[
На правах рукописи
Володин Владислав Владимирович
ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ДЕТОНАЦИОННОГО ГОРЕНИЯ
ПРИ РАЗДЕЛЬНОЙ ИМПУЛЬСНОЙ ПОДАЧЕ КОМПОНЕНТОВ
ТОПЛИВА
01.04.14 – теплофизика и теоретическая теплотехника
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук
Москва - 2005
Работа выполнена в Отделе физической газодинамики Института теплофизики экстремальных состояний Объединенного института высоких температур Российской академии наук
Научный руководитель: д.ф.-м.н. В.В. Голуб (ИТЭС ОИВТ РАН).
Научный консультант: д.ф.-м.н., профессор Л.Г. Гвоздева (ИТЭС ОИВТ РАН).
Официальные оппоненты: д.ф.-м.н., профессор С.М. Фролов (Институт химической физики РАН им. Н.Н. Семенова).
д.ф.-м.н., профессор В.В. Марков (Институт Математики РАН им. В.А.
Стеклова).
Ведущая организация: Механико-математический факультет МГУ им. М.В. Ломоносова.
Защита состоится «_»_2005 года в ч. на заседании диссертационного совета Д 002.110.02 в ОИВТ РАН по специальности 01.04. «Теплофизика и теоретическая теплотехника» по адресу: 125412, Москва, ул. Ижорская, 13/19, Объединенный институт высоких температур РАН.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОИВТ РАН.
Автореферат разослан «_»_2005 г.
Ученый секретарь диссертационного совета д.ф-м.н. А.Л. Хомкин © Объединенный институт высоких температур РАН, © Институт теплофизики экстремальных состояний РАН,
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Использование детонационного режима горения в камерах сгорания обосновано стремлением наиболее эффективно преобразовать химическую энергию топлива в кинетическую энергию продуктов сгорания. Преимуществом детонационного режима горения над дефлаграционным является более быстрое выделение энергии, что позволяет проектировать устройства с высокой удельной мощностью. При детонационном сжигании кислородо-водородной газовой смеси удельные мощности энерговыделения могут на порядок превосходить удельную мощность ракетных кислородо-водородных двигателей. Температура и давление продуктов сгорания при детонационном горении топлива в несколько раз выше, чем при обычном сжигании. Кроме того, в пульсирующем детонационном устройстве используется цикл, превосходящий по своим параметрам термодинамический цикл при постоянном объеме (рис. 1) [1, 2].
Рис.1. Термодинамические циклы:
1 – Брайтона, 2 – Хамфри, 3 – детонационный Использование газовой детонации в камере сгорания предполагает воздействие продуктов детонации на некоторую рабочую поверхность. При детонации резко возрастает давление продуктов сгорания, и импульс давления воздействует на рабочую поверхность. Затем продукты сгорания расширяются, охлаждаются и выбрасываются в окружающее пространство, создавая дополнительный импульс и освобождая объем для новой порции детонационноспособной смеси. В пульсирующем детонационном устройстве цикл повторяется с определенной частотой. Также следует отметить, что при детонационном горении тепловые нагрузки на элементы камеры сгорания ниже, чем при дефлаграционном. Это объясняется меньшим временем воздействия горячих продуктов сгорания на камеру сгорания.
Детонационные устройства в данный момент используются для производства разного рода напылений, штамповки и обработки металлических деталей, также предложены способы бурения скважин, фрагментации горных пород, утилизации изношенных автомобильных покрышек, повышения дебета газовых скважин, производства электроэнергии и т.д. с помощью детонационных устройств.
В детонационных устройствах, проектируемых для практических целей (напыление, очистка тепловоспринимающих поверхностей, разрушение автопокрышек, пульсирующие детонационные двигатели) из соображений безопасности необходимо смешивать компоненты топлива непосредственно в ДКС. Пульсирующая подача компонентов топлива в ДКС обеспечивается либо быстродействующими клапанами, либо бесклапанной системой (так называемые газодинамические клапаны [3, 4]). По сравнению с клапанными системами подачи компонентов топлива в ДКС бесклапанная система подачи имеет ряд преимуществ, основными из которых являются увеличение надежности работы и срока службы устройства. Особенностью работы газодинамических клапанов является наличие в них нестационарного потока газов. Это может приводить к тому, что расход компонентов топлива через подводящие магистрали может меняться по мере поступления их в ДКС. В результате этого реальный состав и турбулентность потока горючей смеси может изменяется во время заполнения ДКС в месте расположения источника поджига. Эти факторы могут существенно влиять на процесс перехода дефлаграции в детонацию (ПДД). Расход компонентов топлива также может меняться и при использовании обычных клапанов за счет изменения давления в баллонах с компонентами и в ДКС.
Проблема пульсирующей детонации применительно к реактивным двигателям широко обсуждалась в научной литературе [5-14]. Наиболее полно проблема и предложенные концепции изложены в [15].
При различных индустриальных взрывах сопровождающихся выбросами горючих веществ, горение развивается в сложном потоке, где наблюдается смешение горючих веществ с воздухом, турбулентный перенос тепловой энергии и активных радикалов и сложная газодинамическая структура течения.
До сих пор при анализе этих происшествий использовались те же закономерности, что и в неподвижных смесях.
Цель работы. Основной целью работы является экспериментальное и численное исследование основных закономерностей формирования и распространения детонационных волн в среде движущихся смешивающихся компонентов топлива в зависимости от начальных и граничных условий.
