Доклады Российской академии наук. Физика, технические науки, 2024, № 4
научный журнал
Покупка
Новинка
Издательство:
Наука
Год издания: 2024
Кол-во страниц: 84
Дополнительно
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов
Российская академия наук ДОКЛАДЫ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК Основан в 1933 г. Журнал издается под руководством Президиума РАН Редакционный совет Г.Я. Красников (председатель), Н.С. Бортников, А.Г. Габибов, С.Н. Калмыков, В.В. Козлов, В.Я. Панченко, О.В. Руденко ФИЗИКА, ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ Том 517 2024 Июль–Август Выходит 6 раз в год ISSN 2686-7400 Главный редактор С.В. Гарнов Редакционная коллегия А.А. Александров, А.В. Андрияш, М.Х. Ашуров, С.Г. Гаранин, С.В. Демишев, В.И. Конов, В.А. Левин, А.Г. Литвак, М.Л. Лямшев (зам. главного редактора), Н.Ф. Морозов, К.А. Постнов, О.В. Руденко, Н.Н. Сысоев, В.Ю. Хомич, А.М. Черепащук, Ф.Л. Черноусько, И.А. Щербаков Заведующая редакцией А.А. Иванюта Адрес редакции: 119991 Москва, Ленинский пр., 14 E-mail: doklady_physics@mail.ru Москва ФГБУ «Издательство «Наука» © Российская академия наук, 2024 © Редколлегия журнала “Доклады Российской академии наук. Физика, технические науки” (составитель), 2024
СОДЕРЖАНИЕ Том 517, 2024 Валентин Ефимович Костюков (к 75-летию со дня рождения) 3 ФИЗИКА Экспериментальное исследование триггеринга парового взрыва при распаде струи расплавленной соли Н. В. Васильев, С. Н. Вавилов, Е.А. Лиджиев 5 Параметры ударного сжатия графита на начальных стадиях формирования Попигайской астроблемы В. В. Ким, С. И. Мартыненко, А. В. Острик, К. В. Хищенко, И. В. Ломоносов 9 МЕХАНИКА Удаление сингулярности поля напряжений для задачи Вилльямса (1952) на основе неевклидовой модели сплошной среды М. А. Гузев 12 Эволюция вихрей при слиянии капли этанола с водой в интрузивном режиме Б. Джудар, А. Ю. Ильиных, Ю. Д. Чашечкин 18 Различные типы локализации собственных колебаний прокладки между параллельными фланцами С. А. Назаров 29 Общее решение системы уравнений моментной линейной теории упругости изотропного псевдоконтинуума Коссера Н. И. Остросаблин, Р. И. Угрюмов 36 Прогнозирование многостадийной усталостной кривой на основе релаксационной модели необратимого циклического деформирования Ю. В. Петров, Н. С. Селютина, М. Н. Антонова 41 Осмотическая фильтрация соленой воды в осадочной толще, содержащей полупроницаемые области, и ее возможные приложения М. М. Рамазанов, Л. И. Лобковский, Н. С. Булгакова, С. Р. Гаджимагомедова 48 Пространственная переориентация твердого тела посредством подвижной массы при наличии внешних сил, заданных как функции времени А. М. Шматков 59 ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ Подъем подводного трубопровода сосредоточенной силой М. А. Ильгамов 65 Перспективы достижения углеродной нейтральности экономически развитыми странами В. В. Клименко, А. В. Клименко, А. Г. Терешин 71
CONTENTS Volume 517, 2024 Valentin Efimovich Kostyukov (to His 75th Anniversary) 3 PHYSICS Experimental Studying of Vapor Explosion Triggering During the Breakup of a Molten Salt Jet N. V. Vasil’ev, S. N. Vavilov, E. A. Lidzhiev 5 Parameters of Graphite Shock Compression at the Initial Stages of Popigai Astrobleme Formation V. V. Kim, S. I. Martynenko, A. V. Ostrik, K. V. Khishchenko, I. V. Lomonosov 9 MECHANICS Removal of the Stress Field Singularity for the Williams Problem (1952) Basing on a Non-Euclidean Continuum Model M. A. Guzev 12 Evolution of Vortices at the Merging of an Ethanol Droplet with Water in an Intrusive Mode B. Djoudar, A. Yu. Ilinykh, Yu. D. Chashechkin 18 Miscellaneous