Численное моделирование взрывного и ударно-волнового воздействия на реагирующие пористые смеси на основе многокомпонентной модели среды

СОДЕРЖАНИЕ
Введение..............................................•..................4
1. Современное состояние исследований поведения веществ в условиях взрывного и ударно-волнового нагружения............................. 12
1.1. Взрывное формование.......................................... 12
1.2. Сварка и плакирование взрывом................................13
1.3. Резание взрывом.............................................. 14
1.4. Взрывное упрочнение...........................................15
1.5. Взрывное прессование..........................................16
1.6. Синтез иод действием ударных волн............................ 18
1.7. Детонационно-подобные режимы в твердофазно реагирующих смесях........................................................29
1.8. Экзотермические твердофазные реакции в смесях металлов .
с серой.........................................................33
2. Система основных уравнений и соотношения метода конечных элементов для исследования сжимаемых упругопластических многокомпонентных сред и происходящих в них физико-химических превращений..............39
2.1. Система уравнений, описывающая нестационарное адиабатическое движение сжимаемой многокомпонентной смеси..........................39
2.2. Межфазный обмен компонентов импульсом, энергией и при наличии химической реакции - массой.................................41
2.3. Моделирование разрушения многокомпонентной смеси в процессе динамического нагружения............................................44
2.4. Условие совместного деформирования компонентов смеси..........46
2.5. Определяющие соотношения и учет влияния температуры на прочностные характеристики компонентов смеси в условиях динамического нагружения............................................48
2.6. Система конечно-разностных соотношений метода конечных элементов для численного решения пространственных задач
динамического нагружения реагирующих пористых многокомпонентных смесей.......................................50
2.7. Тестирование численной методики. Задача Тейлора...............62
3. Численное моделирование ударно-волнового воздействия на инертные смеси на основе многокомпонентной модели среды......................65
3.1. Ударно-волновое компактирование пористой смеси алюминий-сера......................................................65
3.2. Влияние скорости ударника на процесс ударно-волнового компактирования пористой инертной смеси алюминий-сера..............76
3.3. Влияние толщины боковой стенки ампулы на процесс ударно-волнового компактирования..........................................80
4. Численное моделирование ударно-волнового синтеза на основе многокомпонентной модели среды.................................... 88
4.1. Ударно-волновой синтез сульфида алюминия......................88
4.2. Влияние скорости ударника на процесс ударно-волнового синтеза сульфида алюминия..................................................95
5. Численное моделирование процессов взрывного компактирования и синтеза в пористой смеси на основе многокомпонентной
модели среды...................................................... 100
5.1. Экспериментально-теоретическое определение параметров взрывного нагружения........................................................ 100
5.2. Взрывное компактирование пористой смеси алюминий-сера-графит............................................. 106
5.3. Взрывное нагружение реагентной пористой смеси алюминий-сера......................................................112
Заключение............................................................118
Список использованных источников......................................121
Приложение............................................................ 136
Введение
За последние годы существенно возрос интерес к изучению быстропротекающих процессов в реагирующих пористых средах и происходящих в них физико-химических превращениях. Это обусловлено необходимостью снижения затрат при производстве космической и авиационной техники, в энергетике, химии, горнодобывающей промышленности, современном машиностроении, вызванное возможностью использовать заряд взрывчатого вещества (ВВ), представляющий собой небольшой, легкий и дешевый источник энергии высокой плотности и большой мощности, который способен выполнить полезную работу, и к тому же, при умелом обращении, безопасен. Важные достижения по разработке новых методов обработки материалов с использованием мощных источников энергии принадлежат на сегодняшний день авиационной промышленности и ракетостроению, что связано с конкуренцией и быстрым прогрессом в этих отраслях промышленности [1]. В связи с этим, актуальную роль приобретают методы математического моделирования таких быстропротекающих процессов, что, в свою очередь, требует разработки адекватных алгоритмов для их теоретического описания. В совокупности с доступными экспериментальными данными, такой подход обеспечивает возможность получения наиболее полной информации о поведении реагирующих сред, включая физико-химические превращения и пути формирования новых состояний веществ на основе разработки разнообразных численных моделей.
