Динамика взрывных явлений при расширении газовых и двухфазных сред

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ.........................................................6
ГЛАВА 1 ЛАБОРАТОРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ УДАРНЫХ ВОЛН
ПРИ РАЗРЫВЕ СОСУДОВ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ
§1.1 Ударные волны при разлете газонаполненных сосудов
ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ. ЗАДАЧИ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ...... 19
1.1.1 Экспериментальные установки и методы............19
1.1.2 Методики расчета................................22
§ 1.2 Моделирование взрывных волн на ударной трубе.........26
§ 1.3 Моделирование сферических ударных волн...............32
1.3.1 Коническая ударная труба........................32
1.3.2 Генератор сферических ударных волн..............35
§ 1.4 Представление параметров сферических ударных волн
в УНИВЕРСАЛЬНЫХ БЕЗРАЗМЕРНЫХ КООРДИНАТАХ..............37
§ 1.5 Методика приближенного расчета параметров сферических
УДАРНЫХ ВОЛН..........................................41
1.5.1 Амплитуда ударной волны.........................41
1.5.2 Профиль давления ударной волны..................44
§ 1.6 Выводы...............................................52
ГЛАВА 2 УДАРНЫЕ ВОЛНЫ ПРИ РАЗЛЕТЕ ДВУХФАЗНЫХ СРЕД
ГАЗ - ТВЁРДЫЕ ЧАСТИЦЫ
§ 2.1 Газодинамические явления при внезапном расширении
двухфазных систем газ - твердые частицы...............54
§2.2 Волны разрежения В НАСЫПНЫХ средах................... 62
§2.3 Исследование параметров плоских ударных волн..........69
2.3.1 Амплитудные и импульсные характеристики........ 71
2.3.2 Ударные волны при разлете стратифицированной системы газ - насыпная среда..........................77
§ 2.4 Удар»»ые волны при сферическом разлете сжатой
двухфазной среды насыпной плотности.......................83
2.4.1 Моделирование разлета запыленной среды на генераторе сферических ударных волн.................................83
2.4.2 Моделирование разлета сжатой среды насыпной плотности на установке коническая ударная труба......... 87
§ 2.5 Приближенный расчет параметров сферических ударных
волн..................................................... 94
§ 2.6 Формирование облака пылевзвеси при взаимодействии
волны разрежения со слоем сыпучего материала..............99
§ 2.7 Параметры ударных волн, формирующихся при разлете
ОБЪЕМА ГОРЯЩЕЙ ПЫЛЕВЗВЕСИ................................108
2.7.1 Экспериментальная установка и методика измерений.. 108
2.7.2 Сгорание пылевзвесей в замкнутом объеме............112
2.7.3 Измерение параметров ударных волн при плоском
разлете объема горящей пылевзвеси..................117
§2.8 ВЫВОДЫ...................................................125
ГЛАВА 3 УДАРНЫЕ ВОЛНЫ ПРИ РАЗЛЕТЕ СИСТЕМ ЖИДКОСТЬ -НАСЫЩЕННЫЙ ПАР
§ 3.1 Физические взрывы при внезапном расширении
парожидкостных систем....................................127
§ 3.2 Параметры плоских ударных волн при разлете систем
ЖИДКОСТЬ-НАСЫЩЕННЫЙ ПАР..................................134
3.2.1 Экспериментальная установка и методика измерений...134
3.2.2 Ударные волны при разлете объема насыщенного
пара воды......................................... 136
3.2.3 Ударные волны при внезапном расширении объема перегретой по отношению к внешним условиям
жидкости.......................................... 139
3.2.4 Импульсные характеристики плоских ударных волн.... 148
3
§ 3.3 Ударные волны при сферическом разлете систем
ЖИДКОСТЬ - НАСЫЩЕННЫЙ ПАР............................... 155
3.3.1 Моделирование разлета перегретой жидкости на конической ударной трубе................................ 155
3.3.2 Представление параметров сферических ударных волн
в универсальных безразмерных координатах........... 159
§ 3.4 Приближенный расчет параметров ударных волн при
РАЗЛЕТЕ ОБЪЕМА ПЕРЕГРЕТОЙ ЖИДКОСТИ...................... 165
§3.5 Выводы..................................................174
ГЛАВА 4 УДАРНЫЕ ВОЛНЫ И ДЕТОНЦИЯ ПРИ СБРОСЕ ДАВЛЕНИЯ
ГАЗОВОГО ВЗРЫВА
§ 4.1 Газодинамические эффекты при истечении сгорающих
ГАЗОВЫХ СМЕСЕЙ.......................................... 176
§ 4.2 Инициирование взрывных режимов путем
ИНТЕНСИФИКАЦИИ ПРОЦЕССА СГОРАНИЯ ПРИ
воздействии волн разрежения и СЖАТИЯ.................... 187
4.2.1 Экспериментальная установка и методика измерений 187
4.2.2 Газодинамические эффекты при истечении сгорающей газовой смеси из объемов с различной степенью загроможденности.........................................190
4.2.3 Возбуждение ударных волн при воздействии импульса разрежения на сгорающую газовую смесь................... 194
§ 4.3 Возбуждение взрывных режимов при сбросе давления
ГАЗОВОГО ВЗРЫВА ЧЕРЕЗ ГАЗООТВОДЯЩИЕ МАГИСТРАЛИ.......... 201
4.3.1 Экспериментазьная установка и методика измерений 201
4.3.2 Динамика изменения давления внутри и вне разгружаемого реакционного объема........................203
