Детонационные технологии

Касательно расчётных данных по вихревым трубам нет никаких ограничений, связанных с какими-либо ограничениями по температурами и скоростными характеристиками первичного формирующего и вторичных терморазделительных газовых потоков.

На первый план в этом случае выступает проблема выбора конструкционных материалов, способных достаточно продолжительное время противостоять температурам уровня 3000 + градусов и сверхзвуковым тангенциальным скоростям. Любой газовый поток с такими начальными характеристиками со временем ”вымывает” любой существующий конструкционный материал.

Вот если бы сверх высокотемпературный вихревой поток находился как в матрёшке – снаружи относительно более холодного вихревого потока, тогда проблема с выбором конструкционных материалов не была бы актуальной.

Такое возможно с учётом обнаруженного обратного вихревого эффекта детонационного горения в вихревых трубах.

Инверсный Вихревой Эффект

В ходе экспериментальных работ с распространением сверхзвуковых аксиально-радиальных волн детонационного горения в вихревых трубках обнаружен весьма любопытный, можно назвать – обратный вихревой эффект классике Ранка – Хилша.

Эффект заключается в строго противоположном нагреве внутреннего потока и охлаждении наружного потока. Обеспечивается за счёт формирования двух высокоскоростных высокотемпературных вихревых противотоков путём распространении периодически следующих друг за другом волн детонационного горения и сжатия.

В прямоточную вихревой трубу классического исполнения тангенциально вводятся периодически следующие друг за другом волны детонационного горения, от одного или нескольких источников.

В вихревой трубе формируются два авто волновых высокоскоростных высокотемпературных вихревых противотока следующих друг за другом волн детонационного горения и сжатия.

Фронт каждой волны детонационного горения имеет температуру 1500-2000 градусов, сверхвысокое давление и скорость распространения порядка 2000 м/сек. Наружный вихревой поток имеет температуру уровня 1000 градусов и скорость уровня сверхзвука. Внутренний вихревой поток имеет температуру уровня 3000 градусов и скорость уровня сверхзвука.

Таким образом обеспечивается локализация одного высокотемпературного вихревого потока внутри второго относительно холодного внешнего вихревого потока. В этом случае решается задача с выбором конструкционных материалов.

Как это работает

Первоначально предполагалось, что проявление эффекта обеспечивается за счёт аксиально-тангенциального высокоскоростного распространения периодически следующих друг за другом волн детонационного горения и сжатия, которые формируют два соосных вихревых противотока.

На основании многочисленных экспериментов по вихревому температурному разделению, можно заявить, что при формировании на начальной стадии двух коаксиальных вихревых противотоков в вихревой трубе температурного разделения нет!!!.

Формирующиеся два вихревых противотока температурно нейтральны!!!.

Какому потоку быть холодным, а какому горячим определяется тем, какая первичная температура теплообмена подводится к внешнему вихревому потоку по отношению к температуре самого потока.

Рассмотрим два варианта формирования вихревых противотоков:

Тангенциальный ввод газа под давлением с его расширением (классика).

При классическом истечении сжатого воздуха в вихревую трубу его температура уменьшается. При этом стенки вихревой трубы имеют большую температуру. Теплообмен от стенок вихревой трубы повышает температуру внешнего вихревого потока совсем не значительно. Этого вполне достаточно для начала полноценного проявления вихревого терморазделительного процесса в вихревой трубе.

Происходит лавинообразное увеличение температуры внешнего вихревого потока с одновременным понижением температуры внутреннего вихревого противотока. Степень изменения температур двух потоков зависит от конструктивных особенностей исполнения самой вихревой трубы и энергетике первичного потока.

