CC BY
14
УДК 234.465+534.222
АНАЛИЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПОДАВЛЕНИЯ ВОЛНЫ ГАЗОВОЙ ДЕТОНАЦИИ ХИМИЧЕСКИ ИНЕРТНЫМИ МИКРОЧАСТИЦАМИ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ НАЧАЛЬНЫХ ДАВЛЕНИЯХ
Павел Аркадьевич Фомин
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, кандидат физико-математических наук, доцент кафедры специальных устройств и технологий; Институт гидродинамики им. М. А. Лаврентьева СО РАН, 630090, Россия, г Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 15, тел. (383)361-07-31, e-mail: kaf.suit@ssga.ru
Валерик Сергеевич Айрапетян
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, доктор технических наук, зав. кафедрой специальных устройств и технологий, тел. (383)361-07-31, e-mail: kaf.suit@ssga.ru
Рассмотрен метод управления параметрами и подавления волны газовой детонации облаком химически инертных микрочастиц. Рассчитаны параметры стационарной детонационной волны и относительный размер детонационной ячейки в газовой смеси CH4 + 2O2 + N2 с химически инертными микрочастицами (SiO2). Проанализировано влияние начального давления на эффективность подавления волны. Рассмотрено два сценария: (i) массовая доля конденсированной фазы в двухфазной смеси фиксирована и (ii) абсолютная концентрация частиц постоянна. В первом случае эффективность подавления ДВ увеличивается при увеличении начального давления. Во втором случае увеличение начального давлени я приводит к снижению эффективности подавления детонационной волны.
Ключевые слова: детонация, газ-частицы, детонационная ячейка, подавление.
ANALYSIS OF THE EFFICIENCY OF GAS DETONATION WAVE SUPPRESSION BY CHEMICALLY INERT MICROPARTICLES AT DIFFERENT IN ITIAL PRESSURES
Pavel A. Fomin
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Ph. D., Professor of the Department of Special Devices and Technologies; La-vrent'ev Institute of Hydrodynamics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 15 Аkademik Lavrentiev Prospect, tel. (383)361-07-31, e-mail: kaf.suit@ssga.ru
Valerik S. Ayrapetyan
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., D. Sc., Head of the Department of Special Devices and Technologies, tel. (383)361-07-31, e-mail: kaf.suit@ssga.ru
The method of gaseous detonation wave control and suppression by chemically inert micropar-ticles injection is considered. Parameters of a steady detonation wave and relative detonation cell size in a CH4 + 2O2 + N2 mixture with chemically inert microparticles (SiO2) are calculated. The influence of initial pressure on the efficiency of the gaseous detonation wave suppression is analyzed. Two scenarios are considered: (i) the mass fraction of condensed phase in the two-phase mixture is fixed and (ii) the absolute concentration of particles is fixed. In the first case the efficiency of DW suppression increased with increase of initial pressure. In the second case the increase of initial pressure leads to the decrease of the efficiency of DW suppression.
Key words: detonation, gas-particles, detonation cell, suppression.
На основании модели [1,2] проанализировано влияние начального давления на эффективность управления параметрами и подавления волны газовой детонации облаками химически инертных микрочастиц. В рамках модели предел распространения детонационной волны соответствовал увеличению размера детонационной ячейки при увеличении концентрации твердой фазы в смеси до определенной величины, зависящей от диаметра канала. Эффективность подавления волны полагалась зависящей от относительного размера детонационной ячейки, т.е. отношения размера детонационной ячейки с частицами а к размеру детонационной ячейки в чистом газе ар. Чем такое отношение выше, тем выше эффективность подавления волны. Рассчитаны параметры стационарной детонационной волны и относительный размер детонационной ячейки в смеси СН4 + 202 + N2 с химически инертными микрочастицами ^Ю2). Рассмотрено два сценария: (1) массовая доля конденсированной фазы в двухфазной смеси ^ фиксирована (рис. 1,2) и (и) абсолютная концентрация частиц постоянна (рис. 3,4).