§ 4.4 Детальное исследование npoiщсса hi мциирова! шя
ДЕТОНАЦИОННЫХ РЕЖИМОВ................................... 208
4
§ 4.5 УСЛОВИЯ И МЕХАНИЗМ ИНИЦИИРОВАНИЯ ДЕТОНАЦИИ ПРИ
СБРОСЕ ДАВЛЕНИЯ ГАЗОВОГО ВЗРЫВА...................... 221
4.5.1 Факторы, определяющие инициирование детонационных режимов................................ 221
4.5.2 Механизм возникновения детонации при сбросе давления газового взрыва через отводящие магистрали............227
§ 4.6 Выводы.............................................. 233
ГЛАВА 5 ГОРЕНИЕ СМЕСЕЙ ВОДОРОД-ВОЗДУХ-ПАРЫ ВОДЫ В ПРИСУТСТВИИ МИКРОКАПЕЛЬ (ТУМАНА), ФОРМИРУЮЩИХСЯ ПРИ БЫСТРОМ РАСШИРЕНИИ
§5.1 Задачи и методы исследования процессов горения
ГАЗОВЫХ СМЕСЕЙ В ПРИСУТСТВИИ МИКРОКАПЕЛЬ (ТУМАНА) 235
§ 5.2 Экспериментальная установка и методика измерений 240
5.2.1 Взрывная камера с возможностью расширения реакционной смеси.................................... 240
5.2.2 Фотоприемник на основе двухполосного БМЗе фотодиода 244 § 5.3 Измерение концентрации микрокапель..............248
5.3.1 Основные соотношения........................... 248
5.3.2 Динамика формирования микрокапель при внезапном сбросе давления.......................................251
5.3.3 Расчет равновесных концентраций компонентов системы водород-воздух-насыщенный пар-микрокапли..............255
§ 5.4 Пределы воспламенения и распространения пламени в
СИСТЕМЕ ВОДОРОД-ВОЗДУХ-ВОДЯНОЙ ПАР-МИКРОКАПЛИ (ТУМАН). 259 § 5.5 Выводы..........................................267
ЗАКЛЮЧЕНИЕ......................................................269
ЛИТЕРАТУРА..................................................... 273
5
ВВЕДЕНИЕ
Взрывные процессы, возникающие в производственных системах, а также в результате природных катастроф привлекают внимание исследователей в течение длительного времени. Интерес к проблеме взрывобезопасности промышленных аппаратов и установок возрастает в связи со значительной интенсификацией технологических процессов, которые проводятся при повышенных температурах и давлениях. Аварийные ситуации сопровождаются широким многообразием физико-химических процессов, учет которых требует комплексного подхода. В связи с этим, в последние два десятилетия взрывобезопасность, по сути дела, выделилась в отдельное научное направление. Этот факт подтверждает появление ряда монографий, посвященных обобщению и анализу сведений о крупнейших промышленных катастрофах [1-12]. При этом основным методически оправданным научным подходом оказывается разбиение того или иного сложного явления на ряд элементарных стадий. Такой подход позволяет интерпретировать и предсказать сценарий развития и последствия каждой стадии на основе известных экспериментально обоснованных моделей физических и физико-химических процессов.
Особое место в проблеме систематизации фактического материала играет классификация последствий взрывных явлений по поражающим факторам. К основным поражающим факторам химического взрыва относятся ударные волны, образующиеся осколки и тепловое действие продуктов сгорания. В выполненной работе основное внимание уделено исследованию ударно-волновых явлений, а также детонации и распространению пламени при расширении сжатых газовых и многофазных систем.
6
В общем случае конечная задача анализа ударно-вол новых процессов с точки зрения проблемы взрывобезопасности заключается в определении параметров ударных волн, формирующихся в окружающей среде по известному (исходному на момент аварии) состоянию разлетающегося рабочего тела. Такой анализ целесообразен не только с точки зрения прогноза последствий вероятной аварийной ситуации. При необходимости возможно решение обратной задачи, когда по имеющимся данным об уровне поражения окружающих объектов и обслуживающего персонала составляется карта вероятных исходных состояний источника взрыва.
Одной из наиболее тяжелых по своим последствиям потенциальной аварией является разгерметизация сосуда высокого давления (СВД) и последующее быстрое расширение первоначально сжатой среды в окружающее пространство. Этот процесс сопровождается, как правило, формированием ударных волн, обладающих значительным разрушительным потенциалом. Простейший пример представляет разлет СВД, заполненного газом высокого давления [7]. При этом по [7], в отличие от известного случая идеального (точечного) источника взрыва (заряд высокоэнергетичного взрывчатого вещества), мы имеем дело с неидеальным источником взрыва (со значительно меньшей плотностью энерговыделения). Достоверные оценки опасности неидеальных взрывов затруднены из-за необходимости учета динамики разрыва оболочки, конечного времени энерговыделения, а также разнообразных физико-химических взаимодействий и превращений, сопровождающих процесс быстрого расширения. В связи с этим экспериментальное и теоретическое моделирование неидеальных взрывных явлений представляет как научный, так и практический интерес.
