Газодинамика спонтанных взрывных процессов

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ....................................................................5
ГЛАВА 1 ГАЗОДИНАМИКА СПОНТАННЫХ ПРОЦЕССОВ
ЗАРОЖДЕНИЯ ВЗРЫВА................................................15
1.1 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ СПОНТАННЫХ ВЗРЫВНЫХ ПРОЦЕССОВ......................................................19
1.1.1 Основная задача исследования.........................................19
1.1.2 Эволюция газодинамического течения при спонтанном воспламенении......22
1.1.2.1 Линейное распределение температуры.................................23
1.1.2.2 Физические аспекты формирования градиентов температуры.............27
1.1.2.3 Основные итоги наблюдений развития взрывных течений по результатам численного моделирования..............................................32
1.1.3 Механизм сцепления химических и газодинамических процессов.
Структура спонтанных пламен...........................................34
1.1.3.1 Формулировка ЭХУАСЕК - механизма...................................34
1.1.3.2 Детальное качественное описание усиления взрывных процессов в случае синфазного выделения энергии при распространении ударной волны........35
1.1.3.3 Математическое описание основных стадий безударного инициирования детонации в среде с неравномерным распределением времени индукции.
Критерии сцепления химических и газодинамических процессов...........37
1.1.4 Экспериментальные данные по верификации процессов невзрывного инициирования детонации..............................................46
1.1.4.1 Позитивные экспериментальные наблюдения............................47
1.1.4.2 Нейтральные экспериментальные наблюдения...........................51
1.1.4.3 Негативные экспериментальные наблюдения............................52
1.1.5 Обобщенное понятие класса спонтанных пламен.......................... 53
1.2 ЭКЗОТЕРМИЧЕСКИЕ ЦЕНТРЫ КАК ПРИЧИНА СПОНТАННЫХ ПРОЦЕССОВ..................................................................56
1.2.1 Роль экзотермических центров в процессах возникновения взрывных явлений. ... 51
1.2.2 Критические условия возникновения мягкого и жесткого воспламенения
с позиции концепции спонтанных пламен.................................60
1.2.3 Модель численного определения границ мягкого и жесткого воспламенения 65
1.2.3.1 Алгоритм вычислений................................................65
1.2.3.2 Верификация модели для области низких давлений.....................66
1.2.3.3 Верификация модели для области высоких давлений....................67
1.2.4 Развитие течения для разных типов воспламенения......................72
1.2.5 Примеры использования модели мягкого и жесткого воспламенения........72
1.2.5.1 Влияние состава смеси на границу мягкого и жесткого режимов воспламенения.72
1.2.5.2 Влияние активных промотирующих добавок на границу мягкого и жесткого режимов воспламенения.................................................74
1.2.5.3 Влияние пассивных добавок на границу мягкого и жесткого режимов воспламенения.........................................................74
2
1.3 ИНИЦИИРОВАНИЕ ВЗРЫВНЫХ ПРОЦЕССОВ ЗА ОТРАЖЕННЫМИ УДАРНЫМИ ВОЛНАМИ......................................................81
1.3.1 Газодинамические особенности отражения ударных волн.............84
1.3.1.1 Прямоугольные ударные волны...................................84
1.3.1.2 Ударные волны с треугольным профилем давления - взрывные волны.85
1.3.2 Модель распространения спонтанных пламен за отраженными
ударными волнами..................................................97
1.3.2.1 Общее описание течения реагирующей среды.
Распространение малых возмущений в реагирующей среде............97
1.3.2.2 Отражение прямоугольной волны................................101
1.3.2.3 Нормальное отражение взрывной волны..........................104
1.3.2.4 Замечания для мягкого режима воспламенения...................110
1.3.2.5 Замечания для разбавленных смесей............................115
ГЛАВА 2. ИНИЦИИРОВАНИЕ ВЗРЫВНЫХ ТЕЧЕНИЙ ГАЗА
В СХОДЯЩИХСЯ ПОТОКАХ.......................................116
2.1 ВВЕДЕНИЕ , ФОРМУЛИРОВКА ЗАДАЧИ, МЕТОД ИССЛЕДОВАНИЯ...............116
2.2 ДИНАМИКА УДАРНЫХ ВОЛН ПРИ ФОКУСИРОВКЕ В ИНЕРТНОЙ СРЕДЕ. .. .121
2.3 ДЕМОНСТРАЦИЯ ВЗРЫВНЫХ РЕЖИМОВ ГОРЕНИЯ ПРИ ФОКУСИРОВКЕ УДАРНЫХ ВОЛН......................................................130
2.3.1 Фокусировка на двумерных параболических отражателях............130
2.3.2 Фокусировка на угловых отражателях.............................137
2.4. КРИТИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ ПРИ ФОКУСИРОВКЕ УДАРНЫХ ВОЛН НА
КЛИНОВИДНЫХ ОТРАЖАТЕЛЯХ В РЕАГИРУЮЩЕЙ СРЕДЕ......................143
2.4.1 Качественное описание предела воспламенения....................143
2.4.2 Критические условия прямого инициирования детонации при фокусировке ударных волн......................................................147
2.5 МАСШТАБНЫЙ ФАКТОР ПРИ ИНИЦИИРОВАНИИ ДЕТОНАЦИИ
В КОНИЧЕСКИХ И ДВУМЕРНЫХ КЛИНОВИДНЫХ ОТРАЖАТЕЛЯХ..................154
2.5.1 Энергия, аккумулированная в отражателе.........................155
2.5.2 Экспериментальные данные.......................................166
2.5.3 Энергетическая теория инициирования детонации при фокусировке ударных
волн на конических и клиновидных отражателях.....................170
2.5.4 Обобщение À/d -критерия.......................................... 176
ГЛАВА 3 ОСОБЕННОСТИ ГАЗОДИНАМИКИ УДАРНЫХ И ВЗРЫВНЫХ ВОЛН, СФОРМИРОВАННЫХ ДВИЖЕНИЕМ ПЛАМЕН.....................................................179
3.1 ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕЧЕНИЯ ГАЗА В ШЕРОХОВАТЫХ ТРУБАХ ЗАПОЛНЕННЫХ ГОРЯЩЕЙ С ПЕРЕМЕННОЙ СКОРОСТЬЮ ГАЗОВОЙ СМЕСЬЮ....................................................179
3.1.1 Формулировка модели............................................179
3.1.2 Верификация модели.............................................182
3
3.1.3 Влияние шероховатости.........................................186
3.1.4 Влияние ускорения пламени.....................................189