Тангенциальный ввод высокоскоростного высокотемпературного газового потока (обратный вихревой эффект)

В вихревую трубу подаётся уже сформированный скоростной высокотемпературный поток. В этом случае относительно холодная стенка вихревой трубы первоначально придаёт импульс охлаждению внешнему вихревому потоку. Тем самым происходит лавинообразное уменьшение температуры внешнего вихревого потока с одновременным нагревом внутреннего вихревого потока. Степень изменения температур двух потоков также зависит от конструктивных особенностей исполнения самой вихревой трубы и энергетике первичного потока.

Исходя из вышеизложенного предлагается объединить последовательно по схеме “горячий выход – следующий вход” несколько прямоточных вихревых труб с пропорционально уменьшающимися размерами в единую систему многоступенчатого повышения и локализации сверхвысоких температур. Последняя ступень будет содержать осевой сверх высокотемпературный вихревой поток например уровня начала протекания ядерного синтеза водорода в гелий. Он будет локализован в относительно более холодном внешнем вихревом потоке последней ступени.

За счёт такой локализации решается задача выбора конструкционных материалов, которые непосредственно контактируют с относительно более холодными вихревыми потоками.

Источником первичной энергии (горелки) для этих целей являются следующие друг за другом волны детонационного горения и сжатия с частотами следования от 1 Гц до 1 кГц, температурами во фронте волны детонационного горения уровня 2000-3000 градусов и сверхзвуковыми скоростями уровня 2000 м/сек.

Сверхзвуковая скорость вихре образующего первичного потока позволяет соединить вихревые трубы последовательно по схеме “горячий выход – следующий вход” без значительного снижения эффективности терморазделения следующих ступеней.

За счёт уменьшения размеров последующих ступеней вихревых труб в том числе и проходных сечений подводных и отводных труб обеспечивается равномерное распространение в общей системе.

Пример:

Всего четыре ступени, см. рис. № 9. Четыре прямоточные вихревые трубы соединены последовательно по схеме “горячий выход – следующий вход”. Первая ступень запитана от источника следующих друг за другом волн детонационного горения с температурой 2000 градусов и скоростью 2000 м/сек. На “горячем” выходе первой ступени температура внутреннего вихревого потока будет 3000 градусов. В каждой ступени температура повышается на 1000 градусов.

Рис. № 9. Многоступенчатый способ получения сверх высоких температур.

В итоге, на выходе четвёртой ступени в значительно меньшем объёме по сравнению с первой ступенью, в относительно более холодном наружном вихре будет локализована сверх высокотемпературная вихревая область уровня термоядерного синтеза.

Заключение:

Представленный многокаскадный способ получения сверхвысоких температур на основе последовательного повышения температуры внутреннего вихревого потока демонстрирует перспективный подход к генерации и локализации экстремальных энергетических состояний в компактной газодинамической системе. За счёт конструктивного разделения внутреннего и внешнего вихрей удаётся эффективно накапливать тепловую энергию в центральной зоне потока, минимизируя тепловые потери через наружные объёмы.

Достижение температуры порядка 3000  C уже на первой ступени и её ступенчатое повышение на 1000  C в каждой последующей ступени теоретически позволяет получить в четвёртой ступени локальные области со сверхвысокими температурами, сопоставимыми с уровнями термоядерного синтеза. Это делает технологию уникальной платформой для создания высокотемпературных плазменных сред, термохимических реакторов нового поколения и экспериментальных установок для моделирования физических процессов при экстремальных условиях.

Локализация высокотемпературного ядра в тепло защищённой зоне центрального вихревого потока также обеспечивает потенциально безопасную эксплуатацию, снижая тепловую нагрузку на конструктивные элементы установки.

Таким образом, заявляемая технология может найти применение в фундаментальных научных исследованиях, а также в высокотемпературной металлургии, энергетике будущего, нанотехнологиях и системах направленного энергетического воздействия. Рекомендуется дальнейшая разработка физических моделей, экспериментальная проверка температурных режимов и конструкторская отладка многоступенчатых вихревых модулей.

