Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор работ по инициированию газовой детонации в неподвижной и движущейся смеси 10
1.1. Возникновение детонации вследствие перехода горения в детонацию в неподвижной смеси 10
1.2. Инициирование детонации за слабыми ударными волнами 13
1.3. Прямое инициирование детонации за сильными ударными волнами 15
1.4. Инициирование детонации в широком канале при переходе в него детонации сформировавшейся в узком канале 16
1.5. Инициирование детонации с помощью наносекундных импульсов 19
1.6. Численное моделирование формирования детонации 21
1.7. Исследование формирования детонации в потоках 26
1.8. Улучшение смешения сверхзвуковых струй 33
Выводы к гл. 1 34
Глава 2. Экспериментальные стенды и методики проведения измерений 35
2.1. Детонационная экспериментальная установка 35
2.2. Экспериментальная установка для визуализации импульсных течений 39
2.3. Методики проведения экспериментов 41
2.4. Анализ достоверности экспериментальных данных 42
2.5. Анализ погрешностей при измерении основных параметров потока 44
2.5.1. Погрешность измерения скоростей ударных/детонационных волн 44
2.5.2. Погрешность измерения давления 45
2.5.3. Погрешность измерения расхода компонентов топлива и состава смеси 45
Выводы к гл. 2 48
Глава 3. Влияние расхода компонентов топлива и дополнительной турбулизации потока на формирование детонации в потоке смешивающихся компонентов топлива 49
3.1. Условия проведения экспериментов 49
3.2. Визуализация течения из инжекторов 50
3.3. Влияние дополнительной турбулизации потока на формирование детонации ...54
3.4. Влияние расхода компонентов топлива на формирование детонации в потоке смешивающихся компонентов топлива 56
3.5. Сравнение с результатами численного моделирования 59
Выводы к гл. 3 61
Глава 4. Влияние акустического поля на формирование детонации 62
4.1. Условия проведения экспериментов 62
4.2. Влияние звукового поля на формирование детонации 63
Выводы к гл. 4 67
Глава 5 . Влияние положения искрового разрядника относительно закрытого конца ДКС и энергии разряда на формирование детонации 68
5.1. Условия проведения экспериментов 69
5.2. Влияние положения искрового разрядника относительно закрытого конца ДКС на формирование детонации 69
5.3. Влияние энергии разряда на формирование детонации 73
Выводы к гл. 5 79
Глава 6. Влияние преград на формирование детонации 80
6.1. Условия проведения экспериментов 80
6.2. Экспериментальные результаты 81
Выводы к гл. 6 83
Заключение 84
Литература
- Прямое инициирование детонации за сильными ударными волнами
- Анализ достоверности экспериментальных данных
- Влияние дополнительной турбулизации потока на формирование детонации
- Влияние звукового поля на формирование детонации
Введение к работе
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. Давление продуктов сгорания при детонационном горении топлива в несколько раз выше, чем при обычном сжигании.
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 продуктов сгорания на детонационную камеру.
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.
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.
Рис.1. Термодинамические циклы 1 - Брайтона, 2 - Хамфри, 3 - детонационный
Преимущество пульсирующего детонационного устройства состоит в том, что в нем используется цикл, превосходящий по своим параметрам термодинамический цикл при постоянном объеме (Рис 1) [1, 2].
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 детонационной камере сгорания (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 изменяться 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 [5-13]. Наиболее полно проблема и предложенные концепции изложены в [14]-
Объект исследования
В работе исследовался процесс инициирования, формирования и распространения детонационной волны в среде движущихся и смешивающихся компонентов топлива. В качестве изменяемых параметров, влияющих на формирование детонации, рассматривались переменный расход компонентов топлива, элементы, дополнительно турбулизирующие поток, внешнее акустическое поле, энергия инициирующего искрового разряда, расположение искрового разрядника относительно закрытого конца камеры сгорания и дополнительные преграды на пути распространения дефлаграционной волны.
Цель работы
Установить основные закономерности 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.
Определение влияния дополнительной турбулизации потока и воздействия звукового поля на формирование детонации в потоке смешивающихся компонентов топлива.
Исследование влияния энергии инициирования и расположения искрового разрядника относительно закрытого конца ДКС на ПГД в потоке детонационноспособнои смеси.
Исследование влияния дополнительных преград в ДКС на длину и время формирования детонации в потоке детонационноспособнои смеси.