Вспомогательные задачи для достижения поставленной цели:
1. Обнаружение нестационарных газодинамических процессов, влияющих на процесс формирования детонационного горения при импульсной подаче компонентов топлива с непостоянным расходом.
2. Определение влияния дополнительной турбулизации потока и воздействия звукового поля на формирование детонации в потоке смешивающихся компонентов топлива.
3. Исследование влияния энергии инициирования и расположения искрового разрядника относительно закрытого конца ДКС на ПГД в потоке смешивающихся компонентов топлива.
4. Исследование влияния дополнительных преград в ДКС на длину и время формирования детонации в потоке смешивающихся компонентов топлива.
Научная новизна работы состоит в следующем:
1. Создана экспериментальная база для исследования формирования детонации в импульсных потоках смешивающихся компонентов топлива при различных составах, скоростях смеси, величинах энергии инициирования и геометрии камеры сгорания, допускающая акустическое воздействие на 2. Обнаружено, что резонаторы, установленные на сверхзвуковых соплах, используемых для подачи компонентов топлива в ДКС возбуждают неустойчивость пограничного слоя в сверхзвуковой струе и существенно увеличивают площадь контактной поверхности струи, тем самым, улучшая смешение компонентов топлива, и генерируют сильное звуковое поле. При переменном расходе компонентов топлива получены оптимальные моменты инициирования горения в ДКС, когда преддетонационное расстояние наименьшее. Дополнительная турбулизация потока сглаживает резкую зависимость расстояния ПГД от момента инициирования.
3. Установлено, что сильное звуковое поле с частотой 17 kHz на конечной стадии препятствует формированию детонации. Это объясняется более быстрой релаксацией крупных вихревых структур и первых очагов детонации под действием акустического поля.
4. Экспериментально получены зависимости расстояния перехода горения в детонацию в неподвижной смеси и в потоке смешивающихся компонентов топлива от расстояния между искровым разрядником и закрытым концом ДКС. В потоке смешивающихся компонентов топлива получена монотонная зависимость расстояния ПГД от расстояния между искровым разрядником и закрытым концом ДКС, в то время как в неподвижной смеси эта зависимость немонотонна с ярко выраженным минимумом.
5. В неподвижной смеси найдено, что:
• критическая энергия прямого инициирования детонации в трубе диаметром менее 30 точечным источником может быть с хорошей точностью оценена как критическая энергия прямого инициирования плоской детонационной волны. При диаметре ДКС выше 30 энергия прямого инициирования детонации в ДКС будет определяться энергией прямого инициирования сферической детонации;
• при величине энергии меньше, чем критическая энергия прямого инициирования детонации, формирования детонации не обнаружено на расстоянии 24 калибра ДКС.
6. В потоке смешивающихся компонентов топлива обнаружено более интенсивное ускорение фронта пламени по сравнению с формированием детонации в неподвижной смеси и формирование детонации на расстоянии 8-12 калибров ДКС при энергии инициирования не превышающей 20% от величины энергии прямого инициирования детонации.
7. Экспериментально показано, что применение кольцевых преград в ДКС способствует сокращению длины и времени формирования детонации.
Практическая значимость. Результаты могут быть использованы для:
- создания пульсирующих детонационных устройств различного назначения, - моделирования последствий аварийных ситуаций, возникающих при взрыве, - разработки эффективных методов смешения компонент топлива в перспективных авиационных двигателях.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и симпозиумах: 23– Международных Симпозиумах по ударным волнам (2001–2005 гг.), X Международном Симпозиуме по визуализации потоков (2002 гг.), 19- Международных коллоквиумах по Взрывам и Динамике Реагирующих Систем (2003 – 2005 гг.), на XVII-XIX Международных семинарах по струйным, отрывным и нестационарным течениям (1999–2002), на XXVI-XXVIII академических чтениях по космонавтике (2000–2004 гг.) и многих специализированных международных и российских научных семинарах, общее число докладов – 25.
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в работах.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав и выводов. В каждой главе использована своя нумерация параграфов и рисунков. Объем диссертации составляет 93 страницы. Библиографический список насчитывает 56 наименования.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обосновывается актуальность темы диссертации.
Первая глава посвящена обзору литературы по теме диссертационной работы. Детонационное сгорание горючей газовой смеси – квазистационарный процесс, представляющий собой устойчивый комплекс ударной волны и фронта химической репкции. Формирование детонации в неподвижной смеси – нестационарный стохастический процесс, в общем случае зависящий от начальных параметров смеси (состав, давление, температура, различного рода неравновесности), эннергии и расположения источника инициирования и характеристик камеры сгорания (размеры, неровность стенок, наличие турбулизирующих элементов, преград, расширений/сужений).
Переход дефлаграции в детонацию. Детонация формируется при распространении пламени в трубе в результате ускорения и сжатия смеси перед фронтом пламени. Анализ развертки в сочетании с теневыми фотографиями фронта пламени позволил построить следующую картину перехода от дефлаграции к детонации при распространении пламени в трубах.
