексане и этиловом спирте. Изучение особенностей кавитации жидкостей вблизи температуры плавления на примере гексадекана, пентадекана и воды. Проверка применимости теории гомогенного зародышеобразования для интерпретации полученных результатов.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, трёх глав, заключения и списка цитированной литературы.

Заключение диссертации по теме «Химическая физика, в том числе физика горения и взрыва», Сосиков, Василий Александрович

Основные результаты работы

1. Отработана методика исследования жидкостей при импульсном растяжении в условиях ударно-волнового эксперимента при начальных температурах от 0°С до 25°С основанная на непрерывной регистрации скорости свободной поверхности интерферометром VISAR.

2. Создана программа расчета профиля скорости из экспериментальных данных, полученных на лазерном доплеровском измерителе скорости VISAR.

3. Получена зависимость величины откольной прочности от скорости деформирования в гексане. Показано, что при изменении скорости деформирования в интервале 2-104 - 15-Ю4 с"1 величина откольной прочности остаётся практически постоянной и равной 15МПа.

4. Впервые обнаружен двухстадийный характер разрушения при проведении исследования зависимости величины откольной прочности от скорости деформирования в этиловом спирте.

5. Показано, что слабая зависимость величины откольной прочности в гексане и величины порога начала разрушения в этиловом спирте от скорости деформирования объясняется в рамках теории гомогенного зародышеобразования.

6. Проведены исследования особенностей кавитации воды вблизи температуры плавления. Выявлена резкая зависимость величины откольной прочности от скорости деформирования, что не наблюдалось вдали от точки фазового перехода.

7. С использованием уравнения Спиди" для воды рассчитаны адиабата и изэнтропа, которые были применены для оценки состояний, реализующихся в воде при температуре 0,7°С в процессе проведённых R. Speedy Stability-Limit Conjecture. An Interpretation of the Properties of Water J. Phys. Chem. 1982, 86,982-991 экспериментов. Показано, что в опытах реализуется фазовое состояние, соответствующее области двойной метастабильности.

8. Проведены исследования зависимости величины откольной прочности от скорости деформирования для гексадекана вблизи температуры плавления. Обнаружен двухстадийный характер разрушения, причём, в отличие от этилового спирта, данная особенность проявляется только после того, как амплитуда падающего импульса превысит пороговое значение в 267МПа.

9. Изучены особенности разрушения пентадекана в окрестности температуры плавления. Обнаружено, что величина откольной прочности возрастает с ростом амплитуды падающего импульса, тогда как во всех исследованных ранее жидкостях наблюдалось падение откольной прочности с ростом амплитуды импульса сжатия.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Сосиков, Василий Александрович, 2006 год

1. Физическая энциклопедия. Т.2 под редакцией А. М. Прохорова. Москва «Советская энциклопедия», 1990.

2. М. Delius Medical applications and bioeffects of extracorporeal shock waves. Shock Waves (1994) 4:55-72

3. J. L. Green, D.J. Durben, G.H. Wolf, C.A.Angell. Water and solutions at Negative pressure: Raman spectroscopic study to -80Megapascals. Science, Vol 249 10 august 1990 P. 249-252.

4. Q. Zheng, D.J. Durben, G.H. Wolf, C.A. Angell Liquids at large negative pressure: Water at the homogeneous nucleation limit. Science, Vol 254 8 November 1991 P. 829-832.

5. D. Alvarenga, M. Grimsditch, R.J. Bodnar Elastic properties of water under negative pressures J. Chem. Phys. 98 (11) 1 June 1993 P. 83928396.

6. Marston P. L., Pullen G. L. Cavitation in water induced by the reflection of shock waves // Shock waves in Condensed Matter -1981. New York: AIP, 1982. P. 515-519

7. Marston P. L., Unger В. T. Rapid cavitation induced by the reflection of shock waves// Shock waves in Condenced Matter- 1985. New York: Plenum Press, 1986. P. 401-405.

