Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор исследований воспламенения газовых смесей 10
1.1. Взрывное разложение ацетилена 10
1.2. Диффузионное самовоспламенение водорода 15
1.3. Формирование детонации в газах 24
Выводы к гл. 1 32
Глава 2. Ингибирование взрывного разложения ацетилена . 34
2.1. Экспериментальный стенд 34
2.1.1. Экспериментальный стенд. Методика проведения экспериментов . 34
2.1.2. Анализ погрешностей 40
2.1.3. Анализ достоверности экспериментальных данных 42
2.2. Численный метод. Постановка задачи 44
2.2.1. Математическая модель 45
2.2.2. Кинетическая модель 48
2.2.3. Начальные и граничные условия 50
2.3. Результаты исследований 51
2.3.1. Экспериментальные исследования при начальном давлении 1 атм 52
2.3.2. Анализ поглощения тепла в процессах взрывного разложения 57
2.3.3. Численное исследование при начальном давлении 1 атм . 58
2.3.4. Экспериментальные исследования при начальном давлении 1,80-2,5 атм 62
Выводы к гл. 2 69
Глава 3. Диффузионное самовоспламенение водорода при импульсном истечении в канал 72
3.1. Экспериментальный стенд 72
3.1.1. Экспериментальный стенд. Методика проведения экспериментов . 72
3.1.2. Анализ погрешностей 78
3.1.4. Анализ достоверности экспериментальных данных 80
3.2. Численный метод. Постановка задачи
3.2.1. Математическая модель
3.2.2. Кинетическая модель
3.2.2. Начальные и граничные условия
3.3. Результаты исследований 84
3.3.1. Экспериментальное исследование в каналах круглого и прямоугольного сечений 84
3.3.2. Численное исследование в канале круглого сечения 97
3.3.3. Влияние пограничного слоя на скорость воспламенения водорода. 102
Выводы к гл.З 104
Глава 4. Инициирование детонации в потоке предварительно неперемешанных компонентах топлива 105
4.1. Экспериментальный стенд 105
4.1.1. Экспериментальный стенд. Метод проведения экспериментов 105
4.1.2. Анализ погрешностей 111
4.1.3. Анализ достоверности экспериментальных данных 112
4.2. Результаты экспериментов 112
4.2.1. Влияние буферного газа на инициирование детонации 112
4.2.2. Влияние положения препятствий на формирование детонации в потоке 116
Выводы к гл. 4 121
Заключение 122
Литература 123
Благодарности 130
- Диффузионное самовоспламенение водорода
- Экспериментальный стенд. Методика проведения экспериментов
- Анализ поглощения тепла в процессах взрывного разложения
- Анализ достоверности экспериментальных данных
Введение к работе
Актуальность темы
Вопросы управления воспламенением актуальны при решении задач как повышения эффективности сжигания топлива, так и для обеспечения безопасности Для повышения эффективности сжигания необходимо ускорять процесс энерговыделения, в то время как для обеспечения безопасности при работе с тем же топливом необходимо подавлять или полностью исключать возможность его самопроизвольного воспламенения. Данные вопросы особенно важны для газов в силу того, что хранение и эксплуатация их осуществляется в широком диапазоне давлений, что способно привести не только к изменению термодинамических параметров, но и к проявлению некоторых газодинамических явлений и существенному изменению реакционных свойств газов.
Одними из таких газов, имеющих широкие концентрационные пределы воспламенения, активно используемых и требующих новых стандартов хранения и норм безопасности, являются ацетилен, способный к взрывному саморазложению без окислителя, и водород, вопросы безопасности которого становятся особенно актуальными при стремительном развитии водородной энергетики.
Анализируя причины несчастных случаев, вызванных взрывом водородно-воздушных смесей, в [1] пришли к выводу, что во многих (до 70%) случаях источник воспламенения остается невыясненным Помимо вопросов воспламенения водородно-воздушных смесей, активно решаемых во всем мире, необходимо тщательного исследовать газодинамические процессы диффузионного самовоспламенения водорода. Особого внимания заслуживает исследование импульсной струи водорода, возникающей при внезапной разгерметизации сосуда высокого давления (несколько сотен атмосфер) Возникающие в этом случае ударные волны способны привести к самовоспламенению водорода без предварительного перемешивания [2]. Существующие методы исследования самовоспламенения струи водорода при импульсном истечении в воздух предполагают его предварительный нагрев до сотен градусов Цельсия При этом эксперименты по самовоспламенению «холодного» водорода при внезапной утечке из баллона практически отсутствуют. Однако, в контексте безопасности, именно
исследование самовоспламенения «холодного» водорода является актуальной задачей.