3.1.5 Влияние замедления пламени....................................189
3.2 ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕЧЕНИЯ ГАЗА ПРИ ВСКРЫТИИ
ОБЪЕМА С ГОРЯЩЕЙ Г1ЫЛЕВЗВЕСЫО....................................192
3.2.1 Постановка задачи.............................................194
3.2.2 Результаты расчетов.......................................... 197
3.3 ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ИНИЦИИРОВАНИЯ ДЕТОНАЦИИ
В ПРОЦЕССЕ ИСТЕЧЕНИЯ ГОРЯЩЕЙ СМЕСИ ИЗ ОБЪЕМА.....................201
3.3.1 Физические предпосылки........................................201
3.3.2 Поставка задачи...............................................203
3.3.3 Результаты расчетов. Короткая присоединенная труба............205
3.3.4 Результаты расчетов. Длинная присоединенная труба.............208
ГЛАВА 4 МЕТАНИЕ ТЕЛ ВЗРЫВНЫМИ ТЕЧЕНИЯМИ ГАЗА 212
4.1 МЕТОДЫ РАСЧЕТА МАКСИМАЛЬНОЙ СКОРОСТИ ОСКОЛКОВ....................213
4.2 КВАЗИСТАЦИОНАРНАЯ МОДЕЛЬ РАЗРЫВА СОСУДОВ........................217
4.2.1 Общая постановка задачи квазистационарного описания разрыва
сосудов высокого давления.......................................217
4.2.2 Разрыв сосудов с инертным газом...............................222
4.2.3 Учет неидеальности отрыва фрагмента оболочки..................227
4.2.4 Разрыв сосудов с реакционноспособным газом. Горение с постоянной скоростью .238
4.2.5 Разрыв сосудов с реакционноспособным газом. Тепловое самовоспламенение. .. .242
4.3 МОДЕЛИРОВАНИЕ УСКОРЕНИЯ ТЕЛА ГАЗОВЫМ ПОТОКОМ
ОТ РАСПРОСТРАНЯЮЩЕГОСЯ ПЛАМЕНИ В ТРУБЕ...........................247
4.3.1 Формулировка модели ускорения тела в трубе....................247
4.3.2 Верификация модели............................................255
4.3.3 Анализ результатов моделирования..............................259
4.4 ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ОБЛАСТИ ВОСПЛАМЕНЕНИЯ С ВОЛНОЙ РАЗРЕЖЕНИЯ В ЗАДАЧЕ ЛАГРАНЖА С РЕАКЦИЕЙ
АРРЕНИУСОВСКОГО ТИПА.............................................264
4.4.1 Постановка задачи.............................................264
4.4.2 Анализ типов течения газа.....................................265
4.4.3 Результаты численного моделирования...........................270
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ........................................................274
СПИСОК ЦИТИРУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ........................................279
СПИСОК ПРИНЯТЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ И СОКРАЩЕНИЙ.............................291
ПРИЛОЖЕНИЕ. МЕТОДИКА ЧИСЛЕННЫХ РАСЧЕТОВ..............................300
4
Введение
Использование процессов горения в современных промышленных циклах ставит задачу управления спонтанными взрывными явлениями, приводящими к инициированию неконтролируемых, нерасчетных режимов распространения пламени. К таким явлениям можно отнести возникновение неустойчивости горения в ракетных двигателях и двигателях внутреннего сгорания, генерацию быстрых и разрушительных режимов горения при аварийных выбросах реакционноспособных веществ в атмосферу, переход медленных режимов горения в детонацию в загроможденных участках.
В настоящее время большинство упомянутых явлений не имеют удовлетворительного объяснения. Развивающаяся в последние 20 лет концепция спонтанных пламен в области физико-химической термогазодииамики является одним из способов преодоления возникших затруднений. Сформулированная первоначально как чисто академическая задача, данная концепция в последнее время с успехом применяется для определения критических условий возбуждения детонационных волн в модельных и практических системах. Однако, различие в трактовках научных институтов и направлений основных положений концепции спонтанных пламен делает затруднительным более активное использование данного подхода при решении технологических задач. Поэтому, с научной точки зрения актуальным является теоретическое обоснование и выработка единой концепции возникновения спонтанных взрывных процессов.
Другим важным практическим аспектом на современном этапе развития промышленности являются проблемы безопасности и риска на предприятиях. Комплексный подход к этим вопросам состоит во всестороннем учете возможных последствий аварий, разработке методов оценки воздействия различных поражающих факторов на элементы технологического оборудования и биообъекты, рассмотрение всего спектра физико-химических процессов, ведущих к нерасчетным режимам эксплуатации оборудования. Значительное место среди элементов
5
технологического оборудования, используемых в химической и нефтеперерабатывающей промышленности, занимают различного рода сосуды (ресиверы, резервуары, реакторы и т.п.). Такие сосуды могут содержать вещества или смеси веществ в различных фазовых состояниях и в широком диапазоне термодинамических параметров. Безопасная эксплуатация сосудов - одно из основных требований проектирования промышленных установок. Основным процессом, представляющим интерес с точки зрения безопасности эксплуатации, является потеря герметичности, что может произойти в результате нарушения технологического процесса (выход из строя систем регулирования давления; нежелательный химический процесс), уменьшения толщины стенок сосуда (коррозия; эррозия; химическое воздействие), снижения прочности сосуда (перегрев; дефекты стенок с последующим развитием трещин).
Как следствие может произойти утечка или выброс вещества в окружающую атмосферу, разрушение стенок сосуда с образованием высокоскоростных осколков, формирование ударных волн. Соответственно основными поражающими факторами, возникающими от разрыва сосуда являются: фугасное действие ударной волны, осколочное действие,
термическое и токсическое поражение (в случае, если газ, содержащийся в сосуде, реакционноспособен или токсичен). Отвлекаясь, от двух последних факторов поражения, заметим, что если для больших сосудов (более 100 м3) наиболее существенным с точки зрения опасности представляется ударная волна, то для малых сосудов высокого давления таким фактором является действие фрагментов оболочки, образующихся в результате разрыва.
