Моделирование гетерогенной детонации газовзвесей с неполным сгоранием частиц тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.02.05, доктор физико-математических наук Хмель, Татьяна Алексеевна

  • Хмель, Татьяна Алексеевна
  • доктор физико-математических наукдоктор физико-математических наук
  • 2011, Новосибирск
  • Специальность ВАК РФ01.02.05
  • Количество страниц 318
Хмель, Татьяна Алексеевна. Моделирование гетерогенной детонации газовзвесей с неполным сгоранием частиц: дис. доктор физико-математических наук: 01.02.05 - Механика жидкости, газа и плазмы. Новосибирск. 2011. 318 с.

Оглавление диссертации доктор физико-математических наук Хмель, Татьяна Алексеевна

ГЛАВА 1 МАТЕМАТИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ИССЛЕДОВАНИЯ

ПРОЦЕССОВ ДЕТОНАЦИИ

§1.1 Подходы механики гетерогенных сред (МГС).

1.1.1. Основные гипотезы и допущения.

1.1.2. Уравнения МГС для описания динамики газовзвесей.

1.1.3. Уравнения стационарных бегущих волн.

§1.2 Равновесные модели МГС и принципы верификации.

1.2.1. Односкоростная двухтемпературная модель.

1.2.2. Односкоростная однотемпературная модель.

1.2.3. Принципы верификации моделей.

§ 1.3 Методы расчета течений газовзвесей на основе схем ТУГ).

1.3.1. Обзор методов расчета динамических процессов в газовзвесях.

1.3.2. Схема ТУБ для газовой фазы.

1.3.3. Схемы для расчета дискретной фазы.

§1.4 Схемы Т\Т) для равновесных моделей механики газовзвесей.

1.4.1. Модификация схем ТУТ) для односкоростной модели.

1.4.2. Модификация схем ТУГ) для равновесной модели.

§1.5 Применение технологии параллельных вычислений.

1.5.1. Распараллеливание по геометрическому принципу.

1.5.2. Определение эффективности распараллеливания.

Выводы по 1 Главе.

ГЛАВА 2 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ДЕТОНАЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ В УГОЛЬНЫХ ПЫЛЕВЗВЕСЯХ

§2.1 Вводные замечания.

§ 2.2 Математическая модель детонации частиц угля.

2.2.1. Описание детонационных течений в газоугольной взвеси.

2.2.2. Стационарные плоские детонационные волны.

2.2.3. Определение кинетических параметров и верификация модели.

§ 2.3 Структуры стационарных волн детонации.

§ 2.4 Ударно-волновое инициирование детонации.

§ 2.5 Расширенная модель детонации взвеси угольных частиц с учетом воспламенения.

§ 2.6 Анализ процесса воспламенения взвеси битуминизированного угля.

§ 2.7 Структуры гетерогенной детонации с учетом воспламенения.

2.7.1. Критерий перехода к реакции горения.

2.7.2. Структуры детонационных волн при учете воспламенения.

Выводы по 2 Главе.

ГЛАВА 3 ПЛОСКИЕ ВОЛНЫ ДЕТОНАЦИИ В ГАЗОВЗВЕСЯХ ЧАСТИЦ АЛЮМИНИЯ

§3.1. Физико-математическая модель детонации газовзвеси частиц алюминия в кислороде.

3.1.1. Моделирование горения частицы алюминия.

3.1.2. Моделирование стадии воспламенения.

3.1.3. Обоснование температурного критерия воспламенения.

§3.2. Структуры стационарных волн детонации в монодисперсных взвесях частиц алюминия.

3.2.1. Проблема выбора скорости нормальной детонации.

3.2.2. Структуры детонации в односкоростной модели.

3.2.3. Структуры детонации в двухскоростной модели.

§3.3. Устойчивость и нормальные режимы детонации.

3.3.1. Формулировка задачи о распространении детонационной волны с примыкающей волной разрежения.

3.3.2. Область существования режимов Чепмена-Жуге.

3.3.3. Область существования режимов с внутренней особой точкой.

3.3.4. Область существования режима с межзвуковым конечным состоянием (дисперсионный интервал параметров релаксации).

3.3.5. Нормальные режимы детонации.

§3.4. Ударно-волновое инициирование детонации.

3.4.1. Сценарии инициирования детонации при разрушении КВД.

3.4.2. Сценарии инициирования детонации в облаке частиц.

3.4.3. Критерии инициирования.

Выводы по 3 Главе.

ГЛАВА 4 ЯЧЕИСТАЯ ГЕТЕРОГЕННАЯ ДЕТОНАЦИЯ В МОНОДИСПЕРСНЫХ ВЗВЕСЯХ ЧАСТИЦ АЛЮМИНИЯ

§ 4.1. Вводные замечания и формулировка задачи.

4.1.1. Проблема определения масштабов ячеистой детонации.

4.1.2. Цели и задачи настоящего исследования.

4.1.3. Постановка задачи формирования ячеистой детонации в плоском канале в процессе ударно-волнового инициирования.

§ 4.2. Результаты численного моделирования ячеистой детонации.

4.2.1. Общие характеристики ячеистой гетерогенной детонации.

4.2.2. Влияние ширины расчетной области и параметров сетки.

4.2.3. Зависимость размера ячейки от диаметра частиц.

§ 4.3. Роль процессов релаксации в ячеистой детонации.

4.3.1. Оценка размера ячейки методами акустического анализа.

