Динамика взрывных процессов в замкнутых объемах 1.3.3.1. Длинные трубы
Рассмотрим трубу с очень большим отношением длины к диаметру (например, L/D ~ 100), заполненную горючей смесью, скорость горения которой сравнима со скоростью распространения звука в свежей смеси.
В этом гипотетическом случае поджигание смеси у закрытого торца трубы способно привести к столь значительному ускорению пламени, что в трубе в конце концов сформируется детонационная волна [654, 653]. На рис. 1.21 схематично показана начальная стадия течения в трубе. Развитие пламени на самой ранней стадии течения завершается образованием слабой волны сжатия. Процесс ускорения пламени затем замедляется из-за достижения фронтом пламени стен трубы. После этого начинает действовать тейлоровский механизм гидродинамической неустойчивости и пламя снова ускоряется. Если к этому времени поток газа перед фронтом пламени уже имеет достаточную скорость, то у стен трубы успевает сформироваться турбулентный пограничный слой. Локальная скорость пламени достигает наибольшего значения именно в погранслое, так что пламя приобретает форму удлиненного конуса. Площадь поверхности конического фронта пламени существенно больше площади поперечного сечения трубы, и, следовательно, эффективная скорость сгорания становится высокой. Это в свою очередь приводит к образованию сильных волн сжатия, догоняющих головную ударную волну (рис. 1.22). В результате головная волна усиливается настолько, что сможет сама инициировать объемную реакцию за своим фронтом. Подъем давления в уже нагретой горючей смеси при-
Рис. 1.21. Диаграмма х — t для ранней стадии ускорения пламени в длинной трубе.
водит к возбуждению детонации. Как правило, детонация возникает в области между головной ударной волной и ведущей кромкой пламени. Эта детонационная волна движется в сторону головной ударной волны, догоняет ее, и в результате образуется детонационная волна Чепмена — Жуге, распространяющаяся по свежей покоящейся смеси в оставшейся части трубы.
При этом также образуется и «ретонационная» волна, распространяющаяся в обратном направлении от точки возникновения детонации до тех пор, пока не сгорит весь реакционноспособный газ, находящийся между точкой возникновения детонации и пламенем. Как правило, давление, развивающееся в окрестности точки возбуждения детонации, намного превосходит давление в точке Чепмена — Жуге стационарной детонации. Это связано с тем, что детонация сначала возбуждается в смеси, предварительно нагретой и сжатой в сравнительно сильной головной ударной волне.В системах описанного типа процесс перехода горения в детонацию может осложняться следующим обстоятельством. Если труба
является недостаточно длинной и если пламя ускоряется сравнительно медленно, то вся свежая смесь перед пламенем может оказаться при повышенном давлении еще до возникновения детонации. В этом случае происходит распространение детонации по газу, находящемуся под высоким давлением. Оценки показывают, что на участке трубы, в котором происходит возбуждение детонации, локальное давление может повышаться в 240 раз относительно начального уровня в результате предварительного нагружения давлением и последующего отражения детонационной волны от торца трубы *>. «
*> Указанный механизм повышения давления при нестационарном горении впервые описан в 1958 г. в работе С. М. Когарко [31*]. — Прим. ред.
Наконец, при рассмотрении простого механизма перехода горения в детонацию необходимо отметить еще один важный эффект, связанный с сильным влиянием шероховатости внутренней поверхности трубы, изгибов трубы и т. п. на длину участка, на котором горение переходит в детонацию (т. е. на длину пред- детонационного участка). В частности, очень большая шероховатость и наличие изгибов труб приводят к резкому сокращению длины преддетонационного участка. Это, естественно, означает, что приведенные выше простые концепции возбуждения
Рис.
1.22. Конечная стадия процесса перехода горения в детонацию в длинных трубах.детонации при горении вряд ли применимы для реальных ситуаций в технологических установках, поскольку шероховатость трубопроводов и наличие в них различных колен и Т-образных соединений с необходимостью приводят к сокращению длин преддетонационных участков по сравнению со случаем гладкой прямой трубы *).
Если диаметр длиной трубы достаточно мал, а скорость распространения пламени сравнительно невелика, то возникает ситуация, схематично изображенная на рис. 1.23. Здесь теплоотдача в стенку трубы предполагается настолько существенной, что на расстоянии 10—20 диаметров от источника поджигания скорость пламени выходит на постоянное значение, и распространение пламени по трубе происходит квазистационарным образом. Это связано с тем, что на некотором расстоянии за пламенем температура продуктов сгорания в результате теплоотдачи снижается до температуры стенки трубы, т. е. длина столба горячего газа за пламенем перестает расти и, следова-
” Впервые отмеченные явления изучены К. И. Щелкиным в 1939—1942 гг. (см. также [32*1). — Прим. ред.
Процессы горения и взрыва
тельно, прекращается движение газов перед пламенем. Если такая ситуация сложится прежде, чем перед пламенем у стенки трубы сформируется турбулентный пограничный слой, то такое пламя не будет ускоряться. В настоящее время граница между режимами ускоряющегося и квазистационарного пламени еще
Рис. 1.23. Квазистационарное распространение
пламени без перехода в детонацию.
четко не установлена. Тем не менее она обязательно должна приниматься в расчет при обсуждении вопросов пожаро- и взры- вобезопасности.
1.3.3.2. Взрывы в помещениях
(сложная геометрия)
В работах Астбюри и др. [30—32] исследовались взрывные процессы в замкнутых объемах с размерами, характерными для типичных помещений. Было установлено, что если инициирование осуществляется в одной комнате и затем пламя распространяется в другую комнату, то в последней наблюдаются более сильные разрушения, чем в первой. Интересная серия экспериментов проведена в работе [271], в которой две камеры были соединены трубой. Поджигание смеси в одной камере приводило к росту давления в другой камере еще до того, как туда доходил фронт пламени. Турбулентность, генерируемая истекающим потоком газа во второй камере, и отрыв пограничного слоя на входе в эту камеру приводили к интенсификации процесса горения во второй камере и генерации в ней давлений, превышающих давление адиабатического взрыва. Процесс распространения пламени в каналах или трубах сложной геометрии, как правило, очень не прост и может приводить к сильному пересжатию и локальному возбуждению детонации. Подробнее эти эффекты обсуждаются в гл. 2.
1.4.