Диссертация посвящена теоретическому исследованию инициирования и распространения спонтанных взрывных процессов в реакционноснособной среде, определению параметров действия ударных и взрывных волн при наличии энерговыделения в системе и разработке методов оценки опасности летящих фрагментов при разрыве сосудов высокого давления.
6
Предмет исследования составляет нестационарное газодинамическое течение реагирующей среды от момента самовоспламенения до установления характерной моды распространения пламени (детонации, дефлаграции, ламинарного или турбулентного пламени). Рассмотренный круг физических явлений включает воспламенение за проходящими и отраженными ударными волнами, возникновение различных режимов горения при кумуляции потоков горючей смеси на различных отражателях, инициирование детонации в системах с потерями импульса, при разгерметизации объемов, заполненных реакционным газом, и в задачах внутренней баллистики. Методика исследования основана на использовании аналитических моделей воспламенения и теплового взрыва, анализе асимптотического совместного поведения системы уравнений газодинамики и химической кинетики, а также на проведении одно- и двумерных численных расчетов нестационарных течений реагирующего газа с привлечением детального механизма выделения химической энергии. Результаты, полученные при анализе, там, где это возможно, сравниваются с имеющимися экспериментальными данными.
Выполненные в диссертационной работе исследования развивают современное научное направление в физике горения и взрыва - динамика спонтанных режимов горения и взрыва.
Научная новизна работы.
1) обобщены современные представления о спонтанных взрывных процессах и обоснована единая классификация направлений в изучении спонтанных взрывных явлений,
2) на основе концепции спонтанных пламен построена теория мягкого и жесткого самовоспламенения, качественно и количественно предсказывающая влияние термодинамических параметров и состава смеси на характеристики взрывного превращения в экзотермических центрах,
7
3) впервые, с помощью асимптотического метода, проанализирована структура и динамика инициирования детонации за отраженными ударными волнами с произвольным профилем изменения параметров течения,
4) методами численного моделирования впервые систематически исследованы процессы инициирования различных режимов горения при фокусировке ударных волн на параболических и клиновидных отражателях, описана динамика и структура течения реагирующего газа, выведены критерии самовоспламенения и возбуждения детонации, проанализировано влияние масштабного фактора,
5) разработаны теоретические модели, позволяющие определять параметры ударных и взрывных волн, формирующиеся при распространении пламени во вскрьшлющихся сосудах, заполненных газообразной и двухфазной горючей смесью,
6) впервые продемонстрирована реализация спонтанного пламени при взаимодействии вихревых течений газа со стенкой при разгерметизации реакционных сосудов, показана роль геометрических ограничений на развитие воспламенения,
7) разработана теоретическая модель разрыва сосудов высокого давления с образованием высокоскоростных фрагментов оболочки, которая позволяет определить кинематические характеристики летящих фрагментов,
8) в задачах внутренней баллистики показана возможность инициирования нестационарных взрывных процессов, приводящих к детонации.
Лоетоверность полученных результатов обеспечивается обоснованностью постановки задач, сопоставлением результатов с известными решениями и экспериментальными данными.
Практическая ценность Полученные в работе новые результаты могут найти применение в задачах управления взрывными процессами, организации устойчивого цикла сгорания топлива в энергетических установках и
ракетных камерах сгорания. Разработанные критерии возникновения взрывных процессов могут использоваться при анализе риска появления опасных режимов взрывного превращения в аварийных ситуациях, связанных с выбросом взрывоопасной смеси в атмосферу. Модели расчета фугасного действия ударных и взрывных волн, а также модели определения кинематических параметров осколков, образующихся при взрыве сосудов высокого давления, могут использоваться при оценке взрывобезопасности промышленных предприятий.
Апробация работы. Результаты, вошедшие в диссертацию докладывались и обсуждались на V всесоюзной школе-семинаре по вопросам воспламенения и горения аэродисперсных систем (Одесса 1989), IX, XI, XII Всесоюзных Симпозиумах по горению и взрыву (Суздаль, 1989, Черноголовка 1996, 2000), IV, VI Международных коллоквиумах по взрывам пылей (Порабка-Козубник 1990, Варшава 1992, Польша), Германо - Российской рабочей встрече но процессам горения (Дармштадт, ФРГ’, 1993, Москва, 1995), заседании Русской и Японской секций международного института горения (Черноголовка, 1993), Международной встрече по воспламенению и переходу в детонацию при геометрических ограничениях (Аахен, ФРГ, 1998), XV, XVI, XVII Международных коллоквиумах по динамике взрыва и реагирующих систем (Болдер, США, 1995, Краков, Польша, 1997, Гейдельберг, ФРГ, 1999), XXV, XXVI Международных симпозиумах по горению (Ирвайн, США, 1994, Неаполь, Италия 1996), XX, XXII Международных симпозиумах по ударным волнам (Пасадена, США, 1995, Лондон, Англия, 1999), Семинаре по проблемам пожаро-взрывобезопасности (Престон, Англия, 1994), I Международном симпозиуме по проблемам моделирования теплопереноса (Измир, Турция, 1997), Международном коллоквиуме по детонации (Санкт-Петербург, 1998), 24 Международном семинаре по визуализации течений (Сендай, Япония, 2000), Семинарах ИХФ РАН, Семинарах лаборатории ударных волн Рейн-Вестфальской высшей технической школы (Аахен, ФРГ, 1997,1998).
9
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка цитированной литературы и приложения. Принят единый стиль обозначений, список которых дан в конце диссертации. Для библиографических ссылок использована сквозная нумерация. Общие выводы по работе суммированы в заключении. Диссертация содержит 303 страницы текста, включая 97 иллюстраций и список литературы из 189 ссылок.