Анализ литературы показывает, что идеальным источникам взрыва (ядерные заряды и конденсированные взрывчатые вещества (ВВ)), в отличие от неидеальных, исторически уделялось гораздо большее внимание, связанное с разнообразными военными и технологическими применениями
7
[13-15]. Понятие неидеального взрыва ассоциируется, главным образом, в связи с проблемами промышленной взрывобезопасности. Классификация неидеальных взрывных источников прямым образом связана с рабочим телом, являющимся предметом переработки или транспортирования в соответствующем технологическом процессе. Следует заметить, что в основе ряда природных явлений также лежат неидеальные взрывные превращения. Примером являются вулканические извержения. Взрывоподобные извержения вулканов Сан-Хелен (18.05.1980) в США и Унзен (3.06 и 8.06.1991) в Японии наглядно показали, что эти природные явления сопровождаются значительными фугасными эффектами в форме волнового комплекса волна сжатия - волна разрежения [16-18]. Этот волновой пакет распространяется в атмосфере на значительные расстояния и существенно усиливает последствия стихийного природного явления. Традиционные оценки опасности вулканического извержения только по выбросу фрагментов скальных пород и лавоистечению не дают полной картины ожидаемых разрушений. Теоретическая оценка возможных фугасных эффектов при взрывоподобном извержении затруднена. Основные проблемы связаны с принципиальными различиями между вулканическим взрывом и взрывом зарядов конденсированных взрывчатых веществ. Попытки приписать вулканическому взрыву некоторый тротиловый эквивалент оказались весьма неудачными, на что уже указывалось в [16-18].
Из многообразия имеющихся природных и искусственных материалов, находящихся в различном исходном состоянии, в качестве предмета исследования выбраны среды, способные к быстрому, сопровождаемому формированием ударных волн в окружающем газе, расширению. К таким средам относятся газовые и многофазные системы высокого давления. Выделим представляющие интерес основные типы неидеальных источников взрыва:
• газы высокого давления
8
• компримированные системы газ - твердые частицы
• высокотемпературные системы жидкость - насыщенный пар
Следует учитывать, что как перед началом расширения (разрыва
оболочки), так и в процессе разлета возможны фазовые переходы и химические реакции (горение). Задача о внезапной разгерметизации объема, содержащего частично сгоревший газ или пылевзвссь, имеет непосредственное отношение к проблеме подавления взрыва путем сброса давления (venting) [3,7,11,19-21].
С практической точки зрения наибольший интерес представляют сферические ударные волны, формирующиеся в окружающем пространстве. Наиболее исследованным является случай сферического разлета СВД, заполненного газом. Между тем, газообразные вещества являются лишь составной частью широкого спектра систем, способных к быстрому расширению. Случайное повышение давления в объемах, содержащих значительные количества пылевых материалов в результате саморазогрева или по техническим причинам, может привести к аварийному разрыву ограничивающих стенок и к формированию ударных волн. Для разработки эффективных мер защиты обслуживающего персонала и оборудования представляет интерес информация о влиянии инертных твердых частиц, содержащихся в разлетающемся объеме на параметры генерируемых волн давления. Частным, но достаточно распространенным случаем является процесс формирования ударных волн при разлете объема горящей пылевзвеси. Несмотря на значительное число публикаций и монографий (часть из которых перечислена выше), посвященных пылевым взрывам, параметры ударных волн при разлете пылегазовых объемов систематически не исследовались.
Другим практически важным направлением является изучение сценария аварийной ситуации при эксплуатации аппаратов и установок, в которых в качестве рабочего тела используется парожидкостная среда
9
высокого давления и температуры. Одной из ключевых является задача о внезапной разгерметизации объема, содержащего перегретую по отношению к внешним условиям жидкость. При этом внутрь объема распространяется волна разрежения, течение в которой осложняется фазовыми переходами (испарением). Процессы, происходящие внутри объема вскипающей жидкости, не полностью определяют возможные последствия аварии. Анализ отдельных аварийных ситуаций в [9] указывает на то, что при внезапном разлете объемов, содержащих перегретую жидкость, в окружающем пространстве могут формироваться ударные волны, обладающие значительной разрушительной силой. Для случая разлета систем жидкость -насыщенный пар систематические данные о параметрах ударных волн отсутствуют.
В связи с наличием широкого спектра газовых и многофазных сред высокого давления, способных к быстрому расширению, особую ценность представляют исследования, построенные на едином методическом подходе. По указанной причине особое внимание в выполненной работе уделено разработке единой методики исследования параметров ударных волн, как при плоском, так и сферическом разлете.
В процессе расширения параметры исходной, как правило, покоящейся, газовой или многофазной среды претерпевают значительные изменения. Помимо очевидного эффекта падения давления (температуры) существенной чертой процесса является установление нестационарного профиля скорости разлетающейся системы. Дополнительно разлет может сопровождаться фазовыми переходами - конденсацией или испарением. Ситуация ещё более усложняется в случае, когда расширяется горючая среда. При воспламенении газовых или двухфазных сред в процессе разлета условия распространения взрывного процесса существенно отличны от тех, при которых обычно проводят лабораторные исследования. Так в стандартных схемах эксперимента в трубах ускорение пламени и переход
10
горения в детонацию являются результатом взаимодействия пламени с им же порождёнными газодинамическими возмущениями. При рассмотрении горения расширяющихся систем необходим учет разнообразных эффектов, включая уровень турбулентности и возможную неодномерность картины течения. Вопросы распространения пламени в условиях нестационарного расширения (в том числе при конденсации пара) и возникновения детонации при сбросе давления газового взрыва также явились предметом исследования.