4.3.2 Связь между размером ячейки и масштабами релаксации.

§ 4.4 Ячеисто-подобные режимы в ограниченном облаке (слое) частиц в канале.

4.4.1. Формулировка задачи инициирования.

4.4.2. Пересжатая детонация при поддерживаемой УВ (Дг^сі).

4.4.3. Низкоскоростная детонация при поддерживаемой УВ (д><а:,ї).

4.4.4. Инициирование и распространение детонации при взрывной УВ.

4.4.5. Диспергирование частиц.

Выводы по 4 Главе.

ГЛАВА 5 РАСПРОСТРАНЕНИЕ ГЕТЕРОГЕННОЙ ДЕТОНАЦИИ В УСЛОВИЯХ ИЗМЕНЯЮЩЕЙСЯ ГЕОМЕТРИИ

§5.1. Введение и обзор исследований по проблеме.

§5.2. Дифракция плоской волны детонации на обратном уступе.

5.2.1. Формулировка задачи.

5.2.2. Закритический режим распространения детонации.

5.2.3. Докритический режим.

5.2.4. Критический режим распространения.

5.2.5. Влияние ширины канала и размера частиц на режимы.

§5.3. Дифракция ячеистой детонации на обратном уступе.

5.3.1. Режимы с сохранением детонации.

5.3.2. Режимы при малом числе ячеек в канале.

5.3.3. Критические условия распространения.

§5.4. Распространение детонации в каналах с внезапным расширением.

5.4.1. Перестройка поперечных волн ячеистой детонации.

5.4.2. Ре-инициирование детонации в докритических режимах.

Выводы по Главе 5.

ГЛАВА 6 ОСОБЕННОСТИ ДЕТОНАЦИОННЫХ ТЕЧЕНИЙ

В ПОЛИДИСПЕРСНЫХ ГАЗОВЗВЕСЯХ

§6.1. Введение.

§6.2*. Стационарные структуры детонации в бидисперсных взвесях.

6.2.1. Постановка задачи.

6.2.2. Стационарные структуры неидеальной детонации.

6.2.3. Сопряжение стационарной структуры с волной разрежения.

6.2.4. Формирование р -слоев.

§6.3. Инициирование детонации в бидисперсных взвесях.

6.3.1. Инициирование в поддерживаемых УВ.

6.3.2. Инициирование во взрывных УВ.

6.3.3. Двух-фронтовые структуры гетерогенной детонации.

§6.4. Особенности ячеистой детонации в бидисперсных взвесях.

6.4.1. Формулировка задачи.

6.4.2. Свойства ячеистой детонации в бидисперсных взвесях.

6.4.3. Полное вырождение ячеистой детонации.

§6.5. Ячеистая детонация в трех- и пяти-фракционных взвесях.

6.5.1. Проявление свойств вырождения.

6.5.2. Полное вырождение ячеек в полидисперсных взвесях.

6.5.3. Распространение детонации в полидисперсных взвесях в канале с разрывом сечения.

§6.6 Подтверждение и обоснование свойств вырождения.

6.6.1. Экспериментальные подтверждения.'.

6.6.2. Обоснование свойств вырождения ячеистой детонации методами акустического анализа структур бидисперсных взвесей.

6.6.3. Теоретическое обоснование критерия полного вырождения ячеистой детонации в полидисперсных взвесях.:.

Выводы по Главе 6.

Рекомендованный список диссертаций по специальности «Механика жидкости, газа и плазмы», 01.02.05 шифр ВАК

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Моделирование гетерогенной детонации газовзвесей с неполным сгоранием частиц»

Пылевзвеси представляют собой смеси газа и множества твердых частиц, размеры которых составляют от десятков нанометров до миллиметров. Скопления частиц существуют в природе (где находятся обычно в насыпном состоянии благодаря гравитации), а также являются продуктом человеческой деятельности (порошки, волокна, гранулы, отходы при обработке материалов и т.д.). Под действием внешних условий (движение воздуха, движение поверхности, удары и т.д.) возможен переход частиц во взвешенное состояние и образование смесей газа и частиц (пылевзвесей). Наиболее характерным является формирование и длительное существование облаков мелких частиц (до 100 мкм).

Формирование пылевзвесей в промышленных условиях происходит в угольных шахтах, на предприятиях химической, пищевой, фармацевтической, текстильной, деревообрабатывающей, металлообрабатывающей и других отраслей промышленности, связанных с производством порошков и применением порошковых технологий. С развитием нанотехнологий расширяется сфера применения ультрадисперсных частиц (с1<1 мкм). Благодаря особым поверхностным свойствам дисперсных и ультрадисперсных материалов порошки, гранулы и пудры находят широкое применение в энергетике, строительстве, атомной промышленности, космической, военной технике и других сферах. В частности, порошки алюминия, характеризующиеся высокой энергоемкостью, входят в состав ряда взрывчатых веществ и ракетных топлив, применяются в химической промышленности, в порошковой металлургии, лакокрасочной, строительной отраслях, в качестве добавок при изготовлении пластмасс, керамики. Порошковый алюминий может образовываться и в качестве побочного продукта при обработке и изготовлении изделий из алюминия.