Во введении приведена общая характеристика работы, сформулированы основные задачи исследования и цели работы, обоснована актуальность проблемы. В первой главе вводятся основные понятия теории спонтанных пламен, представлен обзор исследований по проблеме. Исследованы вопросы формирования экзотермических центров и определения типа воспламенения исходя из концепции спонтанных процессов. Проанализирована структура взрывных течений газа за отраженными ударными волнами различного профиля. Вторая глава представляет собой исследование процессов инициирования различных режимов горения в сходящихся газовых потоках при фокусировке ударных и взрывных волн. В третьей главе рассмотрены модели определения параметров ударных волн, образующихся при распространении пламени в трубах и сосудах. Рассмотрен пример инициирования вторичных взрывных процессов при разгерметизации объема, заполненного горючей газовой смесыо. Четвертая глава посвящена исследованию процесса ускорения тел газовым потоком в процессе разрыва сосудов высокого давления и в задачах внутренней баллистики. В приложении приведена сводка основных уравнений, использованных в численных решениях задач, описан алгоритм численного счета и представлены кинетические параметры детального механизма химических реакций.
Автор выражает благодарность профессору, д.ф.-м.н. академику РАЕН Б.Е.Гельфанду за постоянный интерес к работе и помощь в формулировке направлений исследований, к.ф.-м.н. С.П.Медвсдсву, к.т.н. С.В.Хомику,
10
А.Н.Поленову, за помощь в проведении экспериментальных исследований. Публикации Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах.
1. Гельфанд Б.Е., Фролов С.М., Бартенев Л.М., К расчету разрыва реакционного сосуда высокого давления, Физика горения и взрыва, 1988, №4, с. 114-123.
2. Бартенев А.М., Гельфанд Б.Е., Медведев С.П., Поленов А.Н., Фролов С.М., Кинематика фрагментов при разрыве сосудов высокого давления, Изв. АН СССР, Механика Жидкости и Г аза, 1988, № 6, с.88-93.
3. Гельфанд Б.Е., Фролов С.М., Бартенев Л.М., Цыганов С.А., Задача {/( лагранжа с постепенным выделением энергии в реакции аррениусовского
типа, Химическая физика, 1988, т.7, № 2, с. 263 - 270.
4. Гельфанд Б.Е., Фролов С.М., Бартенев А.М., Цыганов С.А., К вопросу о прямом инициировании детонации в газовзвеси, Химическая физика,
1989, т.8, № 11, с. 1547- 1553.
5. Gelfand В.Е., Frolov S.М., Bartenev A.M., Tsyganov S.A., On direct initiation of detonation in a dusty medium, Archivum Combustionis, 1989, v.9, № 1/4, p.205-215.
6. Гельфанд Б.Е., Медведев С.П., Поленов A.H., Бартенев Л.М., Ударные волны при разлете объема горящей пылевзвеси, Физика горения и взрыва,
1990, №3, с. 85-91.
7. Gelfand В.Е., Medvedev S.P., Polenov A.N., Bartenev Л.М., Tsyganov S.A. Shock waves by expanding burning dust suspension // Fourth Intern. Colloq. on Dust Explosions, Porabka-Kozubnik, Book of abstr.,1990, p.57.
8. Gelfand B.E., Bartenev Л.М., The peculiarities of distribution of thermodynamic parameters behind a reflected blast wave, Proc. of Joint Meeting of the Russian and Japanese Sections, The Combustion Institute, Chemogolovka, 1993, p.185-187.
9. Bartenev A.M., Gelfand B.E., Frolov S.М., The rupture of vessels, containing explosive mixtures, Proc. of the 5th Int. Coll., on Dust Explosions, Warsaw,
1993, p.465-473.
10.Bartenev A.M., Medvedev S.P., Polcnov A.N., Gelfand B.E., The effect of dust filler on the rupture of high pressure vessels, Proceedings of the 6,h International Colloquium on Dust Explosions, Northeasten University Press, Shenyang, P.R.C., 1994, p.l 16 - 124.
11.Bartenev A.M., Gelfand B.E., Weak and strong ignition within the scope of spontaneous flame concept, Twenty Fifth Symposium (International) on Combustion, The Combustion Institute, 1994, p.61-64.
12.Gelfand B.E., Bartenev A.M., Medvedev S.P., Polenov A.N., Gronig H., Lenarts М., Specific features of incident and reflected blast waves, Int. Joum. of Shock Waves., 1994., № 4., p.l 37-143
13.Bartenev A.M., Gelfand B.E., On the detonation escalation behind reflected blast waves, Conference Proceedings, 15,h International Colloquium on the Dynamics of Explosions and Reactive Systems, University of Colorado, Boulder, USA, 1995, p.418- 420
14.Gelfand B.E., Khomik, S.V., Medvedev S.P., Polenov, A.N., Bartenev A.M., Selfignition of combustible mixtures behind shock waves reflected at the nonflat surfaces at high initial pressure, Book of Abstracts, 20th Int. Symposium on Shock Waves, California Institute of Technology, Pasadena, USA, 1995, p.251
15.Bartenev A.M., Medvedev S.P., Gelfand B.E., On detonation initiation due to venting of combustible gas mixture, 26th Symp. (Int.) on Combustion, The Combustion Institute, Universiteta Federico II, Napoli, Campi Phlegrai, Book of Abstr., 1996, v.2, p. 121.
16.Медведев С.П., Бартенев A.M., Поленов A.H., Хомик С.В., Гельфанд Б.Е., Возникновение детонации при сбросе давления газового взрыва, Химическая физика процессов горения и взрыва, XI Симпозиум по горению и взрыву, Черноголовка, 1996, т.2, с.68-70.
17.Bartenev A.M., Medvedev S.P., Gelfand B.E., Numerical study of reactive gas flow during venting process, Proc. of 1st Symp. Intern. On Advances in Computational Heat Transfer, ICHMT Turkey, (G.V. Davis, E.Leonardi eds.),
Begell House, INC, NY-Wallingford, 1998, p. 192-199.
18.Bartenev A.M., Gelfand B.E., Medvedev S.P., Polenov A.N., Khomik S.V., Gronig H, Olivier H, Numerical modeling of ignition phenomena under focusing conditions, Proc. 7th ICNC SIAM, York UK, 1998, p. 148.
19.Гельфанд Б.Е., Хомик C.B., Медведев С.П., Поленов А.Н., Бартенев А.М., Грёниг Г., Самовоспламенение гомогенных газовых смесей вблизи неплоских поверхностей, Доклады РАН ,1998 ,т.359 , № 4, с.489.
20.Бартенев А.М., Гельфанд Б.Е., Грёниг Г., Медведев С.П., Хомик С.В., Поленов А.Н., Горение газовых смесей в пространстве с неоднородным полем давления и температуры, Изв. АН СССР, Механика Жидкости и Газа, 1999 , № 2 с. 120-127.