Цель работы заключалась в экспериментальном и теоретическом моделировании ударно-волновых явлений, горения и детонации, наблюдающихся при быстром расширении газовых и двухфазных систем, в том числе:
1) Разработка универсальной лабораторной методики изучения взрывных явлений при разрыве сосудов высоког о давления.
2) Исследование физических процессов, сопровождающих внезапное расширение систем газ-твердые частицы.
3) Исследование физических процессов при разлете высокотемпературных систем жидкость-насьиценный пар.
4) Экспериментальное моделирование явления возникновения детонации при сбросе давления газового взрыва.
3) Исследование процесса горения многофазных систем, полученных методом быстрого расширений.
Автор защищает:
1) Разработку и создание методики измерения параметров взрывных волн на основе установки коническая ударная труба.
2) Результаты исследования параметров ударных волн и волн разрежения, формирующихся при расширении систем газ-твердые частицы.
11
3) Результаты исследования параметров плоских и сферических ударных волн при разлете высокотемпературных систем жидкость-насьиценный пар.
4) Результаты исследования условий инициирования детонации при сбросе давления газового взрыва.
5) Результаты исследования процесса распространения пламени и пределов воспламенения в смесях горючий газ - микрокапли, получаемых методом нестационарного расширения.
Научная новизна работы:
• Разработана и создана установка коническая ударная труба для моделирования сферического разлета сжатого газа.
• Исследованы параметры плоских и сферических ударных волн, формирующихся при разлете сжатой пылевой двухфазной среды насыпной плотности.
• Исследован процесс взаимодействия волны разрежения со слоем сыпучего материала и формирование облака пылевзвеси.
• На ударных трубах с обогреваемой камерой высокого давления измерены параметры плоских и сферических ударных волн, формирующихся при разлете систем жидкость - насыщенный пар.
• Разработана универсальная инженерная методика определения амплитуды и профиля давления сферических ударных волн от неидеальных источников на основе представления экспериментальных результатов в соответствующих безразмерных координатах.
• Установлено, что основное разрушительное действие взрывных волн от вскипающих жидкостей связано с интенсивной фазой разрежения.
• Обнаружено явление возникновения детонации при сбросе давления газового взрыва на начальном участке газоотводящей трубки. Показано,
12
что при определенных условиях возможно распространение детонации внутрь разгружаемого объёма.
• Для обнаруженного явления исследовано влияние реакционной способности смеси, длины газоотводящей магистрали и масштабного фактора. Предложен теоретический механизм явления.
• На обогреваемой взрывной камере исследован процесс распространения пламени и пределы воспламенения в смесях газа со взвешенными микрокаплями воды (тумана), формирующимися в волнах разрежения.
Практическая ценность работы
Разработка универсальной лабораторной методики исследования параметров ударных волн при разрыве сосудов, заполненных газовыми и двухфазными средами позволяет провести прямое сравнение фугасного действия различных по природе источников взрыва. Накопленный опытный материал может служить основой для создания базы данных потенциально опасных взрывных явлений. Экспериментальные исследования ударноволновых процессов, протекающих в условиях сложных физико-химических превращений, выявляют особенности нестационарных течений газовых и двухфазных сред, теоретическое описание которых затруднено. Установленные опытные зависимости и разработанные на их основе аналитические методики могут быть использованы при оценке опасности случайных взрывов и при проектировании взрывозащитных устройств.
Достоверность полученных результатов обеспечена анализом методических ошибок, единым подходом к различным изучаемым системам, выбором обоснованных физических моделей для интерпретации проведенных опытов, сравнением результатов экспериментов и расчетов с имеющимися в литературе данными.
Выполненные в работе исследования развивают актуальное научное направление - динамика неидеальных взрывов.
13
Апробация работы.
Основные результаты диссертации докладывались на следующих Всероссийских и Международных конференциях и семинарах:
• XXX научная конференция МФТИ (Долгопрудный, 1984);
• I, IV, V, VI Международные коллоквиумы по взрывоопасности промышленной пыли (Польша, 1984, 1990, 1993; КНР 1994);
• Всесоюзные совещания-семинары “Современные проблемы механики жидкости и газа” (Грозный, 1986, Иркутск 1988);
• Школа-семинар “Фундаментальные проблемы физики ударных волн” (Азау, 1987);
• Международный симпозиум по взрывам пылей (КНР, 1987);
• Семинар "Переход ударных волн из газовой среды в многофазную" (Москва, 1989);
• Семинары ИХФ РАН (Москва-Черноголовка, 1984-2000);
• Семинар “Нестационарные взаимодействия ударных волн” (Москва 1990);
• XII, XIII, XV, XVII Международные коллоквиумы по динамике взрыва и реагирующих систем ЮБЕЯЯ (США 1989, Япония 1991, США 1995, Германия 1999);
• XII Международный симпозиум по процессам горения (Польша 1991);
• VII Международный симпозиум по безопасности производственных процессов (Италия 1992);
• Германо - Российские рабочие встречи по процессам горения (Германия 1993, Москва 1995),
• XIX, XXII Международные симпозиумы по ударным волнам 185\¥ (Франция 1993, Великобритания 1999);
• Россииско-Японский семинар по горению (Черноголовка 1993);
14
• Мемориал Я.Б.Зельдовича - Международная конференция по горению
(Москва 1994);
• Семинар ‘Теплофизические процессы в системах безопасности АЭС“
(Москва 1994);
• XXV, XXVI Международные симпозиумы по горению (США 1994,
Италия 1996);
• XI, XII Симпозиумы по горению и взрыву (Черноголовка 1996, 2000)
• III Международная конференция по многофазным течениям 1СМР98
(Франция 1998)
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в работах [214-246].
