ИССЛЕДОВАНИЯ ПЕРЕХОДА ГОРЕНИЯ В ДЕТОНАЦИЮ В ГАЗАХ

Н.Н. Смирнов, В.Ф. Никитин
Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова
E-mail: ebifsun1@mech.math.msu.su

Без сомнения, среди процессов, связанных с горением и взрывом, переход горения в детонацию - один из наиболее интересных. Изучение этого процесса относится к исследованиям в области взрывоопасности газов и паров горючих веществ. Знание механизмов управления возбуждением детонации весьма важно для выработки эффективных превентивных мер по предотвращению перехода горения в детонацию в случае возгорания газовой смеси, а также методов по остановке детонационной волны в случае, когда она уже образовалась. В связи с этим, представляет значительный интерес исследование смесей углеводородного топлива с воздухом, поскольку внезапные выбросы горючих природных газов в атмосферу могут иметь очень серьезные последствия. Крайнюю опасность таких выбросов показали аварии во Фликсборо (1974, Великобритания), в Мехико (1984, Мексика) и под Уфой (1989, СССР). Данная работа содержит обзор последних результатов теоретических и экспериментальных исследований процессов перехода горения в детонацию в смесях углеводородов с воздухом. Рассматривается влияние внутренней геометрии и турбулизации потока на возникновение детонации, также обсуждается влияние температуры и концентрации топлива в несгоревшей смеси. Работа является продолжением исследований перехода горения в детонацию, начатых на кафедре газовой и волновой динамики механико-математического факультета МГУ под руководством И.Н. Зверева в 1985 году.

Полная статья (1 114 kB)

НОВЫЕ МОДЕЛИ И ЗАДАЧИ ТЕОРИИ КУМУЛЯЦИИ

А.Н. Голубятников (1), С.И. Зоненко (2), Г.Г. Черный (3)
(1) МГУ им. М.В. Ломоносова
(2) АНО "Научный центр прикладной механики"
(3) НИИ механики МГУ
E-mail: director@rusmechanics.ru

Настоящая работа является обзором результатов авторов последних трех лет по динамике неоднородных упругих оболочек при больших ускорениях. Предложена модель слабоупругой оболочки, с использованием которой построена теория движения оболочек в области неустойчивого поведения решений. Научным и практическим итогом проведенных исследований стало обнаружение, изучение и использование нового вида кумуляции - кумуляции при больших упругих деформациях оболочки вследствие развития специально задаваемых начальных возмущений.

Кратеры в броневой мишени от образовавшихся при метании пластины "пальцев"

ВВЕДЕНИЕ

Неожиданное применение в середине прошлого века модели идеальной несжимаемой жидкости к описанию взрывного метания металлических пластин и оболочек [1-3] навсегда останется в истории. Гидродинамическая модель кумуляции приобрела в среде прикладников большую популярность.

Тем не менее, к концу XX века возникла необходимость решения проблемы неустойчивости при взрывном метании пластин и оболочек, повышения КПД взрывных устройств - а, следовательно, построения новых моделей, учитывающих прочностные свойства пластин при динамическом нагружении и связанные с ними волновые процессы. Обширные численные расчеты метания пластин и оболочек с применением элементов моделей упругости и пластичности приведены, например, в [4]; однако их едва ли можно рассматривать как новые феноменологические модели механики сплошной среды, пригодные для описания этого явления.

Метание взрывом металлических пластин и оболочек лежит в основе действия многих практических устройств, как военных, так и промышленных [5]. Наибольшее распространение получило метание кумулятивным зарядом первоначально конических оболочек (их называют также облицовками).

Решение задачи о взрывном метании оболочки неустойчиво. Это означает, что любые неизбежные дефекты оболочки с длиной волны, большей некоторой критической, приводят к неограниченному росту амплитуды дефектов в процессе движения оболочки под действием большого перепада давления.

Прежде всего, имеет место связанная с рассеиванием энергии спонтанная неустойчивость - проявление свойства практически гладкой облицовки, - с которой сталкиваются при разработке и испытаниях кумулятивных зарядов. С этой неустойчивостью трудно бороться путем все большего приближения облицовки к идеальной начальной форме.