Примечание

Более подробная информация о эффекте, а также сведения о экспериментальных работах, методах визуализации потоков, этапах опытно-конструкторских разработок и вариантах практического применения представлены в авторском исследовательском проекте: **Вихри Хаоса – Инновационный шторм идей и экспериментов в науке и технике**.

Официальный ресурс: [https://vihrihaosa.ru]

5. Эффект образования пары вихревых колец

Проведённые лабораторные эксперименты с применением сферического детонационно-резонаторного модуля позволили экспериментально выявить ранее не описанный в научной литературе физический эффект – детонационно-резонаторное образование пары вихревых колец.

Сущность эффекта

При прохождении линейной детонационной волны через сферический резонатор на выходе формируется не одно, а два вихревых тороидальных образования:

1. Первичное (высокоэнергетическое) вихревое кольцо:

– Распространяется строго по оси симметрии с низким углом расходимости (-0,4 градуса);

– Сохраняет свою направленную кинетическую энергию на дистанции 1 метр и оказывает отчётливое механическое воздействие на массу порядка 200 г;

– Диаметр кольца на удалении 1 метр – около 100 мм.

2. Вторичное (низкоэнергетическое) вихревое кольцо:

– Расширяется под углом -150 градусов, образуя сферообразную подвижную вихревую оболочку малой кинетической энергии;

– Фиксируется визуально одновременно с первичным кольцом;

– Предположительно – энергетически связано с первичным в режиме обратного влияния.

Образование второго вихревого кольца обнаружено случайно в ходе экспериментов по визуализации распространения вихревых тороидов.

Рис. № 10. Схема образования пары вихревых колец.

Важнейшее наблюдение.

Вторичное вихревое кольцо возникает не как отражение, а как дополняющая структурная единица, участие которой предположительно обеспечивает устойчивость и кинематическую точность первичного кольца в полёте. Энергетика второго кольца может быть использована как индикатор состояния первого.

Таким образом, резонатор не просто фокусирует волну в высоко энергетическое основное вихревое кольцо, но преобразует её структуру в устойчивую систему двух взаимосвязанных вихревых образований (тороидов), имеющих общую динамическую природу, но разные параметры распространения.

Эксперимент

В качестве источника детонационной волны была использована стальная труба внутренним диаметром D1=20 мм, длинной L= 250 мм. На конце трубы установлен сферический резонатор диаметром D2=80 мм. Выходное сопло резонатора – диаметр D1=20 мм. Топливо – газовый баллончик туриста массой 220 грамм.

Рис. № 11. Сферические детонационно-резонаторные источники формирования пары вихревых колец.

Результат:

Длинна детонационного сходящегося клина (факела) = 5*D сопла (мм.) = 100 мм. На рис. № 12 визуализируется сходящийся клин волны детонационного горения, по оси которого формируется пара вихревых колец.

Рис. № 12. Сходящийся клин волны детонационного горения, по оси которого формируется пара вихревых колец.

Формируется высоко энергетическое вихревое кольцо, которое распространяется строго прямолинейно с энергетикой, которая на расстоянии 1 метр от источника позволяет стабильно сбивать прямоугольную деревянную тестовую пластину размером 100*100*30 мм, весом 200 грамм.

Угол расширения вихревого кольца – 0,4 градуса. Диаметр первичного вихревого кольца на расстоянии 1 метр от сопла – 100 мм.

Зафиксирован необычный эффект – формирование одновременно с первичным вихревым кольцом – второго вихревого кольца с углом расширения примерно 150 градусов.

Применение

Диагностика и калибровка. По форме и скорости вторичного кольца можно судить о качестве и мощности первичного, – используется как датчик состояния детонационного факела.

Заключение

Детонационно-резонаторный эффект двойного вихревого кольца представляет собой уникальное двухкомпонентное вихреобразование на основе специально организованного прохождения ударной волны через резонатор. Он открывает новое направление в управляемой импульсной аэродинамике и позволяет реализовать недоступные ранее режимы действия, в том числе в формате высокоэффективных компактных кинетических генераторов импульса, направленных на короткую дистанцию. Структура вихревых колец может контролироваться геометрией резонатора, топливной смесью, синхронностью запуска и диаметром сопла.