Объём и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Каждая глава содержит обзор современного состояния вопроса и формулировку конкретных задач исследования. Общий объем диссертации составляет 298 страниц, в том числе 190 страниц текста, 97 рисунков, 8 таблиц, библиографических ссылок 246 наименований.
Основное содержание работы.
Во Введении дано обоснование актуальности темы диссертации, сформулированы задачи исследования и положения, выносимые на защиту.
Глава 1 содержит обоснование методики измерения параметров сферических ударных волн на установке коническая ударная труба (КУТ). Описана конструкция КУТ и приведены результаты экспериментов но плоскому и сферическому разлету газовых объемов высокого давления. Па основе сравнения опытных данных, полученных на различных установках, показано, что коническая ударная труба является эффективным средством лабораторного моделирования поля давления, генерируемого неидеальным источником взрыва. Предложена упрощенная методика расчета амплитуды и
15
профиля давления в сферической ударной волне, основанная на теоретически и экспериментально обоснованной процедуре представления опытных данных в соответствующих безразмерных координатах.
В Главе 2 представлены результаты исследования характеристик воздушных ударных волн, формирующихся при внезапном расширении сжатой двухфазной среды насыпной плотности. Эксперименты проводились на конической ударной трубе (сферический разлет) и лабораторной ударной трубе постоянного сечения (плоский разлет). Установлено, что как в плоском, так и в сферическом случае при разлете сжатой насыпной среды генерируются ударные волны меньшей интенсивности, но большей длительности, чем при разлете газа того же начального давления. Изучены особенности ударных волн при разлете стратифицированных газопылевых систем. На основе исследования скорости волн разрежения в средах насыпной плотности предложена методика приближенного расчета параметров ударных волн. Приведены результаты численных расчетов, демонстрирующие отличительные черты сферических ударных волн, формирующихся при разлете двухфазных сред. Описана установка и результаты экспериментов по формированию облака пылевзвеси при взаимодействие волны разрежения со слоем насыпной среды. В главе также приведены результаты исследования плоского разлета объема горящей пылевзвеси.
В Главе 3 изложены результаты исследования параметров волн давления при разлете высокотемпературных систем жидкость - насыщенный пар. Описана установка ударная труба с обогреваемой камерой высокого давления и измерены параметры плоских ударных волн и волн разрежения, формирующихся при внезапной разгерметизации объема, содержащего систему вода — насыщенный пар высокого давления и температуры. Показано, что основной вклад в импульс фазы сжатия ударной волны вносит процесс испарения жидкой составляющей. Установлено, что амплитуда
16
волны слабо зависит от свойств жидкости и определяется отношением давлений между разлетающимся объемом и окружающей средой. Выявлено влияние молекулярного веса жидкости на импульс (длительность) фазы сжатия ударной волны. Описана модификация конической ударной трубы с обогреваемой камерой высокого давления и приведены результаты экспериментов по сферическому разлету систем жидкость - насыщенный пар. Получены зависимости основных параметров сферической ударной волны от расстояния до разлетающегося объема. Показано, что, в отличие от газовых и газопылевых систем, при сферическом разлете вскипающей жидкости основное поражающее действие ударной волны связано с продолжительной фазой разрежения. Описана методика приближенного расчета параметров плоских и сферических ударных волн.
Глава 4 посвящена исследованию явления возбуждения ударных волн и детонации при сбросе давления газового взрыва. Описаны две методики проведения экспериментов на цилиндрических взрывных камерах, оборудованных разрывной диафрагмой. В первом случае исследуется влияние степени загроможденное™ разгружаемого объема на динамику изменения давления. Изучены газодинамические эффекты взаимодействия короткого импульса разрежения с горящей газовой смесью. Во втором случае экспериментально моделируется задача сброса давления газового взрыва через газоотводящие магистрати. Основное внимание уделено условиям возникновения сильных ударно-волновых возмущений и детонации непосредственно внутри разгружаемою объема. Выявлено влияние длины газоотводящих магистралей на инициирование и распространение детонации в недогоревшей истекающей смеси. Для смесей водород-кислород-азот установлены концентрационные пределы возникновения детонационных явлений. Дана качественная интерпретация наблюдаемых эффектов в рамках модели спонтанного инициирования детонации в системах с градиентом задержки воспламенения.
