Шемякин Е.И., Смирнов Н.Н., Нигматулин Р.И., Натяганов В.Л. (редакторы) Газовая и волновая динамика

Подождите немного. Документ загружается.

Рис. 10: Эволюция полей плотности и скорости 6-ой – 7-ой камерах многокамер-

ного устройства при значении параметра расширения β

=0.96, концентрации

горючего 0.012

144

где S

chamb

– площадь поперечного сечения камеры, S

tube

– площадь поперечного се-

чения трубы, L

tube

– длина участка трубы, соединяющего соседние камеры, L

chamb

–

длина камеры с широким поперечным сечением. В рассмотренном нами случае па-

раметр расширения был очень велик (β

=0.96), что облегчало ускорение пламени

в узкой трубе, но блокировало его в других частях устройства.

Для того, чтобы исследовать влияние величины параметра расширения на пе-

реход к детонации, нами был проведен ряд численных экспериментов по расчету

ПГД для труб диаметром 64.3 мм и 76.7 мм, на которые были насажены камеры

диаметром 100 мм и длиной 100 мм. Два этих варианта соответствовали значениям

параметра расширения соответственно 0.60 и 0.40. В исследовавшемся устройстве

было 10 камер, равномерно распределенных по трубе с промежутками 50 мм между

камерами; длина всего устройства составляла 1.45 м.

На рис. 11 показано распределение плотности и скорости газа в камерах 6и7при

прохождении по ним фронта реакции для случая β

= 0.4. Концентрация горючего

fuel

= 0.012) и условия зажигания те же, чтоивпредыдущемслучае (рис. 10).

Результаты расчетов показывают, что детонационный режим устанавливается в 7-

ой камере и на выходе из нее. Максимальная скорость детонационной волны 1700

м/с, а средняя скорость – 1450 м/с. Таким образом, при данном значении параметра

расширения (β

= 0.4) можно говорить об установлении режима низкоскоростной

детонации.

На рис. 12 изображены траектории фронта пламени и его скорость для трубы с

равномерно расположенными камерами при концентрации горючего 0.012. Горизон-

тальные линии на рис. 12b, c отмечают границы камер. Из рисунка видно, что в

случае высоких значений параметра расширения устанавливался режим галопирую-

щего горения с весьма регулярными осцилляциями скорости. Для более низких зна-

чений этого параметра осцилляции скорости были нерегулярными и имели меньшую

амплитуду. Для еще более низких значений β

устанавливалась галопирующая де-

тонация со средней скоростью распространения меньшей, чем скорость детонации

Чепмена – Жуге для исследуемой смеси.

Таким образом, для рассматриваемого состава смеси значения параметра расши-

рения β

= 0.4 ÷ 0.6 являются переходными между режимами низкоскоростной

детонации и галопирующего горения. Исследуем, зависит ли переходная область

параметра β

от состава смеси. На рис. 13 представлены результаты численных

экспериментов по ускорению пламени в многокамерной трубе для различных значе-

ний начальных концентраций горючего (C

fuel

= 0.012 и C

fuel

= 0.015), но при одном

и том же коэффициенте расширения β

= 0.6.

Из рис. 13 видно, что при концентрации горючего C

fuel

= 0.012 в трубе уста-

навливается режим галопирующего горения со средней осевой скоростью 720 м/с.