Types of Localization of Natural Oscillations of a Gasket between Parallel Flanges S. A. Nazarov 29 General Solution of the Equations System of the Moment Linear Elasticity Theory of the Isotropic Cosserat Pseudo-Continuum N. I. Ostrosablin, R. I. Ugryumov 36 Prediction of Multistage Fatigue Curve Based on the Relaxation Model of Irreversible Cyclic Deformation Yu. V. Petrov, N. S. Selyutina, M. N. Antonova 41 Osmotic Filtration of Salt Water in Sedimentary Strata Containing Semipermeable Areas and its Possible Applications M. M. Ramazanov, L. I. Lobkovsky, N. S. Bulgakova, S. R. Gadzhimagomedova 48 Spatial Reorientation of a Solid Body Using a Moving Mass in the Presence of External Forces Specified as the Functions of Time A. M. Shmatkov 59 TECHNICAL SCIENCES Underwater Pipeline Lifting by Concentrated Force M. A. Ilgamov 65 Prospects for Achieving Carbon Neutrality by Economically Developed Countries V. V. Klimenko, A. V. Klimenko, A. G. Tereshin 71
ДОКЛАДЫ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК. ФИЗИКА, ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ, 2024, том 517, с. 3‒4 3 12 августа 2024 г. исполняется 75 лет Валентину Ефимовичу Костюкову, Герою Российской Феде рации, директору Российского федерального ядерного центра – Всероссийского научно- исследовательского института экспериментальной физики (РФЯЦ–ВНИИЭФ). Валентин Ефимович Костюков – крупный организатор работ в области создания ядерного ору жия, атомной энергетики, электроники и цифровых технологий. Он играет ведущую роль в развитии расчетно-теоретической, исследовательской, экспериментальной и производственной базы ядерно-оружейного комплекса, обеспечении ее конкурентоспособности по отношению к ведущим ядерным державам. Костюков В.Е. родился в Борском районе Горьковской области. Инженерная и научная деятельность Валентина Ефимовича начинается в августе 1977 г. в Научно-исследовательском институте изме рительных систем им. Ю.Е. Седа кова, куда он пришел после окончания с отличием Горьковского политехнического института. Глубокие инженерные знания, организаторский талант, высокое чувство ответственности стали основой его быстрого служебного роста от инженера-технолога до директора института. В феврале 2008 г. Костюков В.Е. назначен на должность директора ФГУП «РФЯЦ– ВНИИЭФ». На посту директора Костюков В.Е. обеспечивает безусловное выполнение основной миссии ядерного центра – поддержание боеготовности ядерного арсенала страны, вносит личный вклад в реализацию проектов разработки перспективных комплексов вооружений и образцов нового стратегического оружия. Благодаря деловым и организаторским качествам Костюкова В.Е., его настойчивости и стратегическому мышлению в РФЯЦ–ВНИИЭФ обеспечен качественный скачок в создании уникальных установок и комплексов мирового уровня в интересах развития фундаментальной и прикладной науки, по созданию отечест вен - ных суперкомпьютеров и отечественного програм много обеспечения. Валентин Ефимович Костюков уделяет значительное внимание вопросам подготовки кадров, в том числе высшей квалификации, профессиональному росту работников, привлечению в ядерный центр молодых специалистов. Он внес определяющий вклад в создание Национального центра физики и математики (НЦФМ), призванного объединить усилия атомной и академической науки в интересах получения принципиально новых результатов и подготовки новых кадров высшего уровня, он автор и соавтор свыше 100 научных трудов и 19 изобретений. Костюков В.Е. является членом научно-технического совета Военно-промышленной комиссии при Президенте Российской Федерации; членом научно-технического совета ЯОК Гос корпорации «Росатом». Ему присвоено звание почетного профессора Российской академии наук. ВАЛЕНТИН ЕФИМОВИЧ КОСТЮКОВ (К 75ЛЕТИЮ СО ДНЯ РОЖДЕНИЯ)