Примечание

Более подробная информация о эффекте, а также сведения о экспериментальных работах, методах визуализации потоков, этапах опытно-конструкторских разработок и вариантах практического применения представлены в авторском исследовательском проекте: **Вихри Хаоса – Инновационный шторм идей и экспериментов в науке и технике**.

Официальный ресурс: [https://vihrihaosa.ru]

6. Детонационно-электрический эффект.

Детонационно-электрический эффект – явление образования электродвижущей силы между двумя проводниками, размещёнными в направлении фронта детонационной волны частично ионизированного газа детонационного горения топливовоздушной смеси.

Схема реализации детонационно-электрического эффекта представлена на рис. № 13.

Рис. № 13. Схема реализации детонационно-электрического эффекта.

Рассмотрим сначала детонационное горение. Детонация – самый эффективный способ прямого превращения вещества в энергию и использования полученной энергии по назначению, который позволяет повысить КПД технологических устройств (горелок, двигателей, реакторов и т.п.).

При детонации химическая реакция окисления горючего протекает при более высоких значениях температуры и давления за сильной ударной волной, бегущей с высокой сверхзвуковой скоростью. Мощность тепловыделения в детонационном фронте на несколько порядка выше дефлаграционного фронта (классического медленного горения). Кроме того, в отличие от продуктов медленного горения, продукты детонации обладают огромной кинетической энергией.

Это связано с тем, что детонация в атмосферу от одного источника детонационного горения представляет собой взрыв, в котором взрывная волна распространяется со скоростью 2000-3000 м/с, а температура горения достигает 3000-4000 С.

А теперь рассмотрим, что из себя представляет источник электрической энергии в широком смысле слова? Это источник упорядоченного непрерывного или периодического движения носителей электрического заряда. Применительно к нашему случаю такими носителями в газах являются ионы и электроны. При этом необходимо отметить, что газ в нормальном состоянии не является проводником. Его нужно каким-либо образом ионизировать, например, термически.

В идеале, нужно иметь плазменное состояние вещества, в котором плотности положительных и отрицательных зарядов практически одинаковы и которая является лучшим проводником. Для создания полностью плазменного состояния газа нужны сверхвысокие температуры, которые практически не достижимы для нас.

На практике термическая ионизация газа начинается уже при температурах около 2000 С.

А теперь обратим внимание на заявленные выше энергетические характеристики детонационного горения. Детонация в атмосферу от одного источника детонационного горения представляет собой взрыв, в котором взрывная волна распространяется со скоростью 2000-3000 м/с, а температура горения достигает 3000-4000 С.

Таким образом можно представить волну детонационного горения как частично ионизированный газ, который является источник упорядоченного периодического движения носителей электрического заряда в заявленном случае. Значит детонационно-электрический эффект – явление образования электродвижущей силы между двумя проводниками, размещёнными в направлении фронта детонационной волны частично ионизированного газа детонационного горения топливовоздушной смеси.

Эксперимент:

Рис. № 14. Практическая реализация детонационно-электрического эффекта, его энергетика.

В эксперименте, см. рис. № 14 использовалась стальная труба внутренним диаметром 28 мм и длинной 0,3 м. Объём 0,14 литра. Топливовоздушная смесь формировалась классической газовой горелкой. Детонация топливовоздушной смеси осуществлялась пьезо-поджогом горелки. Электроды использовались различные – стальная, алюминиевая, медная спицы, спирали и т.п. Максимальный эффект приблизительно 0,07 литра горючего газа генерируют 0,1 вольта на электроде.

