Самоорганизация волоконнообразных структур в турбулентном

Самоорганизация волоконнообразных структур
в турбулентном газопылевом облаке.
Ю.Б. Базаров, А.Е. Левушов, Е.Е. Мешков, А.А. Половников.
РФЯЦ ВНИИЭФ
СарФТИ
1.Начиная с конца 90 – х годов XX века во ВНИИЭФ и с начала XXI века в учебноисследовательской гидродинамической лаборатории в СарФТИ проводятся работы,
связанные с применением результатов исследований гидродинамических неустойчивостей и
турбулентного перемешивания для решения ряда практических задач, в которых
неустойчивости играют положительную роль [1]. Одним из направлений этих работ
являются исследования возможностей ограничения действия взрыва при помощи слоев
сыпучей среды. В ходе этих исследований в экспериментах на ударной трубе наблюдалось
явление самоорганизации волоконнообразных структур в турбулентном газопылевом облаке.
Ниже описаны результаты этих экспериментов.
2.Эксперименты проводились на ударной
трубе, аналогичной описанной в [2]. Ударная
труба была выполнена из оргстекла и имела
квадратное сечение 4x4 см2. В начале и в
конце
ударная
труба
была
ограничена
жесткими стенками. Труба располагалась
вертикально. Слой пылевой среды на тонкой
(~1
Рис.1. Микрофотография частиц пыли. Для
масштаба на фотографии приведены два волоса
диаметром ~60 мкм.
мкм)
лавсановой
пленке
разделял
ударную трубу на два отсека: нижний –
камеру (2 см), и верхний – канал (10 см). На
рис.1 приведена микрофотография частиц
пыли. В канале находился воздух при атмосферном давлении. Камера заполнялась
стехиометрической смесью ацетилена с кислородом путем прокачивания через нее объема
смеси, в ~ 10 раз превышающего объем камеры. Детонация смеси инициировалась
синхронно в 5x5 = 25 точках, равномерно расположенных по площади стенки,
ограничивающей камеру снизу. В каждой точке смесь инициировалась электрическим
взрывом проволочного мостика. Длительность высоковольтного электрического импульса
составляла несколько микросекунд.
Течение в ударной трубе регистрировалось в проходящем свете при помощи скоростной
камеры СФР в режиме лупы времени и цифровой видеокамеры SENSYCAM в режиме
одного кадра с высоким разрешением.
3.На рис.2,3 приведены кадры фотохронограмм течения в ударной трубе в двух опытах,
полученных при помощи камеры СФР.
СП
Воздух
ВС
ГПО
Продукты
детонации
t = 0,1 ms
0,3 ms
0,51 ms
0,71 ms
0,91 ms
1,12 ms
Рис.2. Формирование волоконннообразных структур в газопылевом облаке (опыт № 04-03-04/4). СП-слой
пыли (темная область), на его верхней границе развивается неустойчивость Рэлея-Тейлора; ГПОполупрозрачное газопылевое облако; ВС-волоконнообразные структуры.
Воздух
ВС
Продукты
детонации
0,16 ms
0,49 ms
0,82 ms
1,15 ms
1,48 ms
1.81 ms
Рис.3 Формирование волоконннообразных структур в газопылевом облаке (опыт 28-10-04/1).
120
100
1
X, mm
80
2
60
3
40
20
0
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
t, m s
Рис.4.X-t диаграмма течения в опыте 04-03-04/4. 1- усредненное положение верхней
границы слоя пыли; 2- усредненное положение нижней границы слоя пыли (темной
области); 3- усредненное положение нижней границы газопылевого облака.
Течение в ударной трубе можно условно разбить на три стадии:
а)Ускорение слоя пыли продуктами детонации смеси (по оценкам [3] начальное
равновесное давление ~ 1,7 МПа, температура 4000°С, продукты детонации светятся
достаточно ярко для фоторегистрации течения без дополнительных источников света [4]);
б)Торможение слоя под действием нарастающего давления сжимаемого воздуха;
в)Формирование газопылевого облака с образованием волоконнообразных структур. При
этом вторая и третья стадии во времени накладываются одна на другую.
Стадия ускорения весьма кратковременна. Слой ускоряется до скорости порядка 100 м/с
и затем его скорость постоянно падает (рис. 4). В процессе торможения слоя развивается
неустойчивость Релея-Тейлора на верхней границе слоя (с воздухом). В процессе полета слоя
давление продуктов детонации падает, а давление воздуха в канале нарастает и на
определенной стадии давление воздуха становится выше давления продуктов детонации.
При этом должно начаться интенсивное просачивание воздуха через летящий слой,
увлечение потоком воздуха частиц пыли и в результате наблюдается образование растущего
со временем по толщине газопылевого облака, в объеме которого формируются
волоконнообразные структуры.
Если газодинамическая природа механизмов формирования газопылевого облака не
вызывает сомнений (воздух просачивается через слой пыли и увлекает за собой частицы
пыли), то природа формирования волоконнообразных структур представляется загадочной и
вряд ли может быть объяснена чисто газодинамическими механизмами.
В опыте № 04-03-04/4 (рис.2,4) вначале формируются два струеообразных формирования
в поле газопылевого облака. То, что это не струи в общепринятом смысле этого термина
говорят два факта: а) газовая струя в инородном газе неизбежно расплывается, образуя факел
(затопленную струю) и б) газовая струя вряд ли способна изгибаться в процессе
распространения. Волоконные структуры формируются на основе указанных псевдоструй.
