Владимир Хаустов
Детонационные технологии

Введение

В настоящее время технологии использования энергетики управляемых волн детонационного горения топливо-воздушных смесей почти не используются, не развиваются и не систематизируются.

В практическом плане в промышленности нашла развитие и успешно используется только одна технология, которая связана с порошковым напылением промышленных покрытий. В качестве идей начинают предлагается технологии утилизации отходов продуктами детонационного горения.

В настоящей работе представлены результаты практических работ, направление на раскрытие потенциала применения детонационного горения , как лучшая альтернатива классическому горению (дефлаграционному) в различных областях науки и техники.

Предлагаются следующие технологии использования управляемого детонационного горения топливовоздушных смесей

1. Термобарические процессы: Предложены способы производства драгоценных камней и разложения химических соединений (включая в рамках "зеленой металлургии" для восстановления металлов из оксидов и утилизации отходов) с использованием сверхвысоких температур (до 3000–4000°C и выше) и давлений, достигаемых в зоне "схлопывания" или фокусировки детонационных волн. Эксперименты по разложению оксида железа показали возможность его восстановления до металлического состояния.

2. Получение сверхвысоких температур: Предложены и исследованы способы одномерной и многомерной имплозии (центростремительного вихревого сжатия) волн детонационного горения для создания локализованных зон сверхвысоких температур (более 2000–3000°C), которые могут быть использованы для различных технологических целей, включая синтез новых материалов и разложение стойких соединений. Также исследован многостадийный способ повышения температуры внутреннего вихревого потока.

3. Экологические применения: Предложен детонационно-вихревой способ дожига дымовых газов промышленного производства для эффективной утилизации горючих и токсичных веществ при высоких температурах. Предложен детонационно-вихревой пиролиз органических отходов для получения топлива, включая водород.

4. Новые физические эффекты и их применение: Обнаружен детонационно-электрический эффект, заключающийся в возникновении ЭДС во фронте детонационной волны. Выявлен инверсный вихревой эффект, меняющий направление терморазделения в вихревой трубе при подаче высокотемпературного потока. Исследован эффект термобарического схлопывания фронтов детонации для создания экстремальных условий.

5. Технологические процессы: Разработан вихрекольцевой метод очистки вагонов от сыпучих грузов. Предложен ударно-волновой способ торможения роторов вентиляторов. Исследован детонационно-распылительный способ получения мелкодисперсных металлических порошков. Предложен вихрекольцевой детонационный метод измерения толщины покрытий. Разработан термокинетический способ очистки стального листа от цинкового покрытия. Предложена квазиимпульсная технология нанесения защитных покрытий на большие поверхности.

6. Энергетические и двигательные установки: Предложен детонационно-центростремительный привод турбины. Рассмотрены варианты детонационного привода лопастей вертолета, в том числе на эффекте Коанда.

Эти практические результаты и экспериментальные данные, представленные в авторских работах, подчеркивают значительный прогресс и потенциал детонационных технологий в различных

1. Способ получения сверхвысоких температур встречным сжатием волн детонационного горения

Предлагается высокоэнергетическое физико-химическое явление, возникающее в результате скоординированного, синхронного схлопывания (сжатия) нескольких фронтов детонационного горения, и ведущее к образованию в центральной точке сверхвысокого давления и температуры.

Иначе говоря, при синхронной детонации 2-х или более источников с фокусировкой волн в одну общую центральную зону, образуется уникальное состояние в малом объёме, характеризующееся:

– давлениями, существенно превышающими 1000 атмосфер (100 МПа и выше),

– температурами порядка 3000 градусов (в зависимости от числа источников и угла схлопывания),

– ударной компрессией вещества в фокусе, вплоть до плазменных состояний,

– микросекундной длительностью воздействия, которая исключает распространение нагрева в окружающую среду и позволяет концентрировать эффект только в точке схлопывания. Сущность

Формирование зоны сверхвысокого давления и сверхвысокой температуры в месте синхронного схлопывания (сжатия) волновых фронтов детонационного горения от двух и более источников.

Описание явления

– Детонация от одного источника – это самоподдерживающийся взрывной процесс, где фронт горения движется с высокой скоростью (2000–3000 м/с) и сопровождается образованием ударной волны и температур выше 3000 градусов.

