CC BY
47
Машиностроение к компьютерные технологии
Сетевое научное издание
http://www.technomagelpub.ru
Ссылка на статью:
// Машиностроение и компьютерные технологии. 2017. № 12. С. 22-31.
Представлена в редакцию: 18.11.2017
© НП «НЭИКОН»
УДК 662.215.12
Дефицит скорости стационарной детонационной волны в водородно-кислородных смесях в детонационной трубке субкритического диаметра
Головастов С.В.1'2'*, Бивол Г.Ю
дЫо уа ь1:о аш1ех
1МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва, Россия 2Объединенный институт высоких температур РАН,
Москва, Россия
2
Экспериментально изучено распространение детонационного горения водородно-кислородной смеси в цилиндрической трубке субкритического диаметра. Так как распространение детонации в подобной системе характеризуется гораздо большими тепловыми потерями на боковых стенках трубки, одним из основных кинетических параметров данного горения является дефицит скорости стационарного горения. На основе скоростных пространственно-временных разверток, полученных с помощью высокоскоростной камеры в видимом оптическом диапазоне, определены скорости стационарного распространения детонационного фронта и приведено сравнение полученных значений с параметрами детонации Чепмена-Жуге. Показано, что дефицит скорости может достигать значений 20%.
Ключевые слова: детонация; дефицит скорости; субкритический диаметр; детонационная ячейка
1.Введение
На сегодняшний день стационарная газовая детонация в каналах представляется хотя и сложным, но достаточно изученным явлением. Процессы, происходящие в ускоряющемся пламени и волне детонации, хорошо описываются существующими моделями, которые позволяют с достаточной точностью рассчитывать параметры на фронте детонационной волны. Однако при переходе к малым масштабам, когда диаметр канала становится порядка характерного размера неоднородности пламени, например, детонационной ячейки, возникает ряд таких явлений, как спиновая и галопирующая детонация, которые невозможно объяснить в рамках существующих теорий. Граничные эффекты, теплопотери в стенки в узких каналах они становятся сравнимыми с тепловым эффектом реакции. Потери импульса за счет вязкого прилипания становятся столь существенны, что оказывают
значительное влияние на пределы существования и скорость стационарной детонации, а также пределы перехода горения в детонацию.
Среди известных способов инициирования детонации в газовых средах можно выделить два предельных случая: прямое инициирование и переход горения в детонацию. При прямом инициировании энергия выделения в небольшом объеме превышает энергию, выделяемую на фронте детонационной волны. Детонация формируется практически сразу же после выделения энергии [1-4].
Форкамерное инициирование приобретает актуальность при распространении горения и детонационных волн в узких каналах. Под узкими каналами будем подразумевать каналы, внутренний диаметр которых не более чем на порядок больше ширины детонационной ячейки. Также узким каналом можно назвать канал, диаметр которого меньше ширины детонационной ячейки. При изучении форкамерного инициирования детонации в узких каналах необходимо принимать во внимание не только поведение горения внутри форкамеры, но и особенности распространения фронта пламени вдоль оси узкого канала.
Примером технического использования газовой детонации в каналах с околокритическим диаметром могут служить устройства для введения лекарственных препаратов безыгольным методом. Одним из способов создания импульсного усилия может быть использование энергии газовой детонации [5]. помимо прочего, использование энергии детонационного сжигания может быть использовано при создании двигателей малой мощности [6]. Основной научной и технической проблемой, для применения газовой детонации в подобном устройстве является получение детонационной волны на малых расстояниях (до 300 мм) от места инициирования. Среди всех способов возбуждения детонации в газе наиболее предпочтительным для технических приложений является переход горения в детонацию (111Д), так как не требует большого начального вложения энергии.
Целью данной работы было определение стационарной скорости детонационной волны в узкой детонационной трубке и сравнение полученных значений со скоростью детонации Чепмена-Жуге в широкой детонационной трубке. Также определялось мгновенное распределение параметров продуктов горения за фронтом детонационной волны вдоль оси трубки.
2. Экспериментальная установка
Экспериментальная установка показана на рис. 1. Она состояла из форкамеры (7), соединенной с открытым каналом с круглым поперечным сечением, системой вакуумиро-вания (2), системой подачи водородно-кислородной смеси (3), системой зажигания и регистрирующей системы. Форкамеры была изготовлена из латуни. Внутренний диаметр форкамеры составлял 20 мм, длина 20 - мм Трубка длиной 1000 мм была изготовлен из прозрачного оргстекла. Внутренний диаметр трубки равнялся 3,5 мм.
Смесь водорода с кислородом приготовлялась по парциальным давлениям компонентов в сосуде объемом 3 литра. Максимальное давление смеси в сосуде составляло 4*105 Па. Смесь выдерживали в течение, по меньшей мере, 1 час. Кроме того, повторные
измерения параметров горения для той же геометрии форкамеры проводились при различных давлениях горючей смеси в сосуде: 1,2*105-4*105 Па.