Со временем эти структуры проявляются более ярко, приобретая более четкие очертания и
затем постепенно размываются , а на их фоне появляется ряд новых, более мелких волокон,
ориентированных в поперечном направлении.
В опыте № 28-10-04/1 (рис.3) наблюдается несколько иная картина – здесь
волоконнобразные структуры формируются скорее в горизонтальном направлении.
Наиболее яркие картины волоконнообразных структур дает мгновенные фотографии
течения на момент времени t = 1000 мкс после инициирования детонации газовой смеси в
камере ударной трубы, полученные камерой SENSYCAM (рис.5). Здесь в равной мере
представлены волоконнообразные структуры, ориентированные как вдоль канала так и в
поперечном и других направлениях. По этой фотографии можно оценить характерный
диаметр “волокна”(0,5÷0,2 мм), опираясь на известное расстояние между реперными
линиями (20 мм).
ВС
ГПО
Р
ГПО
Р
С
ПД
С
ПД
Рис.5. Мгновенные фотографии течения в канале ударной трубы в проходящем свете.
ГПО – газопылевое облако; ПД– продукты детонации смеси ацетилена с кислородом;
С– стенки канала ударной трубы; Р–реперные линии; ВС– волоконно-образные
структуры.
Сходные структуры (filament turbulence) формируются из мелких пузырьков в вихревых
течениях в воде [5].
Не исключено, что диэлектрические частицы пыли могут наэлектризоваться в процессе
разгона и торможения в ударной трубе, группироваться в вихревых нитях турбулентного
газопылевого облака и затем объединяться под действием электростатических сил, подобно
тому, как возникают “фигуры Лихтенберга” на заряженной поверхности диэлектрика при
посыпании его порошком [6].
С другой стороны, можно отметить сходство наблюдаемых нами в ударной трубе
волоконнообразных структур с подобными структурами на фотографиях сверхновых
(например Крабовидной туманности), приведенных в монографии А.В.Колесниченко и
М.Я.Марова [7], хотя это сходство может быть только внешним. S.Boldyrev (cотрудник
отделения астрономии и астрофизики Чикагского Университета) в своем сообщении по
электронной
почте
также
отмечает
внешнее
сходство
наблюдаемых
на
рис.5
волоконнообразных структур с подобными структурами, образующимися в турбулентных
межзвездных молекулярных облаках.
Наблюдаемые «волокна», формирующиеся в турбулентном газопылевом облаке, имеют
фрактальную структуру, можно также отметить формирование кластеров, имеющих
фрактальную
структуру,
из
частиц
свободного
углерода
за
фронтом
детонации
конденсированных взрывчатых веществ [8].
С фотографией, приведенной в аннотации доклада, были ознакомлены многие
респонденты как в нашей стране, так и за рубежом и от них была получена полезная
информация по электронной почте, проводились обсуждения с рядом сотрудников
ВНИИЭФ. Всем им авторы выражают свою признательность за полезные обсуждения.
Работа выполнена при частичной поддержке фонда РФФИ (проект 02-01-00796)
ЛИТЕРАТУРА
1. E.Meshkov On new possible directions of hydrodynamic instabilities and turbulent mixing
investigations for the solution some practical problems. Abstracts of the papers of the 9th
IWPCTM, Cambridge, UK, 19-23 July 2004, p.74.
2. М.В.Близнецов,
И.Г.Жидов,
Е.Е.
Мешков ,
Н.В. Невмержицкий,
Е.Д. Сеньковский, Е.А. Сотсков Развитие неустойчивости Рэлея – Тейлора на
границе слоя сыпучей среды, ускоряемого сжатым газом. Письма в ЖТФ, т.28, вып.2,
2002, с.90-94. (M.Bliznetsov, I.Zhidov, E.Meshkov, N.Nevmerzhitskii, E.Sen`kovskii,
E.Sotskov. Development of the Rayleigh-Taylor Instability at the Boundary of a Friable
Medium Layer Acclerated by a Compressed Air Flow. Technical Physics Letters. Vol.28,
N1, 2002, pp.80-81)
3. Ю.А.Власов, С.И.Герасимов, Е.В.Губков, В.И.Дудин, В.П.Копышев, Е.Е.Мешков,
А.А.Никулин, В.П.Рябов, В.А.Тилькунов. Ударная труба с ГГС-драйвером.
Препринт 47-96. РФЯЦ-ВНИИЭФ, 1996
4. В.И.Козлов, А.Е.Левушов, Е.Е. Мешков. О возможности использования цветной
фотографии для визуализации зоны турбулентного перемешивания в экспериментах
на ударной трубе с ГГС-драйвером. Труды Международной конференции V
Харитоновские Чтения под редакцией д.т.н.А.Л.Михайлова, Саров, 2003, с.410-414.
5.
http://milou.msc.cornell.edu/cavitation.html
(Filaments in Turbulence)
6. Джирл Уолкер.. В мире науки. 1988, №6, С.80-83.
7. А.В.Колесниченко, М.Я.Маров, Турбулентность многокомпонентных сред, МАИК,
Наука, М, 1999г, 336с
8. А.П.Ершов, А.Л.Куперштрох. Образование фрактальных структур при взрыве.
Тезисы докладов III-ей международной конференции «Лаврентьевские чтения»,
Новосибирск, 1990г., с.100.