WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Журнал технической физики, 2006, том 76, вып. 11 01;03;12 О природе импульсного давления, создаваемого взрывом проволоки в воде © В.П. Кортхонджия, М.О. Мдивнишвили, З.К. Саралидзе Институт физики им. Э.Л. Андроникашвили АН Грузии, 0177 Тбилиси, Грузия e-mail: kortkhojia@yahoo.com (Поступило в Редакцию 6 сентября 2005 г. В окончательной редакции 28 апреля 2006 г.) Показано, что при взрыве проволоки в воде из-за наличия химической реакции между взрываемой проволокой и водой источником импульсного давления являются продукты химической реакции. Зависимость амплитуды импульсного давления от массы взрываемой проволоки удовлетворительно описывается законами идеального газа.

PACS: 52.80.Qj Введение На рис. 3 для примера приведены осциллограммы тока разряда и импульсного давления при взрыве в воде Одним из способов создания импульсного давления танталовой проволоки диаметром 0.5 и длиной 250 nm.

является взрыв проволоки в жидкости [1–3]. Жидкость Аналогичные осциллограммы наблюдаются при взрыве при этом служит средой, передающей давление, созданAl, Mo, W и др.

ное в результате взрыва проволоки в центре сосуда. Этот Длительность импульсного давления от длины и диаспособ позволяет использовать напряжения V порядметра взрываемых проволок не зависит. Как видно из ка нескольких киловольт. Масса взрываемых проволок приведенной осциллограммы тока разряда, длительность выбирается из энергии, накопленной в конденсаторной его при взрыве в воде тантала 0.15 ms. Что касается батарее E0. При взрыве проволоки в воде, как правило, длительности импульсного давления, то она составляет имеет место химическая реакция между водой, заполня 1 ms. В случае взрыва, например, алюминия в воде ющей объем, и продуктами взрыва.

наблюдается взвесь Al2O3 в воде, и сосуд с жидкостью При взрыве проволоки в воде, когда энергия, запасензаметно греется — происходит экзотермическая химиная в конденсированной батарее, порядка или больше ческая реакция.

энергии испарения, развивается магнитогидродинамичеЦелью настоящей работы является экспериментальская неусточивость типа перетяжки. Дальше возникает ное исследование зависимости амплитуды импульсного дуговой разряд [4,5], проволока испаряется, и развиваетдавления на стенках сосуда от параметров эксперимента:

ся импульсное давление.

от массы взрываемой в воде алюминиевой проволоРазвитие магнитогидродинамической неустойчивости ки, диаметра сосуда, в котором происходит взрыв, и типа перетяжки хорошо прослеживается на фотографиустановление природы создания импульсного давления.

ях, полученных с помощью сверхскоростного фоторегиПриведен расчет импульсного давления, развиваемого стратора (СФР-граммах), в частности на СФР-граммах при этом.

взрыва алюминиевой проволоки в воде [6].

В случае взрыва медной проволоки в воде, как это видно по осциллограмме тока разряда (верхняя осциллограмма) и напряжения разряда (нижняя осциллограмма), в оптимальных условиях [2], энергия конденсаторной батареи используется полностью, конденсаторная батарея разряжается целиком (рис. 1).

Взрыв проволоки в жидкости, когда ее материал входит в химическую реакцию с жидкостью, имеет свои особенности. На осциллограммах тока и напряжения, в частности взрыва алюминия в воде [6], видно, что после взрыва проволоки с некоторой задержкой, а если разрядное напряжение достаточно, без задержки, ток проходит по продуктам химической реакции, т. е. они тоже взрываются [7] (рис. 2).

В этом случае давление развивается в основном в результате химической реакции, и длительность импульса Рис. 1. Взрыв медной проволоки в воде. Напряжение, до давления намного больше длительности взрыва самой которой была заряжена конденсаторная батарея, V = 5kV, проволоки. E0 = 22.5 kJ. Масса проволоки m = 4.38 g.