Рис.2. Временная развертка теневой картины движения фронта пламени и ударных волн при формировании детонации в трубе [16] После зажигания смеси у торца трубы на начальной стадии фронт пламени имеет выпуклую менискообразную форму. По мере распространения пламени и увеличения объема, занятого сгоревшей смесью, выталкивающее действие продуктов реакции уменьшается, что обуславливает замедление фронта пламени. Когда давление за фронтом пламени становится меньше давления перед фронтом, возникает поток газа, направление которого противоположно направлению распространения пламени. Фронт пламени приобретает тюльпанообразную форму, общая поверхность фронта пламени увеличивается, и скорость пламени начинает снова расти. На этой стадии перед ускоренно распространяющимся фронтом пламени формируется большое количество возмущений, образующих ударные волны в непосредственной близости перед фронтом. Пламя распространяется по смеси, нагретой и сжатой ударными волнами.
Расчет состояния газа за серией ударных волн видных на фоторазвертке (рис.2), показывает, что в объеме перед фронтом пламени температура смеси становится близкой к температуре самовоспламенения. В условиях высокой температуры и давления за ударными волнами процесс сгорания происходит настолько быстро, что для образования детонационного фронта нет необходимости в слиянии ударной волны и фронта пламени, и детонация формируется за фронтом ударной волны.
Для объяснения механизма перехода дефлаграции в детонацию были предложены различные механизмы [16-18].
Инициирование детонации за слабыми ударными волнами. Процесс инициирования детонации за ударными волнами в ударных трубах хорошо изучен [19]. Если температура и давление за ударной волной недостаточны для мгновенного воспламенения газовой смеси, то после разрыва диафрагмы развивается такое же течение, как в инертном газе. Через некоторое время в слоях смеси, примыкающих к контактной поверхности, возникают очаги воспламенения, заметные по возмущениям плотности. Очаги, возникшие в конечном объеме газа, вскоре образуют границу между сгоревшим и несгоревшим газом - фронт горения. Возле контактной поверхности образуется область повышенного давления продуктов сгорания. Впереди этой области возникают волны сжатия. В условиях неоднородной и дополнительно нагретой области между ударной волной и фронтом горения наступает взрывное воспламенение. Ударная волна резко ускоряется, скорость ее приближается к скорости детонации. В некоторых случаях детонационный фронт может возникнуть на некотором расстоянии от фронта воспламеняющей ударной волны.
Прямое инициирование детонации за сильными ударными волнами.
Ударная волна, инициирующая детонацию, может быть создана в канале при мощном выделении энергии в источнике зажигания [20]. Детонация может возникнуть, если выделение энергии во времени организовано таким образом, что возникающая при этом ударная волна имеет скорость не меньше, чем половина скорости детонационной волны при режиме Чепмена-Жуге. Также накладывается ограничение на время положительной фазы давления. В этом случае химические реакции могут завершиться за время положительной фазы давления во взрывной волне. В противном случае критическая (минимальная) энергия инициирования становится зависящей от мощности источника и времени выделения энергии (рис.3, [21]).
Рис. 3. Критическая энергия прямого инициирования детонации Em как функция времени выделения энергии t. –мерность зоны выделения энергии. Расчет для стехиометрической хлороводородной смеси. Зона выделения энергии:– 1 – цилиндр с радиусом 2 мм, 2 и 3 – сферы с радиусами 2.5 и 1 мм. Эксперимент с цилиндрической зоной выделения энергии в стехиометрических смесях ацетилена (4) и водорода (5) с кислородом [21] Численное моделирование. В работе, проведенной в Naval Research Laboratory, США [22] представлены результаты численного моделирования распространения горения при взаимодействии ударной волны с областью пламени. Показана возможность формирования высокоскоростного горения с параметрами близкими к параметрам Чепмена-Жуге. Этот режим сильно отличается от классического горения или детонации и включает в себя множество неодномерных переходных явлений. Тем не менее, такой режим горения может существовать достаточно долго, чтобы оказывать существенное влияние на формирование детонации.
Также следует отметить численные исследования, проводящиеся в Московском Государственном Университете [23]. Численное исследование процессов перехода дефлаграционного горения в детонационное проводилось с использованием системы уравнений для описания газовой фазы, полученных усреднением по Фавру системы уравнений, описывающих многокомпонентную многофазную среду. Модифицированная k- модель турбулентности была использована. Для моделирования флуктуаций температуры к k- модели турбулентности было добавлено третье уравнение, определяющее среднеквадратичные отклонения температуры [24].
Детонация в потоке детонационноспособной смеси. Исследования формирования детонации в потоках горючей смеси проводились в Отделе № ИТЭС ОИВТ РАН [25-28]. Влияние турбулентности потока смеси на переход горения в детонацию было исследовано в CH4+O2+N2 смесях в ДКС длиной 7 м и диаметром 36 мм. Использовались метано/воздушные смеси в различной степени обогащенные кислородом.
В Институте Химической Физики РАН им. Н.Н. Семенова был разработан макет-демонстратор воздушно-реактивного импульсного детонационного двигателя на жидком топливе (рис.4) [29].
Рис.4. Схема двухконтурного макета-демонстратора импульсного детонационного 1 – пневматическая форсунка; 2 – спираль Щелкина; 3 – виток трубы; 4 – ионизационный зонд; 5 – конусный переходник; 6 – труба второго контура; 7 – топливный бак второго контура; 8 – топливный насос; 9 – топливный клапан; 10 – форсунка; 11 – компрессор.
Авторы получили периодическое распространение детонационных волн в камерах сгорания макета демонстратора с частотой до 8 Гц.