Производство и использование порошков металлов или частиц органического происхождения нередко сопряжено с опасностью их воспламенения и развития неконтролируемых взрывных процессов, приводящим к катастрофическим последствиям [1, 2, 3]. Наиболее распространенными среди пылевых взрывов являются инициированные воспламенением и горением метана взрывы угольной пыли в шахтах. В Китае более половины всех пылевых взрывов составляют взрывы угольных (34%) и металлических (17%) пыл ей [4] (только в 2004 г в угольных шахтах погибли более 6 тыс. человек). Взрывы и пожары в шахтах России унесли за последние 5 лет жизни более 300 человек: 10.04.2004 г., шахта «Тайжина» Кемеровской обл. (погибших 47); 28.10.2004, «Листвяжная» (13); 9.02.2005, «Есаульская» (25); 7.09.2006, «Центральная» Читинской обл. (25); 19.03.2007, «Ульяновская» (110); 24.05.2007, «Юбилейная» (39); 23.12.2009, «Естюнинская» Свердловской обл. (9). Недавняя катастрофа (8 мая 2010 года, шахта «Распадекая» Кемеровской области, 72 погибших, 19 числятся пропавшими без вести) характеризуется первичным взрывом метана и последующим через 4 часа намного более мощным взрывом, в который была вовлечена угольная пыль. Горение угольных пластов продолжалось несколько месяцев [5]. Из металлических взрывоопасных порошков наиболее широко применяется или образуется в ходе технологических процессов в промышленности алюминиевая пудра. Наиболее крупные инциденты, связанные с взрывами на алюминиевых предприятиях: июль 1999 г., США, штат Луизиана, серия взрывов на территории завода по производству алюминия (19 пострадавших) [6]; 29 октября 2003 г., США, штат Индиана, взрыв на заводе алюминиевых колес, по данным комиссии обусловленный воспламенением алюминиевой пыли, образующейся в процессе обработки (1 погиб, несколько пострадавших) [7]; 2 февраля 2010 г. в г. Шелехов Иркутской обл., взрыв алюминиевого порошка на заводе порошковой металлургии «СУАЛ-ПМ», входящем в холдинг «РУС А Л» (1 погиб, 2 пострадавших, цех расфасовки 700 м2 выгорел полностью и не подлежит восстановлению) [8].

Приведенные данные свидетельствуют, что проблемы прогнозирования и предотвращения взрывных явлений в дисперсных средах, а также сопутствующие проблемы уменьшения вредных последствий их воздействия на людей и окружающую среду, еще далеки от полного решения. Недостаток фундаментальных знаний- о физических процессах, обусловливающих возбуждение взрывных и детонационных волн в пылевых облаках, а также о режимах их распространения в. различных условиях ограничивает решение прикладных задач1 и. разработку адекватных-, 1 современным технологическим условиям технических регламентов.

• Взрывные явления в облаках пылевзвесей почти- всегда характеризуются развитием детонационных и детонационно-подобных процессов. Под детонацией понимается самоподдерживающееся сверхзвуковое распространение1 фронта горения, сопровождаемого ударной волной. К гетерогенной детонации пылевзвесей (газовзвесей твердых частиц) относят детонацию, поддерживаемую реакциями горения г частиц; в среде окислительного газа (воздух, кислород и др.). Отметим, что* газовзвеси частиц алюминия и угольной, пыл и* характеризуются, неполным I сгоранием частиц; что обусловлено наличием' инертной компоненты в частицах.

Предметом исследования настоящей, диссертации является -определение условий формирования и процессов распространения гетерогенной- детонации в газовзвесях с неполным сгоранием частиц-(алюминия и- угольной пыли) на основе математического и численного моделирования одномерных и двумерных нестационарных течений в рамках моделей механики реагирующих гетерогенных сред.

Систематические и широкомасштабные экспериментальные и теоретические исследования взрывных и детонационных явлений в пылевзвесях проводятся с середины прошлого века. Характерные особенности детонационных процессов, такие как большие динамические нагрузки, высокие скорости протекания, комплексные волновые картины течений, резкие изменения параметров течения во времени и в пространстве, множественность и значительное (на порядки) различие характерных временных и пространственных масштабов, делают затруднительным их изучение методами экспериментального наблюдения. Соответствующие установки и оборудование требуют весьма сложного устройства и существенных затрат для проведения испытаний. В связи с этим экспериментальные исследования детонации проводятся, как правило, в крупных научных или учебных центрах. В последние десятилетия проводилось накопление экспериментальной информации о детонационных процессах во взвесях угольной и органических пылей (частиц муки, крахмала и др.), а также мелких частиц металлов. При этом полученная информация не является исчерпывающей и во многом противоречива, что требует тщательного теоретического анализа, подкрепленного численными расчетами.

Перечислим научные центры и некоторых исследователей, которые внесли большой вклад в понимание детонационных процессов в гетерогенных средах. В России это НИИ Механики МГУ (В.А. Левин, В.В. Марков, Ю.В. Туник), Математический институт им. Стеклова (В .П. Коробейников), Институт химической физики им. Семенова (Б.Е. Гельфанд, С.А. Цыганов, С.М. Фролов, Б.А. Хасаинов), Московский Инженерно-физический институт (A.A. Борисов, С.М. Когарко), Новосибирский научный центр: Институт гидродинамики СО РАН (В.В. Митрофанов, С.А. Ждан, A.B. Пинаев и др.), Институт теоретической и прикладной механики СО РАН (В.М. Фомин, A.B. Федоров и др.),

Карагандинский ГТУ (A.M. Чеховских и др.). Из зарубежных центров следует отметить Warsaw University of Technology (P. Wolanski, R. Klemens), Польша; Poitier ENSMA (B. Veyssiere), Франция; University of Bergen (R. Eckoff), Норвегия; University of Michigan (S.W. Kauffman, M. Sichel), University of California (A.K. Oppenheim), Chicago IIT Research Institute (A. Tulis, J.R. Selman), Ohio State University (W.A. Strauss) США; Surrey Central Electricity Research Laboratories (M. Nettleton, R. Stirling), University of Wales (D. Edwards), Великобритания; Aachen Shock Wave Laboratory (H. Gronig, A. van de Ven), Германия; Combustion Dynamics Ltd (F. Zhang), Канада; Beijing Institute of Technology (Y.K. Pu), Китай; Tokyo Aoyama Gakuin University (K. Hayashi), The University of Tokyo (N. Tsuboi), Япония.