44 В.П. Кортхонджия, М.О. Мдивнишвили, З.К. Саралидзе Для того чтобы установить, насколько такое измерение амплитуды импульсного давления корректно, одновремено с крешером амплитуда импульсного давления определялась пьезодатчиком [8]. Он использовался для осциллографирования импульсного давления. Чтобы предотвратить разрушение пьезоэлемента от импульсных ударов, он помещался в обойме, в которой последовательно располагались металл с малой жесткостью– пьезоэлемент–металл с малой жесткостью. Пьезоэлемент градуировался обычным способом [8]. В таблице приведены результаты измерений в случае взрыва медной проволоки в воде.

Диаметр Измеренное Измеренное Напряжение прово- крешером пьезодатчиком с пьезо- Pcr Рис. 2. Взрыв алюминиевой проволоки в воде. V = 4.9kV, локи давление давление датчика P pz E0 = 25.2kJ, m = 0.12 g.

d, mm Pcr, 105 Pa P, 105 Pa Upz, V pz 0.5 300 299 64 1.0.8 440 470 100 0.1.1 540 523 126 1.1.2 600 607 130 0.Как видно из таблицы, измеренные крешером амплитуды импульсного давления с приемлемой точностью совпадают со значениями, которые дает пьезодатчик.

Давление измерено у внутренней стенки сосуда диаметром d, в котором взрывается медная проволока диаметром d0. Как показывают измерения, амплитуда импульсного давления обратно пропорциональна диаметру сосуда. В пределах погрешности измерений эта зависимость может быть описана соотношением dP =, (1) Рис. 3. Взрыв танталовой проволоки в воде. V = 5kV, d E0 = 22.5kJ, m = 0.8g.

где коэффициент пропорциональности зависит от природы взрываемой проволоки, жидкости, в которой происходит взрыв, и других параметров, характеризуюАмплитуда импульсного давления может быть измещих процесс взрыва.

рена разными способами [8,9]. Приведенные в данном Если задать, что энергия, запасенная в конденсасообщении значения амплитуд измерены крешером [8].

торной батарее, достаточна для испарения и полной Крешер представляет собой металлический, обычно мед- атомизации материала проволоки во время взрыва, то ный, цилиндр. Под действием давления крешер испы- давление, развиваемое после взрыва проволоки, может тывает деформацию, которая почти линейно зависит от быть оценено по уравнению Клапейрона давления. Сначала строится график зависимости абсо лютного или относительного изменения высоты метал- P0 = RT0, (2) M лического цилиндра от известного статического давления. Затем этот график используется для определения где — плотность материала проволоки, M —его молекулярный вес, R — универсальная газовая постоянная, амплитуды импульсного давления по изменению высоты T — температура.

крешера под действием импульсного давления.

Если считать, что в момент взрыва мгновенно образоИмпульсное давление определялось также по диававшийся пар занимает объем, первоначально занимаеметру следа, который оставляет стальной шарик при мый проволокой его вдавливании под действием импульсного давления dв алюминиевую пластину. Так же как для измерений V0 = l, (3) крешером, вначале строится калибровочный график зависимости диаметра следа от известного статического где l — длина проволоки, то можно положить, что давления. совпадает с плотностью твердого металла. Далее, если Журнал технической физики, 2006, том 76, вып. О природе импульсного давления, создаваемого взрывом проволоки в воде T за T взять температуру испарения металла, то в случае 1. Поэтому в рамках использованной в экспериTd меди для P0 можно получить оценку менте отношений модели, которая является довольно dT грубой, можно считать = 1 и TP0 = 3.3 · 109 Pa. (4) dP(d, d0) =(KP0)1/2. (11) В последующем происходит расширение металличеd ского пара за счет сжатия жидкости, пока его давИспользуя для объемного модуля упругости воды ление не будет уравновешено давлением, возникшим его среднее значение, характерное для давлений в жидкости. Предполагая, что этот процесс протекает (300-900) · 105 Pa, K = 2.6 · 109 Pa (9) и полученную набез теплообмена с жидкостью и он описан уравнением ми оценку для меди P0 = 3.3 · 109 Pa (4), можно убесостояния идеального газа, получим диться, что для использованных в эксперименте отношеd P0V0 P ний условие (9) всегда выполняется, а коэффициент d= (V0 + V ), (5) d T0 T перед больше единицы (d много больше d0).

