Численно-аналитическое моделирование поведения фольговых проводников при электроимпульсном воздействии, отличном от режима электровзрыва

В последние двадцать лет получили развитие электротермохимические (ЭТХ) ускорители [1−12], обладающие преимуществами перед традиционными пороховыми ствольными системами по стабильности выстрела, повышению начальной скорости метаемого тела и возможностям управления его основными параметрами. Подавляющее число открытых публикаций по электротермохимическому зажиганию метательных зарядов посвящено электроплазменной технологии зажигания твердых порохов, при этом помимо паров металла и электроразрядной плазмы зажигающей субстанцией является электромагнитное излучение.

Параллельно с развитием электроплазменных методов зажигания твердых порохов создавались нетрадиционные высокоэнергетичные топлива (жидкие, гелеобразные, пастообразные) [1, 13], способные обеспечить более высокие скорости метания. Для зажигания таких топлив электроплазменная технология оказалась неприемлемой из-за больших затрат электрической энергии и недостаточной воспроизводимости результатов. В [14] была предложена и экспериментально исследована энергетически экономичная схема ЭТХ — зажигания метательных зарядов из суспензионных, гелеобразных и др. топлив (slurry/liquidпо американской терминологии) с первоначально несформированной поверхностью горения. Эффективное зажигание метательных зарядов из таких топлив осуществляется с помощью спрей-технологии [15] потоками мелкодисперсных раскаленных частиц металла — расплавленных и твердых. Спрей-потоки металла получаются в установках зажигания [14] при электрическом разряде через специальные фольговые металлические элементы, располагаемые на границе заряда и в объеме топлива в режимах, отличных от электровзрывного воздействия на проводники. Направленное движение жидкометаллических частиц достигается за счет предварительного электродинамического ускорения элементов в собственном магнитном поле разряда до начала их спрей — диспергирования.

Основы такого подхода были заложены в работах У. И. Гольдшлегера, В. В. Барзыкина и А. Г. Мержанова (см., например, [16−18]). В этих работах исследовался процесс воспламенения конденсированных веществ двухфазным потоком (газ-твердые частицы). В частности было показано, что увеличение концентрации и уменьшение диаметра частиц приводит к значительному уменьшению времени задержки зажигания по сравнению с чисто газовым потоком.

За счет введения в нетрадиционные топлива мелко и ультрадисперсных добавок алюминия и других металлов (до 30 весовых процентов) их теплопроводность и температуропроводность заметно увеличиваются, что позволяет нагревать метательный заряд кондуктивным способом. Тем не менее поверхность теплообмена таких топлив должна быть достаточно развитой, для того, чтобы обеспечивать нагрев и зажигание заряда за приемлемые времена, не превышающие (10-г20) % от времени выстрела. Развитие поверхности теплообмена в топливе может быть достигнуто с помощью электроимпульсной мелкодисперсной деструкции тонких фольговых элементов, расположенных непосредственно в топливе. Так, например, если металлическая фольга толщиной h разбрызгивается в виде сферических капель диаметром d = 0.5h, то суммарная поверхность капель увеличивается в 12 раз по сравнению с односторонней площадью фольги. Ансамбль таких капель, нагретых до температуры Тт < Т < Ткип является распределенным источником тепловой энергии с развитой поверхностью теплообмена с топливом в окрестности расположения этих капель, то есть в некотором 5-слое в окрестности расположения фольгового элемента. Толщина этого слоя определяется глубиной проникновения капель в топливо, которая, в свою очередь, зависит от скорости капель, а также от структуры и состава топлива. Модельные опыты в пластилине [15] и воде, загущенной полиакриламидом [19], показывают, что при использовании коаксиального устройства диспергирования фольговых элементов характерная глубина проникновения в пастообразную и гелеобразную среду составляет от одного до нескольких мм.

При таком способе генерации начальная температура частиц металла не превосходит температуры кипения материала фольги, что на порядок ниже температуры электроразрядной плазмы [20] и практически для всех металлов не превосходит температуры горения топлива. Такой «холодный» способ нагрева и зажигания позволяет снизить потери энергии в стенки устройства зажигания и избежать режимов ожогового зажигания [21], характерных для электроплазменного зажигания пастообразных топлив.