Как видно из рис. 1(а-с) и 2(а, Ь), увеличение начального давления Ро ведет к увеличению скорости детонации D, давления Р, и температуры Т. Относительный размер детонационной ячейки также увеличивается (рис. 2(с)). Поэтому эффективность подавления детонационной волны химически инертными микрочастицами при фиксированной массовой доле твердой фазы при увеличении начального давления также увеличивается. Объяснение этого эффекта иллюстрируется рис. 1^). Рост начального давления ведет к увеличению степени рекомбинации продуктов реакции и соответствующему увеличению теплового эффекта (величина (мтах - м)/ Мпах ^ 0 при увеличении Р0, М и Мпах - текущая молярная масса газа и молярная масса газа в предельно рекомбинированном состоянии).
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 а 1.0
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 а 1,0
а
ь
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 а 1,0
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 а 1,0
с
d
Рис. 1. Параметры волны Чепмена-Жуге в газовой смеси СН4 + 202 + N с химически инертными микрочастицами SiO2. То = 293 К, Ро = 1 атм и Ро = 0.1 атм
1800
Тж' к 1500
1200
900
600
СИ, + 20, + N.
Р0: 1 atm (1), 0.1 atm (2)
300-1—
0,0
3-1
1§(«Ч> 2-
СИ + 20 + N
Р0: 1 atш (1), 0.1 аОп (2)
0,2 0,4 0,6 0,8 а 1,0
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 а 1,0
СИ. + 20, + N.
а
1,0
(а/«р)2/(а/«р)1 0,8
СИ, + 20, + N.
0,2
0,4 а 0,6
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 а 1,0
Рис. 2. Параметры пика Неймана и относительный размер ячейки детонационной волны в газовой смеси СН + 202 + N2 с химически инертными микрочастицами SiO2. Т0 = 293 К, Р0 = 1 атм и Р0 = 0.1 атм
2400
Б, ш/Ъ 2000
1600
1200
0 2 4 6
6 8 Р0, at.ni 10
4000 Т, К 3600
6 8 Р0, а.ш 10
Рис. 3. Параметры Чепмена-Жуге детонационной волны в газовой смеси СН4 + 202 + N2 с химически инертными микрочастицами SiO2. Т0 = 293 К
2000-т^ к 1600-
PSW/P0
0 2 4 6
8Р0, а.ш10
2 4 6 8 рр а(ш 10
аор-
0 2 4 6
0 2 4 6 8Р0, а«ш10
Рис. 4. Параметры пика Неймана детонационной волны и относительный размер детонационной ячейки в газовой смеси СН4 + 202 + N2 с химически инертными микрочастицами Si02. Т0 = 293 К.
Р __ , .Ши
ь
0,6
0,4
0,0
d
с
Б
24
8 Р0, айш 10
ь
а
0 2
а
с
ь
а
8Р, айш10
а
с
Рассмотрим случай, когда абсолютная концентрация частиц при изменении начального давления не меняется. Обозначим а при некотором давлении P* как а*. Массовая доля конденсированной фазы может быть рассчитана следующим образом:
а = а* / [(P / P*)(1 - а*) + а*)]
Согласно этому уравнению массовая доля конденсированной фазы уменьшается при увеличении начального давления. Результаты расчета с учетом этой формулы представлены на рис. 3(a). Параметры волны Чепмена-Жуге при а* = 015,р* =1 atm показаны на рис. 3(b-d). Параметры позади переднего ударного фронта и относительный размер детонационной ячейки при различных начальных давлениях показаны на рис. 4(a-d). Как видно из рис. 3(b-d) и рис. 4(a, b) скорость, давление и температура детонационной волны увеличиваются, поскольку массовая доля частиц уменьшается (рис. 3(a)). Относительный размер детонационной ячейки (и, соответственно, эффективность подавления детонации) с ростом начального давления уменьшаются.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Fomin P. A., Chen J. -R. Effect of chemically inert particles on parameters and suppression of detonation in gases. Combustion, Explosion and Shock waves, 2009, Vol. 45, № 3, pp. 303 -312.
2. Fedorov A.V., Fomin P.A., Fomin V.M., Tropin D.A., Chen J. -R. Mathematical Analysis of Detonation Suppression by Inert Particles. Kao Tech Publishing, Kaohsiung, Taiwan, 2012, 144 p.
© П. А. Фомин, В. С. Айрапетян, 2017