Представленный феномен детонационно-электрического эффекта является научно и экспериментально обоснованным проявлением электромагнитного ответа среды на высокоэнергетическое химическое превращение в результате детонационного горения газовоздушной смеси. Его суть заключается в кратковременном формировании электродвижущей силы (ЭДС) между двумя металлическими электродами, расположенными в зоне прохождения фронта детонации, обусловленном возникновением частично ионизированной, высокотемпературной, высокоскоростной, сжимаемой газовой среды – плазмообразного фронта продуктов детонационного горения.

Принципиальные особенности заявленного эффекта:

– Волна детонации сопровождается мгновенным (до микросекунд) скачком давления и температуры до значений порядка 3000–4000  C, создавая условия для термической ионизации молекул газовой смеси.

– В зоне детонации формируется частично ионизированный газ (между классическим газом и плазмой), в котором возникают свободные носители заряда: электроны, положительные ионы.

– При прохождении фронта по промежутку между двумя проводниками возникает электрическое поле и формируется упорядоченное движение заряженных частиц, приводящее к возникновению измеряемой ЭДС.

– Электродвижущая сила является результатом совместного действия температурного скачка, ионизации, ударной волны и движения заряженных частиц.

Экспериментально подтверждено, что при детонации в трубе объёмом 0,14 литра (внутренний диаметр 28 мм, длина 30 см) в результате преобразования ≈0,07 литра горючей газовоздушной смеси наблюдается потенциал в диапазоне порядка 0,1 вольта между электродами. Это свидетельствует о реальности существования и измеримости эффекта. Использование разных материалов электродов (сталь, алюминий, медь) указывает на возможность оптимизации выхода ЭДС в зависимости от электрофизических свойств проводников.

Практическое значение детонационно-электрического эффекта:

– Возможность прямого преобразования части энергии химического взрыва в электрическую без промежуточных тепловых и механических компонентов;

– Перспектива создания компактных генераторов кратковременного импульсного тока (в микросекундном диапазоне) на основе управляемой периодической детонации для использования в датчиках, импульсных накопителях, воспламенителях, сигнальных системах;

– Потенциал для создания автономных или самозапитываемых устройств в сложных и экстремальных условиях (военная техника, аварийное питание, космические системы жизнеобеспечения, спецсредства);

– Возможность масштабирования на многокамерные системы с направленным усилением сигнала;

– Возможность дополнения традиционного двигательного (механического) и теплового использования детонации электрическим выходом.

Заключение:

Детонационно-электрический эффект является уникальным физико-химическим явлением, подтверждённым экспериментально и основанным на синергии механических (ударных), тепловых (температурных) и электрических (ионизационных) процессов в фронте детонационного горения топливовоздушной смеси. Несмотря на низкое выходное напряжение в эксперименте (0,1 В), эффект показывает потенциал для развития как технологического явления, так и энергофизического инструмента для будущих прикладных решений в области автономных источников энергии, измерительных систем, импульсных электросистем и детонационных технологий нового поколения.

Примечание

Более подробная информация о эффекте, а также сведения о экспериментальных работах, методах визуализации потоков, этапах опытно-конструкторских разработок и вариантах практического применения представлены в авторском исследовательском проекте: **Вихри Хаоса – Инновационный шторм идей и экспериментов в науке и технике**.

Официальный ресурс: [https://vihrihaosa.ru]

7. Инверсный вихревой эффект терморазделения

В работе вихревой трубы существует режим, в котором температурное разделение потоков меняет знак относительно стандартной модели Ранке.

Инверсный вихревой эффект наблюдается при существенном превышении температуры подаваемого вихреобразующего потока над температурой внешнего корпуса трубы. В таких условиях возникает противоположное распределение температур: нагрев центрального осевого потока и охлаждение периферийного внешнего вихря.

Таким образом, инверсный вихревой эффект – это режим работы вихревой трубы, при котором направление температурного разделения (горячий поток – холодный поток) зависит от перепада температур между входным вихреобразующим потоком и температурой наружного корпуса вихревой трубы.