Теоретический анализ динамических процессов в пылевзвесях базируется на известных законах сохранения механики гетерогенных сред, сформулированных в работах Х.А. Рахматулина, Р.И. Нигматулина и получивших развитие в трудах Р.И. Солоухина, В.М. Фомина, В.А. Левина, В.П. Коробейникова, В.В. Митрофанова, В.Е. Накорякова,

A.Г. Кутушева, А.В. Федорова и других авторов. Применительно к динамическим процессам в реагирующих дисперсных средах наиболее адекватными в настоящее время считаются подходы с описанием химических взаимодействий на основе верифицированных по экспериментальным данным моделей приведенной кинетики. Такие модели развиты в работах В.М. Фомина, В.А. Левина, Ю.В. Туника,

B.В. Маркова, В.П. Коробейникова, Б.А. Хасаинова, Б. Вейсьера, Н.Н. Смирнова, А.В. Федорова, С.А. Ждана и ряда других авторов.

Развитие вычислительной техники и методов расчетов ударно-волновых и детонационных течений привело к качественно новому пониманию роли численного эксперимента. Численное моделирование превратилось из вспомогательного в один из основных инструментов исследования динамических процессов в газах и газовзвесях, включая моделирование детонационных течений. Развитые численные технологии позволяют получать и визуализировать детальные двух- и трехмерные картины течений, выявлять как локальные особенности, так и интегральные свойства протекающих процессов, что позволяет вскрыть физические механизмы процессов и найти объяснения наблюдаемым экспериментально эффектам. Обзор наиболее распространенных численных методов, включающий работы отечественных и зарубежных авторов, приведен в Главе 1.

Методы исследования. Представленные в настоящей диссертации результаты получены методами математического и численного моделирования в рамках развитых и верифицированных по известным экспериментальным данным полуэмпирических моделей механики реагирующих гетерогенных сред на основе оригинальных численных технологий.

Актуальность и практическая значимость. Теоретические исследования и численное моделирование процессов идеальной и неидеальной детонации в пылевзвесях частиц алюминия и угольной пыли с целью получения фундаментальных знаний о специфических свойствах детонации в данных средах являются актуальными. Эти знания могут служить основой для прикладных исследований, связанных с проблемами прогнозирования, подавления и снижения разрушительных последствий взрывов в шахтах и запыленных объемах промышленных производств, а также поиска способов управления детонационными процессами с целью разработки и применения детонационных технологий.

Одно из возможных приложений явления детонации связано с созданием устройств реактивной тяги. Разработка научных основ функционирования детонационных двигателей проводится в последние годы очень интенсивно [9, 10, 11, 12]. В силу уникальных физических свойств и благодаря высокой энергетической способности при химических взаимодействиях мелкодисперсные и ультрадисперсные порошки алюминия имеют широкие перспективы применения как добавки к горючим газовым смесям или в смеси с окислителем в качестве рабочих сред.

Детонационные процессы в пылевзвесях частиц алюминия и угольной пыли имеют специфические отличительные особенности относительно большинства других взвесей (органической пыли, муки, частиц унитарного топлива и др.). Как частицы угля, так и частицы алюминия характеризуются свойством неполного сгорания, обусловленного в первую очередь наличием инертной компоненты в частицах изначально (зольного остатка в угольных частицах и оксидной пленки в частице алюминия), а также при определенных условиях недостатком окислителя. Кроме того, при горении частиц алюминия возможно накопление продуктов окисления алюминия на поверхности частицы или образование новых твердых частиц оксида алюминия [13, 14]. Ввиду участия инертной составляющей в релаксационных процессах одновременно с горением частиц детонация в газовзвесях угольной и алюминиевой пыли может быть неидеальной [15]. Указанные выше физические факторы, препятствующие полному сгоранию' частиц, ограничивают возможности применения термодинамических моделей, предполагающих термодинамическое равновесие продуктов детонации. Соответственно, теоретические подходы для описания детонационных процессов в угольных и алюминиевых пылевзвесях базируются на развитии и применении различных полуэмпирических моделей.

При отношении к детонации как к нежелательному или желательному явлению, первоочередными задачами являются определение условий и характеристик возбуждения и развития детонационных волн, режимов самоподдерживающегося распространения, особенностей взаимодействия с твердыми поверхностями, демпфирования и гашения. К этим проблемам близко примыкают задачи, связанные с формированием облаков пылевзвесей [16], воспламенением частиц в высокоскоростных высокотемпературных потоках газа. Особое внимание уделяется выявлению характерных особенностей гетерогенной детонации, обусловленных влиянием релаксационных процессов межфазного взаимодействия, относительно аналогичных процессов в гомогенных газовых средах.

Состояние вопроса о гетерогенной детонации взвесей частиц угольной пыли или алюминия.