dВсе проволоки, с которыми экспериментировали автогде P — давление после расширения, V — изменение ры (Cu, Al, W, Mo, Ti, Ta), при взрыве в воде входят в объема пара. Поскольку давление в жидкости возникает химическую реакцию с ней. В общем виде эта реакция за счет сжатия, конечное давление газа P, уравновешенможет быть представлена так [2]:

ное давлением жидкости, можно выразить в виде mM + nL sOx + hG + Q.

V P = K, (6) Взаимодействие m атомов металла M с n молекулами V жидкости L приводит к образованию s молекул соединеdгде V = l — первоначальный объем жидкости, d — ния Ox и h молекул газа G (Q —теплота реакции).

внутренний диаметр сосуда с жидкостью (d d0), в Когда взрывается алюминиевая проволока в воде, темкотором происходит взрыв проволоки, а K — объемный пература алюминиевого пара может достигать 3000 K.

модуль упругости жидкости. При этом, как показывает анализ, преимущественно протекает реакция Подставив (6) в (5), для V получим квадратное уравнение, решение которого с учетом положительного 2Al + 3H2O Al2O3 + 3H2 + Q, знака V в (5) можно записать в виде Q = -1680 kJ/m [10].

1/V0 4P0VT Импульсное давление при наличии химической реак V = 1 + - 1, (7) 2 KV0Tции в основном создается продуктами реакции [6].

На рис. 4 (черные кружки) приведены эксперимени для давления, возникающего в жидкости, получим тальные результаты измерения зависимости амплитуды выражение импульсного давления от массы (диаметр d0 менялся от 1.0 до 1.8 mm) алюминиевой проволоки дли2P0 T ной 320 mm, взрываемой в воде.

P = (8) 1/ 2 T0.

4P0T d Поскольку известна масса алюминия, можно рассчи1 + 1 + kT0 dтать все параметры химической реакции: массу и объем воды, с которой провзаимодействовал алюминиевый Если положить, что пар, массу и объем продуктов реакции, температуру и давление, которое они развивают. Ниже приводятся 4P0T d 1, (9) данные расчета. Температура и давление, развиваемые KT0 dпродуктами реакции, приблизительно равны то из (8) получим линейную зависимость P от безразT 7.8 · 103 K, dмерного параметра :

d PH 2.6 · 109 Pa, 1/T dP =(KP0)1/2, (10) PAl O3 0.88 · 109 Pa.

T0 d Здесь приведены значения давления продуктов реаккоторая хорошо соответствует экспериментально наблю- ции, образующихся в результате химической реакции.

даемой зависимости.

Давление создается в центре сосуда с водой в результате Из условия отсутствия теплообмена (работу на сжа- взрыва алюминия. Эти величины рассчитаны с использотие жидкости пар совершает за счет своей внутренней ванием уравнения Клайперона. Давление продуктов реэнергии), учитывая, что неравенство (9) соответствует акции развивается в цилиндре, объем которого определяусловию V V0, можно получить, что отношение ется количеством воды, вошедшим в реакцию и объемом Журнал технической физики, 2006, том 76, вып. 46 В.П. Кортхонджия, М.О. Мдивнишвили, З.К. Саралидзе Сравнение экспериментальных результатов с расчетными показывает, что формулы (13) и (14) качественно хорошо описывают наблюдаемую зависимость P = P(d, d0). Количественное расхождение может быть связано с тем, что — в расчетах использовались значения теплоемкостей продуктов химической реакции для T 1800 K и атмосферного давления, тогда как в эксперименте реализуются гораздо большие значения этих параметров. При больших значениях теплоемкостей уменьшатся величи ны расчетных значений температуры продуктов реакции и давлений, создаваемых ими в центре сосуда. Это приведет к уменьшению расчетного значения суммарной амплитуды импульсного давления. В результате этого давления, рассчитанные по (13) и (14), станут ближе к экспериментальным значениям амплитуды импульсного давления;

— возможно, не весь алюминий успевает прореагировать с водой, что естественно приведет к меньшим Рис. 4. Зависимость импульсного давления при взрыве значениям амплитуды импульсного давления.

