Критические явления при детонации гетерогенных топливо-воздушных смесей

Изучение механизма детонации двухфазных сред необходимо для решения проблемы их взрывобезопасности. С этой точки зрения детонация суспензий бензина и частиц алюминия в воздухе интересна тем, что алюминий является очень энергоемким металлом и может вступать в реакцию не только с кислородом, но и с водяным паром, углекислым газом и др. [1-4].

Точные знания о критических параметрах инициирования детонации нужны для того, чтобы определить относительный ряд детонационной способности топлива и возможность к детонации той или иной топливно-воздушной смеси.

Цель работы - экспериментальное определение энергии инициирования детонации в аэровзвесях бензина Б-70 и алюминия с частицами различного размера.

Материалы и методы исследования

Исследование инициирования и распространения детонации в суспензиях проводились в вертикальных стальных трубах внутренним диаметром 55 мм и 145 мм и длиной по 2 м, с щелевыми окнами вдоль образующей для регистрации процесса детонации при помощи высокоскоростного фоторегистра. Схема установки приведена на рисунке 1.

I

g IH!*11' | щТ

Рисунок 1 – Схема установки высокоскоростного фоторегистра, где 1, 2, 3, 4 – датчики давления, 5, 6 – датчики ионизации

Датчики давления (1 - 4) были установлены на расстояниях, показанных на рисунке 1, от открытой поверхности трубы, где расположен инициатор детонации (пластиковый взрывной материал на основе RDX-детонатора). В поперечном сечении второго преобразователя имеется зашнурованный датчик ионизации.

В качестве топлив выбраны такие жидкости, как бензин марки Б-70, додекан (С 12 Н 26 ) и дизельное топливо. Выбор первых двух определялся тем, что при практически одинаковых задержках воспламенения капель этих топлив в ударных волнах с числом Маха М = (4÷6), давление насыщенных паров бензина в условиях проведения опыта составляло (40÷60) мм. рт. ст., а у додекана практически равна нулю. Концентрация топлива в смесях близка к стехиометрической. Аэровзвеси жидких топлив создавались при помощи форсунки, находившейся в верхней части трубы.

В экспериментах со взвесями алюминия использовался порошок типа ПAП (пудра алюминиевая пиротехническая), частицы которого были покрыты углеводородной пленкой и имели форму окалины толщиной около 1 мкм. Примерно 75 % частиц (по массе) имели диаметральный размер от 1 до 15 мкм. Кроме того, применялись порошки марки УДA (ультра-дисперсный алюминий) (диаметр частиц составлял до 1 мкм), AСД-1 (алюминий сферический дисперсный) (средний размер частиц было 11–17 мкм) и использовали алюминиевый порошок ПA-4 (около 33 мкм). Порошки не подвергались специальной обработке перед экспериментом.

Суспензию частиц внутри пробирки готовили с помощью «футляров» с Al-порошком, расположенных через каждые 25 см по длине пробирки. Торцевая сторона трубки, более удаленная от инициатора, перед экспериментом была закрыта полиэтиленовой пленкой. Примерно за 0,5 с до подрыва электродетонатора «гильзы» продувались сжатым воздухом из резервуара с начальным давлением ~10 атм. Масса алюминия, выходящего из объема трубы через ее открытую поверхность и осаждающегося на стенках ударной трубы за время, приблизительно равное задержке взрыва, была определена в специальной серии холостых экспериментов в горизонтальной ударной трубе. Для этого перед экспериментом в трубу была вставлена специальная цилиндрическая медная вставка длиной 1 м и диаметром, равным внутреннему диаметру ударной трубки. Вставку быстро извлекали из тюбика через различные промежутки времени после приготовления суспензии. Количество алюминия, осаждающегося на стенках ударной трубы в течение промежутков времени (1–10) с, практически оставалось постоянным. Среднюю концентрацию частиц в суспензии определяли отношением массы порошка, поступающего фактически в объем трубки (т. е. за вычетом массы алюминия, осаждающегося на стенках), к объему трубки. Погрешность в определении концентрации составила – 10 %. В вертикальной ударной трубе практически не происходило осаждения сферических частиц на стенках, тем не менее концентрация УДA-суспензии не была однородной по длине трубы. Осаждение ПAП-частиц происходило значительно медленнее, чем УДA. Оценки, полученные при визуальных наблюдениях, показали, что перемешивание облаков из соседних «корпусов» достаточно хорошее.

