Модели детонационной волны

Факультет проблем Физики и энергетики

Кафедра Физика высоких плотностей энергии

 

 

Переход горения в детонацию в движущейся

 водородо-воздушной смеси

 

 

                                                                                  Выпускная квалификационная

                                                                                  работа на степень бакалавра

                                                                                  студента 682 группы

                                                                                  Петренко Максима Игоревича

 

Специальность 010900 «прикладные физика и математика»

 

Научный руководитель: к.ф.-м.н.

Головастов Сергей Викторович

 

Москва, 2010г.

                 

 Оглавление

                                                                                                                            № стр.

1.  Введение _______________________________________________________ 3

1.1 Детонация________________________________________________ 5

1.2 Модели детонационной волны______________________________  5

1.3  Ячеистая структура_________________________________________ 8

1.4  Инициирование детонации _________________________________ 9

Сильное или прямое инициирование­____________________________ 9

Слабое инициирование, ускорение пламени______________________   10

1.5 Исследование формирование детонации в потоках______________ 13

1.6 Влияние диафрагмы и препятствий на формирование детонации__ 14

2.  Цели___________________________________________________________ 14

3. Экспериментальная установка _____________________________________ 15

4. Определение расхода реагентов____________________________________ 18

5. Глава I. Переход горения в детонацию в движущейся водородо-воздушной

        смеси без диафрагмы__________________________________________  20

Результаты __________________________________________________    22

6. Глава II. Переход горения в детонацию в движущейся водородо-воздушной

        смеси с диафрагмой __________________________________________ 25

Результаты __________________________________________________ 26

7. Сравнение результатов____________________________________________ 29

8. Выводы__________________________________________________________ 31

9.  Литература ______________________________________________________ 31

 

Введение.

С развитием теории газовой детонации практический интерес к ней вырос. Поскольку давление и температура продуктов сгорания при детонационном сжигании выше в несколько раз (например, в два раза при сжигании стехиометрической водородо-воздушной смеси), чем при медленном сжигании, возник вопрос о проектировании различного рода устройств, в том числе и двигателей, с высокой удельной мощностью, достигаемой при детонационном режиме сжигания топлива. Одним из современных перспективных направлений развития детонации является использование ее в пульсирующих детонационных устройствах (рис.1), в частности, в пульсирующих детонационных двигателях (ПДД). Вопросы безопасности и непрерывность работы устройства требует непрерывной (импульсно-периодической) подачи топлива в камеру сгорания, что неизбежно приводит к инициированию детонации в потоке компонентов топлива. Несмотря на то, что числа Рейнольдса потока детонационноспособного газа в камере сгорания могут достигать 10⁵, практически все исследовательские работы по инициированию и формированию детонации были проведены в неподвижных смесях.

Рис.1. Цикл в пульсирующем детонационном устройстве.

При создании высокоэффективного детонационного устройства целесообразно применять схему инициирования детонации, основанную на поджиге горючей смеси электрическим разрядом с последующим переходом горения в детонацию. При этом необходимо учитывать все факторы, влияющие на горение и формирование детонации (границы камеры сгорания, преграды, диафрагмы, шероховатости, спирали и т.п.) Скорость потока в данном случае может привести к совершенно иной картине формирования детонации и другим законам инициирования детонации, что мало исследовано [1,2]. Данная работа посвящена исследованию влияния диафрагмы при слабом инициировании детонации, на ее формирование.

Известно [3,4], что повышение энергии инициирования приводит к уменьшению времени инициирования детонации (преддетонационный период) и сокращению расстояния (преддетонационное расстояние) от места выделения энергии до места возникновения детонации. Однако, такие энергии достигают значений 10³ Дж (~1000 Дж для стехиометрической водородо-воздушной смеси), что не выгодно с экономической точки зрения. Данная работа отвечает на вопрос о том, как можно с помощью размещения диафрагмы уменьшить преддетонационное расстояние, сохранив при этом энергию и время инициирования прежними.

 

 

Детонация.

Явление детонации было открыто в 1881 году французскими физиками Малляром и Ле Шателье [17]и независимо от них Бертело и Вьей [18]. В опытах над распространением пламени было обнаружено, что при обычных условиях пламя в трубе, заполненной гомогенной смесью, распространяется с небольшой скоростью, порядка нескольких метров в секунду. Но при некоторых обстоятельствах медленный процесс горения внезапно переходит в очень быстрый процесс, распространяющийся со скоростью 2000–3000 м/с. Этот быстрый процесс был назван «фальшивым горением» или детонацией (от франц. «detoner»).

 

 

Модели детонационной волны.

Факт наличия двух скоростей распространения горения требовал теоретического объяснения, которое было дано русским физиком В. А. Михельсоном в 1889 году. В 1893 г. Михельсоном [5], а затем в 1899 г. Чепменом и в 1905 году Жуге была создана газодинамическая теория детонации, основанная на теории ударных волн. Отличие волны детонации от ударной волны состоит в том, что химическая реакция оказывает влияние на энергетический баланс при переходе через волну. В газодинамической теории предполагалось, что фронт реакции является поверхностью разрыва, бегущей по детонационноспособному газу и сразу превращающей его в продукты сгорания.

В системе координат, в которой этот фронт покоится (рис.2б), законы сохранения массы, количества движения и энергии для плоского фронта в трубе постоянного сечения дают [6]:

,                                                                                 (1)        

,                                                              (2)        

 (для идеального газа;       (3)      

для реального – ,                       (4)      

где E₁ и E₁ включают в себя теплоты образования веществ.)

Для полноты системы необходимо еще одно уравнение

,                                                                                                (5)        

которое получается из условия касания прямой Михельсона адиабаты Гюгонио (рис.3).

 

Рис.2. Схема волны детонации. а) детонационная волна (ДВ) в лабораторной системе координат; б) ДВ в системе отсчета, в которой эта волна покоится. I – фронт ударной волны, разогревающей газ, II – фронт пламени. D – скорость детонационной волны в лабораторной системе координат, p, ρ – давление и плотность газа перед и за фронтом детонационной волны, u – скорость газа.

 

Рис.3. Адиабата Гюгонио (Г⁽¹⁾=Q₀). Г⁽¹⁾=0 – ударная адиабата для несгоревшего газа, не учитывающая тепловыделение. p₀, ρ₀ – начальные давление и плотность. OD – прямая Михельсона.

Появление новых экспериментальных данных, не укладывающиеся в рамки классической теории детонации, привело к необходимости более детального теоретического изучения структуры и механизма газовой детонации. В 40-х годах нашего века была создана одномерная модель детонации, учитывающая ширину зоны реакции [7,8,9] – модель Зельдовича-Неймана-Деринга. Исходная модель ЗНД основана на гипотезе о том, что ударный скачок создает течение с такими плотностью и температурой, которые достаточны для возбуждения экзотермических реакций на сравнительно небольшом расстоянии (1—10 мм) за ударным скачком. Последующее развитие теории привело к созданию модели, согласно которой ударная волна первоначально возбуждает в газе лишь поступательные и вращательные степени свободы, и через конечное время достигается равновесие по колебательным степеням свободы. Стоит отметить, что выражения (1-5) будут иметь другой вид для одномерной модели ЗНД, учитывающей конечную длину зоны индукции.

 

 

Ячеистая структура.

Ячеистая структура детонации в смесях газов, находящихся вдали от пределов детонации была открыта в 1957–1958 гг. [10]. Такая неодномерная структура (рис.4) детонации возникает из-за того, что одномерный комплекс «ударная волна - зона горения» неустойчив, т.к. практически невозможно при поджиге смеси ударной волной в ударной трубе создать равномерный поджиг по всей плоскости. Осредненные параметры детонационной волны остаются такими же, как в одномерной теории, но условие Чепмена - Жуге, выполняется уже не в плоскости, а для отдельных ячеек детонации.

 

Рис.4. Следовые отпечатки газовой детонации на части внутренней поверхности детонационной трубы.

Размеры ячейки пропорциональны периоду индукции данной смеси. Они являются характеристикой состава и начальных параметров смеси.

Знание размеров ячейки очень важно с практической точки зрения, так как позволяет определять, во-первых, как будет распространяться детонация в трубах и, во-вторых, найти, так называемый, первый критический диаметр, определяющий размер канала в котором детонация не будет распространяться. Описанная выше картина соответствует случаю, когда размер ячейки l много меньше характерного размера трубы d.