Развитие горения предварительно неперемешанных компонентов топлива может перейти в формирование детонации в том случае, если при истечении компонентов топлива возникающие газодинамические возмущения создают локальные зоны с концентрациями, допустимыми для детонационного горения. Исследование формирования детонации в потоке предварительно неперемешанных компонентов топлива представляет собой также актуальную задачу.
Не менее важной задачей является задача реализации пульсирующего детонационного горения предварительно неперемешанных компонентов топлива в детонационных устройствах. При детонации газов термодинамическая эффективность сжигания заметно повышается, так как степень сжатия увеличивается в 20-30 раз, а время выделения энергии составляет 10'6-10"5 микросекунд. Преимущества детонационного сжигания топлива подробно описаны в [3]. Помимо термодинамической эффективности сжигания продукты детонации имеют еще и значительную кинетическую энергию, что дополнительно увеличивает полную эффективность сжигания.
Особого внимания заслуживает формирование детонации в ацетилено-содержащих газовых смесях и в чистом ацетилене. Существующие способы предотвращения взрывного разложения ацетилена основаны на растворении его в ацетоне. Дополнительно ацетон помещают в пористую массу, чтобы исключить возможность распространения взрывных волн [4]. Однако значительно более эффективным способом, позволяющим не только избавиться от использования ацетона, но и существенно увеличить потребление газообразного ацетилена, может оказаться использование малых химически активных добавок, ингибиторов, замедляющих или предотвращающих протекание определенных реакций. Исследование возможности использования в качестве ингибитора горючего газа является актуальной задачей. В отличие от инертных разбавителей это позволило бы не только замедлить процесс саморазложения ацетилена, но и не снизить теплоту сгорания полученной топливной смеси.
В настоящее время механизм ингибирования пиролиза сложных углеводородов полностью неясен. Работы по изучению кинетических процессов и их
роли при высоких давлениях в условиях энерговыделения крайне скудны и требуют более подробного исследования. Изучение механизма ингибирования пламен, пиролиза при давлениях выше атмосферного представляет большой интерес и является актуальной научной проблемой.
Объект и предмет исследования
1. Взрывное разложения ацетилена, сжатого ударной волной.
Экспериментально и численно ' исследовалась зависимость степени разложения ацетилена от содержания в нем пропан-бутана или водорода.
2. Диффузионное самовоспламенение холодного водорода на границе с
воздухом.
Экспериментально и численно исследовалась зависимость расстояния самовоспламенения холодного водорода в канале от начального давления в сосуде высокого давления при импульсном истечении в канал, заполненный воздухом, при двух формах сечения канала.
3. Формирование детонации в предварительно неперемешанных компонентах
топлива.
Экспериментально исследовалась зависимость преддетонационного расстояния в потоке предварительно неперемешанных компонентах топлива от расположения преград в канале.
Цели работы
Основная цель работы заключалась в экспериментальном и численном исследовании влияния состава смеси и граничных условий на процесс воспламенения и формирования детонации в газовых средах при нестационарных процессах истечения и перемешивания. Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:
1. Определение условий саморазложения ацетилена в присутствии ингибиторов при ударно-волновом сжатии. Определение нижних концентрационных пределов разбавления ацетилена бытовым газом (пропан-бутан, экспериментальное
исследование) и водородом (экспериментальное и численное исследования), при которых не происходит саморазложение ацетилена.
2. Определение условий диффузионного самовоспламенения водорода при
внезапном истечении в воздух. Экспериментальное и численное определение
зависимости расстояния самовоспламенения водорода в канале при импульсном
истечении из сосуда высокого давления от начального давления водорода и от
формы сечения канала
3. Исследование преддетонационных параметров предварительно
неперемешанных компонентов топлива в зависимости от форм и расположения в
камере сгорания препятствий.
