CC BY
51
Механика жидкости и газа Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского, 2011, № 4 (3), с. 966-968
УДК 534.222.2
ФОРМИРОВАНИЕ ДЕТОНАЦИИ В СВЕРХЗВУКОВЫХ ПОТОКАХ ГОРЮЧЕЙ СМЕСИ ПРИ ВЗАИМОДЕЙСТВИИ С ТВЕРДЫМИ СТЕНКАМИ
© 2011 г. И. С. Мануйлович
НИИ механики Московского госуниверситета им. М.В. Ломоносова
manuylovich@imec.msu.ru
Поступила в редакцию 16.05.2011
Рассмотрены задачи об инициировании детонации в сверхзвуковом потоке и неподвижной стехиометрической пропановоздушной смеси, заполняющей частично или полностью поперечное сечение плоского канала. Инициирование происходит за счет уступа или стенки, полностью перекрывающей канал. Исследование проводится численным методом, основанным на схеме С.К. Годунова, в рамках одностадийной кинетики горения. Проведена классификация режимов течения и найдены критические значения параметров, разделяющие их. Обнаружен неизвестный ранее галопирующий режим слоистой детонации и дано объяснение его механизма. Рассмотрена задача об инициировании детонации в сверхзвуковом потоке пропановоздушной смеси в плоском канале постоянного сечения с изгибами за счет взаимодействия потока со стенками канала. Получены значения критической скорости потока и критического угла поворота канала, разделяющие различные режимы течения (в том числе стационарный с детонацией).
Ключевые слова: галопирующая детонация, сверхзвуковой поток, канал, уступ, инициирование, численное моделирование.
Галопирующая слоистая детонация
В связи с использованием детонации в двигателях и других энергетических установках возникает ряд проблем. Среди них — возбуждение детонации и ее стабилизация в пределах камеры сгорания. Инициирование детонации в слое, в неподвижной среде, в неограниченном пространстве экспериментально изучалось авторами. В случае камеры сгорания, которая ограничена в поперечном направлении, можно ожидать появления новых эффектов при детонации.
Рассматривается задача об инициировании детонации в сверхзвуковом потоке и неподвижной стехиометрической пропановоздушной смеси, заполняющей частично или полностью поперечное сечение плоского канала. В потоке инициирование происходит за счет уступа или стенки, полностью перекрывающей канал. Исследование проводится в рамках одностадийной кинетики горения численным методом, основанным на схеме С.К. Годунова. Определены критические условия возникновения детонации, связанные со скоростью набегающего потока. Во всех рассмотренных процессах обнаружен неизвестный ранее механизм распространения детонации, обусловленный формированием сложной волновой структуры тече-
ния, для которой характерно проникновение ударной волны в инертном газе в слой перед волной детонации, в результате чего он прогревается и воспламеняется. Процесс носит периодический характер, отличный от обычной ячеистой детонации в однородной среде. Установлено существование критических скоростей набегающего потока, от которых зависит качественная и количественная картина течения. В однородном потоке получены два различных режима детонации — со стационарной волной на уступе и с волной, распространяющейся ко входному сечению канала.
В слое горючей смеси обнаружены три режима детонации — со стационарной волной на уступе для М = 7.6 (рис. 1) и с волной, распространяющейся ко входному сечению канала в виде стационарного волнового комплекса или в режиме галопирующей слоистой детонации. На рисунке обозначено: 1 — детонационная
волна, 2 — примыкающая к детонационной ударная волна в воздухе, 3 — отраженная от верхней стенки ударная волна, 4 — маховская ножка, 5 — отраженная от нижней стенки ударная волна, 6 — граница струи.
Режим галопирующей детонации может также иметь место в канале постоянного сечения, мгновенно перекрываемом перегородкой (рис. 2).
у, т
Рис. 1
Детонация в изогнутом канале
Рассмотрена задача об инициировании детонации в сверхзвуковом потоке пропановоздушной смеси в плоском канале постоянного сечения с изгибами за счет взаимодействия потока со стенками канала. Получены значения критической скорости потока и критического угла поворота канала, разделяющие различные режимы течения. Го -рючая смесь подается в канал после установления стационарного воздушного потока (рис. 3).
Представлены режимы течения без детонации, с детонацией, выходящей через входное сечение канала и режим со стационарной волной детонации (рис. 4).
Т, К: 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800 3000 3200 3400 3600
1 1.1 1,2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2
Рис. 2
Т, К: 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200
Рис. 3
Рис. 4
968
И.С. Мануйлович
Работа выполнена при финансовой поддержке (проект НШ 8424. 2010.1), в рамках Программ РФФИ (гранты 11-01-00068, 11-08-00288, 10-08-90039- фундаментальных исследований Президиума РАН и Бел), Федерального агентства по науке и инновациям ОЭММПУ РАН.
FORMATION OF DETONATION IN COMBUSTIBLE MIXTURE DUE TO THE INTERACTION WITH RIGID WALLS
I.S. Manuylovich
The problem of detonation initiation in a supersonic flow of a stoichiometric propane-air mixture occupying partially or completely the cross-section of a plane channel is considered. The initiation in the flow is produced by a step or a wall completely cutting off the flow. The study is conducted within the framework of one-stage combustion kinetics. A numerical method based on the Godunov scheme is employed. The critical conditions for detonation formation are determined in terms of the oncoming flow velocity. A previously unknown mechanism of detonation propagation is found. The problem of detonation initiation in a supersonic flow of propane-air mixture in a plane channel with bends and constant cross-section area is considered. The detonation occurs due to curvature of the channel. The critical flow velocity and angle of rotation separating different flow regimes (including stationary with detonation) are determined.
Keywords: galloping detonation, supersonic flow, channel, shelf, initiation, numerical simulation.
