WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     ||
|

Во втором способе генерирования УВ использовались продукты взрыва монтажных пороховых патронов шифра Д, диаметром 6,8 мм (данный источник инициирования УВ был выбран из соображений экономичности при дальнейшем практическом использовании в новом устройстве для борьбы с лесными пожарами). Схема установки показана на рисунке 3. Данная установка предназначена для исследования динамики УВ при их распространении в цилиндрической ударной трубе с коническим конфузором.

В экспериментах регистрировалось давление во фронте УВ, определялась скорость УВ. Был проведен полный двухфакторный эксперимент по влиянию геометрических характеристик конических конфузоров на перепад давления во фронте УВ. В экспериментах варьировались два фактора: угол раствора насадка (35 65) и диаметр выходного отверстия d1 (0,01 0,02 м). Давление регистрировалось на стенке ударной трубы и на выходе из трубы. Скорость УВ определялась как отношение расстояния между датчиками давления к интервалу времени, в течение которого УВ проходит этот участок. Число Маха не превышало значения M = 3.

Рисунок 3 – Схема экспериментальной установки (ударной трубы):

стальная цилиндрическая труба – 1, крышка – 2, механизм инициирования ударных волн – 3, конический насадок – 4, датчики давления – При обработке результатов измерений применены методы теории планирования эксперимента. Суммарные погрешности определения концентрации продуктов пиролиза и давления не превышали: C 4 %, p 5 %. По результатам измерений (35 опытов) рассчитывались доверительные интервалы с доверительной вероятностью 0,95.

Раздел 3 посвящен экспериментальному исследованию в лабораторных условиях процессов интенсификации УВ при распространении в смеси воздуха с продуктами пиролиза ЛГМ, а также в химически инертной среде в ударной трубе с конфузором.

В п. 3.1 описаны основные параметры задачи, среди них: p – давление во фронте УВ; v – скорость УВ; – плотность среды; – показатель адиабаты газовой смеси; d0 – диаметр ударной трубы; l – длина насадка; d1 – диаметр выходного отверстия конфузора; угол раствора tg 2l d0 d1.

Основным критерием подобия является число Маха, характеризующее отношение между скоростью течения среды и скоростью распространения в ней упругих деформаций M v a.

В п. 3.2 представлены результаты исследования эффекта усиления УВ при ее распространении в смеси воздуха с продуктами пиролиза ЛГМ. На рисунке 4 представлены зависимости относительной интенсивности УВ от объемной концентрации продуктов пиролиза ЛГМ (p = p – p0, где p и p0 – давление в заданной точке секции II ударной трубы при наличии продуктов пиролиза ЛГМ и без них, соответственно). Анализ полученных результатов показывает, что наличие продуктов пиролиза ЛГМ может приводить к существенному повышению параметров УВ (рисунок 4). При увеличении объемной концентрации продуктов пиролиза до 0,50 интенсивность УВ монотонно возрастает, при более высокой концентрации продуктов пиролиза наблюдается уменьшение данного эффекта. Судя по различию кривой 1 и кривой 2 на рисунке 4, эффект повышения относительной интенсивности УВ возрастает по мере ее распространения в трубе. Это свидетельствует о том, что основная причина усиления УВ связана с химическими реакциями и величина эффекта определяется соотношением продуктов пиролиза и окислителя.

Полученные результаты качественно согласуются данными работ [1, 5-7], в которых на основе результатов натурных экспериментов и математического моделирования описан эффект усиления на (58)% интенсивности УВ при тушении лесных пожаров.

Рисунок 4 – Изменение относительного давления УВ в зависимости от объемной концентрации продуктов пиролиза в первой (кривая 2) и во второй (кривая 1) измерительных точках В п. 3.3 приводятся результаты исследования динамики УВ, распространяющихся в ударной трубе с коническим конфузором. На рисунке представлено давление во фронте УВ в ударной трубе и на выходе из нее при различных значениях угла раствора конфузора, d1 = 0,02 м. В области конфузоров происходит значительное повышение давления в УВ, что можно объяснить маховским (нерегулярным) отражением скачков от стенок. В таблице приведены значения относительного давления p2/p1 (где p1 и p2 – давление во фронте ударной волны на выходе из трубы без конфузора и с конфузором, соответственно) при различных геометрических характеристиках конического конфузора ( = 35 65, d1 = 0,01 0,02 м).

Математическая обработка результатов измерений проводилась с применением теории планирования эксперимента. Для поиска оптимальных геометрических характеристик конфузора была выбрана математическая модель объекта исследования (уравнение регрессии) и проверена гипотеза об адекватности этой модели при доверительной вероятности 0,95. В результате решения оптимизационной задачи по повышению интенсивности УВ за счет отражения от конической поверхности конфузора показано, что наибольшая интенсивность УВ на выходе из ударной трубы достигается при следующих геометрических параметрах конфузора: = 55, d1 = 0,02 м.