8. Carlson G.A., Henry K.W. Technique for studying dynamoic tensile in liquids: Applications for glycerol// J.Appl.Phys. 1973. V.44, N5. P.2201-2206.

9. Carlson G.A., Levine H.S. // J.Appl. Phys. 1975. V.46, N4. P. 15941601.

10. Erlich D.C., Wooten D.C., Grewdson R.C. Dynamic tensile failure of glycerol// J. Appl. Phys. 1971/ vol 42/ N 13. p. 5495-5502.

11. П.Дрёмин A.H., Каннель Г.И., Колдунов C.A. Исследование откола в воде, этиловом спирте и плексиглазе// Горение и взрыв.

12. Материалы 3-го всесоюзного симпозиума по горению и взрыву. М.: Наука. 1972. С. 569-572.

13. Рыбаков А.П. Исследование откольного разрушения конденсированных тел// ПМТФ. 1981 №5 с 144-146.

14. Поташова В.И., Рыбаков А.П. Обобщение эксперементальных данных по нагружению конденсированных тел косыми ударными волнами// Поведение материалов при динамических нагрузках. Даугавпилс: ДНИ, 1986. С. 40-55. Доп. В ЛатНИИНТИ 27.11.87. № 106-Ла87.

15. Рыбаков А.П. Исследование откольных явлений в конденсированных телах при нагружении косыми ударными волнами//Детонация. Критические явления. Физико-химические превращения в ударных волнах. Черноголовка: ОИХФ АН СССР, 1987. С. 140-144.

16. Boteler J. М. Sutherland G. Т. Tensile failure of water due to shock wave interactions.// J. Appl. Phys. 2004. V. 96, N 11. P. 6919 6924.

17. Скрипов В. П., Спицин Е. Н., Павлов П. А. и др. Теплофизические свойства жидкостей в метастабильном состоянии. М.: Атомиздат, 1980

18. Скрипов В. П. Метастабильная жидкость. М., Наука, 1972.

19. Volmer М., Weber А. —Z. Phys. Chem., 1926, Bd 119, S. 227.

20. Гиббс Д. В. Термодинамические работы. Пер. с англ. М. — Л., Гостехтеориз дат, 1950.

21. Farkas L. —Z. Phys. Chem., 1927, Bd 125, S. 236.

22. Becker R., Doring W. — Ann. Physik, 1935, Bd 24, S. 719.

23. Doring W. —Z. Phys. Chem., 1937, Bd 36, S. 376; Bd 38, S. 292.

24. Volmer M. Kinetik der Phasenbildung. Dresden—Leipzig, 1939.

25. Kottowski H. M. Progr. Heat and Mass Transfer, Oxford ea., 1973, v. 7 p. 299.

26. KaishewR., Stranski I. N—Z. Phys. Chem., 1934, Bd 26, S. 317.26.3ельдович Я. Б. — Журн. эксперим. и теор. физ., 1942, т. 12, с. 525-538.

27. Френкель Я. И. Кинетическая теория жидкостей. Л., Наука, 1975.

28. Каган Ю. М. —Журн. физ. химии, 1960, т. 34, с. 92.

29. Дерягин Б. В. —Докл. АН СССР, 1970, т. 193, с. 1096.

30. Дерягин Б. В. — Журн. эксперим. и теор. физ., 1973, т. 65, с. 2261.

31. Дерягин Б. В., Прохоров А. В., Туницкий H. Н. — Журн. эксперим. и теор. физ., 1977, т. 73, с. 1831.

32. Fisher J. С. The facture of liquids //J/ Appl. Phys. 1948. V.19. P. 1062-1067

33. Канель Г. И., Разорёнов С. В. , Уткин А. В. , Фортов В. Е. Ударно-волновые явления в конденсированных средах. М.: Янус-К, 1996

34. Уткин A.B. // ПМТФ. 1997. Т.38,№6. С. 157-166.

