Experimental research of shock wave intensification process.pdf В настоящее время существует множество способов борьбы с лесными пожа-рами [1]. Все эти способы с точки зрения механизма воздействия на лесной пожарможно разделить на три группы:1) физико-механические способы локализации и тушения;2) химические способы;3) локализация и тушение с использованием ударных волн (УВ).Как показали экспериментальные и теоретические исследования, фронт низо-вого пожара имеет сложную структуру, включающую в себя зоны прогрева, суш-ки и пиролиза лесных горючих материалов (ЛГМ), горения горючих газообразныхпродуктов пиролиза и догорания конденсированных продуктов [1]. Процессы го-рения лимитируются притоком кислорода и горючих газообразных продуктов пи-ролиза, то есть носят диффузионный характер. Распространение фронта лесногопожара - многостадийный процесс, но ограничивает его в основном образованиегорючих газообразных продуктов пиролиза, их смешение с кислородом воздуха ипоследующее сгорание. Если разрушить структуру фронта пожара, то, как показа-ли эксперименты, распространение его прекратится. Действительно, в этой частифронта находится взрывоопасная смесь, поэтому достаточно небольшого импуль-са давления, чтобы эта смесь сдетонировала и пламенное горение прекратилось.Кроме этого, механическое воздействие ударной волны от взрыва приводит ксрыву основных элементов ЛГМ, что также приводит к прекращению распро-странения низового лесного пожара.Применение на практике пожаротушения методов ударно-волнового воздейст-вия требует создания безопасных, надежных и компактных устройств, позволяю-щих эффективно бороться с фронтом пожара [1].Одним из путей решения этой проблемы служит повышение интенсивностигенерируемых ударных волн. В данной работе предложен способ, основанный наповышении полноты сгорания порохового заряда.Поставленная задача решена с помощью создания местного сопротивления нанекотором расстоянии от отверстия газоотводной трубы путем использования за-слона из твердых частиц. Упомянутый заслон представляет собой, например,легкоразрываемый пакет с твердыми частицами, закрепленный во внутреннемобъеме цилиндрической газоотводной трубы на некотором расстоянии от выход-ного отверстия.При создании в стволе ударной трубы заслона из твердых частиц между ме-стом закладки пакета с твердыми частицами и местом разрыва монтажного па-трона образуется область повышенного давления, вследствие чего увеличиваетсяскорость горения частиц пороха, полнота их сгорания и как результат увеличива-ется интенсивность ударной волны.Предложенный метод повышения интенсивности ударных волн требует соот-ветствующего научного обоснования, поэтому в лабораторных условиях былопроведено экспериментальное исследование по влиянию заслона из твердых час-тиц на повышение интенсивности ударных волн.Экспериментальная установка и методика проведения экспериментаДля проведения исследований влияния твердых частиц на интенсивностьударных волн была разработана и создана экспериментальная установка, схемакоторой представлена на рис. 1. Установка выполнена в виде металлической ци-линдрической трубы с насадком-концентратором в виде конического конфузора суглом сужения ƒ = 55° и диаметром выходного отверстия d1 = 20 мм.В качестве твердых частиц использовался песок, вид частиц которого показанна рис. 2.2 13400 мм4ϕd1d07 мм5Рис. 1. Схема экспериментальной установки: 1 - цилиндрическая труба;2 - крышка; 3 - механизм для инициирования ударных волн; 4 - конфу-зорный насадок; 5 - заслон из твердых частицРис. 2. Фотография частиц песка (SiO2).Предельное увеличение микроскопа OLYMPUS GX-71На рис. 3 показана функция распределения твердых частиц, из которого видно,что размер частиц лежит в диапазоне 150 - 700 мкм, причем основную массу со-ставляют частицы размером около 400 мкм.100 200 300 400 500 600 700 8000246810121416Размер частиц, мкмРис. 3. Функция распределения для твердых частиц (SiO2)Ударные волны инициировались с помощью монтажных патронов шифра Д3[2], характеристики которых приведены в таблице.