ДОКЛАДЫ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК. ФИЗИКА, ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ том 517 2024 4 ВАЛЕНТИН ЕФИМОВИЧ КОСТЮКОВ Валентин Ефимович Костюков ведет широкую общественную деятельность. Он явля ется членом Нижегородской ассоциации промышленников и предпринимателей, членом Совета по науке и инновационной полити ке при Губер наторе Нижегородской области, был доверенным лицом кандидата в Президенты России В.В. Путина на выборах 2024 года. Ак тивно поддерживает реализацию социальных и благотворительных инициатив. Научная и общественная деятельность Костю кова В.Е. отмечена Государственными пре миями РФ в области науки и техники, Премией Правительства Российской Федерации, ор денами «За заслуги перед Отечеством», а также медалями и ведомственными наградами. Име ет награды Русской православной церкви. Почетный гражданин Нижегородской области. Доктор технических наук, профессор. Уважаемый Валентин Ефимович! Сердечно поздравляем с Юбилеем, желаем крепкого здоровья, новых достижений на благо нашей Родины. Бисикало Дмитрий Валерьевич, академик РАН Гаранин Сергей Григорьевич, академик РАН Гарнов Сергей Владимирович, член-корреспондент РАН Завьялов Николай Валентинович, член-корреспондент РАН Незнамов Василий Петрович, академик РАН Селемир Виктор Дмитриевич, член-корреспондент РАН Сергеев Александр Михайлович, академик РАН Соловьев Вячеслав Петрович, научный руководитель ВНИИЭФ, д.ф.-м.н., профессор Чернышёв Александр Константинович, член-корреспондент РАН Шагалиев Рашит Мирзагалиевич, член-корреспондент РАН Щербаков Иван Александрович, академик РАН
ДОКЛАДЫ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК. ФИЗИКА, ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ, 2024, том 517, с. 5‒8 ФИЗИКА 5 УДК 532.529 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТРИГГЕРИНГА ПАРОВОГО ВЗРЫВА ПРИ РАСПАДЕ СТРУИ РАСПЛАВЛЕННОЙ СОЛИ © 2024 г. Н. В. Васильев1,2,*, С. Н. Вавилов1,**, Е.А. Лиджиев1,2,*** Представлено академиком РАН О.Ф. Петровым 11.04.2024 г. Поступило 15.04.2024 г. После доработки 15.04.2024 г. Принято к публикации 18.06.2024 г. Представлено экспериментальное исследование с помощью высокоскоростной видеосъемки процесса парового взрыва на дробящейся струе расплавленной соли NaCl в воде. Исследованы режимы распада струи на крупные части, сопровождающиеся отрывом мелких капель-сателлитов. Впервые в лабораторных условиях воспроизведено и зафиксировано распространение парового взрыва на двух крупных фрагментах распада струи вследствие самопроизвольного триггеринга процесса на капле-сателлите. Показана возможность возникновения парового взрыва на начальном этапе первой стадии грубого дробления и перемешивания струи расплава. Ключевые слова: паровой взрыв, недогретая вода, расплавленная соль, распад струи, капля-сателлит, триггеринг, высокоскоростная видеосъемка DOI: 10.31857/S2686740024040013, EDN: JPQMEM 1Объединенный институт высоких температур Российской академии наук, Москва, Россия 2Московский государственный технический универси тет имени Н. Э. Баумана (национальный исследовательский университет), Москва, Россия *E-mail: nikvikvas@mail.ru **E-mail: sergeynv@mail.ru ***E-mail: lind722k@gmail.com Взаимодействие высокотемпературных струй расплавов с водой, при котором с очень вы сокой скоростью происходит образование больших объемов пара, называется паровым взрывом [1–4]. Это потенциально крайне опасное явление возможно при авариях на