– В обычном случае детонация расширяется наружу (дефлаграционно-дивергентный режим).

– Однако при размещении детонационных источников так, чтобы их волны сходились центростремительно (например, при размещении резонаторов по окружности или в полусфере), ударные фронты не расходятся, а сходятся в фокусе – вызывая сферическое сжатие.

Аналогия: как капля воды при падении в жидкость создаёт микровихрь с резким всплеском вверх, – аналогично и фронты схлопывающихся детонаций вызывают «всплеск» температуры и давления в точке схождения.

Расчётное представление:

– Энергия каждого фронта складывается не просто суммарно, а усиливается за счёт геометрической фокусировки, подобно линзе, собирающей лучи света.

– В зависимости от точности синхронизации, можно достичь температур выше даже 4000 градусов (условная "точка микровзрыва").

Описание

Синхронное сжатие (схлопывание) нескольких детонационных волн представляет собой сферический фронт уменьшающихся изломов ударных волн, который быстро сжимается. В местах сталкивания изломов ударных волн возникает сферическая зона очень высокого давления, в которой детонационное горение происходит с более высокими температурами.

При синхронном сжатии (схлопывании) детонационных волн детонационного горения от 2-х и более источников волн детонационного горения – в центральной части возникает сферическая зона сверх высокого давления, с температурами уровня 3000 градусов и выше.

Классические дефлаграционные способы нагрева не способны обеспечить такие температуры и давления. Это связано с особенностью классического дефлаграционного горения, а именно в том, что при распространении дефраграционного горения фронт волны не встречает на своём пути препятствий и распространяется от зон с высоким давлением в зоны низкого давления. Распространение горения в этом случае происходит с относительно низкой скоростью, которая зависит от температуры процесса горения, и всегда ниже 2000 градусов.

В отличии от классического 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 3000-3500 С. При этом нужно учесть тот факт, что детонация не в атмосферу (расширение), а сжатие центростремительно в фокусе полусферического резонатора обеспечивает формирование на много больших температур.

Эксперимент

Был создан стенд из двух источников детонационных волн по типу трубчатой формы с сферическим резонатором на выходе, см. рис. № 1

Рис. № 1. Испытательный стенд из двух источников волн детонационного горения.

Интересные эффекты проявляются в зависимости от расстояния, на котором находятся друг от друга источники детонационного горения, см.

рис. № 2 и 3.

Расстояние между горелками = 2*(0,9*L).

Где: L – длинна видимого сходящегося клина детонационного горения одного источника детонационного горения.

Рис. № 2. Визуализация места сжатия сверхвысоких температур и давлений.

На рис. № 2 указано место сжатия сверхвысоких температур и давлений локализовано в центре на расстоянии 0,9*L относительно небольшой областью по объёму.

Расстояние между горелками = L.

Где: L – длинна видимого сходящегося клина детонационного горения одного источника детонационного горения.

Рис. № 3. Визуализация места сжатия сверхвысоких температур и давлений.

На рис. № 3 показано место сжатия, которое имеет форму шара сверхвысоких температур и давлений с диаметром, равным = L. По аналогии с шаровой молнией, с одним исключением – полученный шар “рождается” и “умирает” несравнимо быстрее, чем шаровая молния.

Таким образом, сверхбыстрый нагрев газа может быть реализован встречным “схлопыванием” в общем центре двух и более источников детонационных волн детонационного горения топливовоздушной смеси. При этом объём зоны сверхвысоких температур и давлений зависит исключительно от расстояния, на котором размещены друг от друга источники детонационного горения.

Термобарическое схлопывание фронтов детонации – это уникальный способ кратковременного создания экстремальных условий температуры и давления, недостижимых классическими методами. В фокусированной зоне создаются ударные нагрузки и температурные пики, потенциально эквивалентные локальному микровзрыву высокой плотности энергии.

Эффект не только подтверждает возможность создания таких условий в атмосферной среде, но и определяет новую физическую модель для:

– сжатия веществ без соприкосновения (контактной среды),

– кратковременного нагрева до плазменных состояний,

– фазовых переходов при пикосекундной тепловой и механической нагрузке.