Другой путь создания кумуляции энергии и импульса оболочки при больших ускорениях заключается в изучении законов ускорительной неустойчивости и их использовании. Авторы пошли по этому пути, решив проблему управления развитием неустойчивости.

При обсуждении вопросов неустойчивости метания оболочек важно разделять возмущения формы оболочки с длиной волны, большей ее толщины, и мелкомасштабные возмущения поверхности оболочки с длиной волны, много меньшей толщины, которые не оказывают существенного влияния на движение оболочки в целом; в данной работе последние не рассматриваются.

Авторы начали исследования нового вида кумуляции в 2002 г., когда Г.Г. Черным и его учеником С.И. Зоненко был обнаружен эффект кумуляции импульса и аномально высокой концентрации кинетической энергии при больших деформациях специально подготовленных неоднородных оболочек [6] (к началу исследований авторам, к сожалению, не была известна небольшая статья [7], в которой дано частичное решение теоретической задачи; поэтому ссылка на нее в публикации [6] отсутствует). Эти работы были продолжены в соавторстве с А.Н. Голубятниковым: авторы объединены многолетним (более 25 лет) научным сотрудничеством.

В рамках модели тонкой оболочки без внутренних напряжений, подверженной одностороннему давлению, с неупругим соударением ее частиц в случае образования самопересечений, были рассмотрены общие свойства уравнений движения; решен ряд задач, в том числе связанных с оптимизацией фокусировки оболочки; описаны методы построения решения задачи Коши с нулевой начальной скоростью, в частности, в виде конечных суперпозиций элементарных решений [8]. Учет слабых упругих взаимодействий легкодеформируемой материальной поверхности позволил определить длину волны наиболее быстро растущих возмущений [9, 10], создание которых является целесообразным для практических приложений.

Построенная авторами теория движения неоднородных упругих оболочек при больших ускорениях не только описывает волновые и кумулятивные процессы, обусловленные упругими свойствами оболочки, но также существенно уточняет известные результаты по традиционной кумуляции.

Так, впервые были выделены и точно определены наилучшие углы раскрытия конических облицовок, оптимальное распределение их толщины, вид рельефа поверхности.

Рельеф, выполненный по определенной схеме с точным распределением длин волн и их амплитуды, согласован с другими параметрами облицовки; причем создание рельефа позволяет ослабить требования к качеству ее изготовления.

Использование этих результатов позволяет значительно повысить КПД кумулятивных зарядов. Например, при той же массе ВВ объем кратера в мишени может быть увеличен в 2-2,5 раза.

Создание теории было невозможно без проведения постановочных опытов и испытаний (более тысячи взрывов с массой ВВ от 12 г до 1 кг каждый), откуда авторы получили не только материал для построения теории, но и ряд новых экспериментальных фактов.

В проведенных теоретических и экспериментальных исследованиях было установлено, что при создании определенных начальных деформаций (рельефа) облицовки устраняется хаотическая неустойчивость, при этом происходит кумуляция энергии и импульса облицовки в соответствии с заданной на ней системой линий и ее разгон за счет уменьшения массы передних выпуклых фронтов облицовки.

Спонтанная неустойчивость гладких безрельефных облицовок приводит к диссипации энергии, уменьшению эффективности действия зарядов и разбросу результатов взрывов. Самопроизвольная неустойчивость влияет и на форму струи - на ней образуются перетяжки. Можно сказать, что обжатие безрельефной конической облицовки - это способ фокусировки без собственной волновой кумуляции, когда ускорительная неустойчивость не успевает сыграть деструктивную роль (при достаточно малых углах раствора конуса).

Использование новой теории кумуляции выяснило, что лучшие из применяемых в настоящее время медных облицовок - это варианты, при которых либо длина волны требуемых начальных возмущений не меняется вдоль образующей конуса (угол раствора конуса 60°), либо их амплитуда небольшая. В последнем случае угол составляет 46°-50° (он зависит от распределения толщины облицовки). Заряды с этими углами дают хорошие результаты и при отсутствии начального рельефа облицовки. При этом задание рельефа во всех случаях (в том числе, при указанных углах) устраняет хаотическую неустойчивость и повышает эффективность использования энергии взрыва.

Полная статья (1 475 kB)