Тема: Ударно-волновой разогрев неоднородных энергетических материалов

Наиболее фундаментальная постановка теоретического исследования детонационных процессов в конденсированных средах заключается определении связи основных характеристик детонационной волны с исходными физикохимическими свойствами взрывчатого вещества (ВВ). Для решения той проблемы необходимо ответить на следующие вопросы:
1. Какова физическая модель детонационной волны;
2. Каким образом структура фронта детонационной волны определяет пределы ее возбуждения и распространения;
3. Как связаны механизмы и скорости химических реакций в конденсированной среде и интенсивностью ударного сжатия;
4. Каковы уравнения состояния конденсированных ВВ и их продуктов детонации (ПД).
Основную информацию о процессе детонации конденсированных ВВ в настоящее время можно получить только из эксперимента. Вследствие чего результаты исследований носят незаконченных характер и требуют расчетов, недоступных в настоящее время из-за отсутствия надежных сведений об уравнениях состояния конденсированных ВВ, их продуктов взрыва и механизма возбуждения и кинетики химических реакций, протекающих при различных условиях развития детонации.
Существует множество различных способов обработки информации, полученной в результате экспериментов по ударной сжимаемости веществ с регистрацией массовой скорости и давления за фронтом ударной волны. В основном все эти эксперименты нацелены на получения точек на ударной адиабате или изоэнтроп разгрузки при различных видах нагружения материалов. Оставшиеся после эксперимента профили остаются без должного внимания, исключением являются профили с прямоугольным импульсом и упругим предвестником. Данные эксперименты могут дать необходимую информацию при
проведении исследований кинетики химических превращений и релаксационных процессов в конденсированных средах (физико-химических превращений веществ, релаксации напряжений, явлений переноса), которые являются одной из основных задач физики ударных и детонационных волн. Это связанно с двумя обстоятельствами. С одной стороны, имеются экспериментальные данные [1], согласно которым ударное сжатие не сводится к резкому увеличению плотности и температуры вещества - сами ударные скачки могут активировать некоторые релаксационные процессы. Тогда данные по кинетике, полученные в других условиях, нельзя переносить на ударно-волновое движение среды. С другой стороны, для развития теории и практических применений ударных и детонационных волн важно знать соответствующую кинетику. Нужны адекватные методы ее исследования. В настоящее время при проведении экспериментальных исследований широкое распространение получил метод анализа Лагранжа (LAM) или динамический метод в отечественных источниках [2-10].
Для проведения обработки экспериментальных данных, полученных с помощью датчиков Лагранжа, необходимо разработать соответствующие математические модели физического процесса, включающие в себя модели химических превращений и уравнений состояния ВВ и ПД. Известно, что при различных уровнях ударного сжатия [8,9] могут реализовываться различные механизмы развития химических реакций в ВВ. В данной работе рассматриваются уровни давления 50-100 ГПа, при которых преимущество отдается концепции горячих точек [11]. Суть ее заключается в следующем: За фронтом ударной волны возникают локальные увеличения концентрации энергии, которые и называются горячими точками. Эти точки либо исчезают со временем, либо в них происходит тепловой взрыв. В последнем случае горячая точка будет называться активированной горячей точкой.
Существует несколько причин, по которым за фронтом ударной волны могут образовываться горячие точки. Например, такими причинами могут быть прохождение волны через точку возмущения плотности взрывчатого вещества, 5
пористость взрывчатого вещества, разогрев зон деформации, трение между гранулами и т. д.
Согласно данной концепции, взрывчатое вещество рассматривается как неоднородная среда, состоящая из непрореагировавшего вещества и продуктов реакции. Уравнения состояния продуктов взрыва и ВВ различны. Расчет химических реакций, протекающих за фронтом волны, представляет собой отдельную и довольно сложную задачу. Поэтому, в рассматриваемой математической модели состав среды описывается одной переменной, в качестве которой используется массовая концентрация продуктов детонации.
Также, имеет место условие механического равновесия. Это означает, что давления и скорости компонентов среды предполагаются одинаковыми. Среда предполагается гетерогенной, следовательно, скорости в компонентах тоже равны.
Особое внимание заслуживает тепловой эффект химической реакции. Из-за сложности, связанной с расчетом химических реакций, данную величину принимают равной количеству теплоты, выделяемой взрывчатым веществом в реакции, проходящей при постоянном объеме.
Для проведения расчетов необходимо выбрать механизм образования и развития горячих точек (задать макрокинетику процесса). В данной работе учитывается гетерогенность среды и модель основывается на следующих положениях [12]:
1. Взрывчатое вещество за фронтом волны представляется в виде сферических объемов одинакового радиуса, количество таких объемов постоянно.
2. Теплообмен между компонентами смеси отсутствует.
3. Задан закон, которому подчиняется количество активированных горячих точек.
Целью данной работы является разработка математической модели для обработки экспериментальной информации, полученной с помощью датчиков Лагранжа при ударно - волновом сжатии гетерогенного ВВ.
Задачи исследования:
1. Провести адаптацию математической модели, рассмотренной в работе [12], для обработки экспериментальной информации, полученной с помощью датчиков Лагранжа при ударно - волновом сжатии гетерогенного ВВ
2. Провести анализ особенностей выбранного численного метода для решения задачи о распространении ударной волны в гетерогенном ВВ;
3. Произвести численный расчет задачи о распространении ударной волны в гетерогенном ВВ с помощью выбранного метода;
4. Проанализировать полученные результаты.
Купить

В результате проделанной работы, математическая модель для описания процесса инициирования детонации в гетерогенных ВВ, представленная в [12], была переведена в переменные Лагранжа, что позволяет применять ее для обработки экспериментальных данных, полученных с помощью датчиков Лагранжа.
Для численного расчета задачи о распространении детонационной волны в гетерогенном ВВ был выбран метод Неймана-Рихтмайера. При проведении анализа данного метода, на границе расчетной области был обнаружен энтропийный след. Его ширина составила — 18 ячеек. Проведено сравнение данной особенности численного метода с аналогичной особенностью, возникающей при использовании метода Куропатенко.
При численном расчете задачи о распространении детонационной волны было установлено, что предложенная в [12] функция расчета скорости химической реакции неточно описывает процесс разложения ВВ. В дальнейшем предлагается использовать при расчете другую функцию.
Купить