Такой параметр, как минимальная энергия инициирования детонации, определялся исходя из того, что при стационарной детонации скорость не должна меняться при увеличении заряда.

Результаты исследования и их обсуждение

Результаты для аэровзвесей жидких топлив

Рисунок 2 – Распространение детонационной волны аэровзвеси бензина Б-70

На рисунке 2 представлена фоторегистрация распространения детонационной волны аэровзвеси бензина Б-70 в трубе диаметром 145 мм. В нижней части трубы скорость распространения волны достаточно высокая, так как это скорость взрывной волны инициатора. Далее, как следует из фоторегистрации, скорость распространения стабилизируется (по углу наклона), что соответствует детонации.

В результате проведенных исследований установлено, что минимальная энергия инициирования детонации в смесях капель бензина Б-70 с воздухом составляет (6,4 ± 0,6) МДж/м² при температуре t (10^15) ° С и не зависит от диаметра трубы. При увеличении температуры до (20^25) ° С энергия инициирования уменьшается в 16 раз, т. е. при более высокой температуре испаряются более тяжелые фракции бензина, которые легче воспламеняются. Другими словами, количество паров топлива, т. е. степень гомогенности смеси, существенно влияет на параметры инициирования двухфазной детонации. В пользу последнего утверждения выступает тот факт, что ни одним из используемых зарядов ВВ (взрывчатых веществ) не удалось 110

возбудить детонацию в смесях «додекан – воздух» и «дизельное топливо – воздух». Более того, капли додекана даже не воспламенялись. Здесь можно предположить, что в данном случае проявляется влияние фактора, которому ранее мало внимания уделяли времени образования реакционноспособной газовой смеси. При наличии паров топлива в исходной системе смесь этих паров с окислителем воспламеняется раньше, чем смеси, образовавшиеся при дроблении и испарении исходной капли. Данный процесс приводит к увеличению температуры за волной и облегчает воспламенение облака смеси вокруг капли.

С другой стороны, в гетерогенных системах, особенно крупных капель, возможны потери энергии и за счет полноты реагирования горючего. Это, по-видимому, является основной причиной исключительно низкой детонационной способности взвесей плохо-испаряющихся топлив [5].

Что касается скорости распространения детонации в аэровзвесях бензина, то установлено, что в трубе диаметром 145 мм она практически достигает своего термодинамически максимального значения 1810 м/с [4] и уменьшается на 10 % в трубе диаметром 55 мм. Снижение скорости объясняется тем, что при двухфазной детонации из-за достаточно протяженной зоны реакции при малых диаметрах труб (менее 100 мм) сказываются потери энергии в стенки трубы.

Результаты для аэровзвесей алюминия

Концентрация, г/м3

Рисунок 3 – Зависимость энергии Е инициирования воздушной суспензии Al-частиц от n концентрации частиц. Полые точки соответствуют затуханию волны, черные – стационарной детонации. Тип порошка: 1 – ПАП, 2 – УДA

Результаты экспериментов по определению минимальной энергии инициирования детонации показаны на рисунке 3. Энергия инициирования, при которой в трубе происходит распространение детонации, показаны черными точками, а энергия инициирования, при которой не происходит распространение детонации, показана полыми. Видно, что для чешуйчатых частиц алюминия марки ПАП оптимальная концентрация частиц равна 330 г/м³, при которой энергия инициирования минимальна и составляет 3,4 МДж/м² (соответствующая масса взрывного материала 12 г. Эта энергия составляет примерно величину энергии инициирования стехиометрической смеси «пропан - воздух» и достигается при стехиометрической концентрации Al-частиц в воздухе. В случае УДA-сферических частиц энергия инициирования (кривая 2) была значительно меньше, чем в случае чешуйчатых частиц. При этом энергия инициирования смесей достигает не менее 0,3 МДж/м² (заряды с меньшей эффективной энергией не используются).