Возможные применения

1. Переработка и разложение химически устойчивых соединений.

– Восстановление оксидов металлов (Al2O3, Fe2O3, ZnO) до чистого металла.

– Разложение неорганических соединений при кратком термобарическом импульсе без реагентов (без плавки, без электролиза).

2. Генерация высокотемпературной плазмы.

– Инициация холодной или тепловой плазмы без электродов и высокочастотных источников;

– Применение в физике высоких энергий и материаловедении.

3. Дистанционное воздействие и управляемый импульс.

– Импульсное старение (силовая деформация) конструкционных материалов;

– Промышленная очистка поверхностей от покрытий, ржавчины, лакокрасочных оболочек;

– Удаление загрязнений в трубопроводах и реакторах.

4. Взрывная синтез-металлургия.

– Ультрабыстрое спекание порошков;

– Формирование металлографических соединений при пикотемпературе;

– Замена дуговой и индукционной плавки в ограниченных объёмах.

5. Инициирование термоядерных процессов (в долгосрочной перспективе)

Заключение

Термобарический эффект схлопывания фронтов детонационного горения – это не просто локализация тепла, а способ создания условий, лежащих за пределами возможностей традиционной термической обработки. Он обладает огромным научным и технологическим потенциалом и формирует основу нового подхода к точечному создающему давлению и температуре без физического контакта, электропитания или горелок.

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]

2. Способ получения сверхвысоких температур вихревым сжатием волны детонационного горения

Идея способа основана на открытом инверсном детонационно-вихревом эффекте (см. п. 7 настоящей книги), согласно которого при детонационом горении в вихревой трубе центральный поток ещё больше нагревается, а периферийный наоборот, охлаждается.

При вихревом распространении волны детонационного горения в центральной аксиальной зоне формируются сверхвысокие температуры, согласно рис. № 4.

Рис. № 4. Центростремительное вихревое сжатие волны детонационного горения для технологических целей (способ получения сверхвысоких температур).

При этом известно, что прямолинейная детонация в атмосферу от одного источника детонационного горения представляет собой взрыв, в котором взрывная волна распространяется со скоростью 2000-3000 м/си сверхвысоким давлением, а температура горения достигает 3000-3500 С.

Дополнительной особенностью прямолинейного распространения волны детонационного горения на выходе из источника является конусное расширение фронта за счёт силы детонационных сил.

А теперь рассмотрим вихревое (тангенциальное) распространение волны детонационного горения в полузамкнутом цилиндрическом объёме.

Для этого был собран испытательный стенд в виде трубчатого источника волн детонационного горения , тангенциально соединённого с цилиндром, в котором будет распространяться тангенциально волна детонационного горения, см. рис. № 5.

Рис. № 5. Испытательный стенд в виде трубчатого источника волн детонационного горения, тангенциально соединённого с цилиндром, в котором будет распространяться тангенциально волна детонационного горения.

В этом случае проявляются интересные свойства, связанные с резким повышением температуры в центральной зоне аксиального вихревого распространения детонационной волны. При вихревом тангенциальном центробежном распространении детонационной волны со скоростями порядка 2000-3000 м/с и сверхвысоким давлением, последняя претерпевает центростремительное сжатие в так называемом аксиальном центре вихря.

Это обусловлено тем, что центробежная сила тангенциального движения детонационного фронта горения намного меньше силы детонационного расширения фронта продуктов детонационного горения.

Иными словами, при классическом тангенциальном центробежном распространении любого воздушного потока, например, в тангенциальных завихрителях за счёт центробежных сил происходит увеличение площади воздушного потока.

Ни о каком-либо дополнительном нагреве в так называемом вихревом центре не может вестись и речи. Сила расширения фронта распространения воздушного потока пренебрежимо мала по сравнению с центробежной силой.

Ситуация кардинально меняется при тангенциальном распространении волны детонационного горения. В этом случае сила расширения волны детонационного горения будет на много превышать центробежную силу. Площадь фронта тангенциального распространения детонационной волны в такой вращающейся вихревой системе будет всегда ограничена радиусом вращения. Благодаря такому ограничению происходит адиабатическое сжатие уменьшением объёма термодинамической вихревой системы в центре вращения без обмена теплотой с окружающей средой.