21.Bartenev A.M., Gelfand В.Е., Medvedev S.P., Polenov A.N., Khomik S.V., Gronig H., Olivier H., Numerical modeling of ignition and detonation phenomena under focusing conditions, Advances in experimentation and computation of detonations, Book of Abstracts, Ed. by Roy G.D., Frolov S.М., Kailasanath K., Smirnov N.N., ENAS Publ., 1998, p. 26-27.
22.Bartenev A.M., Gelfand B.E., Gronig H., Olivier H. Critical conditions of ignition and detonation phenomena at shock focusing, Proceedings of 22nd ISSW, Imperial College, London, 1999, p. 179-184.
23.Gelfand B.E., Khomik S.V., Bartenev A.M., Medvedev S.P., Gronig H., Detonation initiation at the focusing of shock waves in combustible gaseous mixture, Int. Journ. of Shock Waves, 2000,v. 10, X°3, p. 197-204
24.Gelfand B.E., Khomik S.V., Bartenev A.M., Medvedev S.P., Gronig H., Detonation initiation at the focusing of shock waves in combustible gaseous mixture, Proc. of 17th ICDERS, Heidelberg, CD- version, 1999
25.Bartenev A.M., Khomik S.V., Gelfand B.E., Gronig H., Olivier H. Effect of Reflection Type on Detonation Initiation at Shock Waves Focusing, Int. Journ. of Shock Waves, 2000, v. 10., №3, p. 205-215
26.Bartenev A.M., Gelfand B.E., Spontaneous initiation of detonations, Progress in Energy and Combustion Science, 2000, v.26, p.29-55.
13
27.Бартенев A.M., Хомик С.В., Гельфанд Б.Е., Грёниг Г., Оливер Г., Влияние типа отражателя на инициирование детонации при фокусировке ударных волн, XII Симпозиум по горению и взрыву, Черноголовка, 2000, с.80-81.
28.Khomik S.V., Medvedev S.P., Bartenev A.M., Gelfand B.E., Gronig H., Olivier
H., Time-resolved studies of mild and strong ignition of hydrogen-air mixtures, Proc. Of the International Workshop on Shock Wave Focusing Phenomena in Combustible Mixtures: Ignition and Transition to Detonation of reactive media under geometrical constrains, eds. Gronig H. and Gelfand B.E., RWTH Aachen, 1999, p.15-32.
29.Bartenev A.M., Gelfand B.E., Medvedev S.P., Polenov A.N., Khomik S.V., Gronig H., Olivier H., Numerical modeling of shock waves focusing phenomena in hydrogen-air mixtures, Proc. Of the International Workshop on Shock Wave Focusing Phenomena in Combustible Mixtures: Ignition and Transition to Detonation of reactive media under geometrical constrains, eds. Gronig H. and Gelfand B.E., RWTH Aachen, 1999, p. 33-46.
30.Bartenev A.M., Khomik S.V., Gelfand B.E., Gronig H., Olivier H., Numerical visualization of explosion phenomena behind Converging - Diverging Shock Waves, Proc. 24th Int. Congress on High -Speed Photography and Photonics, Sep. 24-29, Sendai, Japan, 2000, p.247.
31.Гельфанд Б.Е., Медведев С.П., Поленов А.Н., Хомик С.В., Бартенев Л.М., Основные режимы самовоспламенения и условия их реализации в горючих газовых смесях, Физика горения и взрыва, 1997, № 2, с. 1-10.
32.Gelfand В.Е., Khomik, S.V., Medvedev S.P., Polenov A.N., Bartenev A.M., Breitung W., Veser A., Investigation of H2-air fast flame propagation and DDT in a tube with multidimensional endplates, Archivum Combustionis, 1998, v. 18, № 1/4, p.105-123.
14
Глава 1 Газодинамика спонтанных процессов зарождения взрыва.
Рассмотрение спонтанных процессов в области физико-химической газодинамики взрывных явлений, можно условно разделить на следующие основные разделы:
возникновение центров спонтанного выделения энергии; распространение спонтанных режимов горения; критические условия перехода одного режима горения в другой.
В реальности вышеперечисленные явления происходят одновременно и большинство работ, посвященные данному предмету, охватывают все или почти все основные стадии развития спонтанного процесса. Для построения ясной физической картины целесообразно сконцентрировать внимание на каждой отдельной стадии. Кроме того, в трактовке некоторых стадий к настоящему времени нет однозначной позиции, поэтому представляет интерес сопоставление различных взглядов на элементарные стадии спонтанных взрывных явлений.
Для того, чтобы произошел некий спонтанный процесс прежде всего необходимо наличие инициирующего центра (ИЦ). Это область пространства, где созданы условия для самопроизвольного выделения энергии химической реакции. В основном, рассматриваются экзотермические реакции горения, и поэтому ИЦ называют экзотермическими (ЭИЦ). Условия, позволяющие реакции пойти самопроизвольно, разнообразны. Самое очевидное - эго область повышенной температу ры - “горячая точка’’. Другие причины спонтанного выделения энергии связаны с повышенной концентрацией активных радикалов или промотирующих добавок, изменением состава реагирующей смеси относительно стехиометрии. Поэтому ИЦ можно определить, как пространственную неоднородность параметров, влияющих на задержку самовоспламенения реагирующей среды. В теоретических исследованиях неоднородности создаются чаще
искусственно - a priori, как начальные условия задачи Коши для системы дифференциальных уравнений сохранения газовой динамики реагирующих сред. Исключение составляют некоторые работы, в которых делается попытка смоделировать реальный, но упрощенный, процесс. Сложнее дело обстоит в экспериментальных исследованиях. Задача “мгновенного” создания неоднородности в невозмущенной смсси, реагирующей при начальной температуре, не решена до сих пор, за исключением, может быть, попыток фотоинициирования детонации. Тем не менее, возможно исследовать рассматриваемое явление экспериментально используя косвенные пути создания неоднородностей. Это могут быть процессы, связанные с газодинамическим воздействием на реагирующую среду: смешение турбулентных струй, волны разрежения и сжатия, нестационарные взаимодействия ударных волн, явления фокусировки, флуктуации температуры, нелинейные акустические явления и т.н. Идеальный эксперимент должен исключать внешние газодинамические воздействия на систему, однако на некоторой стадии таких воздействий можно допустить протекание действительно спонтанных, самопроизвольных процессов.