Перспективы связаны с получением метастабильных соединений в неравновесных условиях, для управляемого создания которых взрывное и ударно - волновое нагружение предоставляет большие возможности. Высокие давления и скорости вещества создают экстремальные условия для получения материалов с уникальными свойствами. Но реакция вещества на такого рода экстремальное воздействие может быть самой разнообразной, в зависимости от природы самого вещества. При этом в виду малой длительности процесса (~10"6
5
с) и тепловой инерции вещества, его нагрев, обусловленный сжатием и внутренним трением, как правило, не является фактором, определяющим поведение вещества в этих условиях. Главным фактором является действие ударной волны, вызывающее механохимическое активирование смеси, высокоскоростное дробление и перемешивание частиц, что создает благоприятные условия для инициирования и протекания быстрых химических реакций. При этом различные процессы и их стадии требуют различного времени для своего развития, поэтому за короткие времена, характерные для взрывного и ударно-волнового нагружения, не все процессы успевают развиться и вещество реагирует на нагрузку совсем иначе, чем при медленных нагрузках. Следует добавить, что сами ударно-волновые нагрузки, вызывающие перечисленные процессы, носят переходный характер, поэтому, в один и тот же момент времени вещество в разных своих точках находится в разных состояниях, обусловленных тем, что волна сжатия сменяется волной разрежения, а в ряде случаев имеет место взаимодействие первичных ударных волн с отраженными.
Несомненно, что последствия ударно-волнового нагружения вещества многообразны и труднопредсказуемы. Однако систематические фундаментальные исследования в области физики и химии ударных волн на конкретных системах открывают большие возможности • управления процессами структурных, химических и фазовых превращений, позволяют существенно улучшить свойства материалов, а также создать совершенно новые материалы, обладающие уникальными свойствами.
При этом детальное описание внутрифазных и межфазных взаимодействий в многокомпонентных средах довольно сложное и чрезвычайно важное для оценки параметров среды в зависимости от макроскопической структуры среды и свойств ее компонентов. При моделировании таких сред следует учитывать многокомпонентность и сжимаемость смесей, переменность параметров процесса и наличие химических реакций. Эти дополнительные эффекты не позволяют, в общем случае, использовать результаты, полученные в рамках
6
описания многокомпонентной среды как гомогенной, где смесь описывается уравнением однофазной среды, и определяются соответствующие средние свойства, которые не обязательно соответствуют свойствам отдельной фазы.
В настоящее время интенсивно развивается раздел физики и механики, изучающий прохождение сильных ударных волн в металлах, минералах, полимерах и других твердых телах. Это связано с развитием как традиционных направлений человеческой деятельности, где используются взрыв и высокоскоростное соударение, так и с развитием новых технологических процессов. Наибольшее развитие взрывные технологии получили применительно к металлообработке при формовании, сварке, резке, упрочнении и уплотнении [1-3]. Многие из этих операций внедрены в производство, другие всё ещё находятся в стадии научно-прикладного освоения.
Методы взрывного или ударного обжатия позволяют синтезировать новые вещества, например искусственный алмаз из графита, сверхтвердое вещество боразон из гексагонального нитрида бора и т. д. Упрочнение металлов, образование новых веществ, их модификаций и фаз, все это связано с физикохимическими процессами, инициируемыми ударными волнами с давлениями 1 - 100 ГПа.
Для анализа этих процессов необходима разработка математических моделей с учетом не только фазовых превращений упругопластических сред, но и с учетом многокомпонентное™ твердофазных сред, в которых проявляются эффекты прочности и происходят физико-химические превращения, а также разработка соответствующих вычислительных алгоритмов. Полученные теоретические представления могут быть использованы при обработке экспериментальных данных и развитии теорий, представленных более широким классом гетерогенных твердофазных сред, а также для исследования закономерностей процесса и понимания его физической сущности.
На сегодняшний день экспериментальное определение состава и параметров сложных химических систем при таких давлениях и температурах сопряжено со значительными трудностями. Влияние динамического
7
воздействия на протекание твердофазных реакций еще не достаточно исследовано и, к сожалению, еще не достигло уровня технологии из-за недостатка экспериментальных данных, а также и численных методик, корректно описывающих данный процесс.