Основные результаты и научная новизна
1. Показано, что незначительное добавление водорода и пропан-бутана в
газообразный ацетилен способно предотвратить взрывное разложение ацетилена,
сжатого ударной волной. С помощью термодинамического анализа и численного
расчета установлено, что ингибирование разложения ацетилена определяется как
теплоотводом, так и цепным механизмом химических реакций.
Обнаружена зависимость максимально допустимой длинны канала, заполненного воздухом при атмосферном давлении, от давления втекающего в него водорода, при которой водород не успевает воспламениться при контакте с воздухом. Показано, что на воспламенение водорода в канале существенно влияет форма сечения этого канала. Использование канала прямоугольного сечения с той же площадью сечения приводит к более быстрому воспламенению истекающего водорода и к большему ускорению пламени.
Установлено, что расположение преград в канале камеры сгорания существенно влияет на скорость формирования детонации в движущихся предварительно неперемешанных компонентах детонационноспособной смеси как за счет переотражения ударных волн, так и за счет повышения турбулентности потока.
Проведенные в диссертационной работе эксперименты позволили осуществить тестирование программ численного моделирования процессов
воспламенения газовых сред и выбрать определяющие элементарные реакции для случая саморазложения ацетилена.
Практическая значимость результатов работы
Результаты работы могут быть использованы при:
разработке фундаментальных основ новых методов безопасного хранения и использования сжиженного и газообразного ацетилена;
разработке норм и стандартов безопасного хранения водорода, а также устройств, обесечивающих аварийный выброс водорода в атмосферу;
3) анализе причин взрывов, в том числе в шахтах, вызванных
взаимодействиями пламени и ударных волн с загромождениями;
разработке способов повышения термодинамической эффективности преобразования химической энергии топлива в полезную работу путем импульсного детонационного горения;
тестировании схем химической кинетики, описывающих процессы разложения ацетилена.
Основные результаты, представляемые к защите
Экспериментальные и расчетные зависимости нижних концентрационных пределов разбавления ацетилена бытовым газом (пропано-бутановая смесь) и водородом, при которых не происходит саморазложение ацетилена за отраженной ударной волной. Численная зависимость степени разложения ацетилена в зависимости от концентрации водорода.
Газофазная кинетическая модель ингибирования разложения ацетилена.
3. Экспериментальные и расчетные зависимости расстояния
самовоспламенения водорода от начального давления его в сосуде высокого
давления при импульсном истечении в канал с воздухом.
4. Экспериментальные зависимости длины перехода горения в детонацию от
геометрии камеры сгорания в потоках предварительно неперемешанных
компонентах топлива.
Апробация работы
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и симпозиумах: 31,32 Международные симпозиумы по горению (2006,08 гг.), 25,26 Международные симпозиумы по ударным волнам (2005,07 гг.), 19-21 Международные коллоквиумы по динамике взрывов и реагирующих систем (2003,05,07 гг.), Международные коллоквиумы по детонации (2004,06,08 гг.), Международные коллоквиумы по неравновесным процессам в плазме, атмосфере и при горении (2005,07 гг.), XXXI-XXXII Академические чтения по космонавтике (2007-2008 гг.), конференции ОИВТ РАН по Физике экстремальных состояний вещества (2006-2008 гг.), конференции Московского физико-технического института (государственного университета) (2002-2007 гг.) и другие специализированные международные и российские научные семинары. Общее число докладов - 33.
Публикации
Материалы диссертации достаточно полно изложены в печати. Список научных публикаций по теме диссертации содержит 40 наименований, в том числе 4 статьи в зарубежных и 4 статьи в отечественных реферируемых журналах.
Тема диссертации связана с научно-исследовательскими работами Объединенного института высоких температур РАН. В работе представлены результаты исследований, выполненных при поддержке программ Президиума РАН, РФФИ, Фонда содействия развитию малых форм предприятий.
Диффузионное самовоспламенение водорода
Самовоспламенение водорода в предварительно перемешанной смеси с окислителем изучено довольно подробно. Например, в [28] разобраны константы скоростей реакций горения водорода. Характерным параметром самовоспламенения является период индукции, а важным показателем безопасности топлива -концентрационные пределы воспламенения, которые для водорода составляют 3,3-81,5% в объемном соотношении. Связь между периодом индукции и начальным давлением смеси приведена в [29].