атомных электростанциях, в металлургической и целлю лоз но-бумажной промышленности и др. Обычно на первом этапе процесса парового взрыва (премиксинга) происходит гидродинамический распад струи расплавленного вещества на отдельные капли (с размерами ~1 см) [5]. Затем после резкого парообразования на одной из капель (триггеринга), спровоцированного, по всей видимости, локальным касанием воды и расплава в результате колебаний толщины паровой пленки, процесс распространяется на все соседние капли. В наших предыдущих работах [6, 7] с помощью высокоскоростной видеосъемки (метода, успешно используемого в исследованиях в данной области [8–11]) было впервые зафиксировано такое распространение парового взрыва между отдельными каплями расплава. В работе [12] с помощью видеосъемки в определенных диапазонах чисел Рейнольдса и Онезорге были показаны режимы дробления жидкой струи в другой жидкости на крупные части с размерами порядка ее диаметра, сопровождающиеся отрывом небольших капель «сателлитов» с диаметром примерно на порядок ниже. На этих каплях-сателлитах потенциально более ве роя тен самопроизвольный триггеринг пар ового взрыва, который спровоцирует дальнейшее распространение процесса на соседние круп ные фрагменты распада струи. В настоящей работе представлены результа ты экспериментального исследования с помо щью
ДОКЛАДЫ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК. ФИЗИКА, ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ том 517 2024 6 ВАСИЛЬЕВ и др. высокоскоростной видеосъемки механизма распространения самопроизвольного триггеринга парового взрыва при распаде струи расплава соли NaCl в воде при режимах, сопровождающихся формированием капель-сателлитов. Эксперименты проводились на установке, подробно описанной в [6, 7]. Исследовался процесс парового взрыва при распаде струи расплава NaCl массой 5–6 г с температурой tNaCl = 1000– 1100°С, падающей в емкость с дистиллированной водой объемом 20 л с температурой tв = 20–25°С с высоты примерно 70–80 мм. Диаметр от верстия для выхода струи из графитового тигля, в котором посредством индукционного на грева производилось расплавление соли, составлял 4 мм. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ОБСУЖДЕНИЕ Иллюстрация наблюдаемого в опытах процесса представлена на рис. 1 и видеосъемке из приложенного файла (с частотой кадров 77 кГц). На рис. 1 можно видеть момент распада струи расплава NaCl в воде на две крупные части (рис. 1а) с формированием капли-сателли та (отмечена белой стрелкой на рис. 1б). От момента погружения струи в воду до первого кадра на рис. 1 прошло ~85 мс. Диаметр капли-сателлита составил dсат ≈ 0.43 мм, что соответствует при мер но десятой части от диаметра струи (диаметр струи принимался равным диаметру отвер стия тигля – 4 мм). Числа подобия для струи в приведенном эксперименте имели значения: число Рейнольдса Re = 2070, число Онезорге Oh = 1.4 ∙ 10–3, что по [12] соответствуют типичным режимам распада струи на крупные фрагменты с образованием капель-сателлитов. Расчет чисел подобия проводился по формулам: Re = ρvd/μ, Oh = μ/(ρσd)0.5, где ρ, v, d, μ, σ – соответственно плотность, скорость, диаметр, коэффициент динамической вязкости и коэффициент поверхностного натяжения для струи расплава. Физические свойства расплава NaCl (ρ, σ) рассчитывались по формулам из [13]. Скорость движения струи оценивалась по кадрам видеосъемки и составила v = 0.4 м/с. Описание типичного протекания процесса в проведенных экспериментах представлено Рис. 1. Распространение парового взрыва при распаде струи расплавленной соли NaCl в воде (температура воды tв = 23°С, температура