WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Журнал технической физики, 2002, том 72, вып. 1 Краткие сообщения 01;04;10 Генерация электрических полей пылевыми частицами при воздушных взрывах зарядов конденсированного взрывчатого вещества © М.А. Ерохин, А.А. Кондратьев, И.В. Литвиненко, Ю.И. Матвeенко Российский федеральный ядерный центр–Всероссийский научно-исследовательский институт технической физики им. ак. Е.И. Забабахина (РФЯЦ–ВНИИТФ), 456770 Снежинск, Челябинская область, Россия e-mail: yu.i.matveenko@vniitf.ru (Поступило в Редакцию 19 сентября 2000 г. В окончательной редакции 10 мая 2001 г.) Приведены результаты двумерного численного моделирования генерации электрических сигналов при воздушных взрывах химических взрывчатых веществ. Результаты расчетов сравниваются с экспериментальными данными, полученными в результате выполнения работ по проекту МНТЦ № 835 специалистами Института динамики геосфер РАН (ИДГ), Научно-исследовательского института импульсной техники Минатома (НИИИТ) и РФЯЦ–ВНИИТФ Минатома. Предполагается, что электрическое поле создается заряженными пылинками, образованными при взрыве конденсированного химического взрывчатого вещества. Показано, что привлечение модели пылевой плазмы к описанию характеристик пылинок приводит к удовлетворительному согласию результатов численного моделирования с экспериментом.

Введение Теоретическая модель Известно, что при воздушных взрывах химического ХВВ ТГ-50 / 50 имеет отрицательный кислородный взрывчатого вещества (ХВВ) регистрируются электри- баланс, т. е. при детонации разлагается с выделением ческие поля, имеющие дипольный характер [1,2]. В ра- свободного углерода. При взрыве ТГ-50 / 50 на фронте ботах [3,4] сделан обзор экспериментальных и теоре- детонационной волны в зоне химических реакций (химтических работ по данной теме и предложен механизм пике) за времена порядка 1 µs образуются алмазный генерации электрических полей, связанный с образова- порошок и графитовая сажа [6,7]. Кинетика процессов нием в продуктах взрыва (ПВ) твердых частиц графита образования зародышей алмазной фазы и их после(пылинок), имеющих отрицательный заряд. Там же каче- дующего роста заканчивается до плоскости Чепмена– ственно объяснена зависимость от времени напряженно- Жуге. Здесь же, в зоне химпика, реализуются высокие сти электрических полей, полученных в экспериментах давления в сотни тысяч атмосфер, температура достис массами ХВВ, находящимися в диапазоне 10-3-5kg.

гает 0.35 eV, а проводимость ПВ достигает значений Для исследования механизма генерации электромаг- 10-20 -1 · m-1, а затем уменьшается на порядок нитного излучения (ЭМИ) в рамках программы экспе- через время t = 1 µs после прохождения фронта детонариментальных исследований по проекту МНТЦ № 835 ционной волны.

специалистами РФЯЦ–ВНИИТФ, НИИИТ и ИДГ РАН Следуя работам [8,9], можно оценить заряд пылинки были выполнены эксперименты с литыми зарядами мас- qp исходя из характеристик в области химпика ПВ. Он сой 2.9 kg из сплава тринитротолуола и гексогена в пропропорционален потенциалу пылинки p относительно порции 1 : 1 (ТГ-50 / 50), имеющими сферическую форму.

плазмы qp = eZp = Cpp, где Cp = 40Rp — Заряды ВВ подвешивались на веревках на высоте 2 m от емкость пылевой частицы, Rp — радиус частицы, Zp — поверхности Земли. Подрыв всех зарядов был выполнен число электронов на пылинке. Рост отрицательного заогневым способом из точек, расположенных сверху, или ряда пылинки происходит до тех пор, пока тепловой из центра зарядов [5].

поток электронов на пылинку не будет равен тепЦель нашей работы — показать, что при привлечении ловому ионному потоку Zpe2/(40Rp) = kTe, где идеи о заряженных пылинках результаты численного 2, и логарифмически зависит от плотности, моделирования удовлетворительно согласуются с экспе- массы и температуры ионов. Подставляя в выражериментальными данными по измерению электрической ние температуру в химпике Te = 3800 K, получим составляющей ЭМИ, полученными при воздушных мо- величину дельных опытах летом 1999 г. на экспериментальной Zp = 4.2 · 108Rp. (1) площадке РФЯЦ–ВНИИТФ.