Рисунок 4 – Фоторегистрации процесса распространения детонации в аэровзвесях алюминия: а - ПAП, n = 330 г/м³; б - УДA, n = 170 г/м³; в - УДА n = 330 г/м³

Энергия инициирования детонации соответствует рисунку 1

Фоторегистрация процесса распространения детонации аэросмеси алюминия марки ПAП при концентрации n ≈ 330 г/м³ показана на рисунке 4: что фронт свечения колеблется с частотой ν ≈ 4,7 кГц, т. е. детонация распространяется в спиновом режиме, так же как в алюминиево-кислородных смесях. Длина волны колеблющегося фронта λ значения которой приведены в таблице, практически не зависит от концентрации пределах от 210 до 400 г/м³ и колеблется в пределах 40 см, т. е. составляет 3,3 диаметра трубы.

В случае сферических частиц стадия спина уменьшалась с ростом концентрации частиц (табл., рис. 4 б, в) и при n > 330 г/м³ колебания свечения на фронте волны не наблюдаются. На экспериментальных профилях давления и проводимости (рис. 5), полученных с помощью фоторегистрации (рис. 4 а) в том же эксперименте, также наблюдались небольшие скачки, следующие один за другим в (200÷300) μc, что примерно соответствует периоду колебаний фронта волны (см. табл.).

Время, мс

а

Рисунок 5 – Осциллограммы давления Р и электропроводности Ω от времени t на расстоянии: а - 1,265 м от точки инициирования

Время, мс

в

Рисунок 5 (продолжение) – Осциллограммы давления Р и электропроводности Ω от времени t на расстоянии: б - 1,635 м от точки инициирования; в - профиль электропроводности на расстоянии 1,635 м от места инициирования в случае чешуйчатого ПАП для тех же условий, что и на рисунке 4 а

Таблица

Параметры детонационных волн в аэровзвесях алюминия:

n – концентрация, D – скорость детонации, p – давление на фронте волны, λ – длина волны колеблющегося фронта, d – диаметр трубы, M – число Маха, τ – период пульсации фронта

Марка	n , г/м3	D , м/с	p , атм	λ , см	λ/d	M	τ , мкс
ПАП	210	1760	33,0	43	3,52	6,26	240
	270	1800	33,0	40	3,28	6,29	220
	330	1790	33,5	38	3,11	6,31	210
	400	1810	35,0	38	3,11	6,32	210
УДА	140	1420	19	40	3,28	4,89	280
	170	1670	23	33	2,70	5,78	200
	210	1720	25	13	1,07	5,98	80
	270	1750	25	15	1,23	6,11	90
	330	1800	26	11	0,90	6,31	60
	460	1760	26
	560	1780	26
	750	1810	27

Давление на фронте волны, измеренное в различных сечениях трубы (рис. 5 а, б), не изменялось в пределах погрешности измерения, т. е. является аддитивным подтверждением стационарности волны. Нет смысла нагружать наподобие профилей в окрестности волнового 113

фронта из-за пульсирующего характера распространения волны и недостаточной временной скорости преобразователей (~ 30 μc). По той же причине записи проводимости смеси (рис. 5 в), которая Ω ≈ 4∙10-5 Ом∙м/мм2 уже на волновом фронте, не позволили определить достаточную надежность задержки воспламенения частиц Al за фронтом волны. Значения скорости детонации, измеренные на основе фоторегистров и давления, определенные экстраполяцией профиля давления на фронте волны, также приведены в таблице (и выше, на рис. 1).