Инициирующий центр является причиной спонтанного процесса. Теперь можно определить спонтанный режим распространения пламени как последовательное самопроизвольное выделение экзотермической химической энергии, не связанное с воздействием газодинамических процессов внутри инициирующего центра. Математическая формулировка спонтанного пламени дана в фундаментальных работах Я.Б.Зельдовича [3,6]. По [3,6] спонтанное пламя представляет собой решение волнового уравнения, т.е. волну энерговыделения, скорость которой определяется начальным распределением параметров в инициирующем центре. В зависимости от значения этой скорости и соотношения с известными скоростями процессов горения, в системе реализуется тот или иной режим распространения пламени: от самого медленного - диффузионного
ламинарного пламени, до сверхдетонационных скоростей - недосжатая
16
детонация. Наличие пространственного распределения спонтанной скорости создает предпосылки перехода от одного режима горения к другому без участия внешних воздействий таких, как вдвигание поршня, дополнительные источники поджигания или турбулизация течения. Переход между различными режимами горения определяется соотношением вкладов химических и газодинамических процессов в волне горения. Вклад химических процессов определяется спонтанной скоростью, в то время как в газодинамические процессы проявляются в виде волны давления или ударной волны. При наличии в системе химического превращения и газодинамических волн происходит их взаимодействие, результатом которого является смена режима горения. Предлагались различные модели такого взаимодействия: 8\УАСЕ11 - механизм [4], механизм образования и распада КДК [8]. Однако в свой основе все эти механизмы сконструированы для упрощенного описания развития газодинамических возмущений в химически активном газе. Наиболее строгое аналитическое решение может быть получено с привлечением методов нелинейной газодинамики реагирующих сред.
Наличие взаимодействия между тепловыделением при химических превращениях и газодинамикой ставит перед исследователями проблему нахождения критериев сцепления этих процессов, условий образования обратной связи. Эта проблема является основным вопросом концепции спонтанного распространения пламени. Именно эти критерии и должны определять критические условия перехода одного режима горения в другой. Исходя из классификации спонтанных режимов горения [3, 6] ясно, что критерием перехода будет соотношение спонтанной скорости и скорости распространения газодинамического возмущения. Нахождению такого соотношения посвящено немало работ, в которых с различной степенью точности и доказательности анализируются итоги применения различных критериев к результатам численного моделирования.
17
Малое количество экспериментальных доказательств концепции спонтанных пламен является главным недостатком этой области исследования. Исторически основное свое развитие теория спонтанных режимов горения получила в численном моделировании. Были решены задачи о спонтанных процессах в различных конфигурациях реакционноспособной системы, при наличии нескольких ИЦ, рассмотрено поведение двухфазных систем, обсуждены некоторые практические системы, где по мнению исследователей могут быть реализованы спонтанные режимы горения. При попытке экспериментально подтвердить или опровергнуть результаты теории исследователи сталкиваются с проблемой “мгновенного” нагрева химически очень активных смесей до высокой температуры, при которой возможно проявление спонтанных эффектов, предсказанных теорией. Поэтому немногочисленные экспериментальные доказательства носят в основном косвенный характер, иллюстрируя характерные черты, которые проявляет спонтанное развитие процесса при изменении начальных условий.
Отметим несколько попыток обобщения взглядов на проблему существования спонтанных режимов горения [45,67]. Обзоры [45,67] отражают два крайних взгляда на рассматриваемую проблему. Взгляд Кларка [45] отражает восприятие проблемы распространения волн тепловыделения с точки зрения математической доказательности соответствующих решений задачи химической термогазодинамики. Авторы [67] дают феноменологическое восприятие проявлений процессов горения, не находящих адекватного объяснения в рамках теории ламинарного распространения пламени или классической теории детонации. В итоге математическая теория оказалась оторванной от конкретных примеров и развивалась как самодостаточная, а феноменология явлений распалась на анализ некоторых изолированных примеров, не подкрепленных общей моделью, кроме частных попыток численного моделирования.
18
1.1 Современное состояние исследований спонтанных взрывных процессов.
1.1.1 Основная задача исследования.
Следуя [3,6], можно сформулировать общую задачу, решение которой, является целью научно-исследовательских работ, посвященных спонтанным режимам распространения пламени. Рассмотрим замкнутое пространство, заполненное реакционноспособной газовой смесью, характеризующуюся периодом индукции самовоспламенения 1-1пЛ(х, у, 2). Период индукции 11Па(х, у, г) является функцией состава смеси и сё термодинамических параметров. На этапе формулировки задачи конкретный вид этой функции не важен, а достаточно определить, что по истечении времени задержки самовоспламенения в точке с координатами (х, у, 2) произойдет выделение химической энергии, характеризующееся подъемом температуры и изменением состава. Эволюция поверхности 1т&(х, у, г) во времени будет соответствовать распространению волны выделения химической энергии в пространстве. Скорость этой волны можно записать в виде
д (]1)
^гаеЦ!м(х,у,2)))
Соотношение модуля этой скорости и^= |27,р', названного скоростью
волны спонтанного воспламенения, с величинами других известных скоростей процессов горения составляет основу классификации режимов распространения пламени, предложенной Зельдовичем [3,6]:
При м5р > Эа - возникает распространение недосжатой детонационной волны. В этом случае ударного скачка не образуется, а скорость волны больше скорости детонации Чепмена - Жуге (Ра). В пределе (при и&р-> оо) в
системе происходит взрыв при постоянном объеме.
Если а < и$р < Иа - после воспламенения и сгорания некоторой части исходного вещества в области несгоревшего газа возникает ударная волна,
19
которая в результате переходного процесса трансформируется в детонационную волну.
ип < и,р « а < Оа - распространение дозвуковой дефлаграционной волны.
и5р < мп - в системе реализуется режим нормального пламени, обусловленный теплопроводностью или диффузией.
В вышеприведенных соотношениях йС] - скорость детонации Чепмена -Жуге, мп - нормальная скорость пламени, а - скорость звука.