соли в тигле tNaCl = 1100°С, числа подобия для струи Re = 2070, Oh = 1.4 ∙ 10–3). Время экспозиции – 4.5 мкс. Время от кадра момента распада струи (а): 1.11 мс (б); 1.87 (в); 1.99 (г); 2.02 (д); 2.03 (е); 2.05 (ж); 2.08 (з); 2.34 мс (и). Белой стрелкой обозначена капля-сателлит, образовавшаяся при распаде струи. Верхняя граница кадров соответствует уровню воды в емкости. ниже. Через небольшое время после распада струи (в эксперименте на рис. 1 это время состави ло ~1.5 мс) на капле-сателлите начинаются коле бания толщины паровой пленки (более детально это можно увидеть на видео из приложен ного файла) со скоростью порядка 10 м/с. При чем амплитуда и период (τ) с каждым после дующим колебанием возрастают (табл. 1), что, по всей видимости, является следствием процесса постепенной фрагментации капли, ведущего к увеличению площади контакта расплава с водой. В качестве параметра амплитуды использовался максимальный диаметр капли (dmax), покрытой паровой оболочкой, за период колебания. Заметим, что колебания толщины паровой пленки на одиночных расплавленных каплях перед паровым взрывом отмечались так же в [8, 14]. (а) (б) (в) (г) (д) (е) (ж) (з) (и) 5 мм
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТРИГГЕРИНГА... 7 ДОКЛАДЫ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК. ФИЗИКА, ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ том 517 2024 На кадре (рис. 1в) представлен момент достиже ния каплей-сателлитом максимального диаметра во время третьего цикла колебаний толщи ны паровой пленки на ней. По-видимому, импульса давления в жидкости, сформированного вследствие резкого парообразования во время третьего цикла, оказалось достаточно для сначала локального контакта воды с расплавом на верхнем крупном фрагменте распавшейся струи (рис. 1г) и последующего распространения парового взрыва по всей его поверхности (рис. 1г–ж). Что затем спровоцировало аналогичные процессы на нижнем фрагменте (рис. 1е–з). ВЫВОДЫ В работе впервые с помощью высокоскоростной видеосъемки зафиксировано распрост ранение парового взрыва на два крупных фраг мента распада расплавленной струи в резуль тате импульса давления, спровоцированного самопроизвольным триггерингом на мел кой капле-сател лите (с размером на порядок ниже). Данный процесс наблюдался при типич ных режимах распада струи на крупные части, сопровождающихся отрывом мелких капель, при определенных диапазонах чисел Re и Oh. Таким образом, показана возможность возникновения парового взрыва еще на начальном этапе первой стадии (премиксинга) принятой последовательности его развития. ИСТОЧНИК ФИНАНСИРОВАНИЯ Исследование выполнено за счет гранта Рос сийского научного фонда № 23-79-01062, https://rscf.ru/project/23-79-01062/. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Fletcher D.F., Theofanous T.G. Heat Transfer and Fluid Dynamic Aspects of Explosive Melt–Water Interactions // Advances in heat transfer. 1997. V. 29. P. 129–213. https://doi.org/10.1016/S0065-2717(08)70185-0 Таблица 1. Параметры последовательных колебаний толщины паровой пленки на капле-сателлите Параметры Первое колебание Второе колебание Третье колебание dmax, мм 0.60 0.85 1.70 τ, мкс 40 65 140 2. Berthoud G. Vapor explosions // Annu. Rev. Fluid Mech. 2000. V. 32. № 1. P. 573–611. https://doi.org/10.1146/annurev.fluid.32.1.573 3. Мелихов В.И., Мелихов О.И., Якуш С.Е. Термическое взаимодействие высокотемператур ных распла вов с жидкостями // ТВТ. 2022. Т. 60. № 2. С. 280–318. https://doi.org/10.31857/S0040364422020284 4. Мелихов В.И., Мелихов О.И., Волков Г.Ю., Якуш С.Е., Салех Б. Моделирование струйного истечения жидкости в затопленное пространство методом VOF // Теплоэнергетика. 