35. Бушман A.B., Канель Г.И., Ни А.Л., Фортов В.Е. Теплофизика и динамика интенсивных импульсных воздействий. Черноголовка: ИХФ АН СССР, 1988.

36. Канель Г.И., Фортов В.Е. Механические свойства конденсированных сред при интенсивных импульсных воздействиях // Успехи механики. 1987. О. 10,1 3. N.3-82.

37. Kanel G.I., Razorenov S.V., Utkin A.V., et al. Spall strength of molybdenum single crystals // J.Appl.Phys. 1993. V. 74, N 12, P. 7162-7165.

38. Уткин A.B. Влияние скорости разрушения на динамику взаимодействия импульса ударной нагрузки с поверхностью тела // ПМТФ. 1992. № 6. С.82-89.

39. Уткин A.B. Влияние начальной скорости разрушения на формирование откольного импульса // ПМТФ. 1993. Т.34 № 4. С.140-146.

40. Жерноклетов М.В. Методы исследования свойств материалов при интенсивных динамических нагрузках. Саров: ФГГТУ РФЯЦ-ВНИИЭФ, 2003.-403 с.

41. Степанов Г.В. Поведение конструкционных материалов в упругопластических волнах нагрузки. Киев: Наукова думка, 1978.

42. Parry D.J., Griffiths L.J.A. A compact gas gun for materials testing. // J. Phys.E (Sei. Instrum.). 1979. - V. 12. - № 1. - P.56 - 58.

43. Альтщулер Л.В. Применение ударных волн в физике высоких давлений. // УФН. 1965. - Т.85. - №2. - С. 197 - 258.

44. Альтщулер Л.В., Трунин Р.Ф., Крупников К.К. и др. Взрывные лабораторные устройства для исследования сжатия веществ в ударных волнах. // УФН. 1996. - Т. 166. - №5. - С. 575 - 581.

45. Глушак Б. Л., Жарков А.П., Жерноклетов М.В. и др. Экспериментальное изучение динамики плотной плазмы металлов при высоких концентрациях энергии. // ЖЭТФ. 1989. -Т. 96.-вып. 4.-С. 1301-1318.

46. Кардиролы П., Кнопфель Г. Физика высоких плотностей энергии. М.: Мир, 1974.-484 с.

47. Анисимов С.И., Прохоров A.M., Фортов В.Е. Применение мощных лазеров для исследования вещества при сверхвысоких давлениях. // УФН. 1984. - Т. 142. - № 3. - С. 395.

48. Иногамов H.A. Анисимов С.И. Б. Ретфильд. Волна разрежения и гравитационное равновесие в двухфазной среде жидкость-пар //Журн. эксперим. и теор. физ., 1999, т. 115, с. 2091-2105.

49. Anisimov S. I. Inogamov N.A. Oparin A.M. Rethfeld В. Yabe Т. Ogawa M. Fortov V.E. Pulsed laser evaporation: equation-of-state effects // J.Appl. Phys A 68, 617-620 (1999)

50. Inogamov N.A. Oparin A.M. Shaposhnikov N.V. D. von der Linde J. Mayer-ter-Vehn Expansion of matter heated by ultrashot laser pulse// Jept letters Vol 69 Number 4 25 Feb. 1999

51. Baumung K., Karow H.U., Btuhm H.J., Hoppe P., et. al. // In: Int. Symp. on Heavy Ion Inertial Fusion. Frascati, Italy. 1993. V.106 A. №12, P.1771.

52. Baumung K, Bluhm H.J., Hoppe P., Karow H. U., et. al. // In. 19th Inter.Symp. on Shock Waves. Marseille. 1993. V.l. P.313.

53. Baumung K, Karow H.U., Rusch D.R., Bluhm H.J., et. al. // J. Appl. Phys. 1994. V.75. №12. P.7633.

54. Utkin A.V., Kanel G.I, Baumung K, Karow H.U, Rush D, Licht V. // In:High-Pressure Science & Technology- 1993. / Ed.: S.C.Schmidt, J.W.Shaner, G.A.Samara, M.Ross, AIP. Conf.Proc. 309. Part 2. New-York. 1994. P. 1891.

