Разрушение цилиндрических ампул, содержащих твердофазно реагирующие смеси, в условиях взрывного нагружения

С.А. Зелепугин1, О.В. Иванова1, А.С. Юношев2, А.С. Зелепугин3
1ТНЦ СО РАН
2Институт гидродинамики им. М.А. Лаврентьева СО РАН
3Томский государственный университет
Аннотация
Экспериментально и численно исследованы особенности твердофазного синтеза в смесях алюминий–сера и алюминий–фторопласт в цилиндрических ампулах в условиях взрывного нагружения. В экспериментах параметры взрывного нагружения подбирались близкими к тем, которые обычно используются для взрывного компактирования инертных пористых наполнителей в цилиндрических ампулах. Экспериментальные результаты показывают, что при использовании в качестве наполнителя смеси, способной к сверхбыстрым экзотермическим реакциям в условиях взрывного нагружения, цилиндрические ампулы разрушаются. Для выявления причин разрушения ампул проведены численные расчеты методом конечных элементов на основе модели многокомпонентной среды. При исследовании деформирования многокомпонентных сред необходимо учитывать состояние и реакцию каждого компонента, а также смещение компонентов внутри выделенного объема смеси. В качестве совместного условия деформирования компонентов выбрано условие равенства давлений компонентов смеси. Реакция синтеза в смеси описывалась с помощью феноменологической модели необратимых химических превращений, основанной на кинетике нулевого порядка. Моделирование компактирования пористой смеси проводилось с помощью кинетической модели активного типа, определяющей рост или схлопывание пор, непрерывно изменяющих свойства материала и вызывающих релаксацию напряжений. Установлено, что при отражении проходящей ударной волны от нижней крышки ампулы в виде волны сжатия в нижней части ампулы наблюдается резкое повышение давления, что сопровождается ростом скорости химических превращений. Высокая скорость тепловыделения в ходе химической реакции в нижней части ампулы приводит к образованию газовой фазы, что ведет к дальнейшему росту давления и является причиной разрушения ампулы.
Получена: 02 июля 2015   Исправлена: 05 октября 2015   Принята: 18 октября 2015
Просмотры: 39   Загрузки: 15
Ссылки
1.
Physics of an explosion, Ed. by L.P. Orlenko. Moscow,Fizmatlit. (2002) 1488 p. (in Russian) [Физика взрыва /Под ред. Л.П. Орленко. М., Физматлит. 2002. 1488 с]
2.
V.V. Selivanov, S.A. Novikov, I.F. Kobylkin. Explosivetechnologies. Moscow, BMSTU. (2008) 648 p. (in Russian)[В.В. Селиванов, С.А. Новиков, И.Ф. Кобылкин.Взрывные технологии. М., МГТУ им. Баумана. 2008.648 с.]
3.
V.V. Danilenko. Explosion: physics, engineering,technology. Moscow, Energoatomizdat. (2010). 784 p.(in Russian) [В.В. Даниленко. Взрыв: физика, техника,технология. М., Энергоатомиздат. 2010. 784 с.]
4.
S.A. Zelepugin, A.Yu. Dolgoborodov, O.V. Ivanova,A.S. Zelepugin. Shock wave synthesis in solid mixtures:Monograph. Tomsk, Institute of Atmospheric Optics SBRAS. (2012) 230 p. (in Russian) [С.А. Зелепугин, А.Ю.Долгобородов, О.В. Иванова, А.С. Зелепугин. Ударно-волновой синтез в твердых смесях. Монография.Томск, ИОА СО РАН, 2012. 230 с.]
5.
L.B. Pervukhin, M.I. Alymov, I.V. Saikov, R.D. Kapustin,O.L. Pervukhina, E.V. Petrov. Letters on materials. 5(1),57 (2015). (in Russian) [Л.Б. Первухин, М.И. Алымов,И.В. Сайков, Р.Д. Капустин, О.Л. Первухина, Е.В.Петров. Письма о материалах. 5(1), 57 (2015)]
6.
V.A. Shcherbakov, A.N. Gryadunov, N.V. Sachkova,A.V. Samokhin. Letters on materials. 5(1), 20 (2015). (inRussian) [В.А. Щербаков, А.Н. Грядунов, Н.В. Сачкова,А.В. Самохин. Письма о материалах. 5(1), 20 (2015)]
7.
M.I. Alymov, L.B. Pervukhin, A.S. Rogachev, O.L.Pervukhina, I.V. Saikov. Letters on materials. 4(3), 153(2014). (in Russian) [М.И. Алымов, Л.Б. Первухин,А.С. Рогачев, О.Л. Первухина, И.В. Сайков. Письма оматериалах. 4(3), 153 (2014).]
8.
A.Yu. Dolgoborodov, M.N. Makhov, A.N. Streletskij,I.V. Kolbanev, Gogulya M.F. V.E. Fortov. KhimicheskayaFizika. 23(9) 85 (2004). [А.Ю. Долгобородов, М.Н.Махов, А.Н. Стрелецкий, И.В. Колбанёв, М.Ф. Гогуля,В.Е. Фортов. Химическая физика. 23(9) 85 (2004)].