Численное моделирование формирования детонации в потоке было проведено в Казахском Национальном Университете [30]. Процесс считался одномерным, неоднородность по поперечному сечению, характер потока и влияние стенок учитывались с помощью усреднения уравнений по поперечному сечению трубы. Турбулентность потока моделировалась с помощью гипотезы Буссинеску после усреднения уравнений по Фавру. Система одномерных нестационарных уравнений сохранения для массы, импульса и энергии каждого компонента была рассмотрена в консервативной форме.
Кинетика горения базируется на двухшаговой параметрической модели, подобной модели Левина-Коробейникова, которая воспроизводит основные стадии горения.
Во второй главе диссертации приведено описание установок, на которых выполнялась экспериментальная часть работы, проведен анализ погрешностей эксперимента и описание деталей численного моделирования исследуемой задачи.
Детонационный экспериментальный стенд (рис.5) представлял собой детонационную трубу, оснащенную системой подачи компонентом топлива, системой инициирования, барокамерой, системой откачки и системой диагностики. Детонационная камера сгорания (ДКС) была изготовлена из нержавеющей стали, имела круглое сечение с внутренним диаметром 83 мм и длину 2.51 м. Перед каждым экспериментом в буферных емкостях системы подачи компонентов топлива устанавливались давления горючего и окислителя для получения соответствующего расхода компонентов топлива. В закрытом конце ДКС устанавливался инжекторный блок (ИБ), причем имелась возможность перемещения ИБ относительно искрового разрядника системы инициирования. По длине ДКС устанавливались датчики давления и фотодатчики для регистрации давления и наличия химической реакции в последовательных сечениях ДКС. При проведении экспериментов ДКС откачивалась до давлений 5•10-2 мм рт.ст. насосами НВР-5Д либо оставалась заполненной воздухом при атмосферном давлении.
Система инициирования детонации представляла собой трехэлектродный искровой разрядник с одним заземленным электродом, одним электродом, соединенным с конденсатором емкостью 0.1, 4, 100 либо 200 мкФ (в зависимости от необходимой энергии инициирования) и управляющим электродом, на который подавался сигнал с автомобильной катушки зажигания.
Энергия, запасенная в конденсаторе, варьировалась от 0.5 1200 Дж. Доля запасенной в конденсаторе энергии, выделяющаяся в искровом разряде составляла 25%.
1 – баллоны с компонентами горючей смеси; 2 – буферные емкости системы подачи компонентов топлива; 3 – манометры; 4 – пневмоклапаны; 5 – инжекторный блок; 6 – ДКС;
7 – система инициирования; 8 – искровой разрядник; 9 – датчики давления;
10 – фотодетекторы; 11 – компьютер «Pentium III» с осциллографическими платами;
В третьей главе диссертационной работы представлены результаты экспериментальной части работы, касающейся влияния расхода компонентов топлива и дополнительной турбулизации потока на формирование детонации в потоке смешивающихся компонентов топлива. Было проведено экспериментальное исследование формирования детонации в водородокислородных смесях различного стехиометрического соотношения.
Были выбраны три различные геометрии поперечного сечения канала, соответствующие трем различным условиям истечения газа с целью сравнения этих случаев между собой и выявления сходств и различий в потоке.
Результаты диссертационной работы представлены в виде x-t-диаграмм и распределений скоростей фронта пламени, ударной и детонационной волн и давления по длине камеры сгорания.
Рис.6. Теневые фотографии истечения из инжекторов:
а – сверхзвуковое сопло с резонатором; б – звуковой генератор; в – сверхзвуковое сопло Целью работы являлось сравнение длин перехода горения в детонацию при подаче компонентов топлива через инжекторы при наличии и в отсутствие дополнительных турбулизирующих элементов, а также при инициировании детонации в различные моменты времени после начала подачи компонентов топлива с переменным расходом. Были проведены серии экспериментов по формированию детонации при подаче компонентов топлива через инжекторы при наличии и в отсутствие дополнительных турбулизирующих элементов, а также при инициировании детонации в различные моменты времени после начала подачи компонентов топлива с переменным расходом. При истечении компонентов топлива через инжекторы, оборудованные дополнительными турбулизируюими элементами. На рис.6 представлены теневые фотографии истечения из трех типов инжекторов, использовавшихся в экспериментах.
Результаты детонационных экспериментов показали, что влияние дополнительной турбулизации потока на формирование детонации проявляется только в смесях со стехиометрическим соотношением, отличающимся от единицы более, чем в 2 раза.
При переменном расходе компонентов топлива через инжекторы найдены зависимости преддетонационного расстояния от задержки инициирования горения после начала подачи компонентов топлива (рис.7). Дополнительная турбулизация потока дает тот же результат при оптимальной задержке инициирования, но смягчает зависимости длины перехода горения в детонацию при уходе от оптимального времени как в сторону уменьшения, так и в сторону увеличения.
Рис.7. Зависимость расстояния перехода дефлаграционного горения в детонационное от задержки инициирования горючей смеси при подаче компонентов топлива через сверхзвуковые сопла с резонаторами (1) и сверхзвуковые сопла без резонаторов (2) Четвертая глава диссертационной работы посвящена влиянию внешнего акустического поля на формирование детонации в потоке горючей смеси. Для выявлния влияния внешнего акустического поля на формирование детонации были изготовлены 2 комплекта инжекторов, отличающиеся только генерацией сильного акустического поля с частотой 17 kHz (на воздухе) одним из комплектов.