Для генерации потоков и ансамблей мелкодисперсных раскаленных металлических частиц в твердом и жидком агрегатных состояниях необходимо электроимпульсное воздействие на фольгу, качественно отличающееся от плазмообразующего импульса тока, как по величине вводимой тепловой энергии, так и времени ее ввода. Во-первых, источник электрической энергии должен обеспечивать докритический уровень вводимой в фольгу энергии, при которой ее температура меньше температуры кипения Ткип, во-вторых, время токового импульса более чем на порядок должно превышать длительность процесса электровзрыва этого проводника для обеспечения его однородного нагрева, и, в-третьих, мелкодисперсная капельная деструкция фольги должна происходить после электроимпульсного воздействия на нее в результате взаимодействия с топливом или за счет развития релей-тейлоровской гидродинамической неустойчивости. При таком режиме энерговвода отсутствуют все основные эффекты электровзрыва: ударные волны, заметный поток лучистой энергии, пары металла и электроразрядная плазма.

В настоящее время актуальной является задача разработки физико-математических основ технологии спрей-диспергирования и создания моделей и методик расчета электроимпульсных генераторов спрей-потоков металлических частиц, а также разработка рекомендаций по созданию низковольтных источников для их генерации.

Область исследования. В диссертационной работе рассматриваются вопросы математического моделирования процессов электроимпульсного воздействия на тонкие металлические фольги в режимах, отличных от электровзрыва, включая их упруго-пластическую деформацию, гидродинамику и изменение теплового и агрегатного состояний.

Целью диссертационной работы является разработка математических моделей электроимпульсного воздействия на металлические фольговые элементы в режимах генерации ансамблей и потоков мелкодисперсных капель металла применительно к задачам многоочагового нагрева и зажигания нетрадиционных высокоэнергетических топлив.

В ходе работы над диссертацией были получены следующие новые научные результаты.

• Методами математического моделирования определены особенности поведения плоских фольговых элементов и тонкостенных цилиндрических оболочек в твердом и жидком агрегатных состояниях при низковольтном электроимпульсном силовом и тепловом воздействии на них.

• Разработана модель, адекватно описывающая динамику процесса электроимпульсного воздействия на фольговые проводники по току, напряжению на источнике и выделяемой энергии для различных типов накопителей и диспергируемых фольговых элементов до момента начала их деструкции.

• Получены расчетные оценки основных электротехнических и теплофизических параметров потоков расплавленных частиц металла (спрей-потоков), генерируемых при электрическом разряде через одиночные или параллельно включенные в цепь фольговые элементы со скользящими электрическими контактами.

• Разработана численно-аналитическая методика кроя плоских спрей-элементов с максимальной инициирующей поверхностью, определены основные геометрические параметры управления, позволяющие в широких пределах изменять их основные электротехнические характеристики.

• Получены оценки параметров низковольтного источника электрической энергии для устройства многоочагового зажигания метательных зарядов ансамблями мелкодисперсных расплавленных металлических частиц.

• Построена методика расчета работы устройства с параллельным использованием электродиспергируемых элементов в качестве размыкающего ключа индуктивного накопителя, запитываемого от низковольтного источника энергии.

• Разработана двумерная математическая модель и реализована методика численного расчета поведения однои двухвитковых цилиндрических кольцевых оболочек с учетом температурных зависимостей прочностных и электрофизических свойств материала.

• Установлено, что применение двухвитковых бифилярных тонкостенных цилиндрических оболочек позволяет генерировать два взаимно расходящихся радиальных спрей-потока с увеличенными скоростями разлета за счет эффекта обратного электрического провода.

Достоверность и обоснованность полученных результатов подтверждается физической обоснованностью применяемых моделей среды, корректностью математической постановки задач, сходимостью численных решений, сравнением результатов с экспериментальными данными по спрей-диспергированию плоских фольговых элементов в условиях зажигания метательного заряда, а также средствами внутреннего контроля, включая проверку баланса всех видов энергии устройства и выполнение критериальных соотношений, обеспечивающих моделируемый режим электроимпульсного воздействия на фольговые проводники.

Практическая значимость работы. Данная работа является составной частью проекта 2.1.2.2398 «Теоретическое и экспериментальное исследование механизмов взаимодействия твердых тел при скоростях соударения до 8 км/с» аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2006;2008 годы)» Минобрнауки РФ. Результаты проведенных исследований, построенные математические модели и расчетные методики использованы при разработке низковольтного специализированного источника электрической энергии, при выборе кроя фольговых элементов с максимальной инициирующей поверхностью и при обработке опытных данных. Полученные результаты также использовались при обучении бакалавров и дипломников ФТФ ТГУ.