Таким образом, актуальность исследований взрывного и ударно-волнового нагружения реагирующих пористых смесей обусловлена потребностью в прогнозировании поведения реагирующих компонентов, с соответствующим учетом свойств каждого компонента в смеси и его вклада в процесс, при таких интенсивностях динамического воздействия, которые пока недоступны для прямого исследования экспериментальными методами.
Цель работы.
Целью диссертационной работы является развитие многокомпонентной математической модели для прогнозирования поведения как инертных (процесс динамического ком!актирования), так и реагирующих пористых смесей (процесс ударно-волнового синтеза) при взрывном и ударно-волновом воздействии и выявление оптимальных параметров процесса динамического нагружения.
Задачи, решаемые для достижения цели.
1. Развитие математической модели многокомпонентной среды для
прогнозирования поведения инертных и реагирующих пористых смесей при взрывном и ударно-волновом воздействии.
2. Выбор условия совместного деформирования компонентов смеси при
взрывном и ударно-волновом нагружении.
3. Численное моделирование динамического взаимодействия стального
ударника, метаемого скользящей детонацией ВВ, с цилиндрической ампулой, содержащей инертную пористую смесь алюминий (А1) - сера (Э) на основе многокомпонентной модели среды.
4. Численное моделирование динамического взаимодействия стального
ударника, метаемого скользящей детонацией ВВ, с цилиндрической
8
ампулой, содержащей реагирующую пористую смесь алюминий - сера на основе многокомпонентной модели среды.
5. Определение оптимальных параметров ударно-волнового нагружения для уплотняемых материалов с целью обеспечения максимальной плотности конечных продуктов для выбранных условий нагружения.
6. Численное моделирование взрывного нагружения цилиндрической ампулы, содержащей инертные и реагирующие пористые смеси. Сравнение численных результатов с экспериментальными.
Научная новизна работы.
1. Развита математическая модель многокомпонентной среды и впервые применена для численного моделирования взрывного и ударно-волнового воздействия на инертные и твердофазно реагирующие пористые смеси.
2. Создана численная методика исследования поведения инертных и твердофазно реагирующих пористых смесей с применением условия совместного деформирования компонентов смеси.
3. Численно в осесимметричной постановке на основе многокомпонентной модели среды исследованы особенности процесса динамического компактирования пористой смеси алюминий-сера, взрывного и ударноволнового синтеза сульфида алюминия, выявлено влияние скорости ударника, давлений, температур и толщины боковых стенок ампулы на плотности конечных продуктов.
4. Определены оптимальные параметры ударно-волнового нагружения для уплотняемых материалов с целью обеспечения максимальной плотности конечных продуктов для исследованных условий нагружения. Достоверность полученных результатов обеспечивается физической и
математической корректностью постановок задач, апробированностыо
выбранного метода их решения, контролем в процессе численного счета
выполнения законов сохранения, сравнением с экспериментальными
результатами, полученными другими авторами.
Практическая и теоретическая значимость работы.
Полученные теоретические представления о физике и механике процессов ударно-волнового нагружения как инертных, так и реагирующих многокомпонентных пористых смесей необходимы для обработки экспериментальных данных и развитии теорий, представленных более широким классом пористых многокомпонентных твердофазных сред, а также для исследования закономерностей такого быстропротекающего процесса. На основе примененной численной модели многокомпонентной среды можно исследовать и прогнозировать поведение материалов, получение материалов с заранее заданными свойствами и характеристиками, а также осуществлять непрерывный контроль за изменением параметров исследуемой системы в ходе процесса динамического нагружения. Полученные результаты внедрены и используются в Кыргызско-Российском славянском университете (г. Бишкек, Кыргызская Республика).
Связь работы с научными программами и темами.