При повышении начальной концентрации горючего (C

fuel

= 0.015) в окрестности

6-ой камеры происходит смена режима распространения волны: ускоряющееся гало-

пирующее горение приводит к возникновению низкоскоростной детонации, которая

распространяется со средней осевой скоростью 1600 м/с при максимальной скорости

2000 м/с на переходном участке. Таким образом, увеличение начальной концентра-

145

Рис. 11: Эволюция полей плотности и скорости 6-ой – 7-ой камерах многокамер-

ного устройства при значении параметра расширения β

=0.40, концентрации

горючего 0.012

146

Рис. 12: Траектории и средние по сечению скорости фронта реакции при уско-

рении пламени в газовой смеси при концентрации горючего C

fuel

=0.012 в

многокамерных устройствах для различных значений коэффициента расшире-

ния: (a) – β

=0.96; (b) – β

=0.60; (c) – β

=0.40

147

Рис. 13: Траектории и средние по сечению скорости фронта реакции при уско-

рении пламени в газовой смеси в многокамерных устройствах для коэффи-

циента расширения β

=0.60 при значениях концентрации горючего: (a) –

fuel

=0.012; (b) – C

fuel

=0.012

148

Рис. 14: Самоподдерживающиеся скорости фронта реакции в многокамерных

устройствах как функции коэффициента расширения при концентрации горю-

чего: 1 – C

fuel

=0.012;2–C

fuel

=0.015

ции горючего приводит к возрастанию переходных значений параметра расширения

На рис. 14 представлены значения средней скорости самоподдерживающегося

режима распространения фронта реакции в трубах с равномерно распределенными

по оси камерами расширения как функции коэффициента расширения при различном

составе смеси. Из графика видно, что средняя скорость фронта реакции уменьшается

при увеличении коэффициента расширения β

Таким образом, суммируя роль камер турбулизаторов большого диаметра на ПГД

в трубах, следует отметить, что наличие камер в начальной секции, где производится

зажигание, способствует ускорению пламени и ПГД. С другой стороны, уже сформи-

ровавшаяся детонационная волна может разрушаться при выходе в камеру большого

диаметра, что приводит к подавлению детонации. Сколько же камер необходимо

интегрировать в начальную секцию трубы, чтобы добиться максимального эффекта

ускорения ПГД? Проведенные расчеты для β

= 0.96 показывают, что таких камер

достаточно две. Теоретическое объяснение опирается на выполнение необходимого

условия ПГД, а именно: условия превышения скоростью пламени скорости звука в

невозмущенном газе (критерий «сцепления», Зельдович и др., 1970, 1988). Анализ

результатов расчетов (рис. 9) показывает, что поршневой эффект расширяющихся

продуктов сгорания в форкамере приводит к резкому ускорению пламени при выходе

в более узкую трубу. При выходе из первой камеры пламя приобретает среднюю

скорость в диапазоне 110 ÷ 260 м/с в зависимости от состава смеси (рис. 9), что

оказывается ниже скорости звука в исходной смеси. При выходе из второй камеры

149

пламя проталкивается в трубу со скоростью в диапазоне 435 ÷ 920 м/с, что уже

значительно выше необходимого критерия. Поэтому дальнейшее увеличение числа

камер нецелесообразно.

8. Влияние начальной температуры смеси на ПГД в газах

Влияние температуры на ПГД в газах является одной из наименее изученных сто-

рон процесса. Имеющиеся экспериментальные данные весьма ограниченны и часто

противоречивы. Так, увеличение температуры в стехиометрических смесях водоро-

да с кислородом приводило к возрастанию преддетонационного расстояния (Laffitte,

1928). При уменьшении концентрации водорода существенного влияния температу-

ры на преддетонационное расстояние обнаружено не было (Bollinger et al., 1961).

Исследование ПГД в смесях углеводородов с воздухом (Смирнов, Бойченко, 1986)

показало уменьшение преддетонационного расстояния при увеличении начальной

температуры смеси.

Причина таких противоречивых результатов в том, что изменение температуры

исходной смеси приводит к возникновению двух противоположных эффектов. С од-

ной стороны, увеличение начальной температуры приводит к возрастанию скорости

химических реакций, способствуя тем самым ускорению пламени. С другой сторо-

ны, переход горения в детонацию возможен после того, как скорость турбулентного

пламени превысит скорость звука в газе, которая также возрастает с увеличением

температуры, затрудняя тем самым переход горения в детонацию. Вероятно, сов-

местное влияние этих двух противоборствующих механизмов и приводит к такой

разнородности экспериментальных результатов.

Как уже отмечалось, в стехиометрических смесях водорода с кислородом в трубах

постоянного поперечного сечения преддетонационное расстояние возрастает с уве-

личением температуры при постоянном давлении. Эти результаты показывают, что

для таких систем преобладающее влияние оказывает фактор возрастания скорости

звука по сравнению с возрастанием скорости пламени, что затягивает процесс ПГД.