Рис.8. Распределения скоростей ударных и детонационных волн в присутствии звукового поля (2) и без него (1) при давлениях PДКС = 1.4 атм и 1.9 атм (слева и справа) ER = 1. В остальном идентичность истечения была подтверждена экспериментами по визуализации и тарировкой. Детонационные эксперименты с данными инжекторами показали, что акустическое поле влияет на конечную стадию формирования детонации и препятствует ее формированию, причем при увеличении давления горючей смеси этот эффект ослабляется (рис.8).
Пятая глава диссертационной работы посвящена исследованию влияния положения искрового разрядника относительно закрытого конца ДКС и энергии разряда на формирование детонации. Исследование влияния закрытого конца ДКС проводилось в неподвижной и движущейся смесях при малой энергии инициирования (0.18 Дж). Зависимости длины ПГД от расстояния между искровым разрядником и закрытым концом ДКС приведены на рис.9.
Рис. 9. Зависимости расстояния ПГД в неподвижной (слева) и движущейся смеси (справа) от расстояния между искровым разрядником и закрытым концом ДКС При тех же начальных условиях в потоке горючей смеси формирование детонации происходит на расстоянии в 5 раз меньшем, чем в неподвижной смеси, причем зависимость длины ПГД от расстояния между искровым разрядником и закрытым концом ДКС монотонна.
Исследование влияния энергии инициирования на формирование детонации проводилось в неподвижной смеси и в потоке смешивающихся компонентов топлива (рис.10).
Эксперименты в неподвижной смеси показали, что существует два сценария формирования детонации в зависимости от вложенной энергии. При энергии в разряде выше 231 Дж (энергия, запасенная в конденсаторе выше 925 Дж) наблюдалась ударная волна со скоростью близкой к скорости стационарной детонации Чепмена-Жуге на расстоянии 3-5 калибров.
Рис. 10. Диаграммы скоростей ударной/детонационной волн в неподвижной смеси (слева) и в потоке смешивающихся компонентов топлива (справа) при различных величинах При энергии в разряде менее 231 Дж наблюдалась ударная волна со скоростью близкой к половине скорости стационарной детонации ЧепменаЖуге на расстоянии 3-5 калибров безотносительно приложенной энергии и начальной скорости ударной волны. На расстоянии до 6 калибров ДКС ударная волна замедляется до 0.46 скорости стационарной детонации Чемена-Жуге, далее происходит ускорение при прохождении УВ по ДКС до значения 0. скорости стационарной детонации Чемена-Жуге на расстоянии 24 калибров ДКС. Дальнейшее наблюдение было ограничено длиной ДКС.
Эксперименты по формированию детонации в потоке смешивающихся компонентов топлива показали совершенно другой характер развития горения в зависимости от энергии инициирования. Во всем диапазоне энергий инициирования на расстоянии 3-12 калибров ДКС формируется детонация с параметрами, превышающими параметры стационарной детонации ЧепменаЖуге.
Порог энергии, при котором наблюдается прямое инициирование детонации в ДКС в неподвижной смеси, составляет 231 Дж, что соответствует средней плотности энергии по сечению ДКС равной 42.7 кДж/м2.
Известно, что критическая энергия прямого инициирования плоского фронта детонации составляет Ec = 0.91P0 M CJ, где – ширина детонационной ячейки, и P0 – показатель адиабаты и начальное давление детонационноспособной смеси, детонационной волны Чепмена-Жуге [20]. В стехиометрической водородовоздушной смеси Ec = 44.8 кДж/м2 что хорошо соответствует порогу, полученному в экспериментах. Т.е. при инициировании детонации точечным источником энергии, расположенным в произвольном месте ДКС, энергия прямого инициирования детонации может быть оценена как энергия инициирования плоского фронта детонации. При больших поперечных размерах ДКС, когда энергия прямого инициирования плоской детонационной волны сравнима с величиной энергии прямого инициирования, энергия прямого инициирования детонации в ДКС будет определяться энергией прямого инициирования сферической детонации в ограниченном, либо неограниченном пространстве.
В неподвижной смеси найдено, что при инициировании детонации электрическим разрядом (размер разрядного промежутка 2% от диаметра ДКС) критическая энергия прямого инициирования детонации в трубе может быть с хорошей точностью оценена как критическая энергия прямого инициирования плоской детонационной волны. Этот подход справедлив при диаметрах ДКС менее 30. При диаметре ДКС выше 30 энергия прямого инициирования детонации в ДКС будет определяться энергией прямого инициирования сферической детонации.
При величине энергии меньше, чем критическая энергия прямого инициирования детонации, формирования детонации не обнаружено на расстоянии 24 калибра ДКС.
В потоке смешивающихся компонентов топлива (v = 50-150 м/с) обнаружено интенсивное ускорение фронта пламени и формирование детонации на расстоянии 8-12 калибров ДКС при энергии инициирования не превышающей 20% от величины энергии прямого инициирования детонации.
Шестая глава диссертационной работы посвящена влиянию преград на формирование детонации.
Из X-t диаграмм, приведенных на рис.11, видно, что при взаимодействии комплекса ударная волна/фронт пламени с преградой происходит заметное ускорение ударной волны и фронта пламени, расстояние между ударной волной и фронтом пламени резко сокращается, но детонация формируется не сразу, а через 600 µс на расстоянии 1000 мм от преграды. Это вызвано тем, что ударная волна, сталкивающаяся с преградой недостаточна сильна для формирования сильно пересжатой детонации, чтобы размер детонационной ячейки составлял ~1/10 от диаметра отверстия в преграде, т.е. 2 мм (размер ячейки стационарной детонации стехиометрической водородо-воздушной равен 15 мм). При дифракции на отверстии в преграде детонация распадается на фронт пламени и ударную волну, которые формируют детонационную волну при движении вниз по ДКС как в случае классического перехода горения в детонацию.