Уголь. Экспериментальные наблюдения гетерогенной детонации угольной пыли в окислительной среде (воздухе или- кислороде) проводились в [17, 18, 19]. Зависимости измеренной скорости стационарной детонации от начальной концентрации частиц для двух типов частиц угольной пыли с различным содержанием летучих, диаметром 25 мкм и 50 мкм1 приведены в [18].' Теоретически распространение волн гетерогенной детонации угольной пыли почти не исследовалось (некоторые механизмы распространения обсуждались в [20]), хотя в литературе имеется большое число работ, посвященных горению угольных частиц в волнах газовой детонации (как правило, метановоздушных смесях [21, 22, 23]). Таким образом, явление гетерогенной детонации угольной взвеси в воздухе и кислороде не изучено и требует соответствующего теоретического анализа.

Алюминий. Экспериментальные исследования детонации взвесей алюминиевых частиц проводятся с конца 60 годов прошлого столетия. Данные по гетерогенной детонации взвесей алюминия в воздухе и кислороде представлены в работах В.А. Страусса [24], А. Тулиса [25, 26, 27], Б. Вейсьера [31, 32], Ф. Занга [33, 34], Й. Пу [36] и др. Результаты исследований [24-36] свидетельствуют о возможности самоподдерживающихся режимов сверхзвукового горения, как в смесях горючих газов с добавками частиц алюминия [28, 29, 30], так и в смесях частиц с окисляющим газом (воздухом или кислородом). Обзоры работ по проблемам детонации в газовзвесях твердых частиц, в которых затронуты вопросы гетерогенной детонации взвесей частиц алюминия, можно найти в [35, 37, 38]. Новые экспериментальные данные получены в недавних работах [39, 40]. В Таблице В.1 представлены данные по характеристикам экспериментальных установок и данные измерений основных параметров детонации, полученных в экспериментах [24, 25, 26, 27, 31, 32, 33, 34, 35, 39, 40]. Для кислородных взвесей частиц алюминия наиболее достоверными считаются данные экспериментов В.А. Страусса [24].

Воздушные взвеси частиц алюминия экспериментально исследовались в работах А.Дж. Тулиса [25, 26, 27]. Большой разброс в измеренных значениях скорости детонации от 1900 м/сек в [25] до 1.65 км/сек и 1.35 км/сек (для сферических частиц) в [26], а также периодические колебания скорости не позволяют считать наблюдаемые режимы стационарными [31]. (В [31] утверждалось, что наблюдаемые Тулисом режимы представляли собой детонацию типа «галопирующей», т.к. на основе численных расчетов было показано, что энергия инициатора (3 г ВВ гексогена или тетрила) была недостаточной для инициирования данной взвеси.)

В работе A.A. Борисова, Б.А. Хасаинова, Б. Вейссьера и др. [31] проведено обширное экспериментально-теоретическое исследование детонации воздушных взвесей частиц алюминия в трубах различных диаметров и открытом объеме для порошков 4-х видов (хлопья и сферические частицы 1 мкм, 13 мкм и 33 мкм). Полученные из термодинамических расчетов значения скорости детонации превышают зарегистрированные в экспериментах [31] и ряде других [25, 26, 27], что предположительно объясняется присутствием несгоревших крупных частиц, что не учитывалось в расчетах. Для взвесей частиц 11-17 мкм и'ЗЗ мкм не удалось получить детонацию ни в одной из труб. Указано слабое влияние концентрации частиц на скорость детонации в воздухе, что подтверждено термодинамическими расчетами (к кислородным взвесям это не относится).

Для кислородных взвесей частиц 3.5 мкм (возбуждение сферической детонации в цилиндрической камере 0.7 м диаметром и 1 м высотой при 125 г ВВ) в [31] не были получены самоподдерживающиеся режимы, возможно, ввиду недостаточного объема камеры. Смеси частиц 13 мкм в объеме не детонировали. Позже в [32] для частиц 3.5 мкм и хлопьевидных частиц 1мкм><25 мкм сферическая детонация была получена (при 150 г ВВ), значения скорости также ниже термодинамических на 100-200 м/с. В одном из экспериментов обнаружены признаки ячеистой детонации (скорость детонации 1650 м/сек, ячеисто-подобные структуры размером 5 - 10 см).

В работах Ф. Занга [33, 34, 35] приводятся данные экспериментов по детонации в трубах различных пылевзвесей в воздухе, в том числе и частиц алюминия. В [33] для хлопьев 1мкмх36мкм наблюдался спиновый характер детонации, размер ячейки оценивается как 0.4 м, скорости согласуются с [31]. Профили давления показывают более слабые поперечные волны и вырожденный характер ячеистой структуры, чем во взвесях антрахинона. При переходе дефлаграции в детонацию (DDT) регистрируются более высокие скорости, до 2000 м/с ([34], [35], [36]). Наиболее вероятно, что в процессе ДДТ формируется пересжатая детонация в концевой части трубы, которая не успевает выйти на стационарный режим [32]. Новые данные по DDT в взвесях 100 нм и 2.5 мкм частиц приведены в [39]. В узких трубах (диаметром 0.4 — 0.5 от минимального для спиновой детонации) наблюдался режим квазистационарного распространения фронта с дефицитом скорости до

40%. В экспериментах по возбуждению неограниченной детонации в облаке алюминия в воздухе [40] средняя скорость детонации составила 1460-1500 м/с, размер детонационной ячейки (в согласии с периодом колебания давления) - около 0.6 м, т.е. больше, чем при спиновой детонации в трубе [34].