126 М.А. Ерохин, А.А. Кондратьев, И.В. Литвиненко, Ю.И. Матвeенко Начальная геометрия расчетов максимально прибли- Моделирование движения газа проводилось в двужена к экспериментальной постановке опытов. Заряд мерном осесимметричном приближении (ось симметрии ХВВ массой 2.9 kg сферической формы располагался перпендикулярна поверхности Земли и проходит через на высоте 2 m от поверхности Земли. Детонация ХВВ центр сферической формы ХВВ) с использованием метода частиц на адаптивной встраиваемой нерегулярной происходила в точке, расположенной в центре ХВВ (соответствует первой серии опытов), или точке, рас- прямоугольной сетке: 1) частицы описываются следующими параметрами: координатами, компонентами скоположенной сверху ХВВ (соответствует второй серии опытов). Движение воздуха или ПВ описывается урав- рости, массой, внутренней энергией, положительным электрическим зарядом, а также рядом вспомогательных нениями газовой динамики величин, необходимых при организации вычислений; 2) в u p начале каждого шага движения частиц в расчетной обла+ u = 0, +(u)u = -, t t сти строится адаптивная нерегулярная прямоугольная сетка; 3) адаптация сетки заключается в дроблении каждой ячейки, в которую попало число частиц больше заданного, дробление ячейки предполагает ее разделение u2 u + + u + + pu = Q, (2) на четыре одинаковыe новыe ячейки; 4) для каждой ячейt 2 ки сетки по находящимся в ней частицам определялись интегральные величины: плотность, средняя скорость, где,, u — плотность, внутренняя энергия и скорость удельная внутренняя энергия, давление p; 5) для ПВ или воздуха; Q — мощность выделения энергии при расчета уравнений газовой динамики (2) применялась детонации.

явная разностная схема, предложенная Харлоу [11].

Использовались уравнения состояний для воздуха и Образование пылинок и зapяда на них при численХВВ ТГ-50 / 50, приведенные в [10]. Совместно с уравненом решении происходило в ПВ на фронте детонаниями (2) решались уравнения движения для пылинок ции, причем выполнялось условие, при котором число образовавшихся пылинок в ячейке с ПВ выбиралось dup Mp = -6Rp(up - u). (3) пропорционально массе ячейки (пылинки в ней размеdt щались равномерно по объему), а заряд частиц ПВ в ячейке полагался равным заряду пылинок в ячейке с Здесь up — скорость пылинки, = 10-3 g/(cm · s) — коэффициент динамической вязкости (в расчетах пола- противоположным знаком (условие квазинейтральности выполнялось на каждом счетном шаге).

гался постоянным), Mp =(4/3)R3p — масса пылинки, p При моделировании динамики заряженных пылинок p = 2g/cm3 — плотность пылинки. Отметим, что применялся подход, согласно которому пылинки двигав уравнении движения не учитывается влияние элекются шаг в шаг с расчетом движения ПВ. При этом в натрического поля на движение пылинок (из-за малости чале временного шага для каждой пылинки определялась величины по сравнению с силой вязкого трения пылинки газодинамическая ячейка, куда она попадает, после этого о ПВ). Начальная скорость пылинок полагалась равной скорость ячейки использовалась для решения уравнений нулю.

движения пылинок (3).

Так как пылинки и ПВ на рассчитываемые времена (до 5 s) сосредоточены в области диаметром 4 m, а регистрация сигнала происходила на расстоянии 30 m Результаты численного моделирования от центра взрыва, то для вычисления электрического и сравнение с экспериментом сигнала использовалось дипольное приближение. В этом приближении значение электрического сигнала в месте Вертикальная составляющая напряженности электрирасположения датчиков составляет ческого поля регистрировалась на расстоянии 30 m от центра взрыва у поверхности Земли, амплитуды напря3R(DR) D женности электрического поля в двух экспериментах E = -, R5 Rравны E = 3 kV / m, но временные зависимости отли чаются друг от друга (рис. 1, 2).

Проводилось моделирование двух опытов: опыт 1 — D = ez qkzk + q(r, z)z2r dr dz, подрыв из центра и опыт 2 — подрыв сверху. Качественk но движение продуктов взрыва и пылинок представляетгде R — расстояние до центра взрыва; qk — заряд ся следующим образом. При подрыве ХВВ на высоте 2 m пылинки; zk — координата пылинки на оси 0Z; q(r, z) — в течение 1 ms происходит расширение ПВ до радиуса объемная плотность заряда в ПВ; (z, r) — координаты 100 cm, которое затем сменяется сжатием. Радиус облака в цилиндрической системе; дипольный момент D вычи- пылинок на момент времени 1 ms составляет 20 cm (для сляется в приближении осевой симметрии и направлен пылинок радиусом 9.5 µm). На момент времени 1.5 ms вдоль оси симметрии 0Z. ударная волна (УВ) достигает поверхности Земли. При Журнал технической физики, 2002, том 72, вып. Генерация электрических полей пылевыми частицами при воздушных взрывах зарядов... плитуд напряженности электрического поля в расчетах и экспериментах.