Рис.11. X-t диаграммы развития горения в водородо-воздушной смеси в отсутствие (слева) и при наличии (справа) дополнительной преграды. Сплошная линия – ударная волна, В выводах диссертации приведены основные результаты работы.
1. Создана экспериментальная база для исследования формирования детонации в импульсных потоках смешивающихся компонентов топлива при различных составах, скоростях смеси, величинах энергии инициирования и геометрии камеры сгорания, допускающая акустическое воздействие на поток.
2. Обнаружено, что резонаторы, установленные на сверхзвуковых соплах, используемых для подачи компонентов топлива в ДКС возбуждают неустойчивость пограничного слоя в сверхзвуковой струе и существенно увеличивают площадь контактной поверхности струи, тем самым, улучшая смешение компонентов топлива, и генерируют сильное звуковое поле. При раздельной подаче компонентов топлива меняются расходы компонентов топлива и их соотношение. Повышение давления смеси и увеличение стехиометрического соотношения разнонаправленно влияют на формирование детонации. Получены оптимальные моменты инициирования горения в ДКС, когда преддетонационное расстояние при заданных экспериментальных условиях наименьшее. Дополнительная турбулизация потока сглаживает резкую зависимость расстояния ПГД от момента инициирования. При инициировании горения в момент 50 мс и энергии разряда составляющей 30% от энергии прямого инициирования детонации, получено формирование детонации на расстоянии 3 калибра ДКС.
3. Установлено, что сильное звуковое поле с частотой 17 kHz не влияет на начальную стадию развития горения, но на конечной стадии препятствует формированию детонации. При низком давлении детонационноспособной смеси в ДКС негативное влияние звукового поля на процесс формирования детонации проявляется сильнее, чем при высоком.
4. Экспериментально получены зависимости расстояния перехода горения в детонацию в неподвижной смеси и в потоке смешивающихся компонентов топлива от расстояния между искровым разрядником и закрытым концом ДКС. В потоке детонационноспособной смеси получена монотонная зависимость расстояния ПГД от расстояния между искровым разрядником и закрытым концом ДКС, в то время как в неподвижной смеси эта зависимость немонотонна с ярко выраженным минимумом.
5. В неподвижной смеси найдено, что:
• критическая энергия прямого инициирования детонации в трубе диаметром менее 30 точечным (размер разрядного промежутка 2% от диаметра ДКС) источником может быть с хорошей точностью оценена как критическая энергия прямого инициирования плоской детонационной волны. При диаметре ДКС выше 30 энергия прямого инициирования детонации в ДКС будет определяться энергией прямого инициирования сферической детонации;
• при величине энергии меньше, чем критическая энергия прямого инициирования детонации, формирования детонации не обнаружено на расстоянии 24 калибра ДКС.
6. В потоке смешивающихся компонентов топлива (v = 50-150 м/с) обнаружено интенсивное ускорение фронта пламени и формирование детонации на расстоянии 8-12 калибров ДКС при энергии инициирования не превышающей 20% от величины энергии прямого инициирования детонации.
7. Экспериментально показано, что применение кольцевых преград в ДКС способствует сокращению длины и времени формирования детонации.
Экспериментально продемонстрирована возможность формирования детонационной волны на расстоянии 12 калибров ДКС за кольцевой преградой (степень перекрытия 75%, диаметр отверстия 40 мм). В отсутствие преград, формирования детонации не происходит на расстоянии 30 калибров ДКС.
ЛИТЕРАТУРА
1. Зельдович Я.Б. Об энергетическом использовании детонационного сгорания. // Журнал технической физики. 1940. № 1(17). С. 1453–1461.2. Wilson D.R., Lu F.K., Stuessy W.S. Gaseous detonation phenomena with shock and arc initiation. /In: Proc. of the 22d International Symposium on Shock Waves, ed. by R. Hillier, London 1999, V. 1. Pр. 241-246.
3. Бакланов Д.И., Жимерин Д.Г., Попов В.А. и др. О некоторых технических аспектах использования детонационного режима горения // Физика горения и взрыва. 1976. Т. 12, № 1. С. 46–52.
4. Baklanov D.I., Gvozdeva L.G., Scherbak N.B. Estimation of frequency characteristics of pulsed detonation engine / In: 13 ONR Propulsion Meeting 2000. Ed. By G. Roy and P. Strikowsky. Univ. Of Minnesota. Minneapolis.
2000. P. 233-238.
5. Zitoun R., Gamezo V., Guerroud C., Desbordes D. Experimental study of propulsive efficiency of pulsed detonation. /In: Proc. of the 21st International Symposium on Shock Waves, ed. by A. Howling, Great Keppel, Australia, 1997. P. 421-425.
6. Zhdan S.A., Mitrofanov V.V., Sychev A.I. Reactive impulse from the explosion of gas mixture in a semi-infinite space. //Combustion, explosions, shock waves. 1994. N 30(5). P. 657-663.
7. Баженова Т.В., Голуб В.В. Использование газовой детонации в управляемом частотном режиме (обзор) // ФГВ. 2003. № 4. С. 3- 8. Kailasanath К.A. Review of PDE research–performance estimates // AIAA paper 2001 - 9. Golub V.V. Pulse detonation device: advantage, difficulties and scientific problems. / In: CD Proceedings of the 23d International Symposium on Shock Waves, Fort Worth, Texas, USA. Ed. by F. K. Lu. Arlington, Texas, 2002.