Таким образом, большая часть наблюдаемых детонационных процессов трактуется как переходные режимы (ввиду недостаточности размеров установки, ограниченности размера облака, условий инициирования и т.д.). Достоверно установлена детонационная способность взвесей частиц алюминия размером до 10 мкм, а также существование спиновой (ячеистой) детонации, которая, с большой вероятностью, имеет вырожденный характер (сниженная амплитуда пульсаций в сравнении с газовой детонацией). Достоверными данными по скорости самоподдерживающейся детонации можно считать 1560 м/сек для стехиометрических взвесей в кислороде [18] и около 1700 м/сек для взвесей в воздухе [31, 33].

Первые теоретические исследования воспламенения и горения в газовзвесях мелких частиц металла и органического топлива в применении к гетерогенной детонации проводились одновременно в ИТПМ СО РАН [41, 42, 43, 44] и НИИ Механики МГУ [45, 46]. Работы [41, 42, 43, 44] касаются одномерных стационарных и некоторых приближенных нестационарных решений. В [41] выписаны общие уравнения для описания процессов воспламенения, горения и детонации газовзвесей реакционноспособных частиц и для кислородных взвесей решены задачи о горении угольных частиц за ударными волнами и о скорости стационарной детонации взвесей частиц алюминия. В [42] предложена простая модель приведенной кинетики горения взвеси частиц алюминия, и проведен качественный анализ стационарных решений детонации, однако, ограниченный рамками скоростного равновесия. Некоторые решения для стационарных структур ДВ и их распространения получены в [43], в [44] для предельного случая мгновенной реакции решена задача инициирования детонации.

В [45] выполнено описание воспламенения и горения частиц алюминия за ударными и детонационными волнами в газах. В [46] представлена детальная модель детонационного горения взвеси алюминиевой пыли, принимающая во внимание плавление частиц, реакцию низкотемпературного окисления алюминия, а также кинетический механизм образования зародышей конденсированного окисла. Исследование воспламенения взвеси алюминия в детонационной волне гомогенной смеси ацетилена с кислородом позволило получить качественное подтверждение существования двухфронтовых режимов, наблюдаемых экспериментально в [29], однако режимы самоподдерживающейся гетерогенной детонации не исследовались.

В работе, выполненной в ИХФ РАН [31] представлены данные как термодинамических расчетов параметров детонации воздушных и кислородных взвесей частиц алюминия, так и относительно стационарных структур ЗНД воздушных взвесей частиц алюминия. Использовалась модель, развитая*для описания гибридной детонации в смесях горючих газов с добавками частиц алюминия [47]. Обсуждается роль крупных частиц (либо изначально присущих в некотором количестве, либо образующихся в процессе агломерации) на полноту сгорания алюминия и параметры детонации, а также роль формы частиц. Термодинамические значения скорости детонации согласуются с термодинамическими расчетами, проведенными в [25, 26, 27], однако несколько превышают (примерно на 5-10%) скорости детонации, наблюдаемые в экспериментах.

В [32] на основе модели [48] проводились одномерные расчеты сферической детонации в газовзвесях частиц алюминия размером 13 мкм и 3.5 мкм в кислороде. Для 13 мкм подтвержден срыв детонации [31], для 3.5 мкм - выход на самоподдерживающийся режим [32]. Однако расчетные значения температур в зоне реакции в [32] много больше полученных в [31], что связано, по-видимому, с игнорированием в [32] эндотермического разложения оксида алюминия на, субокислы, при температурах, превышающих 3500 К [31].

Подавляющая часть теоретических исследований ограничена рассмотрением одномерных течений. Однако; экспериментальные: данные свидетельствуют, что; распространение: гетерогенной детонации может иметь, характер спиновой или ячеистой детонации; Исследование таких режимов, а также вопросов- распространения- детонации в условиях изменяемой; и комбинированной геометрии требует рассмотрения многомерных нестационарных течений: Подобные исследования по гетерогенной детонации пылевзвесей представлены единичными работами. В [51] проводилось численное моделирование.двумерных течений в канале для бедных взвесей частиц в кислороде (300 г/м3) (за основу была принята полуэмпирическая модель [47]). Результаты- подтвердили, возможность распространения в режиме ячеистой детонации. Размер детонационной ячейки определен 6 см; для частиц 3.5 мкм и переходной режи.м с изменением размера ячейки от Г см до 1.4 см получен для частиц 1 мкм. Зависимость размера ячейки от дисперсности взвеси (размера частиц) не анализировалась.

Практически не изучались проблемы дифракции, волн гетерогенной детонации на угловых конфигурациях, и распространения в условиях изменяющейся; ■ геометрии. Поскольку детонационные структуры; в пылевзвесях характеризуются наличием зон дополнительного тепловыделения и теплопоглощения, связанных с процессами скоростной и тепловой релаксации, то характеристики и критерии распространения гетерогенной? детонации существенно1 отличаются от детонации; в; газах. Первый шаг в этом направлении сделан.в работах А.Г. Кутушева [53, 54], где рассмотрена задача о распространении пылевой детонации в трубах с расширением, хотя параметрический анализ влияния геометрии трубы и размера частиц на критические условия распространения не проводился.