Таким образом сверхвысокая скорость и давление во фронте сформированной волны детонационного горения при изменении направления распространения (с прямолинейного на тангенциальное) формируют центростремительное сжатие (имплозию) детонационной волны в центе оси распространения (аксиально).

При этом в центральной оси вихревого вращения образуется зона сверхвысокой температуры более 2000 градусов, в которой возможны термохимические реакции синтеза/разложения любых химических и минеральных веществ.

Заключение:

Предложенный способ направленного центростремительного вихревого сжатия (имплозии) волны детонационного горения представляет собой принципиально новый и перспективный подход к управляемому получению сверхвысоких температур и давлений в компактной аксиальной зоне цилиндрического объёма. Сущность метода заключается в преобразовании направления распространения классической прямолинейной детонационной волны в тангенциальное – с её последующим вращательно-вихревым развитием в полузамкнутом объёме. В классических системах вихреобразования с воздушными или газовыми потоками центробежная сила всегда превышает силы расширения, и в центре вихря

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]

3. Способ получения сверхвысоких температур вихревым сжатием нескольких волн детонационного горения.

Идея способа , в отличии от предыдущего, заключается в формировании двух, изолированных друг от друга вихревых потоков продуктов детонационного горения с общим центром вращения. Потоки имеют противоположные направления вращения. После раздельного формирования потоков происходит их совместное со направленное распространение аксиально вокруг общей оси распространения. Вихревые потоки детонационного горения начинают взаимодействовать друг с другом. Происходят одновременно и совместно два адиабатических центростремительных процесса сжатия двух вихревых потоков детонационного горения (многомерной имплозии), см. рис. № 6.

Рис. № 6. Схема многомерного центростремительного вихревого сжатия волн детонационного горения от двух и более источников детонационного горения.

В центральной аксиальной зоне распространения формируются сверхвысокие температуры для целей протекания реакций синтеза/разложения любых химических, минеральных веществ.

В качестве основы идеи многомерной имплозии выступают практические работы по одномерной имплозии (центростремительного сжатия) волны детонационного горения (ссылка), в которых проявляются интересные температурные эффекты в центральной зоне центростремительного сжатия.

Визуализация тангенциального распространения волны детонационного горения показана на рис. № 7.

Рис. № 7. Тангенциальное распространение волны детонационного горения.

Это обусловлено тем, что центробежная сила тангенциального движения детонационного фронта горения намного меньше силы детонационного расширения фронта продуктов детонационного горения.

Иными словами, при классическом тангенциальном центробежном распространении любого воздушного потока, например, в тангенциальных завихрителях за счёт центробежных сил происходит увеличение площади воздушного потока. Ни о каком-либо дополнительном нагреве в так называемом вихревом центре не может вестись и речи. Сила расширения фронта распространения воздушного потока пренебрежимо мала по сравнению с центробежной силой.

Ситуация кардинально меняется при тангенциальном распространении волны детонационного горения. В этом случае сила расширения волны детонационного горения будет на много превышать центробежную силу. Площадь фронта тангенциального распространения детонационной волны в такой вращающейся вихревой системе будет всегда ограничена радиусом вращения. Благодаря такому ограничению происходит адиабатическое сжатие уменьшением объёма термодинамической вихревой системы в центре вращения без обмена теплотой с окружающей средой.

С учётом выше сказанного можно сказать, что один адиабатический процесс – это хорошо, а два и более – ещё лучше.

В этом случае происходят одновременно и совместно, например, два адиабатических центростремительных процесса сжатия двух потоков, при котором внутренний сжимается к центру вращения, а внешний поток сжимает внутренний.

Дополнительной особенностью такого совместного многомерного распространения и имплозии является полное отсутствие тепловых потерь внутреннего вихревого потока.

При этом температура в центральной зоне вихревого распространения увеличивается, по сравнению с одномерной имплозией и может составлять более 3000 градусов и выше.