Однако при анализе сценариев утечек водорода необходимо иметь ввиду, что локальная концентрация водорода в некотором объеме может заметно превышать допустимые концентрационные пределы воспламенения. Кроме того, эксплуатация газов в широком диапазоне давлений способна привести не только к изменению термодинамических параметров, но и к проявлению некоторых газодинамических явлений, способствующих воспламенению водорода. В [1,2,30] приведены различные случаи и причины непреднамеренного взрыва водородно-воздушных смесей, во многих из которых источник воспламенения не выявлен. Возможными источниками воспламенения водорода являются: обратный эффект Джоуля-Томсона (при низких температурах), электростатический заряд, диффузионное воспламенение, адиабатическое сжатие и воспламенение на горячей поверхности [1]. Хотя Edeskuty и Stewart показали в [30], что в условиях эксплуатации статичный заряд не способен воспламенить движущиеся смеси водорода, тем не менее им не стоит пренебрегать.
Одним из источников воспламенения водородно-воздушных смесей может явиться сжатие этой смеси ударной волной до температуры самовоспламенения. При этом период сжатия должен превышать период индукции воспламенения. В [30] показана возможность воспламенение предварительно перемешанной смеси ударными волнами, создаваемыми внешним источником.
Одним из процессов воспламенения водорода, являющимся также актуальным при утечке водорода, является диффузионное самовоспламенение, возникающее на границе истекающего водорода с воздухом или кислородом. В [29] приведено сравнение периодов индукции воспламенения предварительно перемешанных смесей и «стратифицированных» смесей. Показано из заметное отличие в несколько (до 10-100) раз.
Как и в случае предварительно перемешанных водородно-воздушных смесей, достаточно благоприятным способом воспламенения стратифицированных смесей может являться сжатие диффузионной зоны ударной волной, создаваемой извне. Однако, в том случае, если истечение водорода происходит вследствие внезапного разрыва сосуда или при срабатывании предохранительного клапана, давление в струе водорода может быть достаточным для формирования ударной волны и нагрева диффузионной области. Явление диффузионного воспламенения впервые было предложено Wolanski and Wqjcicki [2], которые показали, что воспламенение возникает в том случае, когда водород, истекая под высоким давлением в трубу, заполненную воздухом или кислородом, создает ударную волну.
Среди отечественной литературы стоит обратить внимание на работы [31,32], где исследовалось воспламенение предварительно нагретого водорода (до 575 К), истекающего в канал с частичным перекрытием при разрыве диафрагмы. Исследовалось воспламенение водорода на границе с воздухом за отраженными ударными волнами.
В [33] описан метод адиабатического сжатия водорода в канале высокого давления. Для сжатия водорода использовался азот под давлением 5-8 Мпа (рис. 1.2). Также использовался разрыв диафрагмы для выхода струи водорода в канал. В работе представлены зависимости расстояния воспламенения от степени сжатия водорода. Необходимо отметить, что непосредственно перед моментом истечения водорода происходило его нагревание вследствие сжатия. Причем авторы не акцентируют внимание на то, как именно происходило сжатие: ударным или изоэнтропическим способом.
Экспериментальный стенд. Методика проведения экспериментов
Распространение ударных волн, фронта пламени, формирование детонации и другие ударно-волновые процессы удобно наблюдать в ударных трубах. Простым способом для получения высоких температур и давлений в исследуемом газе является сжатие смеси ударными волнами. Для этой цели ударная труба делится на две секции, в одной из которых при высоком давлении находится «толкающий» газ. При истечении сжатого газа образуется ударная волна, которая затем используется для сжатия исследуемой смеси. Распространение ударных волн описывается уравнениями газовой динамики, которые позволяют корректировать основные параметры потока, измеряемые в эксперименте.
