|
№
21 (4082)
июнь 2004 |
ГОРЕНИЕ, ДЕТОНАЦИЯ, ВЗРЫВЫ В ГАЗАХ И ТВОРЧЕСКОЕ ГОРЕНИЕ
Указом Президента РФ № 1481 от 13 декабря 2003 г. по циклу работ «Инициирование и распространение волн детонации в открытом пространстве» за 1956–2000 гг. (почти 50 лет работы) присуждена Государственная премия Российской Федерации в области науки и техники за 2002 г. В состав коллектива авторов цикла входят наши коллеги, сотрудники Института механики МГУ: академик Г.Г. Черный, чл.-корр. РАН В.А. Левин, доктор физико-математических наук В.В. Марков.
Горение – наиболее известное и широко распространённое явление тепловыделения в газовых средах. При определённых условиях смеси химически активных газов воспламеняются и горят. При этом горение, возникнув в каком-то месте, передаётся, в силу определённых механизмов, окружающему газу. Таким образом происходит распространение зоны горения на объём, занятый горючей смесью.
ЛЕВИН Владимир Алексеевич
Доктор физ.-мат. наук, профессор, член-корр. РАН, академик РАЕН; Лауреат премий им. С.А. Чаплыгина, им. Н.Е. Жуковского, им. М.В. Ломоносова, Зам. директора Института автоматики и процессов управления ДВО РАН, зав. лабораторией газодинамики взрыва и реагирующих систем Института механики и профессор кафедры гидромеханики мех.-мат. фак-та Московского университета им. М.В. Ломоносова.
Фронт тепловыделения может двигаться в разных режимах. Различают четыре режима в зависимости от того, с какой скоростью фронт распространяется по среде. Если скорость перед и за фронтом – дозвуковая, то это нормальное горение (дефлаграция). Если скорость распространения фронта тепловыделения по газу перед ним – сверхзвуковая, а позади – дозвуковая, то это детонация (имеющая разные варианты). В этом режиме горение вызывает образование ударной волны: довольно тонкого слоя, при переходе через который сильно (скачкообразно) повышается давление, плотность и температура газа. В этом случае не исключены разрушительные последствия режима; развитие горения сходно со взрывом.
Существуют ещё два режима: когда перед фронтом тепловыделения скорость дозвуковая, а за – сверхзвуковая, и когда скорость впереди и сзади – сверхзвуковая. Вероятно, такие режимы не встречаются в природе, поскольку не были экспериментально обнаружены в интересных физических приложениях.
Для теоретического и, отчасти, экспериментального исследования этих явлений строятся соответствующие математические модели. Во многих случаях зона горения представляет собой довольно узкий фронт: его размеры не превышают доли миллиметра. В тех случаях, когда этот масштаб мал по сравнению с общим масштабом явления, простейшей моделью области горения является поверхность разрыва. Конечно, такая модель является сильным упрощением. Понятно, что и основная часть экспериментов проводится в лабораторных условиях. Несмотря на это, результаты исследовательской работы многие годы используются и могут быть использованы во многих технических приложениях: для предотвращения катастрофических взрывов в шахтах, на промышленных предприятиях; при прогнозировании природных процессов и так далее.
МАРКОВ Владимир Васильевич
Доктор физ.-мат. наук; вед. научный сотрудник Математического института им. В.А. Стеклова РАН
Сложность проблем и трудности их решения оставляют без исследования отдельные особенности этих явлений, вследствие чего катастрофы, связанные с воспламенением, происходят в неожиданных для конструкторов и инженеров ситуациях. Последствия могут превосходить все мыслимые пределы и оправдывать наихудшие опасения. Например, известен случай, когда взорвался большой объём природного газа при разрыве трубопровода в Башкирии (1989 г.). Детальных сведений о том, что на самом деле произошло, нет. Известно, что взорвалось облако газа, как предполагают от искры. Но в больших объёмах горючих газов существуют особые режимы распространения горения. Причём, это уже так называемое быстрое горение, когда скорость распространения пламени больше, чем у волны нормального горения, но оно ещё не достигает детонационного режима. Вероятно, в таком режиме это и происходило при катастрофе в Башкирии. Это только предположение, так как никаких измерений проведено не было.
Большую проблему представляют обеспечение пожаро- и взрывобезопасности морских танкеров, перевозящих сжиженный природный газ. Как показывают оценки энерговыделения при воспламенении таких объёмов горючих смесей, мощность равна энергоотдаче при ядерном взрыве. Понятно, что подобная катастрофа в порту или в судоходном канале будет иметь ужасные последствия.
ЧЕРНЫЙ Горимир Горимирович
Доктор физ.-мат. наук, профессор, академик РАН, член Международной академии астронавтики и Инженерной академии США; Лауреат гос. премий СССР, премий им. Н.Е. Жуковского, С.А. Чаплыгина и М.В. Ломоносова; Советник Президиума РАН, зав. кафедрой аэромеханики и газовой динамики Московского университета им. М.В. Ломоносова
В 40-х гг. прошлого века было обнаружено, что при выстреле в горючую смесь (например, сферы определённого размера) возникают какие-то световые пульсации. Оказалось, что таким образом можно вызывать различные режимы горения. Это либо обычное нормальное горение (с образованием перед телом ударной волны, а за ней фронта медленного горения), либо детонация. Описанное явление оказалось тесно связанным с проблемой стабилизации детонационных волн на препятствиях, которая рассматривалась уже с конца 50-х гг. Сейчас это явление изучается как возможный способ организации горения в так называемых гиперзвуковых прямоточных двигателях.
Работы по детонации всегда были приоритетами СССР, а теперь – России, это признано и за рубежом. Школа по горению и детонации была основана в Институте механики МГУ. По инициативе Г.Г. Черного в Институте была создана успешно работающая по сей день лаборатория «Газодинамика взрыва и реагирующих систем», заведующим лабораторией является чл.-корр. РАН В.А. Левин. Значителен вклад лаборатории в решение основных проблем инициирования и распространения самоподдерживающейся детонации в открытом пространстве. В настоящее время разработаны приближенные модели и предложены простые формулы для расчёта критической энергии инициирования и других параметров, определяющих самоподдерживающийся режим детонации, хорошо согласующийся с экспериментальными данными. Результаты используются при проектировании и разработке образцов новой техники, в научных, инженерных расчётах и учебных программах.
А.Н. Богданов
|