Основные положения, выносимые на защиту.

• Математические модели электроимпульсного воздействия на плоские фольговые элементы и тонкостенные металлические оболочки с учетом прочностных свойств материала в твердом агрегатном состоянии, температурных зависимостей удельного электрического сопротивления проводников в твердом и жидком состояниях и от теплосодержания в переходном состоянии, пространственного (с цилиндрической симметрией) распределения пондеромоторной силы в объемах проводников, параметров внешней электрической цепи источника электрической энергии и переменных параметров индуктивности и сопротивления проводников при электроимпульсном изменении их формы и теплового состояния.

•Методики кроя плоских спрей-элементов, в том числе с максимальной инициирующей поверхностью и радиально-спиральными лепестками.

•Оценки параметров низковольтного источника электрической энергии для генерации потоков и ансамблей мелкодисперсных раскаленных металлических частиц.

•Методика расчета задачи по параллельному использованию электродиспергируемых элементов в качестве размыкающего ключа индуктивного накопителя, запитываемого от низковольтного источника энергии.

•Особенности поведения плоских фольговых элементов и тонкостенных цилиндрических оболочек в твердом и жидком агрегатных состояниях при низковольтном электроимпульсном силовом и тепловом воздействии на них.

Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на 9 различных Всероссийских и Международных научно-техническая конференциях, школах-семинарах и Международном симпозиуме по технологиям электромагнитного метания.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах [19, 22−35].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В настоящей работе рассмотрены актуальные теоретические вопросы моделирования поведения тонких металлических проводников (фольг) под действием сильноточного электрического разряда в режимах, обеспечивающих мелкодисперсную капельную деструкцию фольг применительно к задаче многоочагового ЭТХ-зажигания нетрадиционных высокоэнергетичных металлизированных топлив с первоначально несформированной поверхностью горения.

В результате проведенных исследований

1) построены математические модели электроимпульсного воздействия на плоские фольговые элементы и тонкостенные металлические оболочки с учетом прочностных свойств материала в твердом агрегатном состояниитемпературных зависимостей удельного электрического сопротивления проводников в твердом и жидком состояниях и от теплосодержания в переходном состояниипространственного (осесимметричного) распределения пондеромоторной силыпараметров внешней электрической цепи источника электрической энергии и переменных параметров индуктивности и сопротивления проводников в процессе их электроимнульсной деформации;

2) определены особенности поведения плоских фольговых элементов и тонкостенных цилиндрических оболочек в твердом и жидком агрегатных состояниях при низковольтном электроимпульсном силовом и тепловом воздействии на них;

3) разработана упрощенная электротехническая модель процесса электроимпульсной деструкции проводников для различных типов накопителей и диспергируемых фольговых элементов, с помощью этой модели и соответствующих экспериментальных данных определены моменты начала капельной деструкции элементов в объеме заряда из нетрадиционного топлива;

4) получены расчетные оценки основных электротехнических и теплофизических параметров потоков расплавленных частиц металла (спрей-потоков), генерируемых при электрическом разряде через одиночные со скользящими электрическими контактами или параллельно включенные в цепь фольговые элементы;

5) получены оценки параметров специализированного низковольтного источника электрической энергии для устройства многоочагового зажигания метательных зарядов ансамблями мелкодисперсных расплавленных металлических частиц;

6) численно решена задача по параллельному использованию электродиспергируемых элементов в качестве размыкающего ключа индуктивного накопителя, запитываемого от низковольтного источника энергии;

7) разработана численно-аналитическая методика кроя плоских спиральных и радиально-спиральных фольговых спрей-элементов, в том числе с максимальной инициирующей поверхностью;

8) разработана и реализована в виде методики численного расчета двумерная математическая модель поведения цилиндрических кольцевых оболочек с учетом температурных зависимостей прочностных и электрофизических свойств материала в твердом, переходном и жидком агрегатных состояниях;

9) показана возможность генерации двух взаимно расходящихся радиальных спрей-потоков с помощью двухвитковой бифилярной цилиндрической оболочки с увеличенными скоростями разлета;

10) обобщены условия организации процесса электроимпульсной генерации ансамблей и спрей-потоков расплавленных металлических частиц в режимах, отличающихся от электровзрывного воздействия на проводники.