Диссертация выполнялась при поддержке Министерства образования и науки РФ в рамках грантов для научно-исследовательской работы аспирантов государственных образовательных учреждений высшего профессионального образования (2004 г., проект А04-2.10-386), Президиума РАН (2004 - 2005 гг., проект 18.7 в рамках комплексной Программы фундаментальных исследований по направлению «Теплофизика и механика интенсивных энергетических воздействий»), РФФИ - Администрация Томской области (2005 — 2007 гг., проект 05-03-98001), госбюджетной ирофаммы СО РАН по разделам «Химические науки» (2007 - 2011 гг., проект № 5.1.4.7.) в рамках Профаммы «Изучение быстропротекающих химических процессов в гетерогенных системах, образующих конденсированные продукты реакции, в условиях физического воздействия», № гос. регистрации 01.2.007 01450, Минобрнауки РФ в рамках АВЦП «Развитие научного потенциала вышней школы» (2009-2010 гг., проекты 2.1.1/5993, 2.1.2/2509).
10
Основные положения, выносимые на защиту.
1. Многокомпонентная модель среды с выбранным и адаптированным условием совместного деформирования компонентов смеси для численного описания поведения инертных и реагирующих пористых смесей при взрывном и ударно-волновом нагружении.
2. Комплекс результатов численного моделирования динамического компактирования инертных пористых смесей на основе многокомпонентной модели среды.
3. Комплекс результатов численного моделирования ударно-волнового синтеза сульфида алюминия на основе многокомпонентной модели среды.
4. Комплекс результатов численного моделирования взрывного нагружения цилиндрической ампулы, содержащей инертные и реагирующие пористые смеси.
Личный вклад автора.
При выполнении диссертационной работы личный вклад автора состоял в физико-математической постановке задач, проведении расчетов, анализе полученных результатов.
Апробация работы. Основные результаты и положения диссертации докладывались и обсуждались на 15 Всероссийских и Международных конференциях и симпозиумах:
1. Международная конференция «Забабахинские научные чтения», г. Снежи иск, 2005 г.
2. Международная конференция «Лаврентьевские чтения по математике, механике и физике», г. Новосибирск, 2005 г.
3. III Международный симпозиум «Горение и плазмохимия», г. Алматы, 2005 г.
4. 14th APS Topical conference on shock compression of condensed matter, Baltimore, Maryland, USA, 2005.
5. Международная школа-конференция молодых ученых, г. Томск, 2005 г.
6. 3-я Всероссийская конференция молодых ученых «Фундаментальные проблемы новых технологий в 3-м тысячелетии», г. Томск; 2006 г.
11
7. II Всероссийская конференция молодых ученых «Физика и химия
высокоэнергетических систем», г. Томск, 2006 г.
8. IX International Symposium on Self-propagating High-temperature Synthesis, Dijon, France, 2007.
9. Ill Всероссийская конференция молодых ученых «Физика и химия
высокоэнергетических систем», г. Томск, 2007 г.
10. Международная конференция «Сопряженные задачи механики
реагирующих сред, информатики и экологии», г. Томск, 2007 г.
11. Всеросс. конф., посвященная 50-лстию Института гидродинамики им. М.А. Лаврентьева СО РАН «Проблемы механики сплошных сред и физики взрыва», г.,Новосибирск, 2007 г.
12. IV Всероссийская конференция молодых ученых «Физика и химия
высокоэнергетических систем», г. Томск, 2008 г.
13. 7th Bienniale International Conference «New models and Hydrocodes for Shock Wave Processes in Condensed Matter», Lisbon-Monte Estoril, Portugal, 2008.
14. Всероссийская конференция по математике и механике, г. Томск, 2008 г.
15. II Международный семинар «Гидродинамика высоких плотностей энергии», г. Новосибирск, 2008 г.
Публикации. Основные результаты исследований опубликованы в 19 статьях, из них 5 работ в журналах (2 статьи в рецензируемых журналах из списка ВАК), 14 — в научных сборниках, материалах Всероссийских и Международных конференций.
Автор выражает глубокую благодарность своему научному руководителю Зелепугину Сергею Алексеевичу за помощь и советы при разработке материалов диссертации. Искренне признателен Смолякову Виктору Кузьмичу и Бушланову Владимиру Петровичу, чьи советы и замечания принесли несомненную пользу.