Характеристики беспульных монтажных патронов.Патрон шифра Д Патрон шифра КНомерпатронаМощностьзарядаЦветзарядаОбо-зна-чениеМассазаряда,гЭнергиязаряда,ДжОбо-зна-чениеМассазаряда,гЭнергиязаряда,Дж1 Слабая Белый Д1 0,32 374 К1 0,20 5482 Средняя Желтый Д2 0,34 928 К2 0,22 6033 Сильная Синий ДЗ 0,38 1037 К3 0,25 6834 Оч. сильная Красный Д4 0,43 1174 К4 0,29 795Для получения количественной информации об интенсивности ударных волн,распространяющихся в ударной трубе и на выходе из нее, использовались пьезо-электрические датчики давления типа ЛХ-610 [3]. Для датчиков данного типа ста-тическая погрешность не превышает 2 %, а динамическая - 3 %. Суммарная по-грешность определения давления не превышала ƒР ≤ 5 %. Для регистрации сигна-лов использовался цифровой запоминающий осциллограф Tektronix TDS-1002.В процессе проведения экспериментов рассматривался вопрос о роли твердыхчастиц в усилении ударных волн. В лабораторных условиях были проведены ком-плексные исследования количественных характеристик ударных волн.Основные результаты и их анализПроводился полный двухфакторный эксперимент, при котором варьировалисьмасса твердых частиц и расстояние их расположения, которое отсчитывалось отвыходного сечения ударной трубы. Диапазон изменения суммарной массы частицбыл выбран от 3 до 10 г, меньшее количество не давало требуемого эффекта, абольшее, из-за большого объема частиц, который гасил ударную волну, также недавало положительного результата.На рис. 4. представлен график экспериментальных значений относительногодавления на выходе из ударной трубы, полученных в результате варьированиярасстояния расположения пакета с твердыми частицами от выходного сечениятрубы (Р1 - давление во фронте ударной волны на выходе из трубы без использо-вания заслона из твердых частиц, Р2 - давление во фронте ударной волны на вы-ходе из трубы с использованием заслона из твердых частиц).0,12 0,14 0,16 0,18 0,20 0,22 R, м0,70,91,11,31,5Р2/Р1Рис. 4. Относительное давление газа на выходе из трубы, полученное в ре-зультате варьирования месторасположения твердых частиц в полости трубы.R - расстояние от выходного отверстияНа рис. 5. представлен график экспериментальных значений относительногодавления на выходе из ударной трубы, полученных в результате варьирования ра-бочей массы твердых частиц (Р1 - давление во фронте ударной волны на выходеиз трубы без использования заслона из твердых частиц, Р2 - давление во фронтеударной волны на выходе из трубы с использованием заслона из твердых частиц,заключенных в легкоразрываемый пакет).3 4 5 6 7 8 m, г0,70,91,11,31,5Р2/Р1Рис. 5. Относительное давление газа на выходеКривые на рис. 4, 5 - В-сплайн, аппроксимация. Доверительные интервалырассчитывались по трём-пяти опытам, с доверительной вероятностью 0,95.Из анализа графиков (рис. 4, 5) видно, что при варьировании расстояния за-кладки твердых частиц, при постоянной массе пакета, оптимальный результатувеличения интенсивности ударной волны составил порядка 35 % при расстояниизакладки около 0,2 м. При варьировании массы твердых частиц на оптимальномрасстоянии их расположения наибольшая интенсификация ударной волны состав-ляет порядка 60 % при массе твердых частиц около 7 г. Таким образом, оптималь-ные значения параметров, при которых наблюдается наибольшая интенсификацияударной волны (62,5 %), составляют для месторасположения пакета твердых час-тиц 0,2 м, т.е. не более 0,5 длины от выхода газоотводной трубы, и 7 г для сум-марной массы твердых частиц.ЗаключениеТаким образом, согласно предлагаемому техническому решению, при созда-нии в стволе ударной трубы местного сопротивления, функцию которого выпол-няет заслон из твердых частиц, увеличивается интенсивность ударной волны, таккак образованная в результате взрыва монтажного патрона область повышенногодавления между местом взрыва патрона и местом закладки частиц увеличиваетскорость горения пороха и полноту его сгорания. По результатам проведенныхисследований получен патент на полезную модель [5].

Скачать электронную версию публикации