В данной работе взрывное разложение ацетилена исследовалось за отраженными ударными волнами. В силу того, что газ за отраженной ударной волной неподвижен, наблюдение и диагностика газодинамических процессов, в том числе и процессов горения, в этой области упрощается. Для получения более высоких значений давления и температуры ацетилена за ударной волной вместо камеры высокого давления использовалась детонационная камера (ДКС, рис. 2.1), в которой происходило формирование детонационной волны, переход детонационной волны в ударную, сжимающую исследуемый газ [95]. Обычно для инициирования детонации используются водородно-кислородные или ацетилено-кислородные смеси в стехиометрическом соотношении. При этом начальное давление детонационной смеси может не превышать одной атмосферы, что существенно упрощает конструкцию камеры сгорания и позволяет избежать использования предварительно сжатых газов. При детонации указанных смесей образуются продукты сгорания с низким молекулярным весом при высокой температуре и давлении. Это способствует возникновению ударных волн высокой интенсивности.
Экспериментальные исследования проводились на установке, представляющей собой цилиндрическую ударную трубу общей длиной 1617 мм (2105 мм) и внутренним диаметром 22 мм (рис. 2.1, вверху). Ударная труба состояла из детонационной камеры сгорания (ДКС) длиной 585 мм и измерительной секции (ИС) длиной 1032 мм (1520 мм), разделенных друг от друга шаровым краном (ШК). Расстояние между датчиками составляло 200 мм, расстояние между первым датчиком давления (ДД) и искровым разрядником (ИР) - 816 мм.
Исследуемая смесь ацетилена с ингибиторами составлялась по парциальным давлениям компонентов и перемешивалась с помощью вентилятора в течение часа в сосуде объемом 3 л при давлении 3-4 атм (рис. 2.2). Детонационная стехиометрическая смесь ацетилена с кислородом также составлялась по парциальным давлениям и выдерживалась более 48 часов в сосуде объемом 40 л без перемешивания.
Реализовывался случай, когда источник инициирования детонации располагался у закрытого конца ДКС, и осуществлялся прямой переход детонационной волны в ударную. Принцип работы представлен на рис. 2.1 (внизу). При срабатывании источника зажигания, находящегося у закрытого конца ДКС, детонационная волна движется к поверхности раздела двух газовых областей. После чего продукты детонации распространяются в измерительную секцию, образуя перед собой ударную волну, которая сжимает и нагревает исследуемый газ. Отраженная от закрытого конца трубы ударная волна дополнительно сжимает исследуемый газ.
Однако веер волна разрежения (ВВР, см. рис. 2.1) движется за детонационной волной. Этот веер в несколько раз ослабляет интенсивность сгенерированной ударной волны с первоначальных значений детонации Чепмена-Жуге. Для того, чтобы ударная волна не успела значительно ослабнуть, и напротив, для того, чтобы продукты детонации не влияли на показания фотодиодов, расположенных в измерительной секции, длина измерительной секции подбиралась так, чтобы контактная поверхность достигала только первую пару датчиков, но не достигала вторую пару датчиков. Остановка контактной поверхности происходила в момент взаимодействия ее с отраженной ударной волной (ОУВ), за которой газ неподвижен (см. рис. 2.1). Таким образом, процесс взрывного разложения ацетилена беспрепятственно регистрировался последними двумя-тремя фотодиодами ((2),(3),(-/), см. рис. 2.1).
Определяющим фактором формирования детонации в ДКС сгорания является зажигание. Несомненно, использование прямого инициирования приводит к высокой воспроизводимости интенсивности генерируемых ударных волн за счет практического отсутствия преддетонационного расстояния и, следовательно, влияния различных газодинамических факторов. При использовании непрямого инициирования преддетонационное расстояние значительно увеличивается, что приводит к снижению воспроизводимости волновых процессов и к снижению надежности метода.
Анализ поглощения тепла в процессах взрывного разложения
Для оценки предельной концентрации пропан-бутана, необходимой только для теплового ингибирования саморазложения ацетилена, был проведен термодинамический анализ поглощения выделяемой энергии ингибиторами. Как уже было показано в п. 2.1.3, технический пропан-бутан состоит из 17% пропилена, 42% пропана и 41% бутана. При температуре 800 К данные углеводороды диссоциируют до радикалов метила и метилена. Предполагалось, что для предотвращения саморазложения ацетилена необходимо, чтобы экзотермический эффект Qj диссоциации ацетилена (2.6) не превышал эндотермический эффект Q2 диссоциации пропан-бутана (2.7), а также нагрев образующихся радикалов. C2H2- 2C + H2+Qi Qj = 226,5 кДж/моль, Т = 800 К (2 6) СзНб — ЗСН2 — Q2i Сзн8 2сн3 + сн2-д22 С4Н10 — 2СН3 + 2СН2 — Q23 Q2 = Q21 + Q21 + Q2] = (1169.63 + 805.48 + 1221.52) кДж/моль, Q2 = 1037,96 кДж/моль, Т = 800 К (2.7) Вычисления показали, что для условия Qj Q2, необходимо, чтобы минимальная концентрация пропан-бутана составляла 16%. Эта величина более чем в два раза отличается от полученной экспериментально. Результат говорит о том, что механизм ингибирования включает в себя гибель активных радикалов и обрыв цепных реакций.