Основные результаты и научная новизна
Обнаружено, что при импульсной подаче компонентов топлива с непостоянным расходом существует интервал оптимальных времен от начала подачи компонентов топлива в камеру сгорания до инициирования горения при импульсной раздельной подаче компонентов топлива, когда преддетонационное расстояние наименьшее. Показано, что при формировании детонации в горючей смеси с расчетным (усредненным) составом, имеющим минимальную энергию инициирования, расстояние перехода горения в детонацию меняется с изменением времени между началом подачи компонентов топлива в ДКС и инициированием горения.
Найдено, что установка различного вида резонаторов на сверхзвуковых соплах, используемых для подачи компонентов топлива в ДКС, оказывает двойное действие на формирование детонации. Резонаторы возбуждают неустойчивость пограничного слоя в сверхзвуковой струе и существенно увеличивают площадь контактной поверхности, тем самым, улучшая смешение компонентов топлива, и генерируют сильное звуковое поле. Звуковое поле влияет на образование очагов детонационного горения в конечной фазе формирования детонации. При режимах, исследованных экспериментально, наложение внешнего звукового поля оказывает негативное влияние на процесс формирования детонации и увеличивает расстояние перехода горения в детонацию. При низком давлении
детонационноспособной смеси в ДКС влияние звукового поля на процесс формирования детонации проявляется сильнее, чем при высоком.
В неподвижной смеси найдено, что критическая энергия прямого инициирования детонации в трубе диаметром менее 30 размеров детонационной ячейки (X) 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 30А. энергия прямого инициирования детонации в ДКС будет определяться энергией прямого инициирования сферической детонации. При величине энергии меньше, чем критическая энергия прямого инициирования детонации, влияния величины энергии на расстояние ПГД не обнаружено на расстоянии 24 калибра ДКС.
В потоке смешивающихся компонентов топлива (v = 50-150 м/с) обнаружено, что турбулентный перенос тепловой энергии и активных радикалов приводит к более интенсивному ускорению фронта пламени по сравнению с формированием детонации в неподвижной смеси и формированию детонации на расстоянии 8-12 калибров ДКС при энергии инициирования не превышающей 20% от величины энергии прямого инициирования детонации. Исследования ПГД в потоке детонационноспособной смеси показали, что на ПГД влияют два фактора: энергия инициирования и скорость потока смеси.
Экспериментально показано, что применение кольцевых преград в ДКС способствует сокращению длины и времени формирования детонации в потоке детонационноспособной смеси.
Практическая значимость результатов работы
Результаты могут быть использованы для:
создания пульсирующих детонационных устройств различного назначения,
моделирования последствий индустриальных взрывов и выработки правил взрывобезопасности,
- разработки эффективных методов смешения компонент топлива в перспективных авиационных двигателях.
Апробация работы
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и симпозиумах: 23-25 Международных Симпозиумах по ударным волнам (2001-2005 гг.), X Международном Симпозиуме по визуализации потоков (2002 гг.), 19-20 Международных коллоквиумах по Динамике Взрывов и 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 - 19.
Публикации
Материалы диссертации достаточно полно изложены в печати. Список научных публикаций по теме диссертации содержит более 20 наименований, в том числе 11 статей в отечественных и зарубежных реферируемых журналах и сборниках и 2 патента на изобретения.
Тема диссертации связана с научно-исследовательскими работами Института теплофизики экстремальных состояний РАН. В работе представлены результаты исследований, выполненных при поддержке программ Президиума РАН, РФФИ, INTAS и CRDF.
Прямое инициирование детонации за сильными ударными волнами
В начальной стадии процесса выхода детонационной волны из узкого канала в более широкий происходит дифракция детонационной волны на выпуклом угле. При этом перед фронтом горения формируется новая ударная волна в результате взаимодействия сферических ударных волн, исходящих из очагов воспламенения, которые сами возникают на пересечении фронтов этих сферических волн. Расстояние между очагами определяется периодом индукции реакции воспламенения при повышенных температуре и давлении в зоне взаимодействия волн. Характерной особенностью процесса дифракции детонационной волны является распад волны на ударную волну и фронт горения [23-25], (рис. 1.4.1, 1.4.2), Распад виден на теплеровских снимках процесса (рис. 1.4.2). За ударным фронтом вблизи стенки появляется белая область, увеличивающаяся от кадра к кадру, так как по мере распространения волны увеличивается расстояние между контактной поверхность и ударной волной. Распад приводит к резкому падению температуры вдоль фронта. Температура газа падает также между фронтом волны и контактной поверхностью, как при сферическом взрыве. С течением времени градиенты сглаживаются, а расстояние растет. Время пребывания частиц газа при высокой температуре становится достаточным для воспламенения. Восстановление фронта начинает происходить в точках с наибольшей температурой, т.е. вблизи неизменных участков фронта А-А (рис. 1.4.2).
Схема дифракции детонационных волн. М А AM фронт дифрагированной волны, ARN и A R W - передние фронты отраженных волн разрежения, х Угол движения точек А А [25]
Незатухающая детонационная волна возникает в камере большего диаметра, если диаметр преддетонационной трубки не меньше критического значения d, которое зависит от характерного размера ячейки, а для стационарной детонационной волны в данной смеси. Экспериментально установлено [24], что для смесей С2Н2+2.502, C2H2+2,502+l,25N2, C2H2+2.502+2.5N2, 2Н2+02, СН4+2О2 d/а- 10- (0
Это соотношение предполагает геометрическое подобие структуры детонации в различных смесях. Очевидно, что точное подобие не может осуществляться, так как размеры зон реакции не являются единственным параметром, определяющим характеристическую длину. В работе [24] приведены данные, подтверждающие применимость соотношения (1) к 29 различным смесям, однако оказалось, что величина d /а может отличаться от среднего значения в два раза.
Существует несколько подходов для определения критического диаметра d . Критерий неустойчивости Щелкина [17] был обобщен в работе [26] с учетом химических процессов и газодинамической теории Честера-Чизнелла-Уитема. Сделанные оценки показали, что после выхода в широкий канал скорость плоской волны уменьшается до 0.9 от скорости Чепмена-Жуге, что близко к полученному экспериментально уменьшению до 0.8 от скорости Чепмена-Жуге. В работах [27, 28] критический диаметр связывается с критической энергией инициирования сферической детонации (рис. 1.4.3). Зависимость критического диаметра dcOT критической энергии инициирования сферической детонации Ес в смесях углеводородов с кислородом (I) и воздухом (II). [27]
Новая модель дифракции детонационной волны предложена в работе [29]. Рассматривается конкуренция между процессами выделения энергии в детонационной волне и затухания волны вследствие расширения. В работе [30] были вычислены критические режимы дифракции для различных смесей горючего с кислородом и воздухом, разбавленных аргоном, углекислым газом, гелием и азотом. В качестве горючего предполагались водород, этилен и пропан. Расчеты проведены для различных концентраций и начальных давлений. Результаты расчетов оказались в качественном и количественном согласии с экспериментальными данными (рис. 1.4.4). Сравнение экспериментальных значений критического диаметра (по оси ординат) с модельным расчетом (по оси абсцисс). Горючее: 1 -водород, 2 этилен, 3 - пропан. [31]
Сравнение условий развития детонации в лабораторных условиях и в натурном эксперименте показало, что при увеличении характерной длины зоны энерговыделения критический размер ячейки увеличивается пропорционально этой длине [31].
В работе [32] экспериментально была показана возможность многократного увеличения параметров детонационной волны при прохождении ей специально сконструированной камеры с расширением и последующим сужением до начального диаметра. Инициирование детонации с помощью наносекундных импульсов
В работе [33] проведена экспериментальная демонстрация применения высоковольтного наносекундного разряда для инициирования детонации в смесях СзН8+50г и C3H8/C4H10+5O2+XN2 при начальном давлении смеси 0.15 - 0.6 атм. Проведены исследования: влияния начального давления смеси, и разбавления азотом на воспламенение топливной смеси, режимов распространения пламени в детонационной трубе, развития разряда и воспламенения и определены условия инициирования детонационной волны с помощью наносекундного разряда.
С помощью генератора импульсных напряжений на высоковольтный электрод камеры подавался положительный высоковольтный импульс амплитудой 4 - 70 кВ и длительностью 60 не. Высоковольтный наносекундный разряд обеспечивал однородное возбуждение газа на длине 80 мм.
Авторы отмечают три режима распространения фронта горения: режим медленного горения, в котором скорость распространения пламени меньше скорости звука, переходный режим, характеризующийся сильным ускорением фронта при движении вдоль трубы со сверхзвуковой скоростью, и режим детонации Чепмена-Жуге. Вывод о соответствии режима горения детонации Чепмена-Жуге делается на основании скорости фронта свечения, близкой к скорости детонации Чепмена-Жуге.
Анализ достоверности экспериментальных данных
Детонационные эксперименты проводились в неподвижной и движущейся смеси. При проведении экспериментов в неподвижной смеси детонационная камера сгорания предварительно откачивалась до давления 1 мм рт. ст. После этого в ДКС подавалась предварительно приготовленная водородо-воздушная либо водородо-кислородная смесь. Через несколько минут после заполнения ДКС горючей смесью, с помощью искрового разрядника инициировалось горение. После проведения эксперимента ДКС откачивалась 10 мин с последующим заполнением атмосферным воздухом. В различных экспериментах можно было менять такие параметры как величина энергии инициирования, расстояние между искровым разрядником и закрытым концом ДКС, состав смеси, начальное давление смеси.
При проведении экспериментов в потоке детонационноспособной смеси, соответствующие буферные емкости системы подачи компонентов топлива заполнялись водородом и кислородом либо воздухом до определенных давлений. При смене окислителя с кислорода на воздух и обратно, буферная емкость окислителя откачивалась и заполнялась новым окислителем. После заполнения буферных емкостей ДКС откачивалась, либо соединялась с атмосферой в зависимости от условий эксперимента. По сигналу с пульта управления экспериментальной установкой электроклапаны открывали магистрали подачи компонентов топлива, и горючее с окислителем поступали в ДКС. Через время 30-120 мс, определявшееся линией задержки, искра инициировала горение. В момент инициирования клапаны были открыты и закрывались через 10 мс после инициирования горения. После проведения эксперимента ДКС откачивалась 10 мин с последующим заполнением атмосферным воздухом. В различных экспериментах можно было менять такие параметры как величина энергии инициирования, расстояние между искровым разрядником и закрытым концом ДКС, состав смеси, начальное давление и среднюю скорость смеси. Также были проведены эксперименты при подаче компонентов топлива через различные инжекторы, отличающиеся друг от друга степенью турбулизации струи и наличием сильного звукового ПОЛЯ.
Каждая экспериментальная и теоретическая работа требует проверки достоверности полученных результатов. Наиболее простой и эффективный способ проверки достоверности - воспроизведение данных, не вызывающих сомнения. Для проверки достоверности экспериментальных данных была проведена серия экспериментов по определению скорости детонационной волны в неподвижной стехиометрическои водородо-воздушнои смеси и влиянию положения места инициирования на длину перехода горения в детонацию.
ДКС откачивалась до давления 0.1 мм. рт. ст. и наполнялась предварительно приготовленной стехиометрическои водородо-воздушнои смесью до давления 1 атм. После релаксации течений -1 мин горение инициировалось искровым разрядом. Энергия разряда варьировалась от 190 до 360 Дж. Диаграммы скорости, полученные в экспериментах, представлены нарис.2.4.1. Согласно результатам экспериментов скорость распространения детонационной волны в ДКС равняется 1900 + 50 м/с. В [48] приведено значение 1900 м/с.
ДКС откачивалась до давления ---0.1 мм. рт. ст. и наполнялась предварительно приготовленной стехиометрическои водородо-воздушнои смесью до давления 1 атм. После релаксации течений -I мин горение инициировалось искровым разрядом. Энергия разряда равнялась от 0.18 Дж. Осциллограммы давления по длине ДКС и построенные по ним x диаграммы и зависимость расстояния перехода горения в детонацию от расстояния между искровым разрядником и закрытым концом ДКС представлена на рис.2.4.2-3.
Осциллограммы давления по длине ДКС и построенные по ним x диаграммы при расстояниях между искровым разрядником и закрытым концом ДКС равным 26, 113 и 200 мм (слева направо) в неподвижной водородо-кислородной смеси, одно деление по горизонтали соответствует 160 [1С.
Зависимость расстояния ПГД в неподвижной смеси от расстояния между искровым разрядником и закрытым концом ДКС.
Подобная зависимость описывается в [52]. Такое совпадение экспериментальных данных с обнаруженными в литературе позволяет считать экспериментальную методику достоверной.
Погрешность измерения скоростей ударных/детонационных волн Измерение скорости движения ударной/детонационной волны в ДКС проводилось базовым методом, регистрировалось время распространения волны между двумя датчиками с известным расстоянием между ними L. Если время прохождения волны этого расстояния t, то скорость ударной волны определится как: v=L/t Поскольку измерения величин Lnt независимы и случайны, то относительная погрешность значения скорости определяется по формуле: Av/v=((AL/L)2+(At/t)2)1/2 Датчики были установлены на расстоянии Z=87+l мм. Погрешность в определении времени /1/=+1 мкс. При этом величина времени менялась в диапазоне от 30 мкс до 400 мкс при сильных и слабых волнах соответственно.
Влияние дополнительной турбулизации потока на формирование детонации
В данной серии экспериментов было исследовано влияние дополнительной турбулизации потока с помощью изменения конструкции инжекторов на формирование и параметры детонации. На рис.3.3.1. представлены распределения скоростей и давлений при прохождении детонационной/ударной волны вдоль ДКС. Эксперименты показали, что при стехиометрическом соотношении смеси 0.5-2 дополнительная турбулизация потока с помощью резонаторов на инжекторах мало влияет на картину формирования и параметры детонации. Заметное ускорение формирования детонации наблюдается только при стехиометрическом соотношении смеси, равном 2.3. В случае более детонационноспособной смеси влияние не было обнаружено из-за недостаточной чувствительности экспериментальной методики.
В случае подачи компонентов топлива через звуковые генераторы, замечено ухудшение условий формирования детонации. Подробно о факторах, затрудняющих формирование детонации при подаче компонентов топлива через звуковые генераторы, изложено в пункте 4.3
На данной установке моделировался один цикл работы ДКС в пульсирующем режиме, который состоял из заполнения ДКС горючей смесью, инициирования детонации, распространения детонации по ДКС, истечения продуктов детонации из ДКС. Был исследован процесс формирования детонации в водородо-кислородных смесях с ER, равными 2, 2.3 и 2.6. В процессе исследований варьировалось время задержки инициирования относительно открытия электроклапанов, что при работе в частотном режиме соответствовало бы изменению частоты следования детонационных волн. Изначально ДКС была заполнена воздухом при атмосферном давлении, энергия инициирования равнялась 7.5 Дж, расстояние между искровым разрядником и закрытым концом ДКС равнялось 150 мм. 5М
На рис.3.4.1 представлена динамика процесса перехода дефлаграции в детонацию при временах задержки инициирования Tsp=59 - 66 мс при подаче компонентов топлива через сверхзвуковые сопла. Отчетливо видно возникновение детонации за третьим контрольным сечением на расстоянии -280 мм от искрового разрядника. Причем, в указанном временном интервале Tsp детонация возникает быстрее при меньших Tsp.
В таблице представлена зависимость средней скорости D детонации на различных отрезках ДКС от времени задержки инициирования при инжекции компонентов топлива через сопла с резонаторами.
Видно, что при временах задержки инициирования в интервале 40-43 мс преддетонационное расстояние минимально. Детонация возникает перед вторым контрольным сечением. При использовании других инжекторов также зафиксированы оптимальные интервалы времени задержки, когда при одних и тех же начальных параметрах в подводящих магистралях детонация возникает быстрее, т.е. преддетонационное расстояние минимально. Непостоянство расхода компонентов топлива (рис.2.4.1) от времени приводит к тому, что в процессе заполнения ДКС горючей смесью ее состав изменяется (рис.2.4.2). При этом в область расположения искрового разрядника со временем поступает менее детонационноспособная смесь (с большим ER). Энергия инициирования детонации в смеси, поступающей в область искрового разрядника, увеличивается с увеличением времени инжекции. Следовательно, это должно приводить к увеличению преддетонационного расстояния. В то же время, возрастание начального давления горючей смеси приводит к уменьшению преддетонационного расстояния. Одновременное действие двух разнонаправленных факторов приводит к существованию области оптимальных времен задержки инициирования.
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), ER и Р - зависимости стехиометрического соотношения и давления смеси от времени наполнения.
При инжекции компонентов через сопла с резонаторами при расчетном ER=2.3 оптимальный интервал времени задержки воспламенения лежит в диапазоне от 40 до 43 мс, при увеличении ER до 2.6 нижняя граница оптимального интервала сдвигается до 65 мс. Данный результат подтверждает предположение о том, что в процессе заполнения ДКС параметры горючей смеси в области расположения искрового разрядника меняются. При подаче компонентов через сверхзвуковые сопла при расчетном ER=2.3 оптимальный интервал времени задержки воспламенения лежит от 45 до 56 мс.
Экспериментально полученные X диаграммы формирования детонации в потоке водородо-кислородной смеси были сравнены с результатами численного моделирования, описанного в разделе 1.7. Формирование детонации исследовалось в круглой трубе диаметром 83 мм в потоке стехиометрической водородо-кислородной смеси (50 м/с) при инициировании горения искровым разрядом с энергией 7.5 Дж на расстоянии 150 мм от закрытого конца ДКС.
Влияние звукового поля на формирование детонации
Применение в детонационных устройствах систем инициирования с высокой энергией, вкладываемой в разряд, нецелесообразно из-за высокой массы, сложности и низкой эффективности таких систем. Более привлекательным выглядит создание условий, при которых с малой энергией инициирования удается получить детонационное горение на малом расстоянии и с высокой надежностью.
В доступной литературе описаны исследования влияния положения искрового разрядника и энергии разряда на формирование детонации исключительно в неподвижной детонационноспособной смеси.
Различают два режима инициирования детонации: «сильный» и «слабый» [51]. При «слабом» инициировании детонации, выделяемая энергия недостаточна для прямого инициирования детонации, и детонация формируется путем перехода горения в детонацию (ПГД) на расстоянии называемом длиной ПГД. Длина ПГД зависит от состава, температуры и давления смеси, геометрии ДКС, неровности стенок, наличия преград и других особенностей конструкции. При инициировании горения в неподвижной смеси вблизи закрытого конца ДКС, длина ПГД зависит от расстояния между разрядником и закрытым концом ДКС [52]. Известно, что турбулизация и автотурбулизация пламени сильно влияют на ПГД. Ударная волна, отражаясь от закрытого конца ДКС, взаимодействует с фронтом пламени и ускоряет его. Существует оптимальное расстояние между разрядником и закрытым концом ДКС, когда турбулизация и ускорение фронта пламени ударной волной максимально способствуют формированию детонации.
При инициировании детонации искровым разрядом в неподвижной смеси возможны три сценария формирования детонации (при достаточной длине ДКС): 1) Прямое инициирование детонации (когда условия инициирования детонации по начальной скорости волны и выделенной энергии выполнены). В этом случае детонация формируется непосредственно вблизи разрядника. 2) Промежуточный режим. Фронт пламени распространяется по смеси сжатой и турбулизированной ударной волной. Ударная волна, отражаясь от закрытого конца ДКС, взаимодействует с пламенем и способствует ПГД. 3) Классический ПГД. Ударная волна от искры близка к звуковой. Основные факторы, влияющие на ПГД - неровности стенок и турбулизация пламени.
В данной главе исследуется влияние положения искрового разрядника и энергии разряда на формирование детонации в потоке детонационноспособной смеси.
Как было описано в пункте 2.1, установка для изучения формирования детонации в потоке смешивающихся компонентов топлива представляла собой детонационную трубу, в закрытом конце которой устанавливались различные инжекторы. Истечение компонентов топлива происходило через инжекторы в ДКС, изначально заполненную воздухом при атмосферном давлении, либо, в экспериментах с неподвижной смесью, ДКС наполнялась детонационноспособной смесью заранее. В серии детонационных экспериментов варьировалось расстояние между искровым разрядником и закрытым концом ДКС и энергия разряда. В качестве горючего и окислителя использовались водород и воздух/кислород, в качестве инжекторов использовались сверхзвуковые сопла. Время между открытием клапанов и инициированием горения с помощью разряда составляло 55 мс. Клапаны закрывались через 10 мс после искрового разряда. Разрядный промежуток искрового разрядника располагался на расстоянии 23 мм от боковой стенки ДКС.
В неподвижной смеси была проведена серия экспериментов по исследованию формирования детонации в стехиометрической водородо-кислородной смеси. Предварительно приготовленная смесь выдерживалась не менее 40 часов. Через отдельную магистраль, предварительно откачанная ДКС наполнялась смесью до давления 1 атм. Энергия искрового разряда равнялась 0.18 Дж. Расстояние между искровым разрядником и закрытым концом ДКС L менялось от 26 до 200 мм.
Зависимость расстояния ПГД в неподвижной смеси от расстояния между искровым разрядником и закрытым концом ДКС представлена на рис. 5.2.1. Она представляет собой классическую немонотонную кривую с минимумом в районе ПО мм (1.3 калибра ДКС). Зависимость расстояния ПГД в неподвижной смеси от расстояния между искровым разрядником и закрытым концом ДКС. Эксперименты по формированию детонации в движущейся смеси не показали влияния расстояния между искровым разрядником и закрытым концом ДКС на длину ПГД (Рис.5.2.2).