ISBN 0-9721227-0-2. Paper 1507.
10. Gaseous and heterogeneous detonations. Ed. by G. Roy, ENAS Publishers.
Moscow. 1999. 365 p.
11. Control of detonation processes. Ed. by G. Roy, ELEX-KM Publishers, Moscow. 2000. 350 p.
12. High-Speed Deflagration and Detonation: Fundamentals and Control Ed. by G.D. Roy and others. Moscow: ELEX-KM Publishers, 2001. 357 p.
13. Advances in confined detonations. Ed. by G.D. Roy and others. Moscow.
TOROUS PRESS Ltd. 2002. 285 p.
14. Nettleton M.A. Recent work on gaseous detonations // Shock Waves. 2002.
V.12. N 1. P. 3-12.
15. G.D. Roy, S.M. Frolov, A.A. Borisov, D.W. Netzer, Pulse detonation propulsion: challenges, current status, and future perspective, Progress in Energy and Combustion Science 30 (2004). Pp. 545–672.
16. Саламандра Г.Д., Баженова Т.В., Набоко И.М. Формирование детонационной волны при горении газа в трубах // ЖТФ. 1959. Т. 29.
Вып. 11. С. 1354–1359.
17. Саламандра Г.Д., Баженова Т.В., Зайцев С.Г. и др. Некоторые методы исследования высокоскоростных процессов и их применение к исследованию формирования детонации. - М.: Изд-во АН СССР, 1959.
18. Щелкин К.И. Два случая нестационарного горения // Журнал экспериментальной и теоретической физики. 1959. № 36(2). С. 600 –609.
19. Bazhenova T.V., Soloukhin R.I. Gas ignition behind the shock wave. / In:
Proceedings.of the VII Int. Symposium on combustion. London. 1959. P. 866– 20. M. Radulescu. Experimental Investigation of Direct Initiation of QuasiCylindrical Detonations, Master’s thesis, McGill University, Montreal, Canada, 1999.
21. Левин В.А., Марков В.В., Осинкин С.Ф. Моделирование инициирования детонации в горючей газовой смеси электрическим разрядом. // Журнал химической физики. 1984. № 3(4). С. 611- 619.
22. Elaine S. Oran, Vadim N. Gamezo, and Alexei M. Khokhlov. Detonationless Supersonic Flame Spread, In: CD Proc. of 19th ICDERS. 2003. Hakone. ISBN 4-9901744-1-0.
23. N.N.Smirnov, V.F.Nikitin. Fundamentals of Deflagration to Detonation Transition in Gases, In: CD Proc. of 19th ICDERS. 2003. Hakone. ISBN 4Smirnov N.N., Nikitin V.F. The Influence of Confinement Geometry on Deflagration to Detonation Transition in Gases // J. Phys. IV France, 2002, v.
12, Pr7, 341-351.
25. Baklanov D.I., Gvozdeva L.G., Scherbak N.B. Pulsed detonation combustion chamber for PDE /In: High-Speed Deflagration and Detonation: Fundamentals and Control. Ed. by G.D. Roy and others. Moscow: ELEX-KM Publishers, 2001, P. 239-250.
26. Baklanov D.I., Gvozdeva L.G., Scherbak N.B. The formation of high-speed gas flow in frequency mode during non-stationary propagation of detonation // AIAA Paper 98-2562.
27. Baklanov D.I., Bormotova T.A., Golub V.V., Makeich A.A., Volodin V.V., Meyers J., Lu F.K. The influence of shear layer control on DDT // AIAA paper 2003 – 1207.
28. D.I. Baklanov, S.V. Golovastov, V.V. Golub, V.V. Volodin. Detonation formation in moving detonable mixture flow // Application of Detonation to Propulsion / [Ed. by G. Roy at al.]. – Moscow: TORUS PRESS LTD., 2004.
29. С.М. Фролов, В.С. Аксенов, В.Я. Басевич. Макет-демонстратор воздушнореактивного импульсного двигателя на жидком топливе // Доклады Академии наук. 2005. Т. 402. №4. С. 1-3.
30. Kaltajev A, J. Leblanc and T. Fujiwara. Influence of Turbulence on the Deflagration to Detonation Transition in a Tube. 17th International Coll. on the Dynamics of Explosions and Reactive Systems. Heidelberg, Germany, July 31August 5, 1999.
Список публикаций автора по теме диссертации 1. Т.А Бормотова, В.В. Голуб, А.А. Макеич, В.В. Володин, Ф.К. Лю.
сверхзвуковых струй для улучшения смешения // IV Международная конференция по неравновесным процессам в соплах и струях. (NPNJ-2002).
XIX Международный семинар по струйным, отрывным и нестационарным течениям. Тезисы докладов. СПБ. 2002. 24–28 июня. С. 103 – 106.
2. D.I. Baklanov, T.A. Bormotova, V.V. Golub, A.A. Makeich, V.V. Volodin, J.
Meyers, F.K Lu. The influence of shear layer control on DDT // International Colloquium on Advances in Confined Detonations, July 2-5, 2002. p.36-39.
3. T.A. Bormotova, V.V. Golub, A.A. Makeich, V.V. Volodin and F.K. Lu. Influence of shear layer control on mixing enhancement // International Symposium on Flow Visualization, Kyoto, Japan, 26-29 August 2002.
4. С.В. Головастов, Д.И. Бакланов, В.В. Володин. Исследование параметров детонационного горения при раздельной подаче реагентов // XLV научная конференция МФТИ, 29 – 30 ноября, 2002.
5. Д.И. Бакланов, Т.В. Баженова, Т.А. Бормотова, В.В. Голуб, А.А. Макеич, В.В.
Володин, Д.М. Мэйерс, Ф.К. Лю. Исследование влияния смешения на переход дефлаграции в детонацию // Журнал химической физики. 2003. Т.22, №8. С.38-44.
6. D.I. Baklanov, T.A. Bormotova, V.V. Golub, A.A. Makeich, V.V. Volodin, J.M.
Meyers, F.K. Lu. Influence of shear layer control on DDT // AIAA-2003-1207.
7. D.I. Baklanov, S.V. Golovastov, V.V. Golub, A.L. Kotelnikov, S.B. Scherbak and V.V. Volodin. Аbout possibility of using the pulse detonation engine for space propulsion / In: Book of abstracts 10th International Workshop on Combustion and Propulsion “In-Space Propulsion” Lerici, La Specia, Italy, 21-25 September 2003, pp.102- 8. С.В. Головастов, Д.Г. Лисин, В.В. Володин, Д.И. Бакланов. Инициирование детонации в движущихся потоках реагентов за отраженными ударными волнами // В сб. трудов XLVI научной конференции «Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук» 28-29 ноября 2003. Ч. IV.
9. Т.В. Баженова, Д.И. Бакланов, В.В. Голуб, В.В. Володин, С.В. Головастов, Д.
Мэйерс, Ф. Лю. Получение газовой детонации с повышенными параметрами на установке с раздельной подачей реагентов // В сб. “Научные труды Института теплофизики экстремальных состояний ОИВТ РАН” под ред.
Фортова В.Е. и Лихачева А.П. Вып. 5. ОИВТ РАН. Москва. 2003. С. 293-298.
10. В.В. Голуб, Т.В. Баженова, Д.И. Бакланов, В.В. Володин, С.В. Головастов, Д.Г. Лисин. Газовая детонация в частотном режиме и проблемы ее использования // Горение и плазмохимия. Том 1. №4. 2003. С. 337-350.
11. D.I. Baklanov, S.V. Golovastov, V.V. Golub and V.V. Volodin. Detonation Formation in Combustion Chamber with Variable Mass Flow of Fuel Components // In: Application of Detonation to Propulsion [Edited by G.D. Roy, S.M. Frolov, J. Shepherd]. – Moscow: TORUS PRESS Ltd., 2004. – pp.219-224.
12. D.I. Baklanov, S.V. Golovastov, V.V. Golub and V.V. Volodin. Detonation Formation in Moving Detonable Mixture Flow // In: Application of Detonation to Propulsion [Edited by G.D. Roy, S.M. Frolov, J. Shepherd]. – Moscow: TORUS PRESS Ltd., 2004. – pp.225-231.
13. V.V. Golub, V.V. Volodin, T.V. Bazhenova, D.I. Baklanov, S.V. Golovastov, D.G.
Lisin. Detonation Formation in Systems with Separate Injection of Reagents // In:
Progress in Combustion and Detonation [Edited by A.A. Borisov, S.M. Frolov, A.L. Kuhl]. – Moscow: TORUS PRESS Ltd., 2004. – pp.293-294.
14. V.V. Golub, V.V. Volodin, T.V. Bazhenova, D.I. Baklanov, S.V. Golovastov, D.G.
Lisin. Detonation in Moving Non-Premixed Flows / In: CD of Proceedings of 20th International Colloquium on Dynamics of Explosions and Reactive Systems, Montreal, Canada, July 31 – August 5, 2005.
15. D.I. Baklanov, S.V. Golovastov, L.G. Gvozdeva, A. Kaltayev, N.B. Scherbak, V.V.
Volodin. Investigation of Transition of Deflagration to Detonation in Moving Mixtures of Combustible Gases / In: CD of Proceedings of 20th International Colloquium on Dynamics of Explosions and Reactive Systems, Montreal, Canada, July 31 – August 5, 2005.
16. D.I. Baklanov, V.V. Golub, A.L. Kotelnikov, P. Perlo, V.V. Volodin. About the choice and preparation of fuel for air-breathing PDE / In: CD of Proceedings of 17th International Symposium on Air-Breathing Engines, Munich, Germahy, September 4 – 9, 2005.
17. S.V. Golovastov, D.I. Baklanov, V.V. Golub and V.V. Volodin. Effect of Chamber Closed End and Mixture Velocity on Deflagration-to-Detonation Transition / In:
Nonequilibrium Processes. Vol. 1. Combustion and Detonation [Edited by G.D.
Roy, S.M. Frolov, A.M. Starik]. – Moscow: TORUS PRESS Ltd., 2005. – Pp.310V.V. Volodin, D.I. Baklanov, V.V. Golub and S.V. Golovastov. Scenarios of Detonation Formation in Moving and Quiescent H2-Air Mixtures at Different Ignition Energies / In: Nonequilibrium Processes. Vol. 1. Combustion and Detonation [Edited by G.D. Roy, S.M. Frolov, A.M. Starik]. – Moscow: TORUS PRESS Ltd., 2005. – Pp.317-323.
«