Главная идея способа заключается в организации раздельного формирования двух (или более) независимых вихревых потоков от соответствующих источников детонационного горения, каждый из которых обладает собственной направленностью вращения. После стадии разделённого формирования происходит аксиальное сонаправленное распространение потоков вокруг общей оси, при котором они начинают активно взаимодействовать, вызывая сложное многомерное (двух- и трёхкомпонентное) центростремительное сжатие – так называемую многомерную детонационную имплозию.

В результате этого взаимодействия:

– формируется замкнутая аксиальная зона с двойным адиабатическим эффектом – одновременно со стороны внутреннего и внешнего вихрей;

– давление и температура в центральной зоне многократно возрастают по сравнению с классическим одномерным вихревым сжатием;

– существенно снижаются тепловые потери внутренних слоёв системы за счёт плотного охвата их вторичным (внешним) вихрем;

– тепловая и кинетическая энергия детонационных волн эффективно фокусируется в ограниченном объёме без выхода наружу.

Предполагаемая температура в ядре многомерной вихревой системы достигает и может превышать 3000  C, что делает установку особенно перспективной для следующих технологических приложений:

1. Синтез сверхтвёрдых и термостойких материалов (оксиды, карбиды, бориды и пр.);

2. Компактная и энергоэффективная утилизация химически стойких, пластичных и трудно разлагаемых соединений;

3. "Зелёная металлургия" – восстановление оксидов металлов в одной стадии без кокса и плавильных агрегатов;

4. Разложение высокотемпературных и токсичных компонентов (ПХБ, асбестосодержащие смеси, ТБО) путём их физико-химического расщепления;

5. Поддержание условий для новых реакций синтеза и высокоэнергетических превращений (разложение СО₂, получение водорода, каталитические циклы);

6. Создание установок для нетрадиционного термического воздействия – термохимическая сварка, нанесение покрытий, моделирование условий глубинных недр и высокотемпературных процессов.

Конструктивно, такая система не требует использования массивных термоустойчивых компонентов для удержания зоны реакции, поскольку наибольшее тепловое и химическое воздействие сосредоточено в пространственно замкнутой вихревой зоне, ограниченной собственной гидродинамикой.

Заключение

Таким образом, многомерная вихревая имплозия на основе контролируемого распределения фронтов детонационного горения представляет собой качественно новый подход к созданию сверх высокотемпературных функциональных зон в компактном объёме, открывающий широчайшие перспективы для научных, промышленных и экологических применений. Способ продвигает ключевую идею технологической детонации от "взрывоопасной" к "высокоэффективной", предоставляя надёжный инструмент для построения локализованных термодинамических реакторов 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]

4. Каскадно-вихревой способ получения сверхвысоких температур.

Предлагается использовать волны детонационного горения с температурами уровня 2000 градусов и скоростями уровня 2000 м/сек в качестве источника первичной энергии для целей проявления вихревого терморазделительного эффекта в системе из последовательно соединённых каскадов вихревых труб .

Согласно классике, вихревой эффект Ранка -Хилша заключается в температурном разделении газа при закручивании в цилиндрической камере при условии, что поток газа в трубке проходит не только прямо, но и обратно, см. рис. № 8.

Рис. № 8. Вихревая трубка Ранка –Хилша.

Эффект хорошо известен и практически давно используется для технологических целей нагрева и охлаждения.

Результат вихревого эффекта – на периферии образуется закрученный поток с большей температурой, а из центра в противоположную сторону выходит охлажденный поток. Такое направление температурного разделения является одним из интереснейших парадоксов вихревого эффекта. Теоретически, более тёплый поток газа имеет меньшую плотность и центробежными силами должен стремиться к центру, а более холодный поток газа имеет большую плотность и, соответственно, должен стремиться к периферии. Практически всё происходит в точности наоборот.

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.

Конец ознакомительного фрагмента.

Текст предоставлен ООО «Литрес».

Прочитайте эту книгу целиком, купив полную легальную версию на Литрес.

Безопасно оплатить книгу можно банковской картой Visa, MasterCard, Maestro, со счета мобильного телефона, с платежного терминала, в салоне МТС или Связной, через PayPal, WebMoney, Яндекс.Деньги, QIWI Кошелек, бонусными картами или другим удобным Вам способом.