В наших исследованиях ПГД в трубах, содержащих форкамеры большого объема

в секции зажигания, ускорение пламени в узкой трубе происходит в большей сте-

пени вследствие его проталкивания вытекающими из камеры горячими продуктами

реакции. Результаты расчетов (рис. 9) показывают, что уже на выходе из второй

камеры скорость пламени значительно превосходит скорость звука в невозмущенной

среде, что является результатом чисто газодинамических особенностей рассматри-

ваемой схемы. Поэтому, возрастание или уменьшение скорости звука в исходной

смеси в результате изменения температуры не может оказать существенного влия-

ния на выполнение данного критерия, что нейтрализует негативное влияние на ПГД

возрастания скорости звука в исходной смеси. Таким образом, фактор возрастания

скоростей реакций (сокращения времен индукции) при возрастании температуры

смеси должен стать доминирующим при определении сценария развития ПГД.

Численное моделирование распространения пламени в обедненных топливо-

воздушных смесях (C

fuel

= 0.011 ÷ 0.012) при повышенной температуре (T

= 353

150

К) показало, что возрастание начальной температуры способствует переходу горе-

ния в детонацию. На рис. 15 изображены траектории и скорости фронта горения как

функции времени для нормальной (a: 300 К) и повышенной температуры (b: 353

К) при концентрации горючего C

fuel

= 0.011. На рис. 16 такая же серия графиков

иллюстрирует развитие процесса ПГД в таком же двухкамерном устройстве, но при

более высокой начальной концентрации горючего (C

fuel

= 0.012).

Из графиков (рис. 15, C

fuel

= 0.011) видно, что при низкой температуре (T

= 300

К) рождения детонационной волны в устройстве не происходит. При столь низкой

концентрации горючего возникает режим галопирующего горения. При повышенной

температуре (T

= 353 К) процесс ПГД имеет место и формируется самоподдержи-

вающаяся детонационная волна (рис. 15b), выход на которую осуществляется через

режим пересжатой детонации. При более высокой концентрации горючего (рис. 16,

fuel

= 0.012) переход горения в детонацию в рассматриваемом устройстве имеет

место как при нормальной (T

= 300 К, рис. 16a), так и при повышенной начальной

температуре (T

= 353 К, рис. 16b). Тем не менее, формирование самоподдержива-

ющейся детонационной волны при повышении начальной температуры происходит

раньше, чем при низкой температуре. Преддетонационное расстояние с повышением

температуры также сокращается.

Подводя предварительные итоги, следует отметить, что в трубах с форкамерами

большого диаметра повышение начальной температуры смеси способствует ПГД и

сокращает преддетонационное расстояние. В то же время в трубах без форкамер

повышение начальной температуры газовой смеси может вызывать обратный эффект

увеличения преддетонационного расстояния.

9. Заключение

Проведенные экспериментальные и теоретические исследования показывают, что в

процессе перехода горения в детонацию зарождение детонации происходит в ло-

кальных экзотермических центрах («горячих точках») между ускоряющейся зоной

турбулентного горения и головной ударной волной. Эти «горячие точки» возникают

вследствие неоднородности потока, в большинстве случаях, на контактных поверх-

ностях, образовавшихся в результате догонного взаимодействия ударных волн перед

фронтом пламени.

В зависимости от структуры горячих точек, они могут служить источниками волн

горения или волн детонации. При возникновении детонации, она распространяется

во все стороны от источника, догоняет головную ударную волну, и после их вза-

имодействия по несгоревшей смеси распространяется квазиплоская волна сильной

детонации, постепенно замедляющаяся до самоподдерживающегося значения скоро-

сти Чепмена-Жуге.

При возникновении в горячей точке волны горения она распространяется значи-

тельно медленнее, что дает время для воспламенения в других горячих точках и, в

конечном итоге, может также привести к возникновению волны детонации.

Наличие одной или двух турбулизующих камер с широким поперечным сечением

151

Рис. 15: Траектории (слева) и средние по сечению скорости фронта реакции

(справа) при ускорении пламени в газовой смеси при концентрации горючего

fuel

=0.011 в трубе с двумя форкамерами (коэффициент расширения: β

0.96) для различных значений температуры: (a) – T

= 300 К; (b) – T

= 353 К

152

Рис. 16: Траектории (слева) и средние по сечению скорости фронта реакции

(справа) при ускорении пламени в газовой смеси при концентрации горючего

fuel

=0.012 в трубе с двумя форкамерами (коэффициент расширения: β

0.96) для различных значений температуры: (a) – T

= 300 К; (b) – T

= 353 К

153