Результаты численных расчетов напряженности электрического поля приведены на рис. 1, 2. Удовлетворительное согласие величины электрического поля в численных расчетах и экспериментах получается при значении радиуса пылинок, равном Rp = 9.5 µm, и полном заряде на пылинках qtot = 3.3 · 10-5 C. Максимальный дипольный момент системы (ПВ и пылинок) равен dmax = 9 · 10-7 C · m, на этот момент времени эффективное расстояние L, на которое разнесены заряды, равно L = dmax/qtot = 2.7 cm.

Подставляя в уравнение (1) значение Rp = 9.5 µm, получим величину числа электронов на одной пылинке Рис. 1. Зависимость вертикальной составляющей напряженноZp = 4.3 · 103. При этом полное число пылинок сти электрического поля от времени при подрыве ВВ из центра составляет Np = 4.8 · 1010, а суммарная масса всех (сплошная кривая — расчет, штриховая — эксперимент).

пылинок равна 340 g, или 11.7% от полной массы ПВ.

Это значение согласуется с величиной выхода алмазного порошка в специализированных взрывных камерах, которая достигает 10% [6,7].

Заключение Исследован механизм образования электрического дипольного момента при взрыве ХВВ ТГ-50 / 50, расположенного над поверхностью Земли. С помощью двумерного численного моделирования показано, что при выборе радиуса пылинок, равного Rp = 9.5 µm, и числе пылинок, составляющем 11.7% от полной массы ХВВ, можно удовлетворительно описать пространственно-временную зависимость электрического сигнала.

Авторы выражают благодарность за предоставленные Рис. 2. Зависимость вертикальной составляющей напряженэкспериментальные результаты сотрудникам ИДГ РАН и ности электрического поля от времени при подрыве ВВ сверху НИИИТ, принимавшим участие в этой работе, а также (сплошная кривая — расчет, штриховая — эксперимент).

М.М. Горшкову и В.Н. Приставко за полезные обсуждения результатов работы.

Работа поддержана проектом МНТЦ (№ 835).

взаимодействии отраженной от поверхности Земли УВ с ПВ начинается асимметричное движение ПВ и пылинок, приводящее к образованию электрического дипольного Список литературы момента и появлению электрического поля. Основное отличие опыта 2 от опыта 1 состоит в том, что из-за не[1] Andersen W.H., Long C.L. // J. Appl. Phys. 1965. Vol. 36.

симметричности подрыва дипольный момент появляется N 4. P. 1494–1495.

с начала подрыва.

[2] Горшунов Л.М., Конопенко Г.П., Сиротин Е.И. // ЖЭТФ.

Напряженность электрического поля зависит от двух 1967. Т. 53. Вып. 3 (9). С. 818–821.

параметров: радиуса пылинки Rp и общего количества [3] Боронин А.П., Капинос В.Н., Кренев С.А., Минеев В.Н. // ФГВ. 1990. Т. 26. № 2. С. 110–116.

пылинок Np. Отметим, что при увеличении радиуса [4] Боронин А.П., Капинос В.Н., Кренев С.А. // ФГВ. 1990.

пылинок также увеличивается время t появления макf Т. 26. № 2. С. 117–123.

симума сигнала, так как более тяжелые пылинки мед[5] Российско-американский семинар ”ЭМИ химических леннее разгоняются и позже (по сравнению с легкими) взрывов” по проекту МНТЦ № 835-98. Сб. докл.

останавливаются. Радиус пылинок в расчетах изменялся Рег. № O-1575. М.: НИИИТ, 1999.

в диапазоне 0.1-50 µm для получения согласия t в f [6] Geiner N.R., Phillips D.S., Jonson J.D., Volk F. // Nature.

расчете и эксперименте. Радиус пылинки однозначно 1988. Vol. 333. P. 440–442.

определяет заряд на ней (1). Общее число пылинок в [7] Лямкин А.И., Петров Е.А., Ершов А.П. и др. // ДАН.

ПВ Np также изменялось для получения согласия ам- 1988. Т. 302. № 3. С. 611–613.

Журнал технической физики, 2002, том 72, вып. 128 М.А. Ерохин, А.А. Кондратьев, И.В. Литвиненко, Ю.И. Матвeенко [8] Tsytovich V.N., Angelis U. // Phys. Plasmas. 1999. Vol. 6. N 4.

P. 1093–1106.

[9] Цитович В.Н. // УФН. 1997. Т. 167. № 1. С. 57–100.

[10] Куропатенко В.Ф. // ФГВ. 1989. Т. 26. № 6. С. 112–117.

[11] Харлоу Ф.Х. // Вычислительные методы в гидродинамике / Под ред. Б. Олдера, С. Фернбаха, М. Ротенберга. М.:

Мир, 1967. С. 383. Harlow F.H. // Fundamental Methods in Hydrodynamics / Ed. B. Alder, S. Fernbach, M. Rotenberg.

Vol. 3. New York; London: Academic Press, 1964.




© 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.