Shock induced bubble explosions in liquid cyclohexane

In dieser Arbeit wird der Einfluss von Stoßwellen auf organische Flüssigkeiten mit und ohne Gasblasen untersucht. In einer neu aufgebauten Apparatur wurden Untersuchungen mit Hilfe der Hochgeschwindigkeitsfotografie und mit Druckmessungen durchgeführt. Die Apparatur bestand aus einem zylindrischen Autoklav mit einem Blasegenerator an seinem Boden. Zur Erzeugung einer Detonationswelle war oberhalb des Autoklavs eine Rohstrecke angeflanscht. Die folgenden Parameter wurden variiert: Die Entfernung zwischen benachbarten Gasblasen, die Zusammensetzung der Gasmischung in den Blasen, der Anfangsdruck des Systems, die Anfangsgröße der Blasen und die organische Flüssigkeit (Cyclohexan, 2-Ethylhexanal, Cumol und Methanol). Zwei verschiedene Typen von Blasenexplosion wurden beobachtet. Ihr Hauptunterschied ist die zeitliche Verzögerung der Zündung. Die Blasenexplosion des Typs I findet während der ersten stoßinduzierten Blasenschwingung statt. Folgende Ergebnisse bzw. Aussagen wurden erhalten: - Die Explosionsgrenzen hinsichtlich der Zusammensetzung der Gasmischung innerhalb der Blase und der Anfangsgröße der Gasblase wurden ermittelt. - Die Stoßwelle, die bei der Explosion einer Blase erzeugt wird, kann einer Nachbarblase zünden. Ein derartiger Zündmechanismus wurde erstmalig in der vorliegenden Arbeit beobachtet. - Gasblasen, die eine anfangs nicht explosionsfähige, magere Gasmischung enthielten, können durch Stoßwellen gezündet werden. Optische Aufzeichnungen von Flüssigkeitsjets in der Gasblase zeigen, dass auf diese Weise eine stoßinduzierte Anreicherung mit Dampf unmittelbar vor der Zündung stattfindet. - Blasenexplosionen des Typs I wurden in allen untersuchten Lösemitteln festgestellt. - Der Mechanismus von Blasenexplosion des Typs I wurde beschrieben. Die Blasenexplosion vom Typ II findet mit einer viel längeren Zündverzögerung statt. Sie wurde nur unter bestimmten Bedingungen beobachtet. Ein Explosionsmechanismus wurde auf der Basis der Beobachtungen vorgeschlagen. Nach diesem Mechanismus können sogar Gasblasen, die anfangs eine nicht explosionsfähige, brennstoffreiche Gasmischung enthalten, durch teilweise Kondensation des Brennstoffs explosionsfähig werden. Weitere Untersuchungen beziehen sich auf Kavitationsphänomene innerhalb der Flüssigkeit und auf die Wechselwirkung zwischen der Flüssigkeitsoberfläche und einer Stoßwelle. Ferner wurden die Explosionsgrenzen von Cyclohexan in reinem Sauerstoff bei erhöhten Drücken und Temperaturen bestimmt. Die sicherheitstechnischen Aspekte der Versuchsergebnisse werden diskutiert.In this work the influence of shock waves on organic liquids with and without bubbles is investigated. The experiments were performed in a new experimental setup with the help of high speed photography and pressure measurements. The apparatus consisted of a cylindrical autoclave with a bubble generator at its bottom. For the creation of a detonation wave a tube was installed on the top of the autoclave. The following parameters were varied: The distance between neighboring bubbles, the composition of the gaseous mixture inside the bubbles, the initial pressure of the system, the initial bubble size, and the organic liquid (cyclohexane, 2-ethylhexanal, cumene, and methanol). Two different types of bubble explosion were observed. Their main difference is the length of their ignition delay. The bubble explosion type I takes place during the first oscillation after the shock wave impact. Further important results about this type of explosion refer to: - the explosion range in relation to the composition of the gas mixture within the bubble as well as to the initial bubble size. - the direct ignition of a bubble by a shock wave emitted by a nearby bubble explosion. Such a phenomenon is experimentally observed for the first time. - the shock induced ignition of gas bubbles containing an initially non explosive fuel-lean gas mixture. Optical recordings of jet penetration into the bubble prove that shock wave induced enrichment in vapor of the surrounding liquid is an important stage before the ignition. - the observation of bubble explosion type I in all the investigated liquids. - the mechanism of bubble explosion type I. The bubble explosion type II takes place with much longer ignition delay. It was observed under certain conditions only. An explosion mechanism is proposed on the basis of the experimental results. According to this mechanism, even non explosive fuel-rich gaseous bubbles can become explosive due to partial condensation of the fuel. A further group of results refer to cavitation phenomena inside the liquid and to shock induced phenomena on the surface. Additionally, the explosion limits of gaseous cyclohexane in pure oxygen at elevated pressures and temperatures were determined. The safety engineering aspects of the experimental results are discussed

Modelling of detonation wave parameters, initiation and hazard of chemically active bubble systems

The detonation processes in chemically active bubble systems at high initial pressures are calculated numerically. The dependences of detonation wave velocity at sub- and supersonic regimes of propagation on molar fraction of gas in the mixture and on initial pressure have been calculated for the first time. The Chapman-Jouguet condition for supersonic bubble detonation wave is obtained. The principal possibility for a different detonation wave structure in the case of propagation in the mixture with high initial pressure and longitudinal gradient of bubble volume fraction is predicted.
The dynamics and ignition of a chemically active bubble in a field of external pressure is analyzed. It is shown, that an inert diluent addition can increase the explosion hazard of heterogeneous gas – liquid systems. Calculations demonstrate the possibility of chemically active bubble ignition on the second pulsation. It is shown, that single chemically active bubble ignition is possible also owing to a decompression impulse.
An algorithm for the calculation of thermodynamic parameters of chemically equilibrium hydrocarbon gas with soot particles has been suggested. It is shown, that soot formation can have an essential influence on the dynamics of single bubble in chemically active hydrocarbon-oxygen (organic solvent (liquid) – oxidizer (gas)) heterogeneous systems

Effect of chemically inert particles on parameters and suppression of detonation in gases

[[abstract]]An algorithm for calculating the parameters of a steady one-dimensional detonation wave in mixtures of a gas with chemically inert particles and estimating the detonation-cell size in such mixtures is proposed. The calculated detonation parameters and cell size in stoichiometric hydrogen-oxygen mixtures with W, Al2O3, and SiO2 particles are used to analyze the method of suppression of multifront gas detonation by injecting chemically inert particles ahead of the leading wave front. The ratio between the channel diameter and the detonation-cell size is used to estimate the limit of heterogeneous detonation in the mixtures considered. The minimum mass of particles and the characteristic cloud size necessary for detonation suppression are calculated. The effect of thermodynamic parameters of particles on the detonation suppression process is analyzed for the first time. Particles with a high specific heat and (if melting occurs) a high phase-transition heat are found to exert the most pronounced effect