2.5.3.4. Взрывная волна, образованная горением облака произвольной формы
Хорошо известно, что облако паров, образующееся при случайной массовой утечке горючего, никогда не имеет сферической или полусферической формы. Оно обычно имеет форму блина или сигарообразную форму с характерным соотношением длин (1:50).
Кроме того, облако, как правило, загорается с края. Исключение составляет возгорание при попытке завести поврежденный автомобильный или тракторный двигатель, находящиеся в облаке.Для расчета давления при горении несферичных облаков в работе [610] использована теория изолированного акустического источника [600]. Согласно этой теории, распределение
давления в волнах, генерируемых акустическим источником, однозначно определяется первой производной по времени от скорости массовыделёния в источнике
где г — радиус, а
представляет собой локус акустиче
ской волны, распространяющейся от источника. Для горящего облака эффективное массовыдёление связано с увеличением объема газов при сгорании. При этом
\ И
ζ
-Здесь Su(Z) — скорость горения, Af (Z)— эффективная площадь пламени. Из (1.33) следует, что для гооения пои постоянном давлении справедливо. равенство где q —
•безразмерная плотность энерговыделения в источнике. Используя это соотношение, атакже соотношение для скорости звука в идеальном газе
получим из (2.28) и (2.29)
Здесь Ps — избыточное давление.
Из (2.30) следует, что пламя, идущее с постоянной скоростью и имеющее постоянную поверхность, не генерирует избыточного давления. Для генерации волн давления необходимо иметь либо ускоряющиеся, либо расширяющиеся пламена. Отметим, что для сферического неускоряю- щегося пламени из (2.30) получается такое же выражение для избыточного давления, как и при использовании приближения сферического поршня (2.27) [630]. Причиной того, что при постоянной скорости сферическое пламя генерирует избыточное давление, является постоянное увеличение его поверхности во время взрыва.В работе [610] сделан ряд упрощающих предположений и •определено влияние несферичности на максимальное избыточное давление вне облака для двух его различных конфигураций. Предполагалось, что объемы облаков и их полные энергии •одинаковы и, кроме того, одинаковы как скорости горения, так и расстояния от наблюдателя до центров облаков. При заданном избыточном давлении на заданном расстоянии соотношение (2.30) позволяет определить либо необходимое ускорение, либо •скорость увеличения поверхности пламени [610]. В табл. 2.5 указаны условия достижения избыточного давления 10 кПа на расстоянии 100 м от точки зажигания. Примечательной особенностью данных в табл. 2.5 являются чрезвычайно большие значения ускорения пламени или скорости увеличения его по-
верхности, которые необходимы для образования разрушающей взрывной волны.
Итак, исследование горения неограниченного облака с помощью теории изолированного акустического источника приводит к следующим результатам:
очень трудно создать разрушающую взрывную волну за счет горения, если только пламя не окружено полностью горючей
Таблица 2.5. Условия генерации пламенем
избыточного давления 10 кПа на расстоянии 100 м
от точки зажигания /
смесьюЭто положение подтверждается экспериментами [633];
максимальное избыточное давление при прочих равных условиях пропорционально отношению меньшего размера облака к расстоянию до наблюдателя;
давление взрыва относительно равномерно распределено по· всем направлениям, т.
е. взрыв примерно сферически-симме- тричен;облако должно быть очень большого размера для того, чтобы создать разрушающую взрывную волну;
расчеты для сферического пламени [346, 615] приводят к значительно большим давлениям взрыва по сравнению со случаем поджигаемых с краю несферических облаков.
Описание случайных взрывов, происшедших после массовой утечки горючего, позволяет констатировать следующее:
существует порог опасной утечки по количеству пролитого горючего, ниже которого взрыв не является разрушающим.
*> Имеется в виду поджигание облака смеси на его границе с окружающей средой. — Прим. ред.
Представленные в (254] документы свидетельствуют о том, что при разливе массы горючего, меньшей 2000 кг, но большей 100 кг, разрушающие взрывы наблюдаются лишь для H2, смеси H2 и СО, CH4, C2H4. Для остальных горючих веществ разрушения при взрыве наблюдаются лишь при утечке энергоносителя в количестве, превышающем 2000 кг;
в большинстве разрушающих взрывов собственно взрыву предшествует относительно длительная стадия «спокойного» горения;
во многих случаях взрыв носит направленный характер.
Результаты наблюдений случайных взрывов и теоретический анализ по теории изолированного акустического источника позволяют сделать следующие дополнительные выводы:
существует пороговый размер облака, ниже которого взрыв не происходит, пока зажигание «мягкое», т. е. не возбуждает непосредственно детонацию;
для образования взрывной волны при горении необходимо существенное ускорение пламени. Это следует из того факта, что собственно взрыву предшествует относительно длительная стадия горения. Взрыв должен наблюдаться либо при сверхзвуковом горении, либо при очень быстром увеличении поверхности пламени;
горение, как это следует из теории изолированного акустического источника, не может само по себе привести к направленным взрывам. Однако хорошо известно, что к подобным взрывам приводит детонационное сгорание.
Эти выводы с учетом свазер-эффекта [359] показывают, что разрушающие взрывы газовоздушных облаков вызываются ускорением пламени до детонационной или по крайней мере до сверхзвуковой скорости.