Для оценки предельной концентрации водорода, необходимой только для теплового ингибирования саморазложения ацетилена, также был также проведен термодинамический анализ. Предполагалось, что для термического ингибирования саморазложения ацетилена необходимо, чтобы экзотермический эффект этой реакции полностью переходил в тепловой нагрев молекул водорода. Обнаружено, что необходимая минимальная концентрация водорода составила 93%, что в 8 раз превышает экспериментальную величину. Это также показывает, что основной механизм ингибирования термического саморазложения ацетилена при разбавлении его водородом — химико-кинетический.
Таким образом, термодинамический расчет показал, что для предотвращения экзотермического саморазложения ацетилена необходимо 16% пропан-бутана или 93% водорода, что более чем в 2 и в 8 раз соответственно выше экспериментальной величины. Сравнение предельных концентраций для случая использования водорода в качестве ингибитора представлен на рис. 2.12.
Численное исследование ингибирования взрывного разложения ацетилена проводилось при начальном давлении 1 атм. Скорость ударной волны составляла 1500 м/с. В расчетах менялась начальная концентрация водорода в смеси с ацетиленом. В качестве примеров расчета ниже представлены вычисленные значения некоторых параметров для двух смесей: чистого ацетилена и ацетилена, разбавленного 20% водорода в объемном соотношении. На рис. 2.9. изображены профили давления за ударной волной. При разложении ацетилена давление в ударной волне было на три атмосферы выше, чем в смеси с водородом, где разложение не наблюдалось. Рис. 2.10. демонстрирует увеличение температуры при саморазложении ацетилена за ударной волной. При разложении ацетилена температура за ударной волной поднималась на 700 градусов выше, чем в смеси с водородом, где разложение не наблюдалось. Давление и температура за отраженной волной поднимаются постепенно, в два этапа. Это связанно с тем, что параметры на фронте ударной волны задавались искусственным образом. Первый этап обусловлен изменением параметров именно за счет искусственности постановки задачи. Второй этап, рост температуры и давления, соответствовал процессам разложения ацетилена (или его отсутствия). На рис. 2.11. показаны распределения концентраций по оси ударной трубы. Из рисунка видно уменьшение концентрации ацетилена до 0 и соответствующее увеличение концентраций продуктов реакций. Для случая ингибирования саморазложения концентрации ацетилена и водорода не меняются (зависимость на рисунках не приводится). С одной стороны, увеличение концентрации радикала Н приводит к ускорению разложения ацетилена (4-я реакция), а с другой - к замедлению (3-я реакция). В третьей реакции из таблицы 2.3 осуществляется линейный обрыв цепи в потоке реакции, где радикал Н выполняет роль тормозящей примеси. Расчет по схеме показал, что ингибирование имеет плавный характер без резкого обрыва, в отличие от эксперимента. Увеличение Н.2 до 11% по объему полностью и резко ингибирует взрывное саморазложение ацетилена. Можно предположить, что резкий обрыв может говорить о квадратичном обрыве в объеме или о рекомбинации радикалов в тримолекулярной реакции. Учет такой реакции приведет к более резкому обрыву в цепи и приблизит расчет к эксперименту. Расчеты по модифицированным схемам Танзава с Гардинером показали, что степень саморазложения ацетилена максимальна не в чистом ацетилене, а в присутствии малой примеси водорода (7% по объему). Т.е. небольшая добавка водорода ускоряет цепной процесс, а дальнейшее увеличение его ингибирует. Подобный эффект, но с примесями ацетона, описан в [4]. Экспериментальные исследования показали, что степень разложения ацетилена в случае взрывного разложения составляла единицу, т.е. весь ацетилен разлагался, что определялось по массе сажи. Однако скорость волны разложения ацетилена, регистрируемая фотодатчиками, имела несколько большее значение (на 5%) при концентрации пропан-бутана 2,5 % или 5 % водорода. На рис. 2.13 и рис. 2.14. представлены осциллограммы ударно-волнового процесса в смесях ацетилена с пропан-бутаном. В том случае, когда содержание пропан-бутана в ацетилене составляло 15 и менее объемных процентов при 2.5 атм. (рис. 2.13а), а также 10 и менее объёмных процентов при 2,2 атм. (рис. 2.14а), возникала волна экзотермического разложения ацетилена (ВР). Датчики давления ДЦ1-ДЦ4 регистрировали падающую (УВ) и отраженную (ОУВ) ударные волны. Фотодатчик ФДі регистрировал приход контактной поверхности и свечение продуктов детонации ацетилена в момент прохождения отраженной ударной волны. Фотодатчики ФД2-ФД4 регистрировали интенсивное свечение волны разложения ацетилена за отраженной ударной волной. Волна разложения распространялась вслед за отраженной ударной волной, достигая фото датчик ФДг.