Рисунок 5 – Давление в УВ при различных значениях угла раствора конфузора:

1 – = 35; 2 – = 45; 3 – = 55; 4 – = Таблица – Значения относительного давления при различных геометрических характеристиках конического конфузора 35 45 55 d1, м 0,01 0,53 0,64 0,92 0,0,015 0,62 0,71 1,04 1,0,02 0,71 0,88 1,20 1,В п. 3.4 приведены результаты визуализации течения в с помощью теневой фотосъемки (Шлирен-метод). Фоторегистрация процессов осуществлялась при помощи высокоскоростной цифровой кинокамеры NAC HSSC512. На рисунке 6 представлены теневые фотографии, на которых изображена характерная газодинамическая картина течения, образующегося при выстреле монтажного порохового патрона в ударной трубе после выхода в открытое пространство вблизи среза ударной трубы, полученные в последовательные моменты времени (частота 10 4 кадров/с, время выдержки 5·10 – 6 с). На снимках видно, что за фронтом УВ располагается область течения, имеющего периодическую ячеистую структуру. Данная структура формируется в ударной трубе с конфузором и сохраняется на некотором расстоянии после выхода в открытое пространство. Подобная картина течения представлена в [13].

Рисунок 6 – Шлирен-фотографии структуры течения при выходе УВ из ударной трубы в открытое пространство в последовательные моменты времени с интервалом 10 –4 с По положению фронта на кадрах и частоте съемки определена скорость УВ, составляющая 480 м/с в момент выхода УВ в открытое пространство, что удовлетворительно согласуется с результатами измерений с помощью пьезоэлектрических датчиков давления.

Раздел 4 посвящен математическому моделированию распространения УВ в цилиндрической трубе с сужением. Дана физическая постановка задачи:

рассматривается течение, образующееся в длинной цилиндрической трубе с коническим сужением на выходе после срабатывания монтажного порохового патрона, находящегося в каморе, расположенной на входе в трубу. Задача сводится к расчету нестационарного истечения из цилиндрической трубы (гильзы), заполненной пороховыми газами под высоким давлением, через небольшой цилиндрический канал (ствол) в заполненную воздухом цилиндрическую камеру с коническим сужением на выходе.

Приведены основные допущения, использованные при построении математической модели: задача осесимметричная (течение в стволе и в гильзе одномерное, а в объеме ударной трубы – двумерное); предполагается, что порох в гильзе сгорает мгновенно; задача решается без учета молекулярных механизмов переноса; продукты сгорания пороха и воздух описываются в рамках модели политропного газа, показатели адиабаты их считаются известными и постоянными. Их смесь также есть совершенный газ, показатель адиабаты которого зависит от массовой концентрации компонент [16]:

1 1 c Ma cM p 1 1 c Ma 1, где Мi – молярная a p cM p масса, – показатель адиабаты, с – массовая концентрация воздуха, индекс а отнесен к параметрам воздуха, индекс р – к параметрам пороховых газов (a = 1,41; p = 1,27; Ma = 0,029 кг/моль; Mp = 0,03 кг/моль [11]).

На основе интегральных законов сохранения массы импульса и энергии [11] с учетом принятых допущений предложена математическая модель исследуемых процессов. Для камеры ударной трубы:

ydxdy y udy vdx 0, t S yudxdy y u udy vdx pdy 0, t S yvdxdy y v udy vdx pdx pdxdy, t S S yEdxdy y E 2 p udy vdx 0, t S ycdxdy yc udy vdx 0, E 2e u2 v2.

t S Для гильзы и ствола:

dx udt 0, udx p u2 dt 0, L L Edx E 2 p udt 0, E 2e u2, e p 1, L здесь Г – замкнутый контур, ограничивающий произвольную площадку S в плоскости координат x, y; ось х совпадает с осью симметрии и направлена в сторону открытого торца камеры; t – время; p – давление; – плотность смеси;

u, v – проекции вектора скорости, L – замкнутый контур, ограничивающий произвольную площадку в плоскости переменных t, x; Е – удвоенная полная энергия газа; е – удельная внутренняя энергия.

Температура в камере ударной трубы определялась на основе уравнения состояния для термически совершенного газа Т pM R, M c Mа (1 с) M, где T – температура газа; R – универсальная газовая p постоянная; М – молярная масса газовой смеси [11].

В качестве начальных условий в стволе и в камере задавались параметры невозмущенного воздуха при стандартных условиях, в гильзе они вычислялись по формулам [17]: 0 m, E0 2Qm, p0 E 1 2, где m – масса p сгоревшего пороха (m = 0,38 г), Q – удельная теплота сгорания пороха (Q = 2728,9 Дж/г), – объем гильзы.

Граничные условия: на стенках камеры, гильзы и ствола ставилось условие непротекания, на выходе из камеры задавалось условие отсутствия обратного влияния на поток [18]: p x x u x v x 0, теплоотдача в стенку не учитывалась.