Скорость распространения детонации в случае чешуйчатых частиц не зависит от концентрации частиц и равна (1800±50) м/с, т. е. меньше, чем термодинамическая скорость детонации на (50÷100) м/с. Измеренное давление на фронте волны равно (34 ± 3) атм. В случае сферических УДA-частиц (1 мкм в диаметре) скорости детонации и приращения давления заметны, когда концентрация возрастает от (140 до 750) г/м3 (соответственно на 400 м/с и 8 атм), т. е. наиболее быстрый рост происходит при малых концентрациях вблизи нижнего предела концентрации взвеси, при которой происходит детонация. Скорость детонации обогащенных УДA-суспензий совпадала с таковой у чешуйчатого алюминия, но давление на фронте волны значительно ниже, чем для ПАП, и равен (26 ± 3) атм.

Добиться детонации воздушных суспензий Al типов AСД-1 и ПA-4 в использованных трубах не удалось.

Заключение

Таким образом, было показано, что детонационная способность аэровзвесей бензина Б-70 зависит от температуры и лежит в области детонационной способности богатых и бедных пропано-воздушных смесей.

При помощи полученной в работе [6–9] корреляционной прямой можно провести оценку минимальной энергии сферического инициирования детонации. Так, для аэровзвесей бензина Б-70 со средним диаметром капель 20 мкм в диапазоне температур от 10 до 25 ° С эта величина должна быть порядка 10 МДж.

Аналогия между фоторегистрациями распространения фронта свечения в аэровзвесях Al типов УДA и ПAП и фоторегистрациями распространения детонации в газообразных топливовоздушных смесях (как и в аэроaвзвесях бензина Б-70) [10–14] вместе с постоянством скорости распространения волны и давления на ее фронте позволяют подтвердить, что стационарная детонация может распространяться в гетерогенных смесях.

Для оценки длины зоны реакции (и химического пика) были проведены эксперименты по измерениям электропроводности детонационных каналов. Увеличение проводимости до максимума составляет 20–30 мкс, а задержка роста тока ионизации за фронтом примерно такая же, т. е. длина химического пика t составляет около нескольких десятков пс и может быть зарегистрирована датчиками давления. В серии экспериментов ток ионизации при быстром первоначальном росте снова плавно, но медленнее увеличивается до высоких значений. Этот факт, по-видимому, указывает на то, что частицы (стряхиваемые со стенки ударной трубки или проходящие плоскость Чепмена - Жуге, будучи не сбитыми) сгорают за плоскостью Чепмена - Жуге.

Параметры детонации алюминиевых порошков (УДA и ПАП) практически не изменяются изменением диаметра ударной трубки и не зависят от расстояния до инициатора. Этот факт подтверждает, что влияние потерь на стенки трубы слабое, а длина зоны воздействия достаточно мала.

Стехиометрическое соотношение частиц алюминия марки ПАП составляет 330 г/м. Более бедные и богатые смеси воспламеняются труднее. Суспензии УДA-порошка со сферическими частицами диаметром около 1 мкм обладают значительно более высокой детонационной способностью и более широкими пределами концентрации, чем суспензии чешуйчатого ПАП-порошка, средний диаметр частиц которого составляет около 6 мкм, а толщина – около 1 мкм. Поскольку суспензии Al-порошка с частицами диаметром более 10 мкм не детонируют ни в кислороде, ни на воздухе, можно сделать вывод, что, чем меньше размер частиц Al, тем выше их детонационная способность.

Структура детонационной волны сильно зависит от распределения размеров частиц [15–18], так как крупные частицы воспламеняются позже мелких и горят при температуре, близкой к температуре кипения оксида алюминия, когда тепловое высвобождение уже невелико и даже отрицательно. Несмотря на значительное горение крупных частиц вплоть до плоскости Чепмена - Жуге, скорость неидеальной детонации в таких взвешенных суспензиях не сильно отличается от соответствующего термодинамического значения. При наличии заметной массовой доли таких частиц в суспензии законы распространения неидеальной детонации одинаковы как в ударных трубах, так и в пространстве. Аналогичные эффекты имеют место и в случае чешуйчатых частиц, так как их различная ориентация в пространстве приводит к неодновременности воспламенения разных частиц (частицы, проскальзывая по газовому потоку, воспламеняются раньше, чем другие масштабы).