Академик Г.Г. Черный
|
Горение - наиболее известное и широко распространенное из явлений
в газовых средах, связанных с тепловыделением. Смеси химически активных
газов при определенных условиях воспламеняются и горят.
При этом горение, возникнув в каком-то месте, передается, в силу тех или
иных механизмов, окружающему газу и таким образом происходит
распространение зоны горения на весь объем или часть объема, занятого
горючей смесью.
Фронт тепловыделения может двигаться в разных режимах. Различают
четыре режима: по тому, с какой скоростью фронт распространяется по среде
перед ним и среде за ним. Если скорость перед и за - дозвуковая, то это
нормальное горение (дефлаграция). Если скорость фронта по газу перед
ним - сверхзвуковая, и позади - дозвуковая, то это детонация (сама имеющая
разные варианты). Горение в таком режиме сопровождается образованием
ударной волны - довольно тонкого слоя очень сильного повышения (скачка)
давления, плотности и температуры газа. В этом случае возможны разрушительные
последствия, развитие горения сходно со взрывом.
Есть еще два режима: когда перед фронтом скорость дозвуковая, а
за - сверхзвуковая, и когда впереди и сзади - сверхзвуковая. Такие режимы
вообще не встречаются в природе, вероятно, они не осуществимы. Во всяком
случае, в интересных физических приложениях они экспериментально не
обнаружены.
|
Чл.-корр. РАН В.А. Левин
|
Для теоретического и, отчасти, экспериментального исследования
этих явлений, которые очень важны во многих технических приложениях и в
природе, строятся математические модели. Зона горения, зона тепловыделения,
во многих случаях представляет собой довольно узкий фронт, размерами доли
миллиметра. В тех случаях, когда этот масштаб мал по сравнению с общим
масштабом явления, простейшей моделью области горения является поверхность
разрыва. Несмотря на то, что, конечно, такая модель является сильным
упрощением, а эксперименты проводятся в значительной мере в лабораторных
условиях, результаты исследовательской работы уже многие годы используются
и могут быть использованы и в дальнейшем во многих технических
приложениях: для предотвращения катастрофических взрывов в шахтах, на
промышленных предприятиях; при прогнозировании природных процессов и т.п.
Сложность такого рода проблем, 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, наихудшие опасения. Известен случай, когда взорвался
большой объем природного газа при разрыве трубопровода в
Башкирии (1989 год). Детальных сведений о том, что
на самом деле произошло нет. Известно, что взорвалось облако газа, есть
предположение, что от искры. Но в таких больших объемах горючих газов
существуют особые режимы распространения горения. Причем это уже не тонкие
фронты, а так называемое быстрое горение, когда скорость распространения
пламени больше чем у волны нормального горения, но это еще не детонационный
режим. У волн детонации есть минимальная скорость, она порядка километра
в секунду и больше, но есть и другие режимы - режимы быстрого горения,
распространяющиеся со значительно меньшими скоростями. Вероятно, в таком
режиме происходило горение при катастрофе в Башкирии, но это только
предположение, поскольку никаких измерений не было.
Большую проблему представляет обеспечение пожаро и взрывобезопасности
морских танкеров, перевозящих сжиженный природный газ. Оценки
энерговыделения при воспламенении таких объемов горючих смесей
показывают, что оно сравнимо с энерговыделением при ядерном взрыве.
Понятно, что подобная катастрофа в порту или в судоходном канале будет
иметь ужасные последствия.
|
Д.ф.-м.н. В.В. Марков
|
В сороковые годы прошлого века обнаружено, что при выстреле в
горючую смесь возникают какие-то световые пульсации. Оказалось, что,
действительно, выстреливая с достаточно большой скоростью тело, например,
сферу, того или иного размера, в горючую смесь можно вызвать различные
режимы горения: либо обычное нормальное горение, когда перед телом
образуется ударная волна, а за ней фронт медленного горения, либо детонация.
Этот явление оказалось тесно связанным с проблемой стабилизации детонационных
волн на препятствиях, которая рассматривалась уже с конца пятидесятых годов
и сейчас рассматривается как возможный способ организации горения в так
называемых гиперзвуковых прямоточных двигателях.
Работы по детонации всегда были приоритетом СССР и теперь России,
это признано. Школа по горению и детонации создана в Институте механики МГУ.
По инициативе Г.Г. Черного в Институте была создана и теперь успешно
работает лаборатория "Газодинамики взрыва и реагирующих систем",
зав. лабораторией чл.-корр. РАН В.А. Левин. Значителен ее вклад в решение
основных проблем инициирования и распространения самоподдерживающейся
детонации в открытом пространстве. В настоящее время разработаны приближенные
модели и предложены
простые формулы для расчета 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 и инженерных
расчетах и в учебных программах.
|
|
Указом Президента Российской Федерации N 1481 от
13 декабря 2003 года циклу работ "Инициирование и распространение
волн детонации в открытом пространстве" 1956-2000 годов (почти 50 лет
работы) присуждена Государственная премия Российской Федерации в области
науки и техники за 2002 г. В составе коллектива авторов цикла наши
коллеги, сотрудники Института механики МГУ: академик Г.Г. Черный,
чл.-корр. РАН В.А. Левин, д.ф.-м.н. В.В. Марков.
|