Поставленная задача решалась численно с помощью метода Годунова (схема первого порядка точности). Область решения разбивалась расчетной сеткой на Nx Ny ячеек, количество узлов сетки выбиралось из условия неизменности результатов при уменьшении шага, шаг по времени задавался в соответствии с критерием Куранта. Тестирование алгоритма осуществлялось с помощью задачи о течении идеального газа ( = 1,41) в радиально-коническом сопле, а также задачи обтекания равномерным сверхзвуковым потоком идеального газа (M = 5) тела типа конус, затупленный по сфере. Тесты подтвердили применимость метода для решения поставленной задачи.

При численном моделировании были заданы значения физических и геометрических параметров, соответствующие экспериментам на ударной трубе, получены распределения газодинамических параметров в ударной трубе с коническим конфузором (Nx = 400, Nу = 40). На рисунке 7 представлена визуализация распределения давления в различные моменты времени.

Рисунок 7 – Распределение давления в ударной трубе в последовательные моменты времени:

а) t = 0,2·10-4 c; б) t = 0,5·10-4 c; в) t = 1,1·10-4 c; г) t = 5,9·10-4 c; д) t = 6,4·10-4 c В результате выстрела монтажного порохового патрона на срезе ствола в начальный момент образуется почти полусферическая ударная волна (рисунок 7-а). После ее отражения от стенок ударной трубы возникает типичная сверхзвуковая неизобарическая струя в ограниченном пространстве (рисунок 7б). Для данного типа течения характерно наличие в потоке сложной ударноволновой структуры. Скачки периодически отражаются от стенок камеры (рисунок 7-в). Падение давления в гильзе в конечном итоге приводит к исчезновению и вырождению струйного течения вблизи среза гильзы (рисунок 7-г). Интенсивность УВ со временем понижается, однако, при подходе ударно-волновой структуры к конической части (рисунок 7-д), реализуется маховское (нерегулярное) отражение скачков от стенок, что приводит к резкому повышению давления.

Рисунок 8 – Распределение числа Маха в потоке в последовательные моменты времени:

а) t = 0,1·10-4 c; б) t = 1,1·10-4 c; в) t = 1,8·10-4 c; г) t = 2,8·10-4 c; д) t = 3,5·10-4 c Рисунок 9 – Поле температуры в ударной трубе в последовательные моменты времени:

а) t = 0,1·10-4 c; б) t = 0,6·10-4 c; в) t = 1,4·10-4 c; г) t = 2,8·10-4 c; д) t = 3,3·10-4 c На рисунках 8 и 9 представлены распределения числа Маха и температуры в камере ударной трубы в последовательные моменты времени.

Максимальная температура наблюдается в центре потока и в области конфузора. На выходе из ударной трубы температура газа достигает 1000 К.

Рисунок 10 – Давление на стенке канала при различных значениях угла раствора конфузора:

1 – = 35; 2 – = 45; 3 – = На рисунке 10 представлены результаты расчета давления на стенке канала при различных углах раствора конфузоров (d1 = 0,02 м). Видно, что в области конфузоров происходит резкое увеличение давления. Результаты расчетов удовлетворительно согласуются с экспериментальными данными (рисунок 5). Наибольшее различие наблюдается в области конфузора. Это связано с тем, что датчик давления был расположен на срезе насадка, на его показания влияли процессы ослабления ударной волны при выходе в открытое пространство. Численные результаты не включают описания этих процессов и относятся только к течению в ограниченном пространстве ударной трубы с конфузором.

В разделе 5 представлены результаты экспериментального исследования воздействия УВ на фронт низового лесного пожара в лабораторных условиях.

В п. 5.1 приводится описание полезной модели устройства для локализации и тушения низовых лесных пожаров [15].

В п. 5.2 изложены результаты лабораторных экспериментов по воздействию УВ на фронт низового лесного пожара. Исследования проводились с помощью экспериментального комплекса (рисунок 11).

Рисунок 11 – Схема экспериментального комплекса для лабораторного моделирования тушения низового лесного пожара ударными волнами: огневой стенд для моделирования низовых лесных пожаров – I, основание–1, кювета–2, слой грунта–3; генератор УВ – II (схема показана на рисунке 3) В качестве элементов ЛГМ на огневом стенде были использованы опавшая листва березы, осины, тополя, хвоя сосны, ели и кедра, а также тонкие веточки деревьев с небольшим включением травы. Относительное влагосодержание составляло 0,070,13, что ниже критического значения, при котором возникают лесные пожары [1]. Методика проведения экспериментов заключалась в следующем. На огневом стенде на поверхности грунта выкладывались ЛГМ с плотностью укладки, соответствующей натурным условиям, толщина слоя ЛГМ (0,060,08) м. Генератор УВ располагался на безопасном расстоянии 2 м от огневого стенда [19]. Высота пламени не превышала 0,5 м. Тушение моделируемого низового лесного пожара осуществлялось с помощью генератора УВ.

Pages:     ||
|



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.