17
В Главе 5 представлены результаты экспериментального исследования горения смесей водород - воздух - водяной пар в присутствие микрокапель тумана, сформированных в результате быстрого расширения. Рассмотрена методика приготовления системы горючий газ — микрокапли (тумана) путем внезапного расширения исходной смеси горючий газ - насыщенный пар. Описана процедура реализации указанной методики с помощью цилиндрической обогреваемой взрывной камеры, оборудованной разрывной диафрагмой. Изложен метод измерения концентрации микрокапель по поглощению излучения на двух длинах волн и приведены результаты его использования для контроля состояния горючей смеси в процессе расширения и при распространении пламени. Выявлено влияние микрокапель (тумана) на пределы воспламенения смесей водород - воздух -водяной пар.
В Заключении приводятся основные результаты и выводы.
Работа написана на основе исследований, проведенных автором в 1984-2000 гг в Лаборатории гетерогенного горения ИХФ РАН. Автор выражает глубокую благодарность заведующему лабораторией д.ф.-м.н. профессору Б.Е.Гельфанду, опыт и яркие идеи которого оказати значительное влияние на выбор предмета исследования. Автор признателен своим коллегам и соавторам А.М.Бартеневу, А.Н.Полеиову и С.В.Хомику за постоянный интерес к работе и многочисленные полезные обсуждения.
18
Глава 1 ЛАБОРАТОРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ УДАРНЫХ ВОЛН ПРИ РАЗРЫВЕ СОСУДОВ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ
§ 1.1 Ударные волны при разрыве газонаполненных сосудов
ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ. ЗАДАЧИ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
1.1.1 Экспериментальные установки и методы
Разрыв газонаполненного сосуда высокого давления (СВД) представляет один из наиболее часто встречающихся типов аварии практически во всех энергоемких производственных системах. Основное поражающее действие СВД связывают с воздушными ударными волнами (УВ), формирующимися в окружающем пространстве (фугасное действие), а также с образующимися осколками (осколочное действие).
Несмотря на то, что моделирование сферических ударных волн, формирующихся при разлете СВД, представляет большой практический интерес, число исследований, посвященных этому вопросу, весьма ограничено. Известны два основных типа опытных установок для моделирования процесса образования сферических взрывных волн при разрыве сосуда высокого давления:
• разрывающиеся хрупкие сферы
• конические ударные трубы (КУТ)
Экспериментальные установки, основанные на данных
приспособлениях, имеют следующие общие элементы: 1) объем газа высокого давления, 2) разрушаемую оболочку, 3) датчики давления или иные
19
средства для фиксации времени прихода и профиля взрывной волны в пространстве.
Установку для исследования воздушных ударных волн от разрыва сферических стеклянных сосудов впервые описали Glass & Hall [22] в 1957 г. Эта установка использовалась для изучения лобового столкновения сферических ударных волн [23]. Аналогичные опыты со стеклянными сферами проводил Boyer [24]. Основной целью этих работ являлось исследование поля течения при разрыве сферической оболочки. Эксперименты [22-24] проводили со сферами радиуса 12,7, 25,5 и 63,5 мм, заполняемыми воздухом, гелием или гексафторидом серы SF6 при давлении
разрыва 0,21-0,28 МПа. Характерной особенностью ранних работ является то, что в качестве основного метода регистрации использовался метод развертки теневого изображения либо покадровая съемка теневой картины течения, что не давало возможность описать профиль давления ударной волны. В последующие годы эта тематика не получила развития и лишь спустя почти 20 лет подобные работы по заказу NASA выполнили Esparza & Baker [25]. В [25] исследовался разлет стеклянных сфер радиусом 25,5 мм, заполняемых воздухом или аргоном при начальном давлений 1,0 - 5,2 МПа. По сравнению с [22-24] исследования [25] носили более систематический характер и имели ярко выраженный акцент на проблему взрывобезопасности. В [25] использовались ножевые пьезоэлектрические датчики давления, что позволило осуществить достаточно полную регистрацию поля давления на различных расстояниях от источника взрыва.
Первое описание конической ударной трубы содержится в работе Campbell [26]. В дальнейшем эта схема не получила широкого распространения, за исключением серии работ по исследованию парамегров взрыва конденсированных взрывчатых веществ в лабораторных условиях [27,28]. Сведения из [26-28] не дают систематической информации о параметрах волн давления при разлете сжатых газовых сред. Тенденцию
20
ориентирования исследований на конических ударных трубах на взрывы высокоэнергетичных зарядов демонстрирует работа [29], в которой предлагалось использовать КУТ для моделирования поля давления при подрыве ядерного боеприпаса.
Формально обе описанные выше методики равноценны с точки зрения моделирования сферических волн давления, но для сопоставления различных разновидностей неидеальных взрывов установка типа коническая ударная труба является более удобной. Позитивным отличием КУТ от разрывающихся хрупких сфер является возможность использовать датчики давления обычной конструкции, установленные заподлицо в ограничивающей стенке. При использовании КУТ открываются возможности варьирования параметров разлетающегося вещества, в частности, замены газа высокого давления на двухфазную (высокотемпературную) среду. Тем не менее, достоверные выводы о целесообразности использования той или иной схемы могут быть сделаны лишь на основе прямого сравнения экспериментальных данных, полученных различными способами. Гак в работе, в дополнение к конической ударной трубе, реализован способ генерации сферической ударной волны посредством разрыва полусферической оболочки, размещенной в плоскости, где расположены датчики давления.