В концепции Я.Б.Зельдовича понятие спонтанного пламени выступает как математическая формулировка, связывающая начальное распределение параметров в горючей смеси и известные режимы распространения горения. Следовательно, основную задачу теории спонтанного распространения взрывных процессов можно сформулировать следующим образом. Зная в момент времени р=0 распределение 1ХПй(х, у, г) в пространстве, требуется определить поведение системы в последующие моменты времени, а именно, установить режим распространения процесса горения.
На первый взгляд, по классификации Зельдовича найти ответ на поставленную задачу довольно просто - достаточно рассчитать поле скоростей спонтанного пламени и сравнить с известными скоростями горения. Однако в реальной системе в начальный момент времени присутствует набор спонтанных скоростей, отвечающих всем типам распространения взрывных режимов горения по [3,6]. Это связано с непрерывностью начальных условий в физической системе. Градиенты параметров, отвечающих за самовоспламенение, могут быть сглажены, например, процессами диффузии и теплопроводности.
Другой особенностью спонтанного возникновения взрывных процессов является неопределенность распределения 1ы(х,у,г) после истечения задержки самовоспламенения в некоторой точке пространства, а именно там, где ип6(х, у, 2) - минимально при Неизбежность появления возмущений давления в системе после первого акта воспламенения приводит к тому, что
20
поведение поля спонтанных скоростей уже не определяется только начальными условиями, а зависит от взаимодействия с газодинамическими процессами (от акустических колебаний до ударных воли). Нестационарный характер такого взаимодействия приводит к переходу одного режима горения в другой.
Таким образом, изложенная выше фундаментальная задача теории распространения спонтанных режимов пламени распадается на ряд подзадач, требующих более детального рассмотрения:
Исследование формирования в системах зоны с неравномерным распределением периода индукции воспламенения. Если не ограничиваться размерами этой зоны к таким исследованиям можно отнести работы, по образованию инициирующих центров реакции или исследованию возникновения протяженных зон с неравномерным распределением термодинамических параметров [4,10,15,36,37,39,40,44,49,50].
Установление связи между начальным распределением у, г) и режимом распространения пламени в системе. В этих работах в качестве начальных условий создаются градиенты различных параметров, от которых зависит /цкь и с помощью численного моделирования определяется возможность реализации того или иного режима распространения пламени в зависимости от формы распределения и абсолютных величин этих параметров. В итоге устанавливаются критерии возникновения взрывных процессов на основе заранее известного начального распределения параметров [ 1,2,8,9,11-13,15,17-22,25-28,30-32,42,74,79,82,90,95].
Исследование влияния газодинамических возмущений на процесс спонтанного воспламенения. В работах, посвященных данному вопросу, исследуется процесс усиления газодинамических возмущений в химически реагирующей среде, формирование переходных комплексов фронт давления -фронт реакции, обеспечивающих механизм смены одного режима распространения пламени другим [24,34,41,45].
21
Теоретическое исследование реальных физических систем с позиции спонтанного возникновения взрывных процессов. К таким работам можно отнести исследования явлений воспламенения за проходящими и отраженными ударными волнами, а также процесса перехода горения в детонацию [10,11,16,23,29,42,43,54,55,95].
Экспериментальные работы, прямо или косвенно подтверждающие концепцию спонтанных режимов распространения пламени [4,5,7,46,53,56-58,61,62,72,73,75,87-89,91,120]. Сюда же можно отнести и работы, где концепция спонтанных режимов горения отрицается [68].
1.1.2 Эволюция газодинамического течения при спонтанном воспламенении.
Создание пространственно - распределенных участков с неравномерным распределением задержки воспламенения (м(х,у,г) предполагает рассмотрение неравномерных распределений параметров, входящих в выражение для 1м(х,у,г) [65,66]:
, , ,_С,К(Т<АХ>У>2))1 ехр(£/ят0(х,у,г))
*Ш(1 ) ~ _
*е<?0 (,х,у,г)Е
1 +
2ЯТЛх,у,г)
(1.2)
Из уравнения (1.2) следует, что переменными параметрами для создания неоднородности могут быть температура Т и концентрация д горючего компонента. Систему с переменными энергией активации Е или теплотой реакции (9 реализовать на практике очень трудно. Выражение для поля спонтанной скорости записываются в следующем виде:
#-аЛ((ы(х,у,г))
[§гаЛ{1тЛ{х,у,2)))2
01.
1(1(1
УГ0 +
%
V(/c
ди
шс1
УГ0 +
Чо
(1.3)
В работах [1,2,8-13,17,19,24-29,32] проанализированы системы с
разными начальными температурными и концентрационными
распределениями. Как наиболее простое, и содержащее наименьшее
22
количество определяющих параметров, анализировалось линейное распределение температуры. Рассматривалось также линейное распределение концентрации горючего компонента смеси. В реальных физических системах чаще встречается параболическое или гауссово распределение температуры как результат распространения тепловой волны при горении или при внешнем подводе энергии в систему. Несмотря на различный тип неоднородностей, и вида распределения определяющего параметра, поля спонтанных скоростей пламени для всех случаев имеют экспоненциальный характер, так как скорость химической реакции имеет аррениусовскую зависимость от температуры. Следовательно, можно ожидать, что развитие течения во всех случаях будет подобным.
1.1.2.1 Линейное распределение температуры
Подробно схемы течения исследованы с помощью численного моделирования одномерной системы с линейным температурным градиентом [1,2,8,9,10,11,12,13,17,19,25,26,27,28]. Здесь решалась типовая система уравнений сохранения газодинамики:
др [ 1 д(риху) 0 с?1 ху дх
При таком задании начальных условий определяющими параметрами были: длина сосуда I, начальная и максимальная температуры газа Т0, Т0тах,
ди ди 1 дР
— + и 1---------—
ді дх р дх
= 0
= (Г-1)Є*/?Уехр (1.4)
V Кл ;
Р = рРТ
Начальные условия записывались в следующем виде: Г(х)=Готах-£с 0<х<1п /п - размер неоднородности
Т(х)=Т0 Ь> х > /п
23
размер неоднородности /п или величина температурного градиента
£ = (^0тах ~То)/1п •
По итогам численного решения уравнений в [1,2,8-13,17,19,25-28] найдены критические значения градиентов температуры £*<£** для которых отмечены следующие ситуации:
1) При небольших градиентах температуры воспламенение в
инициирующем центре с неравномерным распределением параметров происходит почти одновременно. В области неоднородности распространяется волна адиабатического воспламенения со скоростью, превышающей скорость детонации Ч-Ж. Волна адиабатического воспламенения представляет собой частный случай спонтанного пламени и характеризуется исключением из рассмотрения газодинамического взаимодействия между соседними микрообъемами газа. Наиболее подробно этот случай исследован в [19,25]. Высокая скорость распространения волны адиабатического воспламенения обеспечивает невозможность проникновения газодинамических возмущений из зоны сгоревшего газа в область перед фронтом волны химического взаимодействия. В системе нельзя ожидать возникновения разрывных течений типа ударной волны.