алюминиевой проволоки в воде от массы m, g и величины При взрыве проволоки в жидкости создается импульсdW 1.= d0.

d d ное давление. Взрывающаяся проволока входит в химическую реакцию с жидкостью. Импульсное давление в основном создается продуктами химической реакции.

В дальнейшем это импульсное давление посредством взрывающейся проволоки. Диаметр основания цилинокружающей жидкости, в которой произошел взрыв дра dW, занимаемого водой в количестве, необходимом проволоки, передается стенкам сосуда. Ввиду того что для химической реакции, и взрывающейся проволокой химическая реакция является процессом более медлендиаметром d0, определяется следующим образом. Число ным, чем электрический взрыв проволоки, длительность атомов взрываемого алюминия и число молекул воды, импульсного давления в случае наличия химической входящих в химическую реакцию связаны друг с другом реакции определяется ее скоростью а не длительностью соотношением разрядного тока, и может составлять несколько милли2 2 d0l Al n dW - d0 H O секунд. Пример этого — взрыв алюминия, вольфрама, NA = l NA, тантала и т. п. в воде.

4 MAl m 4 MH O где l — высота цилиндра, NA — число Авогадро, Al и Список литературы H O — плотности алюминия и воды, а MAl и MH O — 2 их молекулярные веса соответственно. Из последнего [1] Кривицкий Е.В. Динамика электровзрыва в жидкости.

соотношения можно найти связь между dW и dКиев: Наукова думка, 1986. 401 с.

[2] Кортхонджия В.П., Мдивнишвили М.О., Тактакишви(Al/MAl + 3/2H O/MH O)1/2 ли М.И. // ЖТФ. 1999. Т. 69. Вып. 4. С. 41–43.

dW = d0. (12) 3/2H O/MH O 2 2 [3] Электрический взрыв проводников / Под ред. А.А. Рухадзе и И.С. Шпингеля. М.: Мир, 1985. С. 239–259.

Давление у стенки камеры (экспериментально измеря[4] Абрамова К.Б. Златин Н.А., Перегуд Б.П. // ЖЭТФ. 1975.

ется именно оно) может быть рассчитано при сделанных Т. 69. В. 6 (12). С. 207–282.

выше допущениях. Получаются соотношения [5] Бурцев В.А., Калинин Н.В., Лучинский А.В. Электрический взрыв проводников и его применение в электрофиdW зических установках. М.: Энергоатомиздат, 1990. 343 с.

P1(KPH )1/2, (13) d [6] Кортхонджия В.П., Мдивнишвили М.О. // Письма в ЖТФ. 1999. Т. 25. Вып. 13. С. 10–14.

dW [7] Кортхонджия В.П. // Письма в ЖТФ. 2003. Т. 29. Вып. 19.

P2 =(KPAl O3)1/2. (14) d С. 13–20.

На рис. 4 светлыми кружками нанесены рассчитанные [8] Гольке В. // Физика быстропротекающих процессов. М.:

Мир, 1971. Т. 2. С. 69.

значения амплитуды суммарного импульсного давле[9] Комельков В.С., Синицын В.И. // Физика плазмы и пробления продуктов химической реакции P = P1 + P2 при ма управляемых термоядерных реакций. Изд. АН СССР, K = 2.8 · 109 Pa, когда в воде взрывается алюминиевая 1958.

проволока. Крестики соответствуют учету зависимо[10] Таблицы физических величин / Под ред. ак. И.К. Кикоина.

сти K от величины давления [9]. Выше 108 Pa значения K М.: Атомиздат, 1976. 1006 с.

получены аппроксимацией его значений.




© 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.