Особенности динамики детонационных волн в пузырьковой жидкости при прохождении границы "водоглицериновый раствор - масло"

Abstract

Актуальность. Жидкость с пузырьками горючей смеси газов (вода с пузырьками гремучего газа или смесью углеводородов с кислородом) является взрывчатым веществом, в котором при воздействии импульсом давления порядка 10-20 атм может возникать детонационный солитон с амплитудой, доходящей до 100 атм. Удельно-массовая калорийность такого взрывчатого вещества на шесть и более порядков ниже, чем обычных твердых, жидких и газообразных взрывчатых веществ. Подобные низкокалорийные взрывчатые вещества являются эффективным средством для усиления и поддержания волновых сигналов, а также для кратковременного повышения давления в локальных зонах. Кроме того, в горючих жидкостях, содержащих завесы с паровоздушными пузырьками, резкие толчки при транспортировке могут способствовать образованию детонационных солитонов, приводящих к аварийным ситуациям. Изучение детонационных волн в пузырьковых жидкостях связано с вопросами взрывобезопасности таких систем. Поэтому необходимо изучение критических параметров (первоначальная амплитуда волны, объемное содержание и дисперсность пузырьков газа), при которых может происходить инициирование детонации. Цель исследования: изучение волнового движения в неоднородной пузырьковой жидкости, когда неоднородность обусловлена наличием границы между различными жидкостями, а также различными объемными содержаниями пузырьков. Объект исследования: пузырьковые жидкости, содержащие взрывчатый газ внутри пузырьков. Методика исследования базируется на численном решении системы дифференциальных уравнений в частных производных. Результаты исследования позволили сделать выводы об особенностях динамики детонационных волн в пузырьковой жидкости, при наличии границы между жидкостями с различающимися акустическими свойствами, и дать рекомендации при разработке требований по взрывобезопасности при транспортировке горючих углеводородов. В работе исследуются особенности динамики волны давления при переходе границы между зонами, заполненными водоглицериновым раствором и маслом. Эти зоны отличаются акустическими свойствами. Кроме того, полагается, что эти жидкости содержат взрывчатые пузырьки. При переходе волны давления типа «ступенька» через границу между зонами из-за различия акустических импедансов происходит увеличение амплитуды волны и может инициироваться детонационная волна. Если объемное содержание пузырьков одинаково в обеих зонах, то очаг взрыва не может инициировать детонационную волну в первой зоне из-за его поджатия волной типа «ступенька». Чтобы детонационная волна распространялась в первой зоне, необходимо, чтобы объемное содержание в первой зоне было больше некоторого критического значения, зависящего от амплитуды первоначальной волны и объемного содержания газа в первой и вторых зонах.

Relevance. Liquid with bubbles of a combustible mixture of gases (water with bubbles of explosive gas or a mixture of hydrocarbons with oxygen) is an explosive in which a detonation soliton with an amplitude up to 100 atm can appear when a pressure pulse of the order of 10-20 atm is applied. The specific gravity of this explosive is six orders of magnitude or more lower than that of conventional solid, liquid, and gaseous explosives. Such low-calorie explosives are an effective means for amplifying and maintaining wave signals, as well as for short-term pressure increase in local zones. In addition, in flammable liquids containing veils with vapor-air bubbles, sudden shocks during transportation can contribute to the formation of detonation solitons leading to emergency situations. The study of detonation waves in bubble liquids is related to the questions of the explosion safety of such systems. Therefore, it is necessary to study the critical parameters (initial wave amplitude, volume content and dispersity of gas bubbles) at which detonation initiation can occur. The aim of the research is to study the wave motion in inhomogeneous bubbly fluid, where the inhomogeneity is caused by the presence of a boundary between different liquids, as well as different bulk contents of bubbles. The object of the research is bubble liquids containing an explosive gas inside the bubbles. The research method is based on numerical solutions of a system of partial differential equations. The results of the study made it possible to draw conclusions about the features of the dynamics of detonation waves in a bubble liquid, in the presence of a boundary between liquids with differing acoustic properties, and to give recommendations when developing requirements for explosion safety in the transport of combustible hydrocarbons. These zones differ in acoustic properties. In addition, it is believed that these fluids contain explosive vesicles. When a pressure wave of the «step» type passes through the boundary between the zones, because of the difference in the acoustic impedances, the amplitude of the wave increases and a detonation wave can be initiated. If the volume content of bubbles is the same in both zones, then the source of the explosion can not initiate a detonation wave in the first zone due to its compression by a wave of the «step» type. In order for the detonation wave to propagate in the first zone, the volume content in the first zone should be greater than a certain critical value, depending on the amplitude of the initial wave and the gas volume content in the first and second zones.