Ограниченный характер накопленного экспериментального материала обусловлен объективными сложностями проведения измерений в открытом пространстве (в отличие, например, от опытов в обычной ударной трубе). Но этой причине разработанные к настоящему времени нормативы и системы оценки ударно-волновых эффектов при разрыве газонаполненных СВД базируются целиком на различных расчетных методиках.
21
1.1.2 Методики расчета
Цель методики расчета фугасного действия от разрыва СВД -определение поражающих факторов ударной волны при заданных начальных условиях: параметрах газа-наполнителя и окружающей среды и расстояния до сосуда. Ниже дана краткая характеристика основных методик оценки параметров УВ от разрыва сосудов высокого давления.
В работах [30,31] предложены аналитические соотношения для расчета числа Маха и амплитуды ударной волны от разрыва сферического или цилиндрического объема, заполненного газом высокого давления. Вычисление траектории фронта У В проводилось на основе правила Уизема
[32], не имеющем фундаментального обоснования, однако достаточно хорошо согласующимся с опытными данными при решении ряда задач распространения и затухания ударных волн. В рассматриваемом случае изменение скорости (числа Маха) УВ обусловлено возрастанием площади поверхности ударного разрыва. Метод Уизема заключается в подстановке условий на фронте волны в уравнение для С+ характеристики.
Интегрирование итогового дифференциального уравнения дает аналитическое соотношение в виде зависимости интенсивности УВ от начального числа Маха в момент разрыва, безразмерного расстояния и величины отношения удельных теплоемкостей окружающего газа.
В [33] изложен метод расчета избыточного давления на фронте ударной волны, основанный на замене разрывающегося сферического сосуда высокого давления эквивалентным зарядом высокоэнергетичного взрывчатого вещества тротила (Т11Т). Рассматриваемая методика включает вычисление по параметрам газовой смеси внутри и вне СВД соответствующей энергии заряда и использование для определения поля давления известных корреляционных зависимостей. Трудность реализации этой методики связана с отсутствием полной аналогии между точечным
22
взрывным источником и сосудом, заполненным сжатым газом, причем наибольшие отличия проявляются в ближней зоне взрыва. В связи с этим в [33] предложен метод коррекции с введением поправки на эквивалентное расстояние до моделирующего заряда.
В [34,35] изложена методика определения поля давления при разрыве СВД, основанная на систематических численных расчетах и анализе газодинамического течения, возникающего при разлете сферического объема, заполненного сжатым газом. Для удобства в практическом применении результаты расчетов представлены в виде зависимостей амплитуды ударной волны от безразмерного расстояния. При использовании этого гак называемого “графического метода” сначала по параметрам газа в СВД и окружающей среде (обычно воздух) определяются значения безразмерного радиуса сферы и давления в УВ в момент разрыва. Найденная точка наносится на график с результатами численных расчетов. Для получения величины избыточного давления на любом расстоянии от центра сферы из нанесенной точки проводится кривая, параллельная ближайшей.
Дополнением к систематическим расчетам [34,35] могут служить результаты [36,37], а также аналитические оценки амплитуды ударной волны [38] и отдельные данные [39], полученные методом характеристик. Следует отметить, что в связи с относительным многообразием способов оценки фугасного действия при разрыве СВД для соответствующего выбора той или иной расчетной методики в качестве базовой необходим дополнительный критерий. Учитывая практическую значимость поставленной задачи, наиболее естественным следует признать условие адекватного описания экспериментальных данных.
Упомянутые выше методики расчета представляют собой, по существу, решение задачи о параметрах ударных волн при идеальном разрыве оболочки СВД (т.е. оболочка предполагается невесомой и разрывается мгновенно). При этом поле течения оказывается сферическим и для решения задачи
23
может быть использован одномерный подход. В общем случае такие допущения справедливы для сосудов, имеющих относительно легкую оболочку из хрупкого материала, дающую при разрыве большое количество осколков. Однако даже в случае стеклянной оболочки не удается получить полного соответствия экспериментально измеренной и рассчитанной интенсивности ударной волны. Авторы [22-24] при сравнении экспериментальных данных с результатами численных расчетов [36,37] обнаружили, что удовлетворительного совпадения можно достигнуть только при уменьшении значения начального давления при постановке задачи по сравнению с имеющим место в опыте. Этот факт но [22-24] обусловлен расходом части энергии газа СВД на разгон образующихся фрагментов. Для рассматриваемого в [24] случая разлета стеклянных оболочек кинетическая энергия осколков составила -16 % от полной энергии. Гораздо большее по сравнению с расчетным ослабление ударной волны получено в [40], где исследован разлет оболочек, выполненных из стали. Дальнейшее развитие "энерг етический" подход получил в работе [41]. Здесь, помимо кинетической энергии фрагментов предлагалось учитывать энергию, затраченную на разрыв оболочки.