2) Наиболее интересный режим протекания процесса возникает при £*<£<£**. Этот режим характеризуется возникновением сильных ударных и детонационных волн в системе. Согласованное выделение химической энергии при распространении газодинамических скачков ведет к образованию детонационно-подобных нестационарных комплексов с экстремальными значениями температуры и давления. Анализу критических условий возникновения таких режимов и процесса усиления посвящены исследования по спонтанным режимам распространения пламени [ 1,2,6-13,15-17,19-21,23,25-29].
3) Еще один тип взрывного процесса, реализующегося по спонтанному механизму, обнаружен в [8,12] и назван детонацией с предвестником. По
24
существу, это модификация режима с большими значениями 1радиентов температуры £>£**. Слабая ударная волна, распространяясь по горючей смеси, видоизменяет распределение поля спонтанной скорости. Через определенное время, происходит вторичное самовоспламенение в окрестности места остановки первичного фронта воспламенения. Для этого режима важны процессы теплоотвода за период времени между последовательным реинициированием взрыва в системе. При отсутствии теплоотвода (за счет теплопроводности, термодиффузии и т.п.) подобный режим реализуется всегда.
4) Предельный режим взрывного процесса наблюдается при очень больших значениях градиентов £ >>£**. Первичный акт воспламенения в области с максимальным значением температуры приводит к образованию волны давления или ударного фронта, интенсивности которого недостаточно для взаимодействия с волной химического превращения. Быстрое убывание скорости спонтанного воспламенения из-за экспоненциальной зависимости от температуры вызывает отрыв химического фронта от газодинамического и постепенное затухание спонтанных процессов в системе. По классификации Зельдовича [3,6] в этом случае возможно возникновение пламен, распространяющихся по тепловому или диффузионному механизму.
Возможность невзрывного способа возбуждения детонации в случае сферической симметрии (и=3 в уравнениях (1.4)) подтверждается численным моделированием в [63,84]. В [63,84] в случае отсутствия начальных скачков уплотнения исследовалось возбуждение детонации в среде, окружающей сферический очаг с повышенной реакционной способностью. По [63] оказалось, что имеется предельное условие когда распределение смеси с повышенной реакционной способностью в очаге может приводить к возбуждению детонации в окружающей среде, скорость реакции в которой описывается глобальной кинетикой углеводородно - воздушных смесей.
Введение в рассмотрение детального механизма химической реакции
воспламенения не приводит к существенным качественным различиям в
25
определении моды взаимодействия. В таблице 1.1 приведены некоторые начальные данные, использованные различными авторами. В расчетах решалась система (1.4) с линейным распределением температуры в начальной момент и исследовались конкретные, а не модельные, горючие смеси с применением детального моделирования кинетического механизма реакции.
Таблица 1.1 Условия реализации режимов взрывного распространения
пламени в задаче с линейной температурной неоднородностью.
Смесь ^Отах К То К /п см С К/см Режим Ссылка
н2/о2 1010 1000 1 10 2 [32]
1100 1000 1 100 4 [32]
1400 1000 1 400 3 [32]
1100 1000 0.3 333 4 [32]
1400 1100 103 2.9 1 [28]
1400 1100 10.5 28.6 1 [28]
1300 1100 0.89 225 2 [28]
1400 1100 0.3 1000 3 [28]
1700 950 1 750 4 [28]
СН4Ю2 1525 1500 18.9 1.32 1 [28]
1525 1500 14.2 1.76 1 [28]
1900 1500 2.1 190 2 [28]
1900 1500 0.948 422 4 [28]
С2Нб/ 1460 1400 6.6 9.09 1 [26]
воздух 1600 1400 1.3 154 2 [26]
1600 1200 0.3 1333 3 [261
26
В специальной серии расчетов в [28] для водородо - кислородной смеси зафиксированы уровни температуры 7 отах” 1900°К и 7о=300°К, и систематически менялся градиент за счет изменения размера неоднородности. Как и ожидаюсь по [ 1,2], отмечены следующие случаи:
1) при с1Т/сЬс<230 К/см - в системе наблюдалось инициирование детонации;
2) при 230<о7ГЛ7х<750 К/см - сильное взрывное взаимодействие, однако детонации не получено;
3) при с1Т/с1х > 750 К/см - дефлаграция.
Все характерные моды развития течения, найденные в ранних работах [1,2,6-13,15-17,19-21,23], проявились и при детальном моделировании химических процессов.
Для представления о значениях температурных градиентов в пространстве при которых следует ожидать опасные режимы взрывного превращения на рис. 1.1 даны результаты расчетов (детали расчетной методики собраны в Приложении) ожидаемой амплитуды взрыва для смеси 15% Н2 + 85% воздух по системе (1.4). Расчеты выполнены при нескольких уровнях начальной температуры и давления. Как видно, диапазон реализации спонтанных режимов горения по параметру с1Т/с1х весьма узок и заключен для данной смеси в пределах 5 < <77/с1х < 40 К/см.
1.1.2.2 Физические аспекты формирования градиентов температуры.
Для понимания общности выводов рассмотренных задач полезно проиллюстрировать возможные случаи формирования градиентов температуры (часто совмещенных с градиентом концентрации). Прежде всего, можно выделить зарождение градиентов температуры при процессах кинематической и тепловой релаксации в горючих системах за счет торможения (ускорения) газа в результате трения с элементами на границах потока или рассредоточенных в объеме, а также за счет теплообмена между газом и частицами (каплями).
27
с1Т/(к [К/см]
Рис. 1.1 Области максимального повышения давления для смеси
15%Нг+85% воздух, I = 1 м.
28