Особенности детонации в полидисперсных газовзвесях

Механика жидкости и газа 1232 Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского, 2011, № 4 (3), с. 1232-1234

УДК 532.529+541.126

ОСОБЕННОСТИ ДЕТОНАЦИИ В ПОЛИДИСПЕРСНЫХ ГАЗОВЗВЕСЯХ © 2011 г. Т.А. Хмель

Институт теоретической и прикладной механики им. С. А. Христиановича СО РАН, Новосибирск

khmel@itam.nsc.ru

Поступила в редакцию 16.06.2011

Представлены результаты численного моделирования детонации в полидисперсных газовзвесях. Процессы распространения и инициирования плоских волн, двухмерные течения ячеистой детонации исследуются на модели двух-, трех- и пятифракционных взвесей частиц алюминия в кислороде. Установлены особенности структур неидеальной детонации, сценарии и критерии инициирования, свойства ячеистой детонации, в частности вырождение ячеек. При доле преобладающей фракции ниже 40% ячеистая детонация полностью вырождается в устойчивую плоскую волну, что связано с влиянием процессов меж-фазного взаимодействия различных компонент. Результаты подтверждаются данными экспериментов.

Ключевые слова: детонация, газовзвеси, ячеистая детонация, численное моделирование.

Исследования воспламенения, горения и детонации в газовзвесях обусловлены вопросами взрывопожаробезопасности производств, основанных на порошковых технологиях, и развитием детонационных технологий, например детонационных двигателей. Подавляющее большинство работ по детонационным процессам в газовзвесях выполнено в предположении монодисперсности. В то же время порошки являются обычно поли-дисперсными и характеризуются некоторой функцией распределения частиц по размерам. Распространение плоских ударных и детонационных волн в полидисперсных взвесях частиц унитарного топлива исследовалось в [1, 2], где для разных процессов в одной и той же смеси определен различный «средний» размер частиц. Цель настоящей работы — численное исследование влияния распределения частиц по размерам на характеристики плоской и ячеистой детонации в полидисперс-ных взвесях на модели многофракционных стехиометрических взвесей частиц алюминия в кислороде.

Физико-математическая модель детонации, основанная на уравнениях механики гетерогенных сред и приведенной химической кинетике, изложена в [3]. Здесь в рассмотрение включены несколько фракций частиц различного размера, при этом их взаимодействия с газом описываются идентичными соотношениями с учетом размеров частиц. Уравнения Эйлера решаются численно с применением схемы ТУБ для газа и Джентри— Мартина—Дэйли для фракций частиц. Метод успешно применялся для расчетов ячеистой детонации в монодисперсных взвесях [4]. Состав Ы-

фракционной взвеси определяется величинами

N

п = р р1 / Р р0, Р р0 = ХР р1

1=1

— начальная плотность (для стехиометрии алюминия и кислорода 1.34 кг/м3), размер частиц 1—5 мкм.

В [3] было показано, что детонация в моно-дисперсных взвесях алюминия неидеальна, в решении для стационарных структур имеется внутренняя звуковая (по замороженной скорости звука) точка. Оказалось, что в бидисперсных взвесях детонация также неидеальна, однако стационарная часть структуры ограничена равновесно-замороженной звуковой точкой ¥Е, к которой примыкает расширяющийся участок нестационарного течения до замороженной звуковой точки ¥

— точки смыкания с волной разрежения. Детонационные структуры бидисперсных взвесей характеризуются двойным ро-слоем, в крупных и в мелких частицах. Амплитуды ро-слоев определяются концентрациями фракций. Соответственно профили давления и плотности газа принимают форму кривых с двумя точками локального максимума. В зависимости от параметра насыщенности величина первого максимума может быть как выше, так и ниже второго. При непрерывной функции распределения частиц по размерам характер профилей параметров детонационной структуры бу -дет более сглаженным.

Сценарии инициирования детонации также имеют новые свойства, в частности, имеется «комбинированный» сценарий: сначала развивается детонационно-подобное течение, поддержи-

ваемое горением мелких частиц, в продуктах ко -торых происходит воспламенение крупных. Здесь возникают двухфронтовые структуры, которые существуют ограниченное время и распространяются до их слияния в одну пересжатую волну, ослабляемую впоследствии до выхода на нормальный режим детонации. Критерии инициирования детонации определяются размером частиц фракций и фракционным составом. Присутствие всего лишь 5-10% частиц втрое меньшего диаметра обеспечивает снижение энергии взрывного инициирования на30-50%.

Ячеистая детонация полидисперсных взвесей обнаруживает новые свойства, не присущие ячеистой детонации в газах или в монодисперс-ных взвесях. При значительном доминировании одной из фракций частиц характеристики ячеистой детонации подобны монодисперсной взвеси (рис. 1а), а размер ячейки определяется размером частиц доминирующей фракции. При увеличении долей частиц других размеров в численном моделировании наблюдается ослабление поперечных волн и спрямление фронта детонации (рис. 16). На рисунке мгновенные картины ячеистой детонации даны соответственно для монодис-персной (2 мкм) и бидисперсной (2 мкм и 1 мкм, П2 = 0.6) взвесей. Течение характеризуется меньшими пульсациями параметров. Снижаются максимальные давления в тройных точках и при их столкновении. Имеет место выпрямление траекторий тройных точек. Все эти свойства характеризуются как вырождение ячеистой детонации.

б) Рис. 1

В детонации трех- и пятифракционных взвесей с симметричной функцией распределения частиц по размерам ячейки образуются лишь при доле средней фракции не менее 40%.

На рис. 2 представлены траектории тройных точек в трехфракционной взвеси 1, 2 и 3.5 мкм, П2 = 0.6. При некоторых составах бидисперсных взвесей и при доле средней фракции менее 40% в трех- и пятифракционных взвесях имеет место полное вырождение ячеистой детонации в устойчиво распространяющуюся плоскую волну.

Рис. 2

Возможность устойчивого распространения плоской детонации в полидисперсных взвесях подтверждается методами акустического анализа течений. Формирование регулярной системы поперечных волн ячеистой детонации обусловлено неустойчивостью фронта и особенностями распространения возмущений в неоднородном поле течения детонации, благодаря которым первичная поперечная волна порождает вторичные волны на определенном расстоянии друг от друга [5]. Как показывает акустический анализ структур течения многофракционных взвесей, проведенный аналогично [5], процессы релаксаций каждой из фракций накладываются, характерный масштаб расстояния между поперечными волнами не определяется. В результате вторичные волны как регулярная система и ячеистая детонация не формируются. Результаты акустического анализа полностью согласуются с данными численного моделирования.

Свойство вырождения ячеистой детонации в полидисперсных взвесях подтверждается экспериментами [6], где при одинаковых условиях наблюдалось значительное снижение амплитуды пульсаций ячеистой детонации при переходе от монодисперсного к полидисперсному порошку алюминия. Подобное снижение пульсаций в течениях ячеистой детонации получено на модели трехфракционных смесей 1, 2 и 3.5 мкм при переходе от п2 = 0.8 к п2 = 0.6.

Выявленные особенности детонационных структур полидисперсных взвесей позволяют рассматривать фракционный состав смеси как возможный фактор управления характеристиками детонационных процессов.

Список литературы

1. Кутушев А.Г., Родионов С.П. // ПМТФ. 1993. №2. С. 24-31.

2. Ивандаев А.И., Кутушев А.Г., Родионов С.П. //

ПМТФ. 1995. Т. 36, №6. С. 14-24.

3. Fedorov A.V, Fomin V.M., Khmel' T.A. // Shock Waves. 1999. V. 9, No 5. P. 313-318.

4. Федоров А.В., Хмель Т.А. // ФГВ. 2005. Т. 41, №4. С.84-98.

5. Barthel H.O., Strehlow R.A. // Physics of Fluids. 1966. V. 9, No 10. P. 1896-1907.

6. Zhang F., Gerrard K.B., Rypley R. // Proc. of the 7th ISHPMIE, St. Petersburg, Russia, July 7-11, 2008. Vol. II. P. 22-23.

SPECIFIC FEATURES OF DETONATIONS IN POLYDISPERSE GAS PARTICLE MIX-TURES

T.A. Khmel

The paper presents the results of numerical simulations of detonation processes in polydisperse gas particle mixtures. Initiation and propagation of plane detonation waves, two-dimensional detonation flow of cellular detonations are investigated using the model of aluminum particles of two, three, and five fractions suspended in oxygen. Specific features of structures of non-ideal detonation, scenarios and criteria of detonation initiation are revealed. Properties of cellular detonations, specifically degeneration of detonation cells, are obtained. With dominating fraction less than 40% complete transformation of the cellular detonation into a steady propagating planar detonation wave occurs. This is stipulated by the phase interaction processes of different fractions. The results are confirmed by experimental data.

Keywords: detonation, gas particle suspensions, cellular detonation, numerical simulations.