В случае, если оболочка сосуда выполнена из упругопластического материала, например, из вязкого металла, то при ее разрушении, во-первых, образуется незначительное количество осколков и, во-вторых, время разрыва сравнимо с временем пробега волны разрежения в объеме СВД. Первый фактор обусловливает неодномерную картину течения, а второй - отсутствие выраженного ударного разрыва на начальной стадии раскрытия оболочки (т.е. практически наблюдается истечение струи через небольшое отверстие). Попытка анализа подобной задачи представлена в [35]. Здесь проведены двумерные численные расчеты реальной динамики истечения газа и формирования ударного фронта при разрыве сферического СВД на две равные половины. В результате обобщения расчетных зависимостей
24
построены семейства кривых в безразмерных координатах, по которым можно определить интенсивность УВ на различных расстояниях от СВД вдоль плоскости разрыва в интересующем диапазоне начальных условий. Предлагаемый способ является аналогом графического метода [34]. Следует заметить, что практическая важность расчетов при мгновенном раскрытии оболочки заключается в том, что именно этот случай дает максимальные значения амплитуды взрывной волны, что разумно использовать при консервативных оценках фугасного действия.
Анализ задачи определения характеристик ударных волн при разрыве сосудов высокого давления показывает, что контрольными параметрами, определяющими потенциальное фугасное действие при разрыве СВД, являются начальное давление, отношение удельных теплоемкостей и скорость звука заполняющею газа. Современные компьютеры позволяют провести численные расчеты (одномерные или многомерные) полей давления при разрыве СВД в частном случае. Но до сих пор не существует универсальной инженерной методики полного описания профиля давления ударной волны. Разработка подобной методики тем более обоснованна тем фактом, что профиль УВ от разрыва СВД существенно отличается от профиля взрывной волны при взрыве высокоэнергетичного заряда конденсированного взрывчатого вещества. Важной характерной особенностью является наличие значительной фазы разрежения и вторичного пика давления. При едином методическом подходе следует учитывать, что газообразное вещество, как наполнитель СВД, является лишь частным случаем в широком спектре сред высокого давления. Переход к менее изученным многофазным и реагирующим средам требует проведения систематических экспериментатьных исследований. При этом для построения обобщенной картины взрывных явлений и выяснения влияния тех или иных факторов на параметры У В целесообразно рассматривать результаты, полученные в рамках единой экспериментальной методики.
25
§ 1.2 Моделирование взрывных волн на ударной трубе
В различных областях газовой динамики и химической физики быстропротекающих процессов ударная труба используется в качестве удобного инструмента, позволяющего обеспечить необходимые параметры газового потока. При этом, как правило, основные усилия направляются на реализацию постоянных параметров (давление, температура, плотность) за падающей или отраженной волной [42,43] в течение времени наблюдения. Одним из основных параметров, характеризующих ударную волну является число Маха М. По теории ударной трубы величина Мсвязана с отношением давлений на мембране известной формулой [43]:
Здесь р, - давление газа в камере высокого давления (КВД), а ро - в камере низкого давления (КПД). у0 , а0 - отношение удельных теплоемкостей и скорость звука в невозмущенном газе КНД, а у]9 - в КВД. Величина
избыточного давления на фронте /?80 связана с числом Маха УВ соотношением:
а = 2/<>м2+1 -го Г] _ а-1 ао_(м
] _ •Л—У Го +1 я,
2Л I л-1
(1.1)
А/
Ро Го +1
(1.2)
Таким образом, обозначая Р80 = , имеем при распаде разрыва:
Ро
Соотношения (1.1) - (1.3) позволяют рассчитать интенсивность ударной волны в момент распада разрыва. Дополнительными параметрами, характеризующими начальное состояние, являются температура и молекулярный вес газов. По аналогии с введенными обозначениями имеем Т]9 Ы] - температура и молекулярный вес газа в КВД, а Т0, /л0 -
соответствующие параметры газа в КНД. В стандартной конфигурации ударной трубы постоянного сечения формируется У В ступенчатого профиля давления, которая распространяется с постоянной скоростью, по крайней мере, на начальном участке камеры низкого давления. При исследовании взрывных процессов в основном имеют дело с ударными волнами конечной длительности с существенно нестационарным течением за фронтом. В типичном случае взрыва заряда конденсированного ВВ формируется волна со спадающим давлением за фронтом (т.н. волна треугольного профиля давления). Для описания профиля давления такой волны используют различные соотношения [13]. При этом основными параметрами являются амплитуда волны и длительность фазы сжатия. Последняя величина меняется от сотен миллисекунд для ядерных взрывов [29] до десятков микросекунд для взрывов малых зарядов ВВ [44]. Промежуточное место занимают взрывы топливовоздушных облаков [45] и разрыв сосудов высокого давления [7,24].
Ударная груба, используемая в так называемом «нерасчетном» режиме [46] позволяет смоделировать плоские ударные волны конечной длительности. Если длина КВД £ значительно меньше длины КНД, то на расстояниях Я таких, что Н/1 » 1 наблюдаются УВ конечной длительности со спадающим давлением за фронтом. В [47,48] реализована методика возбуждения плоских волн треугольного профиля давления для изучения процессов дробления капель и для генерации волновых возмущений в двухфазной газожидкостной среде. Для настоящего исследования важным является то, что не только амплитуда, но и профиль давления (длительность) плоской взрывной волны несет информацию о
27