2023. № 1. C. 75–86. https://doi.org/10.56304/S0040363622120050 5. Ивочкин Ю.П. Исследование механизмов термогидродинамических и МГД процессов с жидкометаллическими рабочими телами: дис. … докт. техн. наук. М.: ОИВТ РАН, 2015. 6. Клименко А.В., Вавилов С.Н., Васильев Н.В., Зейгарник Ю.А., Скибин Д.А. Паровой взрыв: экспериментальные наблюдения стадии спонтанного триггеринга процесса // Доклады РАН. Физика, технические науки. 2022. Т. 503. С. 13–16. https://doi.org/10.31857/S2686740022010084 7. Васильев Н.В., Вавилов С.Н., Зейгарник Ю.А. Визуа лизация процессов, происходящих при самопроизвольном триггеринге парового взрыва // Научная визуализация. 2023. Т. 15. № 2. С. 38–44. https://doi.org/10.26583/sv.15.2.04 8. Manickam L., Qiang G., Ma W., Bechta S. An experimental study on the intense heat transfer and phase change during melt and water interactions // Experimental Heat Transfer. 2019. V. 32. № 3. P. 251–266. https://doi.org/10.1080/08916152.2018.1505786 9. Simons A., Bellemans I., Crivits T., Verbeken K. The effect of vapour formation and metal droplet temperature and mass on vapour explosion behavior // Int. J. Heat Mass Transf. 2022. V. 196. 123289. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2022.123289 10. Чашечкин Ю.Д., Ильиных А.Ю. Эволюция формы последовательных каверн импакта свободно падающей капли // Доклады РАН. Физика, технические науки. 2022. Т. 502. С. 36–44. https://doi.org/10.31857/S2686740021060055 11. Чашечкин Ю.Д., Ильиных А.Ю. Перенос ве щест ва капли при формировании первич ной каверны // Доклады РАН. Физика, тех ни ческие науки. 2023. Т. 508. С. 42–52. https://doi.org/10.31857/S2686740022060062 12. Saito S., Abe Y., Koyama K. Flow transition criteria of a liquid jet into a liquid pool // Nuclear
ДОКЛАДЫ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК. ФИЗИКА, ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ том 517 2024 8 ВАСИЛЬЕВ и др. engineering and design. 2017. V. 315. P. 128–143. https://doi.org/10.1016/j.nucengdes.2017.02.011 13. Катышев С.Ф., Десятник В.Н. Плотность и по верхностное натяжение расплавов системы NaF–NaCl– ZrF4 // Атомная энергия. 1998. Т. 84. № 1. С. 61–64. 14. Hansson R.C., Dinh T.N., Manickam L.T. A study of the effect of binary oxide materials in a single droplet vapor explosion // Nuclear Engineering and Design. 2013. V. 264. P. 168–175. https://doi.org/10.1016/j.nucengdes.2013.02.017 EXPERIMENTAL STUDYING OF VAPOR EXPLOSION TRIGGERING DURING THE BREAKUP OF A MOLTEN SALT JET N. V. Vasil’eva,b, S. N. Vavilova, E. A. Lidzhieva,b aJoint Institute for High Temperatures of the Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia bBauman Moscow State Technical University (National Research University), Moscow, Russia Presented by Academician of the RAS O. F. Petrov The paper presents an experimental study using high-speed video recording of the process of vapor explosion on a breakup jet of molten NaCl salt in water. The regimes of jet breakup into large parts, accompanied by the separation of small satellite droplets, have been studied. For the first time, the propagation of a vapor explosion on two large fragments of jet breakup due to spontaneous triggering of the process on a droplet-satellite was reproduced and recorded under laboratory conditions. The possibility of a vapor explosion occurring at the initial stage of the first stage of coarse crushing and mixing of the melt jet is shown. Keywords: vapor explosion, subcooled water, molten salt, jet breakup, droplet-satellite, triggering, high speed video recording