55. Utkin A.V, Kanel G.I, Razorenov S.V., Baumung K, Karow H.U. // In: FIZMET!94—The First National Conference on Problems of Physical Metrology. St.Petersburg. 1994. Session E. P.5.

56. Baumung K, Bluhm H.J, Hoppe P, Karow H. U, et. al. // In: BEAMS'94 Conf. USA. 1994.

57. Graham R.A, Asay J.R. Measurement of wave profiles in shock-loaded solids. // High Temperatures High Pressures. - 1978. - V.10. -P. 355 - 390.

58. Fuller J.A, Price J.H. Electrical conductivity of manganin and iron at high pressure. // Nature. 1962. - V.193. - № 4812. - P. 262.

59. Канель Г.И. Применение манганиновых датчиков для измерения давления ударного сжатия конденсированных сред. ВИНИТИ, № 477-74 Деп. 1974.

60. Мержанов А.Г., Барзыкин В.В., Гонтковская В.Т. Задача об очаговом тепловом взрыве. //ДАН СССР. 1963. Т. 148. С. 380 -388.

61. Степанов Г.В. Упруго-пластическое деформирование и разрушение материалов при импульсном нагружении. Киев: Наукова думка, 1991. С. 288

62. Иванов А.Г., Новиков С.А. Метод емкостного датчика для регистрации мгновенной скорости движущей поверхности. // Приборы и техника эксперим. 1963. - Т. 7. - № 1. - С. 135 - 138.

63. Детонационные волны в конденсированных средах. / Дремин А.Н., Савров С.Д., Трофимов B.C. и др. М.: Наука, 1970.

64. Вагкег L.M., Hollenbach R.E. // J. Appl. Phys. 1972. V.43. P.4669.

65. AsayJ.R., Barker L.M. //J. Appl. Phys. 1974. V.45. №6. P.3540.

66. Chhabildas L.C., AsayJ.R. / / J. Appl. Phys. 1979. V.50. №4. P.2749.

67. Bloomquist D.D., Sheffield S.A. // J. Appl. Phys. 1983. V.54. №4. p. 1717.

68. McMillan C.F., Goosman D.R., Parker N.L. et al. // Rev.Sci. Instrum. 1988.V.59. №1. P.l.

69. Богач A.A., Уткин A.B. Прочность воды при импульсном растяжении // Прикладная механика и техническая физика. 2000. Т.41, №4. С. 198-205.

70. Attila Imre, W. Alexander Van Hook. Liquid-liquid equilibria in polymer at negative pressure. Chemical Society Reviews, 1998, V. 27. P. 117-119

71. Хасаншин T.C., Щемелев А.П. Скорость звука в жидких н-алканах // Теплофизика высоких температур. 2001. Т.39, №1. С. 64-71.

72. Уткин А.В., Сосиков В.А., Богач А.А. Импульсное растяжение гексана и глицерина при ударно-волновом воздействии. ПМТФ. 2003. Т.44, № 2, С. 27-33.

73. R. Speedy Stability-Limit Conjecture. An Interpretation of the Properties of Water J. Phys. Chem. 1982, 86, 982-991

74. Henderson S.J. // J.Phys.Chem. 1987. V.91, N11, P. 3069.

75. Трунин Р.Ф., Гударенко Л.Ф., Жерноклетов M.B., Симаков Г.В. Экспериментальные данные по ударно-волновому сжатию и адиабатическому расширению конденсированных веществ. Саров: РФЯЦ-ВНИИЭФ, 2001

76. Уткин A.B., Сосиков В.А., Импульсное растяжение этилового спирта при ударно-волновом воздействии. ПМТФ. 2005. Т.46, № 4, С.29-38.

77. Baidakov V.G., Boltachev G.Sh., Chernykh G.G. Curvature corrections to surface tension. Phys. Rev E. 2004, 70, N1, 011603