Гетерогенная детонация газовзвесей

А.В. ФЁДОРОВ, В.М. ФОМИН, Т.А. ХМЕЛЬ





                ГЕТЕРОГЕННАЯ ДЕТОНАЦИЯ ГАЗОВЗВЕСЕЙ




Монография












НОВОСИБИРСК
2012

УДК 536.468
      ФЗЗЗ
Рецензенты:
А.Д. Рычков, д-р техн. наук, проф., главный научный сотрудник Института вычислительных технологий СО РАН, Лауреат Государственной премии СССР в области науки и техники Ю.А. Гостеев, канд. физ.-мат. наук, доцент

       Фёдоров А.В.
Ф 333 Гетерогенная детонация газовзвесей : монография / А.В. Фёдоров, В.М. Фомин, Т.А. Хмель. - Новосибирск : Изд-во НГТУ, 2012.-264 с.
           ISBN 978-5-7782-2078-2
           В монографии изложены теоретические основы, численные методы и результаты математического и численного моделирования процессов детонации в газовзвесях частиц органического или металлического топлива (на примерах частиц угольной пыли и частиц алюминия). Основные подходы для исследования динамических (ударноволновых и детонационных) процессов в пылевзвесях базируются на уравнениях механики взаимопроникающих континуумов. Представлены уравнения, вытекающие из законов сохранения, замыкающие соотношения. Описание кинетических процессов проводится в рамках моделей приведенной кинетики горения частиц. Подробно изложены методы расчетов одномерных и двумерных течений, основанные на применении схем класса TVD (в том числе их модификаций для иерархии моделей механики: равновесных по скоростям или температурам), оригинального метода Джентри-Марти-на-Дэйли и технологии параллельных вычислений. Представлены и верифицированы по экспериментальным данным физико-математические модели воспламенения и детонации угольной пыли, детонации взвесей частиц алюминия в кислороде. В рамках одномерных стационарных и нестационарных течений проведен анализ структур плоских волн, особое внимание уделено роли релаксационных процессов межфазного взаимодействия. Большой интерес представляют разделы, касающиеся двумерных течений ячеистой детонации, распространения в объемах сложной геометрии и особенностей детонации в полидисперсных средах. Внимание уделяется сопоставлению с процессами газовой детонации и анализу присущих взвесям специфических свойств. Установлена зависимость размера ячейки от размера частиц и показано, что масштаб формирующейся ячеистой детонации определяется всеми протекающими процессами релаксации. Показано, что критические условия распространения при выходе гетерогенной детонации в свободное пространство существенно отличаются от детонации газовых сред, критические число ячеек может быть в несколько раз ниже. Определено влияние распределения частиц по размерам на характеристики детонации, описано и методами акустики обосновано свойство вырождения ячеистой детонации. Предельным проявлением свойства вырождения является устойчивое распространение плоской волны детонации в полидисперсных взвесях.
           В целом изложенные в монографии постановки задач, методы и результаты позволяют представить различные аспекты явления гетерогенной детонации в моно-дисперсных и полидисперсных газовзвесях. Монография может быть полезна для студентов, аспирантов и научных работников, связанных с теоретическими и прикладными исследованиями динамических процессов в реагирующих газовзвесях.
УДК 536.468
ISBN 978-5-7782-2078-2                     © Фёдоров А.В., Фомин В.М.,
                                             Хмель Т.А., 2012
                                           © Новосибирский государственный технический университет, 2012

