Техника - молодёжи 1974-10, страница 8

О полезности ударной водны

При протекании жидкости через трубы, сопла и отверстия случается так, что, сколько ни повышай давление в сосуде, ее расход не увеличивается. Жидкость как бы сама себя запирает, словно толпа людей, протискивающихся сквозь узкие двери. Много неприятностей доставляет такой критический режим течения. Ведь от расхода жидкости зависит эффективность технических устройств — мощность турбины, скорость опорожнения или наполнения резервуара и т. д. Особенно важно знать максимальные критические расходы двухфазных смесей — например, пароводяной. Из-за чрезмерных математических трудностей первые теоретические работы рассматривали слишком упрощенную, идеализированную картину: газ и жидкость движутся в потоке с одинаковой скоростью. В более усовершенствованной двухскоростной модели хотя и учитывалось различие скоростей газа и жидкости, но обе фазы резко обособлялись друг от друга. Пленка жидкости скользит по стенке трубы, а пар движется в ядре потока. Такое представление тоже весьма далеко от реального течения, когда капли жидкости срываются со стенок и уносятся потоком. Наиболее близкая к действительности дисперсно-коль-цевая модель исследована Нигматулиным. К двум переменным — скоростям жидкости и газа он прибавил третью — отличную от них скорость жидких капель. Потребовалось немалое математическое искусство, чтобы справиться со сложнейшей трехско-ростной моделью.

Предмет увлечения молодого ученого — общие математические модели различных многофазных систем. Ведь современной технике приходится сталкиваться с самыми неожиданными сочетаниями из твердых веществ, растворов, газов, взвесей и эмульсий. В теплоэнергетических установках рабочим веществом зачастую служит смесь пара с кипящей водой. Сквозь камеру сгорания реактивного двигателя стремительно проносится поток воздуха со взвешенными в нем частицами топлива... Специалистов интересует механика сложных сред, законы их движения, поведение при различных воздействиях. Теоретические исследования Нигматулина посвящены как раз динамике газожидкостных потоков, процессам горения капель топлива в атмосфере, распространению ударных волн в аэродисперсных системах.

Вспомните, к каким разрушительным последствиям приводит порой даже небольшой случайный взрыв в угольной шахте или на мукомольной фабрике. Оказывается, ударная волна, перемещаясь в атмосфере со взвесью горючих частиц, наращивает свою мощь за счет энергии их сгорания. Раскрыть секреты этого грозного явления — важная задача. К сожалению, эксперименты с ударными волнами чрезвычайно сложны и трудоемки. Потому особое значение приобретают мысленные эксперименты. Математические выкладки Нигматулина не только внесли ясность в понимание сложнейшего физического процесса. Их результаты очень важны для техники безопасности.

Не всегда ударная волна выступает лишь как разрушительная сила, которую нужно ограничивать. В технике умело используют ее возможности.

Переход всем хорошо знакомого альфа-железа, имеющего объемноцентрированную кристаллическую решетку, в эпсилон-железо (гранецентрированная решетка) наблюдается обычно при высокой температуре, почти в 1000° С. Повышая давление до 150 тыс. атм, можно снизить температуру фазового превращения до комнатной. В ударных волнах, с высокой скоростью перемещающихся в твердых телах, давления достигают миллионов атмосфер. На фронте такой волны в железе неминуемо возникает эпсилон-фаза. При

чем сам образец существенно упрочняется. Чтобы успешно использовать столь полезный процесс на практике, весьма желательно заглянуть хотя бы мысленно в глубь образца как раз в тот момент, когда по нему прокатывается ударная волна. Но провести такой опыт на бумаге — значит решить задачу о распространении ударных волн в двухфазной среде (альфа-фаза и эпсилон-фаза), не забыв и о фазовых превращениях на фронте ударной волны.

Говоря о состоянии газа, физики оперируют величинами давления, объема и температуры. Для твердых тел подобную поль играют два параметра — напряжение и удельный объем. Именно в таких координатах строят кривую изменения состояния железа при внешнем воздействии на него. При этом для альфа-железа и для эпсилон-железа получаются две различные кривые.

Если сдавливать образец альфа-железа, то сначала, при небольших деформациях, он будет вести себя подобно упругой пружине. Это описывается прямой АБ на графике «напряжение — удельный объем» (см. рис.). Для воображаемого абсолютно твердого тела, увеличивая давление, можно было бы продолжить прямую линию за точку Б. Но в любом реальном веществе при больших нагрузках происходит необратимая пластическая деформация. «Пружина» вдруг размягчается и становится похожей на воск или пластилин. Поэтому за точкой Б кривая на нашем графике отклоняется от первоначальной прямой АБ. Вплоть до точки В продолжается пластическая деформация железа. Но когда давление достигнет достаточно высокого значения, в образце начнут возникать отдельные «зерна» гранецентрированной фазы. С кривой, соответствующей альфа-железу, мы постепенно перемещаемся на кривую эпсилон-железа. Переходный участок ВГ характеризует как раз фазовое превращение. При сильных давлениях удельный объем железа в точке Г может оказаться в 1,5—2 раза меньше, чем в обычном состоянии, изображаемом точкой А.

То же самое повторяется, если воздействовать на образец альфа-железа ударной волной, только все криволинейные участки графика заменяются прямолинейными. Последний случай нас-то и интересует, Пусть максимальное давление в ударной волне таково, что напряжение в образце и его удельный объем соответствуют точке Д. Мысленно можно представить себе прямой переход из первоначального состояния железа, изображаемого точкой А, в конечное состояние Д по линии АД. Естественно, чем под большим углом расположена она к оси абсцисс, тем быстрее перемещается по твердому телу волна соответствующего изменения. Но в любом случае прямая упругой деформации АБ гораздо круче прямой АД. Поэтому прежде, чем в кристаллической решетке успеет что-либо произойти, она упруго деформируется. В глубь вещества устремляется ударная волна упругой деформации (на рис. обозначена цифрой I), опережая все остальные процессы. Ученые так и называют ее «упругим предвестником», подразумевая, что она лишь сигнализирует о грядущих более значительных потрясениях. Следом за «упругим предвестником» идет ударная волна пластической деформации (II), представляемая на графике более пологой линией БВ. И лишь затем движется самая медленная, но зато самая действенная ударная волна фазового перехода (III). Таким образом, переступив грань кристаллической решетки, единая ударная волна расщепляется на три самостоятельные. Теперь можно представить себе волновую структуру, которая складывается в образце железа.

При экспериментах воздействуют на образец чаще всего так: выстреливают в него как в мишень ударником в виде плоской пластины. В момент соударения на соприкасающихся поверхностях генерируются все

6