9.
S.A. Rashkovskii, A.Y. Dolgoborodov. TechnicalPhysics Letters. 41(6) 575 (2015). Doi: 10.1134/S1063785015060279 [С.А. Рашковский, А.Ю.Долгобородов. Письма в ЖТФ. 41(12) 24 (2015)].
10.
A.Yu. Dolgoborodov. Combustion, Explosion and ShockWaves. 51(1) 86 (2015). Doi: 10.1134/S0010508215010098[А.Ю. Долгобородов. Физика горения и взрыва. 51(1),102 (2015).]
11.
O. Ivanova, S. Zelepugin, A. Yunoshev, V.Silvestrov. J. Energ. Mater. 28(1) 303 (2010). Doi: 10.1080/07370652.2010.505940
12.
O.V. Ivanova, S.A. Zelepugin, A.S. Yunoshev, V.V.Sil’vestrov. Eurasian Chemico-Technological Journal.16(1) 3 (2014).
13.
S.A. Zelepugin, O.V. Ivanova, A.S. Yunoshev, V.V.Sil’vestrov. Doklady Physical Chemistry 434(2) 172 (2010).Doi: 10.1134/S0012501610100052 [С.А. Зелепугин, О.В.Иванова, А.С. Юношев, В.В. Сильвестров. ДокладыАкадемии наук. 434(5) 643 (2010)].
14.
O.V. Ivanova, S.A. Zelepugin. Russian Physics Journal55(9-3) 46 (2012). (in Russian) [О.В. Иванова, С.А.Зелепугин. Известия вузов. Физика. 55(9-3) 46(2012)].
15.
O.V. Ivanova, S.A. Zelepugin. Applied Mechanics andMaterials. 770. 174 (2015). Doi: 10.4028/www.scientific.net/AMM.770.174.
16.
O.V. Ivanova, S.A. Zelepugin. International Journal ofSelf-Propagating High-Temperature Synthesis. 23(4) 192(2014). Doi: 10.3103/S1061386214040025.
17.
O.L. Pervukhina. Izvestiya VolgGTU. (9) 60 (2006). (inRussian) [О.Л. Первухина. Известия ВолгГТУ. (9) 60(2006)].
18.
V.A. Corelski, S.A. Zelepugin. International Journal ofSelf-Propagating High-Temperature Synthesis. 8(1) 43(1999).
19.
R.I. Nigmatulin. Dynamics of multiphase media. 1. NewYork, Hemisphere. 507 p. (1991). [Р.И. Нигматулин.Динамика многофазных сред. Ч.1. M., Наука. 1987.464 с.]
20.
A.S. Shteinberg, A.A. Berlin, A.A. Denisaev, A.S.Mukasyan. International Journal of Self-PropagatingHigh-Temperature Synthesis. 20(4) 259 (2011). Doi: 10.3103/S1061386211040030.
21.
S.A. Zelepugin, V.B. Nikulichev. Combustion, Explosionand Shock Waves. 36(6) 845 (2000). [С.А. Зелепугин,В.Б. Никуличев. Физика горения и взрыва. 36(6) 186(2000)].
22.
S.A. Zelepugin, V.B. Nikulichev, O.V. Ivanova, A.S.Zelepugin. Khimicheskaya Fizika. 24(10) 76 (2005).(in Russian). [С.А. Зелепугин, В.Б. Никуличев, О.В.Иванова, А.С. Зелепугин. Химическая физика. 24(10)76 (2005)].
23.
S.A. Zelepugin, V.B. Nikulichev, O.V. Ivanova. AIP Conf.Proc. 845 1177 (2006). Doi: 10.1063/1.2263534.
24.
G.R.Johnson.InternationalJournal ofImpactEngineering.38(6) 456 (2011). Doi:10.1016/j.ijimpeng.2010.10.017.
25.
V.A. Gorelski, S.A. Zelepugin, A.Yu. Smolin.Computational Mathematics and Mathematical Physics.37(6) 722 (1997). [В.А. Горельский, С.А. Зелепугин,А.Ю. Смолин. Журнал вычислительной математикии математической физики. 37(6) 742 (1997)].
Цитирования
1.
Зелепугин С.А., Иванова О.В., Юношев А.С., Зелепугин А.С., Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований, 544-548 (2016).
2.
Алымов М.И., Вадченко С.Г., Сайков И.В., Ковалев И.Д., Перспективные материалы, 55-60 (2016).
3.
Zelepugin S.A., Zelepugin A.S., Ivanova O.V., Yunoshev A.S., IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 012071 (2017).
4.
Alymov M.I., Vadchenko S.G., Saikov I.V., Kovalev I.D., Inorganic Materials: Applied Research 8(2), 340-343 (2017).