экспериментальное определение термодинамических

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ
СМЕСИ ПРОДУКТОВ ВЗРЫВА С ВОЗДУХОМ В ЗАМКНУТЫХ КАМЕРАХ
Э.Э. ЛИН, А.В. СИРЕНКО
РФЯЦ — ВНИИ экспериментальной физики, Саров, Россия
Ранее в [1] экспериментальным путем было осуществлено определение термодинамических параметров
продуктов взрыва (ПВ) пластического ВВ на основе тэна в замкнутых вакуумированных камерах при варьировании средней плотности заряжания в диапазоне ρ0 = 0,75 ÷ 11 кг/м3. Было установлено, что величина гидростатического давления p возрастает пропорционально ρ0 в соответствии с эмпирической зависимостью
p = 0,8ρ0,
(1)
а установившаяся скорость звука в ПВ не зависит от ρ0 в изученном диапазоне и равна c = 1 км/с. Это позволило определить величину эффективного показателя политропы ПВ на стадии сильного расширения в 102—103 раз:
k0 = 1,17 ± 0,02. Полученные в [1] данные в дальнейшем были использованы в работе [2] для численных расчетов
течения в ударной трубе взрывного действия на квазиакустической стадии движения ударной волны в воздухе.
Представляет интерес исследовать влияние догорания ПВ исследуемого ВВ в замкнутых камерах, заполненных воздухом, на термодинамические параметры смеси «ПВ + воздух». С этой целью в данной работе проводились измерения гидростатического давления и скорости звука в исследуемой смеси при вариации средней
плотности заряжания в диапазоне ρ0 = 0,2 ÷ 11 кг/м3. Как и в [1] опыты проводились на камерах двух типов
(рис. 1, 2). Внутренний диаметр камеры типа 1 равнялся 0,19 м, длина — 0,2 м; внутренний диаметр камеры
типа 2 равнялся 0,09 м, длина — 0,5 м. Камеры заполнялись воздухом при атмосферном давлении. На рис. 3, 4
представлены осциллограммы давления. Зависимости p ( ρ0 ) и c ( ρ0 ) приведены на рис. 5, 6. При плотности
заряжания, меньшей или приблизительно равной начальной плотности воздуха в камере, гидростатическое
давление в исследуемой смеси приблизительно в 2 раза больше, чем гидростатическое давление в «чистых»
ПВ (т.е. в вакуумированной камере). С увеличением ρ0 различие уменьшается и при ρ0 = 11 кг/м3 составляет
около 15%, т. е. не превышает пределов погрешности измерений давления. Наблюдаемое превышение давления в смеси «ПВ + воздух» по сравнению с давлением в чистых ПВ, по всей вероятности, связано с догоранием
продуктов взрыва в условиях избытка горячего кислорода воздуха, нагретого в ударной волне. По мере увеличения плотности заряжания относительное содержание кислорода в смеси уменьшается, соответственно этому
уменьшается доля дополнительного энерговыделения за счет догорания ПВ. В результате уменьшается и относительное отличие величин давления в исследуемой смеси и в чистых ПВ.
Рис. 1. Схема опытов на камере типа 1
Рис. 2. Схема опытов на камере типа 2
2
Снежинск, 5⎯9 сентября 2005 г.
Разверка 10–2с
Рис. 3. Осциллограмма давления в камере типа 1
Рис. 4. Осциллограмма давления в камере типа 2
Рис. 5. Зависимость гидростатического давления
от плотности заряжания
1 — смесь «ПВ+воздух»: кружки — камера типа 1; крестики —
камера типа 2. 2 — «чистые» ПВ [1]
Рис. 6. Зависимость скорости звука в смеси «ПВ+воздух»
от плотности заряжания
1 — измерения в камере типа 2; 2 — расчет
Анализ показал, что в изученном диапазоне вариации средней плотности заряжания зависимость p ( ρ0 )
в камерах, заполненных атмосферным воздухом, может быть представлена в виде, аналогичном зависимости
для объемно распределенного заряда пластического ВВ [3]:
p = 1, 4ρ00 ( ρ0 ρ00 )
0,8
,
(2)
где ρ00 = 1,3 кг/м3 — начальная плотность воздуха (давление измеряется в МПа). Для определения эффективного показателя политропы k смеси воспользуемся соотношением для гидростатического давления
p ≈ ( k − 1) ρ0 E ∗ , где E∗ — удельное энерговыделение ВВ с учетом догорания ПВ. Для чистых ПВ имеем
p ≈ ( k0 − 1) ρ0Q , где Q — теплота взрыва ВВ. Разделив эти выражения и подставив соответствующие эмпирические зависимости (1) и (2), получаем следующее выражение:
( k − 1) ≈ ( k0 − 1)1, 75 ( ρ00
ρ0 )
0,2
E∗
.
Q
(3)
При малых ρ0 << ρ00 энерговыделение приблизительно равно теплоте сгорания ВВ Q∗, а при ρ0 >> ρ00 — теплоте взрыва Q. Зададим соотношение E∗/ Q в виде следующей аппроксимации, удовлетворяющей этим предельным условиям:
E∗
Q∗ − Q
1
≈1 +
.
(4)
Q
Q 1 + ( ρ0 ρ00 )
Из соотношений (3) и (4) получаем, что в изученном диапазоне ρ0 = 0,2 ÷ 11 кг/м3 величина эффективного показателя политропы смеси уменьшается от 1,31 до 1,19.
VIII Забабахинские научные чтения
На рис. 6 пунктиром нанесена зависимость скорости звука c =
3
(( k − 1) kE∗ )
1/ 2
, рассчитанная на основа-
нии соотношений (3), (4). Характер рассчитанной и экспериментальной зависимостей одинаков. Наибольшее
отличие около 20% имеет место при ρ0 < 1 кг/м3, что, по–видимому, связано с неточностью аппроксимации (4)
для энерговыделения. С увеличением плотности заряжания расхождение уменьшается и при ρ0 > 1 кг/м3
не превышает 10%. Установленное взаимное соответствие результатов измерений давления и скорости звука
свидетельствует об их достоверности.
Полученные данные могут оказаться полезными при решении задач, связанных с применением взрыва в
физическом эксперименте.
Ссылк–
1. Лин Э.Э., Сиренко А.В., Фунтиков А.И. Экспериментальное изучение расширения продуктов взрыва листового заряда в камере // Физика горения и взрыва. 1980. Т. 16. № 4. С. 133–137.
2. Шемарулин В.Е., Мельцас В.Ю., Копытов В.Ю., Могилев В.А., Поддубный В.А., Фатеев Ю.А., Хорошайло
Е.С., Чубаров В.Ф. Влияние способа инициирования плоского заряда на процесс формирования ударной
волны в трубе // Физика горения и взрыва. 1982. Т. 18. № 4. С. 103–107.
3. Барышников А.Ф., Кайнов В.Ю., Лин Э.Э., Платонов Е.М., Рязанов В.Т., Фунтиков А.И. Способ создания
динамической нагрузки с помощью детонации распределенного заряда ВВ // Физика горения и взрыва.
1979. Т. 15. № 6. С. 160–162.