Саморазложение ацетилена не происходило, когда концентрация пропан-бутана составляла 16 и более объемных процентов при 2,5 атм (рис. 2.136) и 12 и более объемных процентов при 2,2 атм (рис. 2.146). Фотодатчики ФДз и ФДд не регистрировали свечение газа в течение 20 мс. Это указывает на отсутствие волны разложения в ацетилене при данной концентрации пропан-бутана. В таблице 2.4 приведены параметры исследуемых смесей ацетилена с пропан-бутаном за отраженной ударной волной для предельных концентраций в положении датчика давления ДД4, где температура приведена как функция числа Маха падающей ударной волны в положении датчика ДД4. Из таблицы 2.4 видно, что давление за отраженной ударной волной поднималось до 60 атм, температура - до 900 К. Разброс значений давления и температуры обусловлен стохастическим процессом перехода горения в детонацию. В случаях, когда концентрация пропан-бутана имела граничные значения (14%, 15%), давление и температура исследуемых смесей за отраженной ударной волной находились в диапазоне 39-43 атм, 830-860 К. Из таблицы 2.4. видно, что вычисленные и измеренные значения давления за отраженной ударной волной совпадали. Совпадение давлений в этом случае, в отличие от начального давления 1 атм, объяснялось тем, что преддетонационное расстояние в ацетилено-кислородной смеси сокращалось при увеличении давления. Таким образом, большая часть детонационноспособной смеси сгорала в детонационном режиме и генерируемая ударная волна имела большую интенсивность. На рис. 2.\5а,б и рис. 2.16а,б представлены осциллограммы ударно-волнового процесса в смесях ацетилена с водородом. В том случае, когда содержание водорода в ацетилене составляет 36 и менее объемных процентов при 2,5 атм. (рис. 2.15а), а также 10 и менее объёмных процентов при 1,95 атм. (рис. 2.16а), возникала волна экзотермического разложения ацетилена (ВР). Датчики давления ДЦ1-ДЦ4 регистрировали падающую (УВ) и отраженную (ОУВ) ударные волны. Фотодатчик ФДі регистрировал приход контактной поверхности и свечение продуктов детонации ацетилена в момент прохождения отраженной ударной волны. Фотодатчики ФД2-ФД4 регистрировали интенсивное свечение волны разложения ацетилена за отраженной ударной волной. Волна разложения распространялась вслед за отраженной ударной волной, достигая фотодатчик ФДг. Саморазложение ацетилена не происходило, когда концентрация водорода составляла 39 и более объемных процентов при 2,5 атм (рис. 2.156) и 29 и более объемных процентов при 1.95 атм (рис. 2.166). Фотодатчики ФДз и ФД4 не регистрировали свечение газа в течение 20 мс. Это указывает на отсутствие волны разложения в ацетилене при данной концентрации водорода.