4
©
Рис. 1. Схема экспериментальной установки. 1 - форкамера, 2 - магистраль подачи топлива, 3 - датчсик давления, 4 - прозрачный канал с врунтренним диаметром 3 мм
Перед каждым экспериментом форкамера и канал откачивались до давления 2 кПа.
момента зажигания второй конец трубки открывался, и давление в канале и форкамере становилось равным атмосферному давлению.
Для зажигания смеси в форкамере использовался искровой промежуток. осуществляющийся у закрытого конца форкамеры на оси. Это дает возможность избежать газодинамических возмущений от выступающих элементов в форкамере. Для генерации электрического разряда использовали генератор импульсов ГИ-1 и автомобильная катушка зажигания. Энергия искры не превышала 0,1 Дж. Продолжительность энерговыделения не превышала 10 мкс. Энергия, выделяемая в искровом промежутке, была на 1-3 порядка меньше энергии, выделяемой при сгорании газовой смеси в форкамере.
Измерение скорости фронта пламени производилось с помощью скоростной камеры Видеоспринт. Камера способна снимать со скоростью 200000 кадров в секунду., время экспозиции составляло 1 мкс.
На рис. 2. представлена характерная временная развертка распространения фронта пламени в стехиометрической водородно-кислородной смеси вдоль оси прозрачной трубки. По наклону касательной к траектории фронта горения определялась скорость детонационной волны V. В данном случае скорость V задавалась соотношением (1):
где а - угол между вертикалью и касательной (см. рис. 2).
Результаты измерений скорости фронта детонационной волны в зависимости от мольного избытка водорода представлены на рис. 3. В данном случае коэффициент мольного избытка водорода определялся соотношением (2):
Затем форкамеру и трубку заполняли горючей смесью до давления 1,1*105 Па. За 2-3 с. до
3. Экспериментальные результаты
V = tga,
(1)
(2)
где [И2 ], [02 ] - мольные концентрации водорода и кислорода. Также, на рисунке 3 проведены значения скорости стационарной волны детонации. Данные для широкого канала получены на основе соотношений в работе [7].
Рис. 2. Временная развертка движения фронта пламени, волны детонации и продуктов горения вдоль оси
детонационной трубки.
3.6
3.2
2.8
(Л
ЕЕ
2.4
4
//
А ?
❖ 1. Narrow ШЬе
• 2. ОИ.-^ ЬеЬпаНоп
1.6
0 12 3
БР
Рис.3. Средняя скорость детонационной волны в узкой трубке (1) в сравнении со скоростью детонации Чемпена-Жуге (2) в зависимости от мольного избытка водорода ER
2
В смесях, близких к стехиометрическим, полученное значение скорости детонации отличается от расчетной не более чем на 5%. Однако при заметном отклонении от стехио-метрической смеси, происходит падение скорости ниже теоретической. При БЯ>2 разница составляет более 500 м/с.
Скорость стационарной детонации является величиной, которая определяется соотношением между компонентами и, главным образом, не зависит от начального давления смеси. Однако, в силу того, что при распространении в узком субкритическом канале миллиметрового размера существенное влияние на процесс горения оказывают пристеночные эффекты, возможно снижение стационарной скорости детонации по сравнению со значениями, характерными для детонации Чепмена-Жуге.
Для объяснения причин снижения стационарной скорости детонационной волны были проведены оценки ширины детонационной ячейки в зависимости от мольного соотношения между водородом и кислородом. Наиболее подробный анализ оценки данного параметра приведены в работах [7,8]. Значения ширины зоны реакции были взяты из [7], размер ячейки для стехиометрической смеси в [8]:
ЛЕ
ЛЕК -Л1
ЕК
Л
(3)
где Ах, ДЕЯ - длины реакции для соотношения ЕЯ = 1 и исследуемого соотношения ЕЯ,
- ширина детонационной ячейки для соотношения ЕЯ = 1 и необходимого соотношения ЕЯ.
Так как универсальной характерной величиной оценки поперечного размера детонационной трубки является отношение диаметра (или эффективного диаметра - для некруглых сечений) трубки к ширине детонационной ячейки, то оценочные значения приведены в безразмерных величинах на рис. 4.
0.8
и 2
0.4
1. V / Vг.
2. б / X
3
ЕР
Рис. 4. Отношение средней скорости детонации к скорости Чепмена-Жуге (1) и отношение диаметра канала к расчетному размеру ячейки (2) в зависимости от мольного избытка водорода ER
2
1
0
0
0
1
2
3
Также на рис. 4 приведены безразмерные значения дефицита скорости детонации в узкой трубке относительно параметров детонации Чепмена-Жуге. Как и следовало ожидать, наименьший дефицит скорости наблюдается для стехиометрической водородно-кислородной смеси (БЯ=1.0). Как видно из рис. 4, это обуславливается наименьшей шириной детонационной ячейки. Отношение диаметра трубки к ширине ячейки при этом равно 2,6.
При изменении состава смеси, отличного от БЯ=1.0, регистрируется увеличение дефицита скорости детонации. Максимальный дефицит скорости относительно скорости Чепмена-Жуге составлял 20%. В этом случае размер детонационной ячейки стал равным диаметру детонационной трубки. Данный характер изменения скорости аналогичен характеру изменения ширины детонационной ячейки в зависимости от состава смеси, представленному на рис. 4. Согласно гипотезе Щелкина, размер детонационной ячейки линейно зависит от ширины зоны реакции [9]. На рисунке показана зависимость размера ячейки в смеси водород-кислород в зависимости от БК
3. Обсуждение результатов
Примером технического использования газовой детонации в каналах с околокритическим диаметром могут служить устройства для введения лекарственных препаратов безыгольным методом. Реализация указанного метода может иметь ряд преимуществ: высокая удельная плотность энергии, портативность, отсутствие вредных и ядовитых продуктов расширения.
Основной научной и технической проблемой, для применения газовой детонации в подобном устройстве является получение детонационной волны на малых расстояниях (до 300 мм) от места инициирования. Для минимизации объема газа, сгорающего в недетонационном режиме и сокращения физического размера устройств, является целесообразным возбуждать волну детонации в узких каналах, а в пределе - около или субкритического диаметра. Однако на пути использования узких каналов для сокращения преддетонацион-ного расстояния встают описанные выше характерные проблемы, связанные с дефицитом скорости волны детонации.
Тем не менее, сужение трубки не препятствует формированию детонационной волны в довольно широком диапазоне концентраций водорода: БЯ=0,3-2,5. Более того, несмотря на то, что наименьший дефицит скорости регистрируется, как и следовало ожидать, в стехиометрической водородно-кислородной смеси, наибольшая скорость волны, а значит, и продуктов сгорания в абсолютных величинах регистрируется для обогащенной водородом смеси: БЯ=2,0-2,5. Использование равно как обогащенной, так и обедненной смеси не только приводит к более высоким кинетическим характеристикам потока, но и повышает пожаро- и взрывобезопасность. Подобные характеристики для водородно-кислородной смеси аналогичны характеристикам для метано-кислородных смесей, как это было показано в работе [10].
Заключение
На основании полученных результатов при изучении распространения детонации в смеси водорода с кислородом с различным соотношением топлива и окислителя в узком канале можно сделать следующие заключения. Как и следовало ожидать, распространение детонации носит отличный характер от стационарной детонации Чепмена-Жуге. Одной из важнейших характеристик распространения фронта детонации является дефицит скорости стационарного горения, вызванный, как правило, тепловыми потерями на боковых стенках трубки.
Представлена зависимость средней скорости детонации в узком канале от молярного состава смеси. Такая зависимость имеет ярко выраженный экстремум для стехиометриче-ской водородно-кислородной смеси (ER=1,0). При этом такая зависимость аналогична по форме с графиком отношения диаметра трубки к ширине детонационной ячейки. При отклонении горючей смеси от стехиометрической, наблюдался дефицит скорости детонации относительно скорости детонации Чепмена-Жуге до 20%. Показано, что максимальный дефицит скорости детонации наблюдался при ширине ячейки, равной диаметру детонационной трубы.
Благодарность
Работа проведена при поддержке Российского Фонда Фундаментальных Исследований, № 15-38-70017, 16-38-00682-мол-а, и стипендии Президента РФ № SP-1501.2016.1.
Список литературы
1. Lee J. H. S. Dynamic parameters of gaseous detonations //Annual review of fluid mechanics. 1984. V. 16. №. 1. P. 311-336.
2. Clavin P. Theory of gaseous detonations // Chaos: An Interdisciplinary Journal of Nonlinear Science. 2004. V. 14. №. 3. P. 825-838.
3. Bull D. C., Elsworth J. E., Hooper G. Initiation of spherical detonation in hydrocarbon/air mixtures // Acta Astronautica. 1978. V. 5. №. 11-12. P. 997-1008.
4. Abouseif G. E., Toong T. Y. On direct initiation of gaseous detonations // Combustion and Flame. 1982. V. 45. P. 39-46.
5. Голуб В. В. и др. Применение детонации водородовоздушной смеси в устройствах для безыгольной инъекции // Теплофизика высоких температур. 2013. Т. 51. №. 1.
С. 147-147.
6. Микушкин А. Ю., Самойлова А. А., Бивол Г. Ю., Коробов А. Е., Головастов С. В. Метод расчета нестационарного тягового усилия эжекторного насадка пульсирующего реактивного двигателя // Наука и образование. 2016. № 6. с. 130-144.
7. Schultz E., Shepherd J. Validation of detailed reaction mechanisms for detonation simulation. Explosion Dynamics Laboratory Report FM99-5. 2000
8. Lee J. H. S. The detonation phenomenon. Cambridge : Cambridge University Press, 2008.
9. Щелкин К. И., Трошин Я. К. Газодинамика горения. Изд-во Академии наук СССР, 1963.
10. Бивол Г. Ю., Головастов С. В., Голуб В. В. Формирование пересжатой волны детонации в потоке метано-кислородных смесей в канале переменного сечения // Теплофизика высоких температур. 2017. Т. 55. № 4. С. 576-581.
Mechanical Engineering & Computer Science
Electronic journal
http://www.technomagelpub.ru
Mechanical Engineering and Computer Science, 2017, no. 12, pp. 22-31.
Received: 18.11.2017
© NP "NEICON"
Deficit of Stationary Detonation Velocity in Hydrogen-oxygen Mixtures Propagated in a Detonation Pipe of a Subcritical Diameter
S.V. Golovastov1'2'*, G.Yu.Bivol2 ''golovastoygiyandexju
:Bauman Moscow State Technical University, Moscow, Russia Join Institute for High Temperatures of RAS, Moscow, Russia
Keywords: detonation; velocity deficit; subcritical diameter; detonation cell size
The paper deals with an experimentally determined deficit of the detonation velocity in the hydrogen-oxygen mixture at various molar ratios between hydrogen and oxygen. The excess hydrogen ratio varied from 0.4 to 2.5.
The objective was to determine the stationary velocity of the detonation wave in a narrow detonation tube and compare the obtained values with the Chapman-Jouguet detonation velocity in a wide detonation tube. An instantaneous distribution of the combustion product parameters behind the detonation wave front along the axis of the tube was also determined.
The article describes an experimental setup, the main part of which is a transparent plexiglas with an internal diameter of 3.5mm. The tube is intended for optical recording of combustion processes, including detonation.
The characteristics of the recording optical equipment are given. A characteristic spacetime diagram of the detonation and combustion products motion along the axis of the detonation tube is obtained using a high-speed digital camera "VideoSprint." A technique to determine the velocity of combustion products based on space-time scans is presented.
Based on the data from the references, the article estimates a width of the detonation cell, and analyzes detonation velocity. Gives the quantitative values of the deficit of the detonation velocity as a function of the mole excess of hydrogen. Shows that the maximum deficit of the detonation velocity has been observed with a cell width equal to the diameter of the detonation tube.
On the basis of the data obtained, there is a suggestion to use detonation in the channels of subcritical diameter in order to create propellant devices (throwers), in particular in the field of needleless injection.
References
1. Lee J. H. S. Dynamic parameters of gaseous detonations //Annual review of fluid mechanics. 1984. V. 16. №. 1. P. 311-336.
2. Clavin P. Theory of gaseous detonations // Chaos: An Interdisciplinary Journal of Nonlinear Science. 2004. V. 14. №. 3. P. 825-838.
3. Bull D. C., Elsworth J. E., Hooper G. Initiation of spherical detonation in hydrocarbon/air mixtures // Acta Astronautica. 1978. V. 5. №. 11-12. P. 997-1008.
4. Abouseif G. E., Toong T. Y. On direct initiation of gaseous detonations // Combustion and Flame. 1982. V. 45. P. 39-46.
5. Golub V. V. et al. Using of hydrogen-air mixture detonation in needle-free injection devices // High Temperature. 2013. V. 51. №. 1. P. 138-140.
6. Mikushkin A. Y., Samoilov A. A., Bivol G. Y., Korobov A. E., Golovastov S. V. Method of calculation of non-stationary traction ejector nozzle pulsating jet engine // Science and education of the Bauman MSTU. 2016. №. 6. pp. 130-144. (in Russian)
7. Schultz E., Shepherd J. Validation of detailed reaction mechanisms for detonation simulation. Explosion Dynamics Laboratory Report FM99-5. 2000.
8. Lee J. H. S. The detonation phenomenon. Cambridge : Cambridge University Press, 2008.
9. Shelkin K.I., Troshin Ya.K. Gasdynamics of combustion. USSR Acedemy od Sciences. 1963. (in Russian).
10. Bivol G. Y., Golovastov S. V., Golub V. V. Formation of an overdriven detonation wave in the flow of methane-oxygen mixtures in a variable cross section channel // High Temperature. 2017. V. 55. № 4. P. 561-566.