Также открытым является вопрос о роли полидисперсности в детонационных процессах, поскольку реальные порошки всегда характеризуются разбросом в размерах частиц. Первые попытки анализа процессов инициирования и распространения плоских ударных и детонационных волн в полидисперсных взвесях также были сделаны в работах А.Г. Кутушева [55, 56, 57]. Для одних и тех же смесей получены разные значения «среднего» размера частиц для ударно-волновых и-для детонационных процессов, что указывает на значительную роль фракционного состава. Режимы ячеистой детонации в полидисперсных взвесях теоретически не исследовались.

Цели и задачи диссертации.

Основной целью настоящего исследования является получение целостной картины явления гетерогенной детонации в газовзвесях угольной пыли и частиц алюминия на основе теоретического анализа и обобщения результатов численного моделирования одномерных и двумерных нестационарных течений.

При этом основными задачами являются:

1) развитие и совершенствование приведенных физико-математических моделей детонации газовзвесей частиц угольной пыли и частиц алюминия, в том числе на основе анализа процессов воспламенения частиц в динамических условиях и их верификация по известным экспериментальным данным;

2) отработка численных технологий, основанных на применении современных методов численного моделирования: схем класса ТУТ) (включая их модификации соответственно иерархии моделей механики гетерогенных сред), а также параллельных вычислений для расчета многомерных течений реагирующих сред типа газ -частицы;

3) построение теории Зельдовича-Неймана-Дюринга неидеальной детонации газовзвесей с неполным сгоранием частиц, классификация режимов, определение устойчивости, получение новых данных о нестационарных процессах и критериях инициирования плоских волн идеальной и неидеальной детонации газовзвесей частиц угольной пыли и частиц алюминия;

4) определение свойств и характеристик режимов ячеистой гетерогенной детонации взвесей частиц алюминия, установление корреляционных зависимостей размера ячейки от характерных геометрических масштабов детонационных структур, определение роли релаксационных процессов в ячеистой детонаций;

5) определение особенностей дифракции гетерогенной детонации на угловых конфигурациях и распространения в условиях изменяющейся геометрии, выявление в данных процессах отличительных свойств, обусловленных влиянием межфазного взаимодействия, относительно аналогичных процессов газовой детонации;

6) определение свойств течений плоской и ячеистой детонации в полидисперсных взвесях, анализ влияния фракционного состава смеси на характеристики распространения и критерии инициирования.

Содержание работы.

Похожие диссертационные работы по специальности «Механика жидкости, газа и плазмы», 01.02.05 шифр ВАК

Заключение диссертации по теме «Механика жидкости, газа и плазмы», Хмель, Татьяна Алексеевна

Выводы по ГЛАВЕ 6

На моделях би-дисперсных и много-фракционных взвесей частиц алюминия в кислороде методами численного моделирования и теоретического анализа установлены следующие свойства плоской и ячеистой детонации полидисперсных взвесей:

• Разработана теория ЗНД неидеальной детонации бидисперсных взвесей, включающая предельные переходы к структурам монодисперсных взвесей. Установлены особенности детонационных структур в зависимости от фракционного состава: двойного р -слоя, максимумов давления.

• Установлены характеристические свойства инициирования детонации в би-дисперсных взвесях, в частности возможность «комбинированного» сценария, обладающего свойствами «жесткого» и «мягкого» инициирования в мелкой и крупной фракциях с образованием переходных двухфронтовых структур; определены критериальные зависимости критических чисел Маха поддерживаемых УВ и энергии инициирования сильных взрывных УВ от параметра насыщенности.

• Установлены свойства ячеистой детонации полидисперсных взвесей: размер детонационной ячейки соответствует размеру частиц доминирующей фракции; размер ячейки бидисперсной взвеси монотонно убывает с ростом параметра насыщенности мелкой фракции.

• На основе результатов численного моделирования установлено свойство вырождения ячеистой детонации в полидисперсных взвесях, которое не связано со сценариями формирования ячеистой детонации и проявляется в спрямлении фронта, ослаблении поперечных волн и снижении амплитуды пульсаций в течении. Дано физическое объяснение вырождения ячеистой детонации в экспериментах.

• Установлено, что при значительной дисперсии в распределении частиц по размерам возможно полное вырождение ячеистой детонации: устойчивое распространение фронта плоской детонации без образования поперечных волн. Установлены критерии полного вырождения для ряда би-дисперсных взвесей, получен совпадающий критерий (максимальное значение доли средней фракции 0.4) для трех- и пяти-фракционных взвесей с симметричной функцией распределения частиц по размерам. Дано теоретическое обоснование и подтверждение свойств частичного и полного вырождения ячеистой детонации на основе методов акустического анализа.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Представленные в настоящей диссертации оригинальные результаты в достаточной степени раскрывают картину явления гетерогенной детонации в монодисперсных и полидисперсных газовзвесях с неполным сгоранием частиц (взвесях частиц угольной пыли и взвесях частиц алюминия), включая особенности структуры, распространения, устойчивости и инициирования плоских волн, течения ячеистой детонации, проблемы-дифракции и распространения в- каналах изменяемой геометрии.

В том числе:

• Развита физико-математическая модель гетерогенной детонации газовзвесей угольной пыли, определены характеристики плоских волн детонации и особенности гомогенно-гетерогенного воспламенения взвесей битуминизированного угля в ударно-волновых и детонационных процессах.

• В рамках модифицированной модели детонации газовзвесей частиц алюминия в кислороде проведен систематический анализ влияния релаксационных процессов на типы течений неидеальной детонации, построены карты решений в пространстве параметров релаксации, определена устойчивость этих режимов.