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение......................................................7
Глава 1. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ДЕТОНАЦИИ....................................23
§ 1.1. Подходы механики гетерогенных сред (МГС)......................23
   1.1.1. Основные гипотезы и допущения......................23
   1.1.2. Уравнения МГС для описания динамики газовзвесей....25
   1.1.3. Уравнения стационарных бегущих волн................28
§ 1.2. Равновесные модели МГС и принципы верификации.........29
   1.2.1. Односкоростная двухтемпературная модель............29
   1.2.2. Односкоростная однотемпературная модель............30
   1.2.3. Принципы верификации моделей.......................31
§ 1.3. Методы расчета течений газовзвесей на основе схем TVD.........33
   1.3.1. Обзор методов расчета динамических процессов в газовзвесях.33
   1.3.2. Схема TVD для газовой фазы.........................34
   1.3.3. Схемы для расчета дискретной фазы..................38
§ 1.4. Схемы TVD для равновесных моделей механики газовзвесей........40
   1.4.1. Модификация схем TVD для односкоростной модели.....40
   1.4.2. Модификация схем TVD для равновесной модели........42
§ 1.5. Применение технологии параллельных вычислений.........43
   1.5.1. Распараллеливание по геометрическому принципу......43
Глава 2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ДЕТОНАЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ В УГОЛЬНЫХ ПЫЛЕВЗВЕСЯХ...................45
§ 2.1. Взрывные явления и детонация в угольных пылевзвесях...45
§ 2.2. Математическая модель детонации частиц угля...........47
   2.2.1. Описание детонационных течений в газоугольной взвеси.......49
   2.2.2. Стационарные плоские детонационные волны...........51
   2.2.3. Определение кинетических параметров и верификация модели.54
§ 2.3. Структуры стационарных волн детонации.................57
§ 2.4. Ударно-волновое инициирование детонации...............58
§ 2.5. Расширенная модель детонации взвеси угольных частиц с учетом воспламенения.................................................61

§ 2.6. Анализ процесса воспламенения взвеси битуминизированного угля..........................................................67
§ 2.7. Структуры гетерогенной детонации с учетом воспламенения.....72
   2.7.1. Критерий перехода к реакции горения......................72
   2.7.2. Структуры детонационных волн при учете воспламенения.....74
Глава 3. МОДЕЛИРОВАНИЕ ВОСПЛАМЕНЕНИЯ И ГОРЕНИЯ ВЗВЕСЕЙ АЛЮМИНИЯ ПРИ ВЗРЫВНЫХ ПРОЦЕССАХ................77
§ 3.1. Моделирование горения частиц алюминия.................77
§ 3.2. Вопросы моделирования воспламенения частиц алюминия в различных условиях...............................................83
§ 3.3. Задача о воспламенении пылевзвеси частиц алюминия в ударных и детонационных волнах........................................86
Глава 4. ПЛОСКИЕ ВОЛНЫ ДЕТОНАЦИИ В ГАЗОВЗВЕСЯХ ЧАСТИЦ АЛЮМИНИЯ..........................................95
§ 4.1. Структуры стационарных волн детонации в монодисперсных взвесях частиц алюминия......................................95
   4.1.1. Проблема выбора скорости нормальной детонации......96
   4.1.2. Стационарные структуры детонации в односкоростной модели.97
   4.1.3. Стационарные структуры детонации в двухскоростной модели... 103
§ 4.2. Устойчивость и нормальные режимы детонации...........113
   4.2.1. Формулировка задачи о распространении детонационной волны с примыкающей волной разрежения........................114
   4.2.2. Область существования режимов Чепмена-Жуге........115
   4.2.3. Область существования режимов с внутренней особой точкой.116
   4.2.4. Область существования режима с межзвуковым конечным состоянием (дисперсионный интервал параметров релаксации)...119
   4.2.5. Нормальные режимы детонации.......................121
§ 4.3. Ударно-волновое инициирование детонации..............122
   4.3.1. Сценарии инициирования детонации при разрушении КВД......123
   4.3.2. Сценарии инициирования детонации в облаке частиц..125
   4.3.3. Критерии инициирования............................130
I5iaea 5. ЯЧЕИСТАЯ ГЕТЕРОГЕННАЯ ДЕТОНАЦИЯ В МОНОДИСПЕРСНЫХ ВЗВЕСЯХ ЧАСТИЦ АЛЮМИНИЯ..............................134
§ 5.1. Вводные замечания и формулировка задачи..............134
   5.1.1. Проблема определения масштабов ячеистой детонации.134
   5.1.2. Цели и задачи настоящего исследования.............137