Анализ достоверности экспериментальных данных
В отличие от процессов истечения струи водорода в открытое пространство, где процесс воспламенения зависит от параметров истекающей струи и размеров отверстия, на самовоспламенения движущегося по ограниченному каналу водорода существенно влияют граничные условия канала: теплоотвод, торможение потока на стенках канала и возникновение пограничного слоя. Все эти процессы могут оказывать противоположное влияние на условия самовоспламенения водорода теплоотвод приводит к уменьшению температуры газа на стенках и в потоке, торможение потока в пограничном слое повышает температуру газа, а дополнительная турбулизация в пограничном слое способствует лучшему перемешиванию.
В данной работе считалось, что теплоотвод практически не влияет на параметры за ударной волной в канале Это предположение оправдано лишь в том случае, если характерное время, в данном случае, воспламенения водорода составляет несколько сотен микросекунд Как будет показано ниже, в условиях проводимых экспериментов время воспламенения водорода не превышало 200 мкс
В расчете была поставлена задача исследования пограничного слоя на скорость самовоспламенения водорода в осесимметричном канале Канал прямоугольной формы сечения не рассматривался Определялись термодинамические параметры и концентрации водорода, воздуха, радикалов и продуктов горения Расчет основывался на физико-математической модели, включающей газодинамический перенос вязкого газа, кинетику окисления водорода, независимую диффузию и теплопроводность. В данной главе также использовался алгоритм на основе явной конечно-разностной схемы распадного типа второго порядка точности по пространству и времени - схема Roe
Решалась полная система уравнений Навье-Стокса для многокомпонентной смеси газов (2 1, 2 la, 2 2, 2.3), описанная в главе 2 2 Расчеты были проведены как в ламинарном случае, так и с учетом турбулентности. Турбулентное течение исследовалось в квазиламинарном приближении на основе .модели к-(о Влияние химических реакций на течение также проявлялось в источниковом члене в правой части уравнения переноса (2 3) Выражение для этого члена не отличается от выражения в главе 2 2. Для вычисления скоростей химических реакций использовался пакет CHEMKIN-II. Замыкание приведенной выше системы уравнений производилось при помощи калорического и термического уравнений состояния: h = Sc,A,. Л,= \cpldT +h». Система уравнений в частных производных (2.1.-2.3) решалась с помощью дискретной схемы на основе метода конечного объема. Для дискретизации потоков в уравнениях использовалась система годуновского типа с ограничителем MTNMOD для базовых переменных (р, и, v, р, ск). Во . всех случаях твердая поверхность считалась некаталитической и адиабатической.
Первоначально в сосуде высокого давления находился водород при давлении 20-100 атм и температуре 300 К В канале находился воздух: молярная доля кислорода - 0,23, молярная доля азота - 0,77. Начальное давление составляло 1 атм, температура - 300К.
Это время можно связать с периодом индукции самовоспламенения водорода. Однако необходимо учитывать, что в момент раскрытия диафрагмы ударная волна не успевает сформировываться, происходит расширение газа в радиальном направлении. Поэтому при измерении малых периодов индукции движение газов должно определяться на всем протяжении канала, вплоть до диафрагмы, когда расстояние воспламенения составляет несколько калибров.
В канале круглого сечения при таком же Ро = 56 атм. самовоспламенение водорода не наблюдалось. Не наблюдалось вплоть до давления Ро - 94 атм. (рис. 3.76). При одинаковых Ро интенсивность ударной волны в канале круглого сечения была ниже, чем в канале прямоугольного сечения.
При Ро = 96 атм. наблюдалось самовоспламенение водорода на расстоянии 7 калибров (рис. 3.7е). При этом давление во фронте волны составляло 23 атм., а время задержки фронта пламени - 24 мкс.
На рис. 3.8а показан процесс самовоспламенения водорода на расстоянии 18-19 калибров (90-93 мм) от диафрагмы в канале прямоугольного сечения, перед второй парой датчиков. Давление водорода в сосуде высокого давления составляло при этом Ро = 40 атм. Время задержки между фронтом ударной волны и фронтом пламени составляло 38 мкс на второй паре датчиков и 41 мкс на третьей паре датчиков. Скорость пламени составляла 1055 м/с между вторым и третьим датчиками. При этом скорость ударной волны составляла 1142 м/с, а давление во фронте - 12 атм. В данном случае время прихода пламени к датчику не превышало 125 мкс.