• Определены свойства ячеистой детонации монодисперсных взвесей частиц алюминия в кислороде и степенные зависимости размера ячейки от диаметра частиц с показателем 1.6. Установлено влияние релаксационных процессов на ячеистые структуры.

• В задачах дифракции показано и теоретически обосновано трехкратное относительно газов снижение критического числа ячеек при выходе детонации в открытое пространство, что обусловлено отличиями в механизмах воспламенения.

• Определено влияние полидисперсности смеси на характеристики детонации. Установлено и описано свойство вырождения ячеистой детонации, что позволило дать объяснение наблюдаемым в экспериментах эффектам ослабления пульсаций параметров. Получен критерий полного вырождения ячеистой детонации в устойчиво распространяющуюся плоскую волну детонации.

В целом работа представляет собой комплексное решение ряда фундаментальных научных проблем в современной области знаний-механики реагирующих гетерогенных сред, которые в совокупности могут квалифицироваться как развитие научного направления - гетерогенной, детонации газовзвесей с неполным сгоранием частиц.

Научная новизна.

1. Впервые разработана физико-математическая модель гетерогенной детонации газовзвесей угольной пыли и определены характеристики плоских волн ЗНД. Установлено существенное влияние процесса скоростной релаксации фаз на выделение летучих из поверхностного слоя частиц, что обусловливает аномально быстрое воспламенение взвесей угольных частиц в ударных и детонационных волнах относительно статических условий нагрева, в том числе за отраженными ударными волнами.

2. Впервые в рамках модифицированной модели детонации газовзвесей частиц алюминия в кислороде проведен систематический анализ влияния релаксационных процессов на типы течений неидеальной детонации ЗНД (Чемпена-Жуге, недосжатых, пересжатых), получены критерии существования р-слоев для реагирующих сред, построены карты решений в пространстве параметров релаксации. Установлена устойчивость режимов относительно малых и конечных одномерных возмущений и сопряжения с волнами разрежения.

3. Предложен, тестирован и реализован в численных расчетах одномерных и двумерных нестационарных течений реагирующих газовзвесей конечно-разностный метод, сочетающий схему Т\Т) для газа и Джентри-Мартина-Дэйли для дискретной фазы; обоснована существенно более высокая эффективность метода в сравнении с применяемыми ранее; получены и тестированы модификации схемы ТУТ) для иерархии моделей механики газовзвесей.

4. Впервые методами численного моделирования определены зависимости размера детонационной ячейки, от диаметра частиц газовзвеси алюминия в кислороде и предложена аппроксимация в виде степенной функции с показателем 1.6. Установлено существенное1 влияние протекающих в смеси релаксационных процессов на ячеистые структуры гетерогенной детонации.

5. Теоретически предсказано значительное снижение критического числа ячеек при выходе детонации в открытое пространство по сравнению с газовой, детонацией' и дано физическое обоснование, состоящее в принципиальных отличиях механизмов воспламенения взвесей частиц в ударных и детонационных волнах от индукции воспламенения в газах, обусловленных влиянием процессов тепловой и скоростной релаксации на. воспламенение частиц.

6. Впервые методами- численного моделирования и акустического анализа продемонстрирована, и обоснована возможность вырождения ячеистой детонации в полидисперсных взвесях. Определены характерные свойства частичного вырождения: ослабление амплитуды пульсаций, уменьшение пиковых давлений, спрямление фронта. Установлены критерии полного- вырождения ячеистой детонации в устойчиво распространяющуюся плоскую волну. Дана теоретическая интерпретация наблюдаемому в экспериментах ослаблению пульсаций ячеистой детонации при использовании полидисперсного порошка алюминия.

Основные положения, выносимые на защиту:

Верифицированная по экспериментальным данным физико-математическая модель гетерогенной детонации газовзвесей угольной пыли и результаты исследования механизмов воспламенения и процессов детонации пылевзвесей битуминизированного угля.

Теория неидеальной детонации взвесей частиц алюминия в кислороде, включающая анализ типов течений, карты режимов, критерии-, результаты анализа устойчивости.

Численная технология расчета двумерных течений реагирующих двухфазных сред типа газ-частицы, основанная на применении схемы ТУЕ)-Джентри-Мартина-Дэйли и модификаций схемы ТУБ для иерархии моделей механики гетерогенных сред в сочетании с процедурой распараллеливания.

Результаты численного моделирования и акустического анализа ячеистой детонации в газовзвесях частиц алюминия в кислороде:

- в монодисперсных взвесях позволившие установить влияние всех релаксационных процессов на характеристики ячеистой детонации и степенную зависимость размера ячейки от диаметра частиц с показателем 1.6;

- в полидисперсных взвесях описывающие и обосновывающие свойства частичного или полного вырождения ячеек, критерий полного вырождения, теоретическое объяснение эффекта, наблюдаемого в экспериментах Ф.Занга.

Результаты численного моделирования процессов дифракции гетерогенной детонации в газовзвеси частиц алюминия на обратном уступе, описание и карта режимов, критические условия распространения, обоснование многократного снижения критического числа ячеек в сравнении с газовой детонацией.

Обратите внимание, представленные выше научные тексты размещены для ознакомления и получены посредством распознавания оригинальных текстов диссертаций (OCR). В связи с чем, в них могут содержаться ошибки, связанные с несовершенством алгоритмов распознавания. В PDF файлах диссертаций и авторефератов, которые мы доставляем, подобных ошибок нет.