5.1.3. Постановка задачи формирования ячеистой детонации в процессе ударно-волнового инициирования в плоском канале........138
§ 5.2. Результаты численного моделирования ячеистой детонации....139
   5.2.1. Общие характеристики ячеистых структур гетерогенной детонации........................................................140
   5.2.2. Влияние ширины расчетной области и параметров сетки....144
   5.2.3. Зависимость размера ячейки от диаметра частиц.........149
§5.3.  Роль процессов релаксации в ячеистой детонации...........151
   5.3.1. Оценка размера ячейки методами акустического анализа...151
   5.3.2. Связь между размером ячейки и масштабами релаксации....157
§ 5.4. Ячеисто-подобные режимы в ограниченном облаке (слое) частиц в канале.........................................................161

   5.4.1. Формулировка задачи инициирования...................161
   5.4.2. Пересжатая детонация при поддерживаемой УВ (D₀ > DCJ)....165
   5.4.3. Низкоскоростная детонация при поддерживаемой УВ (D o<D cj).................................................165
   5.4.4. Инициирование и распространение детонации при взрывной УВ... 168
   5.4.5. Диспергирование частиц...................................170
Глава 6. РАСПРОСТРАНЕНИЕ ГЕТЕРОГЕННОЙ ДЕТОНАЦИИ В УСЛОВИЯХ ИЗМЕНЯЮЩЕЙСЯ ГЕОМЕТРИИ.....................175
§ 6.1. Введение и обзор исследований по проблеме..............175
§ 6.2. Дифракция плоской волны детонации на обратном уступе........179
   6.2.1. Формулировка задачи.................................179
   6.2.2. Закритический режим распространения детонации.......180
   6.2.3. Докритический режим.................................183
   6.2.4. Критический режим распространения...................185
   6.2.5. Влияние ширины канала и размера частиц на режимы распространения..................................................186
§ 6.3. Дифракция ячеистой детонации на обратном уступе........187
   6.3.1. Режимы с сохранением детонации......................188
   6.3.2. Режимы при малом числе ячеек в канале...............191
   6.3.3. Критические условия распространения......................192
§ 6.4. Распространение детонации в каналах с внезапным расширением.196
   6.4.1. Перестройка поперечных волн ячеистой детонации......196
   6.4.2. Реинициирование детонации в докритических режимах...199

Глава 7. ОСОБЕННОСТИ ДЕТОНАЦИОННЫХ ТЕЧЕНИЙ В ПОЛИ-ДИСПЕРСНЫХ ГАЗОВЗВЕСЯХ......................................203
§ 7.1. Введение................................................203
§ 7.2. Стационарные структуры детонации в бидисперсных взвесях.205
   7.2.1. Постановка задачи....................................205
   7.2.2. Стационарные структуры неидеальной детонации.........206
   7.2.3. Сопряжение стационарной структуры с волной разрежения.209
   7.2.4. Формирование р -слоев................................211
§ 7.3. Инициирование детонации в бидисперсных взвесях..........212
   7.3.1. Инициирование в поддерживаемых УВ....................212
   7.3.2. Инициирование во взрывных УВ.........................214
   7.3.3. Двухфронтовые структуры гетерогенной детонации.......215
§ 7.4. Особенности ячеистой детонации в бидисперсных взвесях...216
   7.4.1. Формулировка задачи и некоторые результаты для монодис-персных взвесей..........................................216
   7.4.2. Свойства ячеистой детонации в бидисперсных взвесях...217
   7.4.3. Полное вырождение ячеистой детонации.................220
§ 7.5. Ячеистая детонация в трех- и пятифракционных взвесях....222
   7.5.1. Проявление свойств вырождения........................223
   7.5.2. Полное вырождение ячеек в полидисперсных взвесях.....225
   7.5.3. Распространение детонации в полидисперсных взвесях в канале с разрывом сечения...................................225
§ 7.6. Подтверждение и обоснование свойств вырождения..........230
   7.6.1. Экспериментальные подтверждения.......................230
   7.6.2. Обоснование свойств вырождения ячеистой детонации методами акустического анализа структур бидисперсных взвесей..232
   7.6.3. Теоретическое обоснование критерия полного вырождения ячеистой детонации в полидисперсных взвесях..............236

Заключение....................................................239

Библиографический список......................................241

ВВЕДЕНИЕ

   Пылевзвеси представляют собой смеси газа и множества твердых частиц, размеры которых составляют от десятков нанометров до миллиметров. Скопления частиц существуют в природе (где находятся обычно в насыпном состоянии благодаря гравитации), а также являются продуктом человеческой деятельности (порошки, волокна, гранулы, отходы при обработке материалов и т. д.). Под действием внешних условий (движение воздуха, движение поверхности, удары и т. д.) возможны переход частиц во взвешенное состояние и образование смесей газа и частиц (пылевзвесей). Наиболее характерным является формирование и длительное существование облаков мелких частиц (до 100 мкм).
   Формирование пылевзвесей в производственных условиях происходит в угольных шахтах, на предприятиях ряда отраслей промышленности (химической, пищевой, фармацевтической, текстильной, деревообрабатывающей, металлообрабатывающей), а также при изготовлении порошков и применении порошковых технологий. Порошки алюминия, характеризующиеся высокой энергоемкостью, входят в состав ряда взрывчатых веществ и ракетных топлив, применяются в химических технологиях, порошковой металлургии, лакокрасочной, строительной отраслях, в качестве добавок при изготовлении пластмасс, керамики. Порошковый алюминий может образовываться и в качестве побочного продукта при обработке и изготовлении изделий из алюминия.
   С развитием нанотехнологий расширяется сфера применения ульт-радисперсных частиц, диаметр которых составляет десятки - сотни нанометров. Благодаря особым поверхностным свойствам дисперсные и ультрадисперсные порошки, гранулы и пудры находят широкое применение в энергетике, строительстве, атомной промышленности, космической, военной технике и других сферах.

Производство и использование порошков металлов или частиц органического происхождения нередко сопряжено с опасностью их воспламенения и развития неконтролируемых взрывных процессов, приводящих к катастрофическим последствиям [1-3]. Наиболее распространенными среди пылевых взрывов являются инициированные воспламенением и горением метана взрывы угольной пыли в шахтах. В Китае более половины всех пылевых взрывов составляют взрывы угольных (34 %) и металлических (17 %) пылей [4]. Только в 2004 году в результате этих взрывов в угольных шахтах Китая погибли более 6 тыс. человек.
   Неутешительная статистика происшествий и в России, где с 2004 по 2009 год взрывы и пожары в шахтах унесли жизни более 300 человек. Наиболее крупными были следующие инциденты:
   •     10 апреля 2004 года - на шахте «Тайжина» в г. Осинники (Кемеровская обл.) взрыв метана, погибли 47 горняков;
   •     28 октября 2004 года - взрыв метана на шахте «Листвяжная», (Кемеровская обл.), 13 погибших;
   •     9 февраля 2005 года - взрыв на шахте «Есаульская» (Кемеровская обл.), погибли 25 человек;
   •     7 сентября 2006 года- пожар в вертикальном стволе шахты «Центральная» Вершино-Дарасунского рудника (Читинская обл.), погибли 25 горняков;
   •     19 марта 2007 года - взрыв метана на шахте «Ульяновская», погибли 110 человек;
   •     24 мая 2007 года - взрыв метана на шахте «Юбилейная», погибли 39 горняков;
   •     23 декабря 2009 года - взрыв на шахте «Естюнинская» в Свердловской области, погибли 9 человек.
   В 2010 году, по данным МЧС, на угольных шахтах России произошло 22 аварии, в которых погибли 135 человек. Наиболее крупная катастрофа произошла 8 мая 2010 года на шахте «Распадская» Кемеровской области с числом погибших 91. Этот случай характеризуется первичным взрывом метана и последующим через 4 часа намного более мощным взрывом, в который была вовлечена угольная пыль. Горение угольных пластов продолжалось несколько месяцев.
   Из металлических опасных порошков наиболее широко применяемыми (а также образуемыми в ходе технологических процессов в промышленности) являются порошки и пудры алюминия. Ниже приведе

Введение

9

ны примеры наиболее крупных инцидентов, связанных с взрывами на алюминиевых предприятиях. В июле 1999 года в США (штат Луизиана) произошла серия взрывов на территории завода по производству алюминия (19 пострадавших). В октябре 2003 года в США (штат Индиана) в результате взрыва на заводе алюминиевых дисков для автомобилей один человек погиб, несколько ранено. По данным комиссии, взрыв был обусловлен воспламенением алюминиевой пыли, образующейся в процессе обработки изделий. В России 2 февраля 2010 года в г. Шелехов Иркутской обл. произошел взрыв алюминиевого порошка на заводе порошковой металлургии «СУАЛ-ПМ», входящем в холдинг «РУСАЛ», при котором один человек погиб, двое пострадали, а также нанесен большой материальный ущерб (цех расфасовки 700 м² выгорел полностью и не подлежит восстановлению).
   Приведенные данные свидетельствуют, что проблемы прогнозирования и предотвращения взрывных явлений в дисперсных средах, а также сопутствующие проблемы уменьшения вредных последствий их воздействия на людей и окружающую среду еще далеки от полного решения. При этом следует отметить, что в большинстве инцидентов констатированы нарушения правил безопасности, носящие повсеместный характер. Это указывает на недостаточную проработку адекватных современным экономическим и технологическим условиям технических регламентов безопасности, что напрямую связано с ограниченностью прикладных исследований в этой области. Последнее обусловлено в первую очередь недостатком фундаментальных знаний о физических процессах, обусловливающих возбуждение взрывных и детонационных волн в пылевых облаках и их распространение в различных условиях, и только во вторую - сокращением прикладных разработок в силу ряда экономических и социальных проблем последних двух десятилетий.
   Взрывные явления в облаках пылевзвесей почти всегда характеризуются развитием детонационных или детонационно-подобных процессов. Под детонацией здесь понимается самоподдерживающееся сверхзвуковое распространение фронта горения, сопровождаемого ударной волной. К гетерогенной детонации пылевзвесей (газовзвесей твердых частиц) относят детонацию, поддерживаемую реакциями горения частиц в среде окислительного газа (воздух, кислород и др.). Отметим, что газовзвеси частиц алюминия и угольной пыли характеризуются неполным сгоранием частиц, что обусловлено наличием инертной компоненты в частицах.

Одно из возможных приложений явления детонации связано с созданием устройств реактивной тяги. Разработка научных основ функционирования детонационных двигателей проводится в последние годы очень интенсивно [5-8]. В силу уникальных физических свойств и благодаря высокой энергетической способности при химических взаимодействиях мелкодисперсные и ультрадисперсные порошки алюминия имеют широкие перспективы применения как добавки к горючим газовым смесям или в смеси с окислителем в качестве рабочих сред.
   Систематические и широкомасштабные экспериментальные и теоретические исследования взрывных и детонационных явлений в пы-левзвесях проводятся с середины прошлого века. Характерные особенности детонационных процессов, такие как большие динамические нагрузки, высокие скорости протекания, комплексные волновые картины течений, резкие изменения параметров течения во времени и в пространстве, множественность и значительное (на порядки) различие характерных временных и пространственных масштабов, делают затруднительным их изучение методами экспериментального наблюдения. Соответствующие установки и оборудование требуют весьма сложного устройства и существенных затрат для проведения испытаний. В связи с этим экспериментальные исследования детонации проводятся, как правило, в крупных научных или учебных центрах. В последние десятилетия проводилось накопление экспериментальной информации о детонационных процессах во взвесях угольной, органических (частиц муки, крахмала и др.) пылей и мелких частиц металлов. При этом полученная информация не является исчерпывающей и во многом противоречива, что требует тщательного теоретического анализа, подкрепленного численными расчетами.
   Перечислим научные центры и некоторых исследователей, которые внесли большой вклад в понимание детонационных процессов в гетерогенных средах. В России это НИИ Механики МГУ (В.А. Левин, В.В. Марков и др.), Математический институт им. Стеклова (В.П. Коробейников), Институт химической физики им. Семенова (Б.Е. Гельфанд, С.А. Цыганов, С.М. Фролов, Б.А. Хасаинов), Московский инженерно-физический институт (А.А. Борисов, С.М. Когарко), Новосибирский научный центр: Институт гидродинамики СО РАН (В.В. Митрофанов, А.А. Васильев, Ю.А. Николаев, С.А. Ждан, А.В. Пинаев, П.А